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第二章 输入输出接口技术和输入输出通道


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第二章

输入输出接口技术和输入输出通道
§2.1 概述

输入输出接口技术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。 外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器, 而微处理器将计算结果 或控制信号输出外部设备,以便显示、打印或实现各种控制。 外部设备品种很多,有机械式的、机电式的或电子式的等,其原理也多种多 样,各不相同。它们在与微机系统交换信息时,往往存在着速度不匹配、数据类 型不一样等问题,为了解决这些问题,必须设计一套介于主机和外部设备之间的 控制逻辑部件,这就是所谓输入输出接口或简称接口。 I/O 通道(过程通道) :是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通 道。 一、接口、通道及其功能 (一)I/O 接口电路 I/O 接口电路也简称接口电路。 它是主机和外围设备之间交换信息的连接部 件(电路)。或是主机和外围设备之间的信息交换的桥梁。 (二)I/O 通道 I/O 通道(过程通道):是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通 道。 给计算机提供被控对象的各种物理参数的通道称为信号的输入通路。 传输计算机控制命令作用于被控对象的通道称为信号的输出通路。 反映(或作用于)生产过程工况的信号既有模拟量,也有数字量(或开关量), 可是计算机识别数字信号。 所以输入和输出通路的主要功能就是实现模拟量与数 字量之间的信号变换。 本章学习目的:解决微型计算机和外部的连接问题,使计算机和外部构成一 个整体,能正确、可靠、高效率的交换信息,这是设计一个微机控制系统必须解 决的基本问题。 二、I/O 信号的种类 外部设备与 CPU 之间交换信息,如图 2—1 所示, 通常有三类信息。
图 2—1 1

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(1)数据信息 在微型机中,数据通常为 8 位或 16 位,它可以分为以下三种: 1)数字量: 由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形

式表示的数或以 ASCII 码表示的数或字符。 2)模拟量: 当微处理器用于实时控制时,大量的现场信息经过传感器把非

电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。 3)开关量: 这些变量只有开和关两个状态,通常用一位二进制数来表示。

(2)状态信息:状态信息也称握手信息、应答信息,它是反应外部设备的状 态的。 (3)控制信息:用来控制 I/O 装置的启动或 停止等信息,它是由 CPU 发送给外部设备的。 CPU 与外部设备之间的信息传送是通过 I/O 接口电路来完成的, 微处理机与外部设备的联系, 如图 2—2 所示。为保证信息的正确传送,I/O
图 2—2

接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。

三、计算机和外部的通信方式

? 并行通信 ? ? 串行通信
(一) 并行通信 并行通信:把一个字符的各数位用几条线同时进行传输,传输速度快,信息 率高。 (二) 串行通信 串行通信: 数据按位进行传送的。 串行通信又分为全双工方式和半双工方式、 同步方式和异步方式。 1.全双工方式 全双工通信方式: 指数据信息能沿相 反两个方向传送。 特点:信息传输效率较高。

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2.半双工方式 半双工通信方式:指数据信息可沿数据传输线的两个方向传送,但同一时刻 只能沿一个方向传送。 特点:信息传输效率低些,但可省一根 传输线。 3.同步通信 同步通信方式:在一组字符(信息帧)前后加同步字符(如 SYN 字符),它们 标志着一组数据块的开始, 这样接收装 置一接收到 SYN 字符, 就知道已发送了 数据块而开始接收数据, 直到接收后同 步字符,一帧数据宣告结束。然后,接收装置又开始寻找新的 SYN 控制字符。 特点:开销小,效率高,可获得较高的数据率。但如果数据中有一位错,就 必须重新传输整块数据,且控制比较复杂。 4.异步通信(起止方式) 异步通信方式: 要传送的字符代码前 加一起始位,以示该字符代码开始,在 字符代码后面加一停止位,以示该字符 代码结束。 这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。 特点:开销大,效率低,速度慢。但如果有错,只需重发一个字符,且控制 简单。 由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。

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§2.2

输人/输出的控制方式

在微机系统中,可采用的输入/输出控制方式一般有 3 种:程序控制方式、 中断控制方式、直接存储器存取方式(DMA 方式)。 一.程序控制方式 程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式(条件传送方式) 。 (1)无条件传送方式 当外设已准备就绪,那就不必查询外设的状态而进行信息传输,这就称为 无条件传送。 这种信息传送方式只适用于简单的外设,如开关和数码段显示器等。 如图所示,直接使用三态缓冲器与数据总线相连。

(2)查询传送方式(条件传送方式) CPU 通过执行程序不断读取并测试外设状态,如果输入外设处于已准备好 状态或输出外设为空闲状态时,则 CPU 执行传送信息指令。 查询传送方式的接口电路应包括:传送数据端口及传送状态端口。 图 1 为查询式输入的接口电路。

