計算機控制-數字IO.ppt

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第三講:數字量輸入輸出通道,1、光電耦合隔離器的結構原理及其隔離電路；2、數字量輸入通道中幾種典型電路；3、數字量輸出通道幾種典型驅動電路；,學習要點,,,在微機控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量信號以外，還要處理另一類數字信號，包括開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現的。如開關觸點的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉，儀器儀表的BCD碼，以及脈沖信號的計數和定時等等。,,,,引言,4.1光電耦合隔離技術,主要知識點,4.1.1光電耦合隔離器4.1.2光電耦合隔離電路,,,,4.1.1光電耦合隔離器,光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖4-1所示。它們的原理是相同的，即都是通過電?光?電這種信號轉換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。,圖4-1光電耦合隔離器的幾種類型,現以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結構原理，如圖4-2所示。,圖4-2光電耦合隔離器的結構原理,下面以控制系統(tǒng)中常用的數字信號的隔離方法為例說明光電耦合隔離電路。典型的光電耦合隔離電路有數字量同相傳遞與數字量反相傳遞兩種，如圖?4-3?所示。數字量同相傳遞如圖4-3（a）所示，光耦的輸入正端接正電源，輸入負端接到與數據總線相連的數據緩沖器上，光耦的集電極??c?端通過電阻接另一個正電源，發(fā)射極?e?端直接接地，光耦輸出端即從集電極c?端引出。當數據線為低電平“0”時，發(fā)光管導通且發(fā)光，使得光敏管導通，輸出?c?端接地而獲得低電平“0”；當數據線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管也截止使輸出?c?端從電源處獲得高電平“1”。如此，完成了數字信號的同相傳遞。,,,4.1.2光電耦合隔離電路,,,,,,,,,數字量反相傳遞如圖4-3（b）所示，與（a）不同的是光耦的集電極c端直接接另一個正電源，而發(fā)射極e端通過電阻接地，則光耦輸出端從發(fā)射極e端引出。從而完成了數字信號的反相傳遞。,,,,4.2數字量輸入通道,主要知識點,引言4.2.1開關輸入電路4.2.2脈沖計數電路,,,,引言,數字量輸入通道（DI通道）的任務--是把生產過程中的數字信號轉換成計算機易于接受的形式。信號調理電路--雖然都是數字信號，不需進行A/D轉換，但對通道中可能引入的各種干擾必須采取相應的技術措施，即在外部信號與單片機之間要設置輸入信號調理電路。,,,,凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關，其端子引出均統(tǒng)稱為開關信號。在開關輸入電路中，主要是考慮信號調理技術，如電平轉換，RC濾波，過電壓保護，反電壓保護，光電隔離等。（1）電平轉換是用電阻分壓法把現場的電流信號轉換為電壓信號。（2）RC濾波是用?RC?濾波器濾出高頻干擾。（3）過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。（4）反電壓保護是串聯一個二極管防止反極性電壓輸入。（5）光電隔離用光耦隔離器實現計算機與外部的完全電隔離。,,,4.2.1開關輸入電路,,圖（a）采用積分電路,圖（b）采用R-S觸發(fā)器,典型的開關量輸入信號調理電路如圖?4-4?所示。點劃線右邊是由開關?S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流(如380VAC)變換為低壓直流(如5VDC)。開關?S?的狀態(tài)經?RC?濾波、穩(wěn)壓管?D1?箝位保護、電阻?R2?限流、二極管?D2?防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器，主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關?S?的狀態(tài)。比如,當開關?S?閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導通，數據線上為低電平，即輸入信號為“0”對應外電路開關?S?的閉合；反之，開關?S?斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數據線上為高電平，即輸入信號為“1”對應外電路開關?S?的斷開。,,,,,,,,輸入接口對生產過程的控制，常常需了解生產過程的狀態(tài)信息，根據狀態(tài)信息，決定如何給出控制量。要獲得狀態(tài)信息則必須通過輸入接口（可用三態(tài)門緩沖器74LS244），如圖所示,圖開關量輸入接口,思考：還可以用學過的哪個接口芯片？,4.2.2脈沖計數電路,,,,,有些用于檢測流量、轉速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設計一種定時計數輸入接口電路，即在一定的采樣時間內統(tǒng)計輸入的脈沖個數，然后根據傳感器的比例系數可換算出所檢測的物理量。