第5章 过程通道

1、第五章,过程输入输出通道,第,1,节,过程通道的概念,一,过程通道的概念,计算机控制系统基本原理图,r,给定值,计算机,-,被控量,控制器,执行机构,被控对象,A/D,D/A,过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交,换信息的桥梁。,根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出,通道分类如下：,二,过程输入输出通道的组成与功能,模拟量输入通道：,模拟量输出通道：,生产过程的参数,(,如温度、压力、流量、速度、位,移、电流、电压等,),一般是随时间连续变化的模拟,量，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模,拟电压或电流，并转化为数字信号的过程；,把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电

2、压,或电流）并传输给被控对象的过程；,数字量,(,开关量,),输入通道：,数字量,(,开关量,),输出通道：,拾起或检测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、按纽等）、脉冲信号,（如速度、位移、流量脉冲等）并传输给微机的过,程；,将数字信号从微机传输给那些接受数字信号的执,行机构和显示、指示装置的过程。,注意：,数字量输入输出通道包括多字节型数字量。,过程输入输出通道示意图,三,过程输入输出通道与,CPU,交换的信息类型,3,控制信息,：用来控制过程通道的启动和停止等,信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动,等。,2,状态信息,：又叫协议信息，如应答信息、握手信,息，它

3、反映过程通道的状态，如准备就绪信号。,过程输入输出通道与,CPU,交换的信息类型有三种：,注意：,在过程输入输出通道中，必须设置一个与,CPU,联,系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。,1,数据信息,：反映生产现场的参数及状态的信,息，它包括数字量、开关量和模拟量。,四,过程通道的编址方式,2,过程通道与存储器独立编址方式,1,过程通道与存储器统一编址方式,由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通,道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。,过程通道编址方式有两种：,五,过程通道接口设计应考虑的问题,接口电路起着连接过程通道与,CPU,的桥梁作用，,它的基本任务有：,1,控制

4、信息的传递路径：,即根据控制的任务在,众多的信息源中进行选择，,2,控制信息传送的顺,序：,计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保,进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适,时地发出一组有序的门控信号。,以确定该信息传送的路径和目的地。,在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：,1,触发方式：,有序的门控信号的主要作用就是,严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某,些特定部件发出开启或关闭,(,触发,),信号，这必然涉及,到同步触发和异步触发的方式。,2,时序：,控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存,储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规,定的操作步骤，每一个操作步骤又都是

5、在一组有序的,控制信号驱动下实现的。,3.,负载能力：,一旦控制逻辑确定后，系统能否可,靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考,虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负,载是否匹配。,第二节,模拟量输入通道,一、模拟量输入通道的结构,模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控,微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理,电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器,(S/H),和,A/D,转换器组成。其中,A/D,转换器是实现模拟待,测信号到数字信号之间转换的关键部件。,模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不,同的结构形式，,1,、单路模拟量输入通道,2,、多路模拟量输入通道,接,

6、口,电,路,信号处理,信号处理,信号处理,传感器,1,传感器,2,传感器,n,A/D,转,换,器,多,路,开,关,采,样,保,持,微,型,计,算,机,1,、多路转换器,多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压,信号的关键元件。,多路开关功能：,把多个模拟量参数分时地接通并送入,A/D,转换器，即完成多到一的转换；或者把经计算机处,理，且由,D/A,转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输,出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到,多的转换。前者成为多路开关，后者叫做多路分配器，,或叫做反多路开关。,二、模拟量输入通道中的常用器件及电路,理想多路开关要求：,开路电阻应为无穷大，接通时,的导

7、通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、,工作可靠。,实际多路开关性能：,导通电阻,10,几欧，开关速度几百,纳秒,多类开关的分类：,1),单向多路开关,(1,对多或多对,1),，如,AD7501,（,8,路）、,AD8506(16,路,),；,2),双向多路开关（,1,对多且多对,1,），如,CD4051,；,3,）矩阵多路开关（多对多），如,MT8816,；,多路开关实例：,CD4051,?,CD4051,是,8,通道多路,开关,?,带有,3,个通道选择输,入端,A,、,B,、,C,，用于选,择,8,个通道之一,?,一个禁止输入端,INH,，,高电平时，禁止模拟,信号输入；低电平时,允许

