華中科技大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)課件第二章第一部分

1、11第二章第二章 輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出接口技術(shù)和輸入輸出通道和輸入輸出通道輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道12概述2.1I/O控制方式I/O通道A/D轉(zhuǎn)換器2.22.32.42.72.52.6 I/O接口設(shè)計I/O通道的抗干擾措施D/A轉(zhuǎn)換器輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道132.1 2.1 概述概述接口、通道接口、通道及其功能及其功能概述概述計算機(jī)和外部計算機(jī)和外部的通信方式的通信方式I/O信號信號的種類的種類I/O接接口口電電路路I/O通通道道數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)信信息息狀狀態(tài)態(tài)信信息息控控制制信信息息并并行行通通信信串串行行通通信信輸輸入入

2、輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道14I/O接口電路接口電路 I/O接口電路也簡稱接口電路。它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶的作用。設(shè)置接口電路的必要性主要有以下三個方面。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道15 1 1、解決主機(jī)解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時序和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題配合和通信聯(lián)絡(luò)問題 為保證CPU 的工作效率并適應(yīng)各種外圍設(shè)備的速度配合要求，應(yīng)使CPU和外圍設(shè)備異步工作。通過接口電路,CPU采用查詢或中斷控制方式為慢速外圍設(shè)備提供服務(wù),就可以保證CPU

3、和外圍設(shè)備間異步而協(xié)調(diào)的工作，既滿足了外圍設(shè)備的要求，又提高了CPU的利用率。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道16 2 2、解決解決CPUCPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。換和匹配問題。 CPU是按并行處理設(shè)計的高速處理器件，即CPU只能讀入和輸出并行數(shù)據(jù)。但是，實(shí)際上要求其發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式卻不僅僅是并行的在許多情況下是串行的。這就要求應(yīng)將外部送往計算機(jī)的串行格式的信息轉(zhuǎn)換成CPU所能接收的并行格式，也要將CPU送往外部的并行格式轉(zhuǎn)換成與外圍設(shè)備相容的串行格式，并且要以雙方相匹配的速率和電平實(shí)現(xiàn)信息的傳送。這些功能在CPU控

4、制下主要由相應(yīng)的接口芯片來完成。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道17 因為過多的信號線直接接到CPU總線上，必將超過CPU總線的負(fù)載能力，采用接口電路可以分擔(dān)CPU總線的負(fù)載，使CPU總線不至于超負(fù)荷運(yùn)行，造成工作不可靠。CPU和所有的外圍設(shè)備交換信息都是通過雙向數(shù)據(jù)線進(jìn)行的，如果所有外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)都直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)總線上的信號將是混亂的，無法區(qū)分是送往哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)還是來自哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。3 3、解決解決CPUCPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選擇問題。的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口選擇問題。CPU總線的負(fù)載能力的問題。外圍設(shè)備端口的選擇問題。這

5、里主要存在兩個問題輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道18 只有通過接口電路中具有三態(tài)門三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器，再將外圍設(shè)備數(shù)據(jù)線接到CPU數(shù)據(jù)總線上，通過控制三態(tài)門的使能信號，才能使CPU的數(shù)據(jù)總線在某一時刻只接到被選通的那一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線上，這就是外圍設(shè)備端口的選址問題。使用可編程并行接口電路或鎖存器、緩沖器就能方便的解決上述問題。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道19I/O通道通道 I/O通道也稱為過程通道。它是計算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。 計算機(jī)要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過程的控制，就必須采集現(xiàn)場控制對象的各種

6、參量，這些參量分兩類：一是模擬量。二是數(shù)字量。同樣被控對象也要求得到模擬量或數(shù)字量兩類控制量。但是計算機(jī)只能接收或發(fā)送并行的數(shù)字量。因此除了需要I/O借口電路外，還需要I/O通道，由它將被控對象采集的參量變換成計算機(jī)所要求的數(shù)字量的形式 ，送入計算機(jī)。計算機(jī)按某一數(shù)學(xué)公式計算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量的形式或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸出至被控制的對象，這就是I/O通道所要完成的功能。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道110數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)信息是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行并行格式傳送，也可以用串行串行格式傳送。 數(shù)據(jù)信息可以分為：

