计算机控制-输入输出
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第7章控制系统接口技术输入输出通道ppt课件全
外接
图7.5 仪表Байду номын сангаас大电路图
7.1.4 前置放大器（续）
当多路输入的电平相差较悬殊时，用放大器去放大高电平和低电平的信 号，可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出A/D转换器的 输入范围。因此，可以设计可变增益放大器，对于各路不同大小的输入信号 ，测量放大电路的增益不相同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器 或者可编程放大器，如图7.6所示。常用的集成电路芯片有AD612/AD614等。
图7.10 AD574A的原理框图及引脚
2. AD574A芯片及接口电路（续）
PA3
PA0 PB7
8255A
PB0 PC7
PC2 PC1 PC0
VCC
AD574A VEE
+15V -15V
-5V~+5V -10V~+10V
图7.11 AD574A与PC总线工业控制机接口
7.2 模拟量输出接口技术
20
DGND
VCC
图7.14 DAC0832原理框图及引脚
图7.15为 DAC0832与PC总线工业控制机接口电路。DAC0832工作在
单缓冲寄存器方式。
+5V
VR
D0
DI0VCC ILE VREF
D1
DI1
Rfb
I OUT1
接
图7.5 仪表Байду номын сангаас大电路图
7.1.4 前置放大器（续）
当多路输入的电平相差较悬殊时，用放大器去放大高电平和低电平的信 号，可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出A/D转换器的 输入范围。因此，可以设计可变增益放大器，对于各路不同大小的输入信号 ，测量放大电路的增益不相同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器 或者可编程放大器，如图7.6所示。常用的集成电路芯片有AD612/AD614等。
图7.10 AD574A的原理框图及引脚
2. AD574A芯片及接口电路（续）
PA3
PA0 PB7
8255A
PB0 PC7
PC2 PC1 PC0
VCC
AD574A VEE
+15V -15V
-5V~+5V -10V~+10V
图7.11 AD574A与PC总线工业控制机接口
7.2 模拟量输出接口技术
20
DGND
VCC
图7.14 DAC0832原理框图及引脚
图7.15为 DAC0832与PC总线工业控制机接口电路。DAC0832工作在
单缓冲寄存器方式。
+5V
VR
D0
DI0VCC ILE VREF
D1
DI1
Rfb
I OUT1
接
计算机控制技术 第2章 过程输入输出通道
02:06:40
计数器式A/D转换器
02:06:40
• 二进制计数器从零开始对时钟进行计数， 与此同时，对计数器输出的值进行D/A转换， 转换后的模拟电压与模拟输入电压进行比 较，若，则比较器输出为低电平，计数器 继续计数，也呈阶梯形上升，直到时，比 较器输出高电平，通过控制逻辑电路，使 计数器停止计数，将所得计数值送列输出 锁存器，该计数值便是转换的结果。
模拟输入 IN （9 ~ 16）
{
D3 D2 D1 D0
02:06:40
多路开关的扩展
02:06:40
2 模拟量输入通道
• 模拟量输入通道的一般组成
一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和 A/D转换器组成
02:06:40
2 模拟量输入输出通道 2/10
◆ 检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、 流量等）通过传感器转换为电量（一般为 直流电压或电流）
02:06:40
3 D/A与A/D转换技术（17）
• A/D转换器的主要技术指标
◆ 分辨率 — 能对转换结果发生影响的最小输入量，通常用
02:06:40
IN/OUT{
4 6
1 2
OUT/IN
3
IN/OUT{75
4 5
INH
6
Vcc 7
Vss 8
16 VDD
{
计数器式A/D转换器
02:06:40
• 二进制计数器从零开始对时钟进行计数， 与此同时，对计数器输出的值进行D/A转换， 转换后的模拟电压与模拟输入电压进行比 较，若，则比较器输出为低电平，计数器 继续计数，也呈阶梯形上升，直到时，比 较器输出高电平，通过控制逻辑电路，使 计数器停止计数，将所得计数值送列输出 锁存器，该计数值便是转换的结果。
模拟输入 IN （9 ~ 16）
{
D3 D2 D1 D0
02:06:40
多路开关的扩展
02:06:40
2 模拟量输入通道
• 模拟量输入通道的一般组成
