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(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁，包括輸入接口和輸出接口。 接口技術(shù)接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。 過程通道過程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)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(hào)電平不匹配。3 信號(hào)格式不匹配。4 時(shí)序不匹配。補(bǔ)充知識(shí)補(bǔ)充知識(shí)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(shù)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(shù)總線技術(shù) 總線：計(jì)算機(jī)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(hào)線。 以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級(jí)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(biāo)準(zhǔn)。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(shí)鐘為8mhz。 eisa (extended industry standard architecture)是為32位中央處理器設(shè)計(jì)的總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(guó)sig集團(tuán)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(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，pci是在cpu和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路（北橋芯片）實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（eia electronic industries association）制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。 rs-422a采用了平衡驅(qū)動(dòng)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(duì)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(chǎn)生的原因在于新型電腦外設(shè)對(duì)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)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(kuò)展板卡，不必打開機(jī)箱； 要求可熱插拔，即插即用； 可以方便地連接多臺(tái)設(shè)備； 可以免除設(shè)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(diǎn)有：（1）具有熱插拔功能。（2）采用“級(jí)聯(lián)”的方式連接各個(gè)設(shè)備。每個(gè)usb設(shè)備用一個(gè)usb插頭連接到前一個(gè)設(shè)備的usb插座上，最多可達(dá)127個(gè)外設(shè)，兩個(gè)外設(shè)間距離可達(dá)5m。（3）可適用于低速外設(shè)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(guān)量）1，02.2.1 數(shù)字量輸入過程通道的結(jié)構(gòu)2.2.2 輸入調(diào)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(jié)構(gòu)

6、數(shù)字量輸入過程通道的結(jié)構(gòu)2.2 數(shù)字量輸入過程通道 輸入調(diào)理電路2.2.2 輸入調(diào)理電路 2.2 數(shù)字量輸入過程通道 為了將外部的開關(guān)量信號(hào)安全有效的輸入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，保護(hù)，濾波，隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的邏輯信號(hào)，這些功能稱為信號(hào)信號(hào)調(diào)理調(diào)理。 5vkcr1r2圖2.2 輸入調(diào)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(jié)構(gòu)2.3.2 輸出驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)2.3 數(shù)字量輸出過程通道輸出鎖存器2.3.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路 2.3 數(shù)字量輸出過程通道 計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的ttl電平信號(hào)往往不能直接去控制生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備，必須將其進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，這就用到輸出驅(qū)動(dòng)電路。 24vrd功率晶體管圖2.5 功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jié)構(gòu)2.4.2 i/v變換 2.4.3 多路轉(zhuǎn)換器 2.4.4 采樣保持器 2.4.5 a/d轉(zhuǎn)換器 2.4.1 模擬量輸入過程通道的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(hào)為010ma或420ma的統(tǒng)一信號(hào)，需要經(jīng)過i/v變換變成電壓信號(hào)后才能處理。 ir1d圖2.7 無源i/v變換電路jr2cv+5v2.4.3 多路轉(zhuǎn)換器（1）2.4 模擬量輸入過程通道 多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。利用多路開關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公

9、用放大器或a/d轉(zhuǎn)換器上。 理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快，噪音小，壽命長(zhǎng)，工作可靠。常用的多路開關(guān)有cd4051。電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器（2）2.4.4 采樣保持器2.4 模擬量輸入過程通道 信號(hào)的采樣，香農(nóng)定理 量化單位 孔徑時(shí)間：完成一次a/d轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱之為孔徑時(shí)間。 nyyq2minmax1002100/damftuu孔徑誤差：2.4.5 a/d轉(zhuǎn)換器（

10、1）2.4 模擬量輸入過程通道 a/d轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，它是將模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)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(yīng)用。常用的a/d轉(zhuǎn)換方式有逐次逼進(jìn)式和雙斜積分式。 a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有：轉(zhuǎn)換時(shí)間，分辨率，最低有效位（lsb），線性誤差，量程。2.4.5 a/d轉(zhuǎn)換器（2）例：用天平稱量一個(gè)實(shí)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(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理是建立在逐次逼近的基礎(chǔ)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(jìn)行比較，比

