第三章开关量输入输出通道1

单片集成程控放大器LH0084
3 隔离放大器
3.4.4 采样/保持器
1 作用：保持快速变化信号的指定时刻的大小
2 原理：
3.4.5 ADC
1 选择时主要考虑的因素：
• MCU内置，还是外置 • 精度 • 速度
2 常用ADC的种类：
• 双积分型 • 逐次比较型 • ∑−∆型 10-14位 8-12位 14-24位
P1.3
P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
3.2.3 中断控制式DI
89C51
P1.0 P1.1
DI信号经过隔
隔离保 护、电 平变换 电路
P1.2
P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
INT1
离保护、电平变换
电路后送到MCU的
外设
某个I/O端口，外部 设备通过一条信号
线通知MCU外部信
3.1.3 输入/输出的控制方式
一、无条件传送方式
直接进行数据传送（接口电路十分简单）
数据
MCU I/O
数据
外设
二、条件（查询式）传送方式
先查询I/O设备当前状态，若准备就绪，则交换数据，否则循环查询状 态。下图为输入端口的条件传送示意图。 优点：可协调外设和CPU的时间差别，接口电路较简单。
DB
补偿，恒温发热，限流，过流保护，液面，气 流测量，电机启动，彩电彩显消磁，延时控制， 非线性振荡等方面。
四、隔离保护
当信号源和仪表之间距离较大时，两地间地电位差会比较大，形成
很大的共模电压。所以应在信号源和仪表之间采取隔离措施以保护仪表
电路的安全。
如图，当两地之间的地电位相差ΔV时，信号源的12V电压对于仪表来 说就成为12V+ ΔV了。而Δ V可能很大。
D0
数 据 端 口
单片机 R/W AB 译 码 器
状 态 端 口
I/O接口
外 部 设 备
查询状态
N
准备就绪？
Y
输入/输出数据
三、中断控制方式
当外设准备就绪，向CPU发出中断请求信号。CPU暂停当前程序，执行 I/O操作。当I/O操作结束，CPU仍继续被中断的工作。
数据
数据
MCU
INT1
中断申请
I/O 接口
3.4.6 模入电路设计总结
•尽量选用带有所需模拟电路的单片机，以简化电路，提高产品 可靠性，降低成本； •如果可以，尽量用软件功能代替硬件功能。比如非线性信号的 线性化； •模拟电路和数字电路尽可能分开，并把模拟地和数字地分开， 选择合适的地方一点接地。 •模入通道的精度是通道中各个环节共同决定的。选器件时应根 据设计要求合理分配误差。
通信、数据转换器接口以及其它多通道隔离应用。
磁耦合器的工作原理如下图所示:
3.3 开关量输出
智能仪器仪表用于控制过程中，除了需要模拟输出信号外，还
需要开关量输出信号。开关信号包括：
•指示灯的亮与灭 •继电器或接触器的吸合与释放
•可控硅的通与断
•阀门的打开与关闭等。 一般情况下，输出信号应具备足够的功率驱动能力。
第三章 智能仪表的I/O接口
• 3.1 概述 • 3.2 开关量输入
• 3.3 开关量输出
• 3.4 模拟量输入
• 3.5 模拟量输出
3.1 概述
3.1.1 I/O 接口的作用和分类
智能仪表的输入输出接口是微处理器与 外部世界联系的通道。包括： •开关量输入输出接口 •模拟量输入输出接口 •频率量输入输出接口 •音频、视频信号输入输出接口等 本课程只介绍开关量输入输出接口和模 拟量输入输出接口。
口应采取适当的保护。常用的保护措施有： •电平匹配 •限幅（电压） •限流
•隔离
一、电平匹配
1 常用IC和现场信号逻辑电平
•TTL：5V（±5~10%）
•CMOS：3~18V •其它：24V，3.3V，3V，…… 2 逻辑信号电平的匹配 •三极管 •电平转换芯片 如74LVXC4245
V1
V2
二、限电压保护
3.1.2 I/O 接口的基本功能
1、速度匹配： 锁存数据、传送联络信号。 2、信号调理： 信号类型、电平或正/负逻辑转换。 3、数据格式转换： 并-串转换、A/D、D/A转换。 4、信号隔离： 为防止外界高电压干扰信号入侵MCU而采取的 电气隔离措施。 5、驱动放大： 放大驱动信号以驱动多个逻辑部件或大功率执行 部件。
单个晶体管 注意放大倍数
达林顿管 场效应管
二、继电器
3.4 模拟量输入
3.4.0 模拟输入（Analog Input）电路一般性原理框图
本节介绍了模拟信号的采集技术。对于一个以单片机为核心的
智能仪器系统来说，解决的是怎样将各类模拟信号变换成微型计算 机能够识别和处理的二进制数字信号的问题。 DB READY MCU /RD /WR 启动 逻辑 DB AB 译码器 ADC S/H 模 拟 多 路 开 关 变 输入 换 、 保 护 电 路