一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和 A/D转换器组成
02:06:40
2 模拟量输入输出通道 2/10
◆ 检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、 流量等）通过传感器转换为电量（一般为 直流电压或电流）
02:06:40
3 D/A与A/D转换技术（17）
• A/D转换器的主要技术指标
◆ 分辨率 — 能对转换结果发生影响的最小输入量，通常用
02:06:40
IN/OUT{
4 6
1 2
OUT/IN
3
IN/OUT{75
4 5
INH
6
Vcc 7
Vss 8
16 VDD
{
计算机控制技术(第三版)章 (4)
除上述几种处理技术外，对不同的模拟信号还可能要进行 其他一些处理，例如热电偶测温时要进行冷端补偿，热电阻测 温时要用桥路法或恒流法实现电阻／电压变换等。
4.1.2 多路开关 多路开关又称多路转换器，其作用是将各被测模拟量按某
种方式，如顺序切换方式或随机切换方式，分时地输入到公共 的放大器或A／D转换器上。
图4-9 多路开关的基本连接方式 (a)单端多路输入；(b)差动多路输入；(c)伪差动输入
在实际应用中，输入信号可能很多，电平高低可能相差很 大，这时应将电平分类，对电平相近的通道归类选择切换。为 了减少选择切换开关本身的漏电流，可采用干簧开关作一次选 择切换、电子开关作二次选择切换的混合系统。
2．统一信号电平 输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号，应将其变 成统一的信号电平。例如可变成0~50 mV的统一小信号电平或 0～5 V(1ห้องสมุดไป่ตู้5 V)的大信号电平。即使从变送器来的0～10 mA或 4～20 mA的标准信号，一般也要经如图4-2所示的电阻网络， 进行电流／电压变换，变换成0～50 mV的电压信号，其精度达 0.02％。
关是一种以光控制信号的器件，输入端为发光二极管，输出端 为光敏三极管。当PIO的某一位为高电平时，经反相后变为低 电平，发光二极管导通并发光，使光敏三极管导通，经反相后 输出高电平。光电开关能使输入和输出在电气上完全隔离，主 要用于抗干扰场合。
4.1.2 多路开关 多路开关又称多路转换器，其作用是将各被测模拟量按某
种方式，如顺序切换方式或随机切换方式，分时地输入到公共 的放大器或A／D转换器上。
图4-9 多路开关的基本连接方式 (a)单端多路输入；(b)差动多路输入；(c)伪差动输入
在实际应用中，输入信号可能很多，电平高低可能相差很 大，这时应将电平分类，对电平相近的通道归类选择切换。为 了减少选择切换开关本身的漏电流，可采用干簧开关作一次选 择切换、电子开关作二次选择切换的混合系统。
2．统一信号电平 输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号，应将其变 成统一的信号电平。例如可变成0~50 mV的统一小信号电平或 0～5 V(1ห้องสมุดไป่ตู้5 V)的大信号电平。即使从变送器来的0～10 mA或 4～20 mA的标准信号，一般也要经如图4-2所示的电阻网络， 进行电流／电压变换，变换成0～50 mV的电压信号，其精度达 0.02％。
关是一种以光控制信号的器件，输入端为发光二极管，输出端 为光敏三极管。当PIO的某一位为高电平时，经反相后变为低 电平，发光二极管导通并发光，使光敏三极管导通，经反相后 输出高电平。光电开关能使输入和输出在电气上完全隔离，主 要用于抗干扰场合。
计算机输入和输出设备
在选购时，还需要注意以下几点： 1．外壳 2．扫描声音 3．支持软件 4．售后服务
4、麦克风
麦克风称之为“传声器”，由MICROPHONE翻译而来。传 声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒或 者微音器。
二十世纪，麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容 式转换，大量新的麦克风技术逐渐发展起来，这其中包括铝带、 动圈（如图3-20所示）等麦克风，以及当前广泛使用的电容麦 克风和驻极体麦克风。
▪ 台式机键盘：按键数曾出现过83、93、96、101、102、104键 等。
▪ 常见的104键盘是在101键盘的基础上为Win9X平台增加了三个 快捷键，因此也被称为Win9X键盘。
▪ 按工作原理，常规的键盘又分为机械式和电容式两种。
▪ 按外形可分为标准键盘和人体工程学键盘。
2、 鼠标
“鼠标”的标准称呼是“鼠标器”，英文名“MOUSE”。鼠 标到目前为止，也是重要的输入设备之一，并且已经有近40年的 历史了。鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便，来代替键 盘那繁琐的指令。
▪ 下图所示是一块PCI总线的声卡。
PCI声卡的结构
主板集成声卡
