第二章_开关量输入输出通道和人机接口
计算机控制系统的接口技术
计算机控制系统的接口技术接口有通用和专用之分，外部信息的不同，所采纳的接口方式也不同，一般可分为如下几种：人机通道及接口技术一般包括：键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术、软磁盘接口技术等。
检测通道及接口技术一般包括：A/D转换接口技术，V/F转换接口技术等。
掌握通道及接口技术一般包括：F/V转换接口技术，D/A转换接口技术，光电隔离接口技术，开关接口技术等。
系统间通道及接口技术一般包括：公用RAM区接口技术，串行口技术等。
一、并行输入/输出接口并行接口传输的是数字量和开关量。
输入/输出(I/O) 接口有二种寻址方式：存储器寻址方式和输入输出口寻址方式。
1．无条件传送2．查询式传送3．中断式传送4．8255A可编程并行接口芯片(1) 8255A内部结构1) 数据总线驱动器图1 8255A内部结构图2) 并行I/O端口3) 读/写掌握规律4) A组和B组掌握（2）8255A工作方式8255A有3种工作方式，端口A可以工作在方式0、方式1和方式2，端口B只能工作在方式0和方式1。
1）方式0：基本输入/输出方式。
2）方式1：选通输入/输出方式。
3）方式2：双向选通输入/输出方式。
（3）8255A编程8255A的编程是通过对掌握端输入掌握字的方式实现的。
二、数/模(D/A) 转换接口D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路，它由权电阻网络、参考电压、电子开关等组成。
图2 DAC0832原理图三、模/数(A/D)转换接口A/D转换器是将模拟电压转换成数字量的器件，它的实现方法有多种，常用的有逐次靠近法、双积分法。
图3 ADC0809结构框图应用案例：基于51单片机的车用数字仪表设计与实现此案例是一种以MCS 51单片机为主控器，以ADC0809为核心，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表（VDI）的设计框图。
应用此方案，能使汽车仪表系统具有显示直观、精确，使用便利牢靠等优点，代表了车用仪表的最新进展趋势。
计算机控制技术第二章输入输出接口与过程通道
0～10V，0～5V
精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精 密基准电源。
NEPU
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3. 逐位逼近法
• 逐位逼近式A/D的工作原理
——从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与 模拟量输入Vin 比较后，再控制SAR的数字逼近。
Vf（反馈电压） D/A转换器
比较器： Vi＞Vf输出“1” Vi≤Vf输出“0”
NEPU
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例： 天平称量与A/D转换
一个 27.4 克重物的称量过程 一个 27.4 克重物的称量过程 一个 27.4 一个 27 克重物的称量过程 一个27.4克重物的称量过程 克重物的称量过程 次序 次序 次序 次序 1 11 2 22
3 33 4 4 44
加砝码 加砝码 加砝码 加砝码 32 克 32 克 32克 克 16 克 16克 克
1 0
0
1
NEPU
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② 达林顿阵列输出驱动继电器电路
MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Darlington Transistor）亦称复合晶体管。 它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一 起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基 极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。
R1 零 交 叉 D I/O 接 口 电 触 发 电 路 C SCR R2 RL 交 ～ 流 ～ 电 源
路
固态继电器SSR结构及用法
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： 当TTL电平为高 时，触点闭合； 当TTL电平为低 时，触点断开。
零交叉电路在交流电压变化到零 附近时产生触发信号，减少干扰。
2.3 开关量输入输出通道
接控 制设 备 7406 图2-3-7 典型继电器驱动电路
五、固态继电器驱动电路
1
3
1
3
2 (a) DC-SSR
4
2
(b) AC-SSR
4
