输入输出通道
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2.5 开关量输入输出通道
PC总线接口逻辑部分由8位数据总线缓冲器、基址 译码器、输入和输出片址译码器组成。 I/O功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输出锁 存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、 加强和选通作用；输出锁存器锁存CPU 输出的数据或 控制信号，供外部设备使用。I/O缓冲功能可以用可 编程接口芯片如8255A构成，也可以用74LS240、244、 373、273等芯片实现。 I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、 保护、隔离、功率驱动等。 各种数字量I/O模板的前两部分大同小异，不同的 主要在于I/O电气接口部分，即输入信号的调理和输 出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。
1、
三极管驱动电路
对于低压情况下的小电流开关量， 用功率三极管就可作开关驱动组件， 其输出电流就是输入电流与三极管增 益的乘积。
（1）普通三极管驱动电路
当驱动电流只有十几 mA或几十 mA时，只要采用一个普通的功 率三极管就能构成驱动电路，如图所示。
（2）达林顿驱动电路
当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱 动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电 路必须采取多级放大或提高三极管增益的办 法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管 组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻 抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的 特点，同时多对复合管也非常适用于计算机 控制系统中的多路负荷。
当然，在实际使用中，要特别注意 固态继电器的过电流与过电压保护以及 浪涌电流的承受等工程问题，在选用固 态继电器的额定工作电流与额定工作电 压时，一般要远大于实际负载的电流与 电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增 加阻容吸收组件。具体电路与参数请参 考生产厂家有关手册。
四、
DI/DO模板
把上述数字量输入通道或数字量输出 通道设计在一块模板上, 就称为DI模板或 DO模板，也可统称为数字量I/O模板。图314为含有DI通道和DO通道的PC总线数字量 I/O模板的结构框图，由PC总线接口逻辑、 I/O功能逻辑、I/O电气接口等三部分组成。 如图3-14所示。
测控系统原理与设计21_输入
图中五个部件的噪声可以视做采集电路内部五个不相关的噪声源， 它们本身的等效输入噪声分别为： 、 VIN 3 0 V 9 V VIN 1 0.085V 、VIN 1 0.085VVIN 2 、 (可忽略不计)
VIN 4 7 V VIN 5 177 V
五个部件的放大倍数分别为：
●数字可编程控制增益：PGA202的增益倍数为 1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4， 8
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●增益误差：G<1000 0.05％～0.15％， G=1000 0.08％～0.1％； ●非线性失真：G=1000 0.02％～0.06％。 ●快速建立时间：2μs。 ●快速压摆率：20V/μs ●共模抑制比：80～94dB。 ●频率响应：G<1000 1MHz；G=1000 250kHz。 ●电源供电范围：±6～±18V。
在测控系统中，一台微机往往要同时测量 几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是 多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通 道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集 中采集式和分散采集式。
一、输入通道的分类
集中采集式之分时采集结构：
传感器 传感器 调理电路 调理电路 模 拟 多 路 切 换 开 关 采集电路
的传感器。
对传感器的主要技术要求
• 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围 与被测量实际变化范围相一致。 • 符合整机对传感器精度（通常为系统精度的十倍）和速度 的要求； • 满足被测介质和使用环境的要求（如耐高温、耐高压、防 腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电 或耗电少等）； • 满足可靠性和可维护性的要求。
传感器 传感器
调理电路 调理电路
第3章 过程输入输出通道
；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
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3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
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三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。
模拟量输入、输出通道
