第二章 计算机控制系统的 I/O接口和I/O通道 本章要点1. I/O接口电路的功能和设计； 2. I/O通道的类型及组成3. I/O通道的工作过程4. I/O通道的抗干扰措施2.1 I/O接口在系统中的应用 1、数据格式的匹配 （1）并/串，串/并 （2）字/字节，字节/字 （3）电平转换 2、速度匹配 输入缓冲74LS244，输出锁存74LS273、 74LS373 3、地址的分配和扩展 地址译码器74LS138，地址比较器74LS688 4、负载能力的扩展 总线驱动器74LS2452.2 I/O 控制方式1、程序控制方式（1）无条件传送方式（2）程序查询传送方式2、中断控制方式3、存储器直接存取（DMA）方式2.3 I/O接口设计方法及举例1、数字量的输入输出输入缓冲输出锁存地址分配总线扩充74LS273和74LS373的区别74LS273是带公共时钟复位八D触发器 ;74LS373 是 三态同相八D锁存器 273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是 两者1、11脚的功能不同. 对273 (1).1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电 平时,输出脚全部输出0,即全部复位; (2).当1脚为高电平时,11(CLK)脚是锁存控制 端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升 沿,立即锁存输入脚的电平状态,并且立即呈现 在在输出脚上.对373: (1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效 ,当1脚是高电平时,不管输入如何,也不 管11脚(锁存控制端,G)如何,输出全部 呈现高阻状态(或者叫浮空状态); (2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存 控制端,G)上出现一个下降沿,输出立 即呈现输入脚的状态.所以,如果分别用273和373来 作为单片机的地址存器的话, 对273来说,1(CLR)脚必须接高 电平,ALE信号经过反相后接11 脚(因为单片机的ALE信号是以 下降沿方式出现) 对373来说,1脚接低电平,保证 使能,11脚直接接单片机的ALE 信号.74LS245是我们常用的芯片，用来驱动 led或者其他的设备, 74LS245是8路同相三态 双向总线收发器，可双向传输数据。 *74LS245还具有双向三态功能，既可以输 出，也可以输入数据。 *当8051单片机的P0口总线负载达到或超过 P0最大负载能力时，必须接入74LS245等 总线驱动器。 *当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”， 信号由 B 向 A 传输；（接收） *DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送） 当/CE为高电平时，A、B均为高 例1 设74LS244地址为90H，74LS273地址 为91H，设计硬件电路并编写控制程序， 实现数据的输入缓冲和输出锁存。例2 设用1块集成芯片实现数据的双向传送 ，设计硬件电路并编写控制程序。例3 用74LS688和74LS138实现地址跳线功 能，选择地址范围为200-3FFH。 2 开关量的输入输出一、开关量的输入接口电路1、分压开关量的电压信号比较大，可 以采用分压的方式对开关量的 电压信号进行衰减R1和R2构成分压网络，可根据开关电压 决定其阻值比例。另外为了增加抗干扰 能力，非门可以采用输入端带施密特触 发器的非门。这种接口电路比较简单，但是当开关信 号系统与计算机系统在电气上互连时， 如果开关信号系统的电气噪声大，那么 这些噪声将串入计算机系统，从而可能 导致系统不稳定。2、光电耦合这种方式使开关信号系统与计算机系统在电气上相互 隔离，其信号的传递是通过光信号进行耦合。电阻R2的 作用是限流，使得产生的开关电流在红外发光二极管的 额定电流范围内。电阻R1的作用是上拉，产生数字信号 的高电平。二、开关量的输出接口电路 1、小功率开关输出电路2、继电器输出接口电路三、模拟量输入输出通道A/D、D/A、滤波器、信号处理电路、传 感器、驱动电路等。2.4 I/O通道的组成及工作原理计算机控制系统包含多种信号形式，因 此对应包含了多种I/O通道。 I/O通道连接计算机和生产过程，负责完 成数据的传送。 计算机控制系统中的I/O通道按照数据流 向分为输入通道和输出通道。按照信号 类型分为模拟量通道和数字量通道。因 此一个完整的计算机控制系统中包括了 四种I/O通道。2.4.1 模拟量输入通道本节要点1模拟量输入通道的结构组成。2多路开关，前置放大、采样保持等各环节 的功能作用。3A/D转换器芯片及其接口电路v 引言v 2.4.1.1 信号调理电路 v 2.4.1.2 多路模拟开关v 2.4.1.3 前置放大器v 2.4.1.4 采样保持器小结本节主要内容概述模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。结构组成如图所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常 把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。2.4.1.1 信号调理电路 在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种 类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压 法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下 是两种变换电路。1. 无源I/V变换2. 有源I/V变换1.无源I/V变换无源I/V变换电路是利用无源器件电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0- 10 mA输入信号，可取R1=100，R2=500，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信号，可取R1=100，R2=250，这样当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。电流/电压变换电路 2. 有源I/V变换有源I/V变换是利用有源器件运算放大 器和电阻电容组成，如图（b）所示。利用同 相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准 输出电压。该同相放大电路的放大倍数为若取R1=200，R3=100k，R4=150k， 则输入电流 I 的0 10 mA就对应电压输出V的 0 5 V；若取R1=200，R3=100k， R4=25k，则4 20 mA的输入电流对应于1 5 V的电压输出。集成I/V变换器RCV420RCV420高精度的电流环接收器，可以将 4-20mA的电流输出信号转换为0-5V的电 压信号。同学们自己上网查阅RCV420的使用手册 ，学习如何使用该芯片实现I/V变换。2.4.1.2 多路模拟开关主要知识点引言 1 结构原理 2 扩展电路引言由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一 时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开 关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、 8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16 路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也 可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。 双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信 号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。1 结构原理现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S通；当C、B、A = 111时，通道S7选通。其真值表如表所示。图 CD4051结构原理图 链接动画2 扩展电路当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。例题3-1 试用两个CD4051扩展成一个116路的模拟开关。例题分析：下图给出了两个CD4051扩展为116路模拟开关的电路。数据总线D3D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。图 多路模拟开关的扩展电路链接动画2.4.1.3 前置放大器主要知识点引言 1 测量放大器 2 可变增益放大器 引言前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如0-5VDC;对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图所示，信号源的一 端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放 大倍数G =1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大电路的放大倍数G =R2/R1。当然，这两种电 路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的 另一个输入端共地。放大电路图链接动画1 测量放大器在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图所示。经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载(外接)外接地TUOV(外接)(a) 经典的前置放大器前置放大器图链接动画图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增 益的。因此，放大器的增益G与这个外接电阻 RG有着密切的关系。增益公式为目前这种测量放大器的集成电路芯片有多 种，如AD521/522、INA102等。2 可变增益放大器 在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图所示。 3A2A-NIN负载(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可变增益前置放大器链接动画把前置放大器中的外接电阻RG换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断 就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益 公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分 别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然，这一组 开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增 益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有 AD612/614等。2.4.1.4 采样保持器当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转换需要 一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大 的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采 样保持器。v1 数据采样定理 v2 采样保持器 1 数据采样定理离散系统或采样数据系统-把连续变化的量变成离 散量后