过程输入输出通道接口技术(3)
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计算机控制技术课后习题答案
|3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
—(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。
微型计算机原理及应用第9章输入输出和接口技术
8 7 Q6Q5Q4Q3Q2 Q1 Q0
CLK & IOW PS
gf e dcba
COM
35
3.2 数据输入三态缓冲器
外设输入的数据和状态信号，通过数据输入三态缓冲 器经数据总线传送给微处理器。 74LS244三态总线驱动器
74LS244可以用作无条 件传送的输入接口电路。
36
3.2 数据输入三态缓冲器
8
1.2 接口控制原理
（2）串行数据传送
串行数据传送是将构成字符的每个二进制数据位， 按一定的顺序逐位进行传送的方式。 串行数据传送主要用于远程终端或经过公共电话 网的计算机之间的通信。 远距离数据传送采用串行方式比较经济，但串行 数据传送比并行数据传送控制复杂。
9
1.2 接口控制原理
异步串行通信协议规定字符数据的传送格式：
微型计算机原理及应用
1
输入输出和接口技术
1 2 3
接口的基本概念 I/O指令和I/O地址译码 简单的I/O接口
2
输入输出(I/O)是指微型计算机与外界的信息交换， 即通信(communication)。微型计算机与外界的通信， 是通过输入输出设备进行的，通常一种I/O设备与微 型机连接，就需要一个连接电路，我们称之为I/O接 口。 接口是用于控制微机系统与外设或外设与系统设 备之间的数据交换和通信的硬件电路。接口设计涉及 到两个基本问题，一是中央处理器如何寻址外部设备， 实现多个设备的识别；二是中央处理器如何与外设连 接，进行数据、状态和控制信号的交换。 3
状态设臵和存储电路主要由一组数据寄存器构成， 中央处理器和外设就是根据状态寄存器的内容进行 协调动作的。 数据存储和缓冲电路也是一组寄存器，用于暂存 中央处理器和外设之间传送的数据，以完成速度匹配 工作。 7
CLK & IOW PS
gf e dcba
COM
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3.2 数据输入三态缓冲器
外设输入的数据和状态信号，通过数据输入三态缓冲 器经数据总线传送给微处理器。 74LS244三态总线驱动器
74LS244可以用作无条 件传送的输入接口电路。
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3.2 数据输入三态缓冲器
8
1.2 接口控制原理
（2）串行数据传送
串行数据传送是将构成字符的每个二进制数据位， 按一定的顺序逐位进行传送的方式。 串行数据传送主要用于远程终端或经过公共电话 网的计算机之间的通信。 远距离数据传送采用串行方式比较经济，但串行 数据传送比并行数据传送控制复杂。
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1.2 接口控制原理
异步串行通信协议规定字符数据的传送格式：
微型计算机原理及应用
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输入输出和接口技术
1 2 3
接口的基本概念 I/O指令和I/O地址译码 简单的I/O接口
2
输入输出(I/O)是指微型计算机与外界的信息交换， 即通信(communication)。微型计算机与外界的通信， 是通过输入输出设备进行的，通常一种I/O设备与微 型机连接，就需要一个连接电路，我们称之为I/O接 口。 接口是用于控制微机系统与外设或外设与系统设 备之间的数据交换和通信的硬件电路。接口设计涉及 到两个基本问题，一是中央处理器如何寻址外部设备， 实现多个设备的识别；二是中央处理器如何与外设连 接，进行数据、状态和控制信号的交换。 3
状态设臵和存储电路主要由一组数据寄存器构成， 中央处理器和外设就是根据状态寄存器的内容进行 协调动作的。 数据存储和缓冲电路也是一组寄存器，用于暂存 中央处理器和外设之间传送的数据，以完成速度匹配 工作。 7
输入输出接口与过程通道(1)
D0
1A2 1Y2
D1
1A3 1Y3
D2
1A4 1Y4
D3
1A5 1Y5
D4
1A6 1Y6
D5
1A7 1Y7
D6
1A8 1Y8
D7
设片选端口地址为port，可 用如下指令来完成取数.
