计算机控制输入输出接口与过程通道

这是一篇关于计算机控制输入输出接口与过程通道的思维导图

输入输出接口与过程通道

• 总线接口扩展技术
  • 系统总线接口扩展技术
    • I/O端口
      • 数据端口
        • 用以存放外设送往CPU的数据以及CPU输出到外设去的数据，主要起数据缓冲作用
      • 状态端口
        • 主要用来指示外设的当前状态
      • 控制端口（命令端口）
        • 用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口或设备的动作
    • I/O端口编址方式
      • 统一编址
        • 把I/O端口看作特殊的内存单元，和存储器统一编址，称为存储器映射方式
      • 独立编址
        • 把I/O端口和存储单位分开，独立编址，称为I/O映射方式
    • I/O端口地址译码技术
      • 固定地址译码
      • 开关选择译码
    • 总线端口扩展
      • 板选译码与板内译码
      • 总线驱动及逻辑控制
      • 端口及其读写控制
  • 外部总线接口扩展技术
    • 平衡和不平衡传输方式
    • RS-422A/RS-485
    • RS-485多点互连
• 输入输出接口与过程通道设计原理
  • 数字量输入输出接口与过程通道
    • 数字量输入接口与过程通道
      • 组成
        • 主要由输入调理电路、输入接口、输入口地址译码电路等组成
      • 输入调理电路
        • 小功率输入调理电路
        • 大功率输入调理电路
      • 数字量输入接口
        • 主要功能是接收外部装置或生产过程的状态信号
    • 数字量输出接口与过程通道
      • 结构组成
        • 主要由输出锁存器、输出驱动器、输出口地址译码器等组成
      • 输出驱动电路
        • 小功率直流驱动电路
          • 功率晶体管输出驱动继电器电路
          • 达林顿阵列输出驱动继电器电路
        • 大功率交流驱动电路
          • 固态继电器（SSR）：四端有源器件
      • 数字量输出接口
        • 对状态输出信号进行锁存
  • 模拟量输入输出接口与过程通道
    • 模拟量输入接口与过程通道
      • 组成
        • 由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成
      • 信号调理和I/V变换
        • 信号调理电路
          • 将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号
            • 非电信号的检测-不平衡电桥
            • 信号放大电路
              • 基于ILC7650的前置放大电路
              • AD526可编程仪用放大器
        • I/V变换
          • 将变送器输出的电流信号变成电压信号
            • 无源I/V变换
              • 利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施
            • 有源I/V变换
              • 利用有源器件运算放大器、电阻组成
      • 多路转换器
        • 用来切换模拟电压信号的关键元件，可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上
      • 采样、量化及采样/保持器
        • 信号的采样
          • 原理
            • 按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T......KT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程
          • 香浓定理
          • 离散系统的采样形式
            • 周期采样
            • 多阶采样
            • 随机采样
        • 量化
          • 采用一组数（如二进制码）码来逼近离散模拟信号幅值，将其转换为数字信号
        • 采样保持器
          • 孔径时间
            • 在模拟量输入通道中，完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间
          • 孔径误差
            • 对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差
          • 采样保持原理
            • A/D转换过程需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会弓|起转换误差。所以一般情况下都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器保持。保持器把t=kt时刻的采样值保持到A/D转换结束。
          • 常用采样保持器
            • AD582、LF398
      • A/D转换器及其接口技术
        • A/D转换器
          • 经过采样、保持、量化、编码将模拟量转换成数字量。量化将模拟信号量程分成许多离散级，并确定输入信号所属的量级，编码将每一量级分配唯一 的数码， 并确定与输入信号相对应的代码
    • 模拟量输出接口与过程通道
      • 组成
        • 一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成
      • 结构形式
        • 主要取决于输出保持器的构成方式，保持器的作用主要是在新的控制信号来到之前，使本次控制信号维持不变
          • 一个通道设置一个数/模转换器的形式
          • 多个通道公用一个数/模转换器的形式
      • D/A转换器及其接口技术
        • D/A转换器
          • 将数字量转换为模拟量， 将每一 位的代码按其权位的大小转换成模拟量， 然后将这些模拟量相加，即得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字模拟转换
      • 单极性与双极性电压输出电路
        • 在实际应用中，通常采用D/A转换器外加运算放大器的方法，把D/A转换器的电流输出转换位电压输出
      • V/I变换
        • 集成V/I转换器ZF2B20
          • 输入电压范围是0~10V，输出电流是4~20mA
        • 集成V/I转换器AD694
          • 是一种4~20mA转换器
• 常用输入输出元件接口技术
  • 光电耦合器
    • 采用光来传输信号
      • 作用
        • 信号的电平转换
      • 结构类型
        • 发光二极管/光敏二极管、发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏电阻、发光二极管/光触发可控硅等
      • 正确使用
        • 输入、输出端两个电源必须单独供电
  • 继电器
    • 继电器的参数
      • 额定工作电压
        • 指继电器正常工作时线圈所需要的电压
      • 直流电阻
        • 是指继电器中线圈的直流电阻
      • 吸合电流
        • 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流
      • 释放电流
        • 是指继电器产生释放动作的最大电流
      • 触点负荷
        • 是指继电器触点允许的电压或电流
  • 固态继电器（SSR)
    • 由输入电路、隔离（耦合）和输出电路组成
      • 直流SSR
      • 交流SSR
      • 固态继电器选用
        • 输入特性
        • 输出特性
  • 可控硅
    • 可控硅控制电热炉
  • 电磁阀接口技术
    • 电磁阀是在气体或液体流动的管道中受电磁力控制开闭的阀体
      • 大口径电磁阀
      • 交流电磁阀接口电路
• 过程通道抗干扰技术
  • 相关概念
    • 干扰
      • 就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素
    • 抗干扰措施
      • 硬件措施、软件措施、软硬结合的措施
    • 干扰来源
      • 外部干扰和内部干扰
    • 外部干扰
      • 空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件
    • 内部干扰
      • 分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声
    • 分布电容
      • 分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式。在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。这种电容的容量很小，但可能对电路形成一定的影响。在对印制板进行设计时一定要充分考虑这种影响，尤其是在工作频率很高的时候
    • 分布电感
      • 在电路中，由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感。根据电感器的频率特性，可以知道由于分布电感的数值一般不大,(在低频可以不考虑分布电感的影响，但对于高频交流电路，分布电感的影响就不能忽略了
  • 串模干扰及其抑制方法
    • 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。也称为常态干扰
    • 串模干扰的抑制方法
      • 采用低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器
      • 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以消弱串模干扰的影响
      • 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的;或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施
      • 从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰
      • 采用双绞线减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。造用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽
  • 共模干扰及其抑制方法
    • 共模干扰
      • 共模干扰是指模/数转换器两个输入端上共有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰
    • 共模干扰的抑制方法
      • 变压器隔离
      • 光电隔离
      • 浮地屏蔽
      • 采用仪表放大器提高共模抑制比
  • 长线传输干扰及其抑制方法
    • 长线传输干扰
      • 长线的“长”是相对的
      • 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
    • 波反射现象
      • 阻抗不连续,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。
    • 长线传输干扰及其抑制方法
      • 终端匹配
      • 始端匹配