第3章 数字量输入输出通道.
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计算机控制系统数字量输入输出通道课件
04
数字量输入输出通道的应用实 例
工业自动化控制系统的应用实例
自动化生产线控制
数字量输入输出通道用于接收和发送控制信号，实现对生产 线上的机械装置、传送带、电机等的精确控制，提高生产效 率和质量。
智能仓储管理
通过数字量输入输出通道，实现对仓库货物的精确控制，如 货物的进出库、库存盘点等，提高仓储管理的效率和准确性 。
详细描述
根据不同的分类标准，计算机控制系统可以分为多种类型。按控制方式可分为开环控制系统和闭环控 制系统；按任务特点可分为连续控制系统和离散控制系统；按结构特点可分为单机控制系统和多机控 制系统等。不同类型的计算机控制系统在应用上具有各自的特点和优势。
02 数字量输入通道
数字量输入通道的组成与功能
计算机控制系统数字量 输入输出通道课件
目录
Contents
• 计算机控制系统概述 • 数字量输入通道 • 数字量输出通道 • 数字量输入输出通道的应用实例 • 数字量输入输出通道的发展趋势与
展望
01 计算机控制系统概述
计算机控制系统的定义与组成
总结词
计算机控制系统的定义与组成
详细描述
计算机控制系统是由计算机、输入输出通道、外部设备、被控对象以及控制软件 等组成的完整系统。其中，数字量输入输出通道是计算机控制系统的重要组成部 分，负责接收和发送数字信号，实现计算机与外部设备之间的信息交互。
01
02
03
信号调理电路
对输入信号进行预处理， 如滤波、放大、隔离等， 以适应计算机控制系统的 要求。
采样保持器
对输入信号进行采样并保 持，以便于A/D转换器进 行转换。
A/D转换器
将模拟信号转换为数字信 号，便于计算机进行处理 。
07计算机控制-数字量输入输出通道
用集成V/I转换电路。常用的高精度V/I转换电路有：ZF2B20、AD694等。
…
驱动器 现 场 对 象 n
以ZF2B20为例。8个引脚。Vi输入电压范围：0~10V，IO输出电流：4~20mA，
单正电源供电V+（10~32V）。 图3.43a）所示为一种带初值校准的0~10V到4~20mA的转换电路；图b）为一种 带满刻度标准的0~10V到0~10mA的转换电路。 输出电流IO与输入电压Vi成线性关系，与负载电阻R无关。负载电阻R的大小根 据供电电源Vs来决定：
现场参数 传 感 器 信 号 调 理 接 口 电 路 计 算 机
S/H
ADC
3）独立转换的多路模入通道- 在2）的基础上，构成多路 各路都有自己独立的A/D转换通道，可各自采样、各自转换、各自得到转换 结果。适用于多路高速采集的系统中。
现场参数1
传 感 器
信 号 调 理
S/H
ADC
接 口 电 路 计 算 机
Rmax
Vs 5V 20 mA
每减小1V电源电压，必须降低负载50Ω；每增加1V，必须 增加负载50Ω。另外，IO与GND脚间的电压不超过Vmax=Vs-5V，否则，输出电流 与输入电压之间失去线性度。
一个节水灌溉控制系统I/O通道组成，如图3.44所示。在这个系统中，根据温、 湿度变化来控制给水电磁阀或给水电动机，从而实现对水源开关的控制。具体过程 分析：
2）电气隔离
光电耦合器：由封装在一个管壳内的发 光二极管和光敏晶体管组成。输入电流流过 二极管时使其发光，照射到光敏晶体管上使 其导通，完成信号的光电耦合传送（电气隔 离、抑制两侧地电位差所产生的共模干扰） 和电平的转换（开关s闭合，光敏晶体管导 通，对应“0”状态输入，反之，对应“1”状 图c 态输入）。 在工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平， 即使输入数字信号本身电压不高，也可能从现场引入意外的高电压信号，因此，必 须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。光电耦合器是一种常用且有效的电 隔离手段，由于其价格低、可靠性高，广泛应用于现场输入设备与计算机系统之间
《数字量输入输出》课件
功率驱动电路
将较小的控制信号放大为 较大的功率信号，驱动执 行机构。
控制逻辑与算法
逻辑运算
利用逻辑门电路实现基本的逻辑 运算，如与、或、非等。
时序控制
根据时间顺序控制输出状态的变 化，实现定时、计数等功能。
算法控制
利用算法实现复杂的控制逻辑， 如PID控制、模糊控制等。
04
数字量输入输出模块
数字量输入输出模块的种类与特点
数字量输出电路
晶体管输出电路
利用晶体管开关特性实现数字信号的输出。
继电器输出电路
利用继电器触点实现数字信号的输出，适用于较大电流的场合。
固态继电器输出电路
利用固态继电器实现数字信号的输出，具有快速、可靠、长寿命等 优点。
驱动电路
电压驱动电路
通过电压信号驱动执行机 构。
电流驱动电路
通过电流信号驱动执行机 构，适用于较大负载的场 合。
以及时报警。
数字量输入输出在自动化控制系统中的实现方式
硬件接口
数字量输入输出模块通常与PLC、DCS等自动化控 制系统配套使用，通过硬件接口与系统连接。
软件编程
需要编写相应的软件程序，对数字量输入输出进 行配置和控制。
通信协议
支持多种通信协议，如Modbus、Profibus等， 方便与其他设备进行通信。
数字量输入输出在自动化控制系统中的发展趋势
高精度与高可靠性
