数字量输入输出系统

• 一、常用三态缓冲器和锁存器
• 不同的输入/输出设备，其接口电路的复杂程度可能很不相同，但分 解到最基本的功能，其接口电路有着共同的特点和通用的芯片。
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单元三 输入/输出接口常用芯片
• 在接口电路中，应用最多的芯片是缓冲器和锁存器。 • 1.三态缓冲器 • 在输入接口电路中，用得最多的要算三态缓冲器74 LS244(包括74
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单元三 输入/输出接口常用芯片
• CPU本身的驱动能力是有限的，通常只能驱动几个TTL(或十几个 MOS )门电路，因此，常根据不同情况在CPU的地址总线、数据总线 和控制总线上加进不同数量和类型的驱动电路，这些总线上连接着多 个数据设备(向总线输入数据)。但是，在任一时刻只能进行一个源和 一个负荷之间的数据传送，此时要求所有其他设备在电性能上与总线 隔离，这是总线隔离问题。此外，由于微处理器功率有限，故每个 I/O引脚的驱动能力亦有限，因此，为了驱动负荷，往往采用缓冲器/ 驱动器。
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• 并行接口速度较快，复杂，因为每一位信息必须用一根导线来传送。
• 三、输入/输出信息的组成
• 计算机直接与外界联系进行信息交换，这些信息可分为如下三种。 • (1)数据信息。继电器触点、断路器和隔离开关的状态或模拟量/数字
量转换的结果，按一定的编码标准(例如二进制数的格式或ASCII码标 准)输入计算机，每若干位(一般为8位、16位或32位)组合表示为一个 数字或符号，这是数字输入的主要内容。 • (2)状态信息。状态信息反映外部设备工作状态，CPU在传送数据前 必须先输入这些外设的状态信息，并逐位进行测试和判断它们的工作 状态，以确定能否传送数据。
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单元三 输入/输出接口常用芯片
• 微机输出的数据在系统总线上只能存在很短的时间，接口电路必须及 时将数据接收并保持，因此，常采用锁存器。
• 最简单的锁存器为D触发器，一位D触发器可以作一位锁存器，D端 为输入端，当来一个时钟脉冲CLK时，D端的信号便锁存到Q端上。
• 常用的锁存器集成电路芯片，如74LS273 , 373 , 374 , 377等，是由8 个D触发器组成的，简称8D锁存器。以74 LS273为例(包括74273 , 74 HC274 ,745273 , 74F273等)，其逻辑电路如图3-6所示。
• 对于模拟量，必须先转换成数字量，CPU才能进行处理，断路器、隔 离开关、继电器的触点、按钮和普通的开关、刀闸等都具有分、合两 种工作状态，可以用0, 1表示。因此，它们的工作状态的输入和控制 信号输出，可以表示为数字量的输入和输出。
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• 计算机的输入/输出，简称I/O。 I/O接口是CPU和外设间信息交换的 桥梁，通过接口电路，计算机直接与外界设备进行信息交换。外部设 备分为输入和输出设备，输入设备用于向计算机输入信息，输出设备 用于输出程序和运算结果。A/D转换器和键盘属于输入设备，CRT(阴 极射线管)和D/A转换器属于输出设备。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 发电厂、变电站现场的断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和主变 压器分接开关位置等开关信号，输入微机系统时，也可通过继电器隔 离，其原理图如图3一3所示。
• 利用现场断路器或隔离开关的辅助触点S1, S2接通，去启动小信号继 电器K1 , K2，然后由K1 , K2的触点K1-1 , K2-1等输入微机系统，这 样做可起到很好的隔离作用。
• 串行接口传送信息是按位传送的，它的速度虽然不如按字节传送的并 行接口快，但可节省许多引线，这对远距离通信是十分重要的。
• 2.并行传送方式 • 并行传送方式是以字节(或字)为单位同时进行传送。这种传送方式要
求输入/输出接口的数据通道为8位(字节传送)或16位(字传送)，各位 数据同步收、发，传送速度快，但需要传输电缆数量多，硬件投资大， 适用于较近距离的传送。 • 并行接口主要传送数字量。例如，微机之间的近距离通信就可以采用 并行接口，微机与某些外设(如打印机)也可以用并行接口传送数据和 命令。