图1

图 2 为查询式输出接口电路。

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图2

二.中断控制 I/O 方式 (一) 中断控制 I/O 时应解决的问题

中断控制方式:当外围设备需要请求服务时,向 CPU 发出中断请求,CPU 响 应外围设备中断,停止执行当前程序,转去执行一个外围设备的服务程序。中断 处理完毕,CPU 又返回来执行原来的程序。 外部中断:通过 I/O 接口硬件向 CPU 发出中断请求信号,从而引起一个中 断处理过程。 多重中断处理时必须解决以下四个问题。 一、保存现场和恢复现场 在中断服务程序开始设置保存现场、中断返回前恢复现场。 二、正确判断中断源 要能正确地找到申请中断的外围设备的中断服务程序入口地址,且能跳转到 这个入口。 三、实时响应 对于每个外围设备的中断请求,CPU 都能接受到并在最短响应时间内给予服 务。 四、按优先权顺序处理 优先权顺序:多个外围设备同时提出中断请求时,应能按轻重缓急设定中断 顺序,逐个进行处理。 (二)中断优先级 中断优先级的设定办法常采用:软件查询方式,雏菊链法,专用硬件方式。 1.软件查询方式

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如图所示,接口硬件电路包括三部分:中断寄存器、中断申请电路和并行 I /O 接口。

2.雏菊链法 雏菊链法:在每个外围设备的接口上连接一个雏菊链(逻辑电路) ,这个雏 菊链是中断回答信号的控制通路。

如图是雏菊链的线路图。 越靠近 CPU 的接口,优先级越高。 3.专用硬件方式 如: 采用可编程中断控制器 8259A。 三、DMA 控制方式 DMA 控制方式: 一种成块传 送数据的方式。 当某一外设需要输入/输出 一批数据时,向 DMA 控制器发出 请求,DMA 控制器接收到这一请 求后,向 CPU 发出总线请求,若

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CPU 响应 DMA 的请求把总线使用权赋给 DMA 控制器,数据不通过 CPU,可直接在 DMA 控制器操纵下进行。 通常采用的是可编程 DMA 控制器 8237A。 8237A 的数据传送速率高达 1.6M 字节/s; 8257A 的数据传送速率可达 1. 25M 字节/s。

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§2.3 一、I/0 接口的编址方式 输入输出接口有两种编址方式:

I/O 接口设计

的编址方式(简称为独 立编址方式) ?I / O接口与存储器相互独立 ? 方式(简称为存储器映 响方式或统一编址) ?I / O接口与存储器统一编址
1.I/0 接口与存储器独立编址方式 这种编址方式:将存储器地址空间和 I/O 接口地址空间分开设置,互不影 响。 独立编址方式是用微处理器的专用 I/O 指令来访问外设的,如 IN(输入)和 OUT(输出)指令来实现的。
译 码 器

Inel 8086 /IORC +8228 /IOWC 译 码 器

/MRDC /MWTC AB

去 存 储 器 去
I/O



独立编址方式的优点: 1)I/O 端口地址只用 A0~A7 低 8 位地址总线,可寻址 256 个端口,一般系 统也已够用,I/O 指令执行时间比较短,译码电路也比较简单, 2)由于使用专门的 I/O 指令,所编的程序容易区分,比较清晰, 3)由于 I/O 端口与存储器地址彼此分开,输入输出时容量安排应答联系信 号,硬件设计也比较简单。 独立编址方式的不足: (1)专门 I/O 指令的功能有限,输入输出数据都必须经过累加器 A,然后 才能进行算术逻辑运算,不如访问内存指令丰富, (2)采用了专门的 I/O 周期和专门的 I/O 控制线,增加了微处理器本身 控制逻辑的复杂性。 2.I/0 接口与存储器统一编址方式 统一编址方式(又称存储器映像方式) :把所有的 I/0 端口都当作存储单元 一样进行读写操作, 每个外围设备的端口都给予相应的一个或几个 16 位地址号。



接 口

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译 码 器 Inel 8086 +8228 /IORC 不 /IOWC 用
AB /MRDC /MWTC

统一编址方式的优点: 1)用于存储器存取的访内指令,也可以用于输入输出,对于 I/O 接口寄存 器,数据处理能力强; 2)输入输出部分可以和存储器部分共用译码和控制电路; 3)CPU 无需产生区分访内操作及访问输入输出操作的控制信号,可以相应减 少引脚; 4)I/O 端口数目几乎不受限制。 统一编址方式的缺点: 1)每个 I/O 操作需全字长地址译码,整个指令执行时间较长; 2)程序中较难区分 I/O 操作; 3)I/O 端口占用了存储空间地址。 二、I/O 接口与系统的连接 I/O 接口:CPU 和外围设备之间 的连接界面。 典型的 I/O 接口和外部的连接如 图所示。

以下分别为通过 I/O 接口芯片 8255A 和 8251A 与 CPU 和外围设备的连接 关系。



去 存 储 器 去
I/O

接 口

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由图,接口芯片和 CPU 之间必须连接的信号有下列 4 类:
?数据信号D0 ? D7 ? ?读 / 写控制信号 ? ?片选信号和地址线 ?时钟、复位、中断控制 、联络信号 ?

