第2章輸入 輸出接口與過程通道 采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制 需要采集生產(chǎn)過程中的各種必要信息 參數(shù) 并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)據(jù)形式 送入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后 形成所需要的控制信息 以生產(chǎn)過程能接受的信號(hào)形式輸出 以便實(shí)現(xiàn)控制 顯示 打印等各種功能 輸入 輸出通道 簡稱過程通道或I O通道 就是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間進(jìn)行信息傳送和變換的連接通道 過程通道按變換傳遞信號(hào)的種類分 模擬量通道和數(shù)字量通道 按信號(hào)傳輸?shù)姆较蚍?輸入通道和輸出通道 或前向通道和后向通道 主機(jī)和外圍設(shè)備交換信息時(shí) 往往存在著速度不匹配 數(shù)據(jù)類型不一樣等問題 為了解決這些問題 必須設(shè)計(jì)一套介于主機(jī)和外部設(shè)備之間的控制邏輯部件 這就是輸入輸出接口 簡稱I O接口 I O接口是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件 電路 也是主機(jī)和外圍設(shè)備之間信息交換的橋梁 第2章輸入 輸出接口與過程通道 2 1輸入 輸出接口 2 2過程通道的一般結(jié)構(gòu) 2 3信號(hào)的采樣和量化 2 4模擬量輸入通道的信號(hào)調(diào)理電路 2 5模擬開關(guān)及采樣保持 2 6A D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 2 7模擬量輸出通道 2 8數(shù)字量輸入與輸出通道 2 9I O通道的抗干擾技術(shù) 2 1輸入 輸出接口 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 過程通道或外部設(shè)備是不能直接與中央處理單元 CPU 連接的 因?yàn)樗鼈兊乃俣?數(shù)據(jù)格式不一定相同 信號(hào)形式也不一定相匹配 為了便于兩者交換信息 需要通過一個(gè)中間環(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來 該中間環(huán)節(jié)就是接口電路 主要實(shí)現(xiàn) 電平變換 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 緩沖和狀態(tài)信息提供等功能 2 1 1接口技術(shù) 微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí) 外部設(shè)備 簡稱外設(shè) 與CPU之間的信息交換是十分頻繁的 CPU與外設(shè)所交換的信息有數(shù)據(jù)信息 控制信息和狀態(tài)信息 為了CPU對(duì)外設(shè)尋址 還需要有地址信息 為了保證信息的正確傳送 I O接口設(shè)有三種端口 即數(shù)據(jù)端口 狀態(tài)端口和控制端口 負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)信息的傳送 接口技術(shù)就是研究CPU與外設(shè)之間如何交換信息的技術(shù) 主要涉及如下幾方面 1 數(shù)據(jù)緩沖 實(shí)現(xiàn)不同速度器件的同步 2 功能尋址 從多臺(tái)設(shè)備中選擇所需設(shè)備 3 命令譯碼 解釋和產(chǎn)生各種信息操作 4 同步控制 協(xié)調(diào)被連接部件 實(shí)現(xiàn)同步 5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 如并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù) 6 電平轉(zhuǎn)換 7 中斷接口 實(shí)現(xiàn)各種中斷功能 8 總線驅(qū)動(dòng) 2 1 2I O信號(hào)的種類 外部設(shè)備與CPU之間交換的信息按功能通常分為三類信息 數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息 1 數(shù)據(jù)信息 1 數(shù)字量 數(shù)字量是指時(shí)間上 幅值上離散的信號(hào) 一般是以二進(jìn)制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符 如由鍵盤 撥碼開關(guān)等輸入的信息 主機(jī)送給顯示器 打印機(jī)的輸出信息等 2 模擬量 模擬量是指時(shí)間上 幅值上連續(xù)變化的物理量 如生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的壓力 溫度 液位 速度 重量 位移等 3 開關(guān)量 只有開關(guān)兩種狀態(tài) 通常用一位二進(jìn)制數(shù)來表示 如開關(guān)的閉合和斷開 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止 閥門的打開和關(guān)閉等 2 狀態(tài)信息 狀態(tài)信息也稱握手信息或應(yīng)答信息 它反映了與CPU連接的外設(shè)的當(dāng)前工作狀態(tài) 