I／O接口
出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册下》第2984页（6118字）
I／O接口是PC与工业生产现场的界面，是PC的重要组成部分，其性能对整个控制系统的功能有很大影响。
I／O接口包括数字量I／O接口和模拟量I／O接口。I／O接口的主要功能是：
①输入信号转换。将获取生产现场的各种开关接点信号转换成PC内部所需的逻辑电平信号后传送给PC机。如果输入的为电压、电流等模拟信号，还需进行A／D转换，再传送给PC机。
②信号处理。即对输入信号进行整形、滤波，滤除输入信号中夹杂的各种噪声。
③输出信号转换与处理。即将PC输出的弱电控制信号变换成能驱动生产现场执行机构的强电信号输出。在需要输出模拟量时，还应经D／A转换成电压、电流等模拟量输出。
④隔离。采用隔离电路，使I／O信号与PC内部信号隔离，以减少外界干扰信号侵入PC主机，提高PC的可靠性。
⑤完成各种输入的预处理功能和预期的控制功能。
为了适合不同的需要，一般将I／O接口做成可供选择、扩充的模板插件。用户可以根据需要选择不同功能、不同点数的I／O接口，方便而灵活地组成所需的控制系统。为便于检查，通常还在输入／输出模板上设有各I／O点指示灯，以指示相应的I／O点的通、断状态。
2．3．1 数字量输入模板
数字量输入模板的类型有带隔离电路、不带隔离电路、24V直流、48V直流、110V交流和220V交流等多种，其中较典型的是24V直流和220V交流数字量输入接口。
图8．6－5所示为32点24V直流输入电路原理(图中只画出两路的详细情况)。输入接口电路由输入电路、译码、控制电路组成。外接现场输入信号为24V直流电压，经电阻分压加在光电隔离器V19的输入端，通过隔离后转换成PC所需的电平信号，再经RC滤波网络送入D402锁存器。锁存器中的信号CPU控制，输入到系统内部数据总线。CPU通过地址信号和控制信号对各组信号输入进行选择。图中2．5kΩ电阻为限流电阻，与稳压二极管2CW52组成输入过压保护电路，1．3kΩ和100nf电容组成滤波电路，V90为输入显示用的发光二极管，D405为2－4译码器SN74HC139。
图8．6－5 24V直流数字量输入电路原理
现场开关信号的接法是：一端接PC输出端点，另一端接24V直流电源正极，电源负极接入模板的接地端。模板内使用的直流电源一般由PC自身电源供给。
220V交流输入模板把交流信号转换成CPU模板所需要的TTL电平，并经滤波、隔离后输入。图8．6－6所示为220V交流输入模板的电路原理(图中未详细给出译码和控制单元电路，可参看图8．6－5)。图中所示输入电路模板的输入点数为16(只详细给出第一路的情况，其它各路的原理相同)，其工作原理是：外接220V交流输入信号先经240Ω电阻和0．1μf电容，然后经桥式整流电路变为直流，其中56kΩ电阻为限流电阻。整流后的直流信号再经一次滤波后加到光电隔离器输入端，与此同时还通过发光二极管V10显示。光电隔离器的输出经阻容滤波后送入锁存器，等待CPU读入。
图8．6－6 220V交流输入电路原理
220V交流输入模板与24V直流输入模板的不同点，是220V交流输入模板多设了整流部分。对这二种模板电路的参数进行适当的改动，就可得到其它种类输入模板。如以24V直流输入模板为基础，可以得到48V直流输入模板；以220V交流输入模板为基础，可以得到110V交流输入模板。
从被控制对象获取输入信号，可以是按钮开关、选择开关、行程开关、限位开关、温度开关、流量开关以及一些传感器输出的开关量或模拟量，其输入信号模式见表8．6－3。
表8．6－3 PC机输入信号模式
传感器的输出信号只有0和1两种输出量，为数字信号，多数是开关量输出。数字信号传感器有触点开关式、电流通断式、电压有无式三种。作为与PC的接口，多数采用光电隔离器输入。PC机采用光电耦合器接口电路的几种形式如图8．6－7所示。
图8．6－7 PC机数字量输入信号的光电耦合器接口
2．3．2 模拟量输入模板
