【文档说明】计算机控制技术(汤楠)-[279页]课件.ppt，共(279)页，3.145 MB，由小橙橙上传

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第二章过程输入／输出通道第二章过程输入/输出通道2.1概述2.2采样与量化2.3模拟量输入通道2.4模拟量输出通道2.5数字量输入/输出通道2.6工业控制计算机I/O模板本章小节习题第二章过程输入／输出通道2.1概述为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间

设置信息的传递和交换的连接通道，这就是输入/输出通道，又称为过程通道，它是主机与被控对象进行信息交换的纽带，是生产过程控制所特殊要求的。由于微机只能处理数字量，而一般的连续化生产过程大都是以模拟量为主，因此，为实现微机控制，还必须把模拟量变换成数字量，或者把数字量变换成

模拟量。过程通道一般可分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道等。第二章过程输入／输出通道过程通道是不能直接由主机控制的，必须由“接口”来传送相应的信息和命令。计算机控制系统的接口，根

据应用的不同，有各种不同的接口电路。这里讲的接口是指通用接口电路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中断管理、直接存取管理(DMA)和计数/定时等）。第二章过程输入／输出通道通用外围设备主要是为了扩大主机的功能而设置的。通用外围设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并根据控制系统的规模和要

求来配置。常用的输入设备有键盘、鼠标等，主要用来输入程序、数据和命令等。常用的输出设备有显示器、打印机和记录仪等。输出设备将各种数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情况。存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘和光盘等。第二章过程输入／输出通道工业对象的过程参数一般是

非电物理量，必须经过传感器变换为等效的电信号。在计算机控制系统中，为了收集和测量各种参数，广泛采用了各种检测元件和仪表，它们的主要功能是把被检测的参数由非电量转换为电量，如热电偶把温度变成电信号，压力变送器把压力变成电信号等。这些信号转换成统一的微机标准电平后再送入计算机。因此，检测元件

精度的高低直接影响计算机控制系统的精度。第二章过程输入／输出通道为了控制生产过程，系统还需要有执行机构。常用的执行机构有电动、液动和气动等形式，另外还有动力电机和控制电机，它们也是计算机控制系统设计人

员经常选用的执行操作台是人机对话的联系纽带。程序员使用该人机设备（运行操作台）来输入、修改和检查程序，当主机硬件发生故障时，维修人员可以利用此设备判断故障。操作人员使用操作台完成生产过程的监视和操作任

务。第二章过程输入／输出通道2.1.1计算机对生产过程进行检测和控制时，需要采集控制现场的各种信息并输入到计算机中，按照一定的控制规律进行处理和运算后，再把控制信号输出给执行机构或外部设备，以实现特定要求的控制。过程通道就是计算机和控制对象之间进行信息传递和交换的桥梁，以完

成两者间物理上的连接和信号的转换任务。第二章过程输入／输出通道不同的信号转换功能，由不同类型的过程通道来完成，常用的计算机输入/输出通道分为如下四类。1.模拟量是连续变化的量，生产过程的许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过

不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字量信号输入到计算机。第二章过程输入／输出通道模拟量输入通道的基本结构如图2.1所示，它由信号调理电路、多路转换器、放大器、采样保持器、A/D转换器和总

线接口等组成。整个模拟量输入通道可分为两部分。一部分是模拟量输入接口，它是A/D转换器及其与计算机的数字量接口。采样保持器、多路转换器是配合A/D转换器工作的，也可算作模拟量接口的一部分。目前一些较新的A/D芯片已内含采样保持器、多路转换器。另

一部分则是对模拟量输入信号进行调理，以适合A/D转换器对输入电压要求的相关电路。第二章过程输入／输出通道图2.1模拟量输入通道的基本结构第二章过程输入／输出通道2.生产设备或过程的许多执行机构，往往用模拟信号来控制，而计算机输出的控制信号是数

字量，这就要求用相应的电路将数字量输出并转换为模拟量。模拟量输出通道的基本结构如图2.2所示，它是一种典型的多个通道共享D/A转换器结构形式，由输出保持器、多路转换开关和D/A转换器组成。第二章过程输入／输出通道

在输出数据时，D/A转换器在CPU的控制下分时工作，依次把输出的数据转换成模拟信号，再通过多路开关传送给各路输出采样保持器。采样保持器通常采用零阶保持器，它可使前一时刻输出的采样值保持到下一输出时刻。第二章过程输入／输出通道图2.2模拟量输出通道的基本结构第二章过程输入

／输出通道3.生产设备或控制系统的许多状态信息，如开关、按钮和继电器的触点等只有两种状态：断开和闭合，对这类信号的拾取可通过数字量输入通道来实现。数字量输入通道的基本结构如图2.3所示，它主要由输入缓冲器、输入调理电路和

输入地址译码电路等组成。输入缓冲器是缓冲或选通外部输入的信号，CPU通过缓冲器读入外部数字量的状态，地址译码器完成数字量输入通道的选通和关闭，输入调理通道完成对现场开关信号的滤波、电平转换、隔离和整形等。第二章过程输入／

输出通道图2.3开关量输入通道的结构第二章过程输入／输出通道4.数字量（开关量）输出通道生产过程中，有一类对象的控制只需二值逻辑就可实现，如指示灯的亮和灭、电动机的运行和停止、晶闸管的通和断以及闸门的开和关等，数字量输出通道就可以完成这些功能。数字量输出通道的基本结构如图2.4所

示，它主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器和地址译码器等组成。输出锁存器用于锁存CPU输出的数，光电隔离器是为保证计算机安全可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离，输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。第二章过程输入／输出通道图2.4数字量输出通道的结构第二章过程输入／

输出通道2.1.2计算机测控系统通常具有人机对话功能，一方面是操作人员能向系统发布命令和输入数据，另一方面是系统能向操作人员报告系统运行状态和运行结果。输入功能可通过系统操作面板上的键盘来实现，输出功能主要是通过显示、记录和报警等装置来实现。第二章过程输入／输出通道1

.计算机测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。在不带微型计算机的测控系统中，这些数字显示器通常与BCD码输出的A/D转换器连接；而在微型计算机测控系统中，这些数字显示器通常与微机接口连接。1）LED（1）LED显示器

的结构。第二章过程输入／输出通道发光二极管（LED:LightEmittingDiode）是一种电-光转换型器件，LED显示器是由发光二极管组成的显示字段的显示器件，分为共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示器是将发光二极管的阴极连在一起

作为公共端，使用时该端接低电平。共阳极LED显示器是将发光二极管的阳极连在一起作为公共端，使用时该端接高电平。常用的七段LED显示器中有八个发光二极管，也称八段显示器。其中七个发光二极管构成七笔字形“8‖，一个发光二极管构成小数点，如图2.5所示。七段LED显示段码表如表2.1所示。

第二章过程输入／输出通道图2.5LED显示器引脚图第二章过程输入／输出通道第二章过程输入／输出通道（2）LED显示器接口的应用。测控系统中的LED显示器通常由多位的LED数码管排列而成，每位数码管内部有八个发光二极管。从显示数字的BCD码转换成对应的段选码称为译码，译码既可用硬件来实现也可

用软件来实现。采用硬件实现时，微机输出的是显示数字的BCD码，微机与LED段选端间的接口电路包括锁存器（锁存显示数字的BCD码）、译码器（将BCD码输入转换成段选码输出）和驱动器（驱动发光二极管发光）。第二章过程输入／

输出通道采用软件译码时，微机输出的是通过查表软件得到的段选码，接口电路中无需译码器，只需要锁存器和驱动器。为使发光二极管正常发光，导通电流IF以5~10mA为宜，管压降VF在2V左右，若驱动器驱动电压为VOH，则发光二极管串联限流电阻R可按下式计算:FFOH

IVVR第二章过程输入／输出通道多位的LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。所谓静态显示就是各位同时显示，在此显示状态下，各位的LED数码管的位选端应连接在一起固定接地（共阴极）或接+5V（共阳极），每位数码管的段选端应该分别接一个8位锁存

器/驱动器。所谓动态显示就是逐位轮流显示，这种显示方式必须要求各位的LED数码管的段选端并接在一起，由同一个8位I/O口或锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。第二章过程输入／输出

通道由于篇幅的关系，下面只介绍静态显示方式。LED显示器工作在静态显示方式时，每位的位选端（公共端）接地（共阴极）或为+5V（共阳极)，每位的段选端（a~dp）与一个8位并行口相连。当某位的位选信号有效时，只要在该位的段选

端上保持段选码电平，该位就显示相应的字符，一直到下次刷新显示段码时为止。这种显示占用CPU的时间少，但使用元件多，线路复杂，硬件成本较高。应用系统中，静态显示方式通常采用BCD七段锁存、译码驱动芯片作为每位LED显示器的接口，常用的芯片有MC14495

、CD4511等。下面以MC14495为例，来分析LED静态显示的接口设计。第二章过程输入／输出通道MC14495片的引脚图如图2.6所示，其真值表如表2.2所示。A、B、C、D为二进制码（BCD码）输入端，a~

g为七段代码输出，LE为锁存控制端，它为低电平时可以输入数据，反之锁存。h+i为输入数据大于等于10的指示位，若输入数据大于或等于10，则h+i输出高电平，反之输出低电平。VCR为输入等于15的指示位，

若输入数据等于15，则VCR输出低电平，否则输出高电平。第二章过程输入／输出通道图2.6MC14495片的引脚图第二章过程输入／输出通道第二章过程输入／输出通道采用MC14495芯片的四位静态LED显示接口电路如图2.7所示。MC14495内部有输出限流电阻，不需外加限流电阻。

MC14495不提供dp（小数点）信号，如系统要求显示带小数点的数字，则应在八段LED显示器的dp端另加驱动控制。图2.7中，P1.7~P1.4用于输出BCD码，P1.2控制2-4译码器的使能端，低电平有效，P1

.0和P1.1为位选译码输出口。工作时，单片机通过P1口送出代码，使每一位LED显示系统所要求的数据，因此在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。LED显示器静态显示的程序比较简单，这里不再赘述。第二章过程输入／输出通道图2.7四位静态LED显示器的接

口电路第二章过程输入／输出通道2）LCD（1）LCD显示器工作原理。液晶显示器是一种极低功耗的显示器件。目前随着生产工艺水平的提高，液晶显示器的成本逐年降低，已广泛应用于生产、生活的各个领域，大有取代LE

D显示器的趋势。液晶显示器是在平整度很好的玻璃面喷上二氧化锡透明导电层形成电极，在上下导电层之间注入液晶材料密封而成的。若在液晶屏正面电极的某点和背面电极间加适当大小的电压，那么该点所夹持的液晶便产生散射效应，并显示出点阵。

根据需要，可将电极做成各种文字、数字或点阵，就可获得所需的各种显示。第二章过程输入／输出通道液晶显示器是一种被动式显示器件，液晶本身并不发光，而是靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的

，所以其使用范围受到限制。LCD显示器的工作温度范围一般为－10℃~60℃。(2)LCD显示器接口的应用。LCD显示器分为段式和点阵式两种，本小节只讨论段式LCD。第二章过程输入／输出通道与LED很相似，段式LCD也是七段（或八段）显示结构，也有七个（或八个）段选端。LCD与LED不同之处在于每个

字形段要由频率为几十赫兹到数百赫兹的节拍方波信号驱动，该方波信号加到LCD的公共电极和段驱动器的节拍信号输入端。LCD显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定，因此，当选择好LCD显示器之后，用户再无法改变驱动方式。LC

D显示器的驱动方式一般有静态驱动和动态（时分割）驱动两种。第二章过程输入／输出通道静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器转换为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。译码方式有硬件译码和软

件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码采用查表的方法。当显示字段增多时，为减少引出线和驱动回路数，必须采用时分割驱动方式。时分割驱动方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2、1/8、1/16、1/32等，偏压有1/2、1/3、1/4、1/5等。第二章过程输入／输出通道液

晶显示驱动器有一位和多位之分，常用的一位液晶显示驱动器有MC14543、CD4543、CD4056等，多位液晶显示驱动器有ICM7211等，专门用于小数点驱动器的有CD4054。下面以MC14543为例，来分析LCD静态显示接口的设计。MC145

43芯片的引脚图如图2.8所示。A、B、C、D为BCD码输入，a~g为七段代码输出。LD为锁存使能端，高电平有效，下跳沿低电平锁存数据(LD的脉冲宽度不小于400ns)。第二章过程输入／输出通道图2.8MC14543芯片的引脚图第二章过程输入／输出通道P

H为显示方式控制端，驱动共阴极LED时，PH接低电平；驱动共阳极LED时，PH接高电平。在驱动LCD时，PH端接方波信号。BI为消隐控制端，高电平有效。采用MC14543作为驱动器的四位静态LCD显示接口电路如图

2.9所示。因MC14543没有驱动小数点功能，所以只能显示数字0~9。第二章过程输入／输出通道图2.9四位静态LCD显示接口电路第二章过程输入／输出通道图2.9中，LCD显示器采用四位液晶显示器4N07，它的工作电压为3~6

V，阈值电压为1.5V，工作频率为50~200Hz，每片MC14543驱动一位LCD，其BCD码输入端A~D由8031的P1口低四位控制。每片MC14543锁存时使能端LD分别由P1口高四位控制。MC14543的显示方式控制端PH由

