第2章-输入输出接口与过程通道.优秀PPT.ppt
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1、第第2 2章章 输入输出接口与过程通道输入输出接口与过程通道 2.1 2.1 总线扩展技术总线扩展技术2.2 2.2 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.3 2.3 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道 2.4 2.4 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道2.5 2.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2.1 2.1 总线扩展技术总线扩展技术2.1.1 2.1.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址安排端口与地址安排2.1.2 I/O2.1.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.1.3 2.1.3 基于基于ISAISA总线端口
2、扩展总线端口扩展2.1.1 2.1.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址安排端口与地址安排 1.I/O 1.I/O端口及端口及I/OI/O操作操作 (1 1)数据端口()数据端口(CPUCPU与外设之间)与外设之间)(2 2)状态端口(外设当前状态)状态端口(外设当前状态)(3 3)吩咐端口(限制口,存放)吩咐端口(限制口,存放CPUCPU吩咐)吩咐)2.1.1 2.1.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址安排端口与地址安排 2.I/O 2.I/O端口编址方式端口编址方式(因(因CPUCPU而不同)而不同)(1 1)统一编址)统一编址(I/OI/O与存储器)
3、与存储器)(2 2)独立编址)独立编址2.1.2 I/O2.1.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术1.1.三种译码方式三种译码方式 (1 1)线选法(地址空间运用率低、线路简)线选法(地址空间运用率低、线路简洁)洁)(2 2)全译码法(地址空间运用率高、线路)全译码法(地址空间运用率高、线路困难)困难)(3 3)部分译码(依据实际须要确定)部分译码(依据实际须要确定)2.1.2 I/O2.1.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术2.2.I/O端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号以以ISA为例:为例:A0A9(1010位地址)位地址)IOR、IOW(端口读写)(端口读写)AEN
4、(非(非DMADMA选择)选择)/IO16(数据宽度选择:(数据宽度选择:8 8或或1616位)位)/SBHE(奇偶地址选择)(奇偶地址选择)3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式n不同通道板卡插在插槽中不同通道板卡插在插槽中n插槽相同插槽相同nI/OI/O地址不同地址不同(1 1)固定地址译码)固定地址译码例:例:溢出溢出8 8个端口地址个端口地址要求要求3A0H3A7H3A0H3A7H即即A9A3=1110100BA9A3=1110100BA2A0A2A0变更变更3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式地址由地址由DIP6确
5、定确定如高如高12位为位为03ExH(0000001111100000)(课堂练习)(课堂练习)Y0端口地址为端口地址为03E0H,Y1端口地址?端口地址?/P=/Q/P=/Q(低电平)(低电平)3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 (2 2)开关选择译码)开关选择译码(运用敏捷运用敏捷)2.1.2 I/O2.1.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术用于地址译码的器件:用于地址译码的器件:PLD(可编程逻辑器件)(可编程逻辑器件)GAL(通用阵列逻辑)(通用阵列逻辑)PLA(可编程阵列逻辑)(可编程阵列逻辑)EPLD(可擦除可编程门阵列)(可擦除可编程
6、门阵列)FPLD(现场可编程门阵列)(现场可编程门阵列)CPLD(困难可编程门阵列)(困难可编程门阵列)2.1.3 2.1.3 基于基于ISAISA总总线端口扩展线端口扩展1.1.板选译码与板选译码与板内译码板内译码(线路原理)(线路原理)板选译码板选译码板内译码板内译码2.1.3 2.1.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展2.2.总线驱动及逻辑限制总线驱动及逻辑限制数据总线限制:数据总线限制:数据比较器输出数据比较器输出数据缓冲器使能数据缓冲器使能(74HCT68874HCT24574HCT68874HCT245)IORDIRIORDIR(数据读写方向)(数据读写方向)2.1.
