第二章： 过程输入通道与接口。
输入输出接**术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。
外界的各种数据和信息通过输入设备送到微处理器，而微处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显示、打印或实现各种控制。
外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电子式的等，其原理也多种多样，各不相同。它们在与微机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不一样等问题，为了解决这些问题，必须设计一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输入输出接口或简称接口。
i／o通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
一、接口、通道及其功能。
(一)i／o接口电路。
i／o接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件(电路)。或是主机和外围设备之间的信息交换的桥梁。
(二)i／o通道。
i／o通道(过程通道):是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
给计算机提供被控对象的各种物理参数的通道称为信号的输入通路。
传输计算机控制命令作用于被控对象的通道称为信号的输出通路。
反映(或作用于)生产过程工况的信号既有模拟量，也有数字量(或开关量),可是计算机识别数字信号。所以输入和输出通路的主要功能就是实现模拟量与数字量之间的信号变换。
本章学习目的：解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息，这是设计一个微机控制系统必须解决的基本问题。
二、i／o信号的种类。
外部设备与cpu之间交换信息，如图2—1所示，通常有三类信息。
(1)数据信息。
在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：
1)数字量： 由键盘、光电输入机、卡片机等读入的信息一般是以二进制形式表示的数或以ascii码表示的数或字符。
2)模拟量： 当微处理器用于实时控制时，大量的现场信息经过传感器把非电量转换成的电量以及执行机构所能接受的控制量。
3)开关量： 这些变量只有开和关两个状态，通常用一位二进制数来表示。
2)状态信息：状态信息也称握手信息、应答信息，它是反应外部设备的状态的。
3)控制信息：用来控制i／o装置的启动或停止等信息，它是由cpu发送给外部设备的。
cpu与外部设备之间的信息传送是通过i／o接口电路来完成的，微处理机与外部设备的联系，如图2—2所示。为保证信息的正确传送，i／o接口往往开辟三个不同的端口来传送数据信息、状态信息和控制信息。
三、计算机和外部的通信方式。
（一） 并行通信
并行通信：把一个字符的各数位用几条线同时进行传输，传输速度快，信息率高。
（二） 串行通信。
串行通信：数据按位进行传送的。串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。
1．全双工方式。
全双工通信方式：指数据信息能沿相反两个方向传送。
特点：信息传输效率较高。
2．半双工方式。
半双工通信方式：指数据信息可沿数据传输线的两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。
特点：信息传输效率低些，但可省一根传输线。
3．同步通信
同步通信方式：在一组字符（信息帧）前后加同步字符(如syn字符)，它们标志着一组数据块的开始，这样接收装置一接收到syn字符，就知道已发送了数据块而开始接收数据，直到接收后同步字符，一帧数据宣告结束。然后，接收装置又开始寻找新的syn控制字符。
特点：开销小，效率高，可获得较高的数据率。但如果数据中有一位错，就必须重新传输整块数据，且控制比较复杂。
4．异步通信（起止方式）
异步通信方式：要传送的字符**前加一起始位，以示该字符**开始，在字符**后面加一停止位，以示该字符**结束。
这是一种在计算机通信网络中常用的也是最简单的传输方式。
特点：开销大，效率低，速度慢。但如果有错，只需重发一个字符，且控制简单。
由于这种方式的字符发送是相互独立的故称为异步方式。
四、 输人／输出的控制方式。
在微机系统中，可采用的输入／输出控制方式一般有3种：程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式(dma方式)。
一）．程序控制方式。
程序控制方式又分为无条件传送方式和查询传送方式（条件传送方式）。
1）无条件传送方式
当外设已准备就绪，那就不必查询外设的状态而进行信息传输，这就称为无条件传送。
这种信息传送方式只适用于简单的外设，如开关和数码段显示器等。
如图所示，直接使用三态缓冲器与数据总线相连。
（2）查询传送方式（条件传送方式）
cpu通过执行程序不断读取并测试外设状态，如果输入外设处于已准备好状态或输出外设为空闲状态时，则cpu执行传送信息指令。
查询传送方式的接口电路应包括：传送数据端口及传送状态端口。
图1为查询式输入的接口电路。
图2为查询式输出接口电路。
二）．中断控制i/o方式。
一) 中断控制i／o时应解决的问题。
中断控制方式：当外围设备需要请求服务时，向cpu发出中断请求，cpu响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备的服务程序。中断处理完毕，cpu又返回来执行原来的程序。
外部中断：通过i／o接口硬件向cpu发出中断请求信号，从而引起一个中断处理过程。
多重中断处理时必须解决以下四个问题。
一、保存现场和恢复现场。
在中断服务程序开始设置保存现场、中断返回前恢复现场。
二、正确判断中断源。
要能正确地找到申请中断的外围设备的中断服务程序入口地址，且能跳转到这个入口。
三、实时响应。
对于每个外围设备的中断请求，cpu都能接受到并在最短响应时间内给予服务。
四、按优先权顺序处理。
优先权顺序：多个外围设备同时提出中断请求时，应能按轻重缓急设定中断顺序，逐个进行处理。
二)中断优先级。
中断优先级的设定办法常采用：软件查询方式，雏菊链法，专用硬件方式。
1． 软件查询方式。
如图所示，接口硬件电路包括三部分：中断寄存器、中断申请电路和并行i／o接口。
2．雏菊链法。
雏菊链法：在每个外围设备的接口上连接一个雏菊链（逻辑电路），这个雏菊链是中断回答信号的控制通路。
如图是雏菊链的线路图。
越靠近cpu的接口，优先级越高。
3．专用硬件方式。
如： 采用可编程中断控制器8259a。
（三）、dma控制方式。
dma控制方式：一种成块传送数据的方式。
当某一外设需要输入/输出一批数据时，向dma控制器发出请求，dma控制器接收到这一请求后，向cpu发出总线请求，若cpu响应dma的请求把总线使用权赋给dma控制器，数据不通过cpu，可直接在dma控制器操纵下进行。
通常采用的是可编程dma控制器8237a。
8237a的数据传送速率高达1.6m字节/s；8257a的数据传送速率可达1．25m字节/s。
2.1输入通道的结构与信号转换。
按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
数字量过程通道需处理的信息包括开关量、脉冲量和数码。其中开关量是指一位的状态信号：如阀门的闭合与开启、电机的起与停、触点的接通与断开、指示灯的亮与关等；脉冲量是指许多数字式传感器将被测物理量值转换为脉冲信号，如转速、位移、流量的数字传感器产生的数字脉冲信号；数码是指成组的二进制码，如用于设定系统参数的拨码开关等。
它们的共同特征是幅值离散，可以用一位或多位二进制码表示。
2.1.1数字量输入通道。
数字量输入通道（ di 通道）的任务--是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。
信号调理电路--虽然都是数字信号，不需进行a/d 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。
1. 数字量输入通道的结构。
典型的数字量输入通道结构如图2.1所示。
图2.1 开关量输入通道的典型结构示意图。
2. 数字量输入通道的信号调理。
数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，因此容易引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部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够接收的逻辑信号，完成这些功能的电路称为信号调理电路。
凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，rc滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。
（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。
（2）rc滤波是用rc滤波器滤出高频干扰。
（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。
（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。
（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。
典型的开关量输入信号调理电路如图所示。点划线右边是由开关s与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流(如380vac)变换为低压直流(如5vdc)。
开关s的状态经rc滤波、稳压管d1箝位保护、电阻r2限流、二极管d2防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关s的状态。比如，当开关s闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应外电路开关s的闭合；反之，开关s断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电路开关s的断开。
3．防干扰输入隔离电路。
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