图2-3-8 直流SSR与交流SSR
DC-SSR
AC-SSR
(a)
(b)
图2-3-9 基本的SSR驱动电路
2.3.3 开关量输入/输出通道设计举例
一、步进电机正反转控制
三、输入缓冲器（通常采用三态门）
三态，是指输出端来说的。 三态门缓冲器可以在引脚上输出1、0，这是两个常规的 逻辑状态。 三态门缓冲器还可以在引脚上什么也不输出，这称为高 阻态。 高阻态，就是说，门电路内部和引脚之间，电阻无穷大， 什么也不输出了。 引脚上的电平，可由其它电路来控制。 具有高阻态输出能力的门电路，就可以并联使用了。
TTL集电极 T 开路门
（a）功率晶体管驱动器
（b）达林顿驱动器
（b）MOSFET驱动器
图2-3-5 直流电源负载驱动电路
三、晶闸管交流负载驱动电路
+5v
+
D1
D2
交流 负载 ~
SKZ
LD
T
D3
D4
P1.0
-
74LS244
图2-3-6 交流负载驱动电路
四、继电器驱动电路
+12V
P1.0 8031 P1.1
2.3 开关量输入/输出通道 2.3.1 开关量输入通道
一、开关量输入通道的结构
微 机 总 线 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 来 自 生 产 过 程
地址译码器 图2-3-1 开关量输入通道结构
二、输入调理电路 1.小功率输入调理电路
计算机控制技术输入输出接口与过程通道..
② CPU与外设的同步与通信联络
（何时可以发送数
据及接收数据）
③ 输入/输出信号形式转换（A/D 、D/A） ④ 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、 驱动等
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2.2 数字量输入输出通道
本节主要内容
数字量的概念及种类 数字量输入接口 数字量输出接口 数字量输入输出通道 YANGZHOU UNIVERSITY
MCl416 是 达 林 顿阵 列 驱动 器，它内含7个达林顿复合管， 每个复合管的电流都在500mA 以上，截止时承受 100V 电压。 为了防止 MCl416 组件反向击 穿，可使用内部保护二极管。 左图给出了 MCl416 内部电路 原理图和使用方法。
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1 简单数字量输入接口
如下指令完成8个开关 量采集： MOV DX, port IN AL, DX 在执行 IN 指令时， 经过端口地址译码，得 到片选信号/CS，同时产 生信号 /IOR ， 打开缓冲 器，外部状态经总线到 达CPU。
yangzhouuniversitywwwyzueducn1222数字量输入输出通道本节主要内容数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道yangzhouuniversitywwwyzueducn13数字量开关量的概念开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等特点
数字量输入通道的结构
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第2章 输入输出接口与过程通道 教案
板书 编语言程序，鼓励学生将其写成 C 语言程序（参考第六章第一节，高级语言编程）。
设计， 在模拟量输入通道中，要注意无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，介绍教材中出现的
重点 两个电路，难度都不大，需要注意的是电路中各个元件的作用；采样的采样过程由教材图
如何 2.21 描述，信号的采样频率由香农采样定理给出；量化及量化单位，量化误差描述了 A/D 转
计算机控制技术教案
章 节
讲授 主要 内容
重 点 难 点
要求 掌握 知识 点和 分析 方法
第 2 章 共 7 学时
2.1 总线扩展技术 2.2 数字量输入输出接口与过程通道 2.3 模拟量输入接口与过程通道 2.4 模拟量输出接口与过程通道 2.5 硬件抗干扰技术 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连， 因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术是研究 计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机， 而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量 输入通道、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。 