7、數(shù)字量：是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或是以ASCII表示的數(shù)據(jù)或字符。 模擬量：一般模擬量要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，送入計算機(jī)。反之，從計算機(jī)送出的數(shù)字量要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，變成模擬量，最后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以模擬量代表的數(shù)據(jù)信息都必須經(jīng)過變換才能實(shí)現(xiàn)交換。 開關(guān)量：只要用一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示。 脈沖量：它是一個一個傳送的脈沖列。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道111狀態(tài)信息狀態(tài)信息 狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過借口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息，是兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道112控制信息控制信息 控制信息是C

8、PU通過接口傳送給外圍設(shè)備的，隨外圍設(shè)備的不同而不同，有的控制外圍設(shè)備的啟動、停止；有的控制數(shù)據(jù)流向，控制輸入還是輸出；有的作為端口尋址信號等等。 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道113并行通信并行通信 并行通信：把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快、信息率高。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道114串行通信串行通信 串行通信全雙工方式半雙工方式同步通信異步通信輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1152.2 I/O2.2 I/O控制方式控制方式程序控制方式中斷控制方式直接控制方式I/OI/

9、O控制控制 方式方式為了滿足不同的控制要求，在一個控制系統(tǒng)中，可能同時要采用兩種或三種控制方式。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道116程序控制方式 程序控制I/O方式，是指CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送，是在程序控制下進(jìn)行的。它有可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。1.無條件I/O方式 無條件I/O方式是指不必查詢外圍設(shè)備的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的I/O方式。一般它僅適用于一些簡單外圍設(shè)備的操作。 2.查詢式I/O方式 查詢式I/O方式，也稱為條件傳送方式。按查詢式傳送，CPU和外圍設(shè)備的I/O接口除需設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路原理圖如

10、圖2-2所示。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道117端口譯碼=1=1輸入緩沖器（74LS244）輸出鎖存器（74LS273）WRRDM/IO1/474LS32自外圍設(shè)備讀入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)至外圍設(shè)備1/474LS32數(shù)據(jù)總線圖2-1 無條件傳送方式I/O接口電路原理圖 返回返回輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道118端口譯碼器=1=1=1輸入緩沖器（74LS32）輸出鎖存器（74LS273）三態(tài)緩沖器（74LS245）數(shù)據(jù)總線WR地址總線M/IORD1/474LS321/474LS321/474LS32輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)外圍設(shè)備狀態(tài)圖2-2 查詢

11、式I/O接口電路原理圖返回返回輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道119按流程圖用8086匯編語言匯編語言可編寫出具體的查詢程序如下：MOV FLAG，0 ；設(shè)置狀態(tài)為0 DVC1： IN AL，STAT ；讀入外圍設(shè)備狀態(tài)TEST AL， 01H ；測試狀態(tài)，1#外圍設(shè)備請求服嗎？JZ DVC2 ；不，跳轉(zhuǎn)至查詢2#CALL CCS1 ；是，1#外圍設(shè)備I/O處理 DVC2： IN AL，STAT ；讀入外圍設(shè)備狀態(tài)TEST AL， 01H ；2#外圍設(shè)備請求服務(wù)嗎？JZ DVC2 ；不，跳轉(zhuǎn)至查詢3#CALL CCS1 ；是，2#外圍設(shè)備I/O處理 DVC3： IN

12、 AL，STAT ；讀入外圍設(shè)備狀態(tài)TEST AL， 01H ；3#外圍設(shè)備請求服務(wù)嗎？JZ DVC2 ；不，轉(zhuǎn)下CALL CCS1 ；是，3#外圍設(shè)備I/O處理 DDS CMP FLAG，1 ；如標(biāo)志仍為0，則繼續(xù)JNZ DVC1返回返回輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道120中斷控制方式1.中斷控制I/O時應(yīng)解決的問題 為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實(shí)時性，可以采用中斷控制I/O方式。中斷處理必須解決四個問題：保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。正確判斷中斷源。實(shí)時響應(yīng)。按優(yōu)先權(quán)順序處理。 2.中斷優(yōu)先級問題的解決 軟件查詢方式。 雛菊鏈法。 專用硬件方式。輸輸入入輸輸出