在工业控制中，需用传感器将电流、电压、温度、压力、位移、速度等模拟量进行采集，并送给PC。但这些模拟量需进行A／D转换，才能被PC的CPU接受。
模拟量输入模板有各种类型。模拟量为电压型的，通常包括0～10V、±10V等范围的模板；模拟量输入电路要求电流型的，为4～20mA。各输入范围的模板，其内部电路的结构完全一样，只是输入回路略有不同。所以，有的外加输入量程子模块、以适应各种不同的输入范围。图8．6－8所示为模拟量输入模板的内部结构框图。由图可知，每块模板有一模拟量多路转换开关、A／D转换电路以及控制、译码、总线驱动等单元。该模板为8路模拟量输入。为了适应不同的输入范围，输入信号先经输入量程子模块进行变换，再进入模板，然后对8路信号进行选择。被选中的输入信号经多路转换开关、判断识别，确认外部传感器或连接电缆无断线的情况下，送入A／D转换器。在一些系统中，由于使码制不同，可在A／D转换器后加入数据转换。经转换的数据通过光电隔离器进入数据驱动单元。进入数据驱动单元的数据可按系统的控制要求传送到总线驱动器，再送到系统内部数据总线或传送到中间寄存器，等待CPU读入。
图8．6－8 模拟量输入模板结构框图
模拟量输入模板的控制信号包括I／O模板使能信号、模板复位信号、CPU模板的读信号和I／O模板的应答信号。地址译码和这些控制信号的组合，实现模板内部的各种控制功能。模拟量输入模板可连接各种不同的外部传感器，不同的传感器的连接方法不同。
2．3．3 数字量输出模板
输入信号通过CPU等处理后，传送给驱动执行机构、显示灯等负载。数字量的输出模式由负载的性质、大小和动作频率决定。负载的性质有交流和直流两种，输出的状态有有触点和无触点两种。PC机输出信号模式见表8．6－4。
表8．6－4 PC机输出信号模式
晶体管输出方式的特点是无触点、动作速度快、开关寿命长，适用于高频和调整动作电路。功率晶体管常采用NPN或PNP型集电极开路输出，如图8．6－9所示。图8．6－10所示是晶体管输出模板电路原理。该模板将可编程序控制器内部的TTL电平转换成24V直流输出。有32点输出(只给出第9和16点的情况，其它各点相同)。在译码、控制部分与CPU的配合下，当CPU需要准备输出的信号时，就向晶体管输出模板发MWR信号。模板收到该信号后，一方面准备译码接收数据，一方面通知CpU一个应答信号RDY。CPU收到RDY信号后，就将数据写入晶体管输出模板的数据缓冲器，缓冲器中的数据先经光电隔离器，再经功率放大电路，就送到输出模板的输出端。
图8．6－9 集电极开路输出示意图
图8．6－10 晶体管输出模板电路原理图
总线28为禁止模板输出信号，高电平有效，低电平时为允许模板输出信号。总线28为低电平时，三极管V404工作，三极管V405饱和导通，使光电隔离器发光二极管负极接地。光电隔离器在缓冲器的输出信号控制下，若缓冲器输出为1，则光电隔离器输出端导通，将24V直流电压加到功率驱动器FZL4141，功率驱动器输出驱动功率三极管工作，24V直流电压通过输出功率三极管加到输出端；若缓冲器输出为0，则光电隔离器输出端不导通，功率驱动器FZL4141接收到0信号，也无法驱动功率三极管导通，从而模板输出端就得不到24V直流电压输出。如果总线28为高电平，V404无法工作，V405也将截止，其集电极电平相当于高电平，光电隔离器无法工作，缓冲器的输出信号无法送出，故为禁止输出。
双向晶闸管输出模板，可将可编程序控制器的内部信号转换成外部过程所需的交流信号，如220V交流信号，适用于各种中间继电器、电磁线圈等不同负载。其电路原理如图8．6－11所示，相当于共用触发极的两只反向并联的晶闸管，有触发信号控制，交流电压接入时，两只晶闸管轮换导通。双向晶闸管输出的光电隔离器输入端的二极管，相当于双向晶闸管的控制端。图中是16点双向晶闸管输出模板，该模板的译码、控制部分和数据缓冲器等与晶体管输出模板相同。以第1点为例，外接220V交流电压通过负载加在模板的电源和输出端之间，同时又通过电感、电阻等元件加在双向晶闸管和光电隔离器两端，当模板允许输出时，若数据缓冲器输出为0信号，则光电隔离器的输入二极管不导通，输出端无信号，即双向晶闸管V11的控制极无信号，V11不导通，模板输出端(1)也得不到输出电压。