第二章 计算机控制系统的硬件设计

1、2021-7-21计算机控制系统的硬件组成框图计算机控制系统的硬件组成框图第第2 2章章 计算机控制系统的硬件设计计算机控制系统的硬件设计2021-7-22 一个计算机控制系统是一个复杂的软硬件结合体。一个计算机控制系统是一个复杂的软硬件结合体。硬件是软件的运行平台，硬件系统设计的好坏直接影硬件是软件的运行平台，硬件系统设计的好坏直接影响整个计算机控制系统的性能优劣。响整个计算机控制系统的性能优劣。 硬件系统的设计主要包括：硬件系统的设计主要包括： (1)(1)根据控制要求和运行环境选择合适的主机系统。根据控制要求和运行环境选择合适的主机系统。包括主机模式、实现人机对话的输入装置和输出装置。包

2、括主机模式、实现人机对话的输入装置和输出装置。 2021-7-23 控制用计算机与通用型计算机相比，具有的显著控制用计算机与通用型计算机相比，具有的显著特点是：特点是： 1. 1.系统实时性好；系统实时性好； 2.2.系统软硬件经过裁减，功能不多不少，从而降系统软硬件经过裁减，功能不多不少，从而降低功耗和成本；低功耗和成本； 3.3.外围功能增强；外围功能增强； 4.4.系统通信功能强，开放性与扩充性好；系统通信功能强，开放性与扩充性好； 5.5.工作稳定性好，抗干扰能力强。工作稳定性好，抗干扰能力强。 控制用计算机用于控制，性能价格比高。控制用计算机用于控制，性能价格比高。2.1 2.1 控

3、制用计算机简介控制用计算机简介2021-7-24一、工业控制计算机一、工业控制计算机（Industrial Personal Industrial Personal Computer)Computer) 工业控制计算机简称工业控制计算机简称工控机工控机。它充分利用计算机系。它充分利用计算机系统的硬件和操作系统，配以模块化的硬件板卡而组成统的硬件和操作系统，配以模块化的硬件板卡而组成的中、小规模的控制系统。的中、小规模的控制系统。 1. 1.工控机的特点工控机的特点： （1 1）高可靠性：隔离措施。）高可靠性：隔离措施。 （2 2）实时性：中断处理系统及快速信号通道。）实时性：中断处理系统及快速

4、信号通道。 （3 3）硬件配置的可装配可扩展性：模块化设计，）硬件配置的可装配可扩展性：模块化设计，硬件模板功能单一化，模板品种多样化。硬件模板功能单一化，模板品种多样化。 （4 4）可维护性：系统使用的板级产品一致性好。）可维护性：系统使用的板级产品一致性好。2021-7-252021-7-262.2.工控机总线介绍工控机总线介绍：（1 1）PCPC总线工控机：总线工控机：XTXT总线、总线、ISAISA总线、总线、EISAEISA总线、总线、PCIPCI总线、总线、CompactPCICompactPCI总线以及总线以及PC104PC104总线。总线。（2 2）STDSTD总线工控机：总线

5、工控机：8 8位工业位工业I/OI/O总线，发展成总线，发展成1616位，分时复用技术。位，分时复用技术。（3 3）VMEVME总线工控机：数据宽度总线工控机：数据宽度6464位，最大数据位，最大数据传输速度为传输速度为80MB/s80MB/s，主要采用，主要采用MotorolaMotorola公司的公司的68K68K系列微处理器。系列微处理器。（4 4）多总线工控机：）多总线工控机：MULTIBUSMULTIBUS总线，以总线，以INTELINTEL工工控机为代表。控机为代表。2021-7-27二、可编程序控制器二、可编程序控制器（PLCPLC） 以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动以微

