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第一讲思考题问答,1计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？ 2分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。 3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？ 4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？,第二讲 过程输入输出通道技术 概论,在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算机，计算机经过计算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息的传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，也叫I/O通道。,本章内容其实质是微机原理与应用课程中的知识,2.1过程输入输出通道概述 过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量（包含脉冲量）输入输出通道组成。模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）、转换为数字信号送给微型计算机；模拟量输出通道则把微型计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。开关量（脉冲量、数字量）输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按扭等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给微型计算机；微型计算机通过开关量输出通道控制那些接受开关（数字）信号的执行机构和显示、指示装置。 由此可见，过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用。,2.1.1 模拟量输入通道的一般结构 模拟量输入通道（简称AI通道）的一般结构如图2.1所示。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压（或电流）形式后送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。,图2.1 模拟量输入通道的一般结构,2.1.2 模拟量输出通道的基本结构 模拟量输出通道（简称AO通道）的两种基本结构形式如图2.2所示。多D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器除承担数字信号到模拟信号转换的任务外，还兼有信号保持作用，即把微机在 t=kT 时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=(k+1)T。这是一种数字保持方式，送给D/A转换器的数字信号不变，其模拟输出信号便保持不变。 共享D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用，信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟保持方式，微机对通路i（i=1，2，.，n）的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后，由采样保持器将其记忆下来，并保持到下一次控制信号的到来。多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高，是工业控制领域普遍采用的形式。,（b）共享D/A结构,图2.2 模拟量输出通道的两种基本结构形式,（a）多D/A结构,2.1.3 开关量（数字量）输入通道的基本结构 开关量输入通道又称为数字量输入通道，该通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机，简称DI通道。它的结构形式如图2.3所示。,图2.3 开关量输入通道结构框图,典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成： 1信号变换器：将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流 的双值逻辑值。 2整形变换电路：将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或 其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的 方波或矩形波，然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲 信号。 3电平变换电路：将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的 逻辑电平。 4总线缓冲器：暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。 5接口逻辑电路：协调各通道的同步工作，向CPU传递状态信 息并控制开关量的输入、输出。,2.1.4 开关量（数字量）输出通道的基本结构 开关量（数字量）输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关型的执行机构（如继电器或指示灯等），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。其典型结构如图2.4所示。图中锁存输出的主要作用是锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用；隔离部件的作用是为防止干扰；功放的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。,图2.4 开关量输出通道结构框图,图2.11 功率晶体管输 出驱动继电器,图2.12 MC1416 驱动7个继电器,图2.13为固态继电器的结构，固态继电器（SSR）是一种四端有源器件，。输入输出之间采用光电耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。,2.3 模拟量输出通道 2.3.1 D/A转换器概述 模拟量输出通道的核心部件是D/A转换器。D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它输出的模拟量（电压或电流）与参考电压和二进制数成比例。