随着工业自动化水平的提高，对数字量输入输出的精度和可靠性 要求也越来越高。
智能化
未来的数字量输入输出将更加智能化，能够自适应地进行数据处 理和控制。
网络化
通过网络技术，可以实现远程监控和诊断，提高系统的可维护性 。
THANKS
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。
计算机控制系统-数字量输入输出通道课件
滤波器是一种对信号进行过滤的电路 ，用于消除输入信号中的噪声和干扰 ，提高信号的纯度和稳定性。
滤波器的优点是精度高、稳定性好、 可靠性高等，广泛应用于各种计算机 控制系统中。
滤波器的工作原理是通过电感器和电 容器的组合，对输入信号进行频率选 择和过滤，保留所需的频率成分，抑 制不需要的频率成分。
03
功能
数字量输入通道负责采集外部数 字信号，并将其传输给计算机； 数字量输出通道则将计算机输出 的数字信号传输给外部设备。
数字量输入输出通道的类型
并行输入输出通道
适用于高速、大批量数据传输，具有较高的数据传输速率。
串行输入输出通道
适用于长距离、低速数据传输，可以节省线缆和接口资源。
网络化输入输出通道
通过网络实现远程数据传输和控制，具有灵活性和可扩展性。
数字量输入输出通道的应用场景
1 2
工业自动化控制
在生产线、机械设备等工业自动化控制领域中， 数字量输入输出通道用于实现设备的监测和控制 。
智能家居
在智能家居系统中，数字量输入输出通道用于控 制家电设备、灯光、窗帘等，实现智能化管理。
3
交通控制
在交通控制系统中，数字量输入输出通道用于检 测交通信号、控制红绿灯等，保障交通安全和顺 畅。
VS
详细描述
高性能数字量输入输出通道将采用更先进 的信号处理技术和传输协议，以实现更快 的数据传输速率和更低的延迟。这将有助 于提高计算机控制系统的实时性能和响应 速度，满足各种复杂控制任务的需求。
智能数字量输入输出通道
总结词
智能数字量输入输出通道是未来发展的另一 个重要方向。这种通道将具备自适应、自学 习和自调整的能力，可以根据不同的输入信 号和系统状态自动调整参数，实现最优的控 制效果。
建筑设备自动化课件(第三章)
交流接触器工作原理
i
• （2）无触点的电子开关 • 特点： • 可实现高频(4次/S)的通断控制，从而实现对加热器加热容 量的精确、平滑调节 • 受负载功率限制，成本随负载功率急剧增加
• 3.3.2风机、制冷压缩机的电机控制
• 1.常用几种控制方式 • (1)直接启停控制 • 对一个交流接触器控制
• 2.直接数字控制器（DDC）
• a 组成
•
微处理器、过程输入输出通道
• 过程输入输出通道包括：
•
• • • • 数字量输入通道 DI 数字量输出通道 DO 模拟量输入通道 AI 模拟量输出通道 AO 串行通信通道 UART
b 原理 • 通过模拟量输入通道（AI）开关量输入通道（DI）采集实 时数据，按照预先选用的控制规律（PID、前馈等）进行运算， 并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控 制现场设备，实现对生产过程的闭环控制。
•
• • • •
•
电动风阀结构与原理
• • • • •
• •
2.热敏电压型
如热电偶
特点: 一致性好,灵敏度差,价廉
3.IC型感温元件 典型的智能传感器，直接以数字通信 方式 输出测出 的温度数据的 感温元件，是今后传感器的发展方向
• b 湿度传感器 • 测量相对湿度： • 电容： • 氯化锂露点式温度计
• c 各种开关传感器
• 压力开关 • 特点: 可以改变压力开关报警输出的压力设定值；使 用前需进行标定；不能直接带动功率过大的电动设备。 • • 流速开关 • • 水位开关 • 微压差报警开关
3.1恒温恒湿空调机及其控制管理要求
分任务实现:
设备启停 工况调节 安全保护 状态监测 远程管理
第三章 IO接口技术与IO通道
第三章 输入输出接口与过程通道
4
计算机控制技术
高等院校自动化新编系列教材
（3）地址译码：在微处理机系统通常都配备有多个或多种外围 设备，这样就会有多个输入/输出接口，像为键盘、鼠标、打印 机、显示器、磁盘等诸输入/输出设备均配备有各自接口，且为 它们分配了各自的地址码。通过接口中的地址译码电路对外围 设备输入/输出地址寻址。 （4）控制和状态：由于微处理机的操作速度与输入/输出设备的运 行速度不在一个数量级上，所以随时需要知道输入/输出设备的 状态。常用的状态信号有正忙和准备就绪。 （5）校验和检查：在微处理机系统中，通常为输入/输出接口配备 有校验功能，并且可以将出错信息报告给微处理机。像外围设 备机构中的机械和电路故障，就要向微处理机报告故障的类型 和位置。若数据在传送中的错误就用奇偶校验码进行校验。如 若USB在传送过程中出现错误则要用到容错功能，发送设备会 重复发送数据直至正确为止。
第三章 输入输出接口与过程通道
16
计算机控制技术
高等院校自动化新编系列教材
3)常用的I/O接口部件的框图
系统总线接口
外围设备接口
数据寄存器 数据线 状态 / 控制寄存器
外围设备 接口逻辑
数据
状态
控制
┇
地址线
I/O 逻辑
控制线
外围设备 接口逻辑
数据 状态 控制
第三章 输入输出接口与过程通道
17
计算机控制技术
第三章 输入输出接口与过程通道
11
计算机控制技术
高等院校自动化新编系列教材
第三章 输入输出接口与过程通道
12
计算机控制技术