8031的P3.7提供一低频方波信号，该方波信号同时提供给LCD显示器的公共端COM。第二章过程输入／输出通道LCD显示器的软件设计可参考上述LED动态显示的软件设计思路，在图2.9中，设LCD显示器最左端对应显示缓

冲区的最高位，即显示顺序从左至右；R2中存放显示控制字；8031片内RAM的40H~43H单元为显示缓冲区，依次存放四个要显示数字的BCD码；显示方波信号由定时器中断产生，中断服务程序中改变P3.7端的输出电平可实现方波信号

的输出。定时时间约为10ms，显示方波的频率为50Hz。程序运行时，先将要显示的数转换成BCD码后，填入显示缓冲区，通过8031的P1.0~P1.3送出；再将要显示的数的位置，通过8031的P1.4~P1.7送出。第二章过程输入／输出通道ORG0060HDISB：DS40H；ORG0000HINI

T：LJMPINIT1；ORG001BHLJMPINTT；定时器1INIT1：MOVTMOD，#10H；置定时器为方式1MOVTH1，#0FAH；10ms中断SETBEA；SETBTR1第二章过程输入／输出通道SETBET1;LCALLDISP;;DISP：MOVR0，#DISB；R0指向显示

缓冲区最高位MOVR2，#10H；设定最高位锁存控制标志DISP1：MOVA，@R0；ANLA，#0FH；保留BCD第二章过程输入／输出通道ORLA，R2；MOVP1，A；送入MC14543ANLP1，#0FH；置所有MC14543INCR0；R0MO

VA，R2；锁存端控制标志送ARLAMOVR2，AJNBACC.0，DISP1；RET；已更新显示，返回第二章过程输入／输出通道定时器1INTT：CPLP3.7;P3.7MOVTH1，#0FAH；RET1；中断返回点阵式液晶显示器

的动态驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现，如TOSHIBA公司生产的T6963C控制器。第二章过程输入／输出通道2.键盘接口及其应用键盘是微机测控系统中必不可少的输入部件，它用来进行人机对话或某种操作，如输入和修改参数、启/停系

统运行、选择工作方式等。1）键盘实际上是一组按键开关的组合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的闭合、断开作用。第二章过程输入／输出通道一次键盘输入是通过一个按键开关的机械触点的闭合、断开过程完

成的。由于机械开关的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开，因而在闭合与断开的瞬间均有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms，如图2.10所示。为保证CPU对按键的一次闭合与断开仅作一次按键输入

处理，必须消除抖动的影响。第二章过程输入／输出通道图2.10按键抖动信号波形第二章过程输入／输出通道通常，去抖动的措施有硬、软件两种。硬件去抖动的方法主要有滤波和双稳态消抖电路等，如果按键较多，则硬件去抖方

法的电路太复杂，在实际系统中较少采用，这里主要介绍软件去抖动的方法。软件去抖动方法的原理是：第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果仍保持闭合状态电平就确认为真正有键按下，否则视为无效，从而消除了抖动的影响。这种方式由

于不需要追加硬件投入而被广泛使用，但此种方法需要占用CPU的时间。第二章过程输入／输出通道2)在实际操作过程中，如果无意同时或先后按下两个以上的键，这时就很难确认哪个键是有效的，这就是所谓的重键问题，对此一般

采用软件技术来解决。当发生有键按下时，经10ms延时去除抖动后，程序转入按键定位阶段，确定按下的是单键还是多键以及各按键具体的行、列位置，并按以下方法处理。第二章过程输入／输出通道如果是单键，则以此键为准，其后(指等待此键释放的过程中)

其他的任何按键均无效。这只要让程序在以后的操作中不再进行按键定位处理，只注视所有按键都释放这一结果即可。如果是多键，处理方法有三种：其一是将此次按键操作视为无效(通常应鸣响以示告警)；其二是视多键都有效，按扫描顺序，将识别出的按键依次存入缓冲区中以待处

理；其三是不断对按键进行定位处理，或者认为最先释放的按键有效，其他键无效，或者认为最后释放的按键有效，而其他按键无效。第二章过程输入／输出通道3）键盘就其结构形式来分，有编码键盘和非编码键盘两种。前者用硬件电路来识别

键代码，后者用软件来识别键代码。（1）编码按键的结构。编码按键（又称独立式键盘）是指将按键直接挂接在微处理器I/O接口上而构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O接口引线，每根I/O接口引线上的按键工作状态不会影响其他I/

O口的工作状态，如图2.11所示。第二章过程输入／输出通道图2.11编码键盘电路第二章过程输入／输出通道编码按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口，当按键数量较多时，I/O口浪

费较大。所以这种键盘电路通常用于按键数量不多的场合。图2.11所示的电路是以中断方式工作的独立式按键电路，若不将与门连接到INT，即可成为查询方式电路，通常按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口引

线上有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。第二章过程输入／输出通道（2）非编码键盘结构。非编码键盘又称为行列式键盘或矩阵式键盘。该键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和

列线组成，按键设置在行、列的交叉点上。例如用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4的行列结构可构成16个键的键盘。非编码键盘的电路原理图如图2.12所示。第二章过程输入／输出通道图2.12非编码键盘的电路原理图第二章过程输入／输出通道非编码键盘的工作原理是：行、列线分别连接到按键开关的

两端，行线通过上拉电阻到+5V上。因为按键设置在行、列线的交叉点上，所以平时无键按下时，行线处于高电平状态；而当有键按下时，行线的电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。若列线为低电平，则行线就为低电平；若列线为高电平，则行线也为高电平，这是识别非编码键盘按键是否被按下的关键所在。由

于非编码键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，各按键彼此将相互发生影响，因此必须将行、列线信号配合起来并作适当处理，才能正确地确定闭合键的位置。第二章过程输入／输出通道4）微机测控系统中，键盘扫描只是CPU各项工作中的一个内容，对键盘操作的处

理不能过多地占用CPU的时间，设计者应根据应用系统的要求，选择适当的键盘工作方式。键盘的工作方式有查询扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。第二章过程输入／输出通道（1）查询扫描方式：利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，对已按下的键进行查询和相应的处理。在执行键功能

程序时，CPU不再响应其他键的输入请求。进行应用系统软件方案设计时，要考虑对这种键盘扫描子程序的调用应能满足键盘的响应要求。（2）定时扫描方式：利用单片机内部定时器产生定时中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时转入键功能处理程序。当把一次按键处理完毕后，CPU

返回到中断点处，并再次启动定时。第二章过程输入／输出通道（3）中断扫描方式：系统工作并不经常需要按键操作，因此，无论是查询扫描方式还是定时扫描方式，CPU往往会处于空扫描状态。为进一步提高CPU的效率，可采用中断扫描方式。即只有当有键按下时，才向CPU发出中断申请，并在CPU

开放该中断的前提下，响应中断请求，进入中断服务程序，完成对键盘的扫描和按下键的相关处理工作。第二章过程输入／输出通道5）下面通过实例来分析编码键盘的接口技术。实际键盘电路如图2.11所示。（1）硬件设计。在图2.11中，8031通过P1口扩展

了4个按键。每个按键的键值与8位二进制码对应，分别为FEH、FDH、FBH和F7H。第二章过程输入／输出通道（2）软件设计。首先，应确定键的数量和对应的键编码（建立编码表）；其次，确定键盘的工作方式。若采用查询法，键扫描子程序的调用次数一定要合理，既不能太频繁而影响C

PU的工作效率，又不能太少而造成对按键的响应不及时；若采用定时扫描方式，需要注意定时时间的确定以及系统在响应定时中断时是否响应更高级别的中断。第二章过程输入／输出通道本例中，有4个按键，分别为K1、K2、K3和K4，并采用查询法获取按键信息。若无键

按下，P1口读入FFH；若有键按下，可根据上述编码判断是哪个键按下。程序清单如下，程序中的标号K1~K4分别为每个按键的功能程序。START：MOVP1，#0FFH；清P1KEY：MOVXA，P1；读入P1C

JNEA，#0FFH，KY1；有键按下先查K1键JMPOVER；无键按下，第二章过程输入／输出通道KY1：CJNEA，#0FEH，KY2；K1键未按下查K2JMPK1；K1键按下，转至K1功能键处理程序入口KY2

：CJNEA，#0FEH，KY3;K2键未按下查K3JMPK2；K2键按下，转至K2功能键处理程序入口KY3：CJNEA，#0FEH，KY4；K3键未按下查K4JMPK3；K3键按下，转至K3功能键处理程序入口

KY4：CJNEA，#0F7H，OVER；K4键未按下，返回JMPK3；K4键按下，转至K4功能键处理程序入口OVER：RET第二章过程输入／输出通道K1：JMPKEY1；K2：JMPKEY2K4：JMPKEY4KEY1：JMPOVERKEY2：JMPOVER第二

章过程输入／输出通道3.键盘/计算机测控系统中，往往需要同时使用键盘与显示器，为了简化硬件线路，常常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘/显示器混合接口电路。键盘/显示器混合接口电路的设计主要有三种方法

：一是采用并行I/O接口芯片来实现，如8155、8255等；二是采用单片机的串行口进行扩展；三是采用专用芯片8279键盘/显示器接口芯片来实现。第二章过程输入／输出通道下面详细介绍单片机串行口的键盘/显示器混合接口技术及其应用。采用单片机的串行口进行动态显示及键盘混合接口电路的设

计可在很大程度上节省单片机的并行I/O接口资源。硬件电路如图2.13所示。图2.13所示的电路为8个按键、2位显示器的接口电路，实际应用中可根据所需按键数量与显示位数进行增减。第二章过程输入／输出通道图2.13串行口扩展的键盘/显示器接口电路第二章过程输入

／输出通道计算机测控系统中，对系统发送命令或输入数据可以通过键盘进行，其灵活性很大，操作方便。但如果某些重要的数据或功能也由键盘输入，则将会因误操作而产生一些严重的后果。对于这类问题，通常采用设置静态开关的方法。静态开关一经设定，将一直维持设定的开关状态。常用的静态开关有DIP

（拨动）开关和拨码盘两类。第二章过程输入／输出通道2.2采样与计算机控制系统中，要将各种模拟信号输入计算机，就必须先将其转换为数字信号。将模拟信号转换成数字信号的过程，一般通过信号采样和量化来实现。2.2.1采样过程与采样定理1.数据采集系统一般应具有以下几个方面的功能：

(1)对由多个通道输入的生产现场信息能够按顺序逐个检测(巡回检测)，或按指令对某一通道进行检测(选择检测)。第二章过程输入／输出通道(2)能够对所采集的数据进行检查和处理。例如有效性检查、越限检查、数字滤波、线性化和数字量/工程量转换等。(3)当采集到的数据超出上限或下限值时，系统能够产生声光

报警信号，提示操作人员处理。(4）在系统内部能存储采集数据。(5）能定时或按需要随时以表格形式打印采集数据。(6）具有实时时钟。该时钟除了能保证系统定时中断、确定采集数据的周期外，还能为采集数据的显示打印提供当前的时间值。第二章过程输入／输出通道(7）系统在运行过

程中，可随时接受由键盘输入的命令。数据采集系统的功能由程序来实现。一个巡回检测系统的程序框图如图2.14所示，其中，图2.14（a）是主程序流程图，包括系统初始化和键盘管理两大部分；图2.14(b)是时间中断服务子程序流程图，它完成时间计数、巡回数据采集、数据处理、显示和定时打印等任务

。键盘管理部分也可以采用键盘中断方式来处理。第二章过程输入／输出通道图2.14数据采集系统基本程序流程图第二章过程输入／输出通道2.信号采样就是将连续的模拟信号，通过采样开关按一定时间间隔的闭合和断开，将其抽样成一连串离散脉冲信号的过程，

如图2.15所示。这一过程也称为离散化过程。图2.15(a)中f(t)是被采样的模拟信号，它是时间和幅值都连续的函数。采样后的f(t)被以时间间隔T为周期闭合、断开的采样开关S分割成图(c)中所示的时间上离散而

幅值上连续的离散模拟信号f*(t)。离散模拟信号f*(t)是一连串的脉冲信号，又称为采样信号。采样开关两次采样(闭合)的间隔时间T称为采样周期，采样开关的闭合时间τ称为采样时间，0、T、2T…各时间点称为采样时刻。第二章过程输入／输出通道图2.15采样过程第二

章过程输入／输出通道3.采样定理从信号的采样过程可知，采样后得到的离散模拟信号没有包括全部时间上的信号值，而只是取了某些时间上的值，这样处理后的信号会造成信号的丢失吗？显然，采样周期T的合理选取是十分重要的，采样周期T越短，采样信号f*(t)就越接近连续信号f(t)。采样后得到

的离散模拟信号f*(t)可以用下述数学表达式来描述：nnnTttfnTtnTftf)()()()()(0*第二章过程输入／输出通道式中，δ(t－nT)为t=nT处的单位脉冲函数（即δ函数）。根据傅立叶变换，该离散信

号的频率特性可以表示为其中，ωs为采样角频率，ωs=2πfs=2π/T。这就是说离散信号的频谱以采样频率ωs为周期无限量重复，如图2.16所示。ns*nωωFTωF)][j(1j第二章过程输入／输出通道

图2.16离散信号F*(jω)的频谱图第二章过程输入／输出通道香农（Shannon）采样定理：为了使采样信号f*(t)能反映连续信号f(t)的变化规律，采样频率ωs至少应该是信号f(t)频谱最高频率ωmax的2倍，即ωs≥2