D/A转换器品种繁多，但在集成D/A产品中多按T型和倒T型电阻解码网络的D/A转换原理进行转换，故下面将以倒T型电阻D/A为例介绍D/A转换原理。 1D/A转换器工作原理 D/A转换器主要由四部分组成：基准电压VREF，R-2R T型电阻网络，电子开关Ki（i=0，1，.，n-1）和运算放大器A。一个4位的D/A转换器的原理框图如图2.14所示。,图2.14 R-2R电阻网络D/A转换器,2D/A转换器的主要技术指标 分辨率 分辨率是指当输入数字量发生单位数码变化即最低有效位LSB产生一次变化时，输出模拟量对应的变化量。分辨率与数字量输入的位数n呈下列关系： =VREF/2n 实际使用中，表示分辨率高低的更常用方法是用输入数字量的位数表示。例如，8位二进制D/A转换器，其分辨率为8位，或者=1/255。显然，位数越多，分辨率越高。 建立时间 建立时间是指输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值1/2 LSB所需的时间，一般为几十纳秒到几秒。 线性误差 理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB，或1LSB。,2.3.2 常用D/A转换器及其接口技术 1D/A转换器 8位D/A转换器DAC0832 DAC0832的结构如图2.15所示，它主要由两部分组成，即：由R-2R电阻网络构成的8位D/A转换器以及两个8位寄存器和相应的选通控制逻辑。DI7DI0是DAC0832的数字信号输入端；IOUT1和IOUT2是它的模拟电流输出端，IOUT1+IOUT2常数C，IOUT1和IOUT2与输入数字D之间的关系如下：,图2.15 DAC0832的结构,VOUT1,VOUT2,图2.16 DAC0832的单、双极性输出, 12位的D/A转换器DAC1208/1209/1210 图2.17是DAC1210的结构图，其原理和引脚与DAC0832基本相同，不同之处仅在于： 输入寄存器和DAC寄存器均为12位，数据输入线为12条。 输入寄存器由高8位输入寄存器和低4位输入寄存器两个寄存器构成，BYTE1/ BYTE2为高电平时，选中高8位输入寄存器和低4位输入寄存器，否则只选中低4位输入寄存器。 一个12位的待转换数D必须在输入级装配好后，才能送至DAC寄 存器，所以，DAC1210与8位微机接口时，应接为双缓冲形式。,图2.17 DAC1210的结构,2D/A转换器接口技术 8位D/A转换器与系统的接口 为使CPU能向D/A转换器传送数据，必须在两者之间设置接口电路。接口电路的功能是进行地址译码、产生片选信号或写信号。如果D/A转换器芯片内部无输入寄存器，则要外加寄存器。因此，D/A转换器与CPU的连接方式可有三种：直接连接、用可编程并行接口8255连接、用锁存器连接。具体采用哪种方法，应根据各种D/A转换器的结构形式以及系统的要求进行选择。下面以直接连接方式为例介绍D/A转换器与CPU的接口。,图2.18 8位D/A转换器与PC系统总线的接口,若DAC0832 CS的口地址为400H， 则将8位二进制数7FH转换为模拟电压的转换程序段为： MOV DX，400H MOV AL，7FH OUT DX，AL HLT, 12位D/A转换器与系统总线的接口 12位D/A转换器与系统总线的接口电路如图2.19所示，该电路采用12位D/A转换芯片DAC1210、输出放大器、地址译码器等组成。端口地址译码器译出、 三个口地址，设为200H、201H、202H，这三个口地址用来控制DAC1210工作方式和进行12位的D/A转换。,图2.19 12位D/A转换器与系统总线的接口,前面已假设端口译码器译出的Y0、Y1、Y2三个地址分别为200H、201H、202H，若将12位二进制数190H转换为模拟电压，其转换程序段为： MOV DX，200H MOV AL，83H ；送高8位数据 OUT DX，AL MOV DX，201H MOV AL，0F0H ；送低4位数据 OUT DX，AL MOV DX，202H OUT DX，AL ；12位数据进行转换 HLT,2.3.3 D/A转换模板 通常对D/A转换器而言，都只能完成一路数字量到模拟量的转换。而实际的控制系统，往往需要将多路的数字转换成模拟量。如前所述，总线式工控机中的D/A转换模板有单D/A结构和多D/A结构两种。 1D/A转换模板的通用性 为了便于系统设计者的使用，D/A转换模板应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，可选接口地址以及可选输出方式。, 符合总线标准 这里的总线是指计算机内部的总线结构，D/A转换模板及其他所有电路模板都应符合统一的总线标准，以便设计者在组合计算机控制系统的硬件时，只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线，十分方便灵活。例如，STD总线标准规定模板尺寸为165mm114mm，模板总线引脚共有56根，并详细规定了每只引脚的功能。 接口地址可选 一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。一般接口地址可由基址（或称板址）和片址（或称口址）组成，如图2.20所示。,图2.20 接口地址可选的译码电路, 输出方式可选 D/A转换器输出方式有电流输出和电压输出两类，而每一类又有多种情形。 在过程控制中，各自动化装置之间通常是采用010mA DC或420mA DC的标准电流信号进行联系。因此，D/A转换器最常用的是这两种信号范围可选的电流输出方式，如图2.21所示。DAC0832输出电流经运算放大器Al和A2变换成输出电压V2，再经三级管T1和T2变换成输出电流IOUT。当短接柱KA的12短接时，通过调零点电位器W1和量程电位器W2，为外接负载RL提供010mA DC电流；当KA的13短接时，通过调节W1和W2，为RL提供 420mA DC电流。,图2.21 D/A转换的电流输出,图2.22 D/A转换的单/双极性电压输出,2D/A转换模板的设计举例 前面讨论了几种典型的D/A转换器、接口电路以及通用性等问题，这就为D/A转换模板的设计打下了基础。 硬件设计中一般并不需要复杂的电路参数计算，但需会查阅集成电路手册，掌握各类芯片的外特性及其功能，以及与D/A转换模板连接的CPU或计算机总线的功能及其特点。在硬件设计的同时还必须考虑软件的设计。D/A转换模板的设计原则主要考虑以下几点： 安全可靠尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术 。 性能价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。比如，在选择集成电路芯片时，应综合考虑其转换速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。