輸入輸出過程通道.ppt

2020 3 22 1 第7章輸入輸出過程通道 本章主要內(nèi)容 1 數(shù)字量輸入輸出通道及其設(shè)計(jì)2 模擬量輸入通道及其設(shè)計(jì)3 模擬量輸出通道及其設(shè)計(jì) 2020 3 22 2 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 為了實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制 要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計(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生產(chǎn)進(jìn)行控制的信號量 這個在計(jì)算機(jī)和生產(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 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)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道 2020 3 22 3 1 數(shù)字量輸入通道 7 1數(shù)字量輸入輸出通道 數(shù)字量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的開關(guān)狀態(tài)信號 或數(shù)字信號 傳送給計(jì)算機(jī) 簡稱DI通道 圖7 1數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 數(shù)字量輸入通道由信號調(diào)理電路和輸入接口電路構(gòu)成 DI接口電路 2020 3 22 4 1 數(shù)字量輸入調(diào)理電路 小功率輸入調(diào)理電路 圖7 2小功率輸入調(diào)理電路 a 采用RC濾波電路 b 采用RS觸發(fā)器 從開關(guān) 繼電器等接點(diǎn)輸入信號 將接點(diǎn)的接通和斷開動作 轉(zhuǎn)換成TTL電平信號與計(jì)算機(jī)相連 為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號 通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路 2020 3 22 5 大功率輸入調(diào)理電路 圖7 3大功率輸入調(diào)理電路 在大功率系統(tǒng)中 需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號 為了使接點(diǎn)工作可靠 接點(diǎn)兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓 因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快 不易產(chǎn)生干擾 電路又簡單 因而被廣泛采用 但是這種電路所帶電壓高 容易帶有干擾 通常采用光電耦合器進(jìn)行隔離 2020 3 22 6 2 數(shù)字量輸入接口 數(shù)字量輸入接口包括信號緩沖電路和接口地址譯碼 當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令I(lǐng)N時(shí) 接口地址譯碼電路產(chǎn)生片選信號 將經(jīng)過輸入調(diào)理電路送來的過程狀態(tài) 開關(guān)信號 通過輸入緩沖器送到數(shù)據(jù)總線上 再送到CPU中 MOVDX DI PORT 接口地址DI PORT DXINAL DX 過程狀態(tài) AL寄存器 設(shè)采用PC總線 接口程序?yàn)?2020 3 22 7 2 數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號 或開關(guān)信號 傳送給開關(guān)器件 如繼電器或指示燈 控制它們的通 斷或亮 滅 簡稱DO通道 圖7 4數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) 數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅(qū)動電路等組成 DO接口電路 2020 3 22 8 1 數(shù)字量輸出驅(qū)動電路 輸出驅(qū)動電路的功能有兩個 一是進(jìn)行信號隔離 二是驅(qū)動開關(guān)器件 低電壓開關(guān)信號輸出 圖7 5低電壓開關(guān)輸出 圖7 6三極管輸出驅(qū)動 對于低電壓情況下開關(guān)量控制輸出 可采用三極管 OC門或運(yùn)放等方式輸出 2020 3 22 9 繼電器輸出接口 圖7 7繼電器輸出驅(qū)動 一般在驅(qū)動大型設(shè)備時(shí) 往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu) 通過第一級繼電器輸出 可完成從低電壓直流到高電壓交流的過渡 晶閘管輸出接口技術(shù) 晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 可作為大功率驅(qū)動器件 具有用較小功率控制大功率 開關(guān)無觸點(diǎn)等特點(diǎn) 在交直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)功系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用 2020 3 22 10 2 數(shù)字量輸出接口 數(shù)字量輸出 DO 接口包括輸出鎖存器和接口地址譯碼 當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令OUT時(shí) 接口地址譯碼電路產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)信號 將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號送到鎖存器的輸出端 再經(jīng)輸出驅(qū)動電路送到開關(guān)器件 MOVAL DATA DO數(shù)據(jù) AL寄存器MOVDX DO PORT 接口地址DO PORT DXOUTDX AL DO數(shù)據(jù) 鎖存器的輸出端 設(shè)采用PC總線 接口程序?yàn)?2020 3 22 11 7 2模擬量輸入通道 1 模擬量輸入通道的一般組成 圖7 8模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道一般由信號預(yù)處理 多路轉(zhuǎn)換器 前置放大器 采樣保持器 模 數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成 其核心是模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 2020 3 22 12 2 模擬量輸入通道中常用器件和電路 信號預(yù)處理 信號預(yù)處理的功能是對來自傳感器或變送器的信號進(jìn)行處理 如將4mA 20mA或0 10mA電流信號變?yōu)殡妷盒盘?將熱電阻 Pt100或Cu50 的電阻信號經(jīng)過橋路變?yōu)殡妷盒盘柕?