MOV DX， port
IN AL， DX
PC总线 输入接口
2G 1G
CS
IOR
图 2 .1 数字量输入接口
SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两 个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输 出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。
注意：零交叉电路在交流电过零时,会产 生触发信号，从而减少干扰。
SSR作交流开关，相当 于有一个触点，左边 是TTL电平，在0~5V之 间：
际转换特征并非如此。在满量程输入范围内， 偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。 线性误差常用LSB(数字量的最低有效位)的分数 表示,如(1/2)LSB或±1LSB 量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V, 0～10V， 0～5V 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部 装置或生产过程的状态信号。
这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触 点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。
为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场 输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换 成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调 理。
当输入TTL电平为 高时，触点闭合；
当输入TTL电平为 低时，触点断开。
当用计算机来控制 电磁阀时，用固态继 电器。
1A2 1Y2
D1
1A3 1Y3
D2
1A4 1Y4
D3
1A5 1Y5
D4
1A6 1Y6
D5
1A7 1Y7
D6
1A8 1Y8
D7
设片选端口地址为port，可 用如下指令来完成取数.
MOV DX， port
IN AL， DX
PC总线 输入接口
2G 1G
CS
IOR
图 2 .1 数字量输入接口
SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中两 个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，为实现输入与输 出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。
注意：零交叉电路在交流电过零时,会产 生触发信号，从而减少干扰。
SSR作交流开关，相当 于有一个触点，左边 是TTL电平，在0~5V之 间：
际转换特征并非如此。在满量程输入范围内， 偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。 线性误差常用LSB(数字量的最低有效位)的分数 表示,如(1/2)LSB或±1LSB 量程：即所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V, 0～10V， 0～5V 对基准电源的要求：基准电源的精度对整个系统的精度产生
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接收外部 装置或生产过程的状态信号。
这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触 点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。
为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场 输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换 成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调 理。
当输入TTL电平为 高时，触点闭合；
当输入TTL电平为 低时，触点断开。
当用计算机来控制 电磁阀时，用固态继 电器。
第3章 过程输入输出通道
；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
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3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
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三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。
第三章-输入输出通道和接口技术
20
2、常用的采样/保持器 常用的采样/保持器有美国 AD公司的AD582、AD585 、
AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。 LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它
具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。 LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。 LF198芯片引脚的功能如下： （1） VIN：模拟量输入 （2）VOUT： 模拟量输出。
上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。 ● 开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。
3
开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输 入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个 继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。
工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类 执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/ 输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。
CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。 电平转换： CMOS到TTL的转换 3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来
选择某一路的接通。
18
（三）采样/保持 由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入
到计算机中，需要进行A/D转换。 由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信
2
在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。 ● 模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；