ωmax。当采样周期满足采样定理时，图2.16中的采样信号频谱就不会发生重叠效应，这时就可以通过理想的低通滤波器从采样信号f*(t)中完全恢复出f(t)来。事实上，由于理想滤波器不存在，所以要完全恢复出原来的信号是不可能的，工程上只要满足一定的要求即可。

实际应用中，常取ωs≥(4~10)ωmax，过程惯性越大，倍数可取得越大。第二章过程输入／输出通道2.2.21.信号的量化因为采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接送入计算机，故还需经过量化，变成数字信号后才能被计算机接收

和处理。量化就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号的幅值。将离散采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，其中进行量化处理的装置为模/数（A/D）转换器。第二章过程输入／输出通

道模拟信号的特点是具有无穷多的数值，而一组数码的值却是有限的，因此用一定位数的数码来逼近模拟信号是一种近似的表示。如果用一个有n位的二进制数来逼近在vmin～vmax范围内变化的采样信号，得到的数字量在0～2n－1之间

，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位，即12minmaxnvvq第二章过程输入／输出通道量化过程是一个用q去度量采样值幅值大小的小数归整过程，采用的是四舍五入，因而存在量化误差，量

化误差的最大值为±q/2。例如，模拟信号vmin=0V，vmax=10V，取n=8，q=≈4mV，量化误差最大值emax=±q/2≈±2mV。由以上分析可以看出，在A/D转换器的输出位数n足够多时，可以使量化误差达到足够小，就可以认为

数字信号近似于采样信号。如果在采样过程中，采样频率也足够高，就可以用采样、量化后得到的一系列离散的数字量来表示某一时间上连续的模拟信号，从而可以由计算机来进行计算、处理和控制。mV412108q第二章过程输入

／输出通道2.混频现象又称为频率混叠现象。采样信号的频谱除了含有与连续信号成比例的基本频谱，即F(jω)外，还派生出了无限多个以ωs为周期的高频频谱分量F(jω+jωs)/T。如果这些周期的频谱分量是互相分离的（不混叠），则可以通过一

个理想低通滤波器把所有派生的高频频谱滤去，只保留基本频谱，再乘以系数T。这样，连续信号的频谱就可以从采样信号的频谱中不失真地获得。但事实上，理想采样信号的频谱在以下两种情况下将产生频率混叠现象。第二章过程输入／输出通道（

1）当连续信号的带宽是有限的，即|ω|<ωmax时，ωmax为信号中的最高频率分量。如果此时采样频率太低，如ωs<2ωmax，则采样信号频谱的各个周期分量互相交叠，产生严重的频谱混叠现象，如图2.17所示。这种频谱混叠现象使采样信号的频谱与原连续

信号的频谱发生很大差别，以致无法利用理想滤波器滤出原连续信号的频谱。第二章过程输入／输出通道图2.17频谱混叠现象第二章过程输入／输出通道要注意一个关键频率点ωs/2，若连续系统的最高频率超过这个频率，则混叠现象

必然发生，即超过ωs/2的高频分量会折叠到低频段来。因此ωs/2被称为折叠频率，又被称为奈奎斯特（Nyquist）频率，用ωN表示。(2)若连续系统的频谱是无限带宽的(事实上实际信号一般都属于此类情况)，此时无论怎样提高采样频率，频谱混叠现象

或多或少都将发生。第二章过程输入／输出通道根据以上分析，采样定理可表述如下：若连续信号是有限带宽的，且它所含的频率分量的最大值为ωmax，当采样频率ωs≥2ωmax时，原连续信号完全可以用其采样信号来表征，或者说采样

信号可以不失真地代表原连续信号。用采样周期可以这样表述采样定理：若连续信号的最高频率为ωmax，那么它完全可以用周期T≤π/ωmax的均匀采样值来描述。采样定理的物理意义是：对连续信号中所含的最高频率的正弦分量来讲，能够做到在1个采样周期内采样2次以上，那么经采样所

得的脉冲序列就包含了连续信号的全部信息。反之，如采样次数太少，则采样信号就不可能无失真地反映连续信号的特性。第二章过程输入／输出通道图2.18中有1个频率为f1=7/8Hz的余弦信号，当用采样频率f1=1Hz进行采样时，由于不满足采样定理的要求，采样间隔内的信息丢失太多

，采样的结果看起来就像一个f0=fs－f1=1/8Hz的低频信号，这种现象被称为假频现象。为使离散信号真实地反映相应的连续信号，必须合理地选择采样周期T。实际控制中，计算机控制系统涉及的连续信号常常是含有高频干扰成分的低频信号，其有效的频率成分在0～fc范围内。为了防

止出现频混现象或假频现象，在用T≤1/fc采样之前，必须选用或构造有效的低通滤波器，先滤去连续信号中大于fc的高频成分。第二章过程输入／输出通道图2.18假频现象第二章过程输入／输出通道3.信号的复现是指如何将采样信号还原成原来的连续信号。在理想情况下，从时域来说，采样信号的恢复过程就是要通

过离散的采样值得到连续的时间函数；从频域来说，就是要去除采样的旁带，保留基频分量。由图2.19所示的频域恢复过程可见，理想不失真的恢复需要具备3个条件：（1）原连续信号的频谱必须是有限带宽，即|ω|=ωmax。（2）满足采样定理，

即ωs≥2ωmax。第二章过程输入／输出通道（3）具有理想的低通滤波器，其特性为式中，ωc为理想滤波器的截止频率，取ωc=ωs/2。csc02,jωω,ωωωTωH第二章过程输入／输出通道图2.19

采样信号的频域恢复过程第二章过程输入／输出通道设滤波器输出信号y(t)的频谱为Y(jω)，在上述3个条件下，由于H(jω)在|ω|>ωc后均为零，所以F*(jω)中只有n=0时的基本频谱才能通过理想滤波器，其余

所有旁带均被滤去，所以式（2.2）说明滤波器的输出可以无失真地恢复出原连续信号，即一般地，实际信号的恢复采用最简单的办法，即将采样间隔内的信号保持不变。计算机输出的离散信号经D/A解码后，即把模拟脉冲信号恢复成阶梯形的连续信号。这样就减缓了脉冲信号对连续被控对象的

冲击，从而使控制过程较为平稳。ωFωFTTωF*ωHωYjj1jjj第二章过程输入／输出通道计算机控制系统中，把数字控制器给出的二进制数字量通过D/A转换器转换为能作用于过程控制的时间连续信号的这一转换过程称为信号的复现。这一过程中，常用到零阶保持器，零阶保持器的传

递函数形式为其特性如图2.20所示。将图2.20(b)的|Gh(jω)|和图2.19的F*(jω)进行比较，可见零阶保持器重现模拟信号时会引入幅值衰减和相位滞后。其中，幅值衰减引起的最大复现误差eh为sesGTs

1h第二章过程输入／输出通道图2.20零阶保持器的特性图第二章过程输入／输出通道eh=max|X［(n+1)T］－X(nT)|≤Tmax(X′(t))（2.4）在计算机控制系统的A/D转换中，为适应量化过程所需的转换时间的要求，在采样开关之后总是连接着零阶保持器，对采样开关输出的采样信号进行保持

。这就是采样保持结构，记为S/H（Sample/Hold），其传递函数框图如图2.21所示。在S/H结构情况下，连续信号X(t)通过采样开关和零阶保持器两个转换环节的作用，变为阶梯形采样保持信号。第二章过程输入／输出通道图2.21S/

H结构的传递函数框图第二章过程输入／输出通道采样周期T是信号复现中的重要参数，周期大小的选择对信号的采样具有重要的意义。当用采样信号X*(t)重构连续信号X(t)时是有相位滞后（与采样周期T有关）的，即有时间延迟。计算机控制系统中必须严格限制复现连续信号时产生的延迟时间，

否则，将因这一延迟时间改变了连续信号作用于过程的实时时刻（即采样周期T确定的时刻）而使控制系统的性能变差。一般地，若允许有复现延迟，只要选择采样周期T≤1/(2fmax)对连续信号进行采样就足够了。但若对复现延迟时间有限制

时，实践指出，用零阶保持器复现连续信号时，应使用更高的采样频率。第二章过程输入／输出通道对于闭环控制系统，由于系统的动态性能与它的带宽密切相关，因此，采样周期的合理选择就必须把相关的信号最高频率和闭环系统的带宽联系起来。也就是采样周期的

选择要以闭环系统的带宽为基础，或以闭环系统阶跃响应的上升时间为根据。实践中，采样频率一般取6～10倍的闭环系统带宽，或在系统阶跃响应上升时间内采样2～4次。由于零阶保持器结构简单，且可用物理装置实现，因此，目前控制系统中绝大多数采用零阶保持器。同样能实现保持器

任务的还有一阶和高价保持器，但它们在常规的计算机控制系统中较少使用。第二章过程输入／输出通道2.2.3采样周期的选择香农定理给出了采样频率的下限，即采样周期的上限，在这个范围内，采样周期越小，就越接近连续信号，实际

上常取ωs≥(4~10)ωmax。然而，用理论计算来确定采样周期存在一定的难度。因此，一般根据表2.3的经验数据来选择，然后在运行试验时进行修正。第二章过程输入／输出通道第二章过程输入／输出通道2.3用计算机进行控制时

，必须把被控对象的各种状态和参数输入到计算机中，计算机才能按照一定的控制规律对参数进行运算和处理。由于被控对象表现出来的特性往往是时间连续的特性，而目前的计算机都是数字计算机，因此必须将模拟量输入值转化为数字计算机能进行处理的数字量，这就需要有相应的电

路用于输入模拟量，并将其转换成数字量，实现这一功能的电路就是模拟量输入通道。第二章过程输入／输出通道2.3.11.模拟量输入通道的结构模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式，最简单的就是单路模拟量输入通道。图2.22给出了一个典型的多路模拟量输入通道结构图。模拟量输入通道的功能是将

各传感器获得的被控对象状态有序地变换成数字量并送入计算机。图中的点划线框即为模拟量输入通道，一般由信号调理电路、多路转换器、放大器、采样-保持器、A/D转换器和总线接口等组成。整个模拟量输入通道可分为两块：一块是模拟量输入接口，主要部分是A/D转换器

及其与计算机的数字量接口；另一块则是对模拟量输入信号进行调理以适合A/D转换器对输入电压要求的相关电路。第二章过程输入／输出通道图2.22多路模拟量输入通道结构第二章过程输入／输出通道模拟量输入通道各

部分电路作用如下：（1）传感器将过程量转换为电信号。（2）放大电路对微弱的信号进行放大。（3）多路转换开关将多路模拟信号按要求分时输出。（4）采样保持对模拟信号进行采样，在模/数转换期间保持采样信号不变。（5）A/D转换即模/数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。（6）接口电路提供模拟

输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路。按照模拟量信号进入计算机的途径，下面依次介绍各个部分的功能与应用。第二章过程输入／输出通道2.传感器的选用传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节。传感器的作用是把被控对象的各种

非电物理量检测出来，并转换成电信号，如热电偶能把温度转换成热电动势、应变桥式荷重传感器能把受力的大小转换为电位差等。第二章过程输入／输出通道由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样传感器应运而生，所以大多数测试系统设计者只需要从现有传感器产品中正确地选用，而不必自

己另行设计传感器。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器，即确定系统对传感器的技术要求。其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选适合要求的性能价格比高的传感器。工业控制中常用的传感器包括：第二章过程

输入／输出通道（1）模拟式传感器。通常是把传感器与放大电路做成一体，使传感器能直接输出0～5V、0～10V或0～2.5V要求的信号电压，把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出4～20mA直流标准信号的变送器。（2）数字式传感器。数字式传感器一般采用频率敏感效应器件构成，也

可以是由敏感参数构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换输出等。数字量传感器一般都是输出频率参数，具有测量精度高、抗干扰能力强和便于远距离传送等优点。第二章过程输入／输出通道（3）集成传感器。集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理和电桥放大等做成一

体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。（4）光纤传感器。这种传感器其信号拾取、变换和传输都是通过光纤来实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光

纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。第二章过程输入／输出通道3.信号处理装置主要是对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。

计算机控制系统中传感器输出的各种信号在进行A/D转换之前，都应转变成一定的电压或电流信号，如0～10mA、4～20mA的直流电流或0～±5V的直流电压。这些都需要通过信号放大、电平转换和电流-电压转换等电路来实现。第二章过程输入／输出通道由于工业现场经常存在着

多种干扰源，来自现场的模拟信号中常混杂有干扰信号，因此必须进行信号滤波。用有源滤波器或无源滤波器(如RC电路等)进行信号滤波，可有效滤除信号中的干扰成分。还可以采用软件滤波，即数字滤波的方法。第二章过

程输入／输出通道另外，有些检测信号与被测物理量之间会呈现非线性特性。例如，用热敏元件测量温度，由于热敏元件存在非线性特性，所以所得到的温度-电压曲线也存在非线性特性，测得的电压值不能反映温度的线性变化，应作适当处理，使之接

近线性化。在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路的办法达到此目的。在软件上可以用线性插值等线性化处理程序来解决。第二章过程输入／输出通道2.3.2A/D转换器及接口A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，是将模拟量转化为数字量的装置，采样

和量化主要就是通过A/D转换器实现的。实现A/D转换的方法很多，常用的有计数比较法、双斜率积分法和逐次逼近法。计数比较式器件简单、价格便宜，但转换速度慢，较少采用。双斜率积分式器件虽然转换速度比较慢，但精度高，所以有时也采用。逐次逼近式A/D转换器能很好