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计 算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过 程的控制。 分析硬件抗干扰技术，包括过程通道抗干扰技术（串模干扰及其抑制方法、共模干扰及其抑 制方法、长线传输干扰及其抑制方法），CPU 抗干扰技术和系统供电与接地技术。 1、输入缓冲器与输出锁存器 这里要正确理解缓冲器与锁存器的功能，并结合输入、输出过程来体会为什么在输入时需 用缓冲器，输出时需用锁存器。 2、关于 8 位 D/A 转换器 0832 及其接口 对于 0832 要重点掌握其内部结构，特别是 WR1 对输入寄存器的控制，WR2 对 DAC 寄 存器的控制。 3、模拟量输出通道设计 进行通道接口设计时，要搞清数据、地址、控制三总线之间的关系。 本书中，地址用来选择芯片，不同芯片分配不同地址，数据用来传送操作数，同时在 4051 中，数据线则用来完成 8 选 1 功能。 4、数字量、模拟量输入输出板卡的应用 正确的选择所需要的板卡，插入工控机相应的插槽，安装好提供的驱动程序，学习例程 提供的函数，设计与所做工程相关的界面，这需要一定的上位机编程基础。 5、抗干扰技术 硬件抗干扰技术的通道抗干扰技术，分为串模干扰和共模干扰，要针对不同的干扰，选 择不同的抗干扰措施。CPU 抗干扰中的看门狗电路的应用、长线传输选择终端电阻对于波反射 的抑制，这些抗干扰措施在工业工程中，用到的非常多。 1.总线的定义 2.总线扩展技术 3.基于 ISA 总线端口扩展 4.无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，电路分析 5.模拟量输入通道设计及 8 通道数据采集程序设计，程序分析 6.D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序分析，板卡的应用 7.8 通道模拟量输出电路设计，程序分析，板卡的应用 8.共模干扰及其抑制方法 9.长线传输干扰与匹配电阻 10.CPU 抗干扰技术
继电微机保护课程设计
前言电系统的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。
但是，电力系统一旦发生自然或人为故障，如果不能及时有效控制，就会失去稳定运行，使电网瓦解，并造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。
继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。
许多实例表明，继电保护装置一旦不能正确动作，就会扩大事故，酿成严重后果。
因此，加强继电保护的设计和整定计算，是保证电网安全稳定运行的重要工作电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。
因此，继电保护技术得天独厚，在几十年的时间里完成了发展的4个历史阶段。
（1）机电式继电保护阶段。
（2）晶体管式继电保护阶段。
（3）集成电路式继电保护阶段。
（4）计算机式继电保护阶段。
随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。
可以说从20 世纪90 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。
本次课程设计主要任务是通过对某简单电网进行继电保护系统设计，掌握继电保护的配置方法、基本原理和整定计算的基本方法，深化对线路、变压器、母线等元件的继电保护基本原理和装置结构的理解，掌握各种元件的保护配置和故障后的动作特性，掌握微机保护中各种保护的整定方法、接线方法。
掌握判定微机继电保护装置正确动作的方法。
第一章继电保护的配置按照《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB14285-93）及《电力装置的继电保护和安全自动装置设计规范》（GB50062-92）的要求，35kV及以上中性点非直接接地电力网的线路，对相间短路和单相接地，应按本节的规定装设相应的保护。
保护装置采用远后备方式。
对单侧电源线路，可装设一段或两段式电流速断保护和过电流保护。
对单相接地故障，应在发电厂和变电站母线上，装设单相接地监视装置，监视装置反映零序电压，动作于信号。
《计算机联锁》练习册答案
习题一一.填空1.车站信号联锁系统的发展大致经历了（机械化联锁）阶段、（机电联锁）阶段、（继电联锁）阶段和（计算机联锁）阶段。
2.填补我国计算机联锁技术空白的是由（通号总公司研究设计院）研制生产的计算机联锁系统。
3.我国车站计算机联锁系统的研制生产单位为（通号总公司研究设计院）、（铁道部科学研究院）、（卡斯柯信号总公司）和（北方交通大学）。
4.计算机联锁系统的主要功能包括：（基本的联锁功能）、（显示功能）、（记录存储和故障检测与诊断功能）和（结合功能）。
