第三章開關(guān)量輸入輸出通道1

1、第三章 智能儀表的I/O接口 3.1 概述 3.2 開關(guān)量輸入 3.3 開關(guān)量輸出 3.4 模擬量輸入 3.5 模擬量輸出3.1 概述3.1.1 I/O 接口的作用和分類 智能儀表的輸入輸出接口是微處理器與外部世界聯(lián)系的通道。包括：開關(guān)量輸入輸出接口模擬量輸入輸出接口頻率量輸入輸出接口音頻、視頻信號輸入輸出接口等 本課程只介紹開關(guān)量輸入輸出接口和模擬量輸入輸出接口。3.1.2 I/O 3.1.2 I/O 接口的基本功能接口的基本功能1、速度匹配：速度匹配： 鎖存數(shù)據(jù)、傳送聯(lián)絡(luò)信號。2、信號調(diào)理：信號調(diào)理： 信號類型、電平或正/負邏輯轉(zhuǎn)換。3、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換： 并-串轉(zhuǎn)換、A/D、D

2、/A轉(zhuǎn)換。4、信號隔離：信號隔離： 為防止外界高電壓干擾信號入侵MCU而采取的電氣隔離措施。5、驅(qū)動放大：驅(qū)動放大： 放大驅(qū)動信號以驅(qū)動多個邏輯部件或大功率執(zhí)行部件。3.1.3 3.1.3 輸入輸入/ /輸出的控制方式輸出的控制方式一、一、無條件傳送方式無條件傳送方式MCUI/O外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)直接進行數(shù)據(jù)傳送（接口電路十分簡單）二、條件（查詢式）傳送方式二、條件（查詢式）傳送方式 查詢狀態(tài)查詢狀態(tài)輸入輸入/輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)準備就緒準備就緒？YN 先查詢I/O設(shè)備當前狀態(tài)，若準備就緒，則交換數(shù)據(jù)，否則循環(huán)查詢狀態(tài)。下圖為輸入端口的條件傳送示意圖。 優(yōu)點：優(yōu)點：可協(xié)調(diào)外設(shè)和CPU的時間差別，接口電路

3、較簡單。DB單片機單片機AB數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口外部設(shè)備I/O接口接口D0譯碼器R/W三、中斷控制方式三、中斷控制方式MCUI/O接口接口外設(shè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)中斷申請INT1 當外設(shè)準備就緒，向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU暫停當前程序，執(zhí)行I/O操作。當I/O操作結(jié)束，CPU仍繼續(xù)被中斷的工作。3.2 開關(guān)量輸入3.2.1 作用作用 開關(guān)量輸入（DI）用于采集 “邏輯信號”。比如現(xiàn)場來的開關(guān)信號，繼電器閉合信號等。3.2.2 無條件傳送無條件傳送式DI DI信號經(jīng)過隔離保護、電平變換電路后直接送到MCU的某些I/O口線。MCU通過對端口的掃描來獲取輸入的狀態(tài)。89C51P1.0P1.1P1.2P1.

4、3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離保隔離保護、電護、電平變換平變換電路電路3.2.2 無條件傳送無條件傳送式DI例：有6路開關(guān)量輸入信號，設(shè)計輸入接口。解：用MCS-51 P1口做輸入。 MOVA,P1；一次讀入全部口線 MOVC,P1.0；一次讀入一條口線89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離保隔離保護、電護、電平變換平變換電路電路3.2.3 中斷控制式DI DI信號經(jīng)過隔離保護、電平變換電路后送到MCU的某個I/O端口，外部設(shè)備通過一條信號線通知MCU外部信號已準備好。89C51P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7隔離

5、保隔離保護、電護、電平變換平變換電路電路INT1外設(shè)外設(shè)3.2.3 中斷控制式DI例：一個外部設(shè)備，有8路開關(guān)量輸入信號，一路聯(lián)絡(luò)信號。設(shè)計輸入接口。解：用MCS-51 P1口做數(shù)據(jù)輸入，外部中斷1做信號聯(lián)絡(luò)輸入。如上圖。0013H：LJMPINTINT:PUSHACCPUSHPSWMOVA,P1；讀入；相應的處理程序（略）POPPSWPOPACCRETI3.2.4 直接中斷式DI DI信號經(jīng)過隔離保護、電平變換電路后送到MCU的某個I/O端口，同時通過一個或非門接在單片機的外部中斷輸入引腳上。任一路DI變高時引起中斷。MCU通過讀P1口判斷中斷是哪一路DI引起的。3.2.4 直接中斷式DI0