地兼顾速度和精度，在16位以下的A/D转换器中得到了广泛的使用。第二章过程输入／输出通道下面介绍逐次逼近式A/D转换器的工作原理。图2.23为逐次逼近式A/D转换电路原理图，它主要由逐次逼近寄存器SAR、D/

A转换器、比较器、控制时序及逻辑电路和输出锁存器等5部分组成。逐次逼近式A/D转换器的工作过程是：把逐次设定在SAR中的数字量所对应的模拟量电压Vf与模拟量输入电压Vi进行比较。转换开始时，首先由控制电路将SAR中的最高位设定为“1‖，其余位为“0‖，将此设定数据输入到D/

A转换器转换成模拟电压Vf，然后将Vf与Vi在电压比较器中进行比较。第二章过程输入／输出通道若Vi<Vf，说明最高位设成“1‖不合适，应重新设置成“0‖；若Vi≥Vf，说明该位设“1‖是适合的。然后，按上述方法继续对次高位进行转换、比较和判断，并决定应取“1‖还是

“0‖。重复上述过程，直至确定了SAR最低位为止。此时SAR中的内容就是输入量转换成的二进制数字量。将此转换结果存入输出锁存器，等待输出。市场上A/D转换器种类繁多，正确选用A/D转换器能提高模拟输入通道性能价格比和满足控制系统对模拟信号转换的

要求，以下几点应着重考虑。第二章过程输入／输出通道图2.23逐次逼近式A/D转换原理图第二章过程输入／输出通道1.A/D转换器的位数A/D转换位数与转换信号的分辨率直接相关。转换位数越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。分辨率通常用数字量的二进制位数来表示，m位的A/D转换

器可用其最低有效位（LSB）具有的权值2－m表示它的相对分辨率。10位的A/D转换器相对分辨率是0.0977%，即若它的量程是10V，则说明它的绝对分辨率约是9.778mV。第二章过程输入／输出通道A/D转换器的另一个指标叫精度。精度是指信

号转换后所得结果相对于实际值的准确度。精度和分辨率是两个不同的概念。前面已说明分辨率指的是能对转换结果发生影响的最小输入增量，例如满量程为10V时，10位分辨率为9.778mV。但是，即使有时分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性不良等原因使芯片的转换值与实际值相差超过

分辨率，而并不具有很高的精度。不过对于正常的A/D芯片，其相对精度都不大于其量化误差的（1/2）LSB。一般可用量化误差作为精度来选择A/D芯片。第二章过程输入／输出通道由多路转换器、采样保持器和A/D转换器组成的数据采集电路的总误差应是这三个组成部分的分项

误差的综合值。选择元器件精度的一般原则是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。例如，要构成一个误差为0.1%的数据采集系统，所用的多路转换器、A/D器件和采样保持器的线性误差都应小于0.01%，A/D器件的量化误差

应小于0.01%，A/D器件量化误差为（1/2）LSB，即满度值的1/2m+1。因此，根据系统精度指标δ，可按10/2m+1≤δ估算所需A/D芯片的位数m。例如，要求系统误差不大于0.1%的满度值（即δ=0.1%），则需采用m为12位的A/

D转换器。第二章过程输入／输出通道A/D转换器的位数可决定采集电路所能转换的模拟电压的动态范围，若需要转换成有效数码（除0以外）的模拟输入电压最大值和最小值分别为UImax和UImin，A/D转换前放大器增益为k，m位A/D转

换器的量程为E，则应满足UImink≥q=E/2m，小信号才不会被量化噪声淹没；UImaxk≤E，大信号才不会使A/D溢出。所以，必须UImax／UImin≤2m。通常称转换模拟电压范围上限与下限之比的分贝数为A/D转换器的动态范围，取L2=20lg（UImax／UImin）。若已知被

测模拟电压动态范围为L1，则可按m≥L1/6确定A/D的位数m。第二章过程输入／输出通道2.A/DA/D转换器从启动转换开始到转换结束输出稳定的数字量需要一定的时间，这一时间就是A/D转换器的转换时间。A/D转换速度是指单位时间内所能完成的转换次数，不同原理的A/D转换器的转换

时间是大不相同的。一般地，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，适用于对温度、压力和流量等缓变参量的检测和控制。第二章过程输入／

输出通道逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几微秒到100微秒左右，属中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机检测系统和声频数字转换系统等。转换时间最短的高速A/D转换器是用双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的A/D转换器，转换时

间仅20～100ns。高速A/D转换器适用于雷达、数字通信、实时光谱分析、实时瞬态记录和视频数字转换系统。第二章过程输入／输出通道A/D转换器的转换速度仅说明A/D转换器自身的转换速度。在受CPU控制时，通

道的转换速度是低于A/D转换器自身的转换速度的。因为除了从启动转换到转换结束需要一定的转换时间（记为tc）外，从转换结束到下一次再启动转换也需要一段时间，称为准备时间（记为t0），这段时间除了使A/D转换器内部电

路复原到转换前的状态外，最主要的是CPU读取A/D转换结果、存放结果和再次发出启动转换的指令所花的时间。在用一般的微处理器时，通常需要几毫秒到几十毫秒时间才能完成A/D转换器转换以外的工作，如读数据、再启动、存数据和循环计

数等。第二章过程输入／输出通道实际的通道转换速率应由转换时间tc和准备时间t0二者共同决定，即转换速率为1/(t0+tc)，转换周期TA/D=t0+tc。若A/D转换器在一个采样周期Ts内依次完成N路模拟信号采样值的A/D转换，则有Ts

=NTA/D。第二章过程输入／输出通道3.选择A/D选择A/D转换器芯片时，既应考虑环境条件，如工作温度、功耗和可靠性等性能参数，又要根据量程选择A/D器件，还要根据诸如输出逻辑电平的要求和对基准电源的要求来选择A/D器件。A/D器件多与TTL电平配合，基准电源的

精度将对整个系统的精度产生影响，故使用时应考虑是否外加精密参考电源等。在考虑数字量输出与微处理器数据总线的关系时，也应注意是否要用三态逻辑输出，是否要对数据信号进行锁存等。第二章过程输入／输出通道4.8位A/D转换器ADC0809ADC0809是一种带有8通道多

路开关的8位逐次逼近式A/D转换器。1）分辨率为8位；线性误差为±1/2LSB。转换时间为100μs左右。模拟输入电压范围为0～5V，对应的A/D转换值为00H～0FFH。内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号，有输出锁存功能。工作频率为500kHz

，与TTL电平兼容。第二章过程输入／输出通道2）ADC0809ADC0809的逻辑结构如图2.24所示，从图中可以看出它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、8位逐次逼近A/D转换器和三态锁存输出缓冲器四部分组成。地址锁存与译码器的通道选择信号ADDA、ADDB、AD

DC用于选择8个输入通道中的一个，地址锁存允许信号ALE将ADDA、ADDB、ADDC选中的输入通道与A/D转换器接通。正脉冲信号START可使A/D转换器启动转换，大约100μs后转换结束，转换结束后EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读取数据。第二章过程输入／输出通道图2.24ADC

0809原理框图第二章过程输入／输出通道三态锁存输出缓冲器用于存放转换结果，当输出允许信号OE为高电平时，8位转换结果由D0～D7输出；当OE为低电平时，数据输出线D0～D7为高阻状态。3)ADC0809引脚及功能AD

C0809采用DIP28封装，各引脚功能如下：IN0～IN7：8路0～5V模拟电压输入端。D0～D7：8位数字量输出线，输出A/D转换结果。START：启动A/D转换输入端，若在此引脚加一个正脉冲，脉

冲的上升沿将内部寄存器清0；其下降沿A/D进行一次新的转换。第二章过程输入／输出通道EOC：A/D转换结束输出信号，高电平有效。从启动A/D转换信号START有效开始EOC为0，表示A/D转换正在进行中；当转换一结束，EOC即为1。EOC可供CPU查询A/D转换是否结束，也可用来向

CPU发出中断请求信号。OE：输出允许信号，高电平有效。当OE=1时，三态门打开，转换后得到的8位数字量在通道数据线D0～D7上输出。CLOCK：时钟脉冲输入端，频率为500kHzADDA、ADDB、ADDC：模拟量输入通道IN0～IN7的地址选择线，可以控制8路转换开关进行8选1接通。第

二章过程输入／输出通道ALE：地址锁存循序输入信号，锁存ADDA、ADDB、ADDC。VREF(+)、VREF(－)：参考电压端，提供A/D转换的基准电压。在单极性输入时，VREF(+)=5V，VREF(－)=0V；当模拟输入量为双极性时，VREF(+)、VREF(－)分别

接正、负极性的参考电压。VCC：+5V，工作电源。GND：0V，电源地。第二章过程输入／输出通道4）ADC0809与PCADC0809具有三态锁存输出缓冲器，可以直接与系统总线相连接，通常多通过通用并行接口芯片来实现与系统的接口。图2.25所示电路是ADC0809

通过可编程并行接口芯片8255A实现与PC机连接的电路。第二章过程输入／输出通道图2.25ADC0809与PC总线的接口第二章过程输入／输出通道设主程序中已经完成8255A的初始化编程，8255A分配的口地址为2C0H～2C3HADC0809PROCNEARMOVCX，8；CLD；MOVB

L，00H；模拟通道地址存入BLLEADI，DATABUF；NEXTA：MOVDX，2C2H；DX置CMOVAL，BL第二章过程输入／输出通道OUTDX，AL；INCDX；DX置8255AMOVAL，0

0000111B；OUTDX，AL；位操作，PC3置1NOPNOPNOPMOVAL，00000111B；位操作，PC7OUTDX，ALDECDX；DX置C口地址NOSC：INAL，DXTESTAL，80H第二章过程输入／输出通道JNZNOSC；EOC=1，NOEOC

：TESTAL，80HJZNOEOC；EOC=0，MOVDX，2C0H；DX置AINAL，DX；STOSDATABUF；INCBLLOOPNEXTARETADC0809ENDP第二章过程输入／输出通道2.3.3多路转换器又称多路开关，是用来切换模拟电压信号的关键元件。受控的多路开关可将各个输入

信号依次地或随机地接到公共放大器或A/D转换器上，以实现分时使用系统的重要资源。为了提高测量精度，对多路开关提出了较高的要求。理想多路开关的开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零。此外，还希望切换速度快、噪声小、寿命长且工作可靠。第二章过程输入／输出通道机械开关

（如干簧继电器）可以作为多路转换器使用，但因其速度、寿命、噪声、体积方面的原因，已很少采用。目前在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其优点是速度快、寿命长、体积小，不足之处是导通电阻稍大，为保证精

度，只能进行电压的切换。目前市场上种类、型号都比较多，常用的多路开关有CD4051、AD7501、LF13508等。第二章过程输入／输出通道CD4051是计算机控制系统中广泛使用的模拟开关，有8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关

电路组成。CD4051的原理图和引脚如图2.26所示，C、B、A是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。当INH为高电平时，不论从C、B、A端输入何值，8个通道均不通；当INH为低电平时，允许由A、B、C端输入3位二进制数，在8路通道中选择

一路将输入和输出接通。CD4051允许双向使用，改变图中IN/OUT和OUT/IN的接法，可以实现“多到一”或“一到多”的转换。第二章过程输入／输出通道图2.26CD4051多路转换器的原理及引脚图第二章过程输入／输出通道CD4051供电电源VDD=5～15V，输

入电压VIN=0～VDD，所能传送的信号变化范围为3～15V，模拟信号峰峰值为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，泄漏电流的典型值为±10nA。第二章过程输入／输出通道2.3.4若直接将模

拟量送入A/D转换器进行转换，则应考虑到任何一种A/D转换器都需要用一定的时间来完成量化与编码的操作。在转换过程中，如果模拟量变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时，而各参

数的A/D转换又共享一个芯片，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样-

保持器（Sample/Hold），简写为S/H。采样－保持器在逻辑电平的控制下，分别处于采样或保持两种状态。第二章过程输入／输出通道1.采样-保持器工作原理采样-保持器分为开环型和闭环型两种，其结构与工作波形如图2.27所示。1）如图2.27(a)所示，开环型采样/保持器由接成单位增益电压

跟随器的高输入阻抗运放器A1、A2，保持电容CH和控制电路组成。在采样控制信号控制下采样开关S闭合期间，V1经A1向CH充电，V0跟随V1变化；在采样信号控制下S断开期间，因为S断开阻抗大、A2输入阻抗

大，所以CH上保持的电压几乎不变，使V0保持采样结束瞬时的值，直至进入下一次采样状态，波形如图2.27(c)所示。第二章过程输入／输出通道2）如图2.27(b)所示，闭环采样/保持器与开环型的主要区别是：反馈回路包含CH，从而提高了采样/保持精度；增加了VD

1、VD2以保护采样开关S不被损坏。采样保持期间：S闭合，VO=V1，VD1、VD2截止；S断开，V1很小变化将使A1的输出VC变化很大，使S两端电压差很大而击穿S；有了VD1、VD2，当VC比CH的

保持电压高或低一个二极管正压降VD时，VD1或VD2导通，将VC箝制在V1+VD，使S两端电压差不至于过高。第二章过程输入／输出通道图2.27采样/保持器基本电路与工作波形第二章过程输入／输出通道闭环型采样保持器大多做成集成