高等院校自动化新编系列教材
b. 同步传送 许多字符组成一个数据块，块前设同步字符， 以一个CRC字符结束。字符间不允许空隙，空闲时 发同步字符。收发器时钟频率严格保持一致，发端 将时钟与数据一起发送到接收端，硬件电路较异步 复杂。 CRC字符 循环冗余校验字符。 同步字符 特殊8位二进制码，接收器收到 同步字符，一幀即开始。
3过程通道技术
磁电式
电涡流式
频率
3.1 传感器
3 压力传感器/变送器。 利用物体某些物理特 性，通过不同的转换元 件将被测压力转换成各 种电量信号，间接测量 压力。 转换元件的不同，分 为应变式、压电式、电 感式、电容式、霍尔片 式等多种形式。
3.1 传感器
4 流量传感器
涡轮流量计 一定范围内，涡轮的 转速与流体的平均流 速成正比，通过磁电 转换装置将涡轮转速 变成电脉冲信号，以 推导出被测流体的瞬 时流量和累积流量。
3.2 模拟量输入通道
12位A/D转换器AD574A AD574A是美国AD公司高性能的12位逐次逼近式A/D 转换器，具有三态输出锁存缓冲器，可以与微机数 据总线直接接口。 典型转换时间约为25us，线性误差为±1/2 LSB， 内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或 双极性输入，采用28脚双立直插式封装。
IN
3.2 模拟量输入通道
4、采样保持器：由输入输出缓冲器A1、A2和采样开 关K、采样保持电容CH等组成。
K 电子开关 CH 保持电容
K Vin CH Vout
LOGIC
控制逻辑
3.2 模拟量输入通道 5、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 件和装置。 常用有逐次逼近式和双斜积分式 逐次逼近式A/D转换器的转换时间短，一般为几个 微秒至几百个微秒 双斜积分式A/D转换器的转换时间长为几十个毫秒 至几百个毫秒，适用于信号缓慢变化的场合。
第3章 过程通道技术
能源与动力工程学院 张 捷
3 过程通道技术
模拟/数字量 输入通道
控制 计算机
控制对象 (热水器)
模拟/数字量 输出通道
过程通道：计算机与被控对象之间的信息传输和转换的连接 问题? 通道。
数字量输入输出通道优秀课件
2.1.3 基于ISA总线端口扩展
1.板选译码与板内译码 2.总线驱动及逻辑控制 3.端口及其读写控制
2.2 数字量输入输出通道
2.2.1 数字量输入输出接口技术 2.2.2 数字量输入通道 2.2.3 数字量输出通道 2.2.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例
数字量(开关量)信号 开关的闭合与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接
作用：采集生产过程的状态 信息。 完成过程：用三态门缓冲器 74LS244取得状态信息。经 过端口地址译码，得到片选 信号。当在执行IN指令周期 时，产生I/O读信号，则被测 的状态信息可通过三态门送 到PC总线工业控制机的数据 总线，然后装入AL寄存器。
2、数字量输出接口
作用：当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进 行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁 存。 完成过程：用74LS273作8位输出锁存口，对状态输 出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口 写总线周期时序关系中，总线数据D0～D7比I/O写前 沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿 锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在 执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。
（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。
（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。
小功率输入调理电路 －开关去抖电路
积分电路
A
A
O
O
A
O
－ R-S触发器消除开关两次反跳电路
Q
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。
典型的开关量输入信号调理电路如下图 所示。点划线右边是由开 关 S与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，（ b）是交 流输入电路
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%
19
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 ± ％
20
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。 。
数字电路数字量输入输出课件
符号
形状
7段码 .gfedcba
符号
形状
7段码 .gfedcba
’0’
00111111
’8’