,,,,,,圖4-5為一種定時計數輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號，經過簡單的信號調理，引到8254芯片的計數通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計數器通道的可編程計數器/定時器。圖中，計數通道0工作于模式3，CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖，OUT0輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖N倍（N為通道0的計數初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計數通道1的采樣時間和采樣間隔時間，分別記為TS、TW；計數通道1和2均選為工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使兩者構成一個計數長度為232的脈沖計數器，以對TS內的輸入脈沖計數。如果獲得TS時間內的輸入脈沖個數為n，則單位時間內的脈沖個數即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質的流量或電機的轉速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當量(即一個脈沖相當的流量或轉數)為K，則介質的流量或電機的轉數就為n/TSK。,,,,4.3數字量輸出通道,,,,主要知識點,引言4.3.1三極管驅動電路4.3.2繼電器驅動電路4.3.3晶閘管驅動電路4.3.4固態(tài)繼電器驅動電路,,引言,數字量輸出通道簡稱DO通道，它的任務是把計算機輸出的微弱數字信號轉換成能對生產過程進行控制的數字驅動信號。根據現場負荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構成不同的開關量驅動輸出通道。常用的有三極管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路、晶閘管輸出驅動電路、固態(tài)繼電器輸出驅動電路等。,,,,對于低壓情況下的小電流開關量，用功率三極管就可作開關驅動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。,,,4.3.1三極管驅動電路,,,,1.普通三極管驅動電路,當驅動電流只有十幾mA或幾十mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構成驅動電路，如圖4-6所示。,,鏈接動畫,,2.達林頓驅動電路,,,當驅動電流需要達到幾百毫安時，如驅動中功率繼電器、電磁開關等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。,,圖4-7給出達林頓陣列驅動器MC1416的結構圖與每對復合管的內部結構，MC1416內含7對達林頓復合管，每個復合管的集電極電流可達500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負向過沖。,,,,,,,,,,圖4-8為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路，當CPU數據線Di輸出數字“0”即低電平時，經7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓復合管導通，產生的幾百毫安集電極電流足以驅動負載線圈，而且利用復合管內的保護二極管構成了負荷線圈斷電時產生的反向電動勢的泄流回路。,,,,,,4.3.2繼電器驅動電路,,,電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設備。,,圖4-10繼電器原理,,,,繼電器驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,,,,,常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅動。,繼電器的驅動電路驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,,,,,,,,圖?4-9為經光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路，當CPU數據線Di?輸出數字“1”即高電平時，經7406反相驅動器變?yōu)榈碗娖剑怦罡綦x器的發(fā)光二極管導通且發(fā)光，使光敏三極管導通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅動大型負荷設備。由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷時，會出現較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅動器件，應在繼電器線圈兩端并聯一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。