是外設(shè)通過接口發(fā)往CPU的信息 作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào) 例如 狀態(tài)信息中的 就緒 信號(hào)表示等待的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒 外部設(shè)備 忙 信號(hào)表示輸出設(shè)備是否處于空閑狀態(tài)等 信號(hào)輸入時(shí) CPU讀取 就緒 Ready 狀態(tài)信息 若準(zhǔn)備就緒則讀入數(shù)據(jù) 3 控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的信息 如控制外圍設(shè)備啟動(dòng) 停止 控制數(shù)據(jù)流向 控制輸入輸出等 CPU與外部設(shè)備之間的信息傳送是通過I O接口電路來完成的 I O接口通常是一塊大規(guī)模集成電路芯片 不同芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別很大 但從外部連接來看 可分為兩大部分 一部分是與外圍設(shè)備相連的 為保證信息的正確傳送 I O接口往往開辟不同的端口來傳送數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息和控制信息 另一部分是與系統(tǒng)總線相連的 CPU通過系統(tǒng)總線與I O接口相連 圖2 1外部設(shè)備通過接口和CPU的連接示意圖 2 1 3I O控制方式 在微機(jī)系統(tǒng)中 可采用的I O控制方式一般有3種 程序控制方式中斷控制方式直接存儲(chǔ)器存取方式 DMA方式 一 程序控制方式 程序控制方式是指數(shù)據(jù)在CPU與外設(shè)之間的傳送完全依靠程序來控制 它又分為無條件傳送方式和查詢傳送方式 條件傳送方式 1 無條件傳送方式當(dāng)外設(shè)已準(zhǔn)備就緒 就不必查詢外設(shè)的狀態(tài)而進(jìn)行信息傳輸 這就稱為無條件傳送 2 查詢傳送方式查詢傳送方式是指CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送依靠CPU查詢外部設(shè)備的狀態(tài)來確定 一 程序控制方式 查詢方式比無條件方式可靠 接口電路簡單 不占用中斷線 同時(shí)查詢程序也簡單 易于設(shè)計(jì)調(diào)試 特別適合于按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)過程 如 自動(dòng)線 定時(shí)數(shù)據(jù)采集等 該方式的缺點(diǎn)是 CPU在程序循環(huán)中因等待I O設(shè)備的就緒而不能做其他工作 使CPU的效率較低 倘若外部發(fā)生緊急事件 CPU不能立即響應(yīng) 因而實(shí)時(shí)性不好 二 中斷控制I O方式 在許多場(chǎng)合下 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有較高的要求 此時(shí)若采用查詢方式 則CPU會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間在循環(huán)等待中 實(shí)時(shí)性差 中斷技術(shù)的引用 很大程度上克服了這個(gè)弊端 比較好的解決外圍設(shè)備運(yùn)行速度較慢而CPU運(yùn)行速度較快的矛盾 提高了CPU效率 同時(shí)使控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性 中斷方式的應(yīng)用 要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須解決以下四個(gè)問題 1 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 2 正確判斷中斷源 3 實(shí)時(shí)響應(yīng) 4 按優(yōu)先權(quán)順序處理 三 DMA控制方式 DMA DirectMemoryAccess 方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式 這種方式工作時(shí) 存儲(chǔ)器與外設(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 而不通過CPU 因此稱為直接存取存儲(chǔ)器 2 1 4I O接口設(shè)計(jì) I O接口設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求和外圍設(shè)備的特性 選定各被控設(shè)備的I O控制方式 設(shè)計(jì)出合適的I O接口電路和相應(yīng)的接口控制程序 使CPU和被控設(shè)備之間能實(shí)時(shí) 可靠地交換信息 從而保證滿足實(shí)時(shí)控制 數(shù)據(jù)采集等提出的要求 I O接口設(shè)計(jì)方案選擇 1 選用現(xiàn)成的多功能I O接口板為了適應(yīng)系統(tǒng)I O擴(kuò)展的需要 每一種微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有配套的I O接口板 將I O接口板插到系統(tǒng)外引總線槽上 只要適當(dāng)選擇板上的有關(guān)選擇開關(guān) 選址開關(guān) 工作方式選擇開關(guān)等 就可與系統(tǒng)配套使用 2 