第2章輸入/輸出接口與過程通道采用計算機實現生產過程控制，需要采集生產過程中的各種必要信息（參數），并轉換成計算機所要求的數據形式，送入計算機。計算機對采集到的數據進行分析處理后，形成所需要的控制信息，以生產過程能接受的信號形式輸出，以便實現控制、顯示、打印等各種功能。輸入/輸出通道（簡稱過程通道或I/O通道）就是在計算機和生產過程之間進行信息傳送和變換的連接通道。過程通道按變換傳遞信號的種類分：模擬量通道和數字量通道；按信號傳輸的方向分：輸入通道和輸出通道，或前向通道和后向通道第2章輸入/輸出接口與過程通道§2.1輸入/輸出接口§2.2過程通道的一般結構§2.3信號的采樣和量化§2.4模擬量輸入通道的信號調理電路§2.5模擬開關及采樣保持§2.6A/D轉換器及接口技術§2.7模擬量輸出通道§2.8數字量輸入與輸出通道§2.9I/O通道的抗干擾技術2.1輸入/輸出接口在計算機控制系統中，過程通道或外部設備是不能直接與中央處理單元（CPU）連接的，因為它們的速度、數據格式不一定相同，信號形式也不一定相匹配。為了便于兩者交換信息，需要通過一個中間環節將CPU和外部通道連接起來，該中間環節就是接口電路。主要實現：電平變換、數據轉換、緩沖和狀態信息提供等功能。2.1.1接口技術微機系統運行時，外部設備（簡稱外設）與CPU之間的信息交換是十分頻繁的。CPU與外設所交換的信息有數據信息、控制信息和狀態信息，為了CPU對外設尋址，還需要有地址信息。為了保證信息的正確傳送，I/O接口設有三種端口，即數據端口、狀態端口和控制端口，負責對應信息的傳送。接口技術就是研究CPU與外設之間如何交換信息的技術。

2.1.2I/O信號的種類外部設備與CPU之間交換的信息按功能通常分為三類信息：數據信息狀態信息控制信息1．數據信息（1）數字量。數字量是指時間上、幅值上離散的信號，一般是以二進制形式表示的數或以ASCII碼表示的數或字符。如由鍵盤、撥碼開關等輸入的信息，主機送給顯示器、打印機的輸出信息等。（2）模擬量。模擬量是指時間上、幅值上連續變化的物理量。如生產現場的壓力、溫度、液位、速度、重量、位移等。（3）開關量。只有開關兩種狀態，通常用一位二進制數來表示。如開關的閉合和斷開、電動機的啟動和停止、閥門的打開和關閉等。2．狀態信息狀態信息也稱握手信息或應答信息，它反映了與CPU連接的外設的當前工作狀態，是外設通過接口發往CPU的信息，作為兩者交換信息的聯絡信號。例如，狀態信息中的“就緒”信號表示等待的數據是否準備就緒，外部設備“忙”信號表示輸出設備是否處于空閑狀態等。信號輸入時，CPU讀取“就緒”（Ready）狀態信息，若準備就緒則讀入數據。CPU與外部設備之間的信息傳送是通過I/O接口電路來完成的，I/O接口通常是一塊大規模集成電路芯片。不同芯片內部結構差別很大，但從外部連接來看，可分為兩大部分：一部分是與外圍設備相連的。為保證信息的正確傳送，I/O接口往往開辟不同的端口來傳送數據信息、狀態信息和控制信息。另一部分是與系統總線相連的。CPU通過系統總線與I/O接口相連。圖2-1外部設備通過接口和CPU的連接示意圖2.1.3I/O控制方式在微機系統中，可采用的I/O控制方式一般有3種：程序控制方式中斷控制方式直接存儲器存取方式（DMA方式）一、程序控制方式查詢方式比無條件方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷線，同時查詢程序也簡單，易于設計調試。特別適合于按一定規律順序工作的生產過程，如：自動線、定時數據采集等。該方式的缺點是：CPU在程序循環中因等待I/O設備的就緒而不能做其他工作，使CPU的效率較低。倘若外部發生緊急事件，CPU不能立即響應，因而實時性不好。二、中斷控制I/O方式在許多場合下，計算機控制系統對實時性有較高的要求，此時若采用查詢方式，則CPU會浪費大量的時間在循環等待中，實時性差。中斷技術的引用，很大程度上克服了這個弊端，比較好的解決外圍設備運行速度較慢而CPU運行速度較快的矛盾，提高了CPU效率，同時使控制系統具有良好的實時性。中斷方式的應用，要求系統設計時必須解決以下四個問題：（1）保護現場和恢復現場。（2）正確判斷中斷源。（3）實時響應。（4）按優先權順序處理。2.1.4I/O接口設計I/O接口設計的任務是根據生產過程的要求和外圍設備的特性，選定各被控設備的I/O控制方式，設計出合適的I/O接口電路和相應的接口控制程序。使CPU和被控設備之間能實時、可靠地交換信息，從而保證滿足實時控制、數據采集等提出的要求。I/O接口設計方案選擇：1．選用現成的多功能I/O接口板為了適應系統I/O擴展的需要，每一種微型計算機系統都設計有配套的I/O接口板，將I/O接口板插到系統外引總線槽上，只要適當選擇板上的有關選擇開關（選址開關、工作方式選擇開關等），就可與系統配套使用。2．自行開發設計I/O接口電路該方式在具體做法上又有兩種方案：一是采用通用可編程接口芯片擴展I/O接口。所謂可編程接口，就是接口的通用部分由大規模集成電路實現，其具體功能由程序來確定。如并行接口8255A/8155、串行接口8251A等。另一種方案是采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等芯片擴展I/O接口。如常用的接口芯片有地址/數據鎖存器74LS273和74LS373、8位三態輸出數據緩沖/驅動器74LS244、地址譯碼器74LSl38/74LS139等。自行開發設計I/O接口電路，針對性強、成本低，但開發周期長。

2.2過程通道的一般結構計算機控制系統的過程通道分為四類：模擬量輸入通道模擬量輸出通道數字量輸入通道數字量輸出通道模擬量輸入通道（AnalogInput，AI）：，采用傳感器或變送器將被控對象的模擬量參數（如壓力、溫度、液位、重量等）轉換成標準電流或電壓信號，這些信號再經A/D轉換器轉換成數字信號送入計算機中。數字量輸入通道（DigitalInput，DI）：通過轉換電路和接口電路將生產過程中的開關信號、數字信號和脈沖信號轉換成計算機所能接受的數字信號，并送入計算機中。模擬量輸出通道（AnalogOutput，AO）：需經過D/A轉換，將計算機輸出的數字信號變換成模擬量，輸出給執行機構，由執行機構直接作用于生產過程進行控制或調節。數字量輸出通道（DigitalOutput，DO）：是將計算機輸出的數字信號變換成執行機構所需要的電平，一般需要進行信號隔離、功率驅動等。1.單信號通道類型現場中采集到的信號常見有以下幾種類型：高電壓、大電流模擬信號，低電壓、小電流模擬信號，脈沖信號、開關信號等。僅考慮單信號時，它們所對應的輸入通道結構如表2-1所示。信號類型輸入通道結構類型高電壓模擬信號大電流模擬信號低電壓模擬信號小電流模擬信號頻率信號開關量信號數字信號2.多信號輸入通道類型計算機控制系統往往需要采集生產過程中的多個模擬信號和數字信號。模擬量輸入通道根據應用要求不同，可以有不同的結構形式。一般結構如圖2-2所示，由傳感器及檢測裝置、信號調理電