1、第第3 3章章輸入輸出通道接口技術輸入輸出通道接口技術第3章 輸入/輸出通道接口技術 概述 輸入輸出通道的結構 模擬量輸入通道接口技術 模擬量輸出通道接口技術 開關量輸入輸出通道3.1 概 述 在計算機控制系統中，為了實現對生產過程的控制，必須把現場的各種測試參數，如溫度、壓力、流量等連續變化的物理量或開關量，轉換為計算機可識別的數字量輸入到計算機進行數據處理。處理結果又必須轉換為電壓或電流 ，以推動執行機構工作。因此在計算機和生產過程之間，必須設置信息傳遞和變換裝置，這個裝置稱為過程輸入/輸出通道。典型的單片機測控系統硬件組成框圖典型的單片機測控系統硬件組成框圖 單片計算機接口DAAD多路開

2、關反多路開關開關量輸入開關量輸出執行機構傳感器變送器接口接口接口生產設備或過程通用外設輸入/輸出通道 輸入/輸出信號一般有兩種類型：一種是隨時間連續變化的物理量，稱為模擬信號；一種是只有開和關(或1和0)兩種狀態的量，稱為開關量（數字量）。因此計算機控制系統中，輸入/輸出通道分模擬量通道和數字量（開關量）通道兩類。3.2 輸入/輸出通道的結構 信息種類信息種類信息來源信息來源通道類型通道類型數字量數字量開關量輸入開關量輸入閥門的開、關，接點的通、斷，閥門的開、關，接點的通、斷，電平的高、低電平的高、低數字量數字量輸入通道輸入通道數據數碼數據數碼各類數字傳感器、控制器等各類數字傳感器、控制器等脈

3、沖量輸入脈沖量輸入 長度、轉速、流量測定轉換等長度、轉速、流量測定轉換等中斷輸入中斷輸入操作人員請求、過程報警等操作人員請求、過程報警等模擬量模擬量電流信號電流信號壓力、溫度、液位、濕度、速壓力、溫度、液位、濕度、速度、質量、位移等度、質量、位移等模擬量模擬量輸入通道輸入通道電壓信號電壓信號信息信息來源來源 輸出驅動輸出驅動輸出信息輸出信息種類種類通道類型通道類型數字量數字量計算機輸出的計算機輸出的閥門的開、關，觸點的通、閥門的開、關，觸點的通、斷，電機的啟、停等斷，電機的啟、停等開關量開關量 數字量數字量輸出通道輸出通道數字量（數字設備）數字量（數字設備）數字量數字量執行器（電動、氣動、液執

4、行器（電動、氣動、液壓執行器械）壓執行器械）電壓或電壓或電流電流 模擬量模擬量 輸出通道輸出通道3.2.1 模擬量輸入通道的結構輸入通道的一般結構：1、并行轉換結構CPUI/O接口電路A/D轉換采樣/保持器采樣/保持器A/D轉換來自現場的信號2、共享轉換結構多路開關信號處理信號處理信號處理 放大器邏輯控制S/HA/DI/O接口電路CPU3.2.2 模擬量輸出通道的結構輸出通道的一般結構：1、多通道獨立D/A轉換形式CPUI/O接口電路D/A轉換隔離執行器放大轉換D/A轉換隔離執行器放大轉換2、多通道共享D/A轉換形式CPUI/O接口電路D/A轉換反多路開關保持器保持器3.3 模擬量輸入通道接口

5、技術 在單片機的實時測控和智能化儀表等應用系統中，常需將檢測到的連續變化的模擬量(如溫度、壓力、流量、速度、液位和成分等)通過模擬量輸入通道轉換成單片機可以接收的數字量信號，輸入到單片機中進行處理。A/D轉換器是模擬量輸入通道的主要組成部分，完成模擬量到數字量的轉換。 A/D轉換接口設計主要是根據用戶提出的數據采集精度及速度等要求，按一定的技術準則和經濟原因合理的選擇通道結構和A/D轉換器芯片，并適當配置多路模擬開關、前置放大器、采樣保持器、接口和控制電路等，實現模擬量到數字量的線性轉換，對被測信號進行采集和處理。A/D轉換器一般分類如下：（1）按轉換輸出數據的方式，可分為串行與并行兩種，其中

