1、第二章第二章 输入输出接口技术输入输出接口技术和输入输出通道和输入输出通道输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术2概述2.1I/O控制方式I/O通道A/D转换器2.22.32.42.72.52.6 I/O接口设计I/O通道的抗干扰措施D/A转换器输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术32.1 2.1 概述概述接口、通道接口、通道及其功能及其功能概述概述计算机和外部计算机和外部的通信方式的通信方式I/O信号信号的种类的种类I/O接接口口电电路路I/O通通道道数数据据信信息息状状态态信信息息控控制制
2、信信息息并并行行通通信信串串行行通通信信输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术4I/O接口电路接口电路 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）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带的作用。设置接口电路的必要性主要有以下三个方面。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术5 1 1、解决主机解决主机CPU和外围设备之间的时序和外围设备之间的时序配合和通信联络问题配合和通信联络问题 为保证CPU 的工作效率并适应各种外围设备的速度配合要求，应使CPU和
3、外围设备异步工作。通过接口电路,CPU采用查询或中断控制方式为慢速外围设备提供服务,就可以保证CPU和外围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了CPU的利用率。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术6 2 2、解决解决CPUCPU和外围设备之间的数据格式转和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。换和匹配问题。CPU是按并行处理设计的高速处理器件，即CPU只能读入和输出并行数据。但是，实际上要求其发送和接收的数据格式却不仅仅是并行的在许多情况下是串行的。这就要求应将外部送往计算机的串行格式的信息转换成CPU所能接收的并行格式，也
4、要将CPU送往外部的并行格式转换成与外围设备相容的串行格式，并且要以双方相匹配的速率和电平实现信息的传送。这些功能在CPU控制下主要由相应的接口芯片来完成。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术7 因为过多的信号线直接接到CPU总线上，必将超过CPU总线的负载能力，采用接口电路可以分担CPU总线的负载，使CPU总线不至于超负荷运行，造成工作不可靠。CPU和所有的外围设备交换信息都是通过双向数据线进行的，如果所有外围设备的数据都直接接到CPU的数据总线上，数据总线上的信号将是混乱的，无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来自哪一个外围设备的数据。
5、3 3、解决解决CPUCPU的负载能力和外围设备端口选择问题。的负载能力和外围设备端口选择问题。CPU总线的负载能力的问题。外围设备端口的选择问题。这里主要存在两个问题输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术8 只有通过接口电路中具有三态门三态门的输出锁存器或输入缓冲器，再将外围设备数据线接到CPU数据总线上，通过控制三态门的使能信号，才能使CPU的数据总线在某一时刻只接到被选通的那一个外围设备的数据线上，这就是外围设备端口的选址问题。使用可编程并行接口电路或锁存器、缓冲器就能方便的解决上述问题。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出
6、出通通道道计算机计算机控制技控制技术术9I/O通道通道 I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一是模拟量。二是数字量。同样被控对象也要求得到模拟量或数字量两类控制量。但是计算机只能接收或发送并行的数字量。因此除了需要I/O借口电路外，还需要I/O通道，由它将被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量的形式，送入计算机。计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量的形式或转换成模拟量的形式输出至被控制的对象，这就是I/O通道所要完成的功能。输输入入输输出出接接口口技
7、技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术10数据信息数据信息 数据信息是主机和外围设备交换的基本信息，通常是8位或16位的数据，它可以用并行并行格式传送，也可以用串行串行格式传送。数据信息可以分为：数字量：是二进制码的数据或是以ASCII表示的数据或字符。模拟量：一般模拟量要经过A/D转换变成数字量，送入计算机。反之，从计算机送出的数字量要经过D/A转换，变成模拟量，最后控制执行机构。所以模拟量代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换。开关量：只要用一位二进制数就可以表示。脉冲量：它是一个一个传送的脉冲列。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机
8、计算机控制技控制技术术11状态信息状态信息 状态信息是外围设备通过借口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息，是两者交换信息的联络信号。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术12控制信息控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的，随外围设备的不同而不同，有的控制外围设备的启动、停止；有的控制数据流向，控制输入还是输出；有的作为端口寻址信号等等。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术13并行通信并行通信 并行通信：把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。其优点优点是传送速度快、信息