無源I V變換 圖7 9無源I V變換電路 無源I V變換可以利用一個的精密電阻 將0 10mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0 5V的電壓信號 2020 3 22 13 有源I V變換 圖7 10有源I V變換電路 有源I V變換是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻組成 利用0 10mA電流在電阻R上產(chǎn)生的輸入電壓 若取 則時(shí) 產(chǎn)生2V的輸入電壓 該電路的放大倍數(shù)為 若取 則0 10mA輸入對應(yīng)于0 5V的電壓輸出 2020 3 22 14 多路轉(zhuǎn)換器 多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān) 多路開關(guān)的作用是用來將各路被測信號依次地或隨機(jī)地切換到公共放大器或A D轉(zhuǎn)換上 圖7 11CD4051原理圖 表7 1CD4051通道選擇表 2020 3 22 15 前置放大器 前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi) 當(dāng)多路輸入的信號源電平相差較懸殊時(shí) 用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號 就有可能使低電平信號測量精度降低 而高電平則有可能超出模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍 可設(shè)計(jì)可變增益放大器 圖7 12可變增益前置放大器 2020 3 22 16 采樣保持器 采樣時(shí) k閉合 VIN通過A1對CH快速充電 VOUT跟隨VIN 保持期間 k斷開 由于A2的輸入阻抗很高 理想情況下VOUT VC保持不變 采樣保持器一旦進(jìn)入保持期 便應(yīng)立即啟動A D轉(zhuǎn)換器 保證A D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定 圖7 14集成采樣保持器LF398的原理圖 圖7 13采樣保持器的組成 2020 3 22 17 A D轉(zhuǎn)換器 A D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 它是模擬量輸入通道的核心部件 是模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口 分辨率 通常用數(shù)字量的位數(shù)n 字長 來表示 若n 8 滿量程輸入為5 12V 則LSB對應(yīng)于模擬電壓 轉(zhuǎn)換時(shí)間 從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效的時(shí)間間隔 即完成n位轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間 A D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 2020 3 22 18 線性誤差 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 線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示 如1 2LSB 1 4LSB等 轉(zhuǎn)換量程 所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍 如0 5V 0 10V 5V 十5V等 轉(zhuǎn)換精度 絕對精度指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的差值 相對精度指在滿量程已校準(zhǔn)的情況下 整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任一數(shù)字量輸出所對應(yīng)的模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的最大差值 轉(zhuǎn)換精度用LSB的分?jǐn)?shù)值來表示 2020 3 22 19 8位A D轉(zhuǎn)換器ADC0809 圖7 15ADC0809的原理框圖及引腳 2020 3 22 20 12位A D轉(zhuǎn)換器AD574A 圖7 16AD574A的原理框圖及引腳 2020 3 22 21 A D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口 8位A D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 圖7 17ADC0809與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0 端口A為輸入口 端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口 ADC0809的ALE與START引腳相連接 將PC0 PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動A D轉(zhuǎn)換 ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí) 開放數(shù)據(jù)輸出緩沖器 EOC信號還連接到8255A的C口 CPU通過查詢PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過程 2020 3 22 22 根據(jù)圖7 17接口方法 采用查詢方式完成8路模擬量數(shù)據(jù)采集的程序框圖 假設(shè)在主程序中已完成對8255A的初始化編程 圖7 18用ADC0809實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集程序流程圖 2020 3 22 23 CE 和的控制通過PC2 PC0輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘枌?shí)現(xiàn) 12位A D轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 AD574片內(nèi)有時(shí)鐘 無需外加時(shí)鐘信號 該電路采用雙極性輸入方式 可對 5v或 10v模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換 12 控制引腳和VLOGIC相連 接 5v 圖7 19AD574A與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0 端口A B和端口C上半部分規(guī)定為輸入 端口C的下半部分規(guī)定為輸出 A0接地 使工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式 2020 3 22 24 通過圖7 19硬件接口 在查詢方式下 啟動和讀取數(shù)據(jù)的程序框圖 假定已完成對8255A的初始化編程 圖7 20啟動和讀取AD574A數(shù)據(jù)程序流程圖 2020 3 22 25 3 模擬量輸入通道設(shè)計(jì) 如果模擬輸入電壓已滿足A D轉(zhuǎn)換量程要求 就不必再用前置放大器 前置放大器可分為固定增益和可變增益兩種 前者適用于信號范圍固定的傳感器 后者適用于信號范圍不固定的傳感器 如果在A D轉(zhuǎn)換期間 模擬輸入電壓信號變化微小 且在A D轉(zhuǎn)換精度之內(nèi) 也就不必選用采樣保持器 A D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測量精度 A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對象 采樣保持器 S H 的選用取決于測量信號的變化頻率 原則上直流信號或變化緩慢的信號可以不用采樣保持器 2020 3 22 26 確定A