芯片，它又分为通用型、高速型、高分辨率型等不同产品。最常用的芯片是通用型LF198/298/398等。采样/保持器主要性能指标如下：（1）孔径时间tAP。从保持命令发出到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间tAP。这种滞后tAP在保持时会有一定的幅度误差，如

图2.27(c)所示，tAP和输入信号变化率的大小有关：tAP越小，输入信号变化率越小，由此引出的孔径误差也越小。tAP一般在10～20ns量级。第二章过程输入／输出通道（2）捕捉时间tAC。从采样控制信号由保

持变到采样时刻起，输出电压VO从原保持值稳定到达当前模拟输入VI值所需的过渡时间，称为捕捉时间tAC。采样时间必须大于tAC才能保持采样周期充分得到VI。tAC与保持电容CH大小有关，CH越大，tAC越小。tAC一般在300ns～15μs之间。保持电压的变化。

保持电压的变化是指在保持状态下，由于保持电容CH等的总漏电流而引起的保持电压不断地衰减或上升，其值一般在0.1～1μV/s。第二章过程输入／输出通道保持电压的变化速率为dVO/dt=ID/CH，式中ID为保持阶段流入或流出CH的总泄漏电流，它包括采样开关S断开时的漏电流、S两端运放电路的输

入电流、CH的漏电流等。采样/保持器的主要用途包括：保持采样信号不变，以便完成A/D转换；同时采样几个模拟量以便进行数据处理和测量；减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以

保证输出的稳定性。第二章过程输入／输出通道2.LF198/298/398采样/最常用的采样/保持器有美国AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及国家半导体公司的LF19

8/298/398等。下面以LF198/298/398为例，介绍集成电路S/H的工作原理。LF198/298/398是双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器电路，具有采样速度快、保持下降速度慢以及精度高等特点。作为单一的放大器时，其电流增益精度为0.002%；采样时间小于6

μs时精度可达0.01%；采用双极型输入状态可获得低偏差电压和宽频带。第二章过程输入／输出通道使用一个单独的端子实现输入偏置电压的调整，允许带宽11MHz，输入电阻为1010Ω。当保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。结型场效应管比MOS电路抗干扰能力强，

而且不受温度影响。LF198/298/398的原理及引脚布置如图2.28所示。LF198的逻辑输入有两个控制端全部为具有低输入电流的差动输入方式，允许直接与TTL、PMOS和COMS电平相连，其门限值为1.4V。LF198供电电源可以从±5V到

±18V供电。第二章过程输入／输出通道图2.28LF198/298/398的原理图第二章过程输入／输出通道LF198/298/398芯片各引脚功能如下：（1）VIN：模拟量电压输入。（2）VOUT：模拟量电压输

出。（3）逻辑和逻辑参考电平：逻辑及逻辑参考电平用来控制采样/保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态；反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保

持状态。它可以接成差动形式（对LF198而言），即可以将参考电平直接接地，然后，在引脚8端用一个逻辑电平控制。第二章过程输入／输出通道（4）偏置（OFFSET）：偏差调整引脚，外接电阻调整采样/保持器的偏差。（5）CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。（6）V+，

V－：采样/保持器电路电源引脚。选择采样/保持器时主要考虑的因素包括：输入信号范围、输入信号变化率、多路转换器的切换速度和采集时间等。若输入模拟信号变化缓慢、A/D转换器转换速度相对很快，可以不用采样/保持器。第二章过程输

入／输出通道2.4模拟量输出通道的功能是把计算机输出的运算结果（数字量）转换成模拟电压或电流，并且输出给相应的执行机构，然后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、输出保持器、多路开关、低通滤波电路和功放电路等组成

。第二章过程输入／输出通道2.4.1计算机的分时工作使得输出数据在时间上离散，因此D/A转换后的信号是离散的模拟信号。但是实际上的执行部件往往要求连续的模拟信号，这样就需要有输出保持器。输出保持器可以使本次输出的控制信号在新的控制信号来到之前维持

不变，从而将离散的模拟信号变为连续的模拟信号。在许多场合要求具有多路模拟量输出通道。多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。第二章过程输入／输出通道1.多个通道设置独立D/A这是一种

数字保持方案，其结构如图2.29所示。采用这种结构形式，每个通路输出的数据由独立的I/O接口的数据寄存器或D/A转换器的数据寄存器保持，可使前一时刻输出的数据一直供D/A转换器使用，直到下一时刻输出新的数据。这种方案的优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一

路D/A转换器有故障，也不会影响其他通路的工作。其缺点是当输出通路数量很多时，将使用较多的D/A转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在得到逐步克服，这种方案较易实现。第二章过程输入／输出通道图2.

29多通道独立D/A转换器结构第二章过程输入／输出通道2.多个通道共享D/A这种形式采用的是模拟保持方案。由于多个输出通路共用一个D/A转换器，因此每个通路应设置一个输出保持器，同时还应有一个多路转换开关，结构如图2.30所示。输出数据时，D/A转换器在CPU控制下分

时工作，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。采样保持器通常采用零阶保持器，它可使前一时刻输出的采样值保持到下一输出时刻。第二章过程输入／输出通道图2.30多通道共享D/A转换器结构第二章过程输入／输出通道2.

4.2D/AD/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置，是模拟量输出通道的重要组成部分。D/A转换器根据输出模拟量的形式分为电压型和电流型两种，对于电流型输出的D/A转换器，可以外接运算放大器将输出电流

转换成电压，并提高带负载能力。第二章过程输入／输出通道1.D/AD/A转换器按其转换方式分有串行转换和并行转换两种。在工业控制系统中，最常用的是并行转换方式，故这里只讨论并行D/A转换器。并行D/A转换器的转换方式是把要转换的数字量的各位数字代码同时送到转换器相应的输入端，而每

一位数字代码都有一定的权，对应一定大小的模拟量，这样数字量的各位都转换成相应的模拟量，然后再求和，即得数字量所要转换的模拟量。输入输出关系可以表示为第二章过程输入／输出通道)2222(002211REFDDDDOOiinnnn(2.5

)式中:O——模拟输出电压（或电流）；OREF——基准电压（或电流）；Di——为0或1（i=0，1，…,n－1），2i为相应的权，n表示D/A转换的位数。按这种转换原理设计的集成化的D/A转换器中，最为常见的是T型电阻网络（R-2R电阻网络）D/A转换器，其基本结构如图

2.31所示。它是由基准电压VREF、R-2R权电阻网络、运算放大器以及位切换电子开关等四部分组成。第二章过程输入／输出通道位切换电子开关Si受数字量的数字代码Di控制（i=0，1，…，n－1)：当Di=0时，开关Si接地；而Di=1时，开关Si接到基准电源V

REF上。T型电阻网络的电路特点是：电阻只有R和2R两种数值，任何一个节点的三个分支的等效电阻均为2R；该电路为线性网络，故可应用叠加原理。现假设只有Dn－1=1，其余各位均为0，即只有Sn－1接到电源侧，其余开关均接到地，则其等效电路可由图

2.32表示。由图可求得流向a点（即运放输入端）的电流为。RVI321REFr1第二章过程输入／输出通道图2.31T型电阻网络D/A转换器第二章过程输入／输出通道图2.32Dn－1=1时的等效电路第二章过程输入／

输出通道若Dn－2=1，其余各位均为0，则其等效电路可由图2.33表示。由图中c点向右看，易见等效电阻为2R，此时也可求得流向a点的电流RVI322REFr2第二章过程输入／输出通道图2.33Dn－2=1时的等效电路第二章过程输入／输出通道依此类推，接通电源的支路（即D

i=1的支路）的电流恒为I=VREF/3R，相当于一个恒流源；而流向a点的电流则为这个恒流的等比例分流，即当Di=1时，则流向a点的电流为Iri=VREF×2－i/3R。根据叠加原理知，运算放大器输入端总的电流为)2222(23)2222(30022

11REF02211REFrrr2r1rDDDDRVDDDDRVIIIIIiinn－nn－nninin－n－ni(2.6)第二章过

程输入／输出通道若运算放大器的反馈电阻Rf=3R，则输出电压为)2222(220022－1－1REFREFfroDDDDVDVRIViinnnnnn(2.7)由此可见，输出的模拟量不仅正比于输入的数字量，还与基准电压VREF、D/A转换器的位数以及

运放的反馈电阻Rf有关。第二章过程输入／输出通道2.D/A1）分辨率是指D/A转换器对输入量变化所能作出反应的敏感程度，通常用数字量的位数来表示，如8位、12位等。其定义也可表示为12n模拟输出的满量程值分辨率(2.8)式中，n为二进制数字量的位数。对于T

型网络电路，其分辨率可表示为第二章过程输入／输出通道1REF2nV）基准电压（分辨率(2.9)对于式（2.9)，分辨率就是与输入的数字量的最低有效位LSB相当的输出模拟电压，简称1LSB。2）建立时间指

输入数字量满量程变化时，输出模拟量达到终值±（1／2）LSB范围内时所需的时间。对于输出是电流的D/A转换器来说，建立时间很快，约几十纳秒；输出为电压时，则建立时间主要取决于运算放大器的响应时间。第二章过程输入／输出通道3）理想的D/A转换器的输入-输出特性应是线性的。在满量程范围内，偏离理想转换

特性的最大误差称为线性误差。该误差用最低有效位LSB的分数来表示，如±(1/2)LSB或±1LSB4）较好的D/A转换器件工作温度为－40℃～+85℃。5）常用的D/A转换器有电流和电压两种输出形式。对于电流输出型，低的输出为20m

A，高的达3A；电压型输出一般为5～10V，高者达24～30V。第二章过程输入／输出通道3.8位D/A转换器DAC0832DAC0832是一种具有两级输入锁存的D/A转换芯片，能直接与计算机总线连接，其主要性能如下：分辨率为8

位，单一电源供电(5～15V)，基准电压VREF工作范围为(－10～+10V)，电流稳定时间为1μs，逻辑输入电平与TTL电平兼容。1）DAC0832DAC0832的内部结构如图2.34所示，由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和选通控制逻辑四部分组成。

DAC0832采用了T型电阻网络实现D/A转换，输出的是与输入数字成比例的电流，需要外接运算放大器，才能得到模拟电压输出。Rfb是外部运算放大器的反馈电阻，连接运算放大器的输出端，将Iout1和Iout2输出的电流变为电压。第二章过程输入／输出通道图2.34DAC0832

的内部结构第二章过程输入／输出通道8位输入寄存器由8个D锁存器组成，作为输入数据的缓冲器。它的8位输入数据由LE1控制其输入与锁存。当LE1=1时，锁存器的输出Qi随输入DIi变换；当LE1=0时，输入数据被锁存。LE1由三根引脚进行控制，当ILE=1，

CS=WR1=0时，LE1=1；当WR1=1时，LE1=0，输入数据被锁存。8位DAC寄存器也是由8个D锁存器组成的，它的控制端为LE2。当LE2=1时，输出数据随输入变化；当LE2=0时，将第一级输出的数据锁存到DAC寄存器。LE2的状态由两根引脚对其进行控制，当XFER=

WR2=0时，LE2=1。第二章过程输入／输出通道2）DAC0832DAC0832为DIP20封装结构，其各引脚功能如下：CS——片选端，低电平有效。ILE——数据允许锁存信号，高电平有效。WR1——写信号1端，低电平有效，用于将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须与ILE、CS

同时有效。WR2——写信号2端，低电平有效，只有当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D/AXFER——传送控制信号，低电平有效，用于控制WR2。第二章过程输入／输出通道DI0～DI7——8位数据输入线。Iout1

——模拟电流输出端1。当DAC寄存器全部为1时，输出电流最大；全为0时，输出电流为0。Iout2——模拟电流输出端2。Iout1与Iout2为互补输出，即Iout1＋Iout2=常数。Rfb——反馈电阻连接端，用于连接运算放大器的输出端VREF——基准电压输入端，外接－10～+10V标准电源

。VCC——电源输入端，可选择5～15V电压。第二章过程输入／输出通道3）DAC0832DAC0832有以下工作方式：（1）直通方式。如果DAC0832的两个8位寄存器都处于直通状态（输出跟随输入变化），即为直通方式。这时DI0～DI7输入的数据可以直接进入D

AC寄存器进行D/A转换。因此，LE1和LE2应当同时为1，即ILE=1，而CS、WR1、WR2和XFER均为0。第二章过程输入／输出通道（2）单缓冲方式。当两个寄存器中的一个始终处于直通状态时，另一个处于受CPU控制的状态，即为单缓冲方式。例如，若LE2=1，使DAC寄存器处于直通状

态，CPU则可以通过ILE、CS、WR1控制输入寄存器，使DAC0832工作于单缓冲寄存器的工作方式。第二章过程输入／输出通道（3）双缓冲方式。如果两个8位寄存器都处于受控方式，即为双缓冲方式。在这种方式下CPU分别控制两个缓冲寄存器的工作状态，数据输出要通过两步操作才能完成。例如，当DAC083

2工作于双缓冲工作方式，它在DAC寄存器输出前一个数据的同时，可将下一个数据送入输入寄存器，能有效地提高转换速度。此外，两级缓冲方式还能够在多个转换器分时进行D/A转换的同时输出模拟电压，达到同步输出的目的。这种方式多用于两路以上模拟输出，其中每一路都有独立的D/