▪ 1. AC'97软声卡 ▪ 通常板载软声卡都是符合AC‘97规范的，所以大家就约定俗
成地把软声卡称为AC’97声卡。很多主板采用内置AC‘97软声 卡，因为价格便宜，并且不会产生兼容不良问题，这种声卡只 有一块解码芯片，而大部分工作都交给CPU去做，虽然有一定 的CPU占有率，但对于现在主流CPU的计算能力来说，并不是 问题。
4、麦克风
麦克风称之为“传声器”，由MICROPHONE翻译而来。传 声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒或 者微音器。
二十世纪，麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容 式转换，大量新的麦克风技术逐渐发展起来，这其中包括铝带、 动圈（如图3-20所示）等麦克风，以及当前广泛使用的电容麦 克风和驻极体麦克风。
▪ 台式机键盘：按键数曾出现过83、93、96、101、102、104键 等。
▪ 常见的104键盘是在101键盘的基础上为Win9X平台增加了三个 快捷键，因此也被称为Win9X键盘。
▪ 按工作原理，常规的键盘又分为机械式和电容式两种。
▪ 按外形可分为标准键盘和人体工程学键盘。
2、 鼠标
“鼠标”的标准称呼是“鼠标器”，英文名“MOUSE”。鼠 标到目前为止，也是重要的输入设备之一，并且已经有近40年的 历史了。鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便，来代替键 盘那繁琐的指令。
▪ 下图所示是一块PCI总线的声卡。
PCI声卡的结构
主板集成声卡
▪ 1. AC'97软声卡 ▪ 通常板载软声卡都是符合AC‘97规范的，所以大家就约定俗
成地把软声卡称为AC’97声卡。很多主板采用内置AC‘97软声 卡，因为价格便宜，并且不会产生兼容不良问题，这种声卡只 有一块解码芯片，而大部分工作都交给CPU去做，虽然有一定 的CPU占有率，但对于现在主流CPU的计算能力来说，并不是 问题。
计算机控制技术第2章
ADC0809芯片介绍 8位逐位逼近式A/D转换器 分辨率为8位，即为1/ 28 ≈0.39 % 模拟电压转换范围是 0 ～ +5 V 标准转换时间为100s 采用28脚双立直插式封装
图2.18Βιβλιοθήκη BaiduADC0809的逻辑结构框图
2.3 A/D 转换器及其接口技术
可见ADC0809由： 8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁 存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成 （1）各引脚功能： IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入， 共用一个A/D转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时 锁存3位通道选择信号。 A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电 平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿 时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。
CE、 、R/ C CS
、12/8 、 A0各控制信号的组合作用.
注：× 表示1或0都可以。
2.3 A/D 转换器及其接口技术 10VIN:模拟信号输入，量程范围为10V
20VIN：模拟信号输入，量程范围为20V BIP OFF：双权性偏置端
表 模拟输入信号的几种接法
2.3 A/D 转换器及其接口技术
图2.18Βιβλιοθήκη BaiduADC0809的逻辑结构框图
2.3 A/D 转换器及其接口技术
可见ADC0809由： 8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁 存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成 （1）各引脚功能： IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入， 共用一个A/D转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时 锁存3位通道选择信号。 A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电 平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿 时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。
CE、 、R/ C CS
、12/8 、 A0各控制信号的组合作用.