三、I/O 接口扩展 一般我们选用通用可编程序 I/O 接口电路(如 PIO、8255A;SIO、825lA; CTC、8253 以及 DMA 等) 。当接口和内存不够用时,需要扩展 I/O 接口及内存 容量。I/O 接口扩展包括:

?地址译码器的扩展 ? ?负载能力的扩展
(一)地址译码器的扩展 使用译码器的目的:解决 I/O 端口的编址、选址问题。 扩展的地址译码电路不仅要提供接口芯片的片选信号, 而且还要对芯片内的 I/O 口进行寻址。 2、译码器 常用的译码器有 2:4 ;3:8 和 4:16 译码器等。 74LSl38 扩展地址译码器的应用 74LSl38 的管脚图如图 管脚说明: 允许输入: G1——片选 G2A——允许输入 1 G2B ——允许输入 2, G2A+ G2B=0,译码输出有 效。 选择输入: A、B、C——3/8 译码输入 译码输出:

Y0 , Y1 , Y2 , Y3 , Y4 , Y5 , Y6 , Y7 功能表:

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芯片应用实例: 例: 采用 74LSl38 作地址译码器设计的微机主机板接口子系统地址译码电路。

如图所示。 译出各芯片对应端口地址如表所示。

/Y0 /Y1 /Y3 /Y4 /Y5 /Y67

说明:每个芯片 4 个通道,每个通道 8 个端口地址,共 32 个端口地址。

? 另外:地址总线的低 5 位(A0-A4)没接到 74LSl38 上,可作为对接口芯片内 部寄存器的选择信号。一般都只用 A1、A0,此时 A4~A2 悬空,这样一个 I/O 端 口便对应了多个端口地址。

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(二)负载能力的扩展 原因:总线系统负载能力是有限的,不能无限制的 增加。当负载过重时,各信号线的电平就会偏离正常值, 造成系统工作不稳定、不可靠、抗干扰能力差,严重时 甚至会损坏器件。 因此总线负载能力的扩展也是 I/O 接 口扩展设计的重要部分。 方法: 1.应用总线收发器提高总线驱动能力 典型总线收发器为 Intel 系列芯片 8286。如图 8286 具有两组对称的数据引线,A7~A0 和 B7~B0。

8286 - A0 - A1 - A2 - A3 - A4 - A5 - A6 - A7 -/OE B0- B1- B2- B3- B4- B5- B6- B7- T-

T:数据传输方向控制信号。当 T=l 时,就使 A7~AO为输入线,当 T=0 时, 则使 B7~B0 为输入线。 /OE:输出允许信号,此信号决定了是否允许数据通过 8286。当/OE=l 时, 数据在两个方向上都不能传输。只有/OE=0 时,数据才允许传输。 如图 8088 系统中, 只用一片 8286 就可以构成数据总线收发器, 位的 8086 16 系统中,则要用 2 片 8286。 /OE 端和 CPU 的/DEN 端相连。 CPU 的存 在 储器访问周期和 I/O 访问周期中,DEN 为低电 平,在中断响应周期,/DEN 也为低电平。正是在 这些总线周期中,需要 8286 开启,以允许数据通 过,从而完成 CPU 和其他部件之间的数据传输。 2.应用接口芯片 常用的:74LS244(单向三态门) 74LS373(74LS273)三态输出锁存器 74LS245(三态输出八总线收发器) 是微机系统中常用的接口芯片, 起到提高驱动能力 的作用。 74LS245 是常用的双向总线驱动器, 三态输出 直接驱动总线。 74LS245 的简化原理及管脚如图所示: G:使能端 DIR:方向控制信号,DIR: “0”时,B 数据→A 总线,DIR=“1”时,A 数据→B 总线。双向传输时,DIR 接 R//W 信号。 其真值表列于表中

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74LS245 的用法如图:

四、I/O 接口设计的方法、步骤及设计举例 (一)I/O 接口设计的方法、步骤 I/O 接口设计步骤: 1、解分析常用外围设备或被控设备与 CPU 之间信息交换的要求 2、考虑硬件和软件的功能分配 3、进行 I/O 端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。 4、I/O 接口硬件电路的扩展设计 5、I/O 接口控制软件设计。 6、进行接口硬件和软件联调, I/O 接口扩展的方案选择: 1.购置多功能 I/O 接口板 特点:最简单、快速、灵活方便、可靠。 2.自行设计 I/O 接口电路 方案: ①采用通用的大规模集成电路接口芯片扩展 I/O 接口电路。 ②采用普通的缓冲器、锁存器和译码器等集成电路扩展 I/O 接口。 (二)I/O 接口设计举例一 设计要求:设计 8088CPU 微机系统 I/O 接口电路,有 8 组 8 位的数字量外 部输入, 组 8 位的控制和显示数据 8 输出到外部。 个输入端口地址号为 8 E8H~EFH,8 个输出端口地址为 F0H~F7H。 设计:选用自行设计 I/O 接口 电路方案。 如图: 输入各端口采用 74LS244 作缓冲器。 输出各端口采用 74LS273 作锁存器, 输入输出采用了 74LSl38 3:8 译码器。