A转换装置，并且要求同步输出转换结果的电路。第二章过程输入／输出通道4)DAC0832与PCDAC0832以单缓冲方式与8086CPU连接的电路如图2.35所示。由于DAC0832内部有8位数据输入寄存器，可以锁存CPU输出的数据，因此数据总线直接连接到DAC0832的DI0～D

I7上。按单缓冲方式工作，ILE接+5V，WR1与CPU的写信号WR连接，CS接地址译码器的Y0，使输入寄存器处于受控方式，将WR2和XFER直接接地，DAC寄存器处于直通方式。通常将AGND和DGND接在一起，接到数字地上。第二章过程输入／输出通道图2.35DAC0832与PC机的连

接第二章过程输入／输出通道DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出（Iout1和Iout2），经运算放大器A形成单极性电压Uo输出。若VREF为－5V，则Uo为0～5V；若VREF为－10V，则

Uo为0～10V；若要输出负电压，VREF则应接正的基准电压。电路中，只要对Y0地址执行输出指令，就可以使CS、WR1变为低电平，由数据线D0～D7输出的数据就可以进行D/A转换，经Uo输出。第二章过程输入／输出通道当WR1变为高电平后，数据

被锁存在输入寄存器中，因此，D/A转换的输出保持不变。设AC0832的CS地址为300H，则将8位二进制数7FH转换成模拟电压的接口程序为START：MOVDX，300HMOVAL，7FHOUTDX，ALHLT第二章过程输入／输出通道2.5数字量输入/输出通道在计算机控制系统中，还有一类

数字量输入/输出信号，这些信号包括各种开关信号，如开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的亮与灭、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等，它们都可以用逻辑值“0‖和“1‖表示。此外，还包括各类数字传感器

、控制器产生的编码数据和脉冲量等。因此计算机控制系统中需要设置数字量输入/输出通道。第二章过程输入／输出通道2.5.11.数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路和输入地址译码电路等组成，如图2.36所示。数字量输入通道各部分的作用：输入缓冲器

：缓冲或选通外部输入，CPU通过缓冲器读入外部数字量的状态，通常采用三态门缓冲器。地址译码器：主要完成数字量输入通道的选通和关闭。输入调理电路：主要完成对现场开关信号的滤波、电平转换、隔离和整形等。第二章过程输入／输

出通道图2.36开关量输入通道结构第二章过程输入／输出通道2.数字量输入信号的调理开关量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号，这些状态信号的形成可能是电压、电流和开关的触点，因此可能会引起瞬态尖峰电压、过电压、接触颤抖等现象。为了将外部开关量信号输入到计算机，

必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。下面针对不同情况分别介绍相应的信号调理技术。第二章过程输入／输出通道1）电压或电流转换电路如图2.37(a)所示。

可根据电压或电流的大小选择电阻R1和R2。开关触点型信号输入电路如图2.37(b)所示。这种电路使得开关的通、断变成输出电平的高、低。第二章过程输入／输出通道图2.37信号转换电路第二章过程输入／输出通道2）滤波电路由

于长线传输、电路和空间等干扰的原因，输入信号常常夹杂着各种干扰信号，这些干扰信号有时可能使输入信号出错，这时就需要用滤波电路来消除干扰。图2.38所示是一个RC低通滤波电路，这种电路的输出信号与输入信号之间会有一个延迟，可根据需要来调

整RC网络的时间常数。第二章过程输入／输出通道3）保护电路为了防止过电压、瞬态尖峰电压或反极性信号损坏接口电路，在开关量输入电路中，应采取适当的保护措施。图2.39和图2.40所示分别是几种常用的保护电路。其中，图2.39(a)和(b)所示分别是采用齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖

峰电压干扰箝位在安全电平的保护电路；图2.40(a)和(b)分别是反极性保护和高压保护电路。第二章过程输入／输出通道图2.39瞬态尖峰电压保护电路第二章过程输入／输出通道图2.40反极性保护和高压保护电路第二章过程输入／输出通道4）若开关量输入信号来自机械式开关或继电器触点

，那么开关或触点闭合及断开时常常会发生抖动，因此输入信号的前沿及后沿常常不是清晰的信号，如图2.41所示。解决开关或触点的抖动问题可采用图2.42所示的双向消抖动电路。由两个与非门组成的RS触发器把开关信号输入到RS触发器的

一个输入端A，当抖动的第一个脉冲信号使RS触发器翻转时，D端处于高电平状态，故第一个脉冲消失后RS触发器仍保持原状态，以后的抖动所引起的数个脉冲信号对RS触发器的状态无影响，这样就消除了抖动。第二章过程输入／输出通道图2.41开关

或触点闭合、断开时的抖动情况第二章过程输入／输出通道图2.42双向消抖动电路第二章过程输入／输出通道5）计算机控制系统中，为提高采样系统的抗干扰能力，常需将工业现场的控制对象和计算机系统在电气上隔离开来。过去一般使用脉冲变压器、继电器完成隔离

任务，目前普遍使用光电耦合器，它具有可靠性高、体积小和成本低等优点。第二章过程输入／输出通道光耦合器由发光器件和光接收器件两部分组成，它们被封装在同一个外壳内，发光二极管的作用是将电信号转换为光信号，光信号作用于光敏三

极管的基极上使光敏三极管受光导通。通过光—电—光的转换，把输入侧的电信号传送到了输出侧，而输入侧与输出侧并无电气上的直接联系，故在电气上被隔离开来。光耦合器输入侧的工作电流一般为10mA左右，正常工作电压一般

小于1.3V。所以光耦合器输入电路可直接用TTL电路驱动，如图2.43(a)所示；而MOS电路不能直接驱动它，必须通过一个晶体三极管来驱动，如图2.43(b)所示。第二章过程输入／输出通道图2.43光耦合器的输入驱动电路图第二章过程输入／输出通道光耦合器的输

出可直接驱动TTL、HTL和MOS等器件电路。图2.44给出了一个用光耦合器隔离开关量信号的电路图。当输入Ui为高电平时，A点为低电平，发光二极管导通发光，光敏三极管受光导通。B点为低电平，晶体三极管V截止，输出Uo为高电平。当输入Ui为低电平时

，A点为高电平，发光二极管截止，光敏三极管截止，B点为高电平，晶体三极管V饱和导通，输出Uo为低电平。这样就将输入侧的信号传递到了输出侧。由于E1和E2这两个电源不共地，所以输入侧与输出侧电气上无直接的联系，输入输出信号被完全隔离开来，并通过光耦合器实现了电平转移。第二章

过程输入／输出通道图2.44用光耦合器隔离开关量信号的电路图第二章过程输入／输出通道2.5.21.数字量（开关量）输出通道主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器和地址译码器等组成，如图2.45所示。其中，输出锁存器用于锁存CPU输出的数；光电隔离器是

为保证计算机安全、可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。第二章过程输入／输出通道图2.45数字量输出通道结构第二章过程输入／输出通道2.计算机控制系统中，开关量的输出常常要求有一定的驱动能力，以控制不同的装置。下面介绍几

种常用的驱动电路。1）小功率驱动电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，驱动能力一般为10～40mA，可采用小功率的晶体三极管或集成电路，如SN75451、SN75452等来驱动。

图2.46为典型的小功率驱动电路。第二章过程输入／输出通道图2.46小功率驱动电路第二章过程输入／输出通道2）中功率驱动电路用来驱动中功率继电器、电磁开关等中功率装置，一般要求具有50～500mA的驱动能力，可采用

达林顿复合晶体管或中功率晶体三极管来驱动。目前，常用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413和MC1416等来驱动中功率负载。图2.47是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构，它的集电极电流可达500mA，输出端耐压可达100V，特别适合于驱动中功率继电器。需要指出的是：对于感性

负载，在输出端必须加装克服反电动势的保护二极管。对于MC1416等驱动芯片，可利用其内部自带的保护二极管。第二章过程输入／输出通道图2.47MC1416达林顿阵列驱动器第二章过程输入／输出通道3）固态继电器（SSR：SolidStateRelay）是一种

四端有源器件，其中两个低功耗输入控制端可与TTL及CMOS电平兼容，另外两个是晶闸管输出端。固态继电器分为单向直流型（DCSSR）和双向交流型（ACSSR）两种；双向交流型中又有过零触发型（Z型）和调相型（P型）

之分。输入电路和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达2500V以上，输出端有保护电路，负载能力强。固态继电器的结构如图2.48所示。第二章过程输入／输出通道图2.48固态继电器的结构第二章过程输入／输出通道调相型固态继电器又称随机开启型固态继电

器，具有快速开启性能，输出端随控制信号同步导通，控制信号消失后，过零时关断。过零型固态继电器具有零电压开启、零电流关断的特点，输出端在控制信号有效并保持到过零时导通，控制信号消失后，在过零时关断。固态继电器的常见驱动方法如图2.49所示。工程实际中

，还有大量的其他驱动电路和器件，例如用晶闸管驱动、用大功率MOSFET驱动等。限于篇幅，这里不再一一详述，使用时可参考有关的专著或技术资料。第二章过程输入／输出通道图2.49固态继电器的驱动方法第二章过程输入／输出通道2.5.3数字量接口典型应用计算机控制系统中，常以电动机作为执行机构

去拖动被控对象，而电动机拖动系统的控制往往表征为开关量形式。下面以直流电动机的控制为例，来具体介绍数字量（开关量）输出通道的接口设计。1.直流电动机的转速公式为ΦCRIUnedd(2.10)第二章过程输入／输出通道式中：

n为电动机的转速，Ud为电枢电压，Id为电枢电流，R为电枢回路总电阻，Ce为电动机的时间常数。很显然，在励磁电压和负载转矩恒定时，电动机的转速由电枢电压Ud决定。电枢电压越高，电动机转速就越快；通过改变电枢电压的极性，就可改变电动机的转向。因此，直流电动机的调速可以通过控制电

枢电压来实现。根据上述原理，小功率直流电动机的转速控制方法有两种：一种是利用D/A转换器改变电枢电压；另一种是脉冲宽度调制（PWM：PulseWidthModulation）。其中PWM方式最为方便，具

有硬件投入少、精度高、抗干扰性能好等优点，因而被广泛采用。下面仅就这一控制方法进行讨论。第二章过程输入／输出通道2.PWMPWM控制方法的思路是先将直流电动机启动一段时间，然后切断电源，由于直流电动机的转动具有惯性，因此将继续转动一段时间。在直流电动机尚未停止转动

前，再次接通电源，于是直流电动机再次加速。改变直流电动机电源通断时间（脉冲宽度）的比例，即可达到调速的目的，如图2.50所示。第二章过程输入／输出通道图2.50直流电动机的控制曲线第二章过程输入／输出通道设vmax为电动机最大转速，vmin为最小转速，脉冲宽度为t，脉冲周期为T

，则直流电动机的平均速度vd为(vmax－vmin)×D。D=t/T称为占空比，占空比越大，转速越高；反之，转速就越低。基于PWM的直流电动机转速控制有开环和闭环两种。1）开环PWM开环PWM调速系统原理图如图2.51所示，它由五部分组成。第二章过程输入／输出通道图2.51开环PWM调速系统

原理图第二章过程输入／输出通道（1）转速给定：由人工通过输入设备，将系统要求的给定转速输入计算机。（2）脉冲宽度发生器：根据输入的给定转速，通过程序计算出占空比D，产生满足给定的脉冲序列，输出给驱动器。（3）驱动器：用以放大计算机输出

的脉冲宽度调制信号，通常由放大器或继电器组成，也可由TTL集成电路构成。（4）电子开关：用来接通或断开电动机电枢的供电电源，可用晶体管、场效应管、晶闸管等功率器件组成，也可以由继电器控制。第二章过程输入／输出通道（5

）电动机：执行机构，用以带动被控对象。开环脉冲宽度调速系统的硬件电路如图2.52所示。其中2732为4KB的EPROM，地址空间为0000H～0FFFH。8031单片机的四个I/O口中，P0口为EPROM的地址/数据口，P2口为高八位地址口，P1口作为占空比的开关输入口，P3.4口为输出控制

口，经驱动器和晶体管控制直流电动机的电枢电压。第二章过程输入／输出通道图2.52开环脉冲宽度调速系统的硬件电路第二章过程输入／输出通道直流电动机的转速由P3.4输出的脉冲的占空比决定，占空比由开关S7～S0设置，8031通过P1口读入后可以控制占空比（亦即通电时间）。PWM控制

程序的设计有两种方法：一种是软件延时法；另一种是计数法。现以计数法为例说明。采用计数法可以预先设定一个寄存器R3作为计数器，系统启动后可先读入N值，然后将N值与计数器R3做比较。若计数值小于N，则直流电动机通电；若计数值大于或等于N，则直流电动机断电。相应

程序清单如下：第二章过程输入／输出通道MOVP1,#0FFH;准备读P1LOOP1：MOVR4，#0FFH；设R4为循环次数计数器SETB70H；设（70HMOVR3，#00H；计数器R3LOOP2：MOVA，P1；读入开关量NCLRCSUBBA，R3；把开关量和R3JNZTHL；若计数值小于

N，则转THLCLR70HTHL：MOVC，70H第二章过程输入／输出通道MOVP3.4,C；通断电状态值送P3.4ACALLDFLAY;INCR3；计数器R3DJNZR4，LOOP2；若一遍循环未完，则转LOOP2AJMPLOOP1；若一遍循环完，DELAY：MOVR5，#M0；LOOP3：