由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采 集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字 量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。
同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来 控制执行机构的执行。
2、常用的采样/保持器 常用的采样/保持器有美国 AD公司的AD582、AD585 、
AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。 LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它
具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。 LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。 LF198芯片引脚的功能如下： （1） VIN：模拟量输入 （2）VOUT： 模拟量输出。
上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。 ● 开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。
3
开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输 入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个 继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。
工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类 执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/ 输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。
CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。 电平转换： CMOS到TTL的转换 3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来
选择某一路的接通。
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（三）采样/保持 由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入
到计算机中，需要进行A/D转换。 由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信
2
在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。 ● 模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；
由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采 集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字 量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。
同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来 控制执行机构的执行。
微型计算机控制技术答案
器？为什么？ 答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可以 采用带有保持器电路的采样器。当被测信号变化很慢时，若A/D转换器时间足够短，可以不 加采样保持器。
2.8一个 8位A/D转换器，孔径时间为 100。如果要求转换误差在A/D转换精度（0.4%）内， 求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？
答：原理图见书本上第 28页（图 2.15 ）。
8路模拟量采样程序：
ADC0809 PROC NEAR
MOV CX , 8
CLD
MOV BL , 00H
LEA DI , DATABUF
NEXT: MOV DX , 02C2H
MOV AL , BL
OUT DX , AL
INC DX
MOV AL , 00000111B //输入启动信号
数字量输入程序（设片选端口地址为poBiblioteka t）：MOV DX， port
IN AL , DX
数字量输出程序：
MOV AL , DATA
MOV DX , port
OUT DX， AL
2.3用 8位A/D转换器 ADC0809通过 8255A与PC总线工业控制接口，实现 8路模拟量的采集， 请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
LOOP NEXT
RET
ADC0809 ENDP
2.5请分别画出一个有源I/V变换电路和一个无源I/V变换电路图。并分别说明各个器件的 作用。
答：有源变换电路见书本上第32页（图 2.19 ）： 同相放大器电路把电阻上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为） ； 极性电容C能起到滤波作用，防止高频的干扰； 为平衡电容。
集的程序见书本上第 37（图 2.26 ）。
2.8一个 8位A/D转换器，孔径时间为 100。如果要求转换误差在A/D转换精度（0.4%）内， 求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？
答：原理图见书本上第 28页（图 2.15 ）。
8路模拟量采样程序：
ADC0809 PROC NEAR
MOV CX , 8
CLD
MOV BL , 00H
LEA DI , DATABUF
NEXT: MOV DX , 02C2H
MOV AL , BL
OUT DX , AL
INC DX
MOV AL , 00000111B //输入启动信号
数字量输入程序（设片选端口地址为poBiblioteka t）：MOV DX， port
IN AL , DX
数字量输出程序：
MOV AL , DATA
MOV DX , port
OUT DX， AL
2.3用 8位A/D转换器 ADC0809通过 8255A与PC总线工业控制接口，实现 8路模拟量的采集， 请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
LOOP NEXT
RET
ADC0809 ENDP
2.5请分别画出一个有源I/V变换电路和一个无源I/V变换电路图。并分别说明各个器件的 作用。
答：有源变换电路见书本上第32页（图 2.19 ）： 同相放大器电路把电阻上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为） ； 极性电容C能起到滤波作用，防止高频的干扰； 为平衡电容。
集的程序见书本上第 37（图 2.26 ）。
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
第三章 IO接口技术与IO通道
第三章 输入输出接口与过程通道
4
计算机控制技术
高等院校自动化新编系列教材