, 通用性 D/A 转换模板应符合总线标准，其接口地址及输出方式应具备可选性。 D/A转换模板的设计步骤是：确定性能指标，设计电路原理图，设计和制造印制线路板，最后焊接和调试电路板。其中，数字电路和模拟电路应分别排列走线，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近一点接地。光电隔离前后的电源线和地线要相互独立。调试时，一般是先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性能指标逐项考核。图2.23（a）、（b）给出了8路D/A转换模板的结构框图和其中一路的电路原理图。该模板由总线接口逻辑、8片DAC0832以及VI变换电路等组成。 其中每路的D/A转换器均接为单级输入工作方式，而且具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的VI变换电路与负载共电源，输出电流IOUT=VCCR5。当凡R5 = 500，VCC05V时，IOUT=010mA；当R5250，VCC=15V时，IOUT=420mA。,8路 结构图,单路 原理图,2.4 模拟量输入通道 2.4.1 模拟量输入通道中的信号变换 模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。 1信号的采样 信号的采样过程如图2.24所示。执行采样动作的是采样器 （采样开关）K，K每隔一个时间间隔T闭合一个时间。T称为 采样周期，称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信 号y（t）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y* （t）。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散 过程。,图2.24 信号的采样过程,采样信号y*（t）是否能如实地反映模拟信号y（t）的所有变化与特征呢？采样定时指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f 2fmax进行采样，那么采样信号y*（t）就能唯一地复现y（t）。采样定理给出了y*（t）唯一地复现y（t）所必需地最低采样频率。实际应用中，常取f （510）fmax。 2信号的量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y（t）幅值上的变化，也反映在采样信号y*（t）上。所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把yminymax 范围内变化的采样信号，变换为数字02n1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。,量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度（毫米或其它）去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为1/2q。例如，q=20mV时，量化误差为10Mv，0.9901.009V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。 在A/D转换器的字长n足够长时，整量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。 2.4.2 A/D转换器 1主要技术指标 A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。,A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。 分辨率 分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位，表示它能对满量程输入的1/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V/2820mV。 转换时间 转换时间是指A/D转换器完成一次模拟到数字转换所需要的时间。, 线性误差 线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSB的分数表示，如1/2 LSB或1 LSB。A/D转换器的种类繁多，常见的A/D转换器主要有逐次逼近式、积分式、并行式等。 逐次逼近式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在us级，转换精度一般在0.1上下，适用于一般场合。 双斜积分式A/D转换器的核心部件是积分器，因此速度较慢，其转换时间一般在ms级或更长。但抗干扰性能强，转换精度可达0.01或更高。适于在数字电压表类仪器中采用。 并行式又称闪烁式，由于采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限置，其分辨率一般不高于8位。这类A/D转换器可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。,2A/D转换原理 逐次逼近式A/D转换器 双斜积分式A/D转换器 并行比较式A/D转换器,2.4.3 常用A/D转换器及其接口技术 18位A/D转换器ADC0809 ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为LSB，其结构如图2.28所示。,图2.28 ADC0809的逻辑框图,图2.29 ADC0809的转换时序,图2.30 AD574A的原理结构,AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、10V基准电压源4部分构成。 12位A/D转换器 这个12位A/D转换器的模拟输入可以是单极性的，也可以是双极性的。单极性应用时，将BIPOFF接0V，双极性时接10V。量程可以是10V，也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10VIN；在20V范围内变化时，接至20VIN。量程为10V和20V时，AD574A的量化单位分别为10V/212和20V/212。模拟输入信号的编程： 图2.31是AD574A的单、双极性应用时的线路连接方法，以及零点和满度调整方法。,图2.31 AD574A的输入信号连接方法 （a）单极性 （b）双极性, 三态输出锁存缓冲器 该缓冲器用于存放12位转换结果D（D=0212-1）。