11、較從最大的量化電壓開始，由粗到細(xì)逐次進(jìn)行，由每次比較的結(jié)果來確定相應(yīng)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(shí)即完成了一次轉(zhuǎn)換。 2.4.5 a/d轉(zhuǎn)換器（3）2.4 模擬量輸入過程通道表2.3 一個(gè)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(zhuǎn)換器（4）2.4 模擬量輸入過程通道 逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器就象一架電子自動(dòng)平衡天平。以一個(gè)量程為5v的4位逐次逼近式adc為例，用它

12、來轉(zhuǎn)換一個(gè)vi=3v的電壓量，由于n4，它有4個(gè)以二進(jìn)制碼表示的電子砝碼，它們與電壓量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.4所示。 代碼相應(yīng)的電壓10005v212.5v01005v221.25v00105v230.625v00015v240.3125v2.4.5 a/d轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的原理 由逐次逼近寄存器sar，d/a轉(zhuǎn)換器，比較器a，緩沖器等組成。sar中包含一個(gè)移位寄存器，一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器及決定去/留碼的邏輯電路等幾部分，它們?cè)跁r(shí)鐘脈沖clk的作用下有次序的進(jìn)行操作。d/a轉(zhuǎn)換器用來形成電子砝碼，送到比較器a的“”端。比較器相當(dāng)于天平的杠桿和指針。2

13、.4.5 a/d轉(zhuǎn)換器（6） 在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，sar中的移位寄存器的msb位加碼，其編碼為1000。d/a轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成2.5v電壓，送到比較器a的“”端與vi進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)2.5.2 d/a轉(zhuǎn)換器 2.5 模擬量輸出過程通道2.5.3 v/i變換和自動(dòng)/手動(dòng)切換 2.5.1 模擬量輸出過程通道的結(jié)構(gòu)2.

14、5 模擬量輸出過程通道接口d/a多路開關(guān)采樣保持器v/i和自動(dòng)/手動(dòng)切換采樣保持器v/i和自動(dòng)/手動(dòng)切換pc總線通道1通道n圖2.10 共用d/a轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)2.5.2 d/a轉(zhuǎn)換器（1）2.5 模擬量輸出過程通道 d/a轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置，它的模擬量輸出與二進(jìn)制數(shù)成比例。主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率，建立時(shí)間，線性誤差等。 2.5.2 d/a轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)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(zhuǎn)換器輸入的二進(jìn)制數(shù)的最低有效位lsb與滿量程輸出的1/2n相對(duì)應(yīng)。 建立時(shí)間建立時(shí)間

15、：輸入數(shù)字信號(hào)的變化量是滿量程時(shí)，輸出模擬信號(hào)達(dá)到離終值1/2lsb所需的時(shí)間，一般 。 線性誤差線性誤差：理想的轉(zhuǎn)換特性應(yīng)該是線性的，但實(shí)際中往往并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。常用lsb的分?jǐn)?shù)表示，如1/2lsb或1lsb。sn2.5.2 d/a轉(zhuǎn)換器（3）2.5 模擬量輸出過程通道i1rs1i22rs2i34rs3i48rs4ioifrf+avo圖2.12 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器vrd2d1d3d42.5 模擬量輸出過程通道2.5.3 v/i變換和自動(dòng)/手動(dòng)切換 經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換后的模擬量一般為05v，010v等直流電壓信號(hào)，而工程中常常需要將其轉(zhuǎn)換為010ma，420ma的信號(hào)去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，可以采用集成的v/i轉(zhuǎn)換電路來完成，如zf2b20和ad694等。 在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，還需要進(jìn)行具有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能的v/i變換電路。就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制方式和隨時(shí)可切換的手動(dòng)操作方式之間的無擾切換。手動(dòng)操作即不用微機(jī)控制而由電動(dòng)單元儀表等控制的方式。 本章重點(diǎn)