9、率高。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术14串行通信串行通信 串行通信全双工方式半双工方式同步通信异步通信输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术152.2 I/O2.2 I/O控制方式控制方式程序控制方式中断控制方式直接控制方式I/OI/O控制控制 方式方式为了满足不同的控制要求，在一个控制系统中，可能同时要采用两种或三种控制方式。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术16程序控制方式 程序控制I/O方式，是指CPU和外围设备之间的信息传送，
10、是在程序控制下进行的。它有可分为无条件I/O方式和查询式I/O方式。1.无条件I/O方式 无条件I/O方式是指不必查询外围设备的状态即可进行信息传送的I/O方式。一般它仅适用于一些简单外围设备的操作。2.查询式I/O方式 查询式I/O方式，也称为条件传送方式。按查询式传送，CPU和外围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端口。查询式I/O接口电路原理图如图2-2所示。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术17端口译码=1=1输入缓冲器（74LS244）输出锁存器（74LS273）WRRDM/IO1/474LS32自外围设备读入数据输出
11、数据至外围设备1/474LS32数据总线图2-1 无条件传送方式I/O接口电路原理图 返回返回输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术18端口译码器=1=1=1输入缓冲器（74LS32）输出锁存器（74LS273）三态缓冲器（74LS245）数据总线WR地址总线M/IORD1/474LS321/474LS321/474LS32输入数据输出数据外围设备状态图2-2 查询式I/O接口电路原理图返回返回输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术19按流程图用8086汇编语言汇编语言可编写出具体的查询程序如下
12、：MOV FLAG，0 ；设置状态为0 DVC1：IN AL，STAT ；读入外围设备状态TEST AL，01H ；测试状态，1#外围设备请求服吗？JZ DVC2 ；不，跳转至查询2#CALL CCS1 ；是，1#外围设备I/O处理 DVC2：IN AL，STAT ；读入外围设备状态TEST AL，01H ；2#外围设备请求服务吗？JZ DVC2 ；不，跳转至查询3#CALL CCS1 ；是，2#外围设备I/O处理 DVC3：IN AL，STAT ；读入外围设备状态TEST AL，01H ；3#外围设备请求服务吗？JZ DVC2 ；不，转下CALL CCS1 ；是，3#外围设备I/O处理 DD
13、S CMP FLAG，1 ；如标志仍为0，则继续JNZ DVC1返回返回输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术20中断控制方式1.中断控制I/O时应解决的问题 为了提高CPU的效率和使系统具有良好的实时性，可以采用中断控制I/O方式。中断处理必须解决四个问题：保存现场和恢复现场。正确判断中断源。实时响应。按优先权顺序处理。2.中断优先级问题的解决 软件查询方式。雏菊链法。专用硬件方式。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术21直接控制方式DMA方式 在8086系统中，通常采用的是Intel系列高
14、性能可编程DMA控制器8273A。它允许DMA传输速度高达1.6M字节/S。8237A内部包含4个独立的通道，每个通道包含16位的地址寄存器和16位的字节计数器，还包含一个8位的模式寄存器等，4个通道公用控制寄存器和状态寄存器。8273A的内部编程结构和外部连接图如下图2-3：见下页输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术22控制寄存器状态寄存器模式寄存器地址寄存器字节计数器ENSTB锁存器地址译码1（通道1、2、3）IORIOWMEMRMEMWREADYRESETDREQ。DACK。DREQ1DACK1DREQ2DACK2DREQ3DACK3H
15、RQHLDACLKAENADSTBDB0-DB7CSA3-A0A7-A4通道08237A0V5VHOLDHLDA时钟使CPU地址锁存无效数据总线M/IOA15-A8A7-A0图2-3输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术232.3 I/O2.3 I/O接口设计接口设计2.3.1 I/O2.3.1 I/O接口的编址方式接口的编址方式1.独立的编址方式 Z80CPU、8086等 特点：采用不同的控制总线、地址总结控制 如：Z80CPU：控制总线：MERQ*-存储器 IORQ*-I/O接口 地址总线：A0A7-256个I/O接口 A0A15-64K存
16、储器 I/O与存储器的地址可以重叠，由不同的指令（控制总线）区分 表2-1对应8086最小模式P29输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术24表表2-1 信号和读信号和读/写操作的对应关系写操作的对应关系 缺点：需要更多的控制总线，复杂化2.I/O接口与MEMORY统一编址 特点：简单 缺点：I/O要占用MEMORY的空间，可能 MOMORY不连续。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术252.3.2 I/O2.3.2 I/O接口与系统的连接接口与系统的连接 一般分为两部分，第一部分用来和I/O
17、设备相连，第二部分用来和系统的总线相连，CPU是通过系统总线与I/O接口相连接的。第一部分的接口结构和设备的传输要求和数据格式有关，随外围设备的不同而互不相同，比如，串行接口和并行接口其差别就很大。第二部分的结构对不同的接口芯片都基本相同，因为都是连到系统总线上。图2-4至图2-6中，分别画出典型的I/O接口芯片Z-80PIO，8255A和8251A与CPU和外围设备的连接关系。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术26 图图2-4 Z-80PIO2-4 Z-80PIO与与CPUCPU和外设的连接和外设的连接 输输入入输输出出接接口口技技术术和
