计算机控制技术输入输出接口与过程通道
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开关量输入
执行机构
DI DO
生 产 对 象
开关量输出
打印机
实时 时钟 通用外部设备
操作 台 接口 外部通道 检测及变送 控制对象
主机及操作台
计算机控制系统原理图
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什么是接口？
接口(电路)---是计算机与外部设备交换信息的桥梁。
输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。
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（2）大功率输入调理电路
在大功率系统 中，需要从电磁开 关等大功率电气开 关的接点输入信号， 检查开关的状态。 这种情况下，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，电路又简单， 因而被广泛采用。 这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光 电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。
在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过 程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输 入输出接口。
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Interface
软件 接口
显示终端
AI
A\D D\A 多路开关 接口 接口 接口
变送器 传感器
磁盘驱动器
微 型 计 算 机
AO反多路开关
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固态继电器
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（4）光电隔离驱动
图（a）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信 号；图（ b）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器） 式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点 控制的回路。 图（a）和（b）中设置反相器B及与非门A的目的，一是 驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非 门后要同时满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。
2.I/O端口地址译码电路信号（地址、控制信号AEN、IOR、 IOW等组合作为地址译码信号） 3.I/O端口地址译码方法及电路形式 （1）固定地址译码
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3.I/O端口地址译码方法及电路形式 （2）开关选择译码
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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
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设计过程通道的注意点：
设计过程通道时要考虑信息交换的效率、信息交 换的形式等。 ① 速度的匹配 （快速的CPU与慢速的外设）
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简单数字量输出接口
可用下列指令完成8位开关量 的输出控制。 MOV AL, DATA
MOV DX,
OUT DX,
port
AL
图中， 273 的 CLK 上升沿锁存数 据。在执行 OUT 指令时 , 经过端 口地址译码，得到片选信号 /CS ， 同时产生 /IOW 信号。两个信号 都变低时， CLK 也变低， Q=D, 然 后 /IOW 变高， CLK 上升沿锁存输 出。
（3）固态继电器驱动
固态继电器(SSR)是一种四端有源器件，上图为固态 继电器的结构和使用方法。 输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路 可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干 扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信 号。 27
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什么是过程通道？
过程通道是在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。 包括:
模拟量输入通道(AI—Analog Input channel) 模拟量输出通道(AO—Analog Output channel) 数字量(开关量)输入通道(DI—Digital Input channel) 数字量(开关量)输出通道(DO—Digital Output channel)
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2. 输出驱动电路
（1）功率晶体管驱动
采用功率晶体管输 出驱动继电器的电路如 图所示。 因负载呈电感性， 所以晶体管集电极必须 加装克服反电势的保护 二极管D，J为继电器的 线圈。
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（2）达林顿阵列输出驱动
输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 接口技术 ---是研究计算机与外部设备之间如何交换信 息的技术。
简单接口电路, 接口芯片 并行, 串行 地址安排 速度匹配: 查询, 中断,
定时传送,
DMA
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2.1 总线扩展技术
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1 简单数字量输入接口
如下指令完成8个开关 量采集： MOV DX, port IN AL, DX 在执行 IN 指令时， 经过端口地址译码，得 到片选信号/CS，同时产 生信号 /IOR ， 打开缓冲 器，外部状态经总线到 达CPU。
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（1）小功率输入调理电路
开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成TTL 电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点机械抖 动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。
图(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动 的方法。图(b)所示为用R-S触发器消除开关弹跳的方法。
第二章 输入输出接口与过程通道
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本章主要内容
数字量输入输出通道 A/D转换器及其接口技术 模拟量输入通道 D/A转换器及其接口技术 模拟量输出通道
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输入输出接口与过程通道
（2）扩展卡上的I/O接口 4. I/O端口地址选用原则
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2.1 总线扩展技术
2.1.2 I/O地址译码技术
三种译码方式：
（1）线选法 （2）全译码法 （3）部分译码
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2.3 模拟量输入接口与过程通道
模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号， 变成二进制数字信号，经接口送往计算机。
2.3.1 模拟量输入通道组成
（I/V变换），多路转换开关,(前置放大器),采样保 持器, A/D转换器，接口控制电路等
MCl416 是达林顿阵列驱 动器，它内含7个达林顿复合 管，每个复合管的电流都在 500mA以上，截止时承受100V 电压。为了防止 MCl416 组件 反向击穿，可使用内部保护 二极管。左图给出了 MCl416 内部电路原理图和使用方法。