8、模拟信号输入,V,DD,与,V,SS,的电平差为,0.5 15V,CD4051,的真值表,输入状态,接通通道,在实际应用中，如果被测参数多于,8,路，可以采用将,多个,CD4051,相连进行扩展。,*,由,D,0,D,1,D,2,D,3,来选择,16,路,通道之一,*,其中,D,3,0,，选中,1,*,其中,D,3,1,，选中,2,CD4051,多路开关的扩展应用,2.1,概述,问题：,模拟信号进行,A,D,转换时，从启动转换到,转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，,当输入信号频率较高时，会造成很大的转换,误差。,解决方法：,采用一种器件，在,A,D,转换时保持住输入,信号电平，在,A,D

9、,转换结束后跟踪输入信,号的变化。,这种功能的器件就是采样保持器。,2,、采用保持器,2.2,采样保持器的工作原理,采样保持器的一般结构形式如图所示。,模拟信号,U,i,K,驱动信号,A,C,H,模拟地,U,O,组成,模拟开关,K,电容,C,H,缓冲放大器,A,在,t,1,时刻前,，,控制电路的驱,动信号为高电平时，模拟开,关,K,闭合，模拟输入信号,U,i,通过模拟开关加到电容,C,H,上，使得,C,H,端电压,U,C,跟随,U,i,变化而变化。,在,t,1,时刻，驱动信号为低电,平，模拟开关,K,断开,，,此时,电容,C,H,上的电压,U,C,保持,模拟开关断开瞬间的,U,i,值,不变并等

10、待,A,D,转换器转,换,。,工作原理如下：,t,控,制,信,号,t,模,拟,输,入,A,t,采,样,输,出,跟踪,t,1,A,2,t,2,A,1,t,3,保持,A,3,t,4,A,图,5.2,采样保持器工作原理,而在,t,2,时刻，保持结束，,新一个跟踪时刻到,来，,此时驱动信号又为高电,平，模拟开关,K,重新闭,合，,C,H,端电压,U,C,又跟,随,U,i,变化而变,化；,t,3,时刻，驱动信号为低,电平时，模拟开关,K,断,开,，,.,。,从以上讨论可知：,采样,保持器是一种用逻辑电平控,制其工作状态的器件。,采样保持器的工作状态：,跟踪状态,在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精

11、,确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持,指令为止。,保持状态,对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保,持。,采样保持器主要作用：,“稳定”,快速变化的输入信号，以减少转换误差。,用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模,拟多路开关切换下一个模拟信号。,2.3,采样保持器使用中应注意的问题,采样保持器和,A,D,转换器各完成一次动作所,需时间之和应小于采样周期,采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容,器的质量。因此，应该选择优质电容器。,2.4,常用的采样,/,保持器,常用的采样,/,保持器集成电路有,AD582,、,AD583,、,AD585,、,AD346,、,THS-00

12、25,、,LF198/298/398,等。下面以,LF398,为例，介绍集成电路,S/H,的工作原理，其他的,S/H,的原理与其大致相同。,LF398,是一种反馈型采样,/,保持器，也是较为,通用的采样,/,保持器，与,LF398,结构相同的还有,LF198,、,LF298,等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，,保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10s，,输入阻抗为，保持电容为1F时，其下降速度为,5mV/min,。双电源供电，电源范围宽，可以从,5V,到,18V,。,LF398,的组成原理图如图所示。,引脚排列如图所示。,各引脚功能如下：,?,V+,、,V-,：正负电源电压输入引脚

13、，输入范围为,5V,到,18V,。,?,OFFSET ADJ,：偏置调整引脚。可用外接电阻调整,采样,-,保持器的偏差。,?,V,IN,：输入引脚。,?,V,OUT,：输出引脚。,?,C,H,：保持电容引脚。用来外接保持电容。,?,LOGIC REF,：参考逻辑电平。,?,LOGIC,：输入控制逻辑。,LF398,典型的电源和信号的接法,保持电容,C,H,可选用漏电流较小的,聚苯乙烯电容、云母,电容或聚四氟乙烯电容,。,C,H,的数值直接影响采样时,间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电,容,C,H,的容量，但,C,H,增大时又会使其采样时间加长。,因此，当精度要求不高（,1%,）而速度