磁耦合器用磁信号实现信号的电气隔离。如ADuM1404是 4通道磁耦合数字隔离器。这种新的4通道数字隔离器仅用一颗 单芯片，不需要使用多个分立器件，与现在普遍使用的光电耦 合器相比，其印制电路板（PCB）面积缩小60％，每通道成本 降低40％，功耗降低98％。非常适合各种工业应用，包括数据
2 磁耦合器
3.5.3 D/A转换器及其接口
一、DAC的工作原理
DAC的输出： UO=-UR*D/(2N-1)
二、并行DAC与MCU的接口
三、信号隔离
当需要在仪表和执行器之间进行隔离时：可以采用
模拟输出端隔离和DAC与MCU之间隔离。
采用并行接口的DAC时，常在模拟输出端隔离 采用串行接口的DAC时，常在DAC与MCU之间隔
3.5 模拟量输出
3.5.1 概述
前面已经介绍了模拟信号的采集技术。相反，将微型机 处理后的数字信号，用于控制执行机构时，就必须考虑输出
信号的形式。实际的工程应用中，根据不同的受控对象和具
体要求，信号输出可以有多种，如模拟量、开关量、数字量 等。 本节研究模拟量输出。
3.5.2 模拟量输出方式
智能仪器输出模拟量有两种主要方式： •数模转换器 权电阻网络/直接给出模 拟电压 •PWM 脉冲调宽，需接滤波器
四、隔离保护
当信号源和仪表之间距离较大时，两地间地电位差会比较大，形成
很大的共模电压。所以应在信号源和仪表之间采取隔离措施以保护仪表
电路的安全。
常用的隔离方式有： 光耦合：电气信号链路中间的一部分用光信号传递。常用的器件 是光电耦合器。 磁耦合：电气信号链合器 （Optocoupler） 由一个发光二极管和一个光敏三极 管组成。其工作原理是：当Vi为高 电平时，发光二极管发光，光敏三 极管受光导通，Vo成低电平；反之，
当Vi为低电平时，Vo成高电平（反
相逻辑）。 光电耦合器具有体积小、使用 寿命长、工作温度范围宽、抗干扰 性能强．无触点且输入与输出在电 气上完全隔离等特点，因而在各种 电子设备上得到广泛的应用。
0013H： LJMP … INT：PUSH PUSH JB JB JB P1.1，DI1 P1.2，DI2 P1.3，DI3 ACC PSW ；若P1.1为高，执行程序DI1 ；若P1.2为高，执行程序DI2 ；若P1.3为高，执行程序DI3 INT
JB
P1.4，DI4
；若P1.4为高，执行程序DI4
P1.3
P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
输入的状态。
3.2.2 无条件传送式DI
89C51
P1.0 P1.1 P1.2
例：有6路开关量输入信号，设计输入 接口。 隔离保 护、电 平变换 电路 解：用MCS-51 P1口做输入。 MOV A,P1 …… MOV C,P1.0 ；一次读入一条口线 …… ；一次读入全部口线
3.2.4 直接中断式DI
DI信号经过隔离保
护、电平变换电路后送
到MCU的某个I/O端口， 同时通过一个或非门接
在单片机的外部中断输
入引脚上。任一路DI变 高时引起中断。MCU通
过读P1口判断中断是哪
一路DI引起的。
3.2.4 直接中断式DI
例：有DI1~DI4共4条输入线，要求 每个事件发生（对应输入线为高） 时均能得到及时响应
离。
3.5.4 PWM
PWM即脉冲宽度调制,是周期不变、但占空比可变的脉冲
信号。既可用于直接控制输出，也可以经滤波后变成模拟电压
后输出。
滤波后的电压V 为：
average
Vaverage = KV+
其中：K—占空比
pulsewidth period V+—高电平幅值 K
习题
• 简述限流、限压保护电路中各元器件的作 用。
3.3.1 开关量输出通道的一般结构
3.3.2 开关量输出的隔离
当传输距离教远，或有潜在不安全因素时，需要隔 离。 隔离方法： 1 光耦隔离： 优点：寿命长，速度快（与继电器比） 2 继电器： 优点：驱动能力大（安培级） 缺点：寿命短，速度慢
3.3.3 开关量输出的驱动
•、晶体管输出
•、继电器 •、固态继电器 一、晶体管输出
号已准备好。
3.2.3 中断控制式DI
例：一个外部设备，有8路开关量输入信号，一路联络信号。设计输入接口。 解：用MCS-51 P1口做数据输入，外部中断1做信号联络输入。如上图。
0013H：LJMP
… INT: PUSH PUSH MOV … POP POP RETI
INT
ACC PSW A,P1 PSW ACC ；读入 ；相应的处理程序（略）
以微量稀土元素掺杂而半导化的BaTiO3 陶瓷在室温至一定温度范围电阻很小，到一定 温度（相变温度）后电阻急剧上升，电阻变化 可达105以上，这一特性称为正温热敏电阻效 应，简称PTC效应，用该陶瓷制成的元件称为 PTCR热敏电阻芯片。 PTC突变温度可以从-30℃到400℃范围调