开关量输入通道

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开关量输入通道一、开关量输入通道的结构形式二、开关量输入信号调理

1为了实现计算机对生产过程或装置的控制，需要将对象的各种测量参数按要求的方式送入计算机；经计算机运算处理后的数字信号也要变换成适合于对生产过程或装置进行控制的形式。因此，在计算机和生产过程之间必须设置信息传递和变换的装置，这种装置就称为过程输入输出通道，简称为过程通道或I／O通道。

2一般来说，计算机不会自主地工作，需要接收操作人员键入的指令，其运行状态和结果也需要显示或打印，在现代大规模控制系统中还应有通信和数据存盘功能，所有这些都是由人与计算机之间的连接装置来完成的，我们称这种装置为人机接口。有了过程通道与人机接口，才能将人、计算机和生产过程组成有机的整体，如图2-1所示。

3人机I/O人计算机对象接口通道图2-1过程通道与人机接口

4过程通道与人机接口是每个计算机控制系统中都必须具有的重要组成部分，在计算机控制系统的设计中，许多精力都花费在过程通道和人机接口的设计或选择上。许多控制计算机生产厂家都设计和生产了各种各样的I／O模块供选用。

52.1过程通道的分类过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。(1)模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号经检测、变换和预处理，最终变换为数字信号送入计算机。常见的模拟量有压力、温度、液体流量和成分等。(2)模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信号，经功率放大后送到执行部件对生产过程或装置进行控制。

6(3)数字量输入通道：也称开关量输入通道。凡是以电平高低和开关通断等两位状态表示的信号统称为数字量或开关量。主要有三种形式：一种是以若干位二进制数表示的数字量，它们并行输入到计算机，如拨码盘开关输出的BCD码等；另一种是仅以一位二进制数表示的开关量，如启停信号和限位信号等；还有一种是频率信号，它是以串行形式进入计算机的，如来自转速表，涡轮流量计、感应同步器等信号。这些信号都要通过数字量输入通道进入计算机。

7(4)数字量输出通道：有的执行部件只要求提供数字量，例如步进电机，控制电机启停和报警信号等，这时应采用数字量输出通道。应该注意，过程通道分类是以经过通道的信号形式来划分的，并不以连续的对象来划分，如模拟对象的模拟量可以转换为频率信号(V—F变换)连接于数字输入通道；同样，数字输出通道完全可以接直流电动机，组成脉冲调宽控制(PWM)。

82.2开关量输入输出通道2．2．1开关量输入输出通道的一般结构形式开关量输入输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路)。一般情况下，各种开关量输入输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口。典型的开关量输入输出通道结构如图2-2所示。

9数输据输入缓入缓冲调冲、理工微器地业型址现计译场算码设机输、输备出控出锁制驱存逻动器辑图2-2典型的开关量输入输出通道结构图

101．CPU接口逻辑这部分电路一般由数据总线缓冲器／驱动器、输入输出口地址译码器、读写等控制信号组成。

112．输入缓冲器和输出锁存器输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的作用，CPU通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。输入缓冲器和输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

123．输入输出电气接口典型的开关量输入输出电气接口的功能主要是滤波、电平转换、隔离和功率驱动等，关于这些内容，将在后面详细介绍。

132．2．2开关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的状态信号，这些状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”出现的，其信号的形式可能是电压、电流或开关的触点。在有些情况下，外部输入的信号可能会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等干扰。为了将外部的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、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号，这就是开关量输入信号调理的任务。下面针对不同的情况分别介绍相应的调理方法。

141．信号转换电路(1)电压或电流转换电路如图2-3(a)所示，可根据电压或电流的大小选择电阻R1和R2。(2)开关触点型信号输入电路如图2-3(b)所示,这种电路使得开关的通和断变成输出电平的高和低。

15图2-3信号转换电路(a)电压或电流输入；(b)开关触点输入

16图2-4RC低通滤波电路

172．滤波电路由于长线传输、电路、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读入信号出错，这就需要用滤波电路来消除干扰。图2-4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。

183．保护电路为了防止因过电压、瞬态尖峰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2-5和图2-6分别是几种常用的保护电路,其中，图2－5(a)和图2-5(b)分别是采用齐纳二极管和压敏电阻将瞬态尖峰干扰箝位在安全电位的保护电路。图2-6(a)和(b)分别是反极性保护和高压保护电路。

19图2-5瞬态尖峰保护电路(a)采用齐纳二极管；(b)采用压敏电阻

20图2-6反极性和高压保护(a)反极性保护；(b)高压保护

214．消除触点抖动若开关量输入信号来自机械开关或继电器触点，由于开关触点闭合及断开时，常常会发生抖动，因此，输入信号的前沿及后沿常常是非清晰信号，如图2-7所示。

22图2-7开关或触点闭合及断开时的抖动

23解决开关或触点的抖动问题可采用图2-8所示的双向消抖电路。双向消抖电路是由两个与非门组成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。

24图2-8双向消抖电路