计算机控制系统 计算机控制系统的硬件设计技术.pptVIP

第2章 过程通道和输入输出接口 ● 采用计算机控制系统实现生产过程的控制，需要采集生产过程中的各种必要信息（参数），并转换成计算机能够接受的数据形式。 ● 这种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。 ● 输入输出接口是计算机与外部设备进行数据交换的通道和桥梁。由于外设的种类多，控制方式各不相同，很难由CPU统一控制，而且外设的数据传输率千差万别，数据格式也不相同，所以需要接口电路来协调和控制数据的输入输出。 2.1 过程通道的一般结构 2.1.1 输入输出过程通道的基本概念 过程通道的一般结构，如图所示。 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。分为模拟量和数字量两种。 2.输出过程通道 输出过程通道是指从计算机到被控设备的物理信号传输和变换的通道。分为模拟量和数字量两种。 2.1.2 输入过程通道的结构类型 输入通道的结构主要有以下几种。 1.单信号通道类型 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下图所示。 V/F转换器是把测量的物理参数转换成与这些参数成比例的TTL电平的频率信号，若用作A/D转换，具有良好的精度、线性和积分输入特性，但转换速度要比A/D要慢很多。 2.多信号输入通道类型 多路模拟信号的采集采用多路模拟开关分时进行，在多路模拟信号输入通道中，一般共享一个A/D转换器。如图所示。 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，如图所示。 图中采用了共用放大电路的结构形式。当各种放大信号相差比较大的时候，宜采用可编程增益放大器，根据不同信号选择不同增益，由计算机进行控制。 2.1.3 输出过程通道的结构类型 输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点，其结构形式如图所示。 1.输出的数字量要经过光电隔离。 2.需要利用D/A进行信号转换。 2.2 输入输出接口 计算机控制系统中，外部通道或外部设备是不能直接与中央处理单元（CPU）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。 为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPU和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。其可分为并行和串行接口，具有以下功能。 1.数据缓冲 计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作等。 2.信号转换 过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的信号一般是不相同的，利用接口电路实现信号转换，如电平变换、数据转换等。 3.驱动功能 由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台外部设备时，总线资源可能不够。利用接口电路可以提高总线的负载能力，使一个接口与多个外部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。 4.中断管理 外部设备与计算机的沟通，一个重要的手段就是采用中断处理技术。采用具有中断控制管理功能的接口，便于计算机处理有关中断事物，包括提出中断请求、中断优先级排队等。 2.2.1 接口技术 在计算机控制系统中，CPU与外设所交换的信息有数据信息、控制信息和状态信息，为了CPU对外设的寻址，还要有地址信息。为保证信息的正确传送，I/O接口中有三种端口，即数据端口、状态端口和控制端口，负责对应信息的传送。接口技术主要包含下面几个方面的内容： 1.数据缓冲 2.功能寻址：实现外部设备的唯一性地址标识。 3.命令译码：用来解释和产生各种操作信息。 4.同步控制：用来协调被连接部件动作时间上的差异。 5.数据转换：实现不同设备对同一信息的使用。串到并，并到串等。 6.电平转换：实现不同电平器件的连接，如TTL器件（电路）和CMOS器件相连，需进行逻辑电平的转换。 7.中断接口：具有发送中断请求信号和接收中断响应信号的功能。 8.总线驱动：各总线的驱动能力是有限的，只能带一定数量的电路。单向：74LS240、74LS241和74LS244;双向：74LS245。 ● CPU与外设交换信息通常采用总线形式。所谓总线，是指传送规定信息的一组公共信号线。总线按照完成的功能可划分为数据总线、地址总线和控制总线。 ● 数据总线是CPU与接口进行数据交换的信号线；地址总线是CPU对接口地址进行寻址的信号线；控制总线