微型計算機(jī)控制技術(shù)-第二章

1、第2章 輸入/輸出接口與過程通道2.8數(shù)字量輸入與輸出通道在微機(jī)控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬信號以外，還要處理另一類信號，即數(shù)字信號，包括編碼數(shù)字、脈沖信號和開關(guān)信號等。它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”或高、低電平出現(xiàn)的。如儀器儀表的 BCD 碼，脈沖信號的計數(shù)，以及開關(guān)觸點的閉合和斷開、指示燈的亮和滅、繼電器或接觸器的吸合和釋放、馬達(dá)的啟動和停止、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關(guān)閉等等。 2.8.1光電耦合隔離技術(shù)在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電耦合隔離器（簡稱“光電耦合器”或“光耦”）。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側(cè)）與信息接收輸出端（二次側(cè)）是電絕緣的，從而

2、對地電位差干擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾的能力，且速度高、價格低、接口簡單，因而得到廣泛應(yīng)用。（a）二極管型 （b）三極管型 （c）雙向可控硅型圖2-48光電耦合器的幾種類型圖2-49光電耦合器應(yīng)用電路典型的光電耦合隔離電路有數(shù)字量同相傳遞與數(shù)字量反相傳遞兩種，如圖2-50所示。（a）數(shù)字量同相傳輸 （b）數(shù)字量反相傳輸圖2-50 光電耦合隔離電路2.8.2數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道的任務(wù)是把外界生產(chǎn)過程的開關(guān)狀態(tài)信號或數(shù)字信號送至計算機(jī)或微處理器，簡稱DI（Digital Input）通道。一、數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)輸入數(shù)字信號的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)也不同。一般由輸

3、入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成 。圖2-51 數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)（1）TTL電平編碼數(shù)字（二進(jìn)制、十進(jìn)制）?？蓪⒕幋a數(shù)字直接接到并行接口電路的輸入端口上。對于可靠性要求很高的場合，輸入數(shù)字信號可經(jīng)光電隔離后再接到接口上。（2）脈沖列。假定脈沖頻率不高，則可采用軟件計數(shù)的方法，將脈沖信號加到并行接口的一個輸入端，用查詢方式或中斷方式對輸入脈沖計數(shù)。假定脈沖頻率高，軟件計數(shù)來不及處理，則需外加硬件計數(shù)器，比如使用可編程計數(shù)器/定時器8253就很方便。（3）如果輸入的是來自操作臺的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器或來自現(xiàn)場的行程開關(guān)等觸點接通或斷開的開關(guān)量信號。則首先必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，將觸

4、點的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時考慮濾波、防觸點抖動以及采用光電隔離等措施。 在開關(guān)量輸入電路中，常用的信號調(diào)理技術(shù)有電平轉(zhuǎn)換、RC濾波、過電壓保護(hù)、反電壓保護(hù)、光電隔離等。（1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。（2）RC濾波是用RC濾波器濾除高頻干擾。（3）過電壓保護(hù)是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護(hù)；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。（4）反電壓保護(hù)是串聯(lián)一個二極管防止反極性電壓輸入。（5）光電隔離用光耦隔離器實現(xiàn)計算機(jī)與外部的完全電隔離。二、觸點抖動處理在機(jī)械式開關(guān)觸點開始接觸或脫離接觸的瞬間，由于存在彈性使觸點產(chǎn)生彈跳，輸出的電信號會有抖動現(xiàn)象。抖

5、動持續(xù)時間在1020ms之間。為了消除由于觸點的機(jī)械抖動而產(chǎn)生的信號振蕩，一般可采取軟件法或硬件法來消除這種抖動。軟件法即通過軟件延時，多次查詢?nèi)ザ秳印．?dāng)連續(xù)幾次檢測為同一電平時，才記入。硬件法一般都采取電容濾波來消除抖動。圖2-52防抖動調(diào)理電路 三、典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路（a）直流輸入電路（b）交流輸入電路圖2-53開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路2.8.3數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道簡稱 DO（Digital Output），它的任務(wù)是輸出數(shù)字信號驅(qū)動生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備。圖2-54 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)一、晶體管輸出驅(qū)動電路1、普通三極管驅(qū)動電路 當(dāng)驅(qū)動電流只有十幾mA時，只要一個普通的功率三極