• 一、 I/O接口的作用
• 1.实现和不同外设的速度匹配 • 2.信号变换 • 3.电平转换
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• 二、输入/输出信息的传送方式
• CPU的数据总线都是并行的，但由于输入/输出设备有并行和串行之 分，或为了远距离传输的需要，输入/输出数据的传送除了有并行传 送方式外，还有串行传送方式，这两种传送方式各有特点，应用于不 同的场合。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 利用D触发器和异或门构成的中断申请电路，如图3 -4所示。正常情 况触发器的D, Q端有相同的状态，异或门输出为低电平，此时中断输 入端为高电平。
• 当开关状态发生变化时，由于Q端仍保持原状态，D, Q异或的结果使 输出由低电平跳变为高电平，通过非门变成低电平向CPU申请一次中 断。当CPU确定中断以后，发出INTA信号使触发器触发，D, Q状态 趋于一致，异或门输出又成为低电平。
• 1.串行传送方式 • 串行传送方式是将要传送的数据的字节(或字)拆开，然后以位(bit )为
单位，一位一位地进行传送。串行传送方式的接口所需的传输电缆少、 硬件投资少，但传输速度比并行传送慢，适用于远距离传送。 • 配置串行接口的目的是适应远距离传送数据和交换信息的需要。
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单元一 输入/输出(I/O)接口
模块三 数字量输入/输出系统
• 单元一输入/输出(I/O)接口 • 单元二开关量的隔离与检测识别 • 单元三输入/输出接口常用芯片 • 单元四开关量输入/输出电路
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• 变电站综合自动化系统中，需采集的信息很多，但从它们的性质来说， 可分为模拟量、开关量、脉冲量和广义读表数(如数字频率计或脉冲 电能表等仪表通过串行口输出的数字量)等四大类。实质上，无论何 种类型的信息，在计算机内部都是以二进制的形式(即数字形式)存放 在存储器中的，可见数字量的输入、输出是计算机的基本操作之一。
• 变电站的开关量有断路器、隔离开关的状态，继电器和按键触点的通 断等。断路器和隔离开关的状态一般通过辅助触点给出信号，继电器 和按键则由本身的触点直接给出信号。
• 对开关量的检测有以下几个主要问题，即隔离、抗干扰(硬件、软件)、 变位识别和采集方式等，分述如下。
• 一、开关量的隔离
• 变电站的断路器和隔离开关的辅助触点距离主控室一般都比较远(十 几米至几十米)，同时，为了克服辅助触点的接触电阻，作为开关信 号的电压一般都比较高(110~ 220 V)，这种高电压是不能直接进入微 机接口电路的，因此必须加以隔离。
• 软件抗干扰措施主要是适当增加延时，以躲开触点抖动的影响。 • 开关信号经隔离去抖以后就可以进人微机接口。如果开关量数口不多，
可以采用一对一的方式输入，即一个开关Βιβλιοθήκη Baidu占一个I/O通道。这种方 式下软件最简单，只要检测到有变位，就可以直接转入相应的服务子 程序。当开关量数口较多时，为了节省通道和接口，可以采用矩阵输 入方式，这样，有N个通道，就可以输入(NZl2)个开关量。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 但采用矩阵输入方式时，必须用扫描的方法将矩阵的行与列的数值读 入，经过处理和识别才能确定开关的运行状态，这要增加一些软件。
• 三、开关量的采集
• 1.开关量的采集方式 • 微机采集开关量可以采用定时查询方式，也可以采用中断方式。前者
电路比较简单，但响应速度比较慢;后者电路比较复杂，但响应比较 及时。究竟采用哪一种方式，要根据具体情况确定。隔离开关的状态 变化比较慢，同时其重要程度也不高，因此完全可以采用定时(例如 15)查询方式输入。对于断路器和继电器的状态，则既可采用查询方 式输入，又可采用中断方式输入，可根据其重要程度来确定。
• 由图3 -6可看出，这8个D触发器有公共的时钟CLOCK和公共的复位 清零端CLEAR。在CLOCK有效时，1D ~8D的输入信号便同时被打 入1 Q …8Q。在CLEAR低电平有效时，1Q~8Q均被清零。
• 2.开关动作的检测 • 为了提高开关量检测的可靠性，除了在硬件方面采取抗干扰措施外，
