開關(guān)量輸入通道

開關(guān)量輸入通道第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日為了實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對生產(chǎn)過程或裝置的控制，需要將對象的各種測量參數(shù)按要求的方式送入計算機(jī)；經(jīng)計算機(jī)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號也要變換成適合于對生產(chǎn)過程或裝置進(jìn)行控制的形式。因此，在計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間必須設(shè)置信息傳遞和變換的裝置，這種裝置就稱為過程輸入輸出通道，簡稱為過程通道或I／O通道。

第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日一般來說，計算機(jī)不會自主地工作，需要接收操作人員鍵入的指令，其運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果也需要顯示或打印，在現(xiàn)代大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中還應(yīng)有通信和數(shù)據(jù)存盤功能，所有這些都是由人與計算機(jī)之間的連接裝置來完成的，我們稱這種裝置為人機(jī)接口。有了過程通道與人機(jī)接口，才能將人、計算機(jī)和生產(chǎn)過程組成有機(jī)的整體，如圖2-1所示。

第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-1過程通道與人機(jī)接口

第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日過程通道與人機(jī)接口是每個計算機(jī)控制系統(tǒng)中都必須具有的重要組成部分，在計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，許多精力都花費(fèi)在過程通道和人機(jī)接口的設(shè)計或選擇上。許多控制計算機(jī)生產(chǎn)廠家都設(shè)計和生產(chǎn)了各種各樣的I／O模塊供選用。

第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日2.1過程通道的分類

過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。(1)模擬量輸入通道：主要功能是將隨時間連續(xù)變化的模擬輸入信號經(jīng)檢測、變換和預(yù)處理，最終變換為數(shù)字信號送入計算機(jī)。常見的模擬量有壓力、溫度、液體流量和成分等。(2)模擬量輸出通道：它將計算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓或電流信號，經(jīng)功率放大后送到執(zhí)行部件對生產(chǎn)過程或裝置進(jìn)行控制。

第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日(3)數(shù)字量輸入通道：也稱開關(guān)量輸入通道。凡是以電平高低和開關(guān)通斷等兩位狀態(tài)表示的信號統(tǒng)稱為數(shù)字量或開關(guān)量。主要有三種形式：一種是以若干位二進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)字量，它們并行輸入到計算機(jī)，如撥碼盤開關(guān)輸出的BCD碼等；另一種是僅以一位二進(jìn)制數(shù)表示的開關(guān)量，如啟停信號和限位信號等；還有一種是頻率信號，它是以串行形式進(jìn)入計算機(jī)的，如來自轉(zhuǎn)速表，渦輪流量計、感應(yīng)同步器等信號。這些信號都要通過數(shù)字量輸入通道進(jìn)入計算機(jī)。

第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日(4)數(shù)字量輸出通道：有的執(zhí)行部件只要求提供數(shù)字量，例如步進(jìn)電機(jī)，控制電機(jī)啟停和報警信號等，這時應(yīng)采用數(shù)字量輸出通道。應(yīng)該注意，過程通道分類是以經(jīng)過通道的信號形式來劃分的，并不以連續(xù)的對象來劃分，如模擬對象的模擬量可以轉(zhuǎn)換為頻率信號(V—F變換)連接于數(shù)字輸入通道；同樣，數(shù)字輸出通道完全可以接直流電動機(jī)，組成脈沖調(diào)寬控制(PWM)。

第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日2.2開關(guān)量輸入輸出通道

2．2．1開關(guān)量輸入輸出通道的一般結(jié)構(gòu)形式開關(guān)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(guān)量輸入信號調(diào)理和輸出信號驅(qū)動電路)。一般情況下，各種開關(guān)量輸入輸出通道的前兩部分往往大同小異，所不同的主要在于輸入輸出(I／O)電氣接口。典型的開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。

第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-2典型的開關(guān)量輸入輸出通道結(jié)構(gòu)圖