注：× 表示1或0都可以。
2.3 A/D 转换器及其接口技术 10VIN:模拟信号输入，量程范围为10V
20VIN：模拟信号输入，量程范围为20V BIP OFF：双权性偏置端
表 模拟输入信号的几种接法
2.3 A/D 转换器及其接口技术
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
电流输出型模拟量输出通道的 优点是输出信号较大、精度较 高，适用于需要驱动执行机构 距离较远或对精度要求较高的 场合。
数字量输出通道
常见的数字量输出通道有晶体管输出型和继电 器输出型两种，它们通过不同的方式将数字信
号转换为控制信号。
继电器输出型数字量输出通道的优点是寿命长、可靠 性高，适用于需要长期稳定运行的场合。
实现人机交互
输入输出通道是人机交互的重要手段，通过输入输出通道， 用户可以向计算机输入指令和数据，计算机也可以将处理 结果输出给用户。
保障系统的稳定性和可靠性
输入输出通道的稳定性和可靠性直接影响到整个计算机系 统的稳定性和可靠性，因此，选择合适的输入输出通道和 保证其正常工作是非常重要的。
02
输入通道技术
功能
实现计算机与外部设备之间的数 据传输、控制信号的传递以及设 备状态的监测等功能，是计算机 与外部设备进行交互的桥梁。
输入输出通道的分类
根据传输方式
并行通道和串行通道。并行通道是指数据在多个数据线上一同传输，传输速度 快，但线路复杂；串行通道是指数据一位一位地传输，传输速度慢，但线路简 单。
根据连接方式
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
数字量输出通道
常见的数字量输出通道有晶体管输出型和继电 器输出型两种，它们通过不同的方式将数字信
号转换为控制信号。
继电器输出型数字量输出通道的优点是寿命长、可靠 性高，适用于需要长期稳定运行的场合。
实现人机交互
输入输出通道是人机交互的重要手段，通过输入输出通道， 用户可以向计算机输入指令和数据，计算机也可以将处理 结果输出给用户。
保障系统的稳定性和可靠性
输入输出通道的稳定性和可靠性直接影响到整个计算机系 统的稳定性和可靠性，因此，选择合适的输入输出通道和 保证其正常工作是非常重要的。
02
输入通道技术
功能
实现计算机与外部设备之间的数 据传输、控制信号的传递以及设 备状态的监测等功能，是计算机 与外部设备进行交互的桥梁。
输入输出通道的分类
根据传输方式
并行通道和串行通道。并行通道是指数据在多个数据线上一同传输，传输速度 快，但线路复杂；串行通道是指数据一位一位地传输，传输速度慢，但线路简 单。
根据连接方式
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
计算机控制系统
与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频 率低，而且通断时有机械抖动现象，故一般用于 低速高精度检测系统中。图2.17为干簧继电器的 原理图，线圈通/断电就使触点接触或断开。
图2.17 干簧继电器的原理
8基本相同，但输入、输出电压均为负值。
开关选择某一路模拟信号，将其送至采样-保持 25(1+R2/R1) ，改变R2的阻值，即可改变输出电压值。
RS触发器：接收、存储、记忆和输出 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。
器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而
完成该路模拟输入的采样与转换工作。
高这的种稳 隔压离精保度证。了模拟量信号输入部分和图计算2机.1数6字处多理路系统复之间用的方彻底式的电A气/D隔离转，换而且原由于理是在数字接口部分隔离，使得其实现简
单、造价低廉。
图2.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟 集成功率电子开关输出（了解）
受发光二极管和光电元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
图2-1 输入输出过程通道组成结构图
表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途
信息种类
模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分等 接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等 流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等 控制执行装置、显示、记录等 对执行器进行控制、报警显示等
图2.17 干簧继电器的原理
8基本相同，但输入、输出电压均为负值。
开关选择某一路模拟信号，将其送至采样-保持 25(1+R2/R1) ，改变R2的阻值，即可改变输出电压值。
RS触发器：接收、存储、记忆和输出 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。
器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而
完成该路模拟输入的采样与转换工作。
高这的种稳 隔压离精保度证。了模拟量信号输入部分和图计算2机.1数6字处多理路系统复之间用的方彻底式的电A气/D隔离转，换而且原由于理是在数字接口部分隔离，使得其实现简
单、造价低廉。
图2.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟 集成功率电子开关输出（了解）
受发光二极管和光电元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
图2-1 输入输出过程通道组成结构图
表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途
信息种类
模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分等 接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等 流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等 控制执行装置、显示、记录等 对执行器进行控制、报警显示等
