计算机控制技术(第三版) 第2章

图2-2 典型的开关量输入/输出通道结构图
1.CPU接口逻辑 2.输入缓冲器和输出锁存器
输入缓冲器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。
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，不同之处主要 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。
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 反极性和高压保护电路 (a)反极性保护；(b)高压保护
4.消除触点抖动
若开关量输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。
图2-7 开关或触点闭合及断开时的抖动
图2-1 过程通道与人机接口
2.1 过程通道的分类
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。它的主要功能是将随时间连续变化的 模拟输入信号经检测、变换和预处理后，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。
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。
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”形式出现的，其信号可能 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。
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，近年来还出现了硬件卡＋软件驱动程序 (driver)等应用更为方便的产品。
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。
第2章 开关量输入/输出通 道与人机接口
➢2.1 过程通道的分类 ➢2.2 开关量输入/输出通道 ➢2.3 人机接口——键盘 ➢2.4 人机接口——数字显示方法
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。
(4)数字量输出通道。有的执行部件只要求提供数字量，例 如步进电机的控制电机启停和报警信号等，这时应采用数字量 输出通道。
2.2 开关量输入/输出通道
在计算机控制系统中，除了模拟量的输入/输出外，还需 要处理另一类最基本的输入/输出信号——开关量信号。这类 信号以二值逻辑“1”和“0”来表示。
开关量信号的电气接口形式可能多种多样，例如TTL电 平、CMOS电平、非标准电平、开关或继电器的触点等；输出 信号常要求有一定的驱动能力。工业现场存在着电磁、震动、 温度和湿度等各种干扰与影响，因此，在开关量输入/输出通 道中需采取各种缓冲、隔离与驱动措施。
下面针对不同的情况分别Hale Waihona Puke Baidu绍相应的调理方法。
1.信号转换电路
(1)电压或电流输入电路如图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)开关触点型信号输入
解决开关或触点的抖动问题可采用如图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的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。
(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。
(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。 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；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。
2.滤波电路
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。
图2-4 RC低通滤波电路
3.保护电路
为了防止过电压、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(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。