WX微型計算機控制技術第二章.ppt

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第2章輸入 輸出接口與過程通道 采用計算機實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制 需要采集生產(chǎn)過程中的各種必要信息 參數(shù) 并轉(zhuǎn)換成計算機所要求的數(shù)據(jù)形式 送入計算機 計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理后 形成所需要的控制信息 以生產(chǎn)過程能接受的信號形式輸出 以便實現(xiàn)控制 顯示 打印等各種功能 輸入 輸出通道 簡稱過程通道或I O通道 就是在計算機和生產(chǎn)過程之間進行信息傳送和變換的連接通道 過程通道按變換傳遞信號的種類分 模擬量通道和數(shù)字量通道 按信號傳輸?shù)姆较蚍?輸入通道和輸出通道 或前向通道和后向通道 主機和外圍設備交換信息時 往往存在著速度不匹配 數(shù)據(jù)類型不一樣等問題 為了解決這些問題 必須設計一套介于主機和外部設備之間的控制邏輯部件 這就是輸入輸出接口 簡稱I O接口 I O接口是主機和外圍設備之間交換信息的連接部件 電路 也是主機和外圍設備之間信息交換的橋梁 第2章輸入 輸出接口與過程通道 2 1輸入 輸出接口 2 2過程通道的一般結構 2 3信號的采樣和量化 2 4模擬量輸入通道的信號調(diào)理電路 2 5模擬開關及采樣保持 2 6A D轉(zhuǎn)換器及接口技術 2 7模擬量輸出通道 2 8數(shù)字量輸入與輸出通道 2 9I O通道的抗干擾技術 2 1輸入 輸出接口 在計算機控制系統(tǒng)中 過程通道或外部設備是不能直接與中央處理單元 CPU 連接的 因為它們的速度 數(shù)據(jù)格式不一定相同 信號形式也不一定相匹配 為了便于兩者交換信息 需要通過一個中間環(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來 該中間環(huán)節(jié)就是接口電路 主要實現(xiàn) 電平變換 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 緩沖和狀態(tài)信息提供等功能 2 1 1接口技術 微機系統(tǒng)運行時 外部設備 簡稱外設 與CPU之間的信息交換是十分頻繁的 CPU與外設所交換的信息有數(shù)據(jù)信息 控制信息和狀態(tài)信息 為了CPU對外設尋址 還需要有地址信息 為了保證信息的正確傳送 I O接口設有三種端口 即數(shù)據(jù)端口 狀態(tài)端口和控制端口 負責對應信息的傳送 接口技術就是研究CPU與外設之間如何交換信息的技術 主要涉及如下幾方面 1 數(shù)據(jù)緩沖 實現(xiàn)不同速度器件的同步 2 功能尋址 從多臺設備中選擇所需設備 3 命令譯碼 解釋和產(chǎn)生各種信息操作 4 同步控制 協(xié)調(diào)被連接部件 實現(xiàn)同步 5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 如并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù) 6 電平轉(zhuǎn)換 7 中斷接口 實現(xiàn)各種中斷功能 8 總線驅(qū)動 2 1 2I O信號的種類 外部設備與CPU之間交換的信息按功能通常分為三類信息 數(shù)據(jù)信息狀態(tài)信息控制信息 1 數(shù)據(jù)信息 1 數(shù)字量 數(shù)字量是指時間上 幅值上離散的信號 一般是以二進制形式表示的數(shù)或以ASCII碼表示的數(shù)或字符 如由鍵盤 撥碼開關等輸入的信息 主機送給顯示器 打印機的輸出信息等 2 模擬量 模擬量是指時間上 幅值上連續(xù)變化的物理量 如生產(chǎn)現(xiàn)場的壓力 溫度 液位 速度 重量 位移等 3 開關量 只有開關兩種狀態(tài) 通常用一位二進制數(shù)來表示 如開關的閉合和斷開 電動機的啟動和停止 閥門的打開和關閉等 2 狀態(tài)信息 狀態(tài)信息也稱握手信息或應答信息 它反映了與CPU連接的外設的當前工作狀態(tài) 是外設通過接口發(fā)往CPU的信息 作為兩者交換信息的聯(lián)絡信號 例如 狀態(tài)信息中的 就緒 信號表示等待的數(shù)據(jù)是否準備就緒 外部設備 忙 信號表示輸出設備是否處于空閑狀態(tài)等 信號輸入時 CPU讀取 就緒 Ready 狀態(tài)信息 若準備就緒則讀入數(shù)據(jù) 3 控制信息 控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設備的信息 如控制外圍設備啟動 停止 控制數(shù)據(jù)流向 控制輸入輸出等 CPU與外部設備之間的信息傳送是通過I O接口電路來完成的 I O接口通常是一塊大規(guī)模集成電路芯片 不同芯片內(nèi)部結構差別很大 但從外部連接來看 可分為兩大部分 一部分是與外圍設備相連的 為保證信息的正確傳送 I O接口往往開辟不同的端口來傳送數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息和控制信息 另一部分是與系統(tǒng)總線相連的 CPU通過系統(tǒng)總線與I O接口相連 圖2 1外部設備通過接口和CPU的連接示意圖 2 1 3I O控制方式 在微機系統(tǒng)中 可采用的I O控制方式一般有3種 程序控制方式中斷控制方式直接存儲器存取方式 DMA方式 一 程序控制方式 程序控制方式是指數(shù)據(jù)在CPU與外設之間的傳送完全依靠程序來控制 它又分為無條件傳送方式和查詢傳送方式 條件傳送方式 1 無條件傳送方式當外設已準備就緒 就不必查詢外設的狀態(tài)而進行信息傳輸 這就稱為無條件傳送 2 查詢傳送方式查詢傳送方式是指CPU與外設之間的數(shù)據(jù)傳送依靠CPU查詢外部設備的狀態(tài)來確定 