01111111
’1’
00000110
’9’
01100111
’2’
01011011
’A’
01110111
’3’
01001111
’B’
01111100
’4’
01100110
’C’
00111001
’5’
01101101
5.2.3 总线信号与接口的连接
数据信号的连接 地址信号的连接：译码信号 控制信号的连接
例1、简单的输入接口举例
常用芯片：74LS244 应用例子：开关接口
&
≥1
≥1
+5V
例2、 简单的输出接口举例
输出端口应具备锁存器功能. 常用芯片：74LS273 74LS374(具有三态输出的锁存器) 应用例子：发光二极管接口
a b c d e f g DP
7406
反相器
74LS273
Rx8
≥1
74LS138
D0～D7
IOW#
IOR#
Y0
Y1
F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001
&
≥1
A7～A4
A15～A8
A3
A2
A1
A0
D0
D1
D2
查询方式传送
适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态—— “你准备好没有？” 对外设的要求：应提供设备状态信息 对接口的要求：需要提供状态端口 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢
形状
7段码 .gfedcba
符号
形状
7段码 .gfedcba
’0’
00111111
’8’
01111111
’1’
00000110
’9’
01100111
’2’
01011011
’A’
01110111
’3’
01001111
’B’
01111100
’4’
01100110
’C’
00111001
’5’
01101101
5.2.3 总线信号与接口的连接
数据信号的连接 地址信号的连接：译码信号 控制信号的连接
例1、简单的输入接口举例
常用芯片：74LS244 应用例子：开关接口
&
≥1
≥1
+5V
例2、 简单的输出接口举例
输出端口应具备锁存器功能. 常用芯片：74LS273 74LS374(具有三态输出的锁存器) 应用例子：发光二极管接口
a b c d e f g DP
7406
反相器
74LS273
Rx8
≥1
74LS138
D0～D7
IOW#
IOR#
Y0
Y1
F0H = 0000 0000 1111 0000 F1H = 0000 0000 1111 0001
&
≥1
A7～A4
A15～A8
A3
A2
A1
A0
D0
D1
D2
查询方式传送
适用于外设并不总是准备好，而且对传送速率、传送效率要求不高的场合。 CPU在与外设交换数据前必须询问外设状态—— “你准备好没有？” 对外设的要求：应提供设备状态信息 对接口的要求：需要提供状态端口 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢
计算机控制系统数字量输入输出通道课件
和安全防范。
在医疗设备中，数字量输入通道 可用于采集患者的生理参数，如 心电信号、血压等，为医生提供
准确的诊断依据。
03
数字量输出通道
数字量输出通道的概述
1
数字量输出通道是计算机控制系统中的重要组成 部分，用于将计算机发出的数字信号转换为控制 设备可以识别的信号。
2
它通常由一系列硬件和软件组成，包括输出接口 、驱动电路和执行机构等。
更强大的可编程能力
未来的数字量输入输出通道将 具备更强大的可编程能力，使 得用户可以根据自己的需求进
行定制化的开发。
更完善的生态系统
为了满足不断增长的需求，未来的数字量输入输出通道将需要构建一个更加完善的生态系统，包括硬件、软 件、开发工具和社区支持等各个方面。
THANKS
输入信号不稳定
解决方案：检查信号源是否稳定，对 信号进行滤波处理，或采用隔离技术
隔离输入信号。
解决方案：采用低噪声器件，对信号 进行降噪处理，或采用隔离技术隔离 输入信号。
输入信号超范围
输入信号噪声大
解决方案：调整输入信号范围，使其 适应控制系统的要求，或采用保护电 路防止超范围输入。
数字量输出通道常见问题及解决方案
数字量输出通道的工作原理
01
02
03
当计算机发出数字信号 时，输出接口将接收到 的数字信号转换为适合 传输的信号，然后传输
给驱动电路。
驱动电路将数字信号转 换为模拟信号，并驱动 执行机构进行相应的动 作或调节控制参数。
执行机构根据接收到的 模拟信号，实现相应的 控制功能，如调节阀门 的开度、控制电机的转
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输出信号不准确
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在医疗设备中，数字量输入通道 可用于采集患者的生理参数，如 心电信号、血压等，为医生提供
准确的诊断依据。
03
数字量输出通道
数字量输出通道的概述
1
数字量输出通道是计算机控制系统中的重要组成 部分，用于将计算机发出的数字信号转换为控制 设备可以识别的信号。
2
它通常由一系列硬件和软件组成，包括输出接口 、驱动电路和执行机构等。
更强大的可编程能力
未来的数字量输入输出通道将 具备更强大的可编程能力，使 得用户可以根据自己的需求进
行定制化的开发。
更完善的生态系统