18、和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术27图图2-5 8255A2-5 8255A与与CPUCPU和外围设备的连接和外围设备的连接 输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术28图图2-6 8251A2-6 8251A与与CPUCPU和外设的连接和外设的连接输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术29v由图2-4、图2-5和图2-6可见，接口芯片与CPU之间必要的连接信号有下列4类：（1）数据信号即接口芯片的8位数据线接到系统数据总线上。（2）读/写控制信号 、（或 、）。（3）片选信
19、号和地址A1，A0。（4）时钟、复位、中断控制、联络信号等控制信号。因此，在系统设计时，在接口芯片与CPU连接部分就要把上述必须的连接信号连接信号考虑进去，并进行恰当的连接。DRRWROIWOI输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术302.3.3 I/O2.3.3 I/O接口扩展接口扩展1地址译码器的扩展 CPU和外围设备进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。计算机主机和外部之间的信息交换都是通过接口部件的I/O端口进行的。因此扩展的地址译码器电路不仅要提供接口芯片的片选信号，而且还能对芯片内的I/O端
20、口（寄存器）寻址。地址译码要用译码器，常用的是74LS13874LS138译码器译码器。下面介绍使用74LS138扩展地址译码器的原理、编址方法及应用举例。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术31图图2-7 2-7 74LS13874LS138管脚图管脚图输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术32其译码功能表其译码功能表2-2所示：所示：表2-2 74LS138译码器功能表 注：1高电平、0低电平、不定BAGGG222输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制
21、技控制技术术33例一，此例是采用8位的Z-80CPU的微机控制系统，按控制要求需扩展一个并行接口芯片PIO、一个计算器/定时器CTC、一个8位的A/D 转换器ADC0808和一个8位的D/A转换器DAC0832。若指定它们的地址分别为40H43H、44H47H、58H和5CH，那么可以设计出如图2-8所示的地址译码电路及个芯片的地址分配。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术34图图2-8 I/O2-8 I/O接口地址译码起扩展接口地址译码起扩展输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术35A7 A
22、6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 0 0 0 0 0 0 PIO A数据口地址40H0 1 0 0 0 0 0 1 PIO B数据口地址41H0 1 0 0 0 0 1 0 PIO A数据口地址42H0 1 0 0 0 0 1 1 PIO B数据口地址43H 0 1 0 0 0 1 0 0 CTC通道0地址44H0 1 0 0 0 1 0 1 CTC通道1地址45H0 1 0 0 0 1 1 0 CTC通道2地址46H0 1 0 0 0 1 1 1 CTC通道3地址47H0 1 0 0 1 0 x x 48H4BH未用0 1 0 0 1 1 x x 4CH4DH未用0 1 0 1
23、 0 0 x x 50H53H未用0 1 0 1 0 1 x x 54H57H未用0 1 0 1 1 0 0 0 ADC0808地址58H 0 1 0 1 1 1 0 0 DAC0832地址5CHAG21GBG2CBADC/AB/0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术36 扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时挂到CPU的数据总线上，各芯片都要挂到CPU的地址线上，控制线也一样，要挂到CPU的地址线上。但是，系统总线的负载能力是有限的，所以有必要考虑CPU各总线的负载能力。当负载过重时，各信号线的电平就会偏离正常
24、值，“0”电平偏高，“1”电平偏低，造成系统工作不稳定，不可靠，抗干扰能力差。因此，必须考虑总线负载能力的扩展。应用总线收发器可以提高总线驱动能力。Intel系列芯片的典型收发器为8286，是8位的。所以在数据总线为8位的8088系统中，只用一个8286就可以构成数据总线收发器，而在数据总线位16位的8088系统中，则要用两个8286。2.负载能力的扩展输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术3782868286收发器和收发器和80888088的连接的连接图2-9输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技
25、术术38 从图2-9中，可以看到8286具有两组对称的数据引线，A7A0为输入数据线，B7B0为输出数据线，当然，由于在收发器中数据是双向传输的，所以实际上输出线和输入线也可以交换。当T=1时，A7A0为输入线，当T=0时，B7B0为输入线。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术39 1.了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，综合考虑速度、成本特性、设计难易程度等因素，合理的分配硬件和软件完成功能。3.进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和地址号分配。4.I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展