7、3 2.1.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展3.3.端口及其读写限制端口及其读写限制地址选通地址选通端口片选端口片选:/CS:/CSIORIOR、IOWIOW端口读写端口读写:/RD:/RD、/WR/WR习题2(P68)1.什么是接口、接口技术和过程通道?什么是接口、接口技术和过程通道?2.接受接受74LS244和和74LS273与与PC/ISA总线限制机接口,总线限制机接口,设计设计8路数字量(开关量)输入接口和路数字量(开关量)输入接口和8路数字量(开路数字量(开关量)输出接口,请画出接口电路原理图,并分别编关量)输出接口,请画出接口电路原理图,并分别编写数字量输入和输出程
8、序。写数字量输入和输出程序。2.2 数字量输入输出接口与过程通道2.2.1 2.2.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 1.1.数字量输入接口数字量输入接口 2.2.数字量输出接口数字量输出接口2.2.2 数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构2.2.2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电路 (1)(1)小功率输入调理电路小功率输入调理电路 (2)(2)大功率输入调理电路大功率输入调理电路2.2.3数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (1)(1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路
9、 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路2.2.3数字量输出通道2.2.2.2.输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (2)(2)(2)(2)大功率沟通驱动电路大功率沟通驱动电路大功率沟通驱动电路大功率沟通驱动电路2.2.4 数字(开关)量输入/输出通道模板举例图图2-19 PCL-7302-19 PCL-730板卡组成框图板卡组成框图2.2.4 数字(开关)量输入/输出通道模板举例程序设计举例程序设计举例(基地址设为基地址设为220H)220H):PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输
10、入/输出都只须要二条指令就可以完成。输出都只须要二条指令就可以完成。C C语言程序如下:语言程序如下:outportb(0 x220outportb(0 x220,Ox55)Ox55)outportb(Ox221outportb(Ox221,0 x55)0 x55)inportb(Ox220)inportb(Ox220)inportb(Ox221)inportb(Ox221)汇编语言程序如下:汇编语言程序如下:MOV DXMOV DX,220H 220HMOV ALMOV AL,55H 55HOUT DXOUT DX,AL ALMOV DXMOV DX,221H 221H OUT DXOUT
11、DX,AL ALMOV DXMOV DX,220H 220HIN ALIN AL,DX DX MOV AHMOV AH,AL ALMOV DXMOV DX,221H 221HIN ALIN AL,DX DX2.3模拟量输入接口与过程通道2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成2.3.2 信号调理和I/V变换1.1.信号调理电路信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法,将非电量和非标准的电信号转换成标准等方法,将非电量和非标准的电信号转
12、换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和的电信号。信号调理电路是传感器和A/DA/D之间以之间以及及D/AD/A和执行机构之间的桥梁,也是测控系统中和执行机构之间的桥梁,也是测控系统中重要的组成部分。重要的组成部分。(1 1)非电信号的检测)非电信号的检测-不平衡电桥不平衡电桥(2 2)信号放大电路)信号放大电路 1)1)基于基于ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路2.3.2 信号调理和I/V变换1.1.信号调理电路信号调理电路2 2)AD526AD526可编程仪用放大器可编程仪用放大器AD526AD526是可通过软件对增益进行编程是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用