6、并行（串行）ADC又可根據數據寬度分為8位、12位、14位、16位等。（2）按輸出數據類型可分為BCD碼輸出型和二進制輸出型。（3）按轉換原理可分為逐次逼近式、雙積分式和并行式。3.3.1 A/D 主要技術指標1、分辨率：用數字量的位數來表示，位數越高，分辨率越高，對輸入量的變化越靈敏。2、量程：所能轉換的電壓（電流）范圍。3、轉換時間：轉換時間是指啟動A/D轉換到轉換結束所需的時間 。4、線性誤差：滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差。 另外還有工作溫度范圍、對參考電壓的要求、轉換精度（絕對精度和相對精度）、偏移誤差、滿刻度誤差等 。 ADC0809 主要特性：主要特性：1）8路輸入

7、通道，路輸入通道，8位位A/D轉換器，即分辨率為轉換器，即分辨率為8位。位。2）具有轉換起、停控制端。）具有轉換起、停控制端。3）轉換時間為）轉換時間為100s(時鐘為時鐘為640kHz時時)，130s（時鐘為（時鐘為500kHz時）。時）。4）單個）單個+5V電源供電電源供電5）模擬輸入電壓范圍）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準。，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為）工作溫度范圍為-40+85攝氏度。攝氏度。7）低功耗，約）低功耗，約15mW。3.3.2 并行ADC及接口技術ADC0809地址鎖存和譯碼OE通道選擇開關ADDAADDBADDC1N0IN1IN2IN3IN4

8、IN5IN6IN78位三態鎖存緩沖器DACVcc比較器CLOCKSTARTGNDVREF(+)VREF(-)ALE逐次逼近寄存器SAR定時和控制D0D1D2D3D4D5D6D7 EOCADC0809的內部結構例例1：如圖所示，試用中斷方式編寫程序，對IN0IN7通道上的模擬電壓數據進行一次采集，并將轉換結果送入內部RAM 20H單元開始的數據緩沖區中。RDWRCP DQQD0D1D2CLKSTARTALEOEEOCIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN774LS 373P1.0 ADDAADDBADDCD0D7ALEP0INT0 P2.7 MCS-51單片機1 1 OEGADC0809

9、;主程序主程序START: MOV DPTR，#7FFFH MOV R2，#08H MOV R0，#20H MOV R1，#00H ；IN0通道號通道號 SETB EA SETB EX0 ；開外中斷；開外中斷0 SETB IT0 ；中斷請求信號為下降沿觸發；中斷請求信號為下降沿觸發 MOV A，R1 MOVX DPTR，A ；啟動；啟動A/D轉換轉換 LOOP: SJMP LOOP ；等待中斷；等待中斷;中斷服務程序中斷服務程序 ORG 1000HADINT0: MOVX A，DPTR ；讀取；讀取A/D轉換數據轉換數據 MOV R0，A ；存儲數據；存儲數據 INC R1 ；指向下一個通道；

10、指向下一個通道 INC R0 DJNZ R2，ROT CLR EX0 JMP EXIT ROT:MOV A，R1 MOVX DPTR，A EXIT:RETI END采用C語言編程，清單如下：#includereg51.h#define uchar unsigned charuchar xdata *adch;uchar data *addata;uchar i;void main() adch=0 x7fff; addata=0 x20; i=0; EA=1; EX0=1; IT0=1; *adch=i; while(1); void ADint0 (void) interrupt 0 uch

11、ar j; j=*adch; *addata=j; addata+; i+; if(i=0 x08) EX0=0; else *adch=i; 串行ADC具有輸出占用的數據線少，轉換后的數據逐位輸出，輸出速度較慢的特點，但它具有兩大優勢：其一，便于信號隔離，在數據輸出時，只需少數幾路光電隔離器件，就可以很簡單地實現與單片機間的電氣隔離；其二，在轉換精度要求日益提高的前提下，使用串行ADC的性價比較高，且芯片小，引腳少，便于線路板制作。 3.3.3 串行ADC及接口技術 ADC0832由NS公司研制的8位逐次逼近型串行A/D轉換器，其主要特點如下： 1) 8位分辨率； 2) 雙通道A/D轉換；

12、3) 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 4) 5V電源供電時輸入電壓在05V之間； 5) 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32S； 6) 一般功耗僅為15mW； 7) 8PDIP（雙列直插）、PLCC多種封裝；ADC0832ADC0832引腳及功能Vcc：電源端，接+5V電源。GND：信號地。CLK：串行時鐘輸入端。 DO：數字量串行輸出口。CS：使能端。DI：兩路模擬輸入選擇端。 CH0、CH1：兩路模擬信號輸入端。12348765 CS CH0 CH1 GND Vcc/ref CLK DO DIADC08321. 轉換時，先將CS置于低電平并且保持到轉換完全結束。2. 由DI端輸入