在能源管理系统中，模拟量输入/输出通道用于监测 和控制各种能源设备的运行状态，如电力、燃气等 ，实现能源的优化利用和节能减排。
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
医疗设备
在医疗设备中，模拟量输入/输出通道用于监测患者 的生理参数和实现设备的控制，如监护仪、呼吸机 等。
模拟量输入/输出通道的重要性
80%
提高设备的控制精度
模拟量输入/输出通道能够实时、 准确地反映输入信号的变化，从 而提高设备的控制精度和稳定性 。
模拟量输入通道的参数与性能指标
01
02
03
04
分辨率
分辨率是指模拟量输入通道能 够识别的最小电压或电流值， 通常以位数或比特数表示。高 分辨率的模拟量输入通道能够 提供更精确的测量结果。
线性度
线性度是指模拟量输入通道的 输入与输出之间的线性关系。 理想的线性度应该是100%，但 实际中的线性度可能会受到多 种因素的影响而有所偏差。
根据接口类型，正确连接信号线，避免信号干扰或数据传输不稳定。
接地处理
为了减少电磁干扰和保护设备，应确保良好的接地措施。
接口保护
在接口电路中加入适当的保护元件，如瞬态抑制二极管、滤波电容等， 以防止过压、过流等异常情况对接口造成损坏。
05
模拟量输入/输出通道的调试与校准
调试步骤与注意事项
检查硬件连接
采样速率
精度
采样速率是指模拟量输入通道 每秒钟能够采样的次数，通常 以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz） 表示。高采样速率的模拟量输 入通道能够提供更准确的实时 响应。
精度是指模拟量输入通道的实 际输出值与理论输出值之间的 最大偏差。精度越高，表示模 拟量输入通道的误差越小，测 量结果越准确。
03
模拟量输出通道
精度
计算机控制输入输出接口与过程通道
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（Dar1ington 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。
采用积分电路的小功率输入调理电路
目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相 为1； 断开K时，电容C充电，反相器反相 为0。
问题：利用什么原理消除了抖动？
R—S触发器消除开关两次反跳电路
K
R3 +5V R45
原理：当K在上时，输出上为1，下为0。
当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产 生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。
2.1.2 数字量输入通道
•数字量输入通道结构 P C 总 线 生 产 过 程
输入 缓冲 器
输入 调理 电路
地址译码器
2.3.1数字量输入通道
开关量：开关、电流、开关的触点等等 通道结构
输入
PC 总 线
输入 调理 电路
缓
冲器
来 自 生 产 过 程
地址译码器
输入缓冲器：三态门缓冲器74LS244（较为常见）
1 2
R3
C
当K断开时，光电二极管不 导通，晶体管不导通，经反相 器反相输出为0。 其中，用R1、R2进行分压， C进行滤波，要合理选择参数。
•大功率输入调理电路
－采用光电隔离
2.3
2.3.1
数字量输入输出接口与过程通道
数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口 2.数字量输出接口
过程输入输出通道详解
3.1.1 数字量输入通道
2.输入调理电路 数字量输入通道的基本功能就是接收外部装 置或生产过程的状态信号。这此状态信号的 形式可能是电压、电流、开关的触点，容易 引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部数字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够接收的逻辑电 平信号，这些过程称为信号调理。下面针对 不同情况分别介绍相应的信号调理技术。
3.1 数字量输入输出通道
3.1.1 数字量输入通道
1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道的结构 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 以二进制数字量的形式输入计算机， 以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过三态缓冲器读 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲 器和接口电路组成。如图3-1所示 所示。 器和接口电路组成。如图 所示。 图3-1 数字量输入通道结构
3.2.3采样保持器
2、常用的采样保持器 图3-18 LF398的典型应用 的典型应用
3.2.3采样保持器
3、采样/保持器的主要参数 ●采集时间（捕捉时间）：当置于采样方式时，输出跟 踪输入需要的时间。采集时间T是指从采样开始到输出 稳定之间的时间。 ●转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位。 V/s ●孔径时间：当采样保持器从采样转入保持时，采样开 关完全断开所需的时间，即进入保持控制后，实际的 保持点会滞后真正要求保持点一段时间，一般是纳秒 级。这个时间由器件的开关动作时间决定。 ●下跌率（衰减率）：在进入保持阶段后，由于开关的 漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表 示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间 和下跌率。
模拟量输入输出通道