14、要求较高时，,C,H,可小至,100,f,。当精度要求高（,0.01%,）时，应,取,C,H,=1000,F,。当,C,H,400,F,时，采样时间,t,AC,与,C,H,有经验公式,t,AC,=C,H,/40,式中，,C,H,为保持电容的容量，单位为F；,t,AC,为采样,时间，单位为,s,。,保持电容的选择,三、模拟信号的调理,在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型：,传感器输出的信号,变送器输出的信号,电压信号：一般为,mV,或V信号。,电阻信号：单位为，如热电阻（,RTD,）信号，,通过电桥转换成,mV,信号。,电流信号：一般为,mA,或A信号。,电流信号：一般为,010mA,（,01

15、.5,k,负载）或,420mA,（,0500,负载）。,电压信号：一般为,05V,或,15V,信号。,模拟信号的调理理由：,2,、电流信号转化为电压信号；,注意：,信号调理电路的设计主要是根据传感器输,出的信号、变送器输出的信号及,A/D,转换器的具体,情况而有所不同。,3,、非电压信号转化为电压信号；,4,、噪音信号的抑制；,1,、电压信号的,“标准化”,；,3.1,电桥,电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流,输出的一种测量电路。,其输出既可用指示仪表直接测量，,也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，,并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了,广泛应用。

16、,与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：,按照激励电源的性质可分为,直流电桥与交流电桥,；按照桥,臂阻抗性质又可分为,电阻电桥、电容电桥和电感电桥。,（以直流电桥为例）,直流电桥的平衡条件,4,2,3,1,R,R,R,R,?,1,3,2,4,1,4,1,2,3,4,1,2,3,4,(,),(,)(,),o,ab,ad,R,R,R,R,R,R,U,U,U,U,U,R,R,R,R,R,R,R,R,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,0,(,),R,R,t,t,?,?,?,设：热电阻：,3.2,运算放大器,运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流,放大器。加上外部反馈网络可以实现

17、加、减、乘、,除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电,路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、,电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放,大器等测试装置。,（,1,）单端运算放大器,功能：,1,、输入为单端；,2,、在不存在共模电压的时候使用,（,2,）,差动放大器,当,1,2,3,F,R,R,R,R,?,?,得,2,1,1,(,),F,o,i,i,R,U,U,U,R,?,?,特点：,1,、输入为双端；,2,、在不存在共模电压的时候使用,3,、调整放大系数，则调零点破坏破坏平衡条件,（,3,）测量放大器,三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放,大器。,由电路分析可知,

18、1,1,1,1,2,(1,),o,i,i,G,G,R,R,u,u,u,R,R,?,?,?,2,2,2,2,1,(1,),o,i,i,G,G,R,R,u,u,u,R,R,?,?,?,6,4,4,1,2,3,3,6,5,(1,),o,o,o,R,R,R,u,u,u,R,R,R,R,?,?,?,?,?,通常电路中,1,2,R,R,?,3,5,R,R,?,4,6,R,R,?,则测量放大器的增益为,4,1,1,2,3,2,(1,),o,f,i,i,G,u,R,R,u,u,R,R,?,?,?,?,?,?,?,四、模拟量输入通道的设计,1,、模拟量输入通道的应考虑的问题：,信号的拾起方式；,信号的调理；,A

19、/D,转换器的选择；,电源的配置；,2,、模拟量输入通道的设计,第三节,模拟量输出通道,一,模拟量输出通道的一般结构,模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数,字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制,回路上，完成对执行机构的控制动作。,模拟量输出通道通常由,D/A,转换器、输出保持器、多路,切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。,1,、单模拟量输出通道的结构,组成：接口电路、寄存器、,D,A,转换器和放大变,换电路,2,、多模拟量输出通道的结构,多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保,持器的构成方式。,输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，,使本次控制信号维持不变。保