13、放大器,器件本身所供应的增益是的单端输入的仪用放大器,器件本身所供应的增益是x lx l、x 2x 2、x x 4 4、x 8x 8、x16x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTLTTL数字逻辑电路的器件,运用时不需外加任何元件就可工作。数字逻辑电路的器件,运用时不需外加任何元件就可工作。2.3.2 信号调理和I/V变换2.I/V2.I/V变换变换(1 1)无源)无源I/VI/V变换变换 (2 2)有源)有源I/VI/V变换变换2.3.3 多路转换器 多路转换器又称多路开关,多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。图2-27 CD4
14、051原理图2.3.4 采样、量化及采样保持器1.1.信号的采样信号的采样2.2.量化量化 所谓量化,就是接受一组数码所谓量化,就是接受一组数码(如二进制码如二进制码)来靠近离散模拟信号的幅值,将其转换为数字来靠近离散模拟信号的幅值,将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程,执行量化动作的装置是量化过程,执行量化动作的装置是A/DA/D转换器。转换器。3.3.采样保持器采样保持器(1)(1)孔径时间和孔径误差的消退孔径时间和孔径误差的消退 (2)(2)采样保持原理采样保持原理 3.3.采样保持器采样保持器(3 3)常用的采样保持器)
15、常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等,等,LF398LF398的采样限制电平为的采样限制电平为“1”“1”,保持电平为,保持电平为“0”“0”,AD582AD582相反。相反。2.3.5 A/D转换器及其接口技术1.81.8位位A/DA/D转换器转换器ADC0809ADC0809 (1)8 (1)8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 (2)8 (2)8位位A/DA/D转换器转换器 (3)(3)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器2 21212位位A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A (1)12
16、(1)12位位A/DA/D转换器转换器 (2)(2)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 (3)(3)限制逻辑限制逻辑3.AD574A/16743.AD574A/1674与与PCPC总线工业限制机接口总线工业限制机接口3.AD574A/16743.AD574A/1674与与PCPC总线工业限制机接口总线工业限制机接口2.3.6 模拟量输入通道模板举例图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图 2.3.6 模拟量输入通道模板举例1.PCL-813B 的寄存器地址2.程序设计举例3.PCL-813B A/D 转换基于查询方式,由软件触发。A/D 转换器被触发后,利用程序检查A/D状态寄存器的数
17、据准备位(DRDY)。假如检测到该位为“1”,则A/D 转换正在进行。当A/D 转换完成后;该位变为低电平,此时转换数据可由程序读出。2.4 模拟量输出接口与过程通道2.4.1 2.4.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式 1.1.一个通道设置一个数一个通道设置一个数/模转换器的形式模转换器的形式 2.2.多个通道共用一个数多个通道共用一个数/模转换器的形式模转换器的形式2.4.2 D/A转换器及其接口技术1.81.8位位D/AD/A转换器接口转换器接口2.122.12位位D/AD/A转换器接口转换器接口2.4.3 单极性与双极性电压输出电路2.4.4 V/I变换1.1.集成集
18、成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B202.2.集成集成V/IV/I转换器转换器AD694AD6942.4.5 模拟量输出通道模板举例图2-47 PCL-726板卡组成框图2.D/A 转换程序流程D/A 转换程序流程如下(以通道1为例):(1)选择通道地址n=1(n=16)。(2)确定D/A高4位数据地址(基地址+00)。(3)置 D/A高4位数据(D3DO 有效)。(4)确定D/A低8位数据地址(基地址+01)。(5)置 D/A低8位数据并启动转换。3.程序设计举例PCL-726 的D/A 输出、数字量输入等操作均不须要状态查询,辨别率为12位,000H0FFFH分别对应输出0%1
19、00%,若输出50%,则对应的输出数字量为7FFH,设基地址为220H,D/A通道l输出50%的程序如下:C语言参考程序段如下:outportb(0 x220,0 x07)/D/A 通道l 输出50%outportb(0 x221,0 xff)汇编语言参考程序如下:(基地址为220H):MOV AL,07H ;D/A 通道l 输出50%MOV DX,0220H OUT DX,AL MOV DX,0221H MOV AL,0FFH2.5 硬件抗干扰技术2.5.1 2.5.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术2.5.2 CPU2.5.2 CPU抗干扰技术抗干扰技术2.5.3 2.5.3 系统供