13、啟動位和配置位，同時輸入CLK時鐘脈沖。在第1個時鐘脈沖的下降沿之前DI端必須是高電平，表示啟始信號啟始信號。在第2、3個脈沖下降沿之前DI端應輸入2位數據（SGL、Odd）用于選擇通道選擇通道功能，當此2位數據為“1”、“0”時， 選擇CH0。當2位數據為“1”、“1”時，選擇CH1。3. 完成輸入啟動位、通道選擇之后，就可以開始讀出數據。 4.7F 例例2：編寫令ADC0832工作的程序。ADC0832 ADC0832與MCS-51接口電路 Vcc DICSCLKGNDCH0 P1.0 P1.1 P1.2 MCS-51 單 片 機0.1F +5V + P1.3 DO #include sb

14、it CS=P10; sbit CLK=P11; sbit DI=P12; sbit DO=P13; void delay(int timer) while(-timer); void pulse(void) CLK=1; delay(4); CLK=0; void main(void) char i, a; CS=0; /選芯片 a=0 x03; /03選擇通道0； / 07通道1 for(i=0;i1; pulse(); /啟動 a=0 x00;delay(50); /等待轉換結束for(i=0;i8;i+) pulse(); a = a1; if(DO) a = a+1; /讀數 CS=

15、1; /關閉芯片選擇 3.4 模擬量輸出通道接口技術 D/A轉換器是模擬量輸出通道的主要組成部分，完成數字量到模擬量的轉換。D/A轉換器一般可分類如下： 1）根據輸出是電流還是電壓，可以分為電壓輸出型和電流輸出型。 2）根據輸出端是串口還是并口，可以分為串行輸出型和并行輸出型。 3）根據內部是否有鎖存器，可以分為無鎖存器型和帶鎖存器型。 3.4.1 DAC的主要性能指標 1. 分辨率：是D/A轉換器對輸入量變化敏感程度的描述。 2. 轉換精度：實際模擬輸出和理論值的接近程度。3. 非線性誤差 ：是指實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差。 4. 建立時間：建立時間是描述D/A轉換速率

16、快慢的一個重要參數。3.4.2 并行DAC及接口技術DAC0832主要特性：主要特性： 1）分辨率為）分辨率為8位；位； 2）電流穩定時間）電流穩定時間1s； 3）可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入；）可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入； 4）單一電源供電（）單一電源供電（+5V+15V）；）； 5） VREF的范圍為的范圍為-10V+10V 6）低功耗，）低功耗，20mW LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGND DI0DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER1. DAC0832的內部結構VoutIout1Rfb (D/28)V

17、REF單極性電壓輸出單極性電壓輸出2.DAC0832的輸出方式RfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF設 VREF5VnDFFH255時，最大輸出電壓：Vmax（255/256）5V4.98VnD00H時，最小輸出電壓：Vmin（0/256）5V0VnD01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：VLSB（1/256）5V0.02V雙極性電壓輸出雙極性電壓輸出Vout2(D27)/27)VREFR1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2設 VREF5VnDFFH255時，最大輸出電壓：Vmax（25512

18、8）/1285V4.96VnD00H時，最小輸出電壓：Vmin（0128）/1285V5VnD81H129時，一個最低有效位電壓：VLSB（129128/1285V0.04V3.DAC0832 的工作方式及與MCS-51的接口例例3：根據下圖分別輸出鋸齒波、三角波及方波信號。設選通地址為FEH。VoutFEH CS +5V ILE WR +5V XFER D0D7 WR2 ALE P0 _ARfb Iout2 Iout1 VREF DAC0832 MCS-51單單片片機機 鎖鎖存存器器 譯譯碼碼器器 WR1 鋸齒波程序：鋸齒波程序： ORG 0100H MOVR0，#0FEH CLRA ；轉換

19、初值LOOP： MOVX R0，A ；D/A轉換 INC A ；轉換值增量 NOP ；延時 NOP NOP SJMP LOOP END#include”absacc.h”#include”intrins.h”#define DA0832 PBYTE0 xfe#define uchar unsigned charvoid main()uchar i;while(1) for (i=0;i=255;i=i+) DA0832=i; _nop_(); _nop_(); _nop_(); 三角波程序：三角波程序： ORG 0100H MOV R0，#0FEH CLR ADOWN：MOVX R0，A ；線

20、性段下降 INC A JNZ DOWN MOV A，#0FEH ； UP：MOVX R0，A ；線性上升段 DEC A JNZ UP SJMP DOWN END#include”absacc.h”#define DA0832 PBYTE0 xfe#define uchar unsigned charvoid main()uchar i;while(1) for (i=0;i0;i=i-) DA0832=i; 方波程序：方波程序： ORG 0200H MOV R0，#0FEH LOOP： MOVA，#00H；置上限電平 MOVX R0，A ACALL DELAY；形成方波頂寬 MOV A，#0F