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工作过程: 74LS138A 的/Y0——/Y7 译出的片选地址是 E8H—EFH, CPU 执行输入指令 当 IN AL,0E8H 时,/IOR 信号为有效低电平,把 E8H 端口的数据经数据总线读到 AL 中。 74LSl38B 的/Yo~/Y7 译出的片选地址是 F0H~F7H,当 CPU 执行输出指令 OUT 0F0H,AL 时,/IOW 信号为有效低电平,AL 中的数据就通过数据总线打入到 F0H 端口对应的 74LS273 中锁存,供给外部使用。其它端口输出数据也都一样。 (三)I/O 接口设计举例二 设计要求:设计 8086 最小模式系统接口电路,8255A 作为连接打印机的接 口, 指定 8255A 的 A、 C 和控制端口的地址号分别为 FFF8H、 B、 FFFAH、 FFFCH 和 FFFEH。 以程序控制方式来设计。 设计要点: 1、设定 8255A 的 A 口工作方式为方 式 0,输出口,向打印机传送字符 数据; 口用来传送状态和控制信 C 息,工作方式为方式 0;PC2 作为 打 印 机 向 CPU 提 供 状 态 信 息 (BUSY)的输入端;PC3—PC0 设定 为输入方式; 7~PC4, PC 设定为输 出方式,PC6 为 CPU 给打印机的 选通脉冲信号。 2、8086 工作在最小模式。这里 8255A 只和 8086 的低 8 位数据线连接。 3、选用 3 片 74LS373 作为地址锁存器 4、74LSl38 地址译码器,用地址译码输出信号/Y7 作为 8255A 的片选信号。/Y7 的地址范围是 FFF8H~FFFFH,占用了 8 个地址。 特点:当/BHE=1,A0=0 有效,就从偶地址读(写)一个字节。所以把/BHE 信号接到 74LSl38 的 G1 端,只有当/BHE=l 时才能译出/Y7=0 的地址译码信号。 所以 8 个地址中, 只有 FFF8H、 FFFAH、 FFFCH 和 FFFEH 四个偶地址是有效的, 而且分别是 A、B、C 和控制端口的端口地址,符合设计要求。

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§2.4 I/O 通道 过程 I/O 通道在计算机和生产过程之间起到起到纽带和桥梁的作用。 如图。I/O 通道分为: 模拟量输入通道、 模拟量输出通道、 数字量输入通道、 数字量输出通道。 一、模拟量输入通道 任务:完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机。 常用的模拟量输入通道的结构形式如图。 主要组成: 信号处理装 置、 采样单元、 采样保持器、 数据放大器、 A/D 转换器、 控制电路。 分别介绍各部分的功能、组成、原理及电路。 1、 信号处理装置 组成:标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量转换电路等。 ☆ 标度变换器: 作用: 把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换 成统一的标准信号。如(0~10mA 或 4~20mA)或(0~± 5V)信号。 标度变换器一般包含在变送器中,通常是电阻网络或电桥。 ☆ 滤波电路: 作用:滤掉或消除干扰信号,保留或增强有用信号。 方法:采用有源滤波器或无源滤波器, ☆ 线性化处理:有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信 号进行线性化处理,使它接近线性化。 方法:在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路。 在软件上可采用分段线性化数字处理的办法来解决。 ☆ 电参量转换电路:电信号之间的转换。 2、 采样单元 作用:把各路模拟量分时接到 A/D 转换器进行转换,实现了 CPU 对各路 模拟量分时采样。 组成:采样单元一般由开关矩阵及逻辑控制电路组成。 逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下,以一定速度,按顺序输 入被测模拟信号。 开关矩阵——模拟开关的组合。 模拟开关分为两类:机械式触点或开关
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晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关

CD405l CD4051 为 16 脚、双列直 插封装芯片, 原理及引脚如图。 组成:逻辑电平转换、二 进制译码器及 8 个开关电路。 主要特性:直流供电电源 为 VDD=+5V~+15V, 数字信号电位变化范围为 3~15V 输入电压 UIN=0~VDD, 模拟信号峰峰值 15V 当 VEE 接负电源时,正负模拟电压均可通过。接通电阻小,一般小于 80Ω , 断开电阻高,在 VDD~VEE=10V 时,通过泄漏电流为±10nA。 应用: 如图 16 个通路差动输入 CD4501 的连接方法。

3、采样保持 作用:对变化的模拟信号快速采样,并在转换过程中保持模拟信号。 采样保持电路:由输入缓冲放大器 A1、模拟开关 AS、模拟信号存储电容 CH 和输出缓冲放大器 A2 组成,如图。

两个工作状态: 采样状态 保持状态。 采样保持电路的集成电路芯片——LFl98 的原理图和典型应用如图。

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LFl98 的主要特性: 供电电源:±5V~±18V; 信号获取时间<10/as; 可以和 TTL、PMOS、CMOS 逻辑输入兼容; 典型保持电容 1000pF、0.01μ F。 4、数据放大器 作用: 把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的 A/D 转换器输入电 平。 仪表放大器特点:共模抑制能力强,输入阻抗高,漂移低,增益可调。 5、A/D 转换器 A/D 转换器——把通道输入的模拟量转换成数字量,通过 I/O 接口电路送 入 CPU。 二、采样与量化 由测量装置所测得的模拟信号,经 A/D 转换器进行编码,变成计算机内通 用的数字信号。 1.采样过程 采样过程: 用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过 程。如图:

f(t) K T

f*(t)

采样信号 f*(t):时间上离散,幅值上连续的脉冲信号称为离散模拟信号。 T——采样周期; K——采样开关或采样器; τ ——采样宽度。 香农(Shannon)定理:如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ω max,只要 按照采样频率ω S≥2ω max 进行采样,那么取出的样品系列(f1*(t),f2*(t),?)就足
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以代表(或恢复)f(t)。 2.量化过程 量化过程:用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值,将其转换

成数字信号。 量化单位 q:量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。 设 fmax 和 fmin 转换信号的最大值和最小值,则量化单位为
q? f max ? f min 2i

