开关量输入通道

(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)。
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。
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。
图2-5 瞬态尖峰保护电路 (a) 采用齐纳二极管； (b) 采用压敏电阻
图2-6 反极性和高压保护 (a) 反极性保护； (b)入信号来自机械开关或继电器触点，由于开关 触点闭合及断开时，常常会发生抖动，因此，输入信号的前沿 及后沿常常是非清晰信号，如图2-7所示。
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。
下面针对不同的情况分别介绍相应的调理方法。
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。
图2-3 信号转换电路 (a) 电压或电流输入； (b) 开关触点输入
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
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。
2.1 过程通道的分类
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。
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
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。
2． 输入缓冲器和输出锁存器
图2-4 RC低通滤波电路
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。
3．保护电路
图2-7 开关或触点闭合及断开时的抖动
解决开关或触点的抖动问题可采用图2-8所示的双向消抖电 路。双向消抖电路是由两个与非门组成RS触发器， 把开关信号 输入到RS触发器的一个输入端A，当抖动的第一个脉冲信号使RS 触发器翻转时，D端处于高电平状态，故第一个脉冲消失后RS触 发器仍保持原状态，以后的抖动所引起的数个脉冲信号对RS触 发器的状态无影响，这样就消除了抖动。
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。
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。
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。
(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。
图2-8 双向消抖电路
开关量输入通道
一、开关量输入通道的结构形式 二、开关量输入信号调理
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。