通常，由于各路模拟信号和A／D的电压范围已知， 故可 算出对应信号源要求的放大系数。可预先将各路放大倍数的等
效数字量存入RAM中，当CPU要求输入第n路信号时，则由
CPU控制将第n路对应的放大倍数从RAM中取出，经数据总线 送入AM-542相应端接点，这样信号便按预先设定的放大倍数 进行放大。
第四章模拟量输入输出通道
2． 放大器并联反馈电阻方案 如图4-12所示，A1、A2组成同相关联差动放大器，A3为起
减法作用的差动放大器。电压跟随器A4 的输入来自A点即共模
电压Ucm,其输出作为运放A1、A2的电源地端， 以使A1、A2的电 源电压浮动幅度与Ucm 相同，从而大大削弱共模干扰的影响，
这就是共模自举技术。信号从Us1、Us2以差动方式输入，放大器
有结构简单，闭合时接触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较 长，不受环境温度影响等优点，在小信号中速度的切换场合仍
可使用。由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵
方式，如图4-4所示的开关矩阵可对64个点进行检测和选通， X轴和Y轴的选通电路受CPU控制，其程序框图如图4-5所示。
第四章模拟量输入输出通道
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，经反相为低电平，发 光二极管导通并发光，使光敏三极管导通， 经倒相输出高电 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。
第四章模拟量输入输出通道
图4-8 光电耦合开关用法之一
第四章模拟量输入输出通道
图4-9(b)是差动多路输入连接方式，模拟量双端输入， 双端输出接到运算放大器上。由于运算放大器的共模抑制比 较高， 故抗共模干扰能力强，一般用于低电平输入，现场干 扰较严重，信号源和多路开关距离较远，或者输入信号有各
效数字量存入RAM中，当CPU要求输入第n路信号时，则由
CPU控制将第n路对应的放大倍数从RAM中取出，经数据总线 送入AM-542相应端接点，这样信号便按预先设定的放大倍数 进行放大。
第四章模拟量输入输出通道
2． 放大器并联反馈电阻方案 如图4-12所示，A1、A2组成同相关联差动放大器，A3为起
减法作用的差动放大器。电压跟随器A4 的输入来自A点即共模
电压Ucm,其输出作为运放A1、A2的电源地端， 以使A1、A2的电 源电压浮动幅度与Ucm 相同，从而大大削弱共模干扰的影响，
这就是共模自举技术。信号从Us1、Us2以差动方式输入，放大器
有结构简单，闭合时接触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较 长，不受环境温度影响等优点，在小信号中速度的切换场合仍
可使用。由单个干簧管继电器组成的多路开关均采用开关矩阵
方式，如图4-4所示的开关矩阵可对64个点进行检测和选通， X轴和Y轴的选通电路受CPU控制，其程序框图如图4-5所示。
第四章模拟量输入输出通道
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，经反相为低电平，发 光二极管导通并发光，使光敏三极管导通， 经倒相输出高电 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。
第四章模拟量输入输出通道
图4-8 光电耦合开关用法之一
第四章模拟量输入输出通道
图4-9(b)是差动多路输入连接方式，模拟量双端输入， 双端输出接到运算放大器上。由于运算放大器的共模抑制比 较高， 故抗共模干扰能力强，一般用于低电平输入，现场干 扰较严重，信号源和多路开关距离较远，或者输入信号有各
第四章数字量输入输出通道
（2）输出驱动电路——继电器驱动电路
图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平， 光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通， 继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设 备。 由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出 现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电 器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电 流泄放回路。
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
交流电源
交流SSR输出波形如下图所示。
波形
过零型导 通时间
控制信号
SSR两端的 电压在导通
时为0。
非过零型 导通时间 立即导通
非过零型SSR，加上控制信号便导通
过关零断型时导间 相通同时，间在
过零时
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与 过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选 用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时， 一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱 动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与 参数请参考生产厂家有关手册。
Vc
Di 7406
RL
交
流
电
+ _
～ SSR ～
源
图 4-13固 态 继 电 器 输 出 驱 动 电 路
（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路
