《计算机控制技术》第2章 输入输出接口与过程通道 教案

第 2 章 共 7 学 时 2.1 总线扩展技术 2.2 数字量输入输出接口与过程通道 2.3 模拟量输入接口与过程通道 2.4 模拟量输出接口与过程通道 2.5 硬件抗干扰技术 讲授在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连， 主要因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。 内容 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机， 而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。 分析硬件抗干扰技术，包括过程通道抗干扰技术（串模干扰及其抑制方法、共模干扰及其抑 制方法、长线传输干扰及其抑制方法），CPU 抗干扰技术和系统供电与接地技术。 重点难点 1、输入缓冲器与输出锁存器 这里要正确理解缓冲器与锁存器的功能，并结合输入、输出过程来体会为什么在输入时需用缓冲器，输出时需用锁存器。 2、关于 8 位D/A 转换器 0832 及其接口 对于 0832 要重点掌握其内部结构，特别是WR1 对输入寄存器的控制，WR2 对DAC 寄存器的控制。 3、模拟量输出通道设计 进行通道接口设计时，要搞清数据、地址、控制三总线之间的关系。 本书中，地址用来选择芯片，不同芯片分配不同地址，数据用来传送操作数，同时在4051 中，数据线则用来完成 8 选 1 功能。 4、数字量、模拟量输入输出板卡的应用 正确的选择所需要的板卡，插入工控机相应的插槽，安装好提供的驱动程序，学习例程提供的函数，设计与所做工程相关的界面，这需要一定的上位机编程基础。 5、抗干扰技术 硬件抗干扰技术的通道抗干扰技术，分为串模干扰和共模干扰，要针对不同的干扰，选择不同的抗干扰措施。CPU 抗干扰中的看门狗电路的应用、长线传输选择终端电阻对于波反射 的抑制，这些抗干扰措施在工业工程中，用到的非常多。 1. 总线的定义 2. 总线扩展技术 3. 基于 ISA 总线端口扩展 4. 无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，电路分析 5. 模拟量输入通道设计及 8 通道数据采集程序设计，程序分析 6. D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序分析，板卡的应用 章节 要求掌握知识点和分析方法 7.8 通道模拟量输出电路设计，程序分析，板卡的应用 8. 共模干扰及其抑制方法 9. 长线传输干扰与匹配电阻 10. CPU 抗干扰技术

教授 本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到电路图皆投影而得，减 思路， 少了课上绘图所需时间。不需要设计板书。 采用 该部分内容与《微型计算机接口技术及应用》有相似之处，故接口电路分析较为容易，学的教 生容易接受和理解。难点在于输入调理电路和输出驱动电路。通过图 2.4，2.5 和图 2.7，2.8 进学方 行详细的分析，尤其重视分析电路中各部分器件的作用。 法和 A/D 转换器及其接口技术，属于《微型计算机接口技术及应用》数据采集卡内容，重点在于 辅助 与 PC 总线的连接电路，以及相应的控制转换和数据读取程序。在分析芯片 ADC0809 与 手段， ADC574A 之后，即可由接口电路图的连接方式，写出相应程序。教材中所给程序为 8086 汇 板 书 编语言程序，鼓励学生将其写成 C 语言程序（参考第六章第一节，高级语言编程）。 设计， 在模拟量输入通道中，要注意无源I/V 变换电路与有源I/V 变换电路，介绍教材中出现的 重 点 两个电路，难度都不大，需要注意的是电路中各个元件的作用；采样的采样过程由教材图 如何 2.21 描述，信号的采样频率由香农采样定理给出；量化及量化单位，量化误差描述了 A/D 转 突出， 换器把模拟量转换为数字量的数学过程；采样保持器的作用是为了保证 A/D 转换期间输入恒 难点 定。 如何 针对模拟量输入通道设计，其原理图由图 2.25 给出，在分析该模板采集一个数据的四步过程 解决， 以后，写出 8 通道数据采集汇编语言程序。简单分析 D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接 师生 口技术，接口电路与工作时序，以此为基础，设计模拟量输出通道。强化单极性与双极性电压互动 输出电路分析，做出更详细的电路图。 等 在抗干扰技术中，首先阐述干扰的含义和来源，描述干扰的危害。以作过的实际项目在现场碰到的各种问题，指出未考虑干扰所引起的后果以及需要注意的方面（比如电源、接地、模拟量输入、数字量的输入输出隔离、串行通信接口等）；.串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。 串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，分别对不同情况采取相应的措施。共模干扰：所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。通过分析被测 信号的输入方式，来指出共模干扰的引入和抗共模干扰能力。共模干扰的抑制方法有①变压器 隔离、②光电隔离、③浮地屏蔽、④采用仪表放大器提高共模抑制比。 长线传输干扰与匹配电阻；信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。① 终端匹配②始端匹配。 CPU 抗干扰技术：计算机控制系统的 CPU 抗干扰措施常常采用 Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等方法。微处理器监控电路 MAX1232 具有(1)电源监控、(2)按钮复位输入、(3)监控定时器(Watchdog)功能。 接地技术：分析地线系统，由图 2.55 描述回流法接地。分析在计算机控制系统中的低频 接地技术。 作业 2.2，2.3，2.4，2.5，2.6，2.10，2.12 布置 主 《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社 要 《微型计算机接口技术及应用》，刘乐善，华中科技大学出版社参考 《电力电子技术》，王兆安，机械工业出版社 资料 单片机系统的硬件抗干扰技术, 杨秀敏, 微处理机, 1996/04 智能仪器的抗干扰技术, 高辉, 工业仪表与自动化装置, 2000/04 微机测控系统中几种抗干扰技术, 罗文广, 测控技术, 1997/06 工业控制计算机的抗干扰技术, 陈勇, 工业控制计算机, 1996/05 备注