1、 計算機控制系統的輸入輸出接口（經常被稱作生產過程通道）是計算機與生產過程或外部設備之間交換信息的橋梁。第3章 計算機控制系統輸入輸出接口技術 用于過程控制計算機的輸入輸出接口可以分為模擬量輸出接口、模擬量輸入接口、開關量（數字量）輸入輸出接口。 模擬量輸入接口一般由接口電路、控制電路、模數轉換器和電流電壓（I/V）變換器等構成，其核心是模數轉換器，簡稱AD。 3.1.1 AD轉換器主要參數AD轉換器是將模擬電壓或電流轉換成數字量的器件或裝置。常用的AD轉換方式有逐次逼近式和雙斜積分式。逐次逼近式： 轉換時間短（幾個微秒幾百個微秒），但抗干擾能力較差。雙斜積分式： 轉換時間長（幾十個毫秒幾百個

2、毫秒），抗干擾能力較強。常用的逐次逼近式A / D換器 有8位分辨率的ADC0809，12位分辨率的AD574等。常用的雙斜積分式AD轉換器有3位半的MC14433，4位半的ICL7135等。 AD轉換器的主要技術指標:轉換時間：指完成一次模擬量到數字量轉換所需要的時間。分辨率：通常用數字量的位數n（字長）來表示，如8位、12位、16位等。即數字量的最低有效位（LSB）對應于滿量程輸入的l2n。若n = 8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對應于模擬電壓為：5.12V2820mV。線性誤差： 在滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分數表示，如1/2L

3、SB或1LSB。量程：即所能轉換的輸入電壓范圍，如-5V+5V，010V，05V等。對基準電源的要求：是否要外接精密基準電源。3.1.2 AD轉換器的外部特性表所示各廠家的AD轉換器芯片的轉換啟動和轉換結束信號命名。 表3.1 幾種AD轉換器芯片的引腳對照表 芯 片 轉換啟動轉換結束ADC0816（0809）STARTEOCAD 570（571）B 0ADC 0804 ADC7570START =1ADC11315CONVCMDSTATUS下降沿ADC1210 AD 574CE （R ）= 0在選擇和使用AD轉換器芯片時，除滿足轉換速度和分辨率要求之外，要注意AD轉換器的連接特性，有以下幾點：

4、（1）AD轉換器芯片的轉換啟動信號是用電位啟動還是脈沖沿啟動。 （2）AD轉換器芯片內是否帶有三態門輸出鎖存器來輸出數字量。（3）輸出數字量的形式，是二進制還是BCD碼。 3.1.3 12位AD轉換器芯片AD574AAD574A是分辨率為12位的AD轉換器芯片，下圖為其原理結構框圖. 20VINMSBAGND 逐位 逼近寄存器 (SAR)8711115VDD272625242322212019181716 三態 輸出 鎖存緩沖器D7D6D5D4D3D2D1D0D11D10D9D82345620控制邏輯CS12/8A0R/CSTSEC D/A轉換器 AD565A 10V基準電源10VINREF

5、INREF OUTBIP OFVEEVCCDGND101213149LSB時鐘電路比較器+-10K5K5KAD574A結構框圖 從使用的角度來看，任何一種AD轉換器芯片一般具有以下輸出信號線：1轉換啟動線（輸入）：由系統控制器發出的控制信號，此信號有效，轉換開始。2轉換結束線（輸出）：轉換完畢后由AD轉換器發出的狀態信號，由它中斷或DMA傳送，或作查詢之用。3模擬信號輸入線：來自被轉換的對象，有單通道輸入與多通道輸入之分。 4數字信號輸出線: 由A/D轉換器將數字量送給CPU的數據線。數據線的根數表示AD轉換器的分辨率。 10Vin、20Vin、BIP OFF：模擬電壓信號輸入線， BIP O

6、FF引腳可接-5V（-5V+5V輸入信號）或-10V（-10V+10V輸入信號）。VDD、VEE：模擬電路電源輸入線。AGND：模擬電路接地線。 VCC：數字電路電源輸入線。DGND：數字電路公共接地線。 REF OUT：內部基準電源輸出線。REF IN：AD轉換基準電壓輸入線。 ：轉換結束輸出信號線。DO0DO11轉換數據輸出線， D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。CE：片使能信號輸入線。 ：片選信號輸入線。AD574A各引腳特性如下： / ：讀、起動轉換控制信號輸入線，當為高電平時；表示讀取AD轉換數據，當為低電平時，表示起動AD轉換。12 ：12位、8位數據讀取方式選擇輸入線