20、持器一般有数字保持方案,和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两,种基本结构形式。,这是一种数字保持方案。,优点,:,转换速度快，工作可靠，即使某一路,D/A,转换,器发生故障，也不影响其他通道的工作。,缺点,:,使用了较多的,D/A,转换器，使得这种结构的价,格很高。,2.1,一个通道设置一片,D/A,转换器,2.2,多个通道共用一片,D/A,转换器,共用,D/A,转换器的结构形式如图所示。,由于公用一片,D/A,转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，,即依次把,D/A,转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路,开关传送给输出采样保持器。,优点,:,节省了,D/A,转换器。,缺点

21、：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场,合。它还要使用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时,间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。,因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特,别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流,信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号,来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流,信号，完成电流输出方式的电路称为,V/I,变换电路。,电流输出方式,一般有两种形式：,1,普通运放,V/I,变换电路,2,集成转换器,V/I,变换电路,二、,电压,/,电流转化电路,2.,1,普通运放,V/I,变换电路,（,1,）,0 10 mA,的输出,+,-,V

22、,in,010,V,A,T,1,T,2,I,0,V,f,+,V,s,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,f,R,L,图为,010 V/010 mA,的变换电路，由运放,A,和三极管,T,1,、,T,2,组成，,R,1,和,R,2,是输入电阻，,R,f,是反馈电阻，,R,L,是负载,的等效电阻。输入电压,V,in,经输入电阻进入运算放大器,A,，,放大后进入三极管,T,1,、,T,2,。由于,T,2,射极接有反馈电阻,R,f,，,得到反馈电压,V,f,加至输入端，形成运放,A,的差动输入信号。,该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒,流性能。,输入电压,V,in,和输出

23、电流,I,o,之间关系如下：,若,R,3,、,R,4,R,f,、,R,L,，可以认为,I,o,全部流经,R,f,，由此可得,:,V,V,in,R,4,/,（,R,1,R,4,）,I,o,R,L,R,1,/,（,R,1,R,4,）,V,I,o,（,R,f,R,L,）,R,2,/,（,R,2,R,3,）,对于运放，有,V,V,，则,V,in,R,4,/,（,R,1,R,4,）,I,o,R,L,R,1,/,（,R,1,R,4,）,= I,o,（,R,f,R,L,）,R,2,/,（,R,2,R,3,）,若取,R,1,= R,2,，,R,3,= R,4,，则由上式整理可得,I,o,= V,in,R,3,

24、/,（,R,1,R,f,）,可以看出，输出电流,I,o,和输人电压,V,in,呈线性对应的单值函数关系。,R,3,/,（,R,1,R,f,）为一常教，与其他参数无关。,若取,V,in,0,10 V,，,R,1,= R,2,= 100 k，,R,3,= R,4,=20 k，,R,f,200 ，则输出电流,I,o,= 0 10 mA,。,（,2,）,4 20 mA,的输出,图为,1 5 V/ 4 20 mA,的变换电路，两个运放,A,1,、,A,2,均接成射极输出形式。,+,-,A,1,+,-,A,2,T,2,T,1,T,3,V,in,15V,R,1,R,2,R,f,R,L,R,3,C,I,f,I

25、,2,I,0,I,1,V,1,V,2,+,V,s,V,3,2.2,集成转换器,V/I,变换电路,图是集成,V/I,转换器,ZF2B20,的引脚图，采用单,正电源供电，电源电压范围为,10,32V,，,ZF2B20,的,输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非,线性小于土,0.025,。,三、模拟量输出通道设计举例,模拟量输出通道一般根据系统需求可由多路开关、采样,保持器、,D/A,转换器及接口电路等组成。采样保持器的,作用及工作原理如前中所述，多路开关在模拟量输出通,道中的作用是实现多选一操作，即利用多路开关将一路,D/A,转换器的输出分时切换至后级的各执行机构。,3.1,模拟量输出通道设

26、计的基本方法,模拟量输出通道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。,?,通用性,D/A,转换模板的设计应具有通用性，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。,对于电流输出而言，常用的是,0,10mA DC,或,4,20mA DC,这,两种信号范围，能满足该范围输出的电路所示。,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,I,OUT,。当短接柱,K1,