式中

i ——转换后二进制数的位数。

三、模拟量输出通道 功能:把计算机的运算结果(数字量)转换成模拟量,并输出到被选中的某一 控制回路上,完成对执行机构的控制动作。 组成:D/A 转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电 路。 输出保持器的作用:将前一采样时刻的输出信号保持到下一个采样时刻,重 新得到新的输出信号。 输出保持有两种方案:数字量保持方案; 模拟量保持方案。 模拟量输出通道的两种基本结构形式。 1、一个输出通路设置一个 D/A 转换器的结构形式

方案优点:速度快、精度高、工作可靠、节省多路切换开关。
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缺点:使用 D/A 转换器较多。成本增加,电路也较复杂。 2、 多个输出通路共用一个 D/A 转换器的结构形式

模拟量保持的方案。 结构特点:一个通路设置一个输出保持器,同时有一个多路切换开关。 两种零阶保持器: 采用步进电动机带动多圈电位器; 采用电容保持电路。 四、数字量输入通道 数字输入信号分三类:编码数字、 开关量、 脉冲列。 数字量输入常见的有: 拨码开关设置控制给定值或控制参数, 用绝对编码的编码器检测位置, 用光电脉冲编码器检测速度, 用按钮或转换开关控制系统的启停或选择工作状态, 在生产现场用行程开关反映生产设备的运行状态 电平转换电路:把触点的通断转换成高电平或低电平。 常用电平转换电路:

数字量输入通道的结构: ①直接和并行接口电路的输入口连接。
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②加光电隔离电路,数字输入信号经光电隔离后再接到接口的端口上。可提 高信号的可靠性。 ③采用软件计数法,将脉冲信号加到并行接口的一个输入端,用查询方式或 中断方式对输入脉冲计数。 ④接口电路外加硬件计数器,如使用可编程计数器/定时器 8253。 五、数字量输出通道 输出信号有三类:编码数字、 开关信号、 脉冲信号。 ★ 编码数字:可直接从 I/O 接口电路的输出端口送出,输出数据需要锁 存。可串行发送,节省传输线路和提高可靠性。 ★ 开关量:输出为“1”“0”的形式,输出电路有以下几种形式: 、 1)TTL 电平逻辑信号输出、

2)电子无触点开关输出、

3)继电器输出

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★ 脉冲信号:经常是对步进电动机控制要求输出脉冲列信号,输出通道应 加脉冲发生器及其控制电路。如使用 8253 让它工作在方波发生器的模式,输出 脉冲的频率及个数都可通过程序设置来控制。

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§2.5

D/A 转换器

作用:把数字量转换成模拟量。是模拟量输出通道的重要组成部分。 D/A 转换器可分成:并行和串行两种。 一、并行 D/A 转换器的工作原理 D/A 转换器组成:电阻网络和运算放大器。 常用电阻网络有:权电阻网络和 T 型电阻网络。 T 型电阻网络 D/A 转换器如图。 运算放大器同相端接地,反相端输入电压 U∑≈0 所以 U∑-U0=ILRf, -U0≈ILRf

电路工作过程: 输入信号为 0…01, 负载电阻 RL 上的电流: I IL ? 2 输入的信号为 0…10,流过第 2 支路电流:
I? UR 3R

流经 RL 的电流: I L ?

I 4

依次类推。

根据叠加原理,流经负载电阻的电流表达式为:
I L ? (2 ?1 D1 ? 2 ?2 D2 ? ... ? 2 ?n Dn ) I ? U R ?1 (2 D1 ? 2 ?2 D2 ? ... ? 2 ?n Dn ) 3R

取R f ? 3R 则 ? U O ? I L R f ? U R (2-1 D1 ? 2 -2 D 2 ? ... ? 2 -n D n )

转换后的输出模拟电压与输入数字量成正比,实现了 D/A 转换。 二、串行 D/A 转换器的工作原理 工作原理:把数字量转换成一系 列的脉冲,再把每一个脉冲变成单位 模拟量,然后将所有单位模拟量相 加,得到和数字量成正比的总的模拟 量输出。

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采用步进电动机的 D/A 转换器原理图如图。

三、D/A 转换器的性能指标 D/A 转换器的性能指标有以下几个: 1.分辨率 反应了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。 定义:当输入数字量变化 1 时,输出模拟量变化的大小。 对于一个 N 位的 D/A 转换器其分辨率为:
分辨率 ? 满刻度值 2N

例如:对于满刻度值 5.12V,单极性输出 8 位 D/A 转换器的分辨率为 5.12V/28=20mV; l0 位 D/A 转换器的分辨率为 5.12V/210=5.12V/1024=5mV; 12 位 D/A 转换器的分辨率为 5.12V/212=5.12V/4096=1.25mV。 2.稳定时间 D/A 转换器转换速率的量度, 定义:数据变化量是满刻度时,达到终值±1/2LSB 时所需要的时间。 3.输入编码 一般为二进制编码、BCD 码、符号-数值码等。 4.线性误差 理想的转换器输入-输出特性应是线性的。 定义: 在满刻度范围内, 偏离理想转换特性的 最大误差。 这个误差用最低有效位 LSB 的分数来表示。 一 般为 0.01%~0.8%。 5.工作温度范围 工作温度会对运算放大器加权电阻网络产生影响, 只有在一定范围内才能保 证额定精度指标。
模 拟 量 输 出
实际 线性误差 理想特性 数字量输入 满刻度