MOVA，#M1LOOP4：DECAJNZLOOP4DJNZR5，LOOP3RET第二章过程输入／输出通道在上述延时程序中，M0和M1应根据实际需要，以具体值代入。2)闭环PWM计算机测控系统中，为提高控

制精度通常采用闭环调速系统。闭环调速系统是在开环系统的基础上增加了电机速度检测回路，将检测到的速度与给定值进行比较，并由数字调节器(如PID调节器)进行调节，其原理图如图2.53所示。第二章过程输入／输出通道图2.53闭

环PWM直流电动机调速系统原理图第二章过程输入／输出通道在系统中，利用光电编码器将直流电动机的转速转换成脉冲信号并由计数器进行计数，再将统计结果经锁存器送到单片机，单片机把该计数值与给定值进行比较，并进行PID运算，运算结果经锁存器、D/A转换器送入脉冲发生器并产生调节脉冲，经驱动器放大后控制

电动机转动。由于PID的作用，该系统可以消除静差。第二章过程输入／输出通道2.6工业控制计算机I/O工业控制计算机，简称工控机，专指适用于工业现场控制的计算机，除了有通用微机共有的基本性能外，为满足应用对象及运行环境的特殊要求，经过长期的发展已形成了

各具特色的系列工控机。2.6.11.面对运行环境条件相对较为恶劣的工业控制对象，工控机要能长期稳定地完成预期的控制要求，决定了其系统结构必须具有以下基本特点：第二章过程输入／输出通道(1)高可靠性。在满足预期的所有操作功能的基础之上，工控

机必须具有高度的工作可靠性。其中工控机应有极强的抵御外部机械振动冲击及电磁噪声的抗扰能力，并具有较完善的故障监测及诊断能力。工控机的平均故障间隔时间(MTBF：MeanTimeBetweenFailures)一般在500

0～20000h以上，并且在及时检测到系统的故障信息后能有效防止故障的进一步扩散，有较短的故障修复时间。(2)实时性。实时性是指工控机应在限定的时间内对外部事件及操作要求作出及时响应的能力。当系统具有较

高的实时控制要求时，除必须具备快速的过程通道外，系统还具有诸如中断处理能力及有关的软硬件结构。第二章过程输入／输出通道(3)扩充性好。不同工业控制对象的系统操作要求及控制性能亦千差万别，实际运行时往往对原设计要求提出各种各样的修改和扩充建议。因此，工控机应该采用通用模块化的系统结构，以便在同一系

列的OEM(OriginalEquipmentManufacture)产品中通过适当的软硬件组态方法，能方便、快捷地组成实际的工业控制应用系统，有利于降低系统开发的难度，缩短开发周期。第二章过程输入／输出通道(4)可维护性好。具有一定可靠性

指标的工控机系统在实际运行中仍不可避免地会出现故障，在设计中应通过合理的系统结构使之具有良好的可维护性，能自动监测系统工况，一旦发现故障能自动报警并隔离故障点，对故障部件在离线替换后进行维修；有的则可通过冗余的方法，由在线热备用部件自动切换，以保证系统控制精度不受影响。第二章过程输入／输出通道2

.PCL-818系列工业控制I/OPCL-818是一种基于工业PC的高性能工控系列模块，可方便地以插卡的形式插入PC的扩展槽中。这种多功能的工控模块包含：12位A/D和D/A转换、开关量I/O以及定时/计数器等

功能，该系列模块又以A/D转换速率、模拟输入信号的范围、功能等性能指标，分为PCL-818L、PCL-818HD、PCL-818HG、PCL-818H和PCL-818等型号产品。下面主要以PCL-818L为例，说明该系列工控模块的基本组成原理与使用方法。1）PCL-818表2.4列出了P

CL-818系列工控模块的主要性能指标。第二章过程输入／输出通道第二章过程输入／输出通道由表可知，PCL-818L属于低速低功耗的产品，且只有双极性模拟输入信号的接法，也是该系列模块中唯一不含DC-DC的型号。PCL-818HD和PCL-818HG模块内含1KW先进先出(

FirstInFirstOut)的数据存储器，以在Windows环境下加快数据传送的速度。2）PCL-818L图2.54为PCL-818L的原理框图。专用集成电路AD1801是该系列模块的核心器件，这是一个具有160条引脚，采用1.0μmCOMS工艺的ASIC芯片，包含有两个主要芯片功能，即定时/

计数器电路8254和DMA控制器8237。第二章过程输入／输出通道图2.54PCL-818L的原理框图第二章过程输入／输出通道8254为可编程的定时/计数器电路，具有3个16位通道，其中的两个通道已固定作为可编程定时器为本模块所用

，另外一个可供用户使用。8237允许PCL-818L以DMA的方式把A/D转换的结果向PC机的内存传递。该模块的A/D转换器有以下特点：①通过开关可选16路单端或8路双端差动模入信号。②分辨率为二进制12位。③模入信号为双极性，其中通过跳线器（JP7）分为±0.625、±1.25、±2.

5、±5或±1.25、±2.5、±5、±10V(DC)。输入范围可由软件编程选定。第二章过程输入／输出通道④采用逐次逼近法A/D，转换速率为40kHz(max)。⑤精度为±1LSB，线性度亦为±1位。该模块的D/A转换器有如下特点

：①一路12位D/A转换。②输出电压范围：0～+5(+10)V，取板内－5(－10)V基准电压；最大可达+10V，由外部提供DC或AC基准电压。③线性度为±0.5位。④输出驱动电流为±5mA(max)。⑤建立时间为5μs。该模块的开关量I

/O各为16路，所有开关量及控制信号均与TTL电平兼容。第二章过程输入／输出通道使用PCL-818L的基本方法如下：（1）根据实际应用需要设置模板上的选择开关（SW1）和跳线器（JP1～JP11），其名称和功能分列如下：SW1模板的

I/O基地址设置，开关中的1～6位分别对应于A9～A4的六个地址线。出厂时SW1按1～6顺序设置为001111，即基地址为300H。JP1：DMA通道选择。该跳线器可选DMA控制器的通道1或3为当前的DMA通

道，默认为通道3。第二章过程输入／输出通道JP2：选择8254可编程定时/计数器的输入时钟频率：10MHz或1MHz。相应的由定时器触发的事件计数频率可以在2.5MHz到0.00023Hz之间选定，计算公式如下：iv2

iv1CLKDDf事件计数频率其中，fCLK=1MHz或10MHz，Div1和Div2为8254中计数器1和计数器2的预置计数值。第二章过程输入／输出通道JP3：由两个跳线器组成，其中位于上方的一个名为TRIG0

，用于选择A/D转换的外部触发源；处于下方的名为GATE0，用于8254计数器0JP4：选择模板上D/A转换器的基准电压源，可由板内提供或外部给出。JP5：板内基准电压源(－10V或－5V)选择。当JP4选定D/A由内部产生基准电源后，可由JP5选定－10V或－5V。JP

6：模入通道接线形式选择。A/D输入信号由此可设为16路单端输入，或者8路双端差动输入。第二章过程输入／输出通道JP7：模入电压范围选择。可选为±5V、±10V。在±5V范围内，由编程可确定±5V、±2.5V、±1.25V和±0.62

5V；在±10V范围内，由编程可确定±10V、±5V、±2.5V和±1.25V。JP8～JP11：用于选择四路开关量选择信号的输出连接器，若处于左边（D）则数字信号由20线的扁平电缆输出；处于右边（S）时数字信号由DB-37接线器输出。这组数字信号用于配套的多路转换／放大器模板，作为模入通道

的地址选择信号。第二章过程输入／输出通道（2）使用外部I/OPCL-818L的模板上有两个20线的扁平电缆插座（CN1，CN2）和一个DB-37的矩形插座（CN3），用作模板与外部的I/O连接。CN1和CN2各有20根引脚，除了+5V，+12V及两个数字信号和电源的地线(DG

ND)外，共有16个开关量输出DO0～DO15和16个开关量输入DI0～DI15。CN3为37芯矩形插座，用于模拟量的输入/输出及计数器的外部连接。PCL-818L板上各接线器、DIP开关和可调电位器的

布置如图2.55所示。第二章过程输入／输出通道图2.55PCL-818L部件布置图第二章过程输入／输出通道（3）PCL-818系列模板配有一张8.9cm软磁盘，为用户开发应用程序提供一系列软件资源。也就是说，用户可以不直接面对PCL-818上的各硬件电路器件，而通过利用随卡配置的软

件，或直接调用其中的程序模块可完成各可编程器件的初始化设置，或提供应用程序示例及专用调试工具，从而为用户程序的开发提供了方便。其中主要的实用软件有：·用于模拟量I/O、开关量I/O和计数器应用的驱动程序。该驱动程序可支持用BASI

C、MSC/C++、Pascal、TurboC/C++等高级语言编制的应用程序。第二章过程输入／输出通道·提供一组用BASIC、Pascal、C语言编写的应用818模板完成A/D、D/A和数字量I/O等操作的程序示例。·一个称之为校验(Calibration)程序的工具软件，用以设置该模

板的基地址，A/D、D/A的偏置值（OFFSET）、满量程值（FullScale），以及设置A/D输入模拟量是单极性（Vnipolar）还是双极性(Bipolar)。·一个测试程序，通过图表显示的人-机界面及光标移动键可选择模板型号、

基地址、A/D及D/A量程范围，以及进行模拟量和数字量的I/O操作。第二章过程输入／输出通道3)PCL-818L如前所述，PCL-818L从设定的基地址起需占用16个连续的I/O地址，下面以BASE+i(i=0～5

)为标记，说明与这些地址对应的控制寄存器及其用法。(1)BASE+0/1：A/D数据寄存器，占用BASE+0和BASE+1两个地址，其中的12位存储器转换结果（BASE+0的高4位为AD3～AD0，BASE+1的D7～D0为AD11～AD4，

AD0为最低有效位LSB，AD11为最高有效位MSB）。BASE+1的D3～D0记做C3～C0，为A/D通道选择编码，C3为MSB，C0为LSB。第二章过程输入／输出通道可以通过向BASE+0端口执行

写操作指令，以软件触发A/D转换。若向BASE+1端口的D1、D0（记做G1、G0）写入相应的编码，可与JP7配合选择模入电压的范围。JP7设为5V时，G1、G2＝00、01、10和11对应的模入电压为±5V、±2.5V、±1.25V和±0.625V；JP7设为10V，相应的模入电压为±10V

、±5V、±2.5V和±1.25V。第二章过程输入／输出通道（2）BASE+2：多路扫描控制寄存器（MUX），可读/写。该寄存器从高到低依次记做：CH3～CH0，CL3～CL0，其中处于低4位的CL3～CL0指出起始扫描的模入通道号，高4位的CH3～CH0指出终止的扫描通道。例如，(BASE+2)

=01110011B，则规定的通道扫描顺序为3，4，5，6，7，3，4，…CL3～CL0的编码还可用作设置模入通道电压范围的指针。例如，用BASE语言编写以下语句：200OUTBASE+2.5设指针为CH5210OUTBASE+1.3设模入电压范围为±0.62

5V第二章过程输入／输出通道以上程序设置5号模入通道的电压范围为±0.625V。值得指出的是，在上述设置过程中将会改变扫描循环预定值，所以必须在模入电压范围设置结束后重新整定CH3～CH0和CL3～CL0的值。（3）BASE+3/11：PCL-818提供16位开关量输入和输出信号，它们分别

可由对BASE+3和BASE+11的读/写实现开关量的I/O操作。其中，对BASE+3和BASE+11端口的读操作，依次实现DI7～DI0及DI15～DI8的16位开关量输入；对BASE+3和BASE+11写操

作，依次实现DO7～DO0及DO15～DO8的16位开关量输出。第二章过程输入／输出通道（4）BASE+4/5：D/A输出寄存器。其中，BASE+4的高4位为DA3～DA0，低4位不用；BASE+5的高8位依次为DA11～DA4。DA0为LSB，DA11为MSB。（5）BA

SE+8：只读的A/D状态寄存器，寄存A/D状态及操作的状态信息。任何写到该端口的数据都会清除其中的INT位，而对其余位无影响。各位对应的状态信息如下：D7：EOC，A/D转换结束指示。该位置“0‖，表示A/D转换器空闲，正等待下一次转换，当前的A/D数据寄存器保存着前次转换所得到的数据；置“

1‖，表明正在忙于进行A/D转换。第二章过程输入／输出通道D5：MUX，单端/差动通道指示。“0‖表示8路差动通道；“1‖表示16路单端通道。D4：INT，数据有效指示。“0‖表示当前A/D数据寄存器中的数据无效；“

1‖表示A/D转换已经结束，数据准备好，如果控制寄存器（BASE+9）的INT位置位，将能向PC发出中断请求信号，并将IRQn送到PC总线上，n的编码由上述控制器的I2、I1和I0确定。D3～D0：指示当EOC=0时，

下一个将要转换的模入通道的地址号。（6）BASE+9：控制寄存器，提供PCL-818L的操作方式信息。即：第二章过程输入／输出通道D7：INTE，中断允许位。“0‖表示禁止中断；“1‖表示允许中断。D6～D4：I2～I0，中断类类型号n编码，只用IRQ2～IRQ7。D3：不用。D2：D