13、出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道121直接控制方式DMA方式 在8086系統(tǒng)中，通常采用的是Intel系列高性能可編程DMA控制器8273A。它允許DMA傳輸速度高達(dá)1.6M字節(jié)/S。8237A內(nèi)部包含4個獨(dú)立的通道，每個通道包含16位的地址寄存器和16位的字節(jié)計數(shù)器，還包含一個8位的模式寄存器等，4個通道公用控制寄存器和狀態(tài)寄存器。8273A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接圖如下圖2-3： 見下頁輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道122控制寄存器狀態(tài)寄存器模式寄存器地址寄存器字節(jié)計數(shù)器ENSTB鎖存器地址譯碼1（通道1、2、3）IORIOWMEMRMEMWRE

14、ADYRESETDREQ。DACK。DREQ1DACK1DREQ2DACK2DREQ3DACK3HRQHLDACLKAENADSTBDB0-DB7CSA3-A0A7-A4通道08237A0V5VHOLDHLDA時鐘使CPU地址鎖存無效數(shù)據(jù)總線M/IOA15-A8A7-A0圖2-3輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1232.3 I/O2.3 I/O接口設(shè)計接口設(shè)計2.3.1 I/O2.3.1 I/O接口的編址方式接口的編址方式1.獨(dú)立的編址方式 Z80CPU、8086等 特點(diǎn)： 采用不同的控制總線、地址總結(jié)控制 如：Z80CPU： 控制總線： MERQ*-存儲器 IOR

15、Q*-I/O接口 地址總線： A0A7-256個I/O接口 A0A15-64K存儲器 I/O與存儲器的地址可以重疊，由不同的指令（控制總線）區(qū)分 表2-1對應(yīng)8086最小模式P29輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道124表表2-1 信號和讀信號和讀/寫操作的對應(yīng)關(guān)系寫操作的對應(yīng)關(guān)系 缺點(diǎn)：需要更多的控制總線，復(fù)雜化2.I/O接口與MEMORY統(tǒng)一編址 特點(diǎn)：簡單 缺點(diǎn)：I/O要占用MEMORY的空間，可能 MOMORY不連續(xù)。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1252.3.2 I/O2.3.2 I/O接口與系統(tǒng)的連接接口與系統(tǒng)的連接 一般分為

16、兩部分，第一部分用來和I/O設(shè)備相連，第二部分用來和系統(tǒng)的總線相連，CPU是通過系統(tǒng)總線與I/O接口相連接的。第一部分的接口結(jié)構(gòu)和設(shè)備的傳輸要求和數(shù)據(jù)格式有關(guān)，隨外圍設(shè)備的不同而互不相同，比如，串行接口和并行接口其差別就很大。第二部分的結(jié)構(gòu)對不同的接口芯片都基本相同，因為都是連到系統(tǒng)總線上。圖2-4至圖2-6中，分別畫出典型的I/O接口芯片Z-80PIO，8255A和8251A與CPU和外圍設(shè)備的連接關(guān)系。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道126 圖圖2-4 Z-80PIO2-4 Z-80PIO與與CPUCPU和外設(shè)的連接和外設(shè)的連接 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)

17、和和輸輸入入輸輸出出通通道道127圖圖2-5 8255A2-5 8255A與與CPUCPU和外圍設(shè)備的連接和外圍設(shè)備的連接 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道128圖圖2-6 8251A2-6 8251A與與CPUCPU和外設(shè)的連接和外設(shè)的連接輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道129v由圖2-4、圖2-5和圖2-6可見，接口芯片與CPU之間必要的連接信號有下列4類： （1）數(shù)據(jù)信號即接口芯片的8位數(shù)據(jù)線接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上。 （2）讀/寫控制信號 、 （或 、 ）。 （3）片選信號和地址A1，A0。 （4）時鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號等控制信

