2.1 2.2 数字量输入输出通道

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接口芯片片内寻址:部分低位地址连接到接口芯片,经 芯片内部的译码电路实现接口芯片的片内寻址。
(1)固定地址译码
该方法是PC系统板卡常用的方法 图中:A9-A3=1110100B
(2)开关选择译码
图中;74LS688是比较器,地址总线上发出的地址和开关设置的地址相比较,如相等, 比较器的输出端输出有效的低电平,该板卡被选中。ISA总线常采用此方法。 A15-A0=0000 0011 1110 A3A2A10B,Y0=03E0H。
SSR的输出端可以是直流也可以是交流,分别称为直流型 SSR 和交流型 SSR 。直流型 SSR 内部的开关组件为 功率三极管,交流型 SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交 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。
续流二极管在功率晶体管关闭时,为继电器线圈产生的反电动势提 供旁路通道,保护晶体管。

继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性,所以输出必须加装
克服反电势的保护二极管D,J为继电器 的线圈。
D的作用是泄流,通过D放掉J上所带 的电荷,防止反向击穿。
R=?(作用是限流)
(2)中功率(50-500mA)直流驱动电路 : 中功率晶体管, 达林顿驱动器
S 的断开。
2.2.3 数字量输出通道 1、数字量输出通道的结构
P

C
输出
输出


锁存
驱动

线



地址译码器
数字量输出通道简称 DO 通道,它的任务是把计算机输出 的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动 信号。根据现场负荷的不同,如指示灯、继电器、接触器、 电机、阀门等,可以选用不同的功率放大器件构成不同的 开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继 电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输 出驱动电路等。
达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构如下图:MC1416 内含7对达林顿复合管,每个复合管的集电极电流可达500mA,截止时能承受 100V电压,其输入输出端均有箝位二极管,输出箝位二极管D2抑制高电位上发 生的正向过冲,D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。
Di
1B
7406
固态继电器SSR是一个四端组件,有两个输入端、两 个输出端。左图所示为其结构原理图,共由五部分组成。
光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用,
同时使两端在电气上完全隔离;控制触发电路是为后级提
供一个触发信号,使电子开关(三极管或晶闸管)能可靠
地导通;电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电
直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型 SSR 主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为 4 -32 V,输入电流5-10 mA。它的输出端为晶体
管输出,输出工作电压为 30 - 180 V。
交流型 SSR 主要用于交流大功率控制。一般取输入电压 为4-32V,输入电流小于 500 mA。它的输出端为双向 晶闸管,一般额定电流在1A -100 A范围内,电压多 为 380 V 或 220 V。下图 为一种常用的固态继电 器驱动电路,当数据线Di 输出数字“0”时,经7406反相变 为高电平,使NPN型三极管导通, SSR输入端得电则输出 端接通大型交流负荷设备RL。
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
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)。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。比如,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; 反之,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
- R-S触发器去抖
•大功率输入调理电路 当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时,为了
使接点工作可靠,接点两端至少要加24V以上的直流电压 (因为直流电平的响应快,不易产生干扰)。但是这种电路, 由于所带电压高,所以高压与低压之间,用光电耦合器进行 隔离。
光电隔离:通常使用一个光耦将电子信号转换为光信号,在 另一边再将光信号转换回电子信号。如此,这两个电路就可 以互相的隔离。
触器的吸合与释放,马达的启动与停止,阀门的打开与 关闭等。
共同特征:这些信号的是以二进制的逻辑 “1”和 “0”出现的,代表生产过程的一个状态。
2.2.1 数字量输入输出接口
1、数字量输入接口(DI)
三态门缓冲器74LS244 (74HC,LVT,AHCT244)
MOV DX, port
IN AL, DX
2.2.4 数字(开关)量输入/输出通道模板举例
+24V 负荷线圈 1C 达林顿复合管 GND
图 4-8 达林顿阵列驱动电路
(3)大功率(500mA以上)直流驱动电路 : 达林顿驱动器 ,
固态继电器,场效应管。
固态继电器 SSR (Solid State Relay) 是一种新型的无触点开关的电子继电器,它利用电子技术 实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合,而 且没有任何可动部件或触点,却能实现电磁继电器的功能, 故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械 噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优 点,在计算机控制系统中得到广泛的应用,大有取代电磁 继电器之势。
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
教材中给出的交流型 SSR用法如下图;
图中零交叉电路在交流电过零时产生 触发信号,减少干扰。 器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。(如:MOC3040/3041)
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。
(4)反电压保ห้องสมุดไป่ตู้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。
ISA

