,第3章 输出通道接口技术,输出通道接口技术,3.1 模拟信号输出通道接口 3.1.1 D/A转换器 3.1.2 PWM技术 3.2 LED显示器及其接口技术 3.2.1 动态LED显示器接口技术 3.2.2 静态LED显示器接口技术 3.3 LCD显示器接口技术 3.3.1 LCD显示器的显示原理 3.3.2 LCD器件的驱动方式 3.3.3 点阵式LCD显示器的接口,输出通道接口技术,3.4 开关量输出接口技术 3.4.1 输出接口光电隔离技术 3.4.2 继电器输出接口 3.4.3 大功率输出接口 3.5 电动机控制接口技术 3.5.1 小功率直流电动机调速原理及控制接口 3.5.2 步进电机工作原理及控制接口,3.1 模拟信号输出通道接口,3.1.1 D/A转换器 18位D/A转换器DAC0832,图3-1 DAC0832引脚与原理框图,DAC0832有如下3种工作方式： 单缓冲方式单缓冲方式是只用DAC寄存器而把数据寄存器接成直通方式，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。 双缓冲方式双缓冲方式是先使输入寄存器接收数据，再控制输入寄存器的输出数据到DAC寄存器，即分两次锁存输入数据。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情况。 直通方式直通方式是数据不经两级锁存器锁存，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。,3.1 模拟信号输出通道接口,2DAC0832输出接口与控制程序,图3-2 DAC0832单极性输出时的接口原理图,3.1 模拟信号输出通道接口,输入数字量与输出模拟量之间的对应关系如表3-1所示。,图3-2 DAC0832双极性输出时的接口原理图,3.1 模拟信号输出通道接口,3.1.2 PWM技术 PWM（Pulse Width Modulation）也就是脉冲宽度调制，在频率不变的情况下，通过改变输出脉冲的宽度（就是脉冲的占空比）从而使输出信号的平均值（即直流成分）发生改变，达到控制外部对象的目的。 图3-3中，设置8253的定时/计数器0为工作方式3，产生周期信号输出； 定时/计数器1为工作方式1，产生单拍信号输出； 图3-4所示为OUT0、OUT1输出的波形。,3.1 模拟信号输出通道接口,图3-3 8253作为PWM输出原理图,图3-4 8253输出波形图,3.1 模拟信号输出通道接口,T0为定时/计数器0的时钟计数周期， T1为定时/计数器1的时钟计数时间， OUT1输出信号占空比D的计算方法如下：,3.2 LED显示器及其接口技术,LED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显示许多种字符。 图3-5所示为7段LED显示器件的结构及外形图。,图3-5 7段LED显示器件的结构及外形图,3.2 LED显示器及其接口技术,表3-2 显示字符与7段控制显示代码的对应关系,3.2 LED显示器及其接口技术,3.2.1 动态LED显示器接口技术 动态显示，就是微处理器定时地对显示器件所显示的内容进行扫描。,图3-6 6位动态显示电路,3.2 LED显示器及其接口技术,到底哪一位数码管显示，主要取决于位选码。只有位选信号PB端口对应的线经驱动器后变为低电平时，对应的位才会发光显示。 根据图3-6，写出动态扫描显示子程序。设8255端口PA、PB的地址分别为800H、801H，并且PA、PB已初始化为输出方式，则子程序的流程图如图3-7所示。,图3-7 动态扫描显示子程序流程图,3.2 LED显示器及其接口技术,3.2.2 静态LED显示器接口技术 静态显示是当显示器件显示某个字符时，相应的显示段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。 占用机时少，而且显示稳定可靠。其缺点是使用元器件相对较多，且线路比较复杂，相对而言成本较高。 图3-8所示为6位静态显示电路原理图。,3.2 LED显示器及其接口技术,图3-8 6位静态显示电路原理图,3.3 LCD显示器接口技术,3.3.1 LCD显示器的显示原理 在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显示器的基本结构如图3-9所示。,图3-9 LCD显示器基本结构,3.3 LCD显示器接口技术,3.3.2 LCD器件的驱动方式 LCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式和时分隔驱动方式。 1静态驱动方式 图3-10（a）所示为一位LCD数码显示电路图。 当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值电压，字段呈黑色显示。,3.3 LCD显示器接口技术,图3-10 一位LCD数码显示电路图及驱动波形图,3.3 LCD显示器接口技术,对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下产生电解，影响其使用寿命。 2时分隔驱动方式 当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。,图3-11 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图,3.3 LCD显示器接口技术,从图中的驱动波形可以看出：a，e段上所加的驱动波形是峰值为UO的选择状态，而g段上所加的驱动波形是峰值为1/3UO的非选择状态。,图3-12 工作电压波形图,3.3 LCD显示器接口技术,3.3.3 点阵式LCD显示器的接口 当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。,图3-13 采用MCS51系列单片机8051的接口原理图,3.4 开关量输出接口技术,在计算机控制系统中，不仅要将测量结果输出显示，还需要输出控制信息，以控制现场设备的动作。 计算机控制系统输出的开关量大都输出功率较小，不能直接用来驱动这些外部设备启动或停止。