第7章--控制系统接口技术——输入输出通道ppt课件(全).ppt
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1、v7.1 模拟量输入接口技术v7.2 模拟量输出接口技术 v7.3 开关量输入接口技术v7.4 开关量输出接口技术v7.5 人-机接口v7.6 执行器第第7章章 控制系控制系统统接口技接口技术术输输入入输输出通道出通道7.1 模模拟拟量量输输入接口技入接口技术术 在计算机控制系统中,常常需要检测各种物理信号,如压力、温度、流量等,这些被测非电信号需经过传感器转换为模拟电压电流信号,才能被计算机系统识别与处理。模拟量输入通道的任务是把从控制中检测到的模拟信号,变成二进制数字信号,经接口送往计算机。7.1.1 模模拟拟量量输输入通道入通道结结构构 图7.1 模拟输入通道 模拟量输入通道的一般结构如
2、图7.1所示。过程参数由传感器元件测量并转换为电流(或者电压)形式后,再送至多路开关;在计算机的控制下,由多路开关将各个过程参数切换到后级,进行A/D转换,实现参数循环检测。模拟量输入通道一般由信号调理、多路开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器和接口逻辑电路等组成,其核心是A/D转换器。7.1.2 信号信号调调理理 信号调理电路的作用是抑制工业现场产生的各种干扰,保证A/D转换的精度。传感器输出信号多为直流电流信号,这就需要经过电流-电压变换处理,获得适于A/D转换器使用的电压信号。无源电流-电压变换电路是利用无源精密电阻器件来实现,为了保证电路可靠运行,在电路中增加了二极管稳压及RC滤
3、波保护电路,如图7.2所示。该电路可以将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。图7.2 无源电流-电压变换原理图 有源电流-电压变换电路是利用有源器件运算放大器和电阻电容来实现,如图7.3所示。利用同相放大电路,把电阻R上产生的输入电压变换为标准的输出电压。该同相电路的放大倍数为:图7.3 有源电流-电压变换原理图 7.1.2 信号信号调调理(理(续续)7.1.3 多路开关多路开关 由于计算机的工作速度远快于被测参数的变化,供多个检测回路使用。为了实现多路采样,要用到多路开关。多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上,其特点是开路阻抗为无穷大,导通阻
4、抗为零;切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关分为8通道,16通道和32通道等多种。常用的多路开关芯片有CD4051、AD7501和LF13508等。CD4051是8路模拟开关,其结构原理如图7.-4所示,由电平转换、二进制一译码马驱动和开q22w关电路三部分组成。图7.4 CD4051结构原理图 7.1.4 前置放大器前置放大器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。生产工业现场的传感器信号带有较大的共模干扰,单个运放的差动输入很难得到很好的干扰抑制作用。实际的电路设计中,往往采用图7.5所示的仪表放大电路。该测量放大电路由三个运算放大器组成对称结构,具有
5、很高的阻抗和抑制共模干扰能力。常用的集成电路芯片有AD521/AD522和INA102等。图7.5 仪表放大电路图 当多路输入的电平相差较悬殊时,用放大器去放大高电平和低电平的信号,可能使低电平信号测量精度降低,而高电平则有可能超出A/D转换器的输入范围。因此,可以设计可变增益放大器,对于各路不同大小的输入信号,测量放大电路的增益不相同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或者可编程放大器,如图7.6所示。常用的集成电路芯片有AD612/AD614等。7.1.4 前置放大器(前置放大器(续续)7.6 可变增益放大电路7.1.5 采采样样保持器保持器 由于A/D转换需要一定的时间,如果输入信号
6、变化频率比较高,就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度,需要用采样保持器。分别称为零阶保持器、一阶保持器和高阶保持器。图7.7 零阶保持器电路组成7.1.6 A/D转换转换器器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件,把输入的模拟电压转换成正比的数字量。实现A/D转换的方法比较多,常用的有计数比较法、双斜率积分法和逐次逼近法。逐次逼近法式在16位以下的A/D转换器广泛应用。1.ADC0809芯片及接口芯片及接口电电路路ADC0809为8位逐次逼近式A/D转换器,模拟电压转换范围为5V,内部带8路模拟开关,输入8路模拟信号,采用28脚直插封装,其引脚如图7.8所示。ADC0809由8路
7、模拟开关、地址锁存与译码电路、8位逐次逼近A/D转换器和三态锁存输出4部分组成。图7.8 ADC0809的原理框图及引脚 ADC0809与PC的接口电路如图7.9所示。ADC0809的ALE与START引脚相连接,将PC0PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换;ADC0809的EOC同OE输出控制端相连接,当转换结束时,开放数据输出缓冲器;EOC信号还连接到8255A的C口,CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。图7.9 ADC0809与PC总线工业控制机接口电路1.ADC0809芯片及接口芯片及接口电电路路(续续)2.AD574A芯片及接口芯片及接口电电路路