为了满足不断增长的需求，未来的数字量输入输出通道将需要构建一个更加完善的生态系统，包括硬件、软 件、开发工具和社区支持等各个方面。
THANKS
输入信号不稳定
解决方案：检查信号源是否稳定，对 信号进行滤波处理，或采用隔离技术
隔离输入信号。
解决方案：采用低噪声器件，对信号 进行降噪处理，或采用隔离技术隔离 输入信号。
输入信号超范围
输入信号噪声大
解决方案：调整输入信号范围，使其 适应控制系统的要求，或采用保护电 路防止超范围输入。
数字量输出通道常见问题及解决方案
数字量输出通道的工作原理
01
02
03
当计算机发出数字信号 时，输出接口将接收到 的数字信号转换为适合 传输的信号，然后传输
给驱动电路。
驱动电路将数字信号转 换为模拟信号，并驱动 执行机构进行相应的动 作或调节控制参数。
执行机构根据接收到的 模拟信号，实现相应的 控制功能，如调节阀门 的开度、控制电机的转
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输出信号不准确
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第三讲：数字量输入输出通道
2019年5月21日
感谢你的观看
9
要注意的是，用于驱动发光管的电
源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一
个电源，必须分开单独供电，才能有效避
免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；
另外，发光二极管的动态电阻很小，也可
以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用
光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离
电磁场的电干扰。
2019年5月21日
感谢你的观看
11
+5V
+5V
74LS273
+5V 74LS273
数
D7~D0 据
+
缓
冲
器
-
c
数
D7~D0 据
+
缓
冲
器
e
-
选通脉冲
选通脉冲
(a 数字量同相传递 图 4-3 光电耦合隔离电路
(b 数字量反相传递
2019年5月21日
链接动画
感谢你的观看
+5V c e
12
数字量反相传递如图4-3（b）所示，与（a） 不同的是光耦的集电极 c 端直接接另一个正 电源，而发射极 e 端通过电阻接地，则光耦输 出端从发射极 e 端引出。从而完成了数字信号 的反相传递。
数字量同相传递如图4-3（a）所示，光耦的输入正 端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器 上，光耦的集电极 c 端通过电阻接另一个正电源， 发射极 e 端直接接地，光耦输出端即从集电极c 端引 出。当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使得 光敏管导通，输出 c 端接地而获得低电平“0”；当数 据线为高电平“1”时，发光管截止不发光，则光敏管也截 止使输出 c 端从电源处获得高电平“1”。如此，完成 了数字信号的同相传递。
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⑴当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光， 使得光敏管导通，输出 e 端从电源处获得高电平“1”。 ⑵当数据线为高电平“1”时，发光管截止不发光， 则光敏管截止，使输出 e 端接地而获得低电平“0”；
如此，完成了数字信号的反相传递。 即：输入为低（高）输出为高（低）；
4.2
数字量输入通道
主要知识点
典型的开关量输入信号调理电路如图 4-4 所示。 点划线右边是由开关S与电源组成的外部电路。 （a）是直流输入电路 开关S的状态经 RC滤波、稳压管D1箝位保护、电阻 R2限流、二极管D2防止反极性电压输入以及光耦隔离等 措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便 可读取开关S的状态。 ⑴当开关S闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的 发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入 信号为“0”对应外电路开关S的闭合； ⑵开关S断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管 截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电 路开关S的断开。
CR GATE1 CE
PC总线
Dz C
CLK1 OUT1 CLK2 光耦 +5V OUT2 GATE0 GATE2 OL 计数通道1
图 4-5 脉 冲 计 数 输 入 电 路
链接动画