（3）地址译码：在微处理机系统通常都配备有多个或多种外围 设备，这样就会有多个输入/输出接口，像为键盘、鼠标、打印 机、显示器、磁盘等诸输入/输出设备均配备有各自接口，且为 它们分配了各自的地址码。通过接口中的地址译码电路对外围 设备输入/输出地址寻址。 （4）控制和状态：由于微处理机的操作速度与输入/输出设备的运 行速度不在一个数量级上，所以随时需要知道输入/输出设备的 状态。常用的状态信号有正忙和准备就绪。 （5）校验和检查：在微处理机系统中，通常为输入/输出接口配备 有校验功能，并且可以将出错信息报告给微处理机。像外围设 备机构中的机械和电路故障，就要向微处理机报告故障的类型 和位置。若数据在传送中的错误就用奇偶校验码进行校验。如 若USB在传送过程中出现错误则要用到容错功能，发送设备会 重复发送数据直至正确为止。
第三章 输入输出接口与过程通道
16
计算机控制技术
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3)常用的I/O接口部件的框图
系统总线接口
外围设备接口
数据寄存器 数据线 状态 / 控制寄存器
外围设备 接口逻辑
数据
状态
控制
┇
地址线
I/O 逻辑
控制线
外围设备 接口逻辑
数据 状态 控制
第三章 输入输出接口与过程通道
17
计算机控制技术
第三章 输入输出接口与过程通道
11
计算机控制技术
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第三章 输入输出接口与过程通道
12
计算机控制技术
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b. 同步传送 许多字符组成一个数据块，块前设同步字符， 以一个CRC字符结束。字符间不允许空隙，空闲时 发同步字符。收发器时钟频率严格保持一致，发端 将时钟与数据一起发送到接收端，硬件电路较异步 复杂。 CRC字符 循环冗余校验字符。 同步字符 特殊8位二进制码，接收器收到 同步字符，一幀即开始。
计算机控制技术第二章
第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。
2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。
生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。
由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。
对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。
计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。
计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。
由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。
2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。
(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。
接口电路含这三类信息交换的端口。
2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。
微型计算机控制系统课件第3章 输入输出接口及输入输出通道
这种I/O控制方式是优是劣，不能一概而论，要看具体应用场合。如果I/O处理的实时性要求不那么高， 或者微型计算机的操作任务比较单一，并不很忙。比如在一个系统专门用于控制一个或几个I/O设备的特殊 情况下，CPU除了为外设服务，本身就没有更多的其它工作要做，在这种情况下，程序查询式控制不失为一 种比较理想的控制策略。正因为这样，所以它在实际中还是一种最常用的I/O控制方式。反过来，如果I/O处 理的实时性要求很高，或者CPU的任务很繁忙，则不宜采用这种方式，而最好采用中断驱动式或其它方式来 控制。
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
22
温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
19
压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
20
27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
第2章接口技术与输入输出通道3-DI、DO
通过对各种输入输出通道接口电路的分析，可以看出， 光电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。
习题与思考
1. 分析三极管型光电耦合隔离器的工作原理。
2. 光耦隔离器的两种应用。
3.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱 动电路。 4. 对 比 分 析 几 种 输 出 驱 动 电 路 的 应 用 特 点 。
+5V
+5V
c +
D7~D0
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
选通脉冲
e
选通脉冲
-
e
分类：数字量同相传递 与数字量反相传递。 数字量同相传递：当数 据线为低电平“0”时， 发光管导通且发光，使 得光敏管导通，输出c端 接地而获得低电平“0”； 当数据线为高电平“1” 时，发光管截止不发光， 则光敏管也截止使输出c 端从电源处获得高电平 “1”。如此，完成了数 字信号的同相传递。
晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采 用隔离措施。
2.3.3.4 固态继电器驱动电路
固态继电器SSR（Solid State Relay）：是一种新 型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实 现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合， 而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电 器的功能，故称为固态继电器。 特点：它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、 无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优 点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取 代电磁继电器之势。
信号调理电路--虽然都是数字信号，不需进
2.3.2
数字量输入通道
主要知识点
引言
2.3.2.1 开关输入电路
习题与思考
1. 分析三极管型光电耦合隔离器的工作原理。
2. 光耦隔离器的两种应用。
3.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱 动电路。 4. 对 比 分 析 几 种 输 出 驱 动 电 路 的 应 用 特 点 。
+5V
+5V
c +
D7~D0
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
选通脉冲
e
选通脉冲
-
e
分类：数字量同相传递 与数字量反相传递。 数字量同相传递：当数 据线为低电平“0”时， 发光管导通且发光，使 得光敏管导通，输出c端 接地而获得低电平“0”； 当数据线为高电平“1” 时，发光管截止不发光， 则光敏管也截止使输出c 端从电源处获得高电平 “1”。如此，完成了数 字信号的同相传递。
晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采 用隔离措施。