5.计算机联锁系统中，联锁层与控制层之间的联系方式分为（总线）方式和（专线）方式两种。
6.（1978）年世界上第一个计算机联锁系统在（瑞典）问世。
7.计算机联锁系统就是用（计算机）取代传统继电器进行选路和联锁运算，并通过（动态输出）输出控制命令动作信号设备的系统。
8.首次应用于国铁的车站计算机联锁系统是由（铁道部科学研究院）开发研制的。
9.车站计算机联锁系统的发展趋向为：从局部使用微机逐步向（全微电子化）方向发展；由集中式控制过渡到（分布式）控制，进而实现（多层次）控制；室内外设备由（专线）方式过渡为（总线）方式。
二.判断1.填补我国计算机联锁技术空白的是由铁道部科学研究院研制生产的计算机联锁系统。
（×）2.首次应用于国铁的计算机联锁设备是由通号总公司研究设计院研制生产的。
（×）3.拥有车站计算机联锁系统制造特许证的厂家才能生产计算机联锁系统。
（×）4.车站计算机联锁系统的软件检测合格证为终身制的。
（×）5.计算机联锁系统实现联锁控制关系依靠计算机的软硬件技术。
（√）6.对于我国车站计算机联锁系统的规范管理工作首要的应该是对开发研制单位的规范化管理工作。
（√）三.名词解释1.车站信号联锁系统：控制车站内的道岔、进路和信号机并且实现它们之间相互联系的系统称为车站信号联锁系统。
2.计算机联锁系统：用计算机取代传统继电器进行选路和联锁运算，并通过动态输出输出控制命令动作信号设备的系统称为计算机联锁系统。
计算机控制技术(第三版) 第2章
2.2 开关量输入/输出通道
在计算机控制系统中，除了模拟量的输入/输出外，还需 要处理另一类最基本的输入/输出信号——开关量信号。这类 信号以二值逻辑“1”和“0”来表示。
开关量信号的电气接口形式可能多种多样，例如TTL电 平、CMOS电平、非标准电平、开关或继电器的触点等；输出 信号常要求有一定的驱动能力。工业现场存在着电磁、震动、 温度和湿度等各种干扰与影响，因此，在开关量输入/输出通 道中需采取各种缓冲、隔离与驱动措施。
3.输入/输出电气接口
典型的开关量输入/输出电气接口的功能主要是滤波、电 平转换、隔离和功率驱动等。
2.2.2 开关量输入信号的调理
开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号，这 些状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”形式出现的，其信号可能 是电压、电流或开关的触点。在有些情况下，外部输入的信号 可能会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等干 扰。为了将外部的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 接收的逻辑信号，这就是开关量输入信号调理的任务。
2.滤波电路
常夹杂着各种干扰信号，这些干扰信号有时可能使读入信号出 错，这就需要用滤波电路来消除干扰。图2-4是一个RC低通滤 波电路。
这种电路的输出信号与输入信号之间会有一个延迟，可根 据需要来调整RC网络的时间常数。
图2-反极性信号损坏接口电路， 在开关量输入电路中，应采取适当的保护措施。图2-5和图2-6 分别是几种常用的保护电路。其中，图2-5(a)和(b)分别是采用 齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖峰干扰箝位在安全电位的保护 电路；图2-6(a)和(b)分别是反极性保护和高压保护电路。
开关量输入输出通道资料
3、输入/输出电气接口
开关量输入/输出电气接口 的功能主要有滤波、电平转 换、隔离和功率驱动。
二、开关量输入通道
➢ 开关量输入通道（DI通道）的任务--是把 生产过程中的数字信号转换成计算机易于 接受的形式。
➢ 信号调理电路--虽然都是数字信号，不需 进行A/D转换，但对通道中可能引入的各 种干扰必须采取相应的技术措施，即在外 部信号与单片机之间要设置输入信号调理 电路。
1、CPU接口逻辑
这部分电路一般由数据总线缓冲 器/驱动器、输入/输出地址译码器、 读写控制等组成，主要完成开关量 输入/输出通道的选通和关闭等控 制信号的传输。
2、输入缓冲器和输出锁存器
输入缓冲器的作用是缓冲或选通 外部输入的信号，CPU通过缓冲器 读入外部输入的信号，CPU通过缓 冲器读入外部开关量的状态。输出 锁存器的作用是锁存CPU的输出数 据，在未刷新前保持稳定以供外部 设备的使用。
数字量反相传递如图3-3（b）所示， 与（a）不同的是光耦的集电极 c 端直 接接另一个正电源，而发射极 e 端通过 电阻接地，则光耦输出端从发射极 e 端 引出。从而完成了数字信号的反相传递
。
三、开关量输出通道