26、方案选择地址译码器扩展和负载能力扩展的等。5.I/O接口控制软件设计。6.进行接口硬件和软件联调，如发现问题，再返回前面各步重新调整、修改，直到所设计的接口硬件和软件能满足要求为止。2.3.4 I/O2.3.4 I/O接口设计的方法、步骤接口设计的方法、步骤输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术401）购置厂家生产的现成的多功能I/O接口板 2）自己设计、安装I/O接口电路。在具体做法上又有两种方案：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。扩展I/O接口有两种方案：两种
27、输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术412.4 I/O2.4 I/O通道通道v在计算机控制系统中，I/O通道是连接计算机和工业对象的必要不可少的重要部分。I/O通道的主要任务是将由检测器件测取的各个参量变换成计算机所能接收的信息形式送入计算机。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术422.4.1模拟量输入通道模拟量输入通道v模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术43
28、2.4.1 2.4.1 模拟量的输入通道模拟量的输入通道v模拟量的输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。v模拟量由以下几部分组成：1.1.信号处理装置。信号处理装置。2.2.采样单元。采样单元。采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把已变换成统一电压信号的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。3.3.采样保持采样保持 A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术44图图 2-10 2-10 由引起不确定误差
29、电压由引起不确定误差电压 输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术45令 Um为正弦模拟信号的幅值；f为信号频率。在坐标的原点上 取 ，则电压误差为 误差的百分数 一个10位的A/D转换器，若要求转换精度为0.1%，孔径时间10s，则允许转换的正弦波信号的最大频率为tfUtUdtdUtUUmmmcos2cossinfUtUm2DAtt DAmftUU/21002100/DAmftUUHZsf1610101021.026输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术46v 因此，如被采样模拟信号的变化频率相
30、对于A/D转换器的转换速度来说是较高的话，为了保证转换精度，就要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。v 采样和保持时间由外接的保持电容Ch决定。图2-11采样保持电路RKVxCVout.输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术47v 采样保持电路有 两个工作状态：两个工作状态：1.采样状态2.保持状态当模拟开关AS闭合时，进入采样状态当模拟开关AS断开时，进入保持状态v4.4.数据放大器数据放大器v5.5.A/DA/D转换器转换器输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技
31、控制技术术48采样保持器采样保持器LF398介绍介绍输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术49什么时候要用采样什么时候要用采样/保持器？保持器？v信号变化频率较快，以至孔径时间影响到转换精度，即孔径误差大于量化误差。v巡回采样多个过程参数时，常用。若信号缓慢，可以不用。在工程实践中，常用中速A/DS/H来代替要求高速的A/D，经济上很合算。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术502.4.2 2.4.2 采样与量化采样与量化1.采样过程 所谓采样过程是采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模
32、拟信号的过程。采样过程采样过程 图2-12输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术51v 理想采样开关的数学表达式：v 理想采样开关的几何图象：输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术52v采样后得到的离散模拟信号为 v采样定理:f=2fmaxv常采用：f=(510)fmaxv将连续信号转换变成在时刻0、T、2T、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。00*)(nnnTttfnTtnTftf输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术532.量化过程
33、v量化过程就是用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。v量化单位q是指量化后二进制的最低位所对应的模拟量的值。v i转换后二进制数的位数。v例如，模拟信号fmax=16v,fmin=0v,取i=4，v则q=1v，量化误差最大值 。iffq2minmaxvqe5.02max输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术54输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术55编码编码v把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码v编码的任务由A/D转换器完成v双极性信息的 3种表示方法 符号数值码 偏移二
34、进制码 补码表示法输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术56注记：常用的双极性编码注记：常用的双极性编码数正基准负基准符号-数值码2的补码偏移2进制码+7+7/8-7/8011101111111+6+6/8-6/8011001101110+5+5/8-5/8010101011101+4+4/8-4/8010001001100+3+3/8-3/8001100111011+2+2/8-2/8001000101010+1+1/8-1/8000100011001+0+0-0000000001000-0-0+01000（0000）（1000）-1-1/8