图4-5为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频 率信号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道1的 CLK1口。8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时 器。图中，计数通道0工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉 冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（N为通道0的计数 初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道1的采样 时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道1和2均选为 工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使两者构成一个计数长度为 232的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲计数。 如果获得TS时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内的脉 冲个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或电机的 转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速 度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量或转数)为K， 则介质的流量或电机的转数就为n/TS· K。
第四章:数字量输入输出通道
1、光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路；
2、数字量输入通道中几种典型电路；
3、数字量输出通道几种典型驱动电路；
本章主要内容 引言 4.1 光电耦合隔离技术 4.2 数字量输入通道 4.3 数字量输出通道 4.4 DI/DO模板 本章小结 思考题
4.2.1 开关输入电路
凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关， 其端子引出均统称为开关信号。 在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术， （1）电平转换—用电阻分压法把现场的电流信号转换为 电压信号。 （2）RC滤波—用 RC 滤波器滤出高频干扰。 （3）过电压保护—用稳压管和限流电阻作过电压保护； 用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。 （4）反电压保护—串联一个二极管防止反极性电压输入。 （5）光电隔离—用光耦隔离器实现计算机与外部的完全 电隔离。
4.1.2
光电耦合隔离电路
典型的光电耦合隔离电路有：数字量同相传递 与数字量反相传递两种，如图 4-3 所示。 数字量同相传递如图4-3（a）所示
⑴当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使
得光敏管导通，输出 c 端接地而获得低电平“0”； ⑵当数据线为高电平“1”时，发光管截止且不发 光，则光敏管截止，使输出 c 端从电源处获得高电平“1”。
4.2.2 脉冲计数电路
有些用于检测流量、转速的传感器发出的 是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种 定时计数输入接口电路，即在一定的采样时 间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器 的比例系数可换算出所检测的物理量。
系统时钟 +12V R R VC C TS TW
8253/8254 CLK0 OUT0
引言
4.2.1 开关输入电路
4.2.2 脉冲计数电路
引言
数字量输入通道（ DI 通道）的任务 -- 是把
生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的 形式。
信号调理电路 -- 虽然都是数字信号，不需进行
A/D转换，但对于通道中可能引入的各种干扰必须 采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之 间要设置输入信号调理电路。
现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为 例来说明它的结构原理，如图 4-2 所示。
+ 5V + 5V
+
输 入端
输出端
链接动画
★ 当发光二极管有正向电流通过时，即产生 红外 光。 ★ 光敏三极管接收光以后便导通。 ★ 而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。 利用这种特性即可达到开关控制的目的。 ★ 输入、输出端两个电源必须单独供电，如图4-11所示、 图4-12所示。
如此，完成了数字信号的同相传递。 即：输入为低（高）输出为低（高）；
+5V
74LS273
+5V
745V
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
-
e
选通脉冲
-
e
选通脉冲
(a 数字量同相传递
图 4-3 光电耦合隔离电路
(b 数字量反相传递
链接动画
数字量反相传递如图4-3（b）所示