一 程序控制方式 查詢方式比無條件方式可靠 接口電路簡單 不占用中斷線 同時查詢程序也簡單 易于設計調(diào)試 特別適合于按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)過程 如 自動線 定時數(shù)據(jù)采集等 該方式的缺點是 CPU在程序循環(huán)中因等待I O設備的就緒而不能做其他工作 使CPU的效率較低 倘若外部發(fā)生緊急事件 CPU不能立即響應 因而實時性不好 二 中斷控制I O方式 在許多場合下 計算機控制系統(tǒng)對實時性有較高的要求 此時若采用查詢方式 則CPU會浪費大量的時間在循環(huán)等待中 實時性差 中斷技術的引用 很大程度上克服了這個弊端 比較好的解決外圍設備運行速度較慢而CPU運行速度較快的矛盾 提高了CPU效率 同時使控制系統(tǒng)具有良好的實時性 中斷方式的應用 要求系統(tǒng)設計時必須解決以下四個問題 1 保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場 2 正確判斷中斷源 3 實時響應 4 按優(yōu)先權順序處理 三 DMA控制方式 DMA DirectMemoryAccess 方式是一種完全由硬件完成輸入輸出操作的工作方式 這種方式工作時 存儲器與外設之間直接進行數(shù)據(jù)交換 而不通過CPU 因此稱為直接存取存儲器 2 1 4I O接口設計 I O接口設計的任務是根據(jù)生產(chǎn)過程的要求和外圍設備的特性 選定各被控設備的I O控制方式 設計出合適的I O接口電路和相應的接口控制程序 使CPU和被控設備之間能實時 可靠地交換信息 從而保證滿足實時控制 數(shù)據(jù)采集等提出的要求 I O接口設計方案選擇 1 選用現(xiàn)成的多功能I O接口板為了適應系統(tǒng)I O擴展的需要 每一種微型計算機系統(tǒng)都設計有配套的I O接口板 將I O接口板插到系統(tǒng)外引總線槽上 只要適當選擇板上的有關選擇開關 選址開關 工作方式選擇開關等 就可與系統(tǒng)配套使用 2 自行開發(fā)設計I O接口電路該方式在具體做法上又有兩種方案 一是采用通用可編程接口芯片擴展I O接口 所謂可編程接口 就是接口的通用部分由大規(guī)模集成電路實現(xiàn) 其具體功能由程序來確定 如并行接口8255A 8155 串行接口8251A等 另一種方案是采用普通的緩沖器 鎖存器和譯碼器等芯片擴展I O接口 如常用的接口芯片有地址 數(shù)據(jù)鎖存器74LS273和74LS373 8位三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖 驅(qū)動器74LS244 地址譯碼器74LSl38 74LS139等 自行開發(fā)設計I O接口電路 針對性強 成本低 但開發(fā)周期長 2 2過程通道的一般結構 2 2 1輸入輸出過程通道的基本概念在計算機控制系統(tǒng)中 為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制 需要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成計算機能夠接受的形式 計算機經(jīng)過計算 處理后的結果還須變換成適合于對生產(chǎn)過程進行控制的信號 在計算機與生產(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 2 2過程通道的一般結構 計算機控制系統(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)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道 模擬量輸入通道 AnalogInput AI 采用傳感器或變送器將被控對象的模擬量參數(shù) 如壓力 溫度 液位 重量等 轉(zhuǎn)換成標準電流或電壓信號 這些信號再經(jīng)A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機中 數(shù)字量輸入通道 DigitalInput DI 通過轉(zhuǎn)換電路和接口電路將生產(chǎn)過程中的開關信號 數(shù)字信號和脈沖信號轉(zhuǎn)換成計算機所能接受的數(shù)字信號 并送入計算機中 模擬量輸出通道 AnalogOutput AO 需經(jīng)過D A轉(zhuǎn)換 將計算機輸出的數(shù)字信號變換成模擬量 輸出給執(zhí)行機構 由執(zhí)行機構直接作用于生產(chǎn)過程進行控制或調(diào)節(jié) 數(shù)字量輸出通道 DigitalOutput DO 是將計算機輸出的數(shù)字信號變換成執(zhí)行機構所需要的電平 一般需要進行信號隔離 功率驅(qū)動等 2 2 2輸入通道的結構類型 輸入通道的結構主要取決于生產(chǎn)過程的環(huán)境和輸入信號的類型 數(shù)量 大小 在不考慮前端傳感器類型的情況下 輸入通道結構歸納起來大致可以分為以下幾種 1 單信號輸入通道類型2 多信號輸入通道類型 1 單信號通道類型 現(xiàn)場中采集到的信號常見有以下幾種類型 高電壓 大電流模擬信號 低電壓 小電流模擬信號 脈沖信號 開關信號等 僅考慮單信號時 它們所對應的輸入通道結構如表2 1所示 2 多信號輸入通道類型 計算機控制系統(tǒng)往往需要采集生產(chǎn)過程中的多個模擬信號和數(shù)字信號 模擬量輸入通道根據(jù)應用要求不同 可以有不同的結構形式 一般結構如圖2 2所示 由傳感器及檢測裝置 信號調(diào)理電路 多路轉(zhuǎn)換開關 采樣保持器 A D轉(zhuǎn)換器 接口電路等組成 圖2 2模擬量輸入通道的結構 2 2 3輸出通道的結構類型 輸出通道的結構與生產(chǎn)過程的具體控制任務密切相關 取決于控制執(zhí)行器所需要的信號類型和功率大小等 輸出過程通道根據(jù)輸出信號形式和控制對象特點 其結構形式如圖2 3所示 圖2 3輸出過程通道結構