需要对这一类开关量的输出采取一些必要的措施。,3.4 开关量输出接口技术,3.4.1 输出接口光电隔离技术 为了保证输入端与输出端在电气上是隔离的，两端的电源也必须是独立的。,图3-14 带光电隔离的输出接口,3.4 开关量输出接口技术,3.4.2 继电器输出接口 1触点式继电器的控制 当线圈通电时，使开关触点闭合（或断开）；当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。,图3-15 继电器接口电路,3.4 开关量输出接口技术,实际选用继电器时应考虑下列因素： 继电器额定工作电压（或电流）； 触点负荷； 触点的数量或种类（动断或动通）； 继电器的体积、封装形式、工作环境、触点吸合或释放时间等。 2固态继电器的输出接口 固态继电器（Solid State Relay，SSR），它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，再把光电隔离器作为前级构成一个整体。,3.4 开关量输出接口技术,固态继电器有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。,图3-16 直流型SSR的电路原理图,3.4 开关量输出接口技术,步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型SSR控制，可分别由8255的端口PA0PA2来控制。,图3-17 三相步进电机控制电路原理图,3.4 开关量输出接口技术,3.4.3 大功率输出接口 场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，体积较小，价格便宜。,图3-18 大功率场效应管的表示符号,图3-19 采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图,3.4 开关量输出接口技术,可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）也常作为大功率输出中的开关元件使用，它具有体积小、效率高、寿命长等优点。,图3-20 两种形式可控硅的图形符号,3.5 电动机控制接口技术,3.5.1 小功率直流电动机调速原理及控制接口 1小功率直流电动机的调速原理 对于励磁式直流电动机，其转速n可以近似地表示为：式中，Ua为电枢两端的电压，为励磁磁通，Ce为电动机综合参数。 小功率直流电动机的调速可以通过改变电枢电压Ua来实现。在对直流电动机电枢的控制和驱动中，有线性驱动方式和开关驱动方式两种。,3.5 电动机控制接口技术,2脉宽调制PWM调速方法改变PA0控制端输出信号的占空比就可以改变电动机的转速，这就是PWM调速原理。,图3-21 利用固态继电器对直流电动机进行PWM调速控制原理图,3.5 电动机控制接口技术,改变占空比的方法有以下3种： 定宽调频法 调频调宽法 定频调宽法,图3-22 输入电压信号与电动机 电枢电流、转速的对应关系,3.5 电动机控制接口技术,3脉宽调速PWM系统的设计 当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转； 当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转； 当S2、S4（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被短路，电动机处于刹车状态； 如果4个开关全部断开，电动机将自由滑行。,图3-23 可逆PWM调速系统原理图,3.5 电动机控制接口技术,图3-24 双向电动机控制接口电路图,3.5 电动机控制接口技术,3.5.2 步进电机工作原理及控制接口 步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成角位移。 步进电机具有快速启停、精确步进及直接接收数字信号控制的特点，因此，它在需要精确定位控制的场合中得到了广泛的应用。 1步进电机的工作原理,图3-25 步进电机的结构原理图,3.5 电动机控制接口技术,2步进电机的控制方法下面以三相步进电机为例介绍其工作方式。 1）单三拍工作方式 为了使步进电机正向旋转，对于图3-27来说，就是顺时针步进，各相磁极的通电顺序如下：,图3-26 计算机控制步进电机典型原理框图,3.5 电动机控制接口技术,图3-27 错齿情况,3.5 电动机控制接口技术,按顺时针步进方式工作时，各相磁极齿与转子之间的差角参见表3-3。,表3-3 单三拍时的各相差角,图3-28 单三拍工作时各相的脉冲电压、电流波形,3.5 电动机控制接口技术,2）双三拍工作方式 每次都是两相通电，控制电流切换3次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距位置，则称为双三拍工作方式。采用双三拍工作方式时，各相磁极的通电顺序和转换情况如下：,图3-29 双三拍工作时各相的脉冲电压、电流波形,3.5 电动机控制接口技术,双三拍工作方式中，要求电源所提供的功率比较大。 双三拍工作方式的特点是不容易失步。 3）六拍工作方式 六拍工作方式就是把单三拍和双三拍结合起来的一种工作方式。采用六拍工作方式时，各相磁极的通电顺序和转换情况如下：六拍工作方式比单三拍或双三拍的步进精度高出一倍。,3.5 电动机控制接口技术,图3-30 六拍工作方式时各相的脉冲电压、电流波形,表3-4 步时电动机3种工作方式的比较,3.5 电动机控制接口技术,3步进电机控制接口及程序设计,图3-31 计算机控制三相步进电机的接口原理图,3.5 电动机控制接口技术,图3-32 带光电隔离器的步进电机控制接口原理图,3.5 电动机控制接口技术,4步进电机的转速控制 步进电机的转速控制方法就是改变每一拍的持续时间。 启动时，一次将速度升到给定速度，步进电机就会发生失步现象，到达终点时突然停下，步进电机会发生过冲现象，如果非常缓慢地启动、停止，会影响执行机构的工作效率。要保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度移动到指定的位置。,