2.3.3.4 固态继电器驱动电路
固态继电器SSR（Solid State Relay）：是一种新 型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实 现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合， 而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电 器的功能，故称为固态继电器。 特点：它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、 无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优 点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取 代电磁继电器之势。
信号调理电路--虽然都是数字信号，不需进
2.3.2
数字量输入通道
主要知识点
引言
2.3.2.1 开关输入电路
计算机控制技术练习题目(考试)
4、采样保持器有什么作用？
保持模拟量信号不变，以便完成A/D转换； 同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理和测量； 减少D/A转换器的输出“毛刺”； 把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出电压的稳 定性。
5、试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响
（1）保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保 持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状 态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差； （2）反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差
过程通道可分为1模拟量输入通道2模拟量输出通道3数字量输入通道4数字量输出通道2什么是信号的采样量化和编码时间上连续的模拟信号变成一连串时间上不连续的脉冲信号的过程称为采样采样信号不能直接输入计算机将其整量化后成为数字信号的过程称为量化把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码3什么是香农采样定理只有采样频率大于最高信号频率的2倍采样信号和连续信号输入信号的频谱才是相等的5试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响把一个da转换器的输出分配到几个输出点以保证输出电压的稳定性
7、什么是直接数字控制系统？画出其原理框图
• DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一 个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机， 微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算， 然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达 到预定的要求。
外部设备
模拟输入 (1~16)
S1 AD7506
GND OUT
S16 A0 A1 A2 A3 EN
模拟输出 15V NC 15V
模拟输入 (17~32)
S1 AD7506
输入输出接口与过程通道
D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; ❖ 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路
、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
输入输出通道接口技术
现由模拟量到数字量再到模拟量的转换，从而完成系统所要求的测
控目标。
课 程
“测” ，即所谓的数据采集过程。它是通过被测信号的输入 通
内 道，将传感器送来的过程参数，转换成数字量送入微机； “控” ，
容 即所谓的数字信号转换成模拟信号的过程。它是由输出通道将微机
1
运算的结果变成控制参量送到执行机构取得相应的控制效果。
检测与控制技术
第四章 输入输出通道接口技术
◆课时授课计划
◆提
纲
精
品 课
◆课 程 内 容
程
第四章 输入输出通道接口技术
课题： 第4章 输入输出通道接口技术
4.1 数据采集与处理技术基础 4.2 模拟量输入通道 4.3 模拟量输出通道 4.4 开关量输入／输出通道 4.5 电机、步进电机接口技术 4.6 数据采集系统举例 目的与要求：
了解微机测控系统中输入/输出通道的作用； 课 了解信号调理的一般方法和信号调理电路中常用的器件和电路 ； 时 掌握数据采集系统的基本概念； 授 掌握输入/输出通道的一般结构和常用器件的使用方法； 课 学会输入/输出通道的及软、硬件设计方法。
计
划
第四章 输入输出通道接口技术
重点与难点： 重点：输入/输出通道的设计方法； 难点：模拟量输入通道的信号调理。
放
课 ① 单通道数据采集系统。如图所示。 感
大
S/H
A/D
CPU
程
器
器
模拟信号经放大器放大，通过采
内 样/保持器（S/H）送入A/D转换器。
容
单通道数据采集系统结构
6
第四章 输入输出通道接口技术
② 多通道典型数据采集系统
传感器
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Iout1+Iout2=常数 单极性输出时Iout2接地
工作方式
电源线（4条）
VREF：参考电压输入，外接一个精密电源。 VCC：数字电路供电电压，+5V~+15V
输出电路
AGND：模拟地
DGND：数字地
数据输入寄存器
控制线（5条）
DAC0832
ILE=1（常态） /CS=0 （常态） /WR1（控制）/LE1 0 1
DAC0832
PC总线
R fb D AC 0832 I O UT 1 R A1 I O UT 2 VOUT1 I3 A A2 VOUT2
输出电路
工作方式
I1 I 2 I 3 VREF I1 2R
VOUT 0 图 3-8 D/A转换双极性输出方式 1 B
I2
VOUT 2 2R
一个通道设置一片D/A转换器 ——数字保持方案
AO结构
转换原理
技术指标
1、一路输出通道使用一个D/A转换器 2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存 器 3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、 信号保持作用 4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度 较高、通道独立 5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
技术指标
4．转换速率/建立时间
转换速率实际是由建立时间来反映的 建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时， DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90％ 满量程或±1/2LSB满量程）时所需要的时间
4.7 8位D/A转换器及其接口技术 ——知识点
DAC0832的引脚及功能 DAC0832的工作方式 DAC0832的输出电路设计
技术指标
I OUT D3 I 3 D2 I 2 D1 I1 D0 I 0