18、號。 因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，在接口芯片與CPU連接部分就要把上述必須的連接信號連接信號考慮進(jìn)去，并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪B接。DRRWROIWOI輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1302.3.3 I/O2.3.3 I/O接口擴(kuò)展接口擴(kuò)展1地址譯碼器的擴(kuò)展 CPU和外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，各類信息在接口中進(jìn)入不同的寄存器，一般稱這些寄存器為I/O端口。計算機(jī)主機(jī)和外部之間的信息交換都是通過接口部件的I/O端口進(jìn)行的。因此擴(kuò)展的地址譯碼器電路不僅要提供接口芯片的片選信號，而且還能對芯片內(nèi)的I/O端口（寄存器）尋址。地址譯碼要用譯碼器，常用的是74LS13874LS138譯碼器譯碼器。

19、下面介紹使用74LS138擴(kuò)展地址譯碼器的原理、編址方法及應(yīng)用舉例。 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道131圖圖2-7 2-7 74LS13874LS138管腳圖管腳圖輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道132其譯碼功能表其譯碼功能表2-2所示：所示：表2-2 74LS138譯碼器功能表 注：1高電平、0低電平、 不定BAGGG222輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道133例一，此例是采用8位的Z-80CPU的微機(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求需擴(kuò)展一個并行接口芯片PIO、一個計算器/定時器CTC、一個8位的A/D 轉(zhuǎn)換器AD

20、C0808和一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。若指定它們的地址分別為40H43H、44H47H、58H和5CH，那么可以設(shè)計出如圖2-8所示的地址譯碼電路及個芯片的地址分配。 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道134圖圖2-8 I/O2-8 I/O接口地址譯碼起擴(kuò)展接口地址譯碼起擴(kuò)展輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道135A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 0 0 0 0 0 0 PIO A數(shù)據(jù)口地址40H0 1 0 0 0 0 0 1 PIO B數(shù)據(jù)口地址41H0 1 0 0 0 0 1 0 PIO A數(shù)據(jù)口地址42

21、H0 1 0 0 0 0 1 1 PIO B數(shù)據(jù)口地址43H 0 1 0 0 0 1 0 0 CTC通道0地址44H0 1 0 0 0 1 0 1 CTC通道1地址45H0 1 0 0 0 1 1 0 CTC通道2地址46H0 1 0 0 0 1 1 1 CTC通道3地址47H0 1 0 0 1 0 x x 48H4BH未用0 1 0 0 1 1 x x 4CH4DH未用0 1 0 1 0 0 x x 50H53H未用0 1 0 1 0 1 x x 54H57H未用0 1 0 1 1 0 0 0 ADC0808地址58H 0 1 0 1 1 1 0 0 DAC0832地址5CHAG21GBG2

22、CBADC/AB/0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道136 擴(kuò)展的I/O接口和存儲器的數(shù)據(jù)線都同時掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，各芯片都要掛到CPU的地址線上，控制線也一樣，要掛到CPU的地址線上。但是，系統(tǒng)總線的負(fù)載能力是有限的，所以有必要考慮CPU各總線的負(fù)載能力。當(dāng)負(fù)載過重時，各信號線的電平就會偏離正常值，“0”電平偏高，“1”電平偏低，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，不可靠，抗干擾能力差。因此，必須考慮總線負(fù)載能力的擴(kuò)展。 應(yīng)用總線收發(fā)器可以提高總線驅(qū)動能力。Intel系列芯片的典型收發(fā)器為8286，是8位的。所以在數(shù)據(jù)總線為8位的8088系統(tǒng)中

23、，只用一個8286就可以構(gòu)成數(shù)據(jù)總線收發(fā)器，而在數(shù)據(jù)總線位16位的8088系統(tǒng)中，則要用兩個8286。2.負(fù)載能力的擴(kuò)展輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道發(fā)器和收發(fā)器和80888088的連接的連接圖2-9輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道138 從圖2-9中，可以看到8286具有兩組對稱的數(shù)據(jù)引線，A7A0為輸入數(shù)據(jù)線，B7B0為輸出數(shù)據(jù)線，當(dāng)然，由于在收發(fā)器中數(shù)據(jù)是雙向傳輸?shù)模詫?shí)際上輸出線和輸入線也可以交換。當(dāng)T=1時，A7A0為輸入線，當(dāng)T=0時，B7B0為輸入線。 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入