开关量输出通道简称 DO 通道，它的任务是 把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产 过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷 的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、 阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不 同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输 出驱电器输出驱动电路等。
2、 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。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。
第2章数字量输入输出通道2
•1、数字量输入通道中几种典型电路；•2、数字量输出通道几种典型驱动电路；2.4.1数字量输入输出通道概述在电气控制系统中的继电器按接触器触点的闭合情况分为闭合与断开两种不同状态，这两种状态，常称为开关量。
开关量是表示两种状态。
数字量的每位也只能有“0”和“1”两种状态，也可以称为开关量。
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B C D码，以及脉冲信号的计数和定时等等。
⑴按类型分有电平式和触点式两种电平式为高电平或低电平触点式为触点闭合或触点断开⑵按电源分有有源和无源两种有源即直接提供高、低电平（有带负载能力），有源的开关量输出信号往往表示为电平的高低或电流的有无，由智能仪器为负载提供全部或部分电源。
无源即提供物理触点，或感应器件，指智能仪器只提供输出电路的通、断状态，负载电源由外电路提供。
⑶常见的数字量有：①编码数字（二进制或十进制）：如用绝对编码的编码器检测位置等。
②开关量：如按钮或转换开关的启停、阀门的开闭，指示灯亮/灭等。
③数字脉冲列信号：如光电脉冲编码器检测速度、晶闸管的脉冲触发器等。
2、典型的开关量输入/输出通道结构开关量输入输出通道一般由三部分组成：C P U接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路)。
一般情况下，各种开关量输入输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口。
典型的开关量输入输出通道结构如图所示。
1．C P U接口逻辑这部分电路一般由数据总线缓冲器/驱动器、输入/输出口地址译码器、读、写等控制信号组成。
2．输入缓冲器和输出锁存器输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、增强以及选通的作用，C P U通过读缓冲器输人数据。
开关量输入、输出接口
一、开关量输入通道
输入缓冲器可用三态门控缓冲器或可编程输入接口芯片， 如8155,8255构成，通道数不多时也可直接采用单片机本身的 输入口，如P1口，P3口等。
1.简单接口电路 这种方法简单，方便，
但抗干扰能力极差，仅 适合于距仪器电路很近 的，如按键，面板开关 之类的开关量的输入。
1、直流继电器输出接口
电路同样适用驱动气动元件中的电气转换阀，从而实现 微机对气动开关元件的控制。
2、交流电磁式接触器的接口
电路除用于控制交流接触器，还可用于控制灯光、加热器、 单相电机等。但当改变负载时，一定要注意双向晶闸管KS的 参数是否能满足负载的要求。
2.光电隔离接口电路 电路同样适用于
三极管输出的接近 开关，霍尔开关的 接口。
3.交流式开关量接口电路 适用于机械开关和行程开关场合，但响应时间较长。
二、开关量输出通道
输出锁存器可用TTL锁存芯片如74LS273、74LS373或可 编程输出接口芯片，如8155、8255 ，或直接由单片机的P口 构成。
开关量输入输出
E 3.6V V6
V7
R56 +5V
V4
-12V
C17 R51 V5
R52
C27
R53
C18 R55 R54 SYS C19
正常运行方式 当接口CPU复位重新开始执行程序初始 化工作完成后，从硬件时钟取时间值通过CPU 串行通信口送到保护CPU插件内部时钟存储单 元，去校对保护CPU的软件时钟。此外每隔一 定时间,该硬件时钟对保护内部时钟的存储单 元同步校正一次。 修改时间 运行人员欲修改时间，可在运行方式 下按提示的格式输人正确时间，确认后硬 件时钟按所输入的时间开始运行。
P1.7 P1.6 8031 RESET
1 1A
2QD
8
5、出口及信号插件
（1）保护出口及信号插件
24V信号电源 24V出口电源 K 启动信号 KS2 电源0V KS1 KS2 ＬＥＤ Ｋ－２ KS1-1 KS2-1 Ｋ－１ 跳闸 信号１ 信号２ 信号３
（2）非电量保护信号插件
24V信号电源 24V出口电源 K CPU读入 KS1-1 非 电 量 触 点 +WC KS2 KS2-1 KS1 KS2 ＬＥＤ K-2 信号１ 信号２ 信号３
1、开关量输入回路