6、处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种工业控制装置，控制技术和通信技术的一种工业控制装置， 它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点。专门为在工业环境下应用而设计的。便等优点。专门为在工业环境下应用而设计的。2021-7-281.PLC1.PLC控制系统与一般计算机控制系统的区别控制系统与一般计算机控制系统的区别 PLCPLC控制系统与一般计算机控制系统相比，控制系统与一般计算机控制系统相比，最大最大的区别在于工作方式不同：的区别在于工作方式不同： （1 1）计算机控制系统采用中断处理方式）计算机控制系统采用中断处理方式

7、 （2 2）PLCPLC控制系统采用循环扫描的方式控制系统采用循环扫描的方式2.PLC2.PLC控制系统的发展控制系统的发展（1 1）继电器逻辑控制系统发展而来）继电器逻辑控制系统发展而来（2 2）通信功能不断增强，）通信功能不断增强，PLCPLC与与PLCPLC、计算机互联、计算机互联（3 3）在线组态、编程和下载）在线组态、编程和下载（4 4）具备了集散控制系统的形态）具备了集散控制系统的形态2021-7-29PLC原理框图原理框图 2021-7-210PLC系统的硬件结构框图系统的硬件结构框图 2021-7-2112021-7-212三、单片机三、单片机（Single Chip Micr

8、ocomputer)Single Chip Microcomputer) 在工业控制和智能化系统中在工业控制和智能化系统中应用最多应用最多的模式。采的模式。采用此模式的用此模式的最大特点在于设计者可以根据自己的需最大特点在于设计者可以根据自己的需要来开发设计一个单片机系统要来开发设计一个单片机系统，方便、灵活、成本，方便、灵活、成本低。基本方法：在单片机的基础上扩展一些接口。低。基本方法：在单片机的基础上扩展一些接口。 2021-7-213单片机的特点：单片机的特点： 与微型计算机相比具有的特点：与微型计算机相比具有的特点： （1 1）集成度高、功能强：把）集成度高、功能强：把CPUCPU、R

9、OMROM、RAMRAM、I/OI/O接口、定时接口、定时/ /计数器都集成在一块芯片上。体积计数器都集成在一块芯片上。体积小，功能强，提高了可靠性。小，功能强，提高了可靠性。 （2 2）结构合理：程序存储器与数据存储器相互）结构合理：程序存储器与数据存储器相互独立，存储量大，速度快；独立，存储量大，速度快； （3 3）抗干扰能力强：集成化，内部传送数据，）抗干扰能力强：集成化，内部传送数据，不易受到外界的干扰，系统运行可靠。不易受到外界的干扰，系统运行可靠。 （4 4）指令丰富：特别是位操作指令。）指令丰富：特别是位操作指令。2021-7-214四、数字信号处理器四、数字信号处理器（DSPD

10、SP） 一种具有特殊结构的微处理器。内部采用程序和一种具有特殊结构的微处理器。内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的泛采用流水线操作，提供特殊的DSPDSP指令，可以用指令，可以用来快速地实现各种来快速地实现各种数字信号处理数字信号处理算法。算法。 TITI公司的公司的TMS320TMS320系列系列DSPDSP简介：简介：（1 1）C2000C2000系列：系列：24x/28x24x/28x，具有强大的数据处理，具有强大的数据处理和控制能力，主要用于数字控制系统。和控制能力，主要用于数字控制系统。（2

11、 2）C5000C5000系列：系列：54x/55x54x/55x，功耗低，主要用于消，功耗低，主要用于消费类电子产品。费类电子产品。（3 3）C6000C6000系列：系列：62x/64x/67x62x/64x/67x，主要用于图像处，主要用于图像处理等一些高端应用场合。理等一些高端应用场合。2021-7-2152021-7-216五、五、ARMARM处理器处理器 ARMARM是是Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines一类一类微处理器微处理器的的通称，也指英国通称，也指英国ARMARM公司，公司，3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC（精简

12、（精简指令集计算机）微处理器业界的供应商。指令集计算机）微处理器业界的供应商。 ARMARM与单片机的最大区别在于与单片机的最大区别在于ARMARM引入了操作引入了操作系统，在后期开发上，只需在操作系统上直接开发系统，在后期开发上，只需在操作系统上直接开发应用程序，修改方便应用程序，修改方便。 ARMARM分为：分为：ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10EARM10E等不同的系列。等不同的系列。2021-7-2172021-7-218六、嵌入式系统六、嵌入式系统 嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统