24、輸輸出出通通道道139 1.了解分析常用外圍設(shè)備或被控設(shè)備與CPU之間信息交換的要求。 2.考慮硬件和軟件的功能分配，綜合考慮速度、成本特性、設(shè)計難易程度等因素，合理的分配硬件和軟件完成功能。 3.進(jìn)行I/O端口的數(shù)量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)流向安排和地址號分配。 4.I/O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計，包括擴(kuò)展方案選擇地址譯碼器擴(kuò)展和負(fù)載能力擴(kuò)展的等。 5.I/O接口控制軟件設(shè)計。 6.進(jìn)行接口硬件和軟件聯(lián)調(diào)，如發(fā)現(xiàn)問題，再返回前面各步重新調(diào)整、修改，直到所設(shè)計的接口硬件和軟件能滿足要求為止。 2.3.4 I/O2.3.4 I/O接口設(shè)計的方法、步驟接口設(shè)計的方法、步驟輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入

25、入輸輸出出通通道道1401）購置廠家生產(chǎn)的現(xiàn)成的多功能I/O接口板 2）自己設(shè)計、安裝I/O接口電路。在具體做法上又有兩種方案：1. 采用通用的大規(guī)模集成電路接口芯片擴(kuò)展I/O接口電路2. 采用普通的緩沖器、鎖存器和譯碼器等集成電路擴(kuò)展I/O接口。擴(kuò)展I/O接口有兩種方案：兩種輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1412.4 I/O2.4 I/O通道通道v在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，I/O通道是連接計算機(jī)和工業(yè)對象的必要不可少的重要部分。I/O通道的主要任務(wù)是將由檢測器件測取的各個參量變換成計算機(jī)所能接收的信息形式送入計算機(jī)。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出

26、通通道道1422.4.1模擬量輸入通道模擬量輸入通道v模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1432.4.1 2.4.1 模擬量的輸入通道模擬量的輸入通道v模擬量的輸入通道完成模擬量的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計算機(jī)的任務(wù)。v模擬量由以下幾部分組成： 1.1.信號處理裝置。信號處理裝置。 2.2.采樣單元。采樣單元。 采樣單元也稱為多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)，它的作用是把已變換成統(tǒng)一電壓信號的測量信號按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。 3.3.采樣保持采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號

27、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號總需要一定的時間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱為孔徑時間。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道144圖圖 2-10 2-10 由引起不確定誤差電壓由引起不確定誤差電壓 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道145令 Um為正弦模擬信號的幅值；f為信號頻率。 在坐標(biāo)的原點(diǎn)上 取 ，則電壓誤差為 誤差的百分?jǐn)?shù) 一個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，若要求轉(zhuǎn)換精度為0.1%，孔徑時間10s，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波信號的最大頻率為tfUtUdtdUtUUmmmcos2cossinfUtUm2DAtt DAmftUU/21002100/DAmftUUHZsf

28、1610101021 . 026輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道146v 因此，如被采樣模擬信號的變化頻率相對于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度來說是較高的話，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號不變。v 采樣和保持時間由外接的保持電容Ch決定。圖2-11采樣保持電路RKVxCVout.輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道147v 采樣保持電路有 兩個工作狀態(tài)：兩個工作狀態(tài)：1.采樣狀態(tài)2.保持狀態(tài)當(dāng)模擬開關(guān)AS閉合時，進(jìn)入采樣狀態(tài)當(dāng)模擬開關(guān)AS斷開時，進(jìn)入保持狀態(tài)v4.4.數(shù)據(jù)放大器數(shù)據(jù)放大器v

29、5.5.A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道148采樣保持器采樣保持器LF398介紹介紹輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道149什么時候要用采樣什么時候要用采樣/ /保持器？保持器？v信號變化頻率較快，以至孔徑時間影響到轉(zhuǎn)換精度，即孔徑誤差大于量化誤差。v巡回采樣多個過程參數(shù)時，常用。 若信號緩慢，可以不用。在工程實(shí)踐中，常用中速A/DS/H來代替要求高速的A/D，經(jīng)濟(jì)上很合算。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1502.4.2 2.4.2 采樣與量化采樣與量化1.采樣過程 所謂采樣過程是采樣開