I OUT VREF ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 ) 4 2 R
3 2 1 0
AO结构
考虑到放大器反相端为虚地，故：
I Rfb I OUT
VR E F
DAC0832
输出电路
VR E F PC总线 Rfb DAC0832 IOUT1 VOUT A IOUT2
工作方式
Vout R I
图 3-7 D/A转换单极性输出方式 REF fb out fb n
V R D R*2
DAC0832的电压输出方式 ——双极性输出方式
VR E F 2R VR E F I1 I2 2R
2. 多个通道共用一片D/A转换器（模拟保持方式）
AO结构
转换原理
技术指标
1、多路输出通道共用一个D/A转换器 2、每一路通道都配有一个采样保持放 大器 3、 D/A转换器只起数字到模拟信号的 转换作用 4、采样保持器实现模拟信号保持功能 5、节省D/A转换器，但电路复杂，精 度差，可靠性低
4.6.2 D/A转换器的工作原理
例题：对于一个8位D/A转换器， 已知VREF=10V，数字量输入为10011101，求 模拟量输出？ 解： VREF 10V n 8
b7 1, b6 0, b5 0, b4 1, b3 1, b2 1, b1 0, b0 1
Vout VREF B n 2 7 6 5 4 3 2 0 VREF 1 b7 2 b6 2 b5 2 b4 2 b3 2 b2 2 b1 2 b0 2 8 2 10 1 2 7 0 2 6 0 25 1 2 4 1 23 1 2 2 0 2 1 1 2 0 8 2 6.13V
转换原理
把微型计算机输出的数字量转换成 模拟量电压或电流信号，去驱动相 应的执行器，从而达到控制的目的 数字量的位数（计算机，DAC，精 度） 模拟量的性质和范围（电压，电流）
前提
技术指标
4.6.1 模拟量输出通道的组成（2）
AO结构
组成：
转换原理
一般是由接口电路、数/模转换器 (简称D/A或DAC)和电压/电流变换 器等组成。 可靠性高，满足一定的精度要求 具.3 D/A转换器的技术指标 1. 分辨率 由于数字量D是不连 续的，当数字增加时， 模拟量为阶梯波电压， 如图所示。 阶梯波每一级增量对 应于输入数字的最低 数位1。把阶梯波每 一级增量与指代最大 模拟量的数字量比值 称为分辨率。 分辨率=1/2n 例，4位DAC，其分辨率为1/24 =6.25% 通常， 在工程中，直接以DAC能转换的二进制位数表示分 辨率。如8、10、12、14、16位DAC
4.6 模拟量输出通道
4.6.1 模拟量输出通道的组成
4.6.2 D/A转换器的工作原理 4.6.3 D/A转换器的技术指标
4.6 模拟量输出通道——知识点
模拟量输出通道有哪两种结构形 式？ T型电阻网络D/A转换原理 D/A转换器的技术指标
4.6.1 模拟量输出通道的组成（1）
AO结构
任务：
——引言
多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要 DAC0832 驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外 接运算放大器。根据不同控制系统自动化装
输出电路
置需求的不同，输出方式可以分为电压输出、 电流输出以及自动/手动切换输出等多种方
工作方式
式。
DAC0832的电压输出方式 ——单极性输出方式
因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片， 为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放 大器，Rfb为DAC0832的反馈电阻端。
输出电路
1. DAC0832的结构及原理
(MSB) D I7 D I6 D I5 D I4 D I3 D I2 D I1 D I0 (LSB) ILE
D
Q
D
Q 8位 DAC 转换器
Rf b IOUT1 IOUT2 AGND V REF DGND V CC
DAC0832
8位 输入 寄存器
8位 DAC 寄存器 D Q LE2
工作方式
Vout
图 3-8 D/A转换双极性输出方式 B
00H -VREF
80H
FFH
Vout 2 VREF
B 2Vout1 n1 1VREF 2
A1 和 A2 为运算放大器，A点为虚地，故可得：
I1 I 2 I 3 0 DAC0832 V VREF VOUT1 I 2 OUT 2 I1 I3 2R 2R R 解上述方程可得双极性输出表达式： 输出电路
工作方式
/CS：片选信号 ILE：输入锁存允许 /WR1：写1 /WR2：写2 /XFER：传送控制信号
LE 1 I LE CS WR 1 LE 2 XFER WR 2
1
DAC寄存器
0
输出电路
/XFER=0（常态） /WR2（控制）/LE2 0 1
1
0
DAC0832的输出方式
选取 Rfb = R ，可以得到它的输出电压VOUT与输 入二进制数B( Dn-1~ D0) 的关系式：
转换原理
VREF VOUT I Rfb R fb ( D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 ) 4 2
3 2 1 0
结论：由上述推导可见，输出电压除了与 技术指标 输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈 电阻 Rfb以及基准电压VREF有关。
VOUT1 B
VREF 256
VOUT2
V ( B 2 ) REF 281
81
或
VOUT2 V
REF
B 1 2 8-1
工作方式
图中运放 A2 的作用是将运放 A1 的单向输出 变为双向输出。当输入数字量小于 80 H即128时， 输出模拟电压为负；当输入数字量大于 80 H即128 时，输出模拟电压为正。其它n位D/A转换器的输出 电路与DAC0832 相同，计算表达式中只要把 28-1改 为2n-1即可。
工作方式
D
Q LE1
输出电路
CS W R1 XFER W R2
当LE=1时,输出数 据随输入变化。 当LE=0时,输出数 据被锁存。
图 3-3 DAC0832原 理 框 图 及 引 脚
2. DAC0832引脚功能
数字量输入线D7~D0（8条） DAC0832
输出线（3条）Iout1,Iout2,Rfb
DAC0832的电流输出方式
因为电流信号易于远距离传送，且不易 受干扰，特别是在过程控制系统中，自 动化仪表只接收电流信号，所以在微机 控制输出通道中常以电流信号来传送信 息，这就需要将电压信号再转换成电流 信号，完成电流输出方式的电路称为V/I 变换电路。 电流输出方式一般有两种形式： 1．普通运放V/I变换电路
转换原理
位切换 开 关
+
1
0 BS3 2R
1
0 BS2 2R
1
0 BS1 2R
1
0 BS0 2R 2R
基准 电压
I3
I2 R
I1 R
I0 R
技术指标
VREF
R--2R电 阻 网 络 图 3-2 D/A 转 换 器 原 理 框 图
AO结构
假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、 BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有：
4.7 8位D/A转换器及其接口技术 4.7.1 DAC0832介绍
DAC0832
8位D/A转换器DAC0832：
— 电流输出型
主要特点：
工作方式 — 可与各种微处理器直接接口 — 输入为8位二进制码， 所有引脚(20个)与 TTL兼容 — 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种 工作方式 — 电流稳定时间1 µS，满量程误差为 ±1LSB — ＋5V～＋15V单一电源，低功耗20 mW — 参考电压为－10V～＋10V