6、013H：LJMPINTINT：PUSHACCPUSHPSWJBP1.1，DI1 ；若P1.1為高，執(zhí)行程序DI1JBP1.2，DI2 ；若P1.2為高，執(zhí)行程序DI2JBP1.3，DI3 ；若P1.3為高，執(zhí)行程序DI3JBP1.4，DI4 ；若P1.4為高，執(zhí)行程序DI4BCK: POP PSWPOP ACCRETIDI1： LJMP BCKDI2：例：有例：有DI1DI4共共4條輸入線，要求條輸入線，要求每個事件發(fā)生（對應輸入線為高）時每個事件發(fā)生（對應輸入線為高）時均能得到及時響應均能得到及時響應 3.2.4 直接中斷式DI 中斷式適用于下中斷式適用于下列情況：列情況：偶然發(fā)生的事件要

7、求緊急處理的事件中斷式適用于中斷式適用于那些情況？那些情況？3.2.5 輸入端口的保護 儀表I/O端口直接與外部信號連接，容易受到輸入信號線攜帶的高電壓噪聲的損害。所以，輸入端口應采取適當?shù)谋Ｗo。常用的保護措施有：電平匹配限幅（電壓）限流隔離一、電平匹配一、電平匹配1 常用常用IC和現(xiàn)場信號邏輯電平和現(xiàn)場信號邏輯電平TTL：5V（510%）CMOS：318V其它：24V，3.3V，3V，2 邏輯信號電平的匹配邏輯信號電平的匹配三極管電平轉(zhuǎn)換芯片 如74LVXC4245 V2V1二、限電壓保護二、限電壓保護 右圖是一種限壓保護電路。該電路可將Vi 的信號電平控制在0-VD VCC+VD之間。VD

8、是二極管D1D2的管壓降。二極管D1D2應選擇導通速度快的開關(guān)二極管。三、限電流保護三、限電流保護 右圖是一種限電流/限電壓保護電路。該電路可將輸入信號的電流限制一定范圍內(nèi)。Rs是PTC材料的自復保險絲自復保險絲。正溫熱敏電阻PTCR（自復保險絲）簡介 以微量稀土元素摻雜而半導化的BaTiO3陶瓷在室溫至一定溫度范圍電阻很小，到一定溫度（相變溫度）后電阻急劇上升，電阻變化可達105以上，這一特性稱為正溫熱敏電阻效應，簡稱PTC效應，用該陶瓷制成的元件稱為PTCR熱敏電阻芯片。PTC突變溫度可以從-30到400范圍調(diào)整，其應用遍及溫度測量與控制，熱保護，熱補償，恒溫發(fā)熱，限流，過流保護，液面，氣

9、流測量，電機啟動，彩電彩顯消磁，延時控制，非線性振蕩等方面。四、隔離保護四、隔離保護 當信號源和儀表之間距離較大時，兩地間地電位差會比較大，形成很大的共模電壓。所以應在信號源和儀表之間采取隔離措施以保護儀表電路的安全。如圖，當兩地之間的地電位相差V時，信號源的12V電壓對于儀表來說就成為12V+ V了。而V可能很大。四、隔離保護四、隔離保護 當信號源和儀表之間距離較大時，兩地間地電位差會比較大，形成很大的共模電壓。所以應在信號源和儀表之間采取隔離措施以保護儀表電路的安全。常用的隔離方式有： 光耦合：光耦合：電氣信號鏈路中間的一部分用光信號傳遞。常用的器件是光電耦合器。磁耦合：磁耦合：電氣信號鏈

10、路中間的一部分用磁信號傳遞。1 光電耦合器 光電耦合器光電耦合器 （Optocoupler）由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管組成。其工作原理是：當Vi為高電平時，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管受光導通，Vo成低電平；反之，當Vi為低電平時，Vo成高電平（反相邏輯）。 光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設(shè)備上得到廣泛的應用。2 磁耦合器 磁耦合器用磁信號實現(xiàn)信號的電氣隔離。如ADuM1404是4通道磁耦合數(shù)字隔離器。這種新的4通道數(shù)字隔離器僅用一顆單芯片，不需要使用多個分立器件，與現(xiàn)在普遍使用的光電耦合器相比，其印制