还可以进一步采用表决的方式来确定开关的状态。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 具体的做法是对一个开关量连续采集3次，然后进行表决处理，就可 以排除偶然的干扰。表决方式可以用硬件来实现，也可以用软件来实 现，下面介绍一下算法。
• 把3次采样的开关量用三个A, B, C布尔数来表示，从中任取出两个进 行“与”运算，如果其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定 有一个为“1”;反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定 全为“0”。另外，再根据“或”运算的规则，N个数中只要有一个是 “1”，则运算结果必定是“1”;只有当N个数全为“0”时，结果才为 “0”。可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理:
F244 ,74HC244, 745244等)，其引脚图和常用接法如图3-5所示。它 有8个同相的三态缓冲器/线驱动器，有两个独立的控制端1 和2 。 • 三态缓冲器经常用于输入回路，作为外设与计算机系统总线的接口， 它一方面起输入缓冲作用，另一方面对于计算机的系统总线来说，起 提高总线驱动能力的作用。 • 2.锁存器
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• (3)控制信息。控制信息用于控制外部设备的工作，如外部设备的 “启动”和“停止”。在设备传送过程中，CPU发出命令给输入/输 出设备。一个输出字节的每一位可以定义为一个控制命令。
• 四、输入/输出的典型接口
• 从接口完成的工作看，CPU和外设间交换的信息有三类:数据信息、 状态信息、控制信息。因此，I/O接口必须能把外设送来的三种信息 加以区分，因此，在I/O接口内部，必须用不同的寄存器来存放，并 赋以不同的地址(端口地址)，以便确定当前经数据总线传送的信息是 哪一信息。
• 输入微机系统的继电器触点，可采用与微机系统输入接口板配合的弱 电电源Uc。
• 二、干扰
• 开关量采集的抗干扰措施有硬件和软件两种。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 硬件措施称为去抖电路，是为了排除开关操作时产生的抖动。去抖电 路有多种形式，最常用的是采用双稳态触发电路，利用其正反馈作用 使状态迅速翻转达到去抖的目的。
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单元一 输入/输出(I/O)接口
• 所以，一个外围设备所对应的接口电路可能需要分配几个端口地址。 CPU寻址的是端口，而不是笼统的外围设备。
• 图3一1是I/O接口的基本结构示意图。 I/O接口加上在它的基础上编制 的I/0程序，就构成了I/O技术。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 1.隔离的作用 • 隔离的主要作用是:使低压输入电路与大功率的电源隔离;外部现场器
件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损;限制地回路电流与地 线的错接带来的干扰;多个输入电路之间的隔离。 • 2.开关量的隔离方法
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。 • (1)光电隔离。最常用的是利用光电耦合器作为开关量输入计算机的
隔离器件，其简单的原理图如图3-2所示。当有输入信号时，开关S闭 合，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，于是输出端Uo 表现一定电位。图3 -2中的两种接线方式，输出电平不同，在实际电 路设计时，可以灵活选用。在光电藕合器件中，信息的传递介质为光， 但输入和输出都是电信号，由于信息的传递和转换都是在密闭环境下 进行，没有电的直接联系，故不受电磁信号干扰，所以隔离效果比较 好。 • (2)继电器隔离。
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单元二 开关量的隔离与检测识别
• 同时，断路器、隔离开关和继电器等，常处于强电场中，电磁干扰比 较严重，若没有采取适当措施，则当断路器或隔离开关动作时，可能 会干扰程序的正常执行，产生所谓“飞车”的软故障，甚至损坏接口 电路芯片或损坏CPU。因此，现场开关与逻辑电路之间要采用电隔离 技术。