安装在装置面板上的 开关量类型 触点。 从装置外部经过端子排 引入装置的触点。
+5V +5V
+
并列接口 PA0 K1 4.7KΩ
K1 外部触点 PA0
-装置端子(a)源自(b)2、开关量输出回路
对断路器、隔离开关的分、合闸控制和对主变 压器分接开关位置的调节命令，以及告警及巡 检中断都是通过开关量输出接口电路去驱动继 电器，再由继电器的辅助触点接通跳、合闸回 路或主变压器分接开关控制回路而实现的。 输出电路，一般都采用并行接口的输出来 控制有触点继电器的方法，但为提高抗干 扰能力，最好也经过一级光电隔离 。
讲义 第二章 输入输出接口与过程通道
第二章输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。
尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。
在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。
本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。
【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。
所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。
为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。
通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控制命令的过程统称为通信（Communication）。
CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。
但后者要简单的多。
因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。
因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。
而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。
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第二章
一般来说，计算机不会自主地工作，需要接收操作人员键 入的指令，其运行状态和结果也需要显示或打印，在现代大规 模控制系统中还应有通信和数据存盘功能，所有这些都是由人 与计算机之间的连接装置来完成的，我们称这种装置为人机接 口。
有了过程通道与人机接口，才能将人、计算机和生产过程 组成有机的整体，如图2-1所示。
第二章 图2-4 RC低通滤波电路
第二章
2．滤波电路
由于长线传输、电路、空间等干扰的原因，输入信号常滤波电路来消除干扰。 图2-4是一个RC低通滤波电
路。
这种电路的输出信号与输入信号之间会有一个延迟，可根
据需要来调整RC网络的时间常数。
第二章
3． 输入输出电气接口 典型的开关量输入输出电气接口的功能主要是滤波、 电 平转换、 隔离和功率驱动等， 关于这些内容， 将在后面详细 介绍。
第二章
2．2．2 开关量输入信号的调理
开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号， 这 些状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”出现的，其信号的形式 可能是电压、电流或开关的触点。在有些情况下，外部输入的 信号可能会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等 干扰。 为了将外部的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 机能接收的逻辑信号，这就是开关量输入信号调理的任务。
这一章我们主要介绍计算机控制系统中过程通道的分类、 开关量输入输出通道与人机接口的设计及应用方法。 有关模 拟量输入输出通道将在第四章讨论。
第二章
2.1 过程通道的分类
过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量 输入通道和数字量输出通道。
(1) 模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模 拟输入信号经检测、变换和预处理，最终变换为数字信号送入 计算机。常见的模拟量有压力、温度、液体流量和成分等。
(2) 模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为 连续的电压或电流信号，经功率放大后送到执行部件对生产过 程或装置进行控制。
第二章