D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的方法有以下兩種 輸入信號的動態(tài)范圍 設(shè)輸入信號的最大值和最小值分別為 式中n為A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量 則動態(tài)范圍為 因此 A D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為 2020 3 22 27 輸入信號的分辨率 有時(shí)對A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求以分辨率形式給出 其定義為 如果所要求的分辨率為D0 則位數(shù) 例如 某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0 至200 要求分辨率為0 005 相當(dāng)于1 可求出A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 因此 取A D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n為8位 2020 3 22 28 圖7 218通道12位A D轉(zhuǎn)換模板 以PC總線工業(yè)控制機(jī)的模擬量輸入通道模板設(shè)計(jì)為例 單極性0 10V 12位分辨率 轉(zhuǎn)換時(shí)間 程序查詢工作方式 2020 3 22 29 該模板采集一組數(shù)據(jù)的過程如下 1 通道選擇將模擬量輸入的通道號寫入8255A的端口C低4位 使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制 A D未轉(zhuǎn)換期間 LF398處于采樣狀態(tài) 2 啟動AD574A進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換通過8255A的端口C的PC4 PC6輸出控制信號啟動A D 在A D轉(zhuǎn)換期間 LF398處于保持狀態(tài) 3 查詢AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A 了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖?4 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若查詢到STS由1變?yōu)? 則讀8255A的端口A和B 便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果 2020 3 22 30 7 3模擬量輸出通道 1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 圖7 23共用D A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 圖7 22一個通路一個D A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合 可靠性較差 轉(zhuǎn)換速度快 工作可靠 2020 3 22 31 2模擬量輸出通道中常用器件和電路 D A轉(zhuǎn)換器 D A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量 它是模擬量輸出通道的核心部件 是計(jì)算機(jī)和模擬系統(tǒng)之間的接口 D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率 D A轉(zhuǎn)換器的分辨串定義為基準(zhǔn)電壓與之比值 其中n為D A轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 穩(wěn)定時(shí)間 輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿刻度時(shí) 輸出達(dá)到離終值時(shí)所需的時(shí)間 2020 3 22 32 轉(zhuǎn)換精度 其中絕對精度是指輸入滿刻度數(shù)字量時(shí) D A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差 相對精度是指在滿刻度己校準(zhǔn)的情況下 整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)對應(yīng)于任一輸入數(shù)據(jù)的實(shí)際輸出值與理論值之間的最大偏差 轉(zhuǎn)換精度用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示 如土1 2LSB 土1 4LSB等 線性度 理想的D A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性應(yīng)是線性的 在滿刻度范圍內(nèi) 實(shí)際特性與理想特性的最大偏移稱為非線性度 用LSB的分?jǐn)?shù)來表示 如土1 2LSB 土1 4LSB等 2020 3 22 33 8位D A轉(zhuǎn)換器DAC0832 圖7 24DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2020 3 22 34 圖7 25DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 12位D A轉(zhuǎn)換器DAC1210 2020 3 22 35 D A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口 8位D A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 圖7 26DAC0832與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 DAC0832工作在單緩沖寄存器方式 DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動的電流輸出 經(jīng)過運(yùn)算放大器A 將形成單極性電壓輸出0 5V 若要形成負(fù)電壓輸出 則需接正的基準(zhǔn)電壓 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流通過內(nèi)部反饋電阻流到放大器的輸出端 2020 3 22 36 圖7 27用DAC0832實(shí)現(xiàn)8位D A轉(zhuǎn)換程序框圖 配合圖7 26硬件接口 8位D A轉(zhuǎn)換程序框圖如圖 2020 3 22 37 12位D A轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 圖7 28DAC1210轉(zhuǎn)換器與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 端口地址譯碼器譯 三個口地址 這三個口地址用來控制DAC1210工作方式和進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換 2020 3 22 38 以圖7 28接口為例 其轉(zhuǎn)換接口程序框圖如圖 圖7 2912位D A轉(zhuǎn)換程序框圖 2020 3 22 39 2020 3 22 40 V I轉(zhuǎn)換和自動 手動切換 電壓 電流轉(zhuǎn)換 0 10V 0 l0mA轉(zhuǎn)換 圖7 310 10V 0 l0mA的轉(zhuǎn)換電路 如圖 當(dāng)運(yùn)放開環(huán)增益足夠大時(shí) 輸出電流