+V CC 到输入 缓冲器 R3 D2
R2
S
D1 光耦
R1
C1
+ -
(a) 直流输入电路 +V CC 到输入 缓冲器 R3 D2 C1 D1 光耦 R1
R2
C2
S
R3
(b) 交流输入电路 图 4-4 开关量输入信号调理电路
链接动画
（b）是交流输入电路。 交流输入电路比直流输入电路多一个降压 电容和整流桥块，可把高压交流（如380VAC） 变换为低压直流(如5VDC)。
4.1
光电耦合隔离技术
主要知识点
4.1.1 光电耦合隔离器 4.1.2 光电耦合隔离电路
4.1.1
光电耦合隔离器
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、 单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图4-1所示。
它们的原理是相同的，即通过电～光～电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
在微机控制系统中，除了要处理模拟量 信号以外，还要处理另一类数字信号，包括 开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻 辑“1”和“0”或电平的高和低出现的。如 开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭， 继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动 和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关 闭，仪器仪表的 BCD 码，以及脉冲信号的 计数和定时等等 。
如此，完成了数字信号的反相传递。 即：输入为低（高）输出为高（低）；
4.2
数字量输入通道
主要知识点
典型的开关量输入信号调理电路如图 4-4 所示。 点划线右边是由开关S与电源组成的外部电路。 （a）是直流输入电路 开关S的状态经 RC滤波、稳压管D1箝位保护、电阻 R2限流、二极管D2防止反极性电压输入以及光耦隔离等 措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便 可读取开关S的状态。 ⑴当开关S闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的 发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入 信号为“0”对应外电路开关S的闭合； ⑵开关S断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管 截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电 路开关S的断开。
CR GATE1 CE
PC总线
Dz C
CLK1 OUT1 CLK2 光耦 +5V OUT2 GATE0 GATE2 OL 计数通道1
图 4-5 脉 冲 计 数 输 入 电 路
链接动画
图4-5为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频 率信号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道1的 CLK1口。8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时 器。图中，计数通道0工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉 冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（N为通道0的计数 初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道1的采样 时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道1和2均选为 工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使两者构成一个计数长度为 232的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲计数。 如果获得TS时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内的脉 冲个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或电机的 转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速 度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量或转数)为K， 则介质的流量或电机的转数就为n/TS· K。
第四章:数字量输入输出通道
1、光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路；
2、数字量输入通道中几种典型电路；
3、数字量输出通道几种典型驱动电路；
