1、第二章第二章 輸入輸出接口與過程通道輸入輸出接口與過程通道 接口接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，包括輸入接口和輸出接口。 接口技術接口技術是研究計算機與外部設備之間如何交換信息的技術。 過程通道過程通道是在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道，它包括ai，ao，di，do。第二章第二章 輸入輸出接口與過程通道輸入輸出接口與過程通道問題：為什么要采用輸入輸出接口？1 速度不匹配。2 信號電平不匹配。3 信號格式不匹配。4 時序不匹配。補充知識補充知識1 串行接口和串行通信，并行接口和并行通信 2 全雙工方式，半雙工方式3 同步通信方式，異步通信方式第二章第二章 輸入輸出接口與

2、過程通道輸入輸出接口與過程通道2.1 總線技術2.2 數(shù)字量輸入過程通道2.3 數(shù)字量輸出過程通道2.4 模擬量輸入過程通道2.5 模擬量輸出過程通道2.1 總線技術總線技術 總線：計算機各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號線。 以微處理器為核心，總線可以分為內部總線和外部總線，而內部總線又可分為片級總線和系統(tǒng)總線。 pc/isa/eisa總線總線 1981年，62線的ibm pc總線誕生，是isa總線的前身。 1987年，ieee正式制定了isa (industry standard architecture)總線標準。isa總線數(shù)據(jù)線寬度為16位，地址線寬度為24位，總線

3、時鐘為8mhz。 eisa (extended industry standard architecture)是為32位中央處理器設計的總線擴展工業(yè)標準。它總線寬度為32位，總線頻率為16mhz。 pci總線總線 pci(peripheral component interconnect：外圍部件互聯(lián))是美國sig集團推出的64位總線，該總線的最高總線頻率為33mhz，數(shù)據(jù)傳輸率為80mb/s。pci總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結構上看，pci是在cpu和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路（北橋芯片）實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調數(shù)據(jù)的傳送。

4、pci和isa總線之間也通過橋接電路（南橋芯片）相連。 rs-232/rs-422/rs-485串行通信串行通信總線總線 rs-232總線是目前廣泛使用的串行通信接口標準。美國電子工業(yè)協(xié)會（eia electronic industries association）制定的串行接口標準。 rs-422a采用了平衡驅動和差分接收方法，解決了rs-232中存在的地電平的電位差問題。它需要兩對平衡差分電路形成全雙工傳輸電路。 rs-485是rs-422a的變型，為半雙工工作方式。 usb 通用串行總線通用串行總線 usb產生的原因在于新型電腦外設對計算機接口技術提出了更高的要求： 要求高速的雙向數(shù)據(jù)傳

5、輸； 要求免除總線擴展板卡，不必打開機箱； 要求可熱插拔，即插即用； 可以方便地連接多臺設備； 可以免除設備外接電源。usb 通用串行總線通用串行總線usb的主要性能特點有：（1）具有熱插拔功能。（2）采用“級聯(lián)”的方式連接各個設備。每個usb設備用一個usb插頭連接到前一個設備的usb插座上，最多可達127個外設，兩個外設間距離可達5m。（3）可適用于低速外設連接。 2.2 數(shù)字量輸入過程通道數(shù)字量輸入過程通道數(shù)字量（開關量）1，02.2.1 數(shù)字量輸入過程通道的結構2.2.2 輸入調理電路2.2.3 數(shù)字量輸入接口（輸入緩沖器）2.2 數(shù)字量輸入過程通道2.2.1 數(shù)字量輸入過程通道的結構

6、數(shù)字量輸入過程通道的結構2.2 數(shù)字量輸入過程通道 輸入調理電路2.2.2 輸入調理電路 2.2 數(shù)字量輸入過程通道 為了將外部的開關量信號安全有效的輸入到計算機，必須將現(xiàn)場的信號經過轉換，保護，濾波，隔離等措施轉換成計算機能夠接受的邏輯信號，這些功能稱為信號信號調理調理。 5vkcr1r2圖2.2 輸入調理電路2.2.3 數(shù)字量輸入接口(輸入緩沖器)2.2 數(shù)字量輸入過程通道圖2.3 數(shù)字量輸入接口74ls2442.3 數(shù)字量輸出過程通道數(shù)字量輸出過程通道2.3 數(shù)字量輸出過程通道2.3.1 數(shù)字量輸出過程通道的結構2.3.2 輸出驅動電路2.3.3 數(shù)字量輸出接口（輸出鎖存器）2.3.1

