第二章 IO接口和IO控制方式

第二章 计算机控制系统的 I/O接口和I/O通道
本章要点
• 1. I/O接口电路的功能和设计； • 2. I/O通道的类型及组成 • 3. I/O通道的工作过程 • 4. I/O通道的抗干扰措施
2.1 I/O接口在系统中的应用
1、数据格式的匹配 （1）并/串，串/并 （2）字/字节，字节/字 （3）电平转换 2、速度匹配 输入缓冲74LS244，输出锁存74LS273、 74LS373 3、地址的分配和扩展 地址译码器74LS138，地址比较器74LS688 4、负载能力的扩展 总线驱动器74LS245
1 结构原理
现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原 理如图所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开 关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通 道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为“0” 时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、 B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。 比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、 A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通 道S7选通。其真值表如表所示。
大电路的放大倍数G =－R2/R1。当然，这两种电路
都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另 一个输入端共地。
R2
VI
R1
VO
VI
Us ～
R2
VO
Us ～
R1
(a)同相放大
图 2-5 放大电路
放大电路图
(b)反相放大
链接动画
1 测量放大器
在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共 模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作 用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的 测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。
RCV420高精度的电流环接收器，可以将 4-20mA的电流输出信号转换为0-5V的电 压信号。
同学们自己上网查阅RCV420的使用手册 ，学习如何使用该芯片实现I/V变换。
2.4.1.2 多路模拟开关
主要知识点
引言 1 结构原理 2 扩展电路
引言
由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此 一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一 时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开 关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。
2.2 I/O 控制方式
1、程序控制方式 （1）无条件传送方式 （2）程序查询传送方式 2、中断控制方式 3、存储器直接存取（DMA）方式
2.3 I/O接口设计方法及举例
1、数字量的输入输出 输入缓冲 输出锁存 地址分配 总线扩充
74LS273和74LS373的区别
74LS273是带公共时钟复位八D触发 器 ;74LS373 是 三态同相八D锁存器 273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是 两者1、11脚的功能不同. 对273 (1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电 平时,输出脚全部输出0,即全部复位; (2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制 端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升 沿,立即锁存输入脚的电平状态,并且立即呈现 在在输出脚上.
D
+5V
R1
+
I
C R2 V
-
(a) 无源I/V变换电路
R2
I
+ R1
C
R3
+ A
-
R5 V
R4
(b) 有源I/V变换电路
电流图/电2压-2 变电流换/电电路压变换电路
2. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大 器和电阻电容组成，如图（b）所示。利用同 相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准 输出电压。该同相放大电路的放大倍数为
G V 1 R4
IR1
R3
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ， 则输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出V的 0 ~ 5 V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ， R4=25kΩ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于1 ~ 5 V的电压输出。
集成I/V变换器RCV420
Sm
S0 S1 S2
译
A 电
码
平
B
S3 S4
驱
转
C
动
换
INH
S5
S6
S7
Sm
S8
A
S9 S10 S11
译
电
B
码 驱
平 转
C
S12
动
换
INH
S13
S14
S15
D3 D2 D1 D0
图 多路模拟开关的扩展电路 图2-4 多路模拟开关的扩展电路链接动画
2.4.1.3 前置放大器
主要知识点 引言 1 测量放大器 2 可变增益放大器
经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器
的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入
端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因 而有 IN+
+
R2
A1
-
R 1
R 1
R2 A2
RS
(外接)
A3
V O UT
Sm
S0
A
S1
译
电
S2
码
平
B
S3
驱
转
S4
动
换
C
S5
S6
S7
INH
图 C图D24-0351C结D4构05原1结理构图原理图 链接动画
2 扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片， 也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。 例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。 例题分析：下图给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电 路。数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3 用来控制两个多路 开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、 D1、D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1时，经 反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0 从000变为111，则依次选通S8~S15通道。如此，组成一个16路的 模拟开关。
显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常 把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。
2.4.1.1 信号调理电路
在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类 型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA 或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。
*当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”， 信号由 B 向 A 传输；（接收） *DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送） 当/CE为高电平时，A、B均为高
例1 设74LS244地址为90H，74LS273地址 为91H，设计硬件电路并编写控制程序， 实现数据的输入缓冲和输出锁存。
例2 设用1块集成芯片实现数据的双向传送， 设计硬件电路并编写控制程序。
2 可变增益放大器
在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个 测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都 要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于 各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不 同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可 编程放大器，如图所示。
IN -
+
16K
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动 led或者其他的设备, 74LS245是8路同相三态 双向总线收发器，可双向传输数据。
*74LS245还具有双向三态功能，既可以输 出，也可以输入数据。
*当8051单片机的P0口总线负载达到或超过 P0最大负载能力时，必须接入74LS245等 总线驱动器。
对373: (1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效, 当1脚是高电平时,不管输入如何,也不 管11脚(锁存控制端,G)如何,输出全部 呈现高阻状态(或者叫浮空状态); (2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存 控制端,G)上出现一个下降沿,输出立 即呈现输入脚的状态.
所以,如果分别用273和373来 作为单片机的地址存器的话, 对273来说,1(CLR)脚必须接高 电平,ALE信号经过反相后接11 脚(因为单片机的ALE信号是以 下降沿方式出现) 对373来说,1脚接低电平,保证 使能,11脚直接接单片机的ALE 信号.
例3 用74LS688和74LS138实现地址跳线功 能，选择地址范围为200-3FFH。
2 开关量的输入输出
一、开关量的输入接口电路
1、分压
开关量的电压信号比较大，可 以采用分压的方式对开关量的
电压信号进行衰减
R1和R2构成分压网络，可根据开关电压 决定其阻值比例。另外为了增加抗干扰 能力，非门可以采用输入端带施密特触 发器的非门。
80K
2
A1
-
26.67K
4
11.43K
8
5.33K
16
2.58K
32
1.27K
64
630Ω
128
314Ω
256
V IN +
16K A2
可变增益前置放大器
16K
(外接)
A3
引言
前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转 换的量程范围之内，如0-5VDC;
对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同 相放大或单端反相放大。如图所示，信号源的一端若 接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍
数G =1+R2/R1；
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放