8、 AD574A是12位逐次逐次逼近式A/D转换器,内部有时钟脉冲源和基准源,转换时间25微秒,适合于在高精度快速采样系统中使用。如图7.10所示,AD574A采用28脚双列直插封装,内部主要由12位A/D转换器、控制逻辑、三台输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成,可直接与PC机数据总线连接,只能输入一路模拟量。图7.10 AD574A的原理框图及引脚图7.11 AD574A与PC总线工业控制机接口 2.AD574A芯片及接口芯片及接口电电路(路(续续)7.2 模模拟拟量量输输出接口技出接口技术术 模拟量输出通道的任务是把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,并输出给相应的执行机构
9、,驱动执行机构实现所要求的控制目的。模拟量输出通道一般由接口电路,D/A转换器和V/I变换器等构成,其核心是D/A转换器。7.2.1 模模拟拟量量输输出通道出通道结结构构 模拟量输出通道可分为模拟量保持和数字保持两种结构形式。图7.12为多D/A的结构形式,每个输出通道使用独立的D/A转换器,每个通道输出的数据由D/A转换器的数据锁存器保持,控制作用保持到下一个输出时刻。优点是速度快,结构简单,工作可靠,精度高。缺点是,输出通路数量很多,将使用较多的D/A转换器。D/A转换芯片价格的不断下降图7.12 多D/A结构 图7.13为共享D/A的结构形式,多个输出通道共用一个D/A转换器。每个通路都
10、设置一个采样保持器,还应有一个多路转换开关,依次把输出的数据转换成模拟电压,通过多路开关传送给各路输出采样保持器。这种方案的优点是节省D/A转换器。缺点是,电路复杂,精度差,可靠性低,只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。图7.13 共享D/A结构7.2.1 模模拟拟量量输输出通道出通道结结构(构(续续)7.2.2 D/A转换转换器及其接口器及其接口 模/数(A/D)和数模(D/A)转换技术是数字测量和数字控制领域的分支。D/A转换器输入的是数字量,经转换后输出的是量化的模拟量。有关D/A转换器的技术性能指标很多,例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类(二进
11、制或BCD码)等。1.DAC0832芯片及接口芯片及接口电电路路 DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式单片8位D/A转换器,它可直接与CPU相连,也可同单片机相连,以电流形式输出;当需要转换为电压输出时,可外接运算放大器。DAC0832由两个数据锁存器、一个8位D/A转换器和控制电路等组成,DAC0832内部结构如图7.14所示。图7.14 DAC0832原理框图及引脚 图7.15为 DAC0832与PC总线工业控制机接口电路。DAC0832工作在单缓冲寄存器方式。图7.15 DAC0832的单缓冲接口电路2.DAC1210芯片及接口芯片及接口电电路路图7.16 DAC1210原理
12、框图及引脚 DAC1210与计算机总线的连接如图7.17所示,由于片内有两级缓冲锁存器,直接与计算机总线连接。高8位数据输入线DI4DI11连接数据总线的D0D7;低4位数据输入线DI0DI3连接数据总线的D4D7。电流型输出接运放A1,输出负极性电压,经运算放大器A2进行反相,输出正极性电压。图7.17 DAC1210转换器与计算机总线工业控制机接口2.DAC1210芯片及接口芯片及接口电电路(路(续续)7.3 开关量开关量输输入接口技入接口技术术 在计算机控制系统中,需要处理一些基本的输入输出信号,即开关量(数字量)信号。这些信号包括,开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的
13、亮与灭、阀门的打开与关闭和电机的启动与停止等。这些信号都可以用二进制的“1”和“0”来表示。7.3.1 开关量开关量输输入通道一般入通道一般结结构构 其任务是接收生产过程中的数字信号或状态,并通过接口芯片经过电平转化、滤波和隔离等措施,转换成计算机能够接收的标准的逻辑信号电平,简称DI通道。主要由输入缓冲电路、输入调理电路和输入地址译码电路等组成,如图7.18所示。图7.18 开关量输入通道一般结构7.3.2 开关量开关量输输入信号的入信号的调调理理 开关量输入通道的基本功能是接收外部装置的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流或开关触点的通断,这些信号状态容易引起瞬时高电压、过电压及接
14、触抖动等现象。为了将外部开关量信号正确输入到计算机,必须将现场输入的状态信号采用转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的裸机信号,这些功能电路称为信号调理电路。1.开关消除抖开关消除抖动电动电路路 从开关和继电器等机械装置在接通或断开时候,会产生机械抖动。图7.19为开关量消除抖动电路。将接点的接通和断开动作,转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号,通常采用积分电路或RS触发电路。为了使大功率器件接点工作可靠,接点两端至少要加24V直流电压。因为直流电平的响应快,不易产生干扰,电路又简单,广泛采用。但容易带有干扰,通常采用光耦器件进行隔离。光耦利