27、的,1,2,短,接时，通过调零点电位器,W1,和量程电位器,W2,，为外接负载,R,L,提供,0,10mA DC,电流；当,K1,的,1,3,短接时，通过调节,W1,和,W2,，,为,R,L,提供,4,20mA DC,电流。,D/A,转换的电流输出,若需电压输出则有单极性和双极性两种输出形式，如图,所示。当短接柱,K2,的,1,2,短接时，则为单极性电压（,0,10V,DC,）输出；,K2,的,1,4,和,2,3,短接时，则为双极性电压（,10V DC,0,10V DC,）输出。,D/A,转换的单,/,双极性电压输出,3.2,模拟量输出通道的设计,模拟量输出通道设计步骤是：,确定性能指标，设计

28、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（,a,）、（,b,）给出了具有,8,路,D/A,转换的模拟量输出通,道模板结构框图和其中,1,路的电路原理图。该模板由总线,接口逻辑、,8,片,DAC0832,以及,V/I,变换电路等组成。,8,路,D/A,转换模板,(a),图,8,路,D/A,转换模板,(b)

29、,其中每路的,D/A,转换器均接为单缓冲输入工作方式，,且均具有电压、电流两种可选的输出方式。这里的,V/I,变,换电路与负载共电源，输出电流,I,OUT,=V,CC,/R5,。当,R5,=500，,V,CC,0,5V,时，,I,OUT,=0,10mA,；当,R5,250，,V,CC,=1,5V,时，,I,OUT,=4,20mA,。,设,8,个输出数据存放在内存数据段,BUF0,BUF7,单元中，,主过程已装填,DS,，,8,片,DAC0832,占据从,CH0,开始的,8,个连续地,址，输出子程序如下：,DOUT PROC NEAR,MOV DX, CH0,MOV CX, 8,MOV BX,

30、OFFSET BUF0,NEXT: MOV AL, BX,OUT DX, AL,INC DX,INC BX,LOOP NEXT,RET,DOUT ENDP,第三节,数字量输入输出通道,一、数字量输入输出通道的结构,数字量输入输出通道一般由三部分组成：,CPU,接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入,输出电气接口亦即数字量输入信号调理和输出,信号驱动电路。,各种数字量输入输出电气接口作用：主要完成滤波、,电平转换、隔离和功率驱动等功能。,输入缓冲器功能：对输入信号缓冲、加强和选通；,输出锁存器功能：对输出信号锁存供外围设备使用；,1,信号转换处理,从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上,表

31、现为逻辑“,1,”或逻辑“,0,”，信号形式则可能是,电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往,不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转,换处理。,对于电压输入，,V1,某一值，为逻辑,1,对于电流输入，,I ,某一值，为逻辑,1,二、数字量输入信号调理和信号隔离,电压输入电路,如果是电压输入，,R1,和,R2,电阻分压，使得,V2,符合,TTL,逻辑规范,V1,V2,1,2,2,1,2,V,R,R,R,V,?,?,?,电流输入电路,如果是电流输入，,I,在电阻,R2,上的压降符合,TTL,逻辑规范,2,2,R,I,V,?,?,开关触点输入电路,对于开关输入，,S,断开，,V2=5V,

32、，为逻辑“,1,”,S,闭合，,V2=0V,，为逻辑“,0,”,V2,R,地阻值可在4.7K100K之间选取,2,安全保护措施,在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出,现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先,采取安全保护措施。,信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在,工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬,间干扰等。,就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压,（过电流），例如雷电引起的等。,因此还需要有安全保护电路。,常用的保护电路为：,输入保护电路,电平转换与保护电路组合使用的一个例子：,这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管,3,隔离处理,从工业现场获取的开关

33、量或数字量的信号电平往,往高于计算机系统的逻辑电平；,即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场,引入意外的高压信号；,因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的,安全。,常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。,下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们,除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。,工业控制的现场开关，一般使用,24VDC,电源。,注意：现场侧和,CPU,侧两边没有电的联系,（独立的电源,和地线）,现场侧,CPU,侧,机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，,通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定,下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为,5,?,10,ms,。,4,消除触点抖动,闭,合,稳,定,键,按下,前,沿抖,动,后,沿