30、關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。采樣過程采樣過程 圖2-12輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道151v 理想采樣開關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：v 理想采樣開關(guān)的幾何圖象：輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道152v采樣后得到的離散模擬信號為 v采樣定理:f=2fmaxv常采用：f=(510)fmaxv將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換變成在時刻0、T、2T、kT的一連串脈沖輸出信號的過程稱為采樣過程。 00*)(nnnTttfnTtnTftf輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1532.量化過程v量化過程就是用一組數(shù)碼來逼近離散模擬

31、信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。v量化單位q是指量化后二進(jìn)制的最低位所對應(yīng)的模擬量的值。v i轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。v例如，模擬信號fmax=16v,fmin=0v,取i=4，v則q=1v，量化誤差最大值 。 iffq2minmaxvqe5 . 02max輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道154輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道155編碼編碼v把量化信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼的過程稱為編碼v編碼的任務(wù)由A/D轉(zhuǎn)換器完成v雙極性信息的 3種表示方法 符號數(shù)值碼 偏移二進(jìn)制碼 補(bǔ)碼表示法輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道156

32、注記：常用的雙極性編碼注記：常用的雙極性編碼數(shù)正基準(zhǔn)負(fù)基準(zhǔn)符號-數(shù)值碼2的補(bǔ)碼偏移2進(jìn)制碼+7+7/8-7/8011101111111+6+6/8-6/8011001101110+5+5/8-5/8010101011101+4+4/8-4/8010001001100+3+3/8-3/8001100111011+2+2/8-2/8001000101010+1+1/8-1/8000100011001+0+0-0000000001000-0-0+01000（0000）（1000）-1-1/8+1/8100111110111-2-2/8+2/8101011100110-3-3/8+3/81011110

33、10101-4-4/8+4/8110011000100-5-5/8+5/8110110110011-6-6/8+6/8111010100010-7-7/8+7/8111110010001-8-8/8+8/810000000輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道157采樣值和量化值的采樣值和量化值的對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系( (單極性單極性) )如表如表2-32-3輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道158多路開關(guān)多路開關(guān)v 當(dāng)多個信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器時，就需要這個器件v 理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導(dǎo)通電阻為0。要求切換速度快。v 兩大類： 機(jī)械觸點(diǎn)

34、式 電子開關(guān)式v 選擇多路轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)考慮的因素。 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道159CD4051介紹介紹v單端8通道雙向多路開關(guān)。vC、B、A為二進(jìn)制控制輸入端，INH為禁止輸入端（高電平禁止）。改變IN/OUT07及OUT/IN的傳遞方向，則可用作多路開關(guān)或反多路開關(guān)。IN /OUT19876543210111413121516 IN /OUTIN /OUT12304567OUT /ININHVssVccVDDABC輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道160CD4051真值表如下真值表如下輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸

35、輸出出通通道道161多路開關(guān)的擴(kuò)展多路開關(guān)的擴(kuò)展v 當(dāng)采樣的通道比較多，可以將兩個或兩個以上的多路開關(guān)并聯(lián)起來。兩個8路開關(guān)擴(kuò)展成16路的多路開關(guān)的方法如圖所示。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ模擬輸入（1 8）模擬輸入（9 16）模擬輸出.輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1622.4.3 2.4.3 模擬量輸出通道模擬量輸出通道v 模擬量輸出通道的功能功能是把計算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動作。v模擬量輸出通道由以下幾部分組成： 1）D/

36、A轉(zhuǎn)換器 2）輸出保持器 3）多路切換開關(guān) 4）低通濾波電路 5）功放電路輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道163 模擬量輸出通道中，要有輸出保持器，是因為因為計算機(jī)控制是分時的，每個輸出回路只能周期地在一個時間片上得到輸出信號，即這時執(zhí)行部件得到的是時間上離散的模擬信號，而實(shí)際的執(zhí)行部件卻要求連續(xù)的模擬信號，因此為了使執(zhí)行部件在兩個輸出信號的間隔時間內(nèi)仍然能得到輸出信號，就必須有輸出保持器，通過它將前一采樣控制時刻的輸出信號保持下來，直到下一個采樣控制時刻的到來，重新得到新的輸出信號，這樣執(zhí)行部件就得到了連續(xù)的輸出控制信號了。輸出保持器 有兩種兩種方案：1 1）數(shù)字