,,,,鏈接動畫,,4.3.3晶閘管驅動電路,晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關無觸點等特點，在交直流電機調速系統(tǒng)、調功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應用廣泛。,,,,晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖4-10所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉為導通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導通變?yōu)榻刂埂蜗蚓чl管具有單向導電功能，在控制系統(tǒng)中多用于直流大電流場合，也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。,,,,單向晶閘管,雙向晶閘管,圖4-10晶閘管的結構符號,,,,雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅，在結構上相當于兩個單向晶閘管的反向并聯，但共享一個控制極，結構如圖（b）所示。當兩個電極T1、T2之間的電壓大于1.5V時，不論極性如何，便可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導通。雙向晶閘管具有雙向導通功能，因此特別適用于交流大電流場合。,,,,,,,,鏈接動畫,,晶閘管常用于高電壓大電流的負載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。圖?4-11為經光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅動電路，當CPU數據線Di?輸出數字“1”時，經7406反相變?yōu)榈碗娖剑怦疃O管導通，使光敏晶閘管導通，導通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導通，從而驅動大型交流負荷設備RL。,,,,4.3.4固態(tài)繼電器驅動電路,,,固態(tài)繼電器?SSR??SolidStateRelay??是一種新型的無觸點開關的電子繼電器，它利用電子技術實現了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，大有取代電磁繼電器之勢。,,圖4-12SSR結構原理及符號,,,,,,,,鏈接動畫,,,,,,當然，在實際使用中，要特別注意固態(tài)繼電器的過電流與過電壓保護以及浪涌電流的承受等工程問題，在選用固態(tài)繼電器的額定工作電流與額定工作電壓時，一般要遠大于實際負載的電流與電壓，而且輸出驅動電路中仍要考慮增加阻容吸收組件。具體電路與參數請參考生產廠家有關手冊。,,2．開關量輸出接口當對生產過程進行控制時，一般應對計算機送出的控制狀態(tài)進行保持，直到重新刷新為止，此時便需利用輸出接口對其進行鎖存（可用八D鎖存器74LS273），如圖所示。由圖可知，利用IOW的后沿產生的上升沿可以鎖存數據。經過端口地址譯碼，得到片選信號CS，執(zhí)行OUT指令時，產生IOW信號，設片選端口地址為PROT，可用以下指令完成數據輸出控制。MOVAL，DATAMOVDX，PROTOUTDX，AL74LS273有8個通道，可輸出8個開關狀態(tài)，并可驅動8個輸出裝置。,4.4DI/DO模板,把上述數字量輸入通道或數字量輸出通道設計在一塊模板上,就稱為DI模板或DO模板，也可統(tǒng)稱為數字量I/O模板。圖4-14為含有DI通道和DO通道的PC總線數字量I/O模板的結構框圖，由PC總線接口邏輯、I/O功能邏輯、I/O電氣接口等三部分組成。如圖4-14所示。,,,,,,,,PC總線接口邏輯部分由8位數據總線緩沖器、基址譯碼器、輸入和輸出片址譯碼器組成。I/O功能邏輯部分只有簡單的輸入緩沖器和輸出鎖存器。其中，輸入緩沖器起著對外部輸入信號的緩沖、加強和選通作用；輸出鎖存器鎖存CPU輸出的數據或控制信號，供外部設備使用。I/O緩沖功能可以用可編程接口芯片如8255A構成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片實現。I/O電氣接口部分的功能主要是：電平轉換、濾波、保護、隔離、功率驅動等。各種數字量I/O模板的前兩部分大同小異，不同的主要在于I/O電氣接口部分，即輸入信號的調理和輸出信號的驅動，這是由生產過程的不同需求所決定的。,,,,本章小結,數字量輸入輸出通道也是計算機測控系統(tǒng)中的重要組成部分。本章首先介紹了當前計算機控制系統(tǒng)中最重要的硬件抗干擾技術——光電耦合隔離技術，并著重分析光電耦合隔離器的結構原理及其在數字信號中的隔離電路。介紹分析了數字量輸入通道中的3種典型電路：信號調理電路、脈沖計數電路與撥盤開關電路。還介紹分析了數字量輸出通道中的4種典型驅動電路：三極管驅動電路、繼電器驅動電路、晶閘管驅動電路與固態(tài)繼電器驅動電路。通過對各種輸入輸出通道接口電路的分析，可以看出，光電耦合隔離器的抗干擾作用是十分重要的。,,,,習題與思考,1.畫圖分析說明三極管型光電耦合隔離器的工作原理。2.分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機理。3.功率放大器件有哪些？。4.說明固態(tài)繼電器與普通繼電器的區(qū)別。5.簡述數字量I/O模板電路的結構組成。,,