7、，當接在VCC上時，進行12位數據讀取操作，當接在數字地上時，與A0信號配合，進行高8位、低4位數據讀取操作。 A0：字節選擇控制輸入線，在起動AD轉換時，為低電平，產生12位的轉換，當為高電平時，只產生8位的轉換。在讀取數據操作時，此線為低電平，輸出高8位的轉換數據，當為高電平時，輸出低4位的轉換數據。接在VCC上，則不起作用。 R1. AD574與ISA總線是前62根信號線的接口用軟件延時方法實現定時間隔的AD轉換接口電路，如圖下所示。當DIR=1時，即R =1時，系統通過74LS245讀AD574轉換結果。當DIR=0，即R/ 0時，系統用假定外設操作來啟動AD轉換。譯碼電路用A1A9，

8、 和 ，AEN參加譯碼， 0 n為讀寫端口，AEN為避開DMA操作時對AD574的誤操作。100+5V+12V-12VAD574D7D6D0100D11D4CSY0Y1YnIOWAENA1A91OE74LS245DIR譯碼器&CE12/8REF INBIP OFF+15VISA總線-15V10VIN5VREF OUTR/CD5D4D3D2D1A0IORB7B0A7A0A0D3D2D1D0D7D61D5D10D9D8AD574與ISA總線前62芯插槽的連接系統地址A0接AD574的A0，當用偶地址假寫AD574時，啟動進行12位AD轉換；否則，進行8位AD轉換，當用偶地址讀AD574時，讀出高8

9、位，否則讀出低4位。采集程序如下： MOV DX， n ； n為偶地址 OUT DX，AL ；假寫外設操作，啟動12位AD轉換 CALL DELAY ；調用延時100s（35s或轉換時間） 的子程序 MOV DX， n ； n為偶地址 IN AL，DX ；讀高8位 MOV AH，AL ； MOV DX, n ； n為奇地址 IN AL，DX ；從數據總線D4D7位讀入低4位 2. AD574與ISA總線的接口 （查詢方式） 1） 12/ 接+5V，A/D轉換的12位數據一次讀出；2） 采用如下圖查詢方式或中斷方式實現A/D轉換，轉換結束信號STS從D0位讀入；3） 為通知ISA總線進行16位I

10、O讀寫操作，須將譯碼器 輸出，送AD574的 端， 輸入端。 0為查詢口， 1為AD574的片選，同樣用地址線A0 配合 1分別產生相應的奇地址和偶地址。 AD574與ISA總線的連接 MOV DX， 1 ； 1為偶地址OUT DX，AL ；假寫外設操作，啟動12位A/D轉換 LOOP1： IN AL， 0 ；讀入 AND AL，01H ；JNZ LOOP1 ；如果 = 1，未轉換完，則循環MOV DX， 1 ；IN AL，DX ；從數據總線D0D11一次讀入12位 二進制數據查詢采集程序如下：3.1.5 模擬量輸入通道模擬量輸入通道的一般結構如下圖所示 模擬量輸入通道的組成結構 無源IV變換

11、電路 無源IV變換 如下圖所示。對于420mA輸入信號： 取 Rl100， R2250,（R2為精密電阻）當輸入的I值為420mA時，輸出的V值為15V。 CR3R1R2IDV+5V1. IV變換 有源IV變換如下圖所示。取 R1200， R3100K， R425K，則420mA輸入對應于15V的電壓輸出。 V+-CR4R3R1R5AR2I有源IV變換電路2. 多路轉換器 多路開關可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公用放大器或A/D轉換器上。CD4051的原理如下圖所示，通道選擇表如下。 CD4051原理圖 4051真值表3. 可編程放大器 通用數據采集系統均支持多個模擬通道，每個模擬通道的