37、保持器方案數(shù)字保持器方案2 2）模擬保持器方案模擬保持器方案輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道164多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式v主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式:輸出保持器的作用：在新的控制信號到來之前，使本次控制信號維持不變 v兩種基本結(jié)構(gòu)形式： 一個通路設(shè)置一個D/A轉(zhuǎn)換器 多個通路共用一個D/A轉(zhuǎn)換器輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道165v 一個通路設(shè)置一個D/A轉(zhuǎn)換器 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠 缺點(diǎn)：使用較多的D/A轉(zhuǎn)換器輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道166v 多個通路共用

38、一個D/A轉(zhuǎn)換器v 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器v 缺點(diǎn)：微機(jī)分時工作，工作可靠性差輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1672.4.4 數(shù)字量輸入輸出通道v1.數(shù)字量輸入接口輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1682.數(shù)字量輸出接口MOV AL , DATAMOV AL , DATAMOV DX , PORTMOV DX , PORTOUT DX , ALOUT DX , AL程序輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道169數(shù)字量輸入通道輸入調(diào)理電路的作用1.電平轉(zhuǎn)換2.電氣偏離輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸

39、輸出出通通道道170數(shù)字量輸出通道1.功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路2.達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路3.大功率交流驅(qū)動電路輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1712.5 D/A 2.5 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器vD/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬量的器件。 按轉(zhuǎn)換形式可分為： 按輸出形式可分為：并行串行電壓輸出型電流輸出型輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1722.5.1 并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理v D/A轉(zhuǎn)換器的原理可以歸納為“按2進(jìn)制權(quán)展開，然后相加”。因此D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部必須要有一個解碼網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)按權(quán)值分別進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種

40、：二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道173D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成v基準(zhǔn)電壓（電流）源v二進(jìn)制數(shù)的位切換開關(guān)(電子開關(guān)組)v產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流（電壓）的精密電阻網(wǎng)絡(luò)v提供電流（電壓）相加輸出的運(yùn)算放大器v數(shù)字接口(數(shù)據(jù)寄存器)輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1744位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖-+UES1S2S3S4fR112a222a332a442aR02R12R22R322I4I8I16I輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1754位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)

41、絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理v E E為基準(zhǔn)電壓為基準(zhǔn)電壓v 為晶體管位切換開關(guān)，受二進(jìn)制各位狀態(tài)控制為晶體管位切換開關(guān)，受二進(jìn)制各位狀態(tài)控制 相應(yīng)位為相應(yīng)位為“0”“0”，開關(guān)接地，開關(guān)接地 相應(yīng)位為相應(yīng)位為“1”“1”，開關(guān)接，開關(guān)接E Ev 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，其阻值與各位權(quán)相對應(yīng)，權(quán)越大，電阻權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，其阻值與各位權(quán)相對應(yīng)，權(quán)越大，電阻越小，以保證一定權(quán)的數(shù)字信號產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電流越小，以保證一定權(quán)的數(shù)字信號產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電流v 運(yùn)算放大器的虛地按二進(jìn)制權(quán)的大小和各位開關(guān)的狀運(yùn)算放大器的虛地按二進(jìn)制權(quán)的大小和各位開關(guān)的狀態(tài)對電流求和態(tài)對電流求和輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸

42、出出通通道道176輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道177v 運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓為 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U 正比于輸入數(shù)字量 Dv 影響D/A精度的主要因素:參考電壓源、電阻網(wǎng)、反饋電阻、放大器。 v 缺點(diǎn)：位數(shù)越多，阻值差異越大。需要改進(jìn)電阻網(wǎng)。11121222(222)nniififfiinfnUIRI aRI RDERaaaR 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1784位位T型電阻網(wǎng)絡(luò)（型電阻網(wǎng)絡(luò)（R-2R）D/A轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖-+US1S2S3S4112a222a332a442aEabcdRRR2R2R2R2R2R