计算机控制技术-第3章
图3-6 带光电隔离的输出接口
3.2.2
数字量输出通道
⑵触点式继电器的控制 继电器的线圈通常可以用直流低电压控制，如直流 9V、12V、24V等，而触点输出部分可以直接与市电（交 流220V）相连接。
图3-7 继电器接口电路
3.2.2
数字量输出通道
⑶无触点式固态继电器 使用触点式继电器控制时，触点容易产生电火花，还容易 氧化。固态继电器(SSR)，它是用晶体管或可控硅代替常规继电 器的触点开关，再把光电隔离器作为前极构成一个整体。因此， 固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。
3.2.1
数字量输入通道
⑶大功率输入调理电路 大功率的开关电路一般采用电压较高的直流电源，在 输入开关状态信号时，可能对计算机控制系统带来干扰和 破坏，因此，这种类型的开关信号应经光电隔离后才能与 计算机相连。
图3-4 大功率开关信号输入硬件连线图
3.2.2
数字量输出通道
⒈数字量输出通道的一般结构 数字量输入通道主要由计算机I/O接口电路、数字光电 隔离电路和输出驱动电路组成；
图3-13 可逆PWM调速系统原理图
3.2.3
电动机控制接口技术
⒈小功率直流电动机调速原理及控制接口
图3-14 双向电动机控制接口电路图
3.2.3
电动机控制接口技术
⒉步进电机转速控制原理及控制接口 步进电机的工作原理
计算机控制技术第二章输入输出接口与过程通道
NEPU 10
（2）大功率输入调理电路
当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点 工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电 平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高， 所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。
“光电隔离”：
通常使用一个光耦将电子 信号转换为光信号，在另 一边再将光信号转换回电 子信号。如此，这两个电 路就可以互相的隔离。
设片选端口地址为port，可用以 下指令完成数据输出控制。
MOV AL， DATA MOV DX， port OUT DX， AL
NEPU 5
锁存器(Flip-latch)
当CLK（使能端）为高电平时，锁存器的数据输出端Q的
状态与数据输入端D相同（透明的）。
当CLK端从高电平返回到低电平时（下降沿后），输入端
NEPU 3
2.1.1 数字量输入输出接口技术
1. 数字量输入接口
作用：对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态
信息，再给出控制量。
完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，
得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时， 产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三 态门送到PC总线工业控制机的数据总线， 然后装入AL寄存器。
NEPU 1
2.1 数字量输入输出通道
计算机控制系统：第2章 输入输出通道
第二章 输入输出通道
本章主要内容： 1、 数字量输入输出 2、 模拟输入通道 3、 模拟输出通道 4、 输入数据处理
2.1 数字量输入输出 2.1.1并行数据的输入输出（弱电） 2.1.2单个开关量的输入输出（强电）
2.1.1 并行数据的输入输出 1.并行数据的输入缓冲
并行数据输入缓冲电路图
2.1.1 并行数据的输入输出 2.并行数据的输出锁存-数据
LE
8位 D/A 转换器
RFB
&
&
UREF IOUT2 IOUT1
Rfb
AGND
VCC
DGND
3.典型DAC0832—与计算机接口
直通
单缓冲 双缓冲
DAC0832和计算机双缓冲接口
FEFFH
DB/AB
地址 地址线 锁存
译 码 器
FDFFH FBFFH
CS DAC0832
XFER
计算机 WR
数据线
继电器的驱动电路
VCC
单片机 P1.i
KA
220V
衔铁
控制电流 D L
K 外部设备
线圈 铁芯
触点
继电器工作原理图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2.2模拟输入通道
2.2.1组成及各部分的作用 2.2.2采样、量化及采样保持器 2.2.3 模数转换器(ADC)
本章主要内容： 1、 数字量输入输出 2、 模拟输入通道 3、 模拟输出通道 4、 输入数据处理
2.1 数字量输入输出 2.1.1并行数据的输入输出（弱电） 2.1.2单个开关量的输入输出（强电）
2.1.1 并行数据的输入输出 1.并行数据的输入缓冲
并行数据输入缓冲电路图
2.1.1 并行数据的输入输出 2.并行数据的输出锁存-数据
LE
8位 D/A 转换器
RFB
&
&
UREF IOUT2 IOUT1
Rfb
AGND
VCC
DGND
3.典型DAC0832—与计算机接口
直通
单缓冲 双缓冲
DAC0832和计算机双缓冲接口
FEFFH
DB/AB
地址 地址线 锁存
译 码 器
FDFFH FBFFH
CS DAC0832
XFER
计算机 WR
数据线
继电器的驱动电路
VCC
单片机 P1.i
KA
220V
衔铁
控制电流 D L
K 外部设备
线圈 铁芯
触点
继电器工作原理图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2.2模拟输入通道
2.2.1组成及各部分的作用 2.2.2采样、量化及采样保持器 2.2.3 模数转换器(ADC)
计算机组成原理——输入输出
1. I/O 软件 (1) I/O 指令 CPU 指令的一部分
操作码 命令码 设备码
(2) 通道指令 通道自身的指令
指出数组的首地址、传送字数、操作命令 如 IBM/370 通道指令为 64 位
2. I/O 硬件 设备 I/O 接口 设备 设备控制器 通道
计算机组成原理与结构
三、I/O 与主机的联系方式
准备好？ 否 是
传送一个数据
修改内存地址
