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第二章 过程通道与输入输出接口 §1概述 本章学习目的: 解决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，这是设计一个计算机控制系统必须解决的基本问题。重点介绍计算机过程控制中的过程通道和输入输出接口电路的设计技术。 一、通道、接口及其功能 实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称为输入输出过程通道，简称过程通道。 过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量通道。模拟量是指在生产过程中连续变化的模拟信号，如电压、电流、有功功率、频率、压力、流量、温度、液位、转速等；数字量是指离散的数字信号，如表示开关、触点等开合位置的状态信号（开关量），电平高低、脉冲等。过程通道按信号传输的方向分为输入通道和输出通道，或前向通道和后向通道。 输入输出接口技术——研究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。它们在与计算机系统交换信息时，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。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 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。 (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。 §2 过程通道的一般结构 2.1输入输出过程通道的基本概念 计算机控制系统中过程通道的一般结构，如图2-3所示。 1、输入过程通道 输入过程通道是指从被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道。在计算机控制系统中，被控对象的参数和状态量要经过输入通道转换成计算机所能接受的标准数字信号。在模拟量输入通道中,采用传感器或变送器将被控对象的非电量或电量等模拟量转换成模数转换器A/D量程范围允许的电信号,再经过A/D转换成数字信号送入计算机中.在数字量输入通道中，通过转换电路和接口电路将生产过程中的开关信号、数字信号和脉冲信号转换计算机能接受的数字信号，并送入计算机中，往往需要进行电平转换和整形，有时也需要信号隔离。所以，输入过程通道主要是实现被控设备和计算机之间的原始参数和信号的变换、调理、传递和抗干扰。 2、输出过程通道 输出过程通道是指从计算机到被控设备控制信号和参数的传输。数字量输出通道是将计算机输出的数字信号变换成所要求的电平，一般需要信号隔离、功率驱动等。 2.2输入过程通道的结构类型 输入通道的结构主要取决于生产过程的环境、控制要求和输入信号的种类、性质、数量、大小。在不考虑前端传感器的类型情况下，输入通道结构归纳起来大致分为以下几种。 1、单信号通道类型 单信号常见有以下几种类型：高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模拟信号，脉冲信号，开关信号等。它们对应的输入通道结构如图2-4所示。 信号类型 输入通道结构类型 高电压、大电流模拟信号 低电压、小电流模拟信号 频率信号 开关信号 2、多信号输入通道类型 计算机控制系统往往需要采集生产过程中多个模拟信号和数字信号，需要多信号输入通道来实现。 在多信号输入通道中，根据多路模拟开关的位置不同，有两种模拟量输入通道结构。当传感器的输出信号较微弱时，应该先对信号进行放大，再经过多路开关分时采样，避免经多路开关造成较大误差，如图2-5所示。 当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放大电路，如图2-6所示。 多路频率开关信号可省略A/D转换，