20、电与接地技术系统供电与接地技术 所所谓谓干干扰扰,就就是是有有用用信信号号以以外外的的噪噪声声或或造造成成计计算算机机设备不能正常工作的破坏因素。设备不能正常工作的破坏因素。克克服服干干扰扰的的措措施施:硬硬件件措措施施,软软件件措措施施,软软硬硬结结合合的措施的措施干扰的来源干扰的来源:外部干扰和内部干扰。:外部干扰和内部干扰。外外部部干干扰扰主主要要是是空空间间电电或或磁磁的的影影响响,环环境境温温度度、湿湿度等气象条件。度等气象条件。内内部部干干扰扰主主要要是是分分布布电电容容、分分布布电电感感引引起起的的耦耦合合感感应应,电电磁磁场场辐辐射射感感应应,长长线线传传输输的的波波反反射射,
21、多多点点接接地地造造成成的的电电位位差差引引起起的的干干扰扰,寄寄生生振振荡荡引引起起的的干干扰扰,甚甚至至元元器件产生的噪声。器件产生的噪声。分分布布电电容容:除除电电容容器器外外,由由于于电电路路的的分分布布特特点点而而具具有的电容叫分布电容。有的电容叫分布电容。分布电感分布电感:distributed inductancedistributed inductance。2.5.1 过程通道抗干扰技术1.1.串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 (1)(1)串模干扰串模干扰 (2)(2)串模干扰的抑制方法串模干扰的抑制方法2.2.共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 (1)(1)共模
22、干扰共模干扰 (2)(2)共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法 变压器隔离变压器隔离 光电隔离光电隔离 浮地屏蔽浮地屏蔽 接受仪表放大器提高共模抑制比接受仪表放大器提高共模抑制比2.5.1 过程通道抗干扰技术1.1.串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 (1)(1)串串模模干干扰扰:所所谓谓串串模模干干扰扰是是指指叠叠加加在在被被测测信信号号上上的的干扰噪声。也称为常态干扰。干扰噪声。也称为常态干扰。(2)串模干扰的抑制方法 假如串模干扰频率比被测信号频率高,则接受输入低通假如串模干扰频率比被测信号频率高,则接受输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰;假如串模干扰频率比被测信号滤波器来抑制高频
23、率串模干扰;假如串模干扰频率比被测信号频率低,则接受高通滤波器来抑制低频串模干扰;假如串模干频率低,则接受高通滤波器来抑制低频串模干扰;假如串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧,则应用带通滤波器。一般状扰频率落在被测信号频谱的两侧,则应用带通滤波器。一般状况下,串模干扰均比被测信号变更快,故常用二级阻容低通滤况下,串模干扰均比被测信号变更快,故常用二级阻容低通滤波网络作为模波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变更较快时,数转换器的输入滤波器。当被测信号变更较快时,应相应变更网络参数,以适当减小时间常数。应相应变更网络参数,以适当减小时间常数。当当尖尖峰峰型型串串模模干干扰扰成成为为主主
24、要要干干扰扰源源时时,用用双双积积分分式式A/DA/D转转换换器器可可以以减减弱弱串串模模干干扰扰的的影影响响。因因为为此此类类转转换换器器是是对对输输入入信信号号的的积积分分值值进进行行测测量量,而而不不是是测测量量信信号号的的瞬瞬时时值值。若若干干扰扰信信号号是是周周期期性性的的而而积积分分时时间间又又为为信信号号周周期期或或信信号号周周期期的的整整数数倍倍,则则积积分分后后干干扰扰值值为为零零,对测量结果不产生误差。对测量结果不产生误差。对对于于串串模模干干扰扰主主要要来来自自电电磁磁感感应应的的状状况况下下,对对被被测测信信号号应应尽尽可可能能早早地地进进行行前前置置放放大大,从从而而
25、达达到到提提高高回回路路中中的的信信号号噪噪声声比比的的目目的的;或者尽可能早地完成模或者尽可能早地完成模/数转换或实行隔离和屏蔽等措施。数转换或实行隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手,利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。从选择逻辑器件入手,利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。接接受受双双绞绞线线作作信信号号引引线线的的目目的的是是削削减减电电磁磁感感应应,并并且且使使各各个个小小环环路路的的感感应应电电势势相相互互呈呈反反向向抵抵消消。选选用用带带有有屏屏蔽蔽的的双双绞绞线线或或同同轴轴电缆做信号线,且有良好接地,并对测量仪表进行电磁屏蔽。电缆做信号线,且有良好接地,并对测量仪表进行电磁屏蔽。
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