修改计数值
未完 传送完？ 完
结束I/O传送
计算机组成原理与结构
二、程序查询方式的接口电路
以输入为例
数据线 ⑥ 准备就绪 ⑤
启动命令 ①
& 地址线
DBR
D
B
Q
Q
01
10
SEL
设备选择电路
专用接口
Intel 8279、 Intel 8275
4. 按数据传送的 控制方式 分类
中断接口
Intel 8259
DMA 接口 Intel 8257
计算机组成原理与结构
第8章 输入输出系统
8.1 输入输出系统概述 8.2 I/O接口 ✓ 8.3 程序查询方式 8.4 程序中断方式 8.5 DMA方式
1. I/O 编址方式
(1) 统一编址
用取数、存数指令
(2) 不统一编址 有专门的 I/O 指令
操作码 命令码 设备码
(2) 通道指令 通道自身的指令
指出数组的首地址、传送字数、操作命令 如 IBM/370 通道指令为 64 位
2. I/O 硬件 设备 I/O 接口 设备 设备控制器 通道
计算机组成原理与结构
三、I/O 与主机的联系方式
准备好？ 否 是
传送一个数据
修改内存地址
修改计数值
未完 传送完？ 完
结束I/O传送
计算机组成原理与结构
二、程序查询方式的接口电路
以输入为例
数据线 ⑥ 准备就绪 ⑤
启动命令 ①
& 地址线
DBR
D
B
Q
Q
01
10
SEL
设备选择电路
专用接口
Intel 8279、 Intel 8275
4. 按数据传送的 控制方式 分类
中断接口
Intel 8259
DMA 接口 Intel 8257
计算机组成原理与结构
第8章 输入输出系统
8.1 输入输出系统概述 8.2 I/O接口 ✓ 8.3 程序查询方式 8.4 程序中断方式 8.5 DMA方式
1. I/O 编址方式
(1) 统一编址
用取数、存数指令
(2) 不统一编址 有专门的 I/O 指令
计算机控制技术课件：第3章 数字量输入输出通道
4.1
光电耦合隔离技术
主要知识点
4.1.1 光电耦合隔离器 4.1.2 光电耦合隔离电路
4.1.1
光电耦合隔离器
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、 单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图4-1所示。
它们的原理是相同的，即通过电～光～电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
在微机控制系统中，除了要处理模拟量 信号以外，还要处理另一类数字信号，包括 开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻 辑“1”和“0”或电平的高和低出现的。如 开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭， 继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动 和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关 闭，仪器仪表的 BCD 码，以及脉冲信号的 计数和定时等等 。
平时，经7406反相锁存器变为高电平，使
达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电
极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合
管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时
产生的反向电动势的泄流回路。
4.3.2 继电器驱动电路
继电器是电气控制中常用的控制器件， 主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成。
衔铁
控制电流
D
L
K
外部设备
图4-11为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路
当CPU数据线 Di输出数字“1”时，经7406反相
计算机控制系统第7章输入输出过程通道
IN AL, DX
；过程状态→AL寄存器
2020/6/9
7
2 . 数字量输出通道
DO接口电路
数字量输出通
道的任务是把
PC
计算机输出的
总 线
数字信号（或
DO接口电路
输 出 锁 存 器
输
去
出
生
驱
产
动
过
器
程
开关信号）传
送给开关器件
地址译码器
（如继电器或
指示灯），控
图 7—4 数字量输出通道结构
制它们的通、
动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接
点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或
2R02S0触/6/9发电路。
5
② 大功率输入调理电路
+5V
24V K R1
R2
R3
在大功率系统中，需要 从电磁离合等大功率器
10μF C
件的接点输入信号。
图 7—3 大功率输入调理电路
为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或24V 以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰， 电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电压高， 容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。
计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟 量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道 和数字量输出通道。
[电脑基础知识]第四章 输入输出系统
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接存储器存取（DMA）方式工作。
2、实时性