12、不一致，所以需引入可編程放大器。在MUX改變其通道序號時，放大電路也由相應的一組數字序列控制改變放大倍數。單運放可編程放大器 采樣保持器的工作原理 必要性：AD轉換器都需要一定的時間完成量化及編碼的操作。在轉換過程中，如果模擬量變化，將直接影響轉換精度。在同步系統中，幾個并聯的量均需要取同一瞬時的值。作用 ：使輸入到AD轉換器的模擬量在整個轉換過程中保持不變。但轉換之后， AD變換器的輸入信號能夠跟蹤模擬量的變化。理想的采樣保持器工作原理如下圖所示。4. 采樣保持電路最簡單的采樣保持電路是由一個電容器和一個開關組成，如圖a 所示；典型的采樣保持器電路如圖b 所示。A。最簡單的采樣/保持電路B。

13、使用運放的典型采樣保持電路采樣保持器的作用如下： 穩定地保持模擬信號以便能夠完成AD轉換。 在測量中同時對若干個模擬輸入量采樣（每個輸入需要一個采樣保持電路）。 消除A/D轉換器的輸出瞬變，如限制輸出電壓的尖峰。 1）采樣保持器的作用正弦信號受AD轉換時間的影響 解決的方法：就是在AD轉換之前加采樣保持器。將采樣和轉換分開，采樣用極短的時間以保證信號的精度，AD轉換在保持期間進行，以便有足夠的時間完成。采樣定理：只有采樣頻率大于最高信號頻率的2倍，采樣信號和連續信號（輸入信號）的頻譜才是相等的。連續信號和采樣信號 2）采樣保持器的主要參數 采集時間（捕捉時間）：指從采樣開始到輸出穩定之間的時間

14、。 轉換速率：指輸出變化的最大速率， 單位Vs。 孔徑時間：從采樣轉入保持時，采樣開關完全斷開所需的時間。 下跌率（衰減率）：在進入保持階段后，由于開關的漏電流及保持電容泄漏,輸出電壓會下降，以mVs表示。 3）常用的采樣保持器芯片采樣保持器可分為三種：單片型、混合型和模塊型。 常用的集成單片采樣保持器有LFl98/LF298LF398，三個系列工作原理相同，僅工作參數略有不同。它們通常采用DIP封裝，LF398的典型連接如圖下所示。8 7 4 6 2 1 R1 W LF 398 V0 Vi 1k電阻用來調節漂移電壓。如果CH1000pF，采樣精度為0.1的采集時間為4s，當CH時，同樣精度的

15、采集時間為20s。由于保持電容的下降比在CH時為1mVms，并且與CH大小成線性反比，在轉換時間較長且精度高的系統中應該用較大電容。當然較大電容帶來的是采樣時間加長，這對矛盾應該根據精度和AD轉換時間折中選取。 LF398的典型應用 3.1.6 IPC、DCS、PLC模擬量輸入通道1IPC模擬量輸入通道IPC模擬量輸入通道由三部分組成：PC總線接口、模板功能和信號調理。模板功能包括采樣、隔離、放大、A/D電路的設計和接口控制邏輯。CONTEC公司的PCHELPER系列模擬量模板ADC30B特性：（1）能以30kHz的速度將模擬信號轉換成12位的數字量數據。（2）有4個TTL電平數字量輸入通道和

16、4個數字量輸出通道。（3）有16個光電隔離型數字量輸入通道和16個數字量輸出通道（4）有一可編程的定時器。ADC30B的邏輯框圖如下圖所示。 2.DCS模擬量輸入通道XDPS（Xin Hua Distributed Processing System）集散控制系統是新華控制工程有限公司推出的。其輸入/輸出卡的主要特點： 高性能，低功耗，智能化； 帶CPU的卡件都設置了系統復位按鈕，看門狗、延時上電、熱插拔保護等電路； 帶RS-232接口的卡件可進行動態測試和校驗； 信號的輸入、輸出采用光電隔離，供電電源采用DC/DC隔離。AI模擬量輸入卡件的主要功能是： 差分輸入16通道電壓范圍有010V、0

17、20V、-55V、-10+10V等，轉換精度12位； 輸入信號隔離、可調放大倍數和放大器零點自動補償； 提供與BC站控制卡的通信和RS-232串行通信接口。AI模擬量輸入卡電氣原理圖為實現放大器增益的調節，AI采用跳接改變放大倍數，可編程放大器（PGA）共有三級放大器，總放大倍數有12級。 A/D采用ADC574A有三態數據輸出緩存器，直接與并行接口連接來實現通信。通道切換是通過電子開關陣列實現的。共采用17個光電晶體管繼電器。串行通信的RS232接口用于檢測和調試卡件， 3. PLC模擬量輸入通道SM331 AI 812位模塊的電氣原理如圖所示。模塊由AD轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒

18、流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成AD轉換采用積分法， SM331可選四檔積分時間：mA，20mA，100ms，相對應精度為：9，12，12，14位。 每一種積分時間有一個最佳的噪聲抑制頻率f0，以上四種積分時間分別對應400Hz，60Hz，50Hz，10Hz例如AD的積分時間設為20ms，則它的轉換精度為12位，此時對頻率為50Hz的噪聲干擾有很強的抑制作用在我國為了抑制工頻及其諧波的干擾，一般選用20ms的積分時間 SM331 812模擬量輸入模塊的電氣原理圖 3.2.1 DA轉換器主要參數模擬量輸出接口由接口電路、控制電路、數模轉換器和電壓電流（V/I）變換器等構成。DA性能的主要參數：

19、 1分辨率 指DA能夠轉換的二進制數的位數。2轉換時間 指數字量輸入到完成DA轉換，輸出達到最終值并穩定為止所需的時間。3精度 指DA轉換器實際輸出電壓與理論值之間的誤差。4線性度 模擬輸出偏離理想輸出的最大值稱為線性誤差。3.2.2 DA轉換器的輸入輸出特性DA轉換器的輸入輸出特性：1輸入緩沖能力 DA轉換器是否帶有三態輸入緩沖器來保存輸入數字量。 2數據的寬度 DA轉換器通常有8位、10位、14位、16位之分。3電流型還是電壓型 DA轉換器輸出的是電流還是電壓。4輸入碼制 即DA轉換器能接收哪些碼制的數字量輸入。5單極性輸出還是雙極性輸出。3.2.3 DA轉換器芯片DAC0832 DAC0

20、832是電流輸出型，電流穩定時間為1s，采用20引腳雙列直插式封裝的8位DA轉換器。圖是DAC0832芯片的內部原理圖。 DAC0832結構框圖DAC0832的引腳功能如下： D0D7：轉換數據輸入接口線，D0為最低有效位LSB，D7為最高有效位MSB。ILE： 允許8位輸入寄存器鎖存控制信號線。 ：片選信號輸入線。 1：寫8位輸入寄存器控制信號線。 2：寫8位DAC寄存器控制信號線。 ：傳輸轉換數據線。IOUT1：電流輸出1端。IOUT2：電流輸出2端。 Rfb： 標準電阻線，與外部運算放大器的輸出相連，作為反饋電阻。VREF：基準電壓源輸入線。ANGD：模擬電路接地線。VCC： 數字工作電

21、壓源輸入線。DGND：數字電路接地線。模擬量輸出接口設計模擬量輸出通道的任務是把計算機輸出的數字量轉換成模擬電壓或電流信號，以便驅動相應的執行機構，達到控制的目的。模擬量輸出通道一般由接口電路、DA轉換器、VI變換等組成。1. 模擬量輸出通道的結構型式兩種基本結構形式。（1）一個通路設置一個數模轉換器的形式一個通路設置一個DA轉換器的結構 （2）多個通路共用一個數模轉換器的形式 共用DA轉換器的結構2單極性與雙極性電壓輸出電路 VREF RFB IOUT IOUT AGNDT DA PC總線 R1 R VOUT1 VOUT2 A2 A1 - + - + 2R 2R R3 R2 DA轉換器的單極

22、性與雙極性輸出VOUT2為雙極性輸出，且可推導得到VOUTl為單極性輸出，若D為輸入數字量，VREF為基準參考電壓，且為n位DA轉換器，則有 在實現05V、010V、15V直流電壓信號到010mA、420mA轉換時，可直接采用集成VI轉換電路來完成，以 VI 變換器ZF2B20為例。下圖所示電路是一種帶初值校準的010V到420mA轉換電路。 3. VI變換VI轉換電路 DAC0832有8位寄存器，數據輸入線可直接與微機數據總線D0D7相連。 和 2 接地，由第一級緩沖器控制數據的輸入，當 1和 1 有效時，D0 D7的數據DA轉換。4 . DA轉換器DAC0832與ISA總線接口DAC083