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数字量（开关量）的概念 开关的开－断 触点的闭－合 电平的高－低 电机的启－停 阀门的开－闭 指示灯的亮－灭等等
特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示
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数字量（开关量）的种类
按类型分: 电平式和触点式两种
② CPU与外设的同步与通信联络
（何时可以发送数
据及接收数据）
③ 输入/输出信号形式转换（A/D 、D/A） ④ 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、 驱动等
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2.2 数字量输入输出通道
本节主要内容
数字量的概念及种类 数字量输入接口 数字量输出接口 数字量输入输出通道 YANGZHOU UNIVERSITY
2.1.1 I/O端口与地址分配 1. I/O端口及I/O操作
（1）数据端口(CPU与外设交换数据)
（2）状态端口（外部设备忙？准备好？错误？） （3）命令端口（方式字、控制字） 2. I/O端口编址方式 （1）统一编址（将端口看成特殊存储单元） （2）独立编址 3. I/O端口地址分配
（1）系统板上的I/O接口
CLK 锁存
特点：简单，只能用无条件传 送方式工作
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2.2.2 数字量输入通道
1. 数字量输入通道结构
数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、 输入地址译码电路等组成，如图所示。输入缓冲器即前面 介绍过的数字量输入接口。
数字量输入通道的结构 YANGZHOU UNIVERSITY
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（3）隔离式处理电路
光电耦合式处理电路的主要器件是光电隔离器OI，它 由发光二极管和光敏三极管组成，如图（a）所示。 继电器耦合式信号处理电路如图（ b ）所示。当开关 （接点） S 断开时，继电器 K 线圈不通电，其接点断开， “非”门输入为高电平，输出u0 为低电平；当开关（接点） S接通时，继电器励磁，其结果输出u0变为高电平。
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2.2.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例
图2-19
PCL-730板卡组成框图
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2.2.4 数字（开关）量输入/输出通道模板举例
程序设计举例(基地址设为220H)： PCL-730板卡的开关量输入/ 输出都只需要二条指令就可以完成。 C语言程序如下： outportb(0x220，Ox55) outportb(Ox221，0x55) inportb(Ox220) inportb(Ox221) 汇编语言程序如下： MOV DX， 220H MOV AL， 55H OUT DX， AL MOV DX， 221H OUT DX， AL MOV DX， 220H IN AL， DX MOV AH， AL MOV DX， 221H IN AL， DX
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2.2.3 数字量输出通道
1. 数字量输出通道结构
数字量输出通 道主要由输出驱动 电路、输出锁存器、 输出口地址译码电 路等组成，如图所 示。输出锁存器即 前面介绍过的数字 量输出接口，或用 可编程接口芯片构 成的输出接口。
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2.3.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性 化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电 信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁， 也是测控系统中重要的组成部分。
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2.输入调理电路
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接 收外部装置或生产过程的状态信号。 这些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。
电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开
按电源分: 有源和无源两种
有源即直接提供高、低电平 无源即提供物理触点，或感应器件
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2.2.1 数字量输入输出接口技术
对生产过程进行控制，往 往要收集生产过程的状态信息， 根据状态信息，再给出控制量。 这里用三态缓冲器 74LS244 取 得状态信息
G=’0’ Y=A G=’1’ Y为高阻态
特点：简单，只能用无 条件传送方式工作
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1 简单数字量输出接口
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，这时输出就需要 锁 存 。 可 用 74LS273 作 8 位 输出锁存口 ，对状态输出 信号进行锁存。这是简单 数字量输出接口。
执行机构
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开关量输出
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输入接口：外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机。
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（2）大功率输入调理电路
在大功率系统 中，需要从电磁开 关等大功率电气开 关的接点输入信号， 检查开关的状态。 这种情况下，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，电路又简单， 因而被广泛采用。 这种电路，所用电压高，所以高压与低压之间，要用光 电耦合器进行隔离，然后接入计算机接口，如图所示。
在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过 程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输 入输出接口。
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（4）光电隔离驱动
图（a）所示光电隔离式驱动电路，它输出的是电平信 号；图（ b）所示光电隔离与中间继电器（或干簧继电器） 式驱动电路，它输出接点信号（称空接点），用以需要触点 控制的回路。 图（a）和（b）中设置反相器B及与非门A的目的，一是 驱动发光二极管，因并行口带负载能力有限。二是采用与非 门后要同时满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。
2.I/O端口地址译码电路信号（地址、控制信号AEN、IOR、 IOW等组合作为地址译码信号） 3.I/O端口地址译码方法及电路形式 （1）固定地址译码
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可用下列指令完成8位开关量 的输出控制。 MOV AL, DATA
MOV DX,
OUT DX,
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图中， 273 的 CLK 上升沿锁存数 据。在执行 OUT 指令时 , 经过端 口地址译码，得到片选信号 /CS ， 同时产生 /IOW 信号。两个信号 都变低时， CLK 也变低， Q=D, 然 后 /IOW 变高， CLK 上升沿锁存输 出。
（3）固态继电器驱动