21、FH；置下限電平 MOVX R0，A ACALL DELAY；形成方波底寬 SJMP LOOP END#include”absacc.h”#define DA0832 PBYTE0 xfe#define uchar unsigned charvoid delay() uchar i; for (i=0;i0 xff;i=i+);void main() uchar i; while(1) DA0832=0; delay(); DA0832=0 xff; delay(); 3.4.3 串行DAC及接口技術 并行D/A轉換芯片，轉換時間短，通常不超過10s，但它們的引腳較多，芯片體積大，與單片機連接

22、時電路較復雜。因此，在有些遠距離通信中，為節省連結導線，而且對轉換速度要求不是很高的場合，可以選用串行D/A轉換芯片，雖然輸出建立時間較并行D/A轉換芯片長，但是串行D/A轉換芯片與單片機連接時所用引線少、電路簡單，而且芯片體積小、價格低。 TLV5614是美國TI公司生產的4路12位電壓輸出型串行輸入的D/A轉換器，其數字量由高位到低位逐次一位一位地輸入。主要特點如下： 1） 12位分辨率，電壓輸出型； 2） 四通道D/A轉換； 3） 可以與TMS320、SPI、QSPI和51內核單片機接口； 4） 采用雙電源供電，即DVDD和DGND、AVDD和AGND； 5） 轉換時間為3 9S； 6）

23、一般功耗僅為8mW； 7） 具有兩種封裝形式: SOIC 和TSSOP；TLV56141234567816151413121110 9 DVDD PD LDAC DIN SCLK CS FS DGND AVDD VrefAB OUTA OUTB OUTC OUTD VrefCD AGNDTLV5614DVDD、DGND: 串行接口電源, 范圍為: 2.7 5.5 V。AVDD、AGND: 輸出端口的模擬電源, 范圍為: 2.7 5. 5V; 在用戶對精度和抗干擾的要求不是很嚴格的情況下, 兩種電源可以合用。VrefAB、VrefCD: 輸出端基準電壓輸入端, 二者可以不同。由于TLV5614采

24、用 2倍增益輸出方式, 當需要輸出 05V的模擬量時, 基準電源為2.5V, 需要輸出010V 的模擬量時, 基準電源為5V。PD: 掉電模式。CS: 片選。LDAC: 為低電平時, DAC 輸出端口進行數據刷新。FS: 幀同步輸入, 幀同步脈沖的下降沿表示串行數據幀的開始。SCLK: 串行時鐘輸入。DIN: 串行數據輸入。VoutA、Vou tB、VoutC、VoutD: DAC 輸出端口。1.TLV5614引腳功能1）TLV 5614輸出16位數據，16位數據字由兩部分組成: 控制位( D15 D12)和數據位( D11 D0)。 PWR: “1”快速轉換模式, “0”慢速轉換模式;SPD

25、: “1”DAC 掉電狀態, “0”DAC正常狀態;2）注意LDAC引腳，低電平的時候才會刷新DA數據。3）FS是幀同步信號，和片選CS一樣，芯片必須檢測到一個下降沿才開始第一幀的數據同步。 4）數字量由高位到低位逐次一位一位地輸入。D15D14D13D12D11 D0A1A0PWRSPD 數據位2.TLV5614使用說明2.TLV5614與MCS-51單片機的接口電路SCLKLDACDINFSP1.0 P1.1P1.2VOUTATLV5614MCS-51 單單 片片 機機P1.3VOUTBVOUTCVOUTDCSPD+5V#include sbit LDAC=P10; / /控制DAC 的刷

26、新sbit DIN=P11; / /數據輸入sbit SCLK=P12; / /時鐘輸入sbit FS=P13; / /幀同步輸入void TLV5614(char CH, int DAcode) int data com; char data i ;switch ( CH )case 0: com = DAcode | 0 x2000;break;case 1: com = DAcode | 0 x6000;break;case 2: com = DAcode | 0 xa000;break;case 3: com = DAcode | 0 xe000;break;default:break

27、; / /通道選擇LDAC = 0; / /數據刷新FS=1;FS=0; / /下降沿幀同步輸入for(i=16; i0; i-) DIN= (bit) (com&0 x8000); / /寫數據SCLK=1;com=1; / /數據移位SCLK=0; / /時鐘輸入LDAC =1;FS= 1; 3.5 開關量輸入輸出通道 開關量輸入通道的主要任務是將現場的開關信號或儀表盤中各種繼電器接點信號有選擇地傳送給計算機，在控制系統中主要起以下作用：1）隨時檢測系統的啟動、停止、暫停按鈕狀態，以做相應的處理。2）定時記錄生產過程中某些設備的狀態，例如電動機是否在運轉、閥門是否開啟、行程開關是否