23、2與ISA總線接口 在上 圖中要求V0 輸出方波，則可以如下編程： MOV DX，200H ； 0為端口地址 OUT DX，AL ；向DAC0832輸出全0 CALL DELAY ；調用延時子程序DELAY（忽略） MOV AL，0FFH OUT DX，AL ；向DAC0832輸出全1 CALL DELAY JMP LOOP1 LOOP1：MOV AL，00H1.IPC模擬量輸出通道ADC40板是CONTEC公司的PC-HELPER系列4通道模擬量輸出板，主要特性：（1） 以高達30kHz的速度將12位數字數據轉換為模擬信號。（2） 4個模擬量輸出通道。（3）輸出模擬信號范圍：10V，5V，0

24、10V 或05V； 4mA20mA。ADC40邏輯框圖如下圖所示。3.2.5 IPC、DCS、PLC模擬量輸出通道ADC40邏輯框圖 ADC40模擬輸出電路2DCS模擬量輸出通道在XDPS分散控制系統中，AO模擬量輸出卡件的主要功能是：8通道模擬量輸出，輸出信號有15V或420mA，精度12位，輸出負載1k；各通道信號完全隔離；完成與BC站控制卡之間的通信。下圖為AO模擬量輸出卡件的電氣原理圖。為保證各輸出通道電信號的隔離，采用各自獨立的電源供電模塊對每個通道供電。 AO模擬量輸出卡電氣原理圖 3PLC模擬量輸出通道 （模擬量輸出模塊SM332）（1） 模擬量輸出通道 下圖是該模塊的電氣原理圖

25、。 SM332AO 412位模塊電氣原理圖 （2）SM332與負載執行裝置的連接SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時，可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負載相連。采用4線回路能獲得比較高的輸出精度。如下圖所示。 通過4線回路將負載與隔離的模出模塊相連 用兩種狀態來表示的量稱為開關量。數字量的輸入輸出同樣稱為開關量。按類型分有電平式和觸點式兩種:電平式為高電平或低電平；觸點式為觸點閉合或觸點斷開。開關量輸入輸出通道一般由三部分組成：CPU接口邏輯、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入輸出電氣接口亦即開關量輸入信號調理和輸出信號驅動電路。典型的開關量輸入輸出通道結構如下圖所示。開關量輸出

26、/輸入電氣接口的主要功能: 濾波、電平轉換、隔離和功率驅動.3. 3 開關量輸入輸出通道開關量輸入輸出通道的一般結構形式典型的開關量輸入輸出通道結構圖 開關量輸入隔離及電平變換信號電平變換方法如圖a所示。實現這種信號變換隔離的電路如圖b所示。 圖a輸入電平變換 圖b隔離及電平變換電路 開關量輸出驅動電路在計算機控制系統中，開關量的輸出常常要求有一定的驅動能力，以控制不同的裝置。用的驅動電路有以下幾種：1小功率驅動電路驅動發光二極管、LED、小功率繼電器等，電路的驅動能力1040mA，用小功率的三極管或集成電路驅動。下圖為典型的小功率驅動電路 。小功率驅動電路2中功率驅動電路驅動中功率繼電器、電

27、磁開關，要求50500mA的驅動能力，用達林頓復合晶體管或中功率三極管來驅動。目前常用達林頓陣列驅動器如MC1412、MC1413、MC1416等來驅動中功率負載。下圖是MC1416的結構圖及每個復合管的內部結構。 a）MC1416結構圖 b）復合管內部結構MC1416達林頓陣列驅動器3大功率交流驅動電路圖為固態繼電器（SSR）的結構。過零檢測電路可使交流電壓變化到零狀態附近時讓電路接通，電路接通以后，由觸發電路給出晶閘管器件的觸發信號。過零型固態繼電器的結構1IPC開關量輸入輸出通道開關量IO系列模板從輸入輸出功能上劃分可有三種模板，即PI（輸入）模板、PO（輸出）模板以及PIO（輸入和輸出）模板。CONTEC公司的32位和16位IO模板系列舉例: （1）3216位PIO系列接口板類型32位16位PIO系列有以下接口板類型： PI32TLH（輸入） PO-32T/LH（輸出） PIO1616T/LH（輸入輸出）。3.3.4 IPC、DCS、PLC開關量輸入輸出通道幾種接口板又可劃分為三類：TTL兼容型接口板有PI-32T，PO32T和PIO-1616T，這些接口板能為外部設 備提供5V電源。光電隔離的L型接口板有PI32L，PO-32L和PIO1616L。光電隔