13、，适用于应用系统对体积、功能、的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。1. 1.嵌入式微控制器嵌入式微控制器（MCUMCU） 嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（Microcontroller UnitMicrocontroller Unit，简称，简称MCUMCU）一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了用，在芯片内部集成了ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线、总线逻辑、定时总线逻辑、定时/ /计数器、看门

14、狗、计数器、看门狗、I/OI/O口、串行口、口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、FLASH RAMFLASH RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能部件和外设。等各种必要功能部件和外设。2021-7-219 硬件系统的设计主要包括：硬件系统的设计主要包括： (2)(2)过程通道的设计。过程通道的设计。过程通道是主机系统与被过程通道是主机系统与被控对象之间进行信息交换的通道。它的设计是计控对象之间进行信息交换的通道。它的设计是计算机控制系统硬件设计的重要组成部分，对系统算机控制系统硬件设计的重要组成部分，对系统的控制精度起到决定性作用。的控制精度起到决定性

15、作用。 计算机控制系统的过程通道分为四类：计算机控制系统的过程通道分为四类： 1.模拟量输入通道模拟量输入通道; 2.模拟量输出通道模拟量输出通道; 3.数字量输入通道数字量输入通道; 4.数字量输出通道数字量输出通道;2021-7-220一一. .开关量输入通道的设计开关量输入通道的设计 2.2 2.2 数字量输入输出通道设计数字量输入输出通道设计1. 通道结构通道结构 数字量输入通道由数字量输入通道由信号调理电路信号调理电路和和输入接口电路输入接口电路构成。构成。 DI接口电路接口电路2021-7-221 在大功率系统中，需在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器要从电磁离合等大功率器件的

16、接点输入信号。件的接点输入信号。 为了使接点工作可靠，接点两端至少要加为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V24V或或24V24V以上以上的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路的直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。又简单，因而被广泛采用。 但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用但是这种电路所带电压高，容易带有干扰，通常采用光电光电耦合器进行隔离耦合器进行隔离。 ( (光电耦合器的作用：隔离和电平转换。）光电耦合器的作用：隔离和电平转换。） 2.2.开关量隔离电路开关量隔离电路 2021-7-222（a a） 采用采用RCRC滤波电

17、路滤波电路 （b b）采用）采用RSRS触发器触发器 从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成动作，转换成TTLTTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的点的机械抖动机械抖动而产生的振荡信号，通常采用而产生的振荡信号，通常采用RCRC滤波电路或滤波电路或RSRS触发电路。触发电路。3.3.开关量消抖电路开关量消抖电路 2021-7-223二、二、 开关量输出通道的设计开关量输出通道的设计 1.1.通道结构通道结构 数字量输出通道主要由数字量输出通道主要由输出接口电路输出接口电路和和输出驱

18、动电输出驱动电路路等组成。等组成。 DO接口电路接口电路2021-7-2242.开关量输出驱动电路开关量输出驱动电路 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管三极管、OCOC门门或或运放运放等方式输出。等方式输出。 （1）直流负载驱动电路）直流负载驱动电路 2021-7-225继电器输出驱动继电器输出驱动 （2）继电器输出驱动电路）继电器输出驱动电路2021-7-226（3）固态继电器驱动电路）固态继电器驱动电路DC-SSR:DC-SSR:一般用于直流大功率场合一般用于直流大功率场合光电隔离光电隔离AC-SSRAC-SSR：一般用于交流大功率设备控制场

19、合：一般用于交流大功率设备控制场合光电隔离；多数接电阻性负载，很少接电感性负载光电隔离；多数接电阻性负载，很少接电感性负载过零型、移相型过零型、移相型2021-7-228 晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算机控制系统中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大功中，可作为大功率驱动器件，具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、调率、开关无触点等特点，在交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统中有着广泛的应用。功系统、随动系统中有着广泛的应用。 晶闸管交流负载驱动电路晶闸管交流负载驱动电路（4）晶闸管交流负载驱动电路）