当外围设备与处理机交往时，由于设备的类型 不同，它们的工作步调是很不相同的，信息传输的 速率也相差悬殊，传送方式极不统一。有的设备每 次只传送一个字符，如打印机和终端设备等，传输 速度为每秒钟几个到几十个字符。有的设备按数据 块或按文件为单位传送，如磁盘、磁带存储器等， 每秒钟要传送几到几十兆字符。处理机必须按照不 同设备所要求传送方式和传输速率不失时机地为设 备提供服务，包括从设备接收数据，向设备发送数 据及对设备进行控制等。如果错过了服务的时机， 就可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。
输入输出通道或输入输出处理机：通常是一台小型的专 用处理机，它能够执行与输入输出操作有关的程序。
输入输出通道或输入输出处理机执行CPU为它组织好的 程序，通过输入输出指令控制标准接口，标准接口在指令控 制下发出一系列标准的控制信号，送往设备控制器。设备控 制器根据具体设备的不同需要，在自己的硬件和软件的控制 下，可以产生设备所需要的各种非标准信号，最终完成各种 输入输出操作。
方式2：中断输入输出方式
采用中断输入输出方式能够完全克服程序控制输入输出方 式中处理机与外围设备之间不能并行工作缺点。
为了实现中断输入输出方式，外围设备和CPU都必须增加 相关的功能。在外围设备方面，要改变被动地等待CPU来 为它服务的工作方式。当输入设备已经把数据准备就绪， 或者输出设备已经空闲时，要主动向CPU发出服务的请求。 在CPU方面，每当执行完成一条指令后都要测试有没有外 围设备的中断服务请求，如果发现有外围设备的中断服务 请求，则要暂时停止当前正在执行的程序，先去为外围设 备服务，等服务完成后再继续执行原来的程序。
2、实时性
当外围设备与处理机交往时，由于设备的类型 不同，它们的工作步调是很不相同的，信息传输的 速率也相差悬殊，传送方式极不统一。有的设备每 次只传送一个字符，如打印机和终端设备等，传输 速度为每秒钟几个到几十个字符。有的设备按数据 块或按文件为单位传送，如磁盘、磁带存储器等， 每秒钟要传送几到几十兆字符。处理机必须按照不 同设备所要求传送方式和传输速率不失时机地为设 备提供服务，包括从设备接收数据，向设备发送数 据及对设备进行控制等。如果错过了服务的时机， 就可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。
输入输出通道或输入输出处理机：通常是一台小型的专 用处理机，它能够执行与输入输出操作有关的程序。
输入输出通道或输入输出处理机执行CPU为它组织好的 程序，通过输入输出指令控制标准接口，标准接口在指令控 制下发出一系列标准的控制信号，送往设备控制器。设备控 制器根据具体设备的不同需要，在自己的硬件和软件的控制 下，可以产生设备所需要的各种非标准信号，最终完成各种 输入输出操作。
方式2：中断输入输出方式
采用中断输入输出方式能够完全克服程序控制输入输出方 式中处理机与外围设备之间不能并行工作缺点。
为了实现中断输入输出方式，外围设备和CPU都必须增加 相关的功能。在外围设备方面，要改变被动地等待CPU来 为它服务的工作方式。当输入设备已经把数据准备就绪， 或者输出设备已经空闲时，要主动向CPU发出服务的请求。 在CPU方面，每当执行完成一条指令后都要测试有没有外 围设备的中断服务请求，如果发现有外围设备的中断服务 请求，则要暂时停止当前正在执行的程序，先去为外围设 备服务，等服务完成后再继续执行原来的程序。
计算机控制技术：输入输出接口与过程通道
在电路中，由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫 分布电感。根据电感器的频率特性，可以知道由于分布电感的 数值一般不大，在低频可以不考虑分布电感的影响，但对于高 频交流电路，分布电感的影响就不能忽略了。
1.串模干扰及其抑制方法
(1)串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为 常态干扰。
2.共模干扰及其抑制方法
④采用仪表放大器
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移 低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用 信号的器件。
仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使 用仪表放大器的唯一原因 。
AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有 AD623等等.
2.5.1 过程通道抗干扰技术
0.与干扰相关的几个概念 1.串模抗干扰技术 2.共模抗干扰技术
3.长线传输干扰及其抑制方法
0.与干扰相关的几个概念
干扰:就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正 常工作的破坏因素。
抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 干扰的来源：外部干扰和内部干扰。 外部干扰：空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象 条件。 内部干扰：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁 场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引 起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。
双绞线的波阻抗一般 在100至200Ω之间， 绞花越密，波阻抗越低。 ①终端匹配
1.串模干扰及其抑制方法
(1)串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为 常态干扰。
2.共模干扰及其抑制方法
④采用仪表放大器
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移 低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用 信号的器件。
仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使 用仪表放大器的唯一原因 。
AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有 AD623等等.