35、+1/8100111110111-2-2/8+2/8101011100110-3-3/8+3/8101111010101-4-4/8+4/8110011000100-5-5/8+5/8110110110011-6-6/8+6/8111010100010-7-7/8+7/8111110010001-8-8/8+8/810000000输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术57采样值和量化值的采样值和量化值的对应关系对应关系(单极性单极性)如表如表2-32-3输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术58
36、多路开关多路开关v 当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个器件v 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。v 两大类：机械触点式 电子开关式v 选择多路转换器主要应考虑的因素。输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术59CD4051介绍介绍v单端8通道双向多路开关。vC、B、A为二进制控制输入端，INH为禁止输入端（高电平禁止）。改变IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。IN/OUT19876543210111413121516 IN/OUTIN/OUT12304567OUT/ININH
37、VssVccVDDABC输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术60CD4051真值表如下真值表如下输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术61多路开关的扩展多路开关的扩展v 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法如图所示。OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ模拟输入（1 8）模拟输入（9 16）模拟输出.输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计
38、算机计算机控制技控制技术术622.4.3 2.4.3 模拟量输出通道模拟量输出通道v 模拟量输出通道的功能功能是把计算机的运算结果转换成模拟量，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。v模拟量输出通道由以下几部分组成：1）D/A转换器 2）输出保持器 3）多路切换开关 4）低通滤波电路 5）功放电路输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术63 模拟量输出通道中，要有输出保持器，是因为因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间片上得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模
39、拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内仍然能得到输出信号，就必须有输出保持器，通过它将前一采样控制时刻的输出信号保持下来，直到下一个采样控制时刻的到来，重新得到新的输出信号，这样执行部件就得到了连续的输出控制信号了。输出保持器 有两种两种方案：1 1）数字保持器方案数字保持器方案2 2）模拟保持器方案模拟保持器方案输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术64多路模拟量输出通道的结构形式多路模拟量输出通道的结构形式v主要取决于输出保持器的构成方式:输出保持器的作用：在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变 v两种基本结构形式：一
40、个通路设置一个D/A转换器 多个通路共用一个D/A转换器输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术65v 一个通路设置一个D/A转换器 优点：转换速度快，工作可靠 缺点：使用较多的D/A转换器输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术66v 多个通路共用一个D/A转换器v 优点：节省了D/A转换器v 缺点：微机分时工作，工作可靠性差输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术672.4.4 数字量输入输出通道v1.数字量输入接口输输入入输输出出接接口口技技术术
41、和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术682.数字量输出接口MOV AL,DATAMOV AL,DATAMOV DX,PORTMOV DX,PORTOUT DX,ALOUT DX,AL程序输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术69数字量输入通道输入调理电路的作用1.电平转换2.电气偏离输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术70数字量输出通道1.功率晶体管输出驱动继电器电路2.达林顿阵列输出驱动继电器电路3.大功率交流驱动电路输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通
42、通道道计算机计算机控制技控制技术术712.5 D/A 2.5 D/A 转换器转换器vD/A转换器是把数字转换成模拟量的器件。按转换形式可分为：按输出形式可分为：并行串行电压输出型电流输出型输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术722.5.1 并行D/A转换器的工作原理v D/A转换器的原理可以归纳为“按2进制权展开，然后相加”。因此D/A转换器的内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络T型电阻网络输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术73D