20、晶闸管交流负载驱动电路2021-7-229 2.3 2.3 模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的设计 一、一、 模拟量输入通道的形式模拟量输入通道的形式 1.1.多路共享多路共享A/D转换器模拟量输入通道结构转换器模拟量输入通道结构 2.2.独立式独立式A/D转换器模拟量输入通道结构转换器模拟量输入通道结构 二、模拟信号调理二、模拟信号调理采集系统信号调理采集系统信号调理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任务：的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误

21、差修正和量程零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。切换等。传感传感器器前置前置放大放大滤滤波波程控程控放大放大滤滤波波采集采集电路电路 典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的组成框图 放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”, ,即设置在调即设置在调理电路的最前端？理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？当传感器输出信号比较小，必须选用前当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。置放大器进行放大。1小信号放大电路小信号放大电路 KVVONIN/2200)()(KVKKVVININONVIN VOS前置放大器前置放大器K0后级电

22、路后级电路KVISVIN0 VON放大器噪声分析放大器噪声分析 总的等效输出噪声：总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：总的等效输入噪声：20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS=VIN加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必须使，就必须使VINVIN为使小信号不被电路噪声所淹没，为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前在电路前端加入的电路必须是放大器端加入的电路必须是放大器，即即K K0 01 1，而且而且必须是低噪声的，即该放大器本

23、身的等效输必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。放大器。2021-7-2352021-7-236（1 1）无源）无源I/VI/V变换变换 无源无源I/VI/V变换可以利用一个的精密电阻，将变换可以利用一个的精密电阻，将0 010mA10mA的电的电流信号转换为流信号转换为0 05V5V的电压信号。的电压信号。 2I/V变换电路变换电路 2021-7-237（2 2）有源）有源I/VI/V变换变换 有源有源I/VI/V变换是利用有源器

24、件运算放大器和电阻组成。变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。 2021-7-2381. 1.多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路转换器又称多路开关，多多路开关的作用是用来将各路被测路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共信号依次地或随机地切换到公共放大器或放大器或A/DA/D转换上。转换上。当多个信当多个信号共用一个号共用一个A/DA/D转换器时，就需转换器时，就需要这个器件。要这个器件。 理想工作状态：理想工作状态：开路电阻无穷开路电阻无穷大，导通电阻为大，导通电阻为0 0。要求切换速。要求切换速度快，噪声小。寿命长，工作可度快，噪声小。寿命长，工作可靠性高

25、。靠性高。 分为两大类：分为两大类：机械触点式；电机械触点式；电子开关式。子开关式。 C B A X接通接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通全不通INHCD4051CD4051原理图原理图 CD4051CD4051通道选择表通道选择表 三、模拟量输入通道的接口电路三、模拟量输入通道的接口电路 2021-7-2392.2.采样保持器采样保持器 HC 采样时，采样时，k k 闭合，闭合，V VININ通过通过A A1 1对对C CH H快速充电，快速充电，V VOUTOUT跟随跟随V VININ； 保持期间，保持期间，k k断开，断开，由于由于A A2

26、 2的输入阻抗很高，的输入阻抗很高，理想情况下理想情况下V VOUTOUT = =V VC C保保持不变。持不变。 采样保持器一旦进入采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动保持期，便应立即启动A/DA/D转换器，转换器，保证保证A/DA/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398的原理图的原理图 采样保持器的组成采样保持器的组成2021-7-240选择时主要考虑：选择时主要考虑： 输入信号范围输入信号范围 输入信号变化率输入信号变化率 多路转换器的切换速率多路转换器的切换速率 采样时间应为多少不会超过误差要求采样时间应为多少不会超过误差要求保持电容