MAE，DMA传送允许位。“0‖表示禁止DMA传送；“1‖表示允许DMA传送。若DMAE=0和INTE=1，则在一次A/D转换完成后，PCL-818L将产生一次中断，以传送数据。若DMAE=1和INTE=1，则当位于PC机中的DMA控制器终止计数器发出T/C信号时，PCL-818L

也将产生一次中断，指出一次DMA传送已经结束。第二章过程输入／输出通道PCL-818L中的8237DMA，在每次A/D转换中（当DMAE=1）产生两次连续的DMA请求信号，已完成两个字节的转换，转换结果从

PCL-818L送到PC机的存储器。D1，D0：ST1，ST0，为A/D转换触发信号源编码。其中，ST1、ST0=―0X‖，软件触发；ST1、ST0=―10‖，外部触发；ST1、ST0=―11‖，定时触发。（7）BASE+

10：定时/计数器允许寄存器。该寄存器仅最低两位有效，其余位不用。D1：TC1，计数器0输入脉冲源方式。TC1=―0‖，脉冲来自外部时钟；TC1=―1‖，脉冲来自板内的100kHz时钟。第二章过程输入／输出通道D0：TC0，定时器禁止/允许工作。TC0=―0‖，禁止定时；TC0=―1‖，

由TRIG0控制定时，当TRIG0为高电平时，成组的触发脉冲由定时器发往A/D转换器。（8）BASE+12/13/14/15：可编程定时/计数寄存器，共4个，即为模块内可编程定时/计数器8254的4个连接的端口地址，BASE+12/13/14

分别为计数器0、1和2的端口地址，BASS+15为控制寄存器地址。第二章过程输入／输出通道2.6.2本节以温箱炉温控制系统为例，介绍工控机I/O模块的应用实践。图2.56为该IPC炉温控制系统的组成框图。整个系统可分为IPC机箱（工控机）、控制箱、电热炉等部分。图2.56IPC炉温控制系统组

成图第二章过程输入／输出通道1）IPC本系统采用商品化的IPC工控机，其主要部件如下：·IPC机箱（IPC-6806）。该机箱具有6个全长ISA总线插槽，机箱为紧凑的壁挂式，配有150W的开关电源和两个8.9cm（3.5英寸）磁

盘驱动器（可安装软、硬盘驱动器各1个），对安装的插卡配有防震的固紧压条，5万小时的MTBF（70%负荷）。外形尺寸为166mm×170mm×393mm，输入电压范围为90～132V（AC）或180～260V（AC），频率为47

～63Hz；输出电压为+5V/15A，+12V/5A，－12V/1A。第二章过程输入／输出通道·CPU模板（PCA-6147）。该模板为全长单板CPU插卡，主要配置为：CPU采用80486芯片，工作频率可取2

5～100MHz；采用全长的ISA总线，与486SX/DX/DX2/DX4完全兼容；CPU芯片具有8KB高速缓存和256KB二级缓存；配有两个串口、一个并口、一个IDE硬盘驱动接口（最多可控制两个硬盘驱动器）和一个软盘控制器（最多可控制两个软盘驱动器）；定时监视器（Watchdog）在0.5～10

08s范围内分为12级可选；RAM从1MB到16MB(DRAM)可选，板上装有Flash/ROM电子盘（可模拟360KB/1.44MB磁盘）；具有7个DMA通道，15级中断；配置与PC/104模块连接器及

6芯的键盘插口。MTBF为8.1万小时（25℃）/2.09万小时（60℃），由电池支持的实时时钟/日历功能，最长寿命可达10年，外形尺寸为338mm×122mm。第二章过程输入／输出通道·多功能接口卡（PCL-818L）。此卡为PCL-818系

列中的低档模块，其主要功能为：一路12位D/A输出；16位开关量输入和16位开关量输出，与TTL电平兼容；触发方式可选软件触发、程序触发和外部脉冲触发；数据传送可选程序控制、中断处理和DMA；12位A/D，40kHz的

采样速率，每次A/D转换时间为25μs，16路单端输入或8路双端输入，由开关选择。模拟电压由软件可选择输入范围，若采用双极性模拟电压输入，则输入范围为±10V，±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V。第二章过程输入／输出通道2）该

控制箱具有自动和手动两种操作功能，在自动方式设置下，控制箱与IPC相连，作为信号传递、匹配和功放控制器。在手动方式下，该控制箱可单独对炉温进行检测和手动控制。变送器完成温度检测信号的变换和放大。依据所采用的测温元件不同，变换和放大电路略有区别。经处理后的0～5V模拟电压

经PCL-818L的CN3送入A/D转换器。第二章过程输入／输出通道功率放大部件把经由PCL-818L的CN3送出0～5V输出模拟电压，转换为0～220V（AC）/1.5A的功率电源输出到电热器。该功放电路可有两种结构形式；由晶体管（GTR）

组成的脉冲调宽式的功放电路，或由晶闸管（SCR）组成的移相调压式功放电路。3）该电热炉由测温元件和电热器两部分组成，也称温箱，是本系统的控制对象。第二章过程输入／输出通道测温元件可采用铂电阻，当测温范围在0～300℃时有较高的精度和稳

定性。温箱正常工作温度范围设定为0～100℃。也可采用集成电路温度传感器AD590为测温元件，其输出电流与绝对温度成正比，灵敏度为1μA/K。电热器用300W的电阻加热丝改装，安放在具有可开启门的机箱内。开启机箱上的小门可加快通风降温，密闭时则有利于炉内升温。第二章过程输入／输出通道4

）本炉温控制系统采用PID闭环调节方案，采用增量式的PID算法。图2.57为该系统控制软件的主程序流程图。其中，系统校正调用PCL-818L多功能卡配套的软件CALB.EXE，以实现该卡板基地址设置、A/D和D/A通道调零以及满量程等操

作。第二章过程输入／输出通道图2.57系统控制主程序流程图第二章过程输入／输出通道全部控制程序采用C语言编写。给定值SPV及控制参数kP、TI、TD的设置，在程序启动后由控制台人机对话输入。定时采样的时间间隔控制由采样周期T

S确定。每个采样周期一开始，对测温值连续采样16次，经数字滤波后形成当前的采样信号MPVn（为编程风格一致起见，下列源程序中，SPV用sp表示，MPV用mv表示）。设该程序的名字为PID818.C，源程序清单如

下：#include<stdio.h>#include<conio.h>#include<stdib.h>第二章过程输入／输出通道#include<dos.h>Externpcl818H(int，unsignedint*)；Unsignedparam［60］；Unsig

neddata［100］；/*conversiondatebuffer*/Unsignedfar*dat；main(){unsignedinti，j，n，kp，ti，td，ts；floaden，en_1，en_2，pidout；floadDataBuf，sp，mven_

1=0；en_2=0；第二章过程输入／输出通道clrscr()；printf(″＼nPleaseinputsp，ts，kp，ti，td：″)scanf(″%1.2f%2d%2d%2d%2d%″，&ts，&sp，&kp，&ti，&td

)；do{dat=data；clrscr()；/*ClearScreen，*/param［0］=0；/*BoardmumberOne，only*/param［1］=0X300；/*BaseI/Oaddress*/param［4］=2；/*IPQLevel：IRQ2*/para

m［5］=100;/*Pacerrate=1MHz/(100*100)*/第二章过程输入／输出通道param［6］=100；param［7］=0；/*Triggermode0：pacertrigger*/param［8］=0；/*Noncyclic*/p

aram［10］=FP_OFF(dat)；/*OffsetandSegment*/param［11］=FP_SEG(dat)；/*ofA/DbufferA.*/param［12］=0；/*DatebufferBaddress，ifnotused*/param［13］=0；/*

mustsetto0.*/param［14］=1；/*A/DConversionmumber*/param［15］=0；/*A/DConversionstartchannel*/param［16］=0；/*A/DConversionstopchannel*/param［17］=0；/*

Overallgaincode，0：+/－5V*/第二章过程输入／输出通道/*param［18］=FP_OFF(gain_array)；param［19］=FP_SEG(gain_array)；*/param［20］=FP_OFF(dat

)；/*OffsetandSegmentofD/Aoutputdata*/param［21］=FP_SEG(dat);/*bufferA*/param［22］=0；/*OutputdatabufferBaddress，ifnot*/param［23］=0；/*

used，mustsetto0*/param［24］=1；/*D/AConversionmumber*/param［25］=0；/*D/AConversionstartchannel*/param［26］=0；/*D/AC

onversionstopchannel*/第二章过程输入／输出通道/*param［45］：Errorcodeparam［46］：Returnvalue0param［47］：Returnvalue1*/pcl818H(3，param)；/*Func3：Hardwareinitializ

ation*/if(param［45］!=0){printf(″DRIVERINITIALIZATIONFAILED!″)；exit(1)；}pcl818H(12，param)；/*Func12：D/Ainitialization*/第二章过程输入

／输出通道if(param［45］)!=0){printf(″D/AINITLALZATIONFAILED!″)；exit(1)；}pcl818H(4，param)；/*Func4：A/Dinitialization*/if(pram［45］!=0){pr

intf(″A/DINITLALZATIONFAILED!″)；exit(1)；}第二章过程输入／输出通道pcl818H(9，param)；/*Func9：pacertiggerA/D*/if(param［45］!=0)；/*Conversionwit

hinterruptdattransfer*/{Printf″(A/DPACERTRIGGERWITHINTERRUPTDATETRANSFERFAILED!″)exit(1)；}for(n=0；n<=15；++n){do{/*Func10：Checkinterruptstatus*/Pcl8

18H(10，param)；/*0：notactive*/}while((param［46］&1)!=0；/*1：active*/data［n+1］=data［0］&0XFFF；第二章过程输入／输出通道}/*Sampletimes：16，toSamechannelcontinuously*/Fi

lter16(data)；/*Digitalfilter*/mv=((5-(-5))*DataBuf/4096)+(-5)；/*(5-(-5))：A/Dinputrang(-5Vto+5V)4096：Fullscale12bitA/D

dataDataBuf：FilteredA/Dinputdata(-5)：A/Dinputrang-5V*/Printf(″＼nSetpointvalueis：%1.2fV″，sp)；Printf(″＼nSamplevalueis：%1.2fV″，mv)；第二

章过程输入／输出通道en=sp–mv；/*Calculatederror*/pidout=kp*(en–en_1)+kp*ts*en/ti；pidout=pidout+kp*td*(en_2*en_1+en_2)/ts；en_2=en_1；en_1=en；data［0

］=pidout；pcl818H(13，param)；/*Func13：D/Aoutput*/if(param［45］!=0){printf(″D/AOUTPUTFAILED!″)；exit(1)；}第二章过程输入／输出通道de

lay(ts)；/*Delayforattainingtosamplingcycle*/}while(1)；}Filter16(data)FloadDataBuf=0；{for(n=0；n<=15；++n)Dat

aBuf=DataBuf+data［n］；DataBuf=DataBuf/16；Return(DataBuf)；}Voiddelay(t)Unsignedt第二章过程输入／输出通道{inta，b，c，t1=0

，t2=0，t3=0；t3=t%60；t2=t/60；if(t2>=60){t1=t2/60；t2%=60；}in.h.ah=0X2C；intdos(&in，&out)；a=out.h.ch+t1；/*Hours*/b=out.h.cl+t2；

/*Minutes*/c=out.h.dh+t3；/*Seconds*/while(1){if((a==out.h.ch)&&(b==out.h.cl)&&(c==out.j.dh))break；elseintdos(&in，&out)；}}第二章过程输入／输出通道该程序的编译和运行

都需要PCL-818软件的支持，其中有关的编制说明如下：该程序需调用外部函数PCL818H()，为此事先应对参数数组param作一系列的赋值。实际上，这也是对系统进行必要的配置和初始化。也正是基于此，整个程序的编制就变得比较简洁明

快。数字滤波采用简单的算术平均值法，通过自定义的函数Filter16完成。该函数对同一模入通道连续采样16次，然后累加各次采样值并除以16。第二章过程输入／输出通道采样周期由定时函数delay()完成，该函数以秒为单位输入参数Ts，由

程序运行时人机对话时设定。程序中的其它参数，如给定电位（与所需的温度值对应）SPV，比例系数kP、积分常数TI、微分常数Td也由人机对话时输入。考虑到该系统的校准工作不需要频繁进行，所以应在上述程序运行前，先运行离线的系统校准程序CALB.EXE。第二

章过程输入／输出通道本章小结本章重点介绍了计算机控制系统中的过程通道、人机接口以及采样与量化理论，还介绍了工业控制机的过程通道模板、应用及其编程方法。对于过程通道和人机接口，需要根据现场工艺要求和性能价格比进行选择，在现场进行正确的

连接，依据各自的控制需求编制相应的采集、输出和驱动程序。随着计算机技术和自动化技术的发展，过程通道模板越来越标准化、智能化，系统设计和组态控制也越来越方便、实用。第二章过程输入／输出通道习2.1计算机控制系统的过程通道应包括哪些？计算机如何指挥它们进行工作。2.2以目前常见的

校园一卡通终端用户（如开水房、食堂、澡堂等）为例，画出其过程通道及人机接口电路框图。2.3以手机或MP3的功能为基础，设计一个实现其主要功能的键盘、显示接口电路。2.4观察十字路口的交通灯，掌握其主要功能，设计一个计算机控制系统，

画出系统电路框图。2.5以校园生活区内的锅炉为原型，画出其闭环控制系统的所有过程通道、人机接口。