交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两 种，其中应用最广泛的是过零型。
过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载 电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后， 也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。 移相型交流SSR的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件 简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导 通。
计算机控制系统：第2章 输入输出通道
采用光电隔离外部开关信号如何输入到计算vccoutvccp1i单片机gndgngoutvccoutvccp1i单片机gndgngoutvccp1i单片机gndgngoutvccout外部开关量vccka220vp1i单片机控制电流外部设备线圈铁芯触点衔铁继电器工作原理图22模拟输入通道221组成及各部分的作用222采样量化及采样保持器223模数转换器adc221组成及各部分作用调理电路多路开关采样保持器ad转换器传感器模拟通道组成图222采样量化及保持器223模拟转换器1
3.并行接口的ADC0809
CLOCK ADDA--ADDC
START ALE
EOC OE
D0--D7
转换时间
ADC0809工作时序图
2.2.3模拟转换器
3.并行接口的ADC0809
ADC0809工作时序图 ADC0809与51单片机的接口电 路
2.2.3模拟转换器
4.应用举例
ADC0809模拟输入原理图
DI7
DI0
Rfb Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vx
WR2
CS
XFER
DAC0832
DI7 DI0 Rfb
Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vy
WR2
DAC0832和51单片机双缓冲连接
P2.0 P2.1 P2.2 P0口 WR
80C51
CS DAC0832
XFER
DI7
DI0
Rfb IouΒιβλιοθήκη 1-WR1❖ 30℃：Rt＝5.6K VAD＝5×500/(5600＋500)＝0.410(V) 对应AD值：14H
❖ 40℃：Rt＝3.8K VAD＝5×500/(3800＋500)＝0.581(V) 对应AD值：1DH
3.并行接口的ADC0809
CLOCK ADDA--ADDC
START ALE
EOC OE
D0--D7
转换时间
ADC0809工作时序图
2.2.3模拟转换器
3.并行接口的ADC0809
ADC0809工作时序图 ADC0809与51单片机的接口电 路
2.2.3模拟转换器
4.应用举例
ADC0809模拟输入原理图
DI7
DI0
Rfb Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vx
WR2
CS
XFER
DAC0832
DI7 DI0 Rfb
Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vy
WR2
DAC0832和51单片机双缓冲连接
P2.0 P2.1 P2.2 P0口 WR
80C51
CS DAC0832
XFER
DI7
DI0
Rfb IouΒιβλιοθήκη 1-WR1❖ 30℃：Rt＝5.6K VAD＝5×500/(5600＋500)＝0.410(V) 对应AD值：14H
❖ 40℃：Rt＝3.8K VAD＝5×500/(3800＋500)＝0.581(V) 对应AD值：1DH
单片机原理与接口技术第8章输入通道和输出通道
输入通道的特点如下：
1)输入通道的类型取决于从传感器送入信号的类 型，由于不同的信号需要不同的转换电路，这也 就决定了输入通道的类型。
2)输入通道的主要技术指标是信号的转换精度和 速度，它们是选择转换器件的依据。
3)输入通道往往是模拟电路和数字电路的混合电 路，对于传感器输出的微弱信号必须加以放大。
5） ：DAC寄存器的写信号，低电平有效。
6） ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。 和 两个信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数 据锁存方式；当 =0和 =0时，为DAC寄存器直通方 式；当 =1和 =0时，为DAC寄存器锁存方式。
7）OE：输出允许信号。当OE端输入高电平信号时，三态输出 锁存器将A-D 转换结果输出。
8）D0～D7：数字量输出端。D0为最低有效位（LSB），D7 为最高有效位（MSB）。D0～D7的内部电路为三态缓冲输出 形式 ，可以和单片机的数据线直接相连。
9）VREF (+) , VREF (－)：正负基准电压输入端。作为逐次逼 近的基准。基准电压的中心值即1/2 （VREF(+)+VREF(－)）应 接近1/2VCC，其典型值VREF(+)=+5V，VREF (－) =0V。
5）START：A-D 转换信号输入端。有效信号为一正脉冲。在 脉冲上升沿，A-D 转换器内部寄存器均被清零，在其下降沿开 始A-D 转换。
6）EOC：A-D 转换结束信号。在START信号上升沿之后0～ （2μs+8个时钟周期）时间内，EOC变为低电平。这一点在启 动A-D 转换后查询EOC信号时须加注意。当A-D 转换结束后， EOC立即输出一正阶跃信号，可用来作为A-D 转换结束的查询 信号或中断请求信号。