若数据缓冲器输出为1信号，则光电隔离器输入二极管导通，在外接交流电压的作用下，光电隔离器中的双向晶闸管轮换导通，使双向晶闸管V11的控制极得到交流控制信号，在外接交流电压的作用，V11中的正、反向晶闸管轮换导通，输出端(1)得到交流输出信号，从而实现220V交流输出。图中的保险管F810起限流保护作用，发光二极管V810为短时报警显示，滤波电感L10对电源电压进行滤波，压敏电阻R10为过电压保护，阻容网络是对双向晶闸管的保护用，V10为输出显示。对图8．6－10和8．6－11所示输出模板的电路参数进行调整，就可得到晶体管输出48V直流和双向晶闸管输出110V交流等不同电压等级的输出模板。
图8．6－11 双向晶闸管输出模板电路原理
继电器输出是有触点式输出方式，负载可以是交流或直流，但采用这种方式时要考虑触点的电气和机械的寿命。继电器输出模板，实际是将可编程序控制器内部输出信号转换成输出继电器触点的动作。常开触点闭合对应PC内部输出1信号，关断对应PC内部输出0信号。这种模板适用于电磁线圈和各种阀门等，是用途广泛的输出模板。8点输出的继电器输出模板电路原理如图8．6－12所示。译码、控制单元与晶体管输出模板或双向晶闸管输出模板相似。若模板禁止输出时，光电隔离器的输入二极管都不导通，所以内部输出信号即缓冲器的输出信号不控制输出端(8)的状态。如果模板允许输出，光电隔离器的输入二极管负极接地。当数据缓冲器输出为1时，光电隔离器输出三极管处于导通状态，将24V直流电压加到三极管放大器V80的基极使其导通，输出显示V83亮，输出继电器线圈通电，输出继电器的常开触点闭合，有输出；如果数据缓冲器输出为0，光电隔离器输出三极管处于截止状态，三极管V80截止，输出继电器线圈不通电，输出继电器的常开触点关断，输出端(8)无输出。图中的2CW65为输出继电器线圈过电压保护用稳压管，IN4006为防止外接24V直流电压反向接入的二极管，输出端压敏电阻用以防止输出继电器常开触点过压的保护。外接24V直流电压是模板内部电路的电源，与模板的输出电压范围无关。
图8．6－12 继电器触点开关输出模板电路原理
2．3．4 模拟量输出模板
模拟量输出是另一种输出模式，如控制可变速电动机执行装置时就需用模拟量输出。模拟量输出模板是将可编程序控制器内的数字结果转换成外部生产过程所需要的模拟信号。模拟量输出模板有0～10V的电压输出型、±10V的电压输出型和4～20mA的电流输出型等。虽然模拟量输出模板的种类不同，但内部电路结构一样，只是输出回路有所不同。一般的模拟量输出模板都同时具有电压输出和电流输出。图8．6一13为模拟量输出模板的内部结构，每块模板包括中间寄存器、D／A转换器、多路转换开关、译码、控制等单元。可编程序控制器的CPU模板需要输出模拟量时，先寻址该输出模板，然后将地址信号传送到该模板进行地址译码，以选择相应的输出通道。同时，各种控制信号由模板内的控制单元发出，将要输出的二进制数传送到数据缓冲器，再将缓冲器的数据传送到中间寄存器，经光电隔离器进行D／A转换，由多路转换开关选择一路输出。转换后的模拟信号，在输出回路中通常需进行功率放大，以提高负载能力。一般的模拟量输出模板，在电压输出情况下，其负载电流可达到5mA左右。在数字量I／O模板和模拟量I／O模板中，数字量I／O模板是可编程序控制器大量使用的输入输出模板。在I／O模板中，为提高抗干扰能力，均采用光电隔离器(光电耦合器)，常用的有发光二极管三极管型、发光二极管复合三极管(达林顿管)型和发光二极管晶闸管型，如图8．6－14所示。其中图α)是最普通的光电隔离器，图b)是发光二极管复合三极管型，其电流传输比很高，发光二极管只有很小的电流驱动，在复合管一侧也能得到足够的电流，但这种电路的响应速度慢，不适于高速系统。图c)和d)是发光二极管晶闸管型，也称光控晶闸管，其中图d)是光控双向晶闸管型，主要用在直流或交流转换电路，如由TTL电平变成220V交流强电输出。
图8．6－13 模拟量输出模板的结构框图
图8．6－14 几种常用的光电隔离器