43、輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道179v 從節(jié)點(diǎn)a, b, c, d向右向上看，其等效電阻均為2Rv 位切換開關(guān)受相應(yīng)的二進(jìn)制碼控制，相應(yīng)碼位為“1”，開關(guān)接運(yùn)算放大器虛地，相應(yīng)碼位為“0”，開關(guān)接地。v 流經(jīng)各切換開關(guān)的支路電流分別為 ， ， ，v 各支路電流在運(yùn)算放大器的虛地相加12REFI14REFI18REFI116REFI輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道180v 運(yùn)算放大器的滿度輸出為v 對 n 位D/A轉(zhuǎn)換器而言，其輸出電壓為111115()2481616FSREFREFUIRIR 1212(222)nREFnUIRaaa 輸

44、輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1818位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC0832v 可與各種微處理器直接接口v 輸入為8位二進(jìn)制碼， 所有引腳與TTL兼容v 具有雙緩沖、單緩沖和直通數(shù)據(jù)輸入3種工作方式v 電流穩(wěn)定時間1 S，滿量程誤差為1LSBv 5V15V單一電源，低功耗20 mWv 參考電壓為10V10V輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道182DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)D7D6D0D1D2D3D4D58位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換電路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR1WR2XFERDAC0832AGNDV

45、CCDGNDLE1LE2M1M3M2輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道腳結(jié)構(gòu)引腳結(jié)構(gòu)v 20引腳，雙列直插式封裝v 數(shù)字量輸入線D7D0（8條）v 控制線（5條）v 輸出線（3條）v 電源線（4條）CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道腳功能說明引腳功能說明v 輸入信號D7D0v 輸出信號IOUT1，且IOUT

46、1 IOUT2為常量，Rfb為反饋信號輸入端，反饋電阻在片內(nèi)v 控制信號： 為允許輸入鎖存信號， 和 分別為輸入寄存器和DAC寄存器的寫信號， 為傳送控制信號， 為片選信號 v 電源信號：VCC為主電源，VREF為基準(zhǔn)電壓，AGND和DGND分別為模擬地和數(shù)字地v 因為DAC0832是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運(yùn)算放大器，Rf為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。運(yùn)算放大器的接法如下圖所示：LEI1WR2WRXFERCS輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道185-+OA.VoutRfIout1Iout2輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸

47、輸出出通通道道1860832單極性輸出方式單極性輸出方式-+OAVoutRfIout1Iout2.VREFDAC0832.2REFoutfboutfbnVVR IRD 輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道1870832雙極性輸出方式雙極性輸出方式I1I3I2OA1OA2+_2R2RRVout1VoutAVREF8031VREFRfIout1Iout2.11(2)(1)2outREFoutREFnDVVVV輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道188v 運(yùn)算放大器OA2的作用是將運(yùn)算放大器OA的單向輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向輸出，用圖形表示如下：VVout+VR

48、EF-VREF00HFFH80HB輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道189v 用偏移二進(jìn)制碼方法，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出比較容易實(shí)現(xiàn)，而且與微型計算機(jī)輸出兼容，只要把最高位取反，就可以將2的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換成偏移二進(jìn)制碼輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道190DAC0832與與MCS-51的接口的接口v直通方式:指DAC0832內(nèi)部的兩個寄存器都處于不鎖存狀態(tài)，數(shù)據(jù)一旦到達(dá)輸入端就直接被送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，所有控制信號都接成有效形式。輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道191DAC0832與與MCS-51的接口

49、的接口v單緩沖方式：指DAC0832的兩個寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式；或者兩級寄存器同時鎖存-+OAVout.P0P2.7WR8051D7D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGNDCSXFERWR1WR2輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道192單緩沖方式程序設(shè)計單緩沖方式程序設(shè)計v DAC0832采用的是單緩沖單極性的接線方式，它的選通地址為7FFFHMOV DPTR，#7FFFH ；輸入0832口地址MOV A，#data ；讀取數(shù)據(jù)MOVX DPTR，A ；執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換 SJMP $輸輸入入輸輸出出接接口口技技術(shù)術(shù)和和輸輸入入輸輸出出通通道道193DAC0832與與MCS-51的接口的接口v雙緩沖方式：把DAC0832的兩個寄存器都接成受控鎖存方式AO1AO2+_2R2RVout.+5VILEVccVREFRf