2.5.1 过程通道抗干扰技术
0.与干扰相关的几个概念 1.串模抗干扰技术 2.共模抗干扰技术
3.长线传输干扰及其抑制方法
0.与干扰相关的几个概念
干扰:就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正 常工作的破坏因素。
抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 干扰的来源：外部干扰和内部干扰。 外部干扰：空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象 条件。 内部干扰：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁 场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引 起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。
双绞线的波阻抗一般 在100至200Ω之间， 绞花越密，波阻抗越低。 ①终端匹配
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：
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其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的
方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲
信号。
3．电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的
逻辑电平。
4．总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。
5．接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向CPU传递状态信
息并控制开关量的输入、输出。
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7
D/A . .
通道1
主
接口
.
机
电路
D/A
通道n
（a）多D/A结构
主 机
接 口 电 路
D/A
多 路
采样 保持器
开
…… .
关
.
采样
通道1 通道n
保持器
（b）共享D/A结构
图2.2 模拟量输出通道的两种基本结构形式
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2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构
开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是把 被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双 值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机， 简称DI通道。它的结构形式如图2.3所示。
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2.3 模拟量输出通道
2.3.1 D/A转换器概述
模拟量输出通道的核心部件是D/A转换器。D/A转换器是指将 数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电 流）与参考电压和二进制数成比例。D/A转换器品种繁多，但在 集成D/A产品中多按T型和倒T型电阻解码网络的D/A转换原理进 行转换，故下面将以倒T型电阻D/A为例介绍D/A转换原理。
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11
2.1.4 开关量（数字量）输出通道的基本结构
开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号 （或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯 等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。其典型结构如 图2.4所示。图中锁存输出的主要作用是锁存CPU输出的数据或控 制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放 的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程 进行控制的驱动信号。
本章内容其实质是《微机原理与应用》课程中的知识
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2
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3
2.1过程输入输出通道概述
过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量（包含脉冲 量）输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映生产过程或设备 工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）、转换 为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道则把微型计算机输 出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机 构，实现对生产过程或设备的控制。开关量（脉冲量、数字量） 输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、 行程开关、按扭等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等） 送给微型计算机；微型计算机通过开关量输出通道控制那些接受 开关（数字）信号的执行机构和显示、指示装置。
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信号 变换器
整形 变换
信号 变换器
整形 变换
电平 变换
电平 变换
总
线
缓
CPU
冲
器
接口 逻辑
图2.3 开关量输入通道结构框图
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典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：
1．信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流
的双值逻辑值。
2．整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或
第一讲思考题问答
1．计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点
是什么？ 2．分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。 3．计算机控制系统的软件由哪些部分构成？ 4．按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？
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第二讲 过程输入输出通道技术
概论
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制， 要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算 机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式 输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量， 因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传 递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫 I/O通道。
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图2.1 模拟量输入通道的一般结构
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6
2.1.2 模拟量输出通道的基本结构
模拟量输出通道（简称AO通道）的两种基本结构形式如图2.2所 示。多D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器除承担数字信号 到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在 t=kT 时 刻 对 执 行 机 构 的 控 制 作 用 维 持 到 下 一 个 输 出 时 刻 t=(k+1)T。这是一种数字保持方式，送给D/A转换器的数字信号 不变，其模拟输出信号便保持不变。
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12
锁存
隔wenku.baidu.com
功
输出
离
放
执行 机构
CPU
控制 逻辑
图2.4 开关量输出通道结构框图
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图2.11 功率晶体管输 出驱动继电器
可编图辑p2p.t12 MC1416 驱动7个继电14器
图2.13为固态继电器的结构，固态继电器（SSR）是一种四 端有源器件，。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉 电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。 电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。
由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之 间起着信号传递与变换的纽带作用。
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2.1.1 模拟量输入通道的一般结构
模拟量输入通道（简称AI通道）的一般结构如图2.1所示。过程 参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送 至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次 地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡 回检测。
1．D/A转换器工作原理
D/A转换器主要由四部分组成：基准电压VREF，R-2R T型电 阻网络，电子开关Ki（i=0，1，...，n-1）和运算放大器A。一个 4位的D/A转换器的原理框图如图2.14所示。
共享D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到 模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种 模拟保持方式，微机对通路i（i=1，2，...，n）的控制信号被D/A 转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到 下一次控制信号的到来。多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度 高，是工业控制领域普遍采用的形式。