固态继电器(SSR)是一种四端有源器件，上图为固态 继电器的结构和使用方法。 输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路 可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干 扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信 号。 27
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过程通道是在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。 包括:
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2. 输出驱动电路
（1）功率晶体管驱动
采用功率晶体管输 出驱动继电器的电路如 图所示。 因负载呈电感性， 所以晶体管集电极必须 加装克服反电势的保护 二极管D，J为继电器的 线圈。
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输出接口：计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 接口技术 ---是研究计算机与外部设备之间如何交换信 息的技术。
简单接口电路, 接口芯片 并行, 串行 地址安排 速度匹配: 查询, 中断,
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如下指令完成8个开关 量采集： MOV DX, port IN AL, DX 在执行 IN 指令时， 经过端口地址译码，得 到片选信号/CS，同时产 生信号 /IOR ， 打开缓冲 器，外部状态经总线到 达CPU。
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开关、继电器等触点状态（接通和断开），需转换成TTL 电平信号才能与计算机接口相连。为了清除开关接点机械抖 动而产生的振荡信号，一般都应用去抖电路来消除这种振荡。
图(a)所示为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动 的方法。图(b)所示为用R-S触发器消除开关弹跳的方法。
第二章 输入输出接口与过程通道
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（2）扩展卡上的I/O接口 4. I/O端口地址选用原则
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2.1.2 I/O地址译码技术
三种译码方式：
（1）线选法 （2）全译码法 （3）部分译码
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2.3 模拟量输入接口与过程通道
模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号， 变成二进制数字信号，经接口送往计算机。
2.3.1 模拟量输入通道组成
（I/V变换），多路转换开关,(前置放大器),采样保 持器, A/D转换器，接口控制电路等
MCl416 是达林顿阵列驱 动器，它内含7个达林顿复合 管，每个复合管的电流都在 500mA以上，截止时承受100V 电压。为了防止 MCl416 组件 反向击穿，可使用内部保护 二极管。左图给出了 MCl416 内部电路原理图和使用方法。
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数字量（开关量）的概念 开关的开－断 触点的闭－合 电平的高－低 电机的启－停 阀门的开－闭 指示灯的亮－灭等等
特点：状态仅有两个，可用一位二进制数码表示
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按类型分: 电平式和触点式两种
② CPU与外设的同步与通信联络
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③ 输入/输出信号形式转换（A/D 、D/A） ④ 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、 驱动等
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2.2 数字量输入输出通道
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数字量的概念及种类 数字量输入接口 数字量输出接口 数字量输入输出通道 YANGZHOU UNIVERSITY
2.1.1 I/O端口与地址分配 1. I/O端口及I/O操作
（1）数据端口(CPU与外设交换数据)
（2）状态端口（外部设备忙？准备好？错误？） （3）命令端口（方式字、控制字） 2. I/O端口编址方式 （1）统一编址（将端口看成特殊存储单元） （2）独立编址 3. I/O端口地址分配
（1）系统板上的I/O接口
CLK 锁存
特点：简单，只能用无条件传 送方式工作
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2.2.2 数字量输入通道
1. 数字量输入通道结构
数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、 输入地址译码电路等组成，如图所示。输入缓冲器即前面 介绍过的数字量输入接口。
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（3）隔离式处理电路
光电耦合式处理电路的主要器件是光电隔离器OI，它 由发光二极管和光敏三极管组成，如图（a）所示。 继电器耦合式信号处理电路如图（ b ）所示。当开关 （接点） S 断开时，继电器 K 线圈不通电，其接点断开， “非”门输入为高电平，输出u0 为低电平；当开关（接点） S接通时，继电器励磁，其结果输出u0变为高电平。
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程序设计举例(基地址设为220H)： PCL-730板卡的开关量输入/ 输出都只需要二条指令就可以完成。 C语言程序如下： outportb(0x220，Ox55) outportb(Ox221，0x55) inportb(Ox220) inportb(Ox221) 汇编语言程序如下： MOV DX， 220H MOV AL， 55H OUT DX， AL MOV DX， 221H OUT DX， AL MOV DX， 220H IN AL， DX MOV AH， AL MOV DX， 221H IN AL， DX
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1. 数字量输出通道结构
数字量输出通 道主要由输出驱动 电路、输出锁存器、 输出口地址译码电 路等组成，如图所 示。输出锁存器即 前面介绍过的数字 量输出接口，或用 可编程接口芯片构 成的输出接口。
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2.3.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性 化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电 信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁， 也是测控系统中重要的组成部分。
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2.输入调理电路
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接 收外部装置或生产过程的状态信号。 这些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。
电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开
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有源即直接提供高、低电平 无源即提供物理触点，或感应器件
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对生产过程进行控制，往 往要收集生产过程的状态信息， 根据状态信息，再给出控制量。 这里用三态缓冲器 74LS244 取 得状态信息
G=’0’ Y=A G=’1’ Y为高阻态
特点：简单，只能用无 条件传送方式工作
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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，这时输出就需要 锁 存 。 可 用 74LS273 作 8 位 输出锁存口 ，对状态输出 信号进行锁存。这是简单 数字量输出接口。