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较好的 D/A 转换器工作温度范围为一 40~85℃,较差的为 o~70℃。 四、D/A 转换器芯片及其接口电路 为了满足过程控制及信息处理,对速度、精度、分辨率及经济性能等要求, 分别有: 通用、廉价的 D/A 转换器:AD140008、AD7524、AD558。 高速、高精度 D/A:AD562、AD7541。 高速 D/A:AD561、DAC-08。 高分辨率 D/A:DAC1136、DAC1137 等。 为了应用的灵活性,有: 可选择输出电压双极性的:AD7524、AD7542。 芯片内带有数字寄存器可与 CPU 数字总线直接相连的 AD558、AD7524。 功能管脚共同之处包括以下方面: ①它包括数字量的输入端和模拟量的输出端, 芯片的模拟信号输出端又有单 端输出和差动输出两种。 ②D/A 转换器所需参考电压由芯片以外的电源提供。 ③许多芯片内设置了输入数据寄存器。 ④芯片都具有片选信号和写信号管脚 1、8 位 DAC0832 及接口电路 1)外部结构特征:——采用 20 引脚是双列直插式集成电路芯片。 主要参数:分辨率 8 位,电流稳定时间 1μ s,电流输出,与 TTL 电平兼容; 功耗 20mW。

2)内部结构及原理 DAC0832 构成框图如图。

工作过程: (略) 两种情况进行转换: ① 只要使/WR2=0,/XFER=0,DAC 寄存器为不锁存状态,ILE=1 时,

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/CS=/WR1=0,就可以完成一次转换。 ② /WR1=0,/CS=0,ILE=1 输入寄存器为不锁存状态,而/WR2=/XFER=0, 也可完成转换。 ∴若不锁存,直接转换,则令/WR1、/WR2、/CS 和/XFER 为 0,ILE 接高电 平,称为 DAC0832 的直通工作方式。 3)DAC0832 输出方式 DAC0832 的输出方式分为:电压输出方式 电流输出方式
? 电压输出方式:

DAC0832 的电压输出方式分为:单极性电压输出方式 双极性电压输出方式



单极性电压输出电路:如图。

连接特点:外接反馈电阻 Ro 和电位器 Rp。



双极性电压输出电路:如图。

特点:比单极性输出增加一个运算放大器。 改变基准电压极性,就可以得到四个象限的乘积输出。 ±VREF * (±数字码)=±Uo。

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? 电流输出方式

目的:获得标准直流输出信号 0~10mA 或 4~20mA。 工作过程: 量程选择:0~10mA 直流电流 4~20mA 直流电流 4) 接口电路

8 位 D/A 与 CPU 连接方式有三种:用锁存器连接、用可编程并行口 8255 连接、直接连接。 ①用锁存器连接 锁存器的作用:选通脉 冲 CP 作为 DAV I/O 口地址选 通信号,CP 正跳变时,输入 信号通过锁存器加到 D/A8 位 数据线上, 进行 D/A 转换;CP 为低电平,输出 Q 端保持 D 端送入的数据,维持 D/A 转 换。 接线如图: ②用可编程并行口 8255 连接 连接如图:
D7-Do Do D1 D2 D3 D4 D5 74LS273 +5V 1D 2D 3D 4D 5D 6D 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q RESET DAC0808 A0 A1 A2 A3 A4 A5 13 14 4 15 2 +5V

VREF
A + VOUT

D
80886 CPU A9-A0 D

7D 7Q
译 码 器 Y8D 0

A6 16 A7

7
IOW

8Q 3 CP

A9-A2
8088 CPU A1 Ao

译 码 器

Yo

PB1 CS PB0
8255 A1 Ao

D7 D0
NE 5018

Vout

控制线

PAo

CE

完成转换的汇编语言程序如下: DAC: MOV DX,0383H MOV AL,80H ;8255 控制口地址送 DX ;8255A.B.C 口定义为输出方式

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OUT DX,AL MOV DX,[DATA] MOV DX,0381H OUT DX,AL XOR AL,AL MOV DX,0380H OUT DX,AL OR AL,01H

;输出定义指令 ;送待转换的数据 ;选 B 口地址 ;数据送 B 口 ;AL 口清 0 ;送A口地址 ;使 PA1=0 ;PA0 置1 ;PA0=1,启动 D/A ;停机

OUT DX,AL HLT ③D/A 与 CPU 直接连接

DAC0832 与 8088CPU 的直接连接,如图。
+5 DAC0832

Vcc A9-A2
8088 CPU A1 Ao

ILR VREF +5V R
-A + VOUT

译 码 器

CS WR1 Iout1 WR2

Rfb

Iout2

IOW GND

XFER DGND AGND A

2、12 位 D/A 转换器 DAC 1210 1)DAC 1210 的主要性能及特点 DACl210 是双列直插式 24 引脚集成电路芯片。 主要技术指标:输入数字为 12 位二进制数字; 分辨率 12 位; 电流建立时间 1Ps; 供电电源+5~+15V(单电源供电); 基准电压 VREF 范围-10~+10V。