7、數(shù)字量輸出過程通道的結構2.3 數(shù)字量輸出過程通道輸出鎖存器2.3.2 輸出驅動電路 2.3 數(shù)字量輸出過程通道 計算機產生的ttl電平信號往往不能直接去控制生產過程中的各種設備，必須將其進行必要的轉換，增強其驅動能力，這就用到輸出驅動電路。 24vrd功率晶體管圖2.5 功率晶體管輸出驅動繼電器j2.3.3 數(shù)字量輸出接口(輸出鎖存器)2.3 數(shù)字量輸出過程通道圖2.6數(shù)字量輸出接口74ls273oe輸入使能端g允許輸出端輸入d輸出qhlllhlhhll*（鎖存狀態(tài)）*h*z（高阻態(tài)）2.4 模擬量輸入過程通道模擬量輸入過程通道溫度，壓力，液位，流量二進制數(shù)a/d2.4 模擬量輸入過程通道2

8、.4.1 模擬量輸入過程通道的結構2.4.2 i/v變換 2.4.3 多路轉換器 2.4.4 采樣保持器 2.4.5 a/d轉換器 2.4.1 模擬量輸入過程通道的結構2.4 模擬量輸入過程通道圖2.7 模擬量輸入通道的組成結構2.4.2 i/v變換 2.4 模擬量輸入過程通道 變送器輸出的信號為010ma或420ma的統(tǒng)一信號，需要經過i/v變換變成電壓信號后才能處理。 ir1d圖2.7 無源i/v變換電路jr2cv+5v2.4.3 多路轉換器（1）2.4 模擬量輸入過程通道 多路轉換器又稱多路開關，多路開關是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。利用多路開關可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公

9、用放大器或a/d轉換器上。 理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其導通時的導通電阻為零。此外，還希望切換速度快，噪音小，壽命長，工作可靠。常用的多路開關有cd4051。電平轉換譯碼驅動電路abcinhvssveevddx1x2x7x圖2.8 cd4051原理圖inhcbax接通0000x00001x10111x71全不通2.4 模擬量輸入過程通道2.4.3 多路轉換器（2）2.4.4 采樣保持器2.4 模擬量輸入過程通道 信號的采樣，香農定理 量化單位 孔徑時間：完成一次a/d轉換所需的時間稱之為孔徑時間。 nyyq2minmax1002100/damftuu孔徑誤差：2.4.5 a/d轉換器（

10、1）2.4 模擬量輸入過程通道 a/d轉換器是將模擬電壓或電流轉換成數(shù)字量的器件或裝置，它是將模擬系統(tǒng)和計算機連接的接口，在數(shù)據(jù)的采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。常用的a/d轉換方式有逐次逼進式和雙斜積分式。 a/d轉換器的主要技術指標有：轉換時間，分辨率，最低有效位（lsb），線性誤差，量程。2.4.5 a/d轉換器（2）例：用天平稱量一個實際重量為27.4克的重物，天平具有32克，16克，8克，4克，2克，1克六種砝碼。 2.4 模擬量輸入過程通道 逐次逼近式逐次逼近式a/da/d轉換器原理轉換器原理是建立在逐次逼近的基礎上，即把輸入電壓vi同一組從參考電壓分層得到的量化電壓進行比較，比