第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1．CPU接口邏輯這部分電路一般由數(shù)據(jù)總線緩沖器／驅(qū)動器、輸入輸出口地址譯碼器、讀寫等控制信號組成。

第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日

2．輸入緩沖器和輸出鎖存器輸入緩沖器是對外部輸入的信號起緩沖、加強(qiáng)以及選通的作用，CPU通過讀緩沖器讀入數(shù)據(jù)。輸出鎖存器的作用是鎖存CPU送來的輸出數(shù)據(jù)，供外部設(shè)備使用。輸入緩沖器和輸出鎖存器可以使用各種可編程的外圍接口電路，如8255、8155等，也可以使用簡單的中小規(guī)模集成電路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日

3．輸入輸出電氣接口典型的開關(guān)量輸入輸出電氣接口的功能主要是濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動等，關(guān)于這些內(nèi)容，

將在后面詳細(xì)介紹。

第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日2．2．2開關(guān)量輸入信號的調(diào)理開關(guān)量輸入通道的基本功能就是接收外部的狀態(tài)信號，這些狀態(tài)信號是以邏輯“1”或邏輯“0”出現(xiàn)的，其信號的形式可能是電壓、電流或開關(guān)的觸點(diǎn)。在有些情況下，外部輸入的信號可能會引起瞬時的高電壓、過電壓、接觸抖動以及噪聲等干擾。為了將外部的開關(guān)量信號輸入到計算機(jī)，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能接收的邏輯信號，這就是開關(guān)量輸入信號調(diào)理的任務(wù)。

下面針對不同的情況分別介紹相應(yīng)的調(diào)理方法。

第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日

1．信號轉(zhuǎn)換電路(1)電壓或電流轉(zhuǎn)換電路如圖2-3(a)所示，可根據(jù)電壓或電流的大小選擇電阻R1和R2。(2)開關(guān)觸點(diǎn)型信號輸入電路如圖2-3(b)所示,這種電路使得開關(guān)的通和斷變成輸出電平的高和低。

第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-3信號轉(zhuǎn)換電路(a)電壓或電流輸入；(b)開關(guān)觸點(diǎn)輸入

第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-4RC低通濾波電路

第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日

2．濾波電路由于長線傳輸、電路、空間等干擾的原因，輸入信號常常夾雜著各種干擾信號，這些干擾信號有時可能使讀入信號出錯，這就需要用濾波電路來消除干擾。圖2-4是一個RC低通濾波電路。這種電路的輸出信號與輸入信號之間會有一個延遲，可根據(jù)需要來調(diào)整RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)。

第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日

3．保護(hù)電路為了防止因過電壓、瞬態(tài)尖峰或反極性信號損壞接口電路，在開關(guān)量輸入電路中，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。圖2-5和圖2-6分別是幾種常用的保護(hù)電路,其中，圖2－5(a)和圖2-5(b)分別是采用齊納二極管和壓敏電阻將瞬態(tài)尖峰干擾箝位在安全電位的保護(hù)電路。圖2-6(a)和(b)分別是反極性保護(hù)和高壓保護(hù)電路。

第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-5瞬態(tài)尖峰保護(hù)電路(a)采用齊納二極管；(b)采用壓敏電阻

第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-6反極性和高壓保護(hù)(a)反極性保護(hù)；(b)高壓保護(hù)

第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日

4．消除觸點(diǎn)抖動若開關(guān)量輸入信號來自機(jī)械開關(guān)或繼電器觸點(diǎn)，由于開關(guān)觸點(diǎn)閉合及斷開時，常常會發(fā)生抖動，因此，輸入信號的前沿及后沿常常是非清晰信號，如圖2-7所示。

第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖2-7開關(guān)或觸點(diǎn)閉合及斷開時的抖動

第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日解決開關(guān)或觸點(diǎn)的抖動問題可采用圖2-8所示的雙向消抖電路。雙向消抖電路是由兩個與非門組成RS觸發(fā)器，把開關(guān)信號輸入到RS觸發(fā)