输入
输入


缓冲
调理

线

电路

地址译码器
注意教材图2-6错误
•2. 输入调理电路 生产过程状态信号的形式可能是电压、
电流、开关的触点,因此引起瞬时高压、 过电压、接触抖动等现象。
为了将外部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够接收 的逻辑信号,这些功能称为信号调理。
1.I/O端口及I/O操作 (1)数据端口 (2)状态端口 (3)命令端口
CPU与外设之间的数据输入输出、联络、控制等操作,都 是通过对相应端口的读/写操作完成的。
2. I/O端口编址方式 (1)统一编址:把系统中的每一个I/O端口看作一个
存储单元,与存储单元一样统一编址,不用设置专门的 I/O指令。单片机采用这种编址方式。
利用74LS273可以锁存8个开关状态。
注意:硬件组成、软件设计(汇编、C语言)
锁存器74LS273(74LS373,573)
利用IOW上 升沿锁存 MOV AL,DATA MOV DX, port OUT DX,AL
注:目前已有多 种单片机无总线 读写等控制信号
2.2.2 数字量输入通道 •1. 数字量输入通道的结构
2、输出驱动电路
在数字量输出通道中,关键是驱动,因为从锁存器中出来的是TTL 电平,驱动能力有限,所以要加上驱动电路。
(1)小功率(10-40mA)直流驱动电路 :
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。
功率晶体管输出驱动继电器电路
第2章 输入输出接口与过程通道
接口:计算机与外部设备交换信息的桥梁,包 括输入和输出接口。
接口技术:研究计算机与外部设备之间如何交 换信息的技术。
过程通道:计算机和生产过程之间设置的信息 传送和转换的连接通道。(AI、AO、DI、DO)
2020年3月1日7时25分
2.1 总线扩展技术
2.1.1 微型计算机系统I/O端口与地址分配
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。
常用的达林顿驱动器有:MC1416,7路驱动,带保护 二极管 。ULN2803
(2)独立编址:I/O端口单独编址,采用专门的I/O指 令。80×86系列机。
2.1.2 I/O端口地址译码技术
1. I/O端口地址译码电路信号
译码电路不仅与地址信号有关,而且与控制信号有关。 其中,ISA总线中,使用A0~A9 、IOW、IOR 等信号组合。
2.I/O端口地址译码方法及电路形式
源;吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对 开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害,一般由RC 串联网络和压敏电阻组成;零压检测电路是为交流型SSR 过零触发而设置的。
SSR 的输入端与晶体管、TTL、CMOS 电路兼容,输出端 利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端 施加一定的弱电信号,就可以控制输出端大电流负载的通断。
译码方式 (1)线选法:就是直接以某位地址信号作为芯片的片选
信号。 (2)译码法:就是使用译码器对高位地址进行译码,以
其译码输出作为扩展芯片的片选信号。
I/O端口地址译码一般采用译码法,分为片选信号及I/O接 口芯片内部端口寻址两部分:
片选信号:采用部分高位地址线与CPU或总线的控制信 号组合经译码电路产生片选信号;
在开关输入电路中,主要是考虑信号调理技术, 如电平转换,RC滤波,过电压保护,反电压保护,光 电隔离等。
(1)电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信 号。 (2)RC滤波是用 RC 滤波器滤出高频干扰。
(3)过电压保护是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。
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。
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