单片机原理第10篇 章 I／O过程通道.pptx

第10章 I／O过程通道 概 述通过单片机系统的实时数据采集、实时决策和实时控制，使被控对象完成预定的任务，实现设计确定的功能。单片机系统和被控对象之间信息的交互有输入(Input)和输出(Output)两种类型，前者在单片机系统数据采集时，将被控对象的信息经输入通道送入单片机系统；后者在单片机系统控制输出时，将单片机系统决策的控制信息经输出通道作用于被控对象。上述两类信息交互的通道称为过程I／O通道。两种不同的形式的信息交互的信息有两种不同的形式，一种是随时间变化的连续物理量，如电流、电压等，称为模拟量；另一种是有开、关两种状态的数字量，称为数字量或开关量。在本章中主要涉及开关量输入和输出以及模拟量输入和输出四个方面的问题。 图10-1 过程I／O通道的一般结构 10.1开关量输入和输出一个单片机应用系统，一般都有二个大的组成部分：一部分是人与单片机交互的部分，另一部分是单片机与被控制对象之间的交互部分。人与单片机之间的接口，在第九章已经介绍过了，这一章开始研究单片机与控制对象之间的接口，也称为过程I／O通道。如图10-1所示，过程I／O通道可以分为开关量通道和模拟量通道。一、开关量输入被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输入到单片机系统，如电器的启动和停止、电磁铁的吸合和断开、光路的通和断等。但是，控制现场这些开关状态一般都不能直接接入单片机。原因有两点：一方面，现场开关量一般不是TTL电平，需要将不同的电平转化成单片机所需的TTL电平，该过程称为电平匹配；另一方面，即使现场开关量符合TTL电平需要，由于来自现场的干扰严重，一般也需要将单片机与外界进行电气隔离，避免对单片机产生干扰。经过电平匹配和电气隔离后的开关信号才能够通过单片机接口，接入到单片机系统。 图10-2 含状态指示的开关量输入电路 2.利用扩展的I／O接口电路当单片机的端口线全部被占用，只好另外扩展I／O接口电路了。如第八章所述，扩展I／O接口方法有下列几种。（1）.利用74系列门电路（2）.利用可编程并行I／O芯片（3）.利用串行口（1）.利用74系列门电路当开关量输入点数不多时，使用74系列门电路扩展并行输入口是常见的方法，该方法设计简单，性价比高。应注意的是选用有缓冲功能的门电路，门的数量由输入点的个数而定。采用74LS244(八总线缓冲器)的应用场合较多。在地址线够用时，扩展芯片的片选(或选通)采用线选法；地址线不够用时，采用地址译码法。（2）.利用可编程并行I／O芯片采用可编程并行I／O芯片的方法不常用，仅为了几个开关量输入，代价太高。可编程器件的优点在于其端口可编程设定为输入或输出。如果将某端口固定作为输入或输出，势必大材小用，降低性能价格比。有一种情况是例外的，某些场合必须用到可编程并行I／O芯片且有一些未用的口线时，这些未用的口线可以用于开关量I／O，以便充分利用资源。（3）.利用串行口第七章中利用串行口扩展并行口的方法也可以用来输入/输出开关量。具体扩展方法见第七章相关内容。 二、开关量输出在单片机应用系统中，现场电器的通／断是通过开关量输出通道进行控制的。如电机的启／停、继电器的通断、电磁阀的吸合释放，甚至步进电机的步进脉冲等，这些都是以开关量的形式表现出来的，都可以用数字1或0表示。开关量输出通道一般是一条端口线控制一路电器。1.开关量输出常见的受控对象开关量输出常见的受控对象有电磁阀、继电器、各种电机等，只有对这些受控对象有深入的了解，才能更好的使用它们，发挥它们的最大效能。这些知识不属于本书的范围，需要时请参考其它资料。2.开关量输出的电气隔离由于现场电器通断时会产生强烈的干扰，所以从端口线输出的开关量都需要电气隔离，此外数字量0、1的TTL电平不足以驱动电器，隔离后还要经驱动才能控制电器。开关量输出的基本结构如图10-3所示。图中，输出线是来自单片机的输出信号，低电平有效。图10-3 开关量输出的基本结构 3.开关量输出的驱动开关量输出往往直接驱动现场的电器或作用于大功率电器的控制回路，需要有一定的功率驱动能力。光电耦合器件在受光侧由于光敏三极管的驱动能力为mA级，一般不足以驱动执行机构，所以经常需要使用驱动电路。常见的功率驱动有下面四种方式：集成电路、可控硅、晶体管和继电器。（1）.常用的驱动集成电路集成电路的驱动能力一般不是很强，往往在几十至几百毫安，在一些驱动电流要求不大的应用场合，由于集成电路具有占用空间小，易于焊接，使用方便等优点，常用来驱动如LED显示等小功率的电器。常见的驱动集成电路有74系列、75系列、ULN200系列或28系列等。此外还有许多专用的驱动集成电路。（2）.可控硅可控硅(SCR)又称晶闸管，具有体积小，效率高，寿命长，驱动能力大(一般是几安培至几百安培)等优点。可控硅虽然也像开关量一样控