28、到位等。3）對生產過程中的某些狀態進行定時檢查，以保證生產順利進行，如是否過溫過壓、料位是否超限、是否發生故障等。 這些開關量信號的電平狀態通常無法滿足單片機控制系統中I/O接口的工作電平，因此在開關量輸入通道中，需要完成電平轉換任務，同時為了系統的安全、可靠，還需考慮信號的消抖、濾波和隔離等問題。 3.5.1 開關量輸入通道1.輸入信號調理電路_R1 C1 D2+ D1R2來自現場 數字信號2.防抖動輸入電路+5V輸出信號雙穩態電路斯密特電路B +5V +5V C 3.6KD A 3.6KK 可以應用于計數、位置狀態、轉速等多方面的測試。 D T P1.0 8031 3. 防干擾輸入隔離及電

29、平轉換電平轉換電路+24V+5VL_ D T X C1R1 C2 R2利用光電隔離及電平轉換光電傳感器在產量計數中的應用光電傳感器在產量計數中的應用 圖中，紅外發光二極管和紅外接收三極管分別安裝在產品圖中，紅外發光二極管和紅外接收三極管分別安裝在產品流水線傳送帶的兩邊，每當傳送帶上有一個產品經過，就會遮流水線傳送帶的兩邊，每當傳送帶上有一個產品經過，就會遮擋紅外光線一次，使紅外接收三極管輸出一個脈沖電平信號。擋紅外光線一次，使紅外接收三極管輸出一個脈沖電平信號。單片機對輸入的脈沖信號進行計數，就可以對產品的產量進行單片機對輸入的脈沖信號進行計數，就可以對產品的產量進行統計。統計。 光電傳感器在

30、位置檢測中的應用光電傳感器在位置檢測中的應用 圖中，當移動的物體一旦擋住紅外光線，紅外接收三圖中，當移動的物體一旦擋住紅外光線，紅外接收三極管就會輸出一個脈沖信號。此裝置可以用來檢測物體的極管就會輸出一個脈沖信號。此裝置可以用來檢測物體的有或無，可以作為運動物體的限位檢測電路，可以作為外有或無，可以作為運動物體的限位檢測電路，可以作為外人侵入的報警檢測電路，也可以作為自動門的控制電路。人侵入的報警檢測電路，也可以作為自動門的控制電路。 除了光電傳感器外，還有電感式接近開關。下圖是電感式接近開關的應用原理圖。 感應線圈產生高頻振蕩信號形成一交變磁場，當有金屬類物體接近時，在金屬物體內產生渦流并吸

31、收振蕩器的能量，使振蕩信號變弱或停止振蕩，在檢波放大器和輸出電路的作用下，產生一個開關信號輸入單片機的P1.0端口，用于有無物體接近的檢測。因此電感式接近開關可以和紅外光電管一樣，用于有無物體接近或對經過物體進行計數，或者用于物體的位置狀態進行檢測。利用電磁感應隔離及電平轉換R利用繼電器隔離及電平轉換 現場的開關觸點控制小型繼電器，由繼電器觸點經電平轉換電路得到邏輯電平再輸入到接口。+12V+5VL_X繼電器繼電器CD3.5.2 開關量輸出通道 在工業過程控制系統中，對被控設備的驅動常采用模擬量輸出驅動和開關量輸出驅動兩種方式。 模擬量輸出是指其輸出信號(電壓、電流)可變，根據控制算法，使設備

32、在零到滿負荷之間運行，在一定的時間T內輸出所需的能量P。 開關量輸出則是通過控制設備處于“開”或“關”狀態的時間來達到運行控制目的。如根據控制算法，同樣要在T時間內輸出能量P，則可控制設備滿負荷工作時間t，即采用脈寬調制的方法，可達到相同的要求。 開關量輸出控制已越來越廣泛地被應用，由于采用數字電路和計算機技術，對時間控制可以達到很高精度。因此，在許多場合開關量輸出控制精度比一般的模擬量輸出控制高，而且利用開關量輸出控制往往無須改動硬件，而只需改變程序就可用于不同的控制場合。1. 光電耦合接口光電耦合接口是通過光電元器件來實現的，光電元器件由發光二極管和光電三極管構成。可應用于信號隔離、開關電路、數模轉換、邏