WX微型計算機控制技術第二章.ppt

第2章 輸入/輸出接口與過程通道,采用計算機實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制，需要采集生產(chǎn)過程中的各種必要信息（參數(shù)），并轉換成計算機所要求的數(shù)據(jù)形式，送入計算機。計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理后，形成所需要的控制信息，以生產(chǎn)過程能接受的信號形式輸出，以便實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)字量通道； 按信號傳輸?shù)姆较蚍郑?輸入通道和輸出通道，或前向通道和后向通道,主機和外圍設備交換信息時，往往存在著速度不匹配、數(shù)據(jù)類型不一樣等問題，為了解決這些問題，必須設計一套介于主機和外部設備之間的控制邏輯部件，這就是輸入輸出接口（簡稱I/O接口）。 I/O接口是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件（電路），也是主機和外圍設備之間信息交換的橋梁。,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(diào)理電路 2.5 模擬開關及采樣保持 2.6 A/D轉換器及接口技術 2.7 模擬量輸出通道 2.8 數(shù)字量輸入與輸出通道 2.9 I/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(tǒng)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來，該中間環(huán)節(jié)就是接口電路。 主要實現(xiàn)：電平變換、數(shù)據(jù)轉換、緩沖和狀態(tài)信息提供等功能 。,2.1.1 接口技術,微機系統(tǒng)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(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)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(shù)據(jù)端口、狀態(tài)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。,主要涉及如下幾方面 ： （1）數(shù)據(jù)緩沖。 (實現(xiàn)不同速度器件的同步) （2）功能尋址 。（從多臺設備中選擇所需設備） （3）命令譯碼。 （解釋和產(chǎn)生各種信息操作） （4）同步控制。（協(xié)調(diào)被連接部件，實現(xiàn)同步） （5）數(shù)據(jù)轉換。（如并行數(shù)據(jù)轉化為串行數(shù)據(jù)） （6）電平轉換。 （7）中斷接口。（實現(xiàn)各種中斷功能） （8）總線驅動。,2.1.2 I/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(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息 控制信息,1數(shù)據(jù)信息,（1）數(shù)字量。數(shù)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(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)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(xù)變化的物理量。如生產(chǎn)現(xiàn)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(tài)，通常用一位二進制數(shù)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(tài)信息,狀態(tài)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(tài)，是外設通過接口發(fā)往CPU的信息，作為兩者交換信息的聯(lián)絡信號。 例如，狀態(tài)信息中的“就緒”信號表示等待的數(shù)據(jù)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(tài)等。信號輸入時，CPU讀取“就緒”（Ready）狀態(tài)信息，若準備就緒則讀入數(shù)據(jù)。,3控制信息,控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設備的信息，如控制外圍設備啟動、停止，控制數(shù)據(jù)流向，控制輸入輸出等。,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(guī)模集成電路芯片。不同芯片內(nèi)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(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息。 另一部分是與系統(tǒng)總線相連的。CPU通過系統(tǒng)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,2.1.3 I/O控制方式,在微機系統(tǒng)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,程序控制方式是指數(shù)據(jù)在CPU與外設之間的傳送完全依靠程序來控制。它又分為無條件傳送方式和查詢傳送方式（條件傳送方式）。 1無條件傳送方式 當外設已準備就緒，就不必查詢外設的狀態(tài)而進行信息傳輸，這就稱為無條件傳送。 2查詢傳送方式 查詢傳送方式是指CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送依靠CPU查詢外部設備的狀態(tài)來確定。,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(diào)試。特別適合于按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)過程，如：自動線、定時數(shù)據(jù)采集等。 該方式的缺點是：CPU在程序循環(huán)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(fā)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)具有良好的實時性。,中斷方式的應用，要求系統(tǒng)設計時必須解決以下四個問題： （1）保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場。 （2）正確判斷中斷源。 （3）實時響應。 （4）按優(yōu)先權順序處理。,三、DMA控制方式,DMA ( Direct Memory Access )方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式。這種方式工作時，存儲器與外設之間直接進行數(shù)據(jù)交換，而不通過CPU，因此稱為直接存取存儲器。,2.1.4 I/O接口設計,I/O接口設計的任務是根據(jù)生產(chǎn)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(shù)據(jù)采集等提出的要求。,I/O接口設計方案選擇 ：,1選用現(xiàn)成的多功能I/O接口板 為了適應系統(tǒng)I/O擴展的需要，每一種微型計算機系統(tǒng)都設計有配套的I/O接口板，將I/O接口板插到系統(tǒng)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(tǒng)配套使用。,2自行開發(fā)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(guī)模集成電路實現(xiàn)，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(shù)據(jù)鎖存器74LS273和74LS373、8位三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖/驅動器74LS244、地址譯碼器74LSl38/74LS139等。 自行開發(fā)設計I/O接口電路，針對性強、成本低，但開發(fā)周期長。,2.2 過程通道的一般結構,2.2.1 輸入輸出過程通道的基本概念 在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，需要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉換成計算機能夠接受的形式，計算機經(jīng)過計算、處理后的結果還須變換成適合于對生產(chǎn)過程進行控制的信號。在計算機與生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道。,2.2 過程通道的一般結構,計算機控制系統(tǒng)的過程通道分為四類： 模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 數(shù)字量輸入通道 數(shù)字量輸出通道,模擬量輸入通道（Analog Input，AI）：，采用傳感器或變送器將被控對象的模擬量參數(shù)（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(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)字信號送入計算機中。 數(shù)字量輸入通道（Digital Input，DI）：通過轉換電路和接口電路將生產(chǎn)過程中的開關信號、數(shù)字信號和脈沖信號轉換成計算機所能接受的數(shù)字信號，并送入計算機中。,模擬量輸出通道（Analog Output，AO）：需經(jīng)過D/A轉換，將計算機輸出的數(shù)字信號變換成模擬量，輸出給執(zhí)行機構，由執(zhí)行機構直接作用于生產(chǎn)過程進行控制或調(diào)節(jié)。 數(shù)字量輸出通道（Digital Output，DO） ：是將計算機輸出的數(shù)字信號變換成執(zhí)行機構所需要的電平，一般需要進行信號隔離、功率驅動等。,2.2.2 輸入通道的結構類型,輸入通道的結構主要取決于生產(chǎn)過程的環(huán)境和輸入信號的類型、數(shù)量、大??；在不考慮前端傳感器類型的情況下，輸入通道結構歸納起來大致可以分為以下幾種。 1. 單信號輸入通道類型 2. 多信號輸入通道類型,1. 單信號通道類型,現(xiàn)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。,2. 多信號輸入通道類型,計算機控制系統(tǒng)往往需要采集生產(chǎn)過程中的多個模擬信號和數(shù)字信號。模擬量輸入通道根據(jù)應用要求不