27、保持电容CHCH的重要性：的重要性： 外接电容，决定保持时间的长短；外接电容，决定保持时间的长短； 选用低介质损耗，漏电小的电容：聚苯乙烯、聚四氟选用低介质损耗，漏电小的电容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯电容；乙烯、聚丙烯电容； 其容量大小与采样频率成反比：几百皮法其容量大小与采样频率成反比：几百皮法0.010.01微法；微法；2021-7-2413.A3.AD D转换器转换器 A A。分辨率：。分辨率： 通常用数字量的位数通常用数字量的位数n n（字长）来表示，若（字长）来表示，若n n8 8，满量程输，满量程输入为入为5V5V，则，则LSBLSB对应于模拟电对应于模拟电 。B B。转换时间

28、：。转换时间： 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成完成 n 位转换所需要的时间。位转换所需要的时间。D D。转换量程：。转换量程： 所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如0 05V5V，010V010V，5V5V十十5V5V等。等。82/V5（1 1）A AD D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2021-7-242(2) 8(2) 8位位A/DA/D转换器与转换器与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口ADC0809ADC0809与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 设设8

29、255A8255A的的A A组和组和B B组都组都工作于方式工作于方式0 0，端口，端口A A为为输入口，端口输入口，端口C C上半部上半部分为输入而下半部分为分为输入而下半部分为输出口。输出口。uADC0809ADC0809的的ALEALE与与STARTSTART引脚相连接，将引脚相连接，将PC0PC0PC2PC2输出的输出的3 3位位地址锁存入地址锁存入08090809的地的地址锁存器并启动址锁存器并启动A/DA/D转转换；换；u ADC0809ADC0809的的EOCEOC同同OEOE输入控制端相连接，输入控制端相连接，当转换结束当转换结束时，开放数时，开放数据输出缓冲器；据输出缓冲器；

30、uEOCEOC信号还连接到信号还连接到8255A8255A的的C C口，口，CPUCPU通过通过查询查询PC7PC7的状态而控制数据的输入过程。的状态而控制数据的输入过程。 2021-7-243三、三、 模拟量输入通道设计模拟量输入通道设计 1. 1.如果模拟输入电压已满足如果模拟输入电压已满足A/DA/D转换量程要求，就不必再转换量程要求，就不必再用前置放大器用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器固定的传感器 ； 2.2.

31、采样保持器采样保持器(S/H)(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号且在原则上直流信号或变化缓慢的信号且在A/DA/D转换精度之内，转换精度之内，可以不用采样保持器。可以不用采样保持器。 3.A/D3.A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。 4.A/D4.A/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。象。1. 1. 设计原则设计原则2021-7-244 A/DA/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般转换器的精度与传感器的精度有关，

32、一般比传比传感器的精度高一个数量级感器的精度高一个数量级； 根据输入模拟信号的动态范围可选择根据输入模拟信号的动态范围可选择A/DA/D转换器位转换器位数数n n 还必须注意：还必须注意：A/DA/D输入输出的方式输入输出的方式A/DA/D芯片对启动信号的要求芯片对启动信号的要求A/DA/D芯片与芯片与CPUCPU的配合方式的配合方式2. A/D2. A/D转换器的选择转换器的选择2021-7-2452 24 4 模拟量输出通道的设计模拟量输出通道的设计 一、模拟量输出通道的结构形式一、模拟量输出通道的结构形式 共用共用D DA A转换器的结构转换器的结构 一个通路一个一个通路一个D DA A

33、转换器的结构转换器的结构 模拟保持模拟保持。只适用于通路数量多且速度要只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。求不高的场合，可靠性较差。数字保持数字保持。转换速度快、工作可转换速度快、工作可靠。靠。2021-7-246二、模拟量输出通道的组成模块二、模拟量输出通道的组成模块 D/A D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。统之间的接口。主要技术指标如下：主要技术指标如下：1. D/A1. D/A转换器转换器A A。分辨率：。分辨率： D/AD/A转换器的分辨率定义为基准电压转换器的分辨率定义为基准电压 与与 之比值，其中之比值，其中n n为为D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。REFVn2B B。稳定时间。稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到