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特点:线性规范只有零位和满量程调节;与所有的通用微处理机直接接口; 单缓冲、双缓冲或直通数字数据输入;与 TTL 逻辑电平兼容。 2)DAC 1210 引脚说明 DACl210 的引脚排列图如图。 与 DAC0832 的两点区别: 1.它是 12 位的,有 12 条数据输 入线, 它比 DAC0832 多 4 条数据输入 线,所以采用 24 脚封装。 2. 可用字节顺序控制信号 BYTEl /BYTE2 控制数据的输入,该控制信 号为高时,输入锁存器中的 12 个单元都被使能。当为低时,只使能输入锁存器 中的最低 4 位。 3)CPU 的连接 与 CPU 连接的简化原理电路如图。

要点: ☆ 两级数据缓冲器作用:和 8 位数据总线连接时,可将低 8 位和高 4 位数

据同时送入 12 位输入寄存器。 ☆ ☆ ☆ 光电隔离电路消除干扰。 直通方式数据转换。 采用双极性电压输出方式。

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§2.6 作用:将模拟量转换成数字量。

A/D 转换器

常用 A/D 转换器有:计数器式、双积分式和逐次逼近式。 一、A/D 转换器原理 1、计数器式 A/D 转换器 原理框图如图。 组成:计数器、D/A 转换器及比较器 工作过程: 特点:结构简单,价格便宜,但转换速 度比较慢。 2、逐次逼近式 A/D 转换器 原理框图如图。 组成:逐次逼近寄存器 SAR、D/A 转换器、比较器、时序(时钟)及置数 选择逻辑。 工作过程: (略) SAR 中设定位 如果 Ui≥UO,应予保留; 如果 Ui<UO,应予清除。

例:四位 A/D 转换器,输入模拟电压 Ui=0.65V。 量化单位
q?
转换过程如图:

1 1 ? ? 0.0625 v 4 2 16
V0 Vi 0.5V (1000) (1100) (1010) (1011) 0.75V 0.625V 0.6875V

Vi 3、双积分式 A/D 转换器

n

方法:测量模拟输入电压向电容充电的 固定时间及在已知标准电压下放电所需的时 间。 双积分式 A/D 转换器组成框图。

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工作过程: 优点:消除干扰和电源噪声的能力强,精度高; 缺点:转换速度慢。 适用场合: 在信号变化缓慢, 模拟量输入速率要求较低, 转换精度要求较高, 且现场干扰较严重的情况下使用。

二、A/D 转换器的主要技术参数 l.分辨率 分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。 分辩率:指能使转换后数字量变化 1 的最小模拟输入量。 n 位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。 2.量程 量程是指所能转换的电压范围。如 5V、10V 等。 3.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。 有绝对精度和相对精度。 绝对精度常用数字量的位数表示。 相对精度用相对于满量程的百分比表示。 如 8 位 A/D 转换器,满量程为 10V。 绝对精度为 相对精度为 4.转换时间 转换时间:指启动 A/D 到转换结束所需的时间。 5.工作温度范围 由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响, 在一定温度范围内才能保证 额定精度指标。较好的转换器件工作温度为-40~85℃,差的只有 0~70℃。 1/2×10/28=±19.5mV, l/28×100%≈0.39%。

三、 常用 A/D 转换器 (一) 位 A/D 转换器 ADC809 、8

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ADC0809 采用逐次逼近方式,8 通路 8 位 A/D 转换芯片,采用 CMOS 工 艺,双列直插式封装器件。 主要特点:分辨率 8 位;转换时间 100?s;温度范围-40~+85℃;可使用单 一的+5V 电源;可直接与 CPU 连接;输出带锁存器;逻辑电平与 TTL 兼容。 1. 电路组成及引脚功能 组成: ADC0809 有 28 条引脚。 原理框图如图。 2、工作原理

3、A/D 转换器接口 (1)A/D 转换器的接口设计 在 A/D 转换器接口硬件设计中,一般需要考虑如下几个问题。 ① 输入模拟电压的连接 A/D 的输入模拟电压可分为:单端输入和双端差动输入(差动输入)。 单端输入:正向信号,把 VIN(-)接地,信号加到 VIN(+)端; 负向信号,则把 VIN(+)接地,信号加到 VIN(-)端。 差动输入:模拟信号加在 VIN(-)端和 VIN(+)端之间。 ② 数据输出的方式 A/D 转换器数据输出有两种方式: a. 具有可控的三态输出门,数据输出线允许与系统数据总线直 接相连。 b. 不带三态输出门,数据输出线不允许和系统数据总线直接连 接,必须通过 I/O 通道和 CPU 之间交换数据。 ③ 片选、启动、读写信号的设置 启动转换信号由 CPU 发出,有电平启动和脉冲启动两种方式。 片选、读写信号一般由 3-8 译码器的通道号以及微处理器的/IOR、/IOW 经 过适当的逻辑电路来连接。 ④ 转换结束信号及转换数据的读取 CPU 可采用 3 种方式读取转换数据。

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程序查询方式; 中断方式; 固定的延迟程序方式。用这种方式时,要预先精确地知道完成一次 A/D 转 换需要的时间。CPU 发出启动 A/D 命令之后,执行一个固定的延迟程序,延 迟时间正好等于或略大于完成一次 A/D 转换所需的时间,延时到,即可读取数 据。 (2)连接方式 对于 CPU8086 来说,可采用两种方式:直接连接和用 8255 连接。 ① 直接连接