(3) 数字量输入通道：也称开关量输入通道。 凡是以电 平高低和开关通断等两位状态表示的信号统称为数字量或开关 量。 主要有三种形式：一种是以若干位二进制数表示的数字 量，它们并行输入到计算机，如拨码盘开关输出的BCD码等； 另一种是仅以一位二进制数表示的开关量，如启停信号和限位 信号等；还有一种是频率信号，它是以串行形式进入计算机的， 如来自转速表，涡轮流量计、感应同步器等信号。这些信号都 要通过数字量输入通道进入计算机。
下面针对不同的情况分别介绍相应的调理方法。
第二章
1． 信号转换电路 (1) 电压或电流转换电路如图2-3(a)所示， 可根据电压
或电流的大小选择电阻R1和R2。
(2) 开关触点型信号输入电路如图2-3(b)所示, 这种电路 使得开关的通和断变成输出电平的高和低。
第二章
图2-3 (a) 电压或电流输入； (b) 开关触点输入
第二章
第二章 开关量输入输出通道与人机接口
2.1 过程通道的分类 2.2 开关量输入输出通道 2.3 人机接口——键盘 2.4 人机接口——数字显示方法 习题
第二章
为了实现计算机对生产过程或装置的控制，需要将对象的 各种测量参数按要求的方式送入计算机； 经计算机运算处理后 的数字信号也要变换成适合于对生产过程或装置进行控制的形 式。 因此，在计算机和生产过程之间必须设置信息传递和变换 的装置，这种装置就称为过程输入输出通道，简称为过程通道 或I／O通道。
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3．保护电路
为了防止因过电压、瞬态尖峰或反极性信号损坏接口电路， 在开关量输入电路中，应采取适当的保护措施。图2-5和图2-6 分别是几种常用的保护电路, 其中，图2－5(a)和图2-5(b)分别 是采用齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖峰干扰箝位在安全电位 的保护电路。 图2-6(a)和(b)分别是反极性保护和高压保护电 路。
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2． 输入缓冲器和输出锁存器
输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的 作用，CPU通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用是锁存 CPU送来的输出数据，供外部设备使用。
输入缓冲器和输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口 电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路， 如74LS240、74LS244、74LS245、 74LS273、 74LS377等。
第二章
数
据
缓
冲
微 型 计 算 机
、 地 址 译 码 、
控
制
逻
辑
输 入 缓 冲 器
输 出 锁 存 器
输 入 调 理
输 出 驱 动
工 业 现 场 设 备
图2-2 典型的开关量输入输出通道结构图
第二章
1． CPU接口逻辑 这部分电路一般由数据总线缓冲器／驱动器、 输入输出 口地址译码器、读写等控制信号组成。
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(4) 数字量输出通道：有的执行部件只要求提供数字量， 例如步进电机，控制电机启停和报警信号等，这时应采用数 字量输出通道。
应该注意，过程通道分类是以经过通道的信号形式来划 分的，并不以连续的对象来划分， 如模拟对象的模拟量可以 转换为频率信号(V—F变换)连接于数字输入通道；同样， 数 字输出通道完全可以接直流电动机，组成脉冲调宽控制 (PWM)。
第二章
人
人 机 接 口
计 算 机
I / O 通 道
对 象
图2-1 过程通道与人机接口
第二章
过程通道与人机接口是每个计算机控制系统中都必须具有 的重要组成部分，在计算机控制系统的设计中，许多精力都花 费在过程通道和人机接口的设计或选择上。许多控制计算机生 产厂家都设计和生产了各种各样的I／O模块供选用， 近年来 还出现了硬件卡+软件驱动程序(driver)等应用更为方便的产 品。
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2.2 开关量输入输出通道
2．2．1 开关量输入输出通道的一般结构形式
开关量输入输出通道一般由三部分组成： CPU接口逻辑、 输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入 信号调理和输出信号驱动电路)。 一般情况下，各种开关量输 入输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入 输出(I／O)电气接口。典型的开关量输入输出通道结构如图2-2 所示。