本章主要内容 引言 4.1 光电耦合隔离技术 4.2 数字量输入通道 4.3 数字量输出通道 4.4 DI/DO模板 本章小结 思考题
4.2.1 开关输入电路
凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关， 其端子引出均统称为开关信号。 在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术， （1）电平转换—用电阻分压法把现场的电流信号转换为 电压信号。 （2）RC滤波—用 RC 滤波器滤出高频干扰。 （3）过电压保护—用稳压管和限流电阻作过电压保护； 用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。 （4）反电压保护—串联一个二极管防止反极性电压输入。 （5）光电隔离—用光耦隔离器实现计算机与外部的完全 电隔离。
4.1.2
光电耦合隔离电路
典型的光电耦合隔离电路有：数字量同相传递 与数字量反相传递两种，如图 4-3 所示。 数字量同相传递如图4-3（a）所示
⑴当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使
得光敏管导通，输出 c 端接地而获得低电平“0”； ⑵当数据线为高电平“1”时，发光管截止且不发 光，则光敏管截止，使输出 c 端从电源处获得高电平“1”。
4.2.2 脉冲计数电路
有些用于检测流量、转速的传感器发出的 是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种 定时计数输入接口电路，即在一定的采样时 间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器 的比例系数可换算出所检测的物理量。
系统时钟 +12V R R VC C TS TW
8253/8254 CLK0 OUT0
引言
4.2.1 开关输入电路
4.2.2 脉冲计数电路
引言
数字量输入通道（ DI 通道）的任务 -- 是把
生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的 形式。
信号调理电路 -- 虽然都是数字信号，不需进行
A/D转换，但对于通道中可能引入的各种干扰必须 采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之 间要设置输入信号调理电路。
现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为 例来说明它的结构原理，如图 4-2 所示。
+ 5V + 5V
+
输 入端
输出端
链接动画
★ 当发光二极管有正向电流通过时，即产生 红外 光。 ★ 光敏三极管接收光以后便导通。 ★ 而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。 利用这种特性即可达到开关控制的目的。 ★ 输入、输出端两个电源必须单独供电，如图4-11所示、 图4-12所示。
如此，完成了数字信号的同相传递。 即：输入为低（高）输出为低（高）；
+5V
74LS273
+5V
745V
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
D7~D0
数 据 缓 冲 器
c +
-
e
选通脉冲
-
e
选通脉冲
(a 数字量同相传递
图 4-3 光电耦合隔离电路
(b 数字量反相传递
链接动画
数字量反相传递如图4-3（b）所示
+V CC 到输入 缓冲器 R3 D2
R2
S
D1 光耦
R1
C1
+ -
(a) 直流输入电路 +V CC 到输入 缓冲器 R3 D2 C1 D1 光耦 R1
R2
C2
S
R3
(b) 交流输入电路 图 4-4 开关量输入信号调理电路
链接动画
（b）是交流输入电路。 交流输入电路比直流输入电路多一个降压 电容和整流桥块，可把高压交流（如380VAC） 变换为低压直流(如5VDC)。
4.1
光电耦合隔离技术
主要知识点
4.1.1 光电耦合隔离器 4.1.2 光电耦合隔离电路
4.1.1
光电耦合隔离器
光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、 单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图4-1所示。
它们的原理是相同的，即通过电～光～电这种信号转换， 利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。
在微机控制系统中，除了要处理模拟量 信号以外，还要处理另一类数字信号，包括 开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻 辑“1”和“0”或电平的高和低出现的。如 开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭， 继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动 和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关 闭，仪器仪表的 BCD 码，以及脉冲信号的 计数和定时等等 。