11、較從最大的量化電壓開始，由粗到細逐次進行，由每次比較的結果來確定相應的位是1還是0。不斷比較和比較之后，直到兩者的差別小于某一誤差范圍時即完成了一次轉換。 2.4.5 a/d轉換器（3）2.4 模擬量輸入過程通道表2.3 一個27.4克重物的稱量過程克2711214081161320xm次序n加砝碼（克）天平指示操作記錄132超重去碼x1=0216欠重留碼x2=138欠重留碼x3=144超重去碼x4=052欠重留碼x5=161平衡留碼x6=12.4.5 a/d轉換器（4）2.4 模擬量輸入過程通道 逐次逼近式a/d轉換器就象一架電子自動平衡天平。以一個量程為5v的4位逐次逼近式adc為例，用它

12、來轉換一個vi=3v的電壓量，由于n4，它有4個以二進制碼表示的電子砝碼，它們與電壓量的對應關系如表2.4所示。 代碼相應的電壓10005v212.5v01005v221.25v00105v230.625v00015v240.3125v2.4.5 a/d轉換器（5）2.4 模擬量輸入過程通道圖2.9 逐次逼近式a/d轉換器的原理 由逐次逼近寄存器sar，d/a轉換器，比較器a，緩沖器等組成。sar中包含一個移位寄存器，一個數(shù)據(jù)寄存器及決定去/留碼的邏輯電路等幾部分，它們在時鐘脈沖clk的作用下有次序的進行操作。d/a轉換器用來形成電子砝碼，送到比較器a的“”端。比較器相當于天平的杠桿和指針。2

13、.4.5 a/d轉換器（6） 在時鐘驅動下，sar中的移位寄存器的msb位加碼，其編碼為1000。d/a轉換器將其轉換成2.5v電壓，送到比較器a的“”端與vi進行比較，由于2.5v3v，所以去留邏輯保留最高位的1，即這次比較結果為1。 2.4 模擬量輸入過程通道次序試探碼d/a輸出去留碼本次結果110002.5v3v去1000310103.125v3v去1000410012.8125v3v留10012.5 模擬量輸出過程通道 2.5.1 模擬量輸出過程通道的結構2.5.2 d/a轉換器 2.5 模擬量輸出過程通道2.5.3 v/i變換和自動/手動切換 2.5.1 模擬量輸出過程通道的結構2.

14、5 模擬量輸出過程通道接口d/a多路開關采樣保持器v/i和自動/手動切換采樣保持器v/i和自動/手動切換pc總線通道1通道n圖2.10 共用d/a轉換器的模擬量輸出通道結構2.5.2 d/a轉換器（1）2.5 模擬量輸出過程通道 d/a轉換器是指將數(shù)字量轉換成模擬量的元件或裝置，它的模擬量輸出與二進制數(shù)成比例。主要技術指標有分辨率，建立時間，線性誤差等。 2.5.2 d/a轉換器（2）2.5 模擬量輸出過程通道 分辨率分辨率：通常用d/a轉換器輸入二進制數(shù)的位數(shù)來表示，如8位，12位。分辨率為n位，表示d/a轉換器輸入的二進制數(shù)的最低有效位lsb與滿量程輸出的1/2n相對應。 建立時間建立時間

15、：輸入數(shù)字信號的變化量是滿量程時，輸出模擬信號達到離終值1/2lsb所需的時間，一般 。 線性誤差線性誤差：理想的轉換特性應該是線性的，但實際中往往并非如此。在滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。常用lsb的分數(shù)表示，如1/2lsb或1lsb。sn2.5.2 d/a轉換器（3）2.5 模擬量輸出過程通道i1rs1i22rs2i34rs3i48rs4ioifrf+avo圖2.12 權電阻網(wǎng)絡d/a轉換器vrd2d1d3d42.5 模擬量輸出過程通道2.5.3 v/i變換和自動/手動切換 經過d/a轉換后的模擬量一般為05v，010v等直流電壓信號，而工程中常常需要將其轉換為010ma，420ma的信號去控制現(xiàn)場設備，在這個轉換過程中，可以采用集成的v/i轉換電路來完成，如zf2b20和ad694等。 在工業(yè)應用當中，還需要進行具有自動/手動切換功能的v/i變換電路。就是實現(xiàn)自動控制方式和隨時可切換的手動操作方式之間的無擾切換。手動操作即不用微機控制而由電動單元儀表等控制的方式。 本章重點