用 8255 连接

PA7 ┇

DB7 ┇

8086

CPU

D7 │ D0

8255
PA0 /STBA PB0 PC6 DB0 /DR

AIN AC DC

AD570
B//C



程序查询方式

查询方式程序框图如图。 程序清单如下: ADC: MOV MOV DX,0383H AL,0B2H ;8255A 口定义为选通输入方式

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OUT

DX,AL

;B 口为方式 0 输入方式, PC6 、PC7 为输出方式。

MOV

AL,40H

; PC6=1,
开 始

置 A 口为输入方式 B 口为输出方式 送启动脉冲

读入 PB0 线 N 转换结束吗? Y 使 A/D 复位 读入数据 暂 停

MOV OUT XOR OUT ADC1:MOV IN TEST JNZ ADC2:IN TEST JZ MOV MOV

DX,0382H DX,AL AL,AL DX,AL DX,0381H AL,DX AL,01H ADC1 AL,DX AL,01H ADC2 DX,0382H AL,40H

;设置 C 口

;送复位脉冲,启动 A/D

;数据转换结束线变低电平? ;否,等待

;数据已准备好吗? ;否,等待

;使 PC6=1

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OUT MOV IN MOV HLT

DX,AL DX,0380H AL,DX [DATA],AL

;撤消启动信号 ;从 PA 口读数据

;存入 DATA 单元 ;暂停



中断方式读取数据,电路如图。
PA7 ┇ DB7 ┇

VX

8086

CPU
INTR

D7 │ D0 IR3

8255
PA0 PB0 /STBA INTRA

ADC0809
DB0 START ALE 74L EOC S04

主程序和中断服务程序流程图如图。
8259

主程序 中断服务程序 关中断 入口 8259 初始化 保护现场 8255A,B 口初始化 读入数据 开中断 恢复现场 启动 A/D 执行主程序 返 回

程序清单: 主程序: START: CLI MOV MOV MOV MOV AX,0 ES,AX DI,0BH*4 AX,OFFSET INTR
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;关中断

;设中断矢量

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CLD STOSW MOV STOSW MOV OUT MOV MOV OUT MOV OUT STI MOV MOV OUT HERE:HLT JMP HERE DX,0381H AL,00H DX,AL ;模拟程序 ;使 PB0=0,启动 A/D AL,34H 21H,AL DX,0383H AL,OBOH DX,AL AL,09H DX,AL ;允许 A 口中断 ;开中断 ;8259 初始化 ;允许 IR3 中断 ;8255 初始化 ;A 口为选通输入方式, ;B 口方式 0 输出方式 AX,CS

中断服务程序; INTR: PROC PUSH PUSH PUSH MOV IN MOV POP POP POP NEAR AX DX DS DX,0380H AL,DX [DATA],AL DS DX AX ;恢复现场 ;读入数据 ;存数据 ;保护现场

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MOV OUT STI IRET ENDP

AL,20H 20H,AL ;送 EOI 命令 ;开中断 ;中断返回

(二) 、12 位 A/D 转换器 AD574 1、 芯片特性 采用原理—— 逐次逼近式 内部有—— 三态缓冲器、时钟脉冲源和基准电源 输入电压—— 单路单极性或双极性 分辨率—— 12 位 转换时间—— 25?S 封装形式—— 28 脚双列直插式 2、 芯片各引脚功能 AD574 的原理框图及引脚如图。

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AD574 真值表如表。 AD574 真值表

3、AD574 模拟量输入电路外部连线 (1) 单极性输入电路 (2) 双极性输入电路

3、 AD574 的接口电路 例:

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§2.7 一、干扰的来源和干扰的分类

I/O 通道的抗干扰措施

计算机控制系统的干扰来源可分为: 外部干扰:指那些与系统结构无关,由外部环境因素所决定的。 内部干扰:指那些由系统结构、制造工艺所决定的干扰。 计算机控制系统按干扰的作用方式可分为: 串模干扰:指叠加在被测信号上的干扰噪声。 共模干扰:指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。 1、串模干扰及其抑制方法 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号,也称 横向干扰或正态干扰。如图。 串模干扰的表现形式可用这样一个电路来解 释: 如图:
C1 Ia

Vs

?

C2

A

抑制串模干扰的方法: 1)加输入滤波器。

2)采用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表和转换设备, 再屏蔽层良 好接地,就可避免干扰从传输导线窜入检测回路。 3)利用器件特性克服干扰。提高阈值电平可抑制低噪声干扰;采用低速逻辑 器件或加电容器降低速度,可以抑制高频干扰。 4)采用数字滤波技术。采用平均值法、中值法、一阶滤波法等算法。 2、共模干扰及其抑制方法 共模干扰是指同时加到计算机控制系统两个输入端上的公有的干扰电压。
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如图。

1) 2)

采用共模抑制比高的、双端输入运算放大器。 采用光耦合器或变压器隔离,如图。

3)采用隔离放大器。 利用隔离放大器完成对测量的信号的放大及模拟信号与传输通道的隔离。

I/O 接口和通道还应采取下述几种措施: 1)尽量缩短信号线的长度。 2)不用的输入端子不能悬空,必须通过负载电阻接到电源线上。 3)为防止电磁感应,信号线应采用屏蔽线。 除此之外还应考虑:电源与供电系统,系统的接地等,这些方面都要采取抗干 扰措施,才能更好的提高系统的可靠性。

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