11、電路板（PCB）面積縮小60，每通道成本降低40，功耗降低98。非常適合各種工業(yè)應用，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口以及其它多通道隔離應用。 磁耦合器的工作原理如下圖所示:3.3 開關(guān)量輸出 智能儀器儀表用于控制過程中，除了需要模擬輸出信號外，還需要開關(guān)量輸出信號。開關(guān)信號包括：指示燈的亮與滅繼電器或接觸器的吸合與釋放可控硅的通與斷閥門的打開與關(guān)閉等。 一般情況下，輸出信號應具備足夠的功率驅(qū)動能力。 3.3.1 開關(guān)量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)3.3.2 開關(guān)量輸出的隔離 當傳輸距離教遠，或有潛在不安全因素時，需要隔離。 隔離方法：1 光耦隔離：光耦隔離：優(yōu)點：壽命長，速度快（與繼電器比）2 繼電器：繼

12、電器：優(yōu)點：驅(qū)動能力大（安培級）缺點：壽命短，速度慢3.3.3 開關(guān)量輸出的驅(qū)動、晶體管輸出、晶體管輸出、繼電器、繼電器、固態(tài)繼電器、固態(tài)繼電器一、晶體管輸出一、晶體管輸出單個晶體管 注意放大倍數(shù)達林頓管 場效應管二、繼電器二、繼電器3.4 模擬量輸入3.4.0 模擬輸入（Analog Input）電路一般性原理框圖DBDBAB/RD/WRREADY模擬多路開關(guān)信號放大電路 譯碼器鎖存器變換、保護電路ADC 輸入啟動邏輯MCUS/H 本節(jié)介紹了模擬信號的采集技術(shù)。對于一個以單片機為核心的智能儀器系統(tǒng)來說，解決的是怎樣將各類模擬信號變換成微型計算機能夠識別和處理的二進制數(shù)字信號的問題。3.4.1

13、 I/V變換和限幅保護典型電路典型電路3.4.2 模擬開關(guān)1 工作原理工作原理3.4.3 信號放大一、信號變換要求一、信號變換要求線性放大：Y=KX+B非線性放大：對數(shù)型開方型其它：如熱電偶信號電源電壓電源電壓：決定輸出信號范圍,單雙極性輸入失調(diào)及其溫度漂移系數(shù)輸入失調(diào)及其溫度漂移系數(shù)：決定電路精度輸入阻抗輸入阻抗：輸入阻抗不夠高時要求信號源內(nèi)阻很低共模抑制比共模抑制比：共模抑制比低時不宜做差分出入和加減運算帶寬帶寬等。二、放大器的主要參數(shù)二、放大器的主要參數(shù)普通放大器：適合一般用途，價格低帶自校準功能的放大器：克服失調(diào) 儀用放大器：輸入阻抗高，共模抑制比高程控放大器：可以設(shè)置不同的放大倍數(shù)以

14、適應不同的信號電壓幅值隔離放大器：實現(xiàn)儀表和現(xiàn)場的電氣隔離，消除高共模電壓的危害特殊放大器：差分輸出；對數(shù)輸出三、放大器種類的選擇三、放大器種類的選擇2 程控放大器單片集成程控放大器LH0084 3 隔離放大器3.4.4 采樣/保持器1 作用：保持快速變化信號的指定時刻的大小2 原理：3.4.5 ADC1 選擇時主要考慮的因素：選擇時主要考慮的因素： MCU內(nèi)置，還是外置 精度 速度2 常用常用ADC的種類：的種類： 雙積分型10-14位 逐次比較型8-12位 型14-24位3.4.6 模入電路設(shè)計總結(jié)盡量選用帶有所需模擬電路的單片機，以簡化電路，提高產(chǎn)品可靠性，降低成本；如果可以，盡量用軟件

15、功能代替硬件功能。比如非線性信號的線性化；模擬電路和數(shù)字電路盡可能分開，并把模擬地和數(shù)字地分開，選擇合適的地方一點接地。模入通道的精度是通道中各個環(huán)節(jié)共同決定的。選器件時應根據(jù)設(shè)計要求合理分配誤差。3.5 模擬量輸出3.5.1 概述 前面已經(jīng)介紹了模擬信號的采集技術(shù)。相反，將微型機處理后的數(shù)字信號，用于控制執(zhí)行機構(gòu)時，就必須考慮輸出信號的形式。實際的工程應用中，根據(jù)不同的受控對象和具體要求，信號輸出可以有多種，如模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量等。 本節(jié)研究模擬量輸出。3.5.2 模擬量輸出方式智能儀器輸出模擬量有兩種主要方式：數(shù)模轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)/直接給出模擬電壓PWM 脈沖調(diào)寬，需接濾波器3.5.3 D/A轉(zhuǎn)換器及其接口一、DAC的工作原理DAC的輸出：UO=-UR*D/(2N-1)二、并行DAC與MCU的接口三、信號隔離當需要在儀表和執(zhí)行器之間進行隔離時：可以采