D的输出方式有两种，引脚12/ 8=1时，D的D11D0并行输出；12/ 8 =0时，D的高8位D11D4与D3D0分时输出。 控制逻辑 控制逻辑的任务包含：启动转换、控制转换过程和控制转换结果D的输出。有关控制信号的作用如下表。CE、CS均为片选信号，R/C为读/启动控制信号。启动与读操作时序如图2.32所示。,2.4.4 A/D转换模板 A/D转换模板一般由多路开关、数据放大器、采样保持器、A/D转换器及接口电路组成。A/D转换模板同D/A转换模板一样，应具有通用性，且必须符合总线标准，接口地址可选，输入方式可选，有时还应考虑数据放大器的增益可选。下面将对有关内容进行讨论。 1多路开关 多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现n选一操作，即利用多路开关将n路输入依次地（或随机地）切换到后级。切换过程是在CPU控制下完成的（也可以用其它控制逻辑实现）。微机控制系统中多采用集成电路多路开关，图2.36是常用的集成多路开关CD4051的结构原理。,图2.36 CD4051的结构原理,2采样保持器 A/D转换过程（即采样信号量化过程）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，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把 t=kT时刻的采样值保持到A/D 转换结束。T为采样周期，k=0，1，2，.为采样序号。 采样保持器的基本组成电路如图2.37（a）所示，由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关K、保持电容CH等组成。采样时，K闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，K 断开，由于A2 的输入阻抗很高，理想情况下VOUT = VC 保持不变。采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。采样保持器的工作波形见图2.37（b）。,图2-37 采样保持器 (a) 原理电路 (b) 工作波,常用的集成采样保持器有LF198/298/398、AD582等，其原理结构如图2.38（a）、（b）所示。采用TTL逻辑电平控制采样和保持。LF198的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。OFFSET用于零位调整。保持电容CH通常是外接的，其取值与采样频率和精度有关，常选5101000pF。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。一般选用聚苯乙稀、聚四氟乙稀等高质量电容器作CH。 选择采样保持器的主要因素有，获取时间、电压下降率等。LF198的CH取为0.01F时，信号达到0.01精度所需的获取时间（采样时间）为25s ，保持期间的输出电压下降率为每秒3V。若A/D转换器的转换时间为100s， 转换期间保持器输出电压下降约300V 。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器,图2.38 集成采样保持器的原理结构 （a）AD582 （b）LF198/298/398,3A/D转换模板举例 图2.39是一种8通道模拟输入板。它由2片多路开关CD4051（8路）、采样保持器LF398、12位A/D转换器AD574A、仪用放大器AD625和接口电路8255A等组成。,图2.39 8路A/D转换模板,该模拟输入板的主要技术指标如下： 分辨率 12位 通道数 双端8路 输入量程 单极性 010V 双极性-5V+5V 转换时间 （A/D）25s 线路误差 不大于 0.02% 应答方式 查询,该模板采集一个数据的过程如下： 通道选择 目的通道号写入端口C低4位，使LF398对目的通道采样 （LF398的工作状态受AD574A的STS控制，AD574未转换期间 STS=0，LF398处于采样状态）。 启动AD574A转换 通过PC6PC4输出控制信号启动AD574A。 查询AD574A是否转换结束 读端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平。 读取转换结果 读8255A端口A、B，便可得到转换结果。,2.5 数据采集系统实例 计算机数据采集系统可采用小型机或微型机构成。以微型计算机构成的数据采集系统一般采用单总线结构，目前比较流行的总线有STD总线、S100总线、MULTIBUS总线、IBM-PC总线等。它的主要特点是： 系统的结构简单，容易实现，能够满足中、小规模数据采 集系统的要求； 微型计算机对环境的要求不太高，能够在比较恶劣的环境 下工作； 微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即 使是比较小的系统，也可以采用它； 采用微型计算机的数据采集系统可以作为分布式数据采集 系统的一个基本组成部分进一步扩充； 微型计算机的应用有比较坚实的基础，各种I/O模板及应用 软件都比较齐全，便于使用，便于维修。,2.5.1 数据采集系统的组成及基本功能 数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System）, 微型计算机与DAS相配合可以完成各种测量任务，并具有很强的通用性。目前已有许多与各种微机系统相匹配的DAS插件板问世。随着集成技术的发展，数据采集系统的结构也有了较大的变化，但其基本工作过程及基本组成仍保持不变。图2.40给出了一个典型的DAS的基本结构图。,图2.40 DAS的基本结构图,图中的多路开关、采样/保持器、A/D转换器等构成了DAS的数据输入通道，多路模拟输入信号经多路开关依次接通并顺序输入，再经放大及滤波后被采样/保持器（S/H）采样并保持，使输入到A/D转换器的模拟量在保持时间内恒定，以保证A/D转换的准确度，A/D转换器转换后的数字量可经三态门送入总线，以便由微型计算机对采集的数据进行处理。图中的D/A转换器、多路分配器、采样/保持器等构成了DAS的数据输出通道，输入数据经微机处理后通过锁存器送到D/A转换器，然后再在多路分配器的作用下依次输出。为了保持输出量的连续性，各路也要接入采样/保持电路。由此可见，一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步：,1数据采集 被测信号经过放大，滤波，A/D转换，并将转换后的数字量送入计算机。这里要考虑干扰抑制、带通选择、转换准确度、采样/保持及计算机接口等问题。 2数据处理 由计算机系统根据不同的要求对采集的原始数据进行各种数学运算。 3结果处理 将数据处理后的结果在输出设备上（打印机、绘图仪、CRT等）复现出来，或者将数据存入磁盘保存起来，或通过通