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：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。
(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。
接口电路含这三类信息交换的端口。
2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。
模拟量输入输出通道dq
DQ通道与AO通道的比较
信号类型
AO通道通常用于输出模拟信号，如控制阀门、电机等，而 DQ通道则主要用于数字信号的输入输出。
数据处理
AO通道输出的模拟信号需要经过数模转换器（DAC）从数字信 号转换为模拟信号后输出，而DQ通道则直接处理数字信号。
应用场景
AO通道广泛应用于过程控制、执行器驱动等领域，而DQ 通道则多用于数据通讯、逻辑控制等领域。
表示输出模拟信号的精度，通常以位数（bit） 表示。
表示输出模拟信号与输入数字信号之间的 线性关系，越接近1表示线性度越高。
输出范围
输出阻抗
表示输出模拟信号的最大值和最小值，根 据不同设备需求而定。
表示输出模拟信号的电阻值，影响驱动能 力和负载匹配。
05
DQ通道与其他通道的比 较
DQ通道与AI通道的比较
高精度化趋势
随着工业自动化水平的提高，对模拟量输入输出 通道的精度要求也越来越高。高精度通道能够提 供更准确的测量结果，更好地满足生产需求。
智能化趋势
随着物联网和人工智能技术的发展，模拟量输入 输出通道正逐渐向智能化方向发展。智能化的通 道能够自主完成数据采集、处理、分析和决策， 为工业自动化提供更强大的支持。
噪声抑制
通过滤波器或数字信号处理技 术减小噪声干扰。
模拟量输入通道的参数
分辨率
表示A/D转换器能够分辨的最小电压或电流 变化量。
采样速率
表示A/D转换器每秒能够完成的采样次数。
线性度
表示A/D转换器输出与输入之间的线性关系。
精度
表示A/D转换器的误差范围，通常以百分比 表示。
04
模拟量输出通道
模拟量输出通道的种类
模拟量输出通道的原理
微型计算机控制系统课件第3章 输入输出接口及输入输出通道
这种I/O控制方式是优是劣，不能一概而论，要看具体应用场合。如果I/O处理的实时性要求不那么高， 或者微型计算机的操作任务比较单一，并不很忙。比如在一个系统专门用于控制一个或几个I/O设备的特殊 情况下，CPU除了为外设服务，本身就没有更多的其它工作要做，在这种情况下，程序查询式控制不失为一 种比较理想的控制策略。正因为这样，所以它在实际中还是一种最常用的I/O控制方式。反过来，如果I/O处 理的实时性要求很高，或者CPU的任务很繁忙，则不宜采用这种方式，而最好采用中断驱动式或其它方式来 控制。
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
除缓冲器和锁存器外，还有一类既有缓冲功能又有锁存功 能的器件，Intel公司8255A可编程并行I/O扩展接口芯片就是 这样的器件。8255A与工业控制计算机（ISA）总线的连接如 图3-5所示。8255A有三个可编程的8位输入输出端口A、B和 C，内部有一个控制寄存器。通过向控制寄存器写入控制字定 义A、B、C端口的数据传输方向（输入或输出）。图中 ATF16V8作译码器用。
数字量输入接ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ原理图
数字量输出接口原理图
输入输出接口设计
输入接口是输入通道与工业控制机总线之间的桥梁，输出接口是输出通道与工业控制机总线之间 的桥梁。下图是由缓冲器和译码器组成的数字量输入接口示例，以及锁存器和译码器组成的数字量输 出接口示例。
数字量输入接口示例
数字量输出接口示例
输入输出接口设计
S1=/A9+/A8+A7+A6+A5+A4+A3+A2 Y0=AEN+S2
输入输出接口与输入输出通道 数据信息的输入输出控制方式 数字量/模拟量输入输出通道的基本组成
基于板卡的输入输出接口与通道的设计
基于计算机通讯接口的输入输出接口与通道的 设计
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
22
温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
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压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
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27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
输入输出接口与过程通道
D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; ❖ 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路
、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
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SYIAE
传感器的选用
Fall, 2006
如果测量一个温度，传感器如何选择？
STEP 1.确定传感器的类型
以温度传感器为例，现有的温度传感器类型： 热电偶、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感 器、红外温度计、光纤温度传感器……
选择依据：测量对象和测量环境
量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；
测量方式为接触式还是非接触式；环境要求：
高温、高压、腐蚀、振动………..