自行開發(fā)設(shè)計(jì)I O接口電路該方式在具體做法上又有兩種方案 一是采用通用可編程接口芯片擴(kuò)展I O接口 所謂可編程接口 就是接口的通用部分由大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn) 其具體功能由程序來確定 如并行接口8255A 8155 串行接口8251A等 另一種方案是采用普通的緩沖器 鎖存器和譯碼器等芯片擴(kuò)展I O接口 如常用的接口芯片有地址 數(shù)據(jù)鎖存器74LS273和74LS373 8位三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖 驅(qū)動(dòng)器74LS244 地址譯碼器74LSl38 74LS139等 自行開發(fā)設(shè)計(jì)I O接口電路 針對(duì)性強(qiáng) 成本低 但開發(fā)周期長 2 2過程通道的一般結(jié)構(gòu) 2 2 1輸入輸出過程通道的基本概念在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制 需要將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的形式 計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算 處理后的結(jié)果還須變換成適合于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的信號(hào) 在計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道 2 2過程通道的一般結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道分為四類 模擬量輸入通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道 模擬量輸入通道 AnalogInput AI 采用傳感器或變送器將被控對(duì)象的模擬量參數(shù) 如壓力 溫度 液位 重量等 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào) 這些信號(hào)再經(jīng)A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中 數(shù)字量輸入通道 DigitalInput DI 通過轉(zhuǎn)換電路和接口電路將生產(chǎn)過程中的開關(guān)信號(hào) 數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)字信號(hào) 并送入計(jì)算機(jī)中 模擬量輸出通道 AnalogOutput AO 需經(jīng)過D A轉(zhuǎn)換 將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換成模擬量 輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于生產(chǎn)過程進(jìn)行控制或調(diào)節(jié) 數(shù)字量輸出通道 DigitalOutput DO 是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的電平 一般需要進(jìn)行信號(hào)隔離 功率驅(qū)動(dòng)等 2 2 2輸入通道的結(jié)構(gòu)類型 輸入通道的結(jié)構(gòu)主要取決于生產(chǎn)過程的環(huán)境和輸入信號(hào)的類型 數(shù)量 大小 在不考慮前端傳感器類型的情況下 輸入通道結(jié)構(gòu)歸納起來大致可以分為以下幾種 1 單信號(hào)輸入通道類型2 多信號(hào)輸入通道類型 1 單信號(hào)通道類型 現(xiàn)場(chǎng)中采集到的信號(hào)常見有以下幾種類型 高電壓 大電流模擬信號(hào) 低電壓 小電流模擬信號(hào) 脈沖信號(hào) 開關(guān)信號(hào)等 僅考慮單信號(hào)時(shí) 它們所對(duì)應(yīng)的輸入通道結(jié)構(gòu)如表2 1所示 2 多信號(hào)輸入通道類型 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)往往需要采集生產(chǎn)過程中的多個(gè)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 模擬量輸入通道根據(jù)應(yīng)用要求不同 可以有不同的結(jié)構(gòu)形式 一般結(jié)構(gòu)如圖2 2所示 由傳感器及檢測(cè)裝置 信號(hào)調(diào)理電路 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 采樣保持器 A D轉(zhuǎn)換器 接口電路等組成 圖2 2模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu) 2 2 3輸出通道的結(jié)構(gòu)類型 輸出通道的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)過程的具體控制任務(wù)密切相關(guān) 取決于控制執(zhí)行器所需要的信號(hào)類型和功率大小等 輸出過程通道根據(jù)輸出信號(hào)形式和控制對(duì)象特點(diǎn) 其結(jié)構(gòu)形式如圖2 3所示 圖2 3輸出過程通道結(jié)構(gòu)