15、用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的,利用光耦还可以起到电平转换的作用,如7.20所示。图7.20 开关量隔离及电平转换电路2.开关量隔离开关量隔离电电路路7.4 开关量开关量输输出接口技出接口技术术 其任务是把计算机输出的数字信号(或开关信号)传送给开关器件(如继电器或指示灯),控制它们的通、断或亮、灭,简称DO通道。7.4.1 开关量开关量输输出通道一般出通道一般结结构构 主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出地址译码电路等组成,如图7.21所示。其中,输出锁存器用于锁存CPU输出的数据;输出驱动器是用来驱动继电器或执行机构的功率放大器。图7.21开关量输出通道结构 输出驱动电路的
16、功能一是进行信号隔离,二是驱动开关器件。对于小电流开关量,用功率三极管就可作开关驱动组件,其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积,如图7.22所示。当达到几百毫安时,如驱动中功率继电器、电磁开关等装置,输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点,适用于计算机控制系统中的多路负荷。7.4.2 开关量开关量输输出出驱动电驱动电路路图7.22 三极管驱动电路 7.4.2 开关量开关量输输出出驱动电驱动电路(路(续续)图7.23为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路,当CPU数据线Di 输出数字“0”即低电平时,经反相锁存器变为高
17、电平,使达林顿复合管导通,产生几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈,且利用复合管内的保护二极管构成负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。图7.23 达林顿管输出电路 7.5 人人-机接口机接口 人机接口是计算机与人机交互设备之间实现信息传输的控制电路。通过这些接口电路,操作人员可以实时了解到计算机控制的有关内容,并可以随时对计算机进行操作。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的人机交互功能。7.5.1 键盘键盘接口技接口技术术 键盘是计算机控制系统最常用和最简单的输入设备,用户能通过键盘输入数据或命令,实现简单的人机通信。根据按键开关结构对键盘分类,有触点式和无触点式两大类。有触点式按键开关有
18、机械式开关、薄膜开关、导电橡胶式开关和磁簧式开关等;无触点式按键开关有电容式开关、电磁感应式开关和磁场效应式开关。有触点式键盘手感差、易磨损、故障率高;无触点式键盘手感好、寿命长。无论采用什么形式的按键,作用都是一个使电路接通或断开的开关。7.5.1 键盘键盘接口技接口技术术(续续)在键盘中按键数量较多时,为减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。图7.24给出了51单片机的矩阵键盘接口电路。每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,通过一个按键加以连接。这样,一个端口(如P1口)就可以构成44=16个按键,比直接将端口用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,由此可见,在需要的键数比较
19、多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。图7.24 矩阵键盘接口电路 键码识别是指矩阵键盘识别被按键的方法,一般有行扫描法、行列反转法和行列扫描法。1.行行扫扫描法描法7.5.1 键盘键盘接口技接口技术术(续续)行扫描法的工作原理:CPU首先向所有行输出为低电平,如果没有按键按下,则所有得列线输出为高电平。如果有某一键按下,则该按键所在的列与行线低电平短路,该列线变为低电平。CPU在此时通过读取列线的值即可判断有无键按下。在有键按下的情况下,CPU再来确定是哪一个键按下,采用的方法是行扫描法。先向第0行输出低电平,其余行输出高电平,然后读取所有列线的电平值。如果有某一列为低电平,则说明0行和该列跨接
20、位置的那个键被按下了。确定了键的位置就可以退出扫描了。2.行列反行列反转转法法行列反转法也是常用的识别闭合键的方法。其工作原理是:首先对所有行线输出低电平,列线输出高电平,同时读入列线。如果有键按下,则该键盘所在的列线为低电平,而其它列线为高电平。由此获得列号。然后向所有列线输出低电平,行线输出高电平,读行线,确定按键的行号。通过行号和列号确定按键的位置和编码。7.5.1 键盘键盘接口技接口技术术(续续)7.5.1 键盘键盘接口技接口技术术(续续)3.行列行列扫扫描法描法 行列扫描法也是键盘使用的主要键码识别方法。其工作原理如下:首先向每一行依次输出低电平,其余各行为高电平,每扫描一行,读取一
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