43、/A转换器的组成转换器的组成v基准电压（电流）源v二进制数的位切换开关(电子开关组)v产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络v提供电流（电压）相加输出的运算放大器v数字接口(数据寄存器)输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术744位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图-+UES1S2S3S4fR112a222a332a442aR02R12R22R322I4I8I16I输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术754位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器原理转换器原理v E E为基准电压
44、为基准电压v 为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为相应位为“0”“0”，开关接地，开关接地 相应位为相应位为“1”“1”，开关接，开关接E Ev 权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越小，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流越小，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流v 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电流求和态对电流求和输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术76输输
45、入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术77v 运算放大器输出的模拟电压为 D/A转换器的输出电压 U 正比于输入数字量 Dv 影响D/A精度的主要因素:参考电压源、电阻网、反馈电阻、放大器。v 缺点：位数越多，阻值差异越大。需要改进电阻网。11121222(222)nniififfiinfnUIRI aRI RDERaaaR 输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术784位位T型电阻网络（型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图转换器原理图-+US1S2S3S4112a222a332a442aEabc
46、dRRR2R2R2R2R2R输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术79v 从节点a,b,c,d向右向上看，其等效电阻均为2Rv 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地。v 流经各切换开关的支路电流分别为 ，v 各支路电流在运算放大器的虚地相加12REFI14REFI18REFI116REFI输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术80v 运算放大器的满度输出为v 对 n 位D/A转换器而言，其输出电压为111115()2481616FSR
47、EFREFUIRIR 1212(222)nREFnUIRaaa 输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术818位位D/A转换器转换器DAC0832v 可与各种微处理器直接接口v 输入为8位二进制码，所有引脚与TTL兼容v 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式v 电流稳定时间1 S，满量程误差为1LSBv 5V15V单一电源，低功耗20 mWv 参考电压为10V10V输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术82DAC0832内部结构内部结构D7D6D0D1D2D3D4D58位输入寄存器8位DA
48、C寄存器8位D/A转换电路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR1WR2XFERDAC0832AGNDVCCDGNDLE1LE2M1M3M2输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术8308320832引脚结构引脚结构v 20引脚，双列直插式封装v 数字量输入线D7D0（8条）v 控制线（5条）v 输出线（3条）v 电源线（4条）CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211输输入入输输出出接
49、接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术8408320832引脚功能说明引脚功能说明v 输入信号D7D0v 输出信号IOUT1，且IOUT1 IOUT2为常量，Rfb为反馈信号输入端，反馈电阻在片内v 控制信号：为允许输入锁存信号，和 分别为输入寄存器和DAC寄存器的写信号，为传送控制信号，为片选信号 v 电源信号：VCC为主电源，VREF为基准电压，AGND和DGND分别为模拟地和数字地v 因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如下图所示：LEI1WR2WRXFE
50、RCS输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术85-+OA.VoutRfIout1Iout2输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术860832单极性输出方式单极性输出方式-+OAVoutRfIout1Iout2.VREFDAC0832.2REFoutfboutfbnVVR IRD 输输入入输输出出接接口口技技术术和和输输入入输输出出通通道道计算机计算机控制技控制技术术870832双极性输出方式双极性输出方式I1I3I2OA1OA2+_2R2RRVout1VoutAVREF8031VREFRfIou
