第三章开关量输入输出通道1

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
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。
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
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
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。
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
BCK: POP PSW POP ACC RETI DI1：… LJMP BCK DI2：…
3.2.4 直接中断式DI
中断式适用于 那些情况？
中断式适用于下 列情况：
•偶然发生的事件
•要求紧急处理的事件
3.2.5 输入端口的保护
仪表I/O端口直接与外部信号连接，容易受到输
入信号线携带的高电压噪声的损害。所以，输入端
状态
外设
3.2 开关量输入
3.2.1 作用
开关量输入（DI）用于采集 “逻辑信号”。比
如现场来的开关信号，继电器闭合信号等。
3.2.2 无条件传送式DI
89C51
P1.0 P1.1 P1.2
DI信号经过隔离 保护、电平变换电路
隔离保 护、电 平变换 电路
后直接送到MCU的某
些I/O口线。MCU通过 对端口的扫描来获取
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
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
整，其应用遍及温度测量与控制，热保护，热
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。
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
三、放大器种类的选择
•普通放大器：适合一般用途，价格低
•带自校准功能的放大器：克服失调 •仪用放大器：输入阻抗高，共模抑制比高
•程控放大器：可以设置不同的放大倍数以适应不同
的信号电压幅值 •隔离放大器：实现仪表和现场的电气隔离，消除高
共模电压的危害
•特殊放大器：差分输出；对数输出…
2 程控放大器
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：电气信号链路中间的一部分用磁信号传递。
1 光电耦合器
光电耦合器 （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。
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）
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
3.3.1 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
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
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
89C51ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
信号 放大 电路
锁存器
3.4.1 I/V变换和限幅保护
典型电路
3.4.2 模拟开关
1 工作原理
3.4.3 信号放大
一、信号变换要求
线性放大：Y=KX+B
非线性放大： •对数型 •开方型 •其它：如热电偶信号
二、放大器的主要参数
电源电压：决定输出信号范围,单双极性 输入失调及其温度漂移系数：决定电路精度 输入阻抗：输入阻抗不够高时要求信号源内阻很低 共模抑制比：共模抑制比低时不宜做差分出入和加 减运算 带宽等。
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
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。
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。
3.5 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
右图是一种限压保护电
路。该电路可将Vi’ 的信号 电平控制在0-VD ~VCC+VD
之间。
VD是二极管D1D2的管压降。 二极管D1D2应选择导通速
度快的开关二极管。
三、限电流保护
右图是一种限电流/限电 压保护电路。该电路可将输 入信号的电流限制一定范围 内。 Rs是PTC材料的自复保险丝。
正温热敏电阻PTCR （自复保险丝）简介
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。
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