6、管就能構(gòu)成驅(qū)動電路。圖2-55小功率三極管驅(qū)動電路2、達(dá)林頓驅(qū)動電路當(dāng)驅(qū)動電流需要達(dá)到幾百毫安時，如驅(qū)動中等功率繼電器，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護(hù)措施完善的特點，同時多對復(fù)合管也非常適用于計算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。 ULN2003 是高耐壓、大電流驅(qū)動陣列芯片，內(nèi)部由7個NPN型達(dá)林頓管組成。ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7k 的基極電阻，在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，

7、可用于驅(qū)動常見的小功率負(fù)載（如繼電器、電磁閥、小直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）。若實際應(yīng)用電路需要更大的驅(qū)動電流，可將多組單元驅(qū)動電路并聯(lián)。（a）ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 （b）一組驅(qū)動電路的原理圖圖2-56 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)ULN2003芯片內(nèi)部集成有一個續(xù)流二極管，9腳（COM端）便是內(nèi)部續(xù)流二極管的共陰極。當(dāng)用2003驅(qū)動繼電器時，可以省略掉保護(hù)繼電器線圈的二極管。使用時只需將COM接到繼電器電源端。如果負(fù)載是阻性的，9腳可以懸空。ULN2003第8腳是共地引腳，直接接地。圖2-57 ULN2003常用驅(qū)動電路二、繼電器輸出驅(qū)動電路電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱

8、為繼電器。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用輸出方式。圖2-58 繼電器原理由于繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護(hù)驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。 圖2-59 繼電器輸出驅(qū)動電路三、固態(tài)繼電器（SSR）驅(qū)動電路固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種新型的無觸點開關(guān)電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機(jī)械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法

9、比擬的優(yōu)點，在計算機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖2-60固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)原理圖SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負(fù)載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出側(cè)大電流負(fù)載的通斷。SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管。交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型（非過零型）兩種， （a）過零型 （b）非過零型圖2-61交流型SSR類型圖2-62固態(tài)繼電器驅(qū)動電路五、晶閘管驅(qū)動電路晶閘管又稱可控硅（SCR），是一

10、種大功率的半導(dǎo)體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖2-63所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當(dāng)陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂＃╝）單向晶閘管 （b）雙向晶閘管圖2-63 晶閘管的結(jié)構(gòu)符號圖2-64雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路2.9 I/O通道的抗干擾技術(shù)微機(jī)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜、惡劣，存在大量的電磁信號，

11、如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，當(dāng)它們在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運行，輕者造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的精度；重者會引起控制系統(tǒng)死機(jī)或誤動作，造成設(shè)備損壞或人身傷亡。這對系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成了極大的威脅。影響計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾。進(jìn)入I/O通道的干擾按照其對電路的作用形式，通常分為有串模干擾和共模干擾。下面分別說明其性質(zhì)及其抑制方法。2.9.1串模干擾及抑制方法串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線傳輸?shù)幕ジ?，空間電磁

12、場引起的磁場耦合，以及50Hz的工頻干擾等。圖2-65串模干擾示意圖串模干擾的抑制方法（1）加入輸入濾波器。 （2）對被測信號盡可能早地進(jìn)行信號放大，以提高電路中的信號噪聲比；或者盡可能早地完成A/D轉(zhuǎn)換再進(jìn)行長線傳輸；或者采用隔離和屏蔽等措施。（3）從選擇元器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。 （4）可采用屏蔽雙絞線或同軸電纜連接一次儀表和轉(zhuǎn)換設(shè)備減少電磁感應(yīng)。（5）利用數(shù)字濾波技術(shù)對已進(jìn)入計算機(jī)的串模干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如可采用平均值法、中值法、一階滯后濾波算法等濾除干擾信號。2.9.2共模干擾及抑制方法 共模干擾是指A/D轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上共有的干擾電壓。圖2-67共模干擾示意圖

13、圖2-68輸入隔離因為在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制和被測試的參量可能很多，并且分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方，計算機(jī)接收的信號或發(fā)出的控制信號與現(xiàn)場設(shè)備或?qū)ο笾g一般用很長的導(dǎo)線連接，而導(dǎo)線上存在阻抗。因此，被測信號的參考接地點和計算機(jī)控制信號的接地點之間往往存在一定的電位差 。共模干擾常用的抑制方法： （1）利用雙端輸入的放大器作前置放大器，如AD521等。 （2）利用變壓器或光電耦合器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號隔離，即“模擬地”與“數(shù)字地”斷開，被測信號通過變壓器或光電耦合器獲得通路，而共模干擾不能形成回路而得到抑制。 三、數(shù)字量傳輸通道的干擾抑制 在工程設(shè)計中，對數(shù)字信號的輸入信號的I/O可采取以下抗干擾措施。