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SYIAE Zhang X.D. © 2006
Fall, 2006
接 触 式 温 度 传 感 器 主 要 类 型
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（3）集成传感器 将传感器与信号调理电路做成一体。
（4）光纤传感器 信号拾取、变换、传输都通过光导纤维实现，可避免 电磁干扰。
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SYIAE
传感器的选用
Fall, 2006
如何选择合适的传感器？
STEP 1.确定传感器的类型
STEP 2.选择传感器的精度
传感器精度一般应优于系统精度的十倍左右
ST性 其他考虑：成本
没有可以选择的传感器？定制、自行研制，软测量
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Fall, 2006
三、 模拟量的输入通道—信号调理
SYIAE
Fall, 2006
第二章 测控通道 （输入输出通道）
自动化学院☺沈阳航空工业学院
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SYIAE
Fall, 2006
计算机测控系统硬件构成
传感器
﹕﹕
传感器
调理电路
﹕﹕
多 路 切
调理电路
换 器
采样/保持器 A / D
被
控 对 象
执行器
﹕﹕
保持器
﹕﹕
输 出 扫
执行器
保持器
描 器
D/A
∥
开关量输入电路
∥
∥
开关量输出电路
∥
接口
计 算 机 接口
显示器
接口 接口
打印机
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测控系统输入输出通道（AI、AO、DI、DO）
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2.1 模拟量输入通道
一、模拟输入通道的基本类型与组成结构
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二、 传感器的选用
现代传感器在原理与结构上千差万别，合理地选 用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的 问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法 和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在 很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
和分散采集式（简称分布式）两大类。
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SYIAE
1. 集中采集式（集中式）
Fall, 2006
集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同
步采集型两种，分别如图2 一l 一2 ( a ）和（b ）所示。
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工业温度传感器的种类
工业热电偶
工业热电阻
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Fall, 2006
目前一般可供选用的传感器类型
（1）大信号输出传感器 放大电路与传感器做成一体，直接输出0-5V电压信号 或4-20mA直流标准信号。
（2）数字式传感器----一般输出频率，若是TTL电平，则可 直接接入计算机的I/O口。
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SYIAE
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1. 传感器选用的主要依据
（1）具有将被测量转换为电量的功能，转换范围（如幅 度、频率等）与实际变化范围一致。
（2）转换精度符合分配要求（一般高于系统精度10倍）。 （3）转换速度符合系统要求。 （4）满足环境要求（如高温、高压、腐蚀、体积小等）。 （5）满足可靠性和可维护性要求。
除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而 且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行 适当的信号调理。因此，一般说来，模拟输入通道应由传感器、信号调 理电路、数据采集电路三部分组成，如图2 一1 一1 所示。
实际的微机化测控系统往往需要同时测量多种物理量（多参数测量）或 同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量）。因此，多路模拟输入通 道更具有普遍性。多路模拟输入通道可分为集中采集式（简称集中式）
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SY同IAE 步采集型的特点是在多路转换开关之前，给每路信号通路Fall, 2006 各加一个采样／保持器，使多路信号的采样在同一时刻进 行，即同步采样。然后由各自的保持器保持着采样信号幅 值，等待多路转换开关分时切换进入公用的S / H 和A / D 电 路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。这样可以消除分 时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满同步采集的 要求，又比较简单。不足之处：由于各路信号保持时间不 同，致使各个保持信号的衰减量不同，因此，严格地说，这 种结构不能获得真正的同步输入。
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特点：多路信号共同使用一个S / H 和A / D 电路，简化了电路结
SYIAE
Fall, 2006
构，降低了成本。但对信号的采集由模拟多路切换器分时切换、
轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集，不能获
得同一时刻的数据。因此对于要求多路信号严格同步采集测试的
系统不适用，适用于多数中速和低速测试系统。
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SYIAE
2.
分散采集式（分布式）
Fall, 2006
分散采集式的特点是每一路信号都有一个S / H 和A / D ，
因而也不再需要模拟多路切换器 。每一个S / H 和A / D 只
对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按
一定顺序或随机地输入计算机，如图2 一1 一3 所示。