第二章 计算机控制系统的硬件基础

1、计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 2.1 计算机控制技术计算机控制技术2.2 常用的控制计算机常用的控制计算机2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道2.4 模拟量输出通道模拟量输出通道2.5 数字量输入输出通道数字量输入输出通道计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院流体控制技术流体控制技术测量元件：就地式气动仪表测量元件：就地式气动仪表执行元件：气动或液压元件。如气缸、气泵、执行元件：气动或液压元件。如气

2、缸、气泵、 液压缸、液压泵、液压马达等液压缸、液压泵、液压马达等电气电子技术电气电子技术气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主气动、电动单元组合式仪表和集中控制室：主要是基于要是基于4-20mA电流信号的仪表和控制系统电流信号的仪表和控制系统计算机控制技术计算机控制技术基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技基于微处理器的自动控制技术。计算机控制技术和系统已成为整个企业自动化的核心基础，术和系统已成为整个企业自动化的核心基础，不仅用于生产的自动化监控，也是上层管理信不仅用于生产的自动化监控，也是上层管理信息系统的数据源和基础核心模块。息系统的数据源和基础核心模块。1计算机控制系统计算机控制系

3、统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院管理自动化管理自动化过程自动化过程自动化基础自动化基础自动化工业过程综合自动化系统工业过程综合自动化系统将将生产过程的生产工艺技术、生产过程的生产工艺技术、设备运行技术、和生产过程设备运行技术、和生产过程管理技术集成起来，实现生管理技术集成起来，实现生产过程的优化控制、优化运产过程的优化控制、优化运行和优化管理，从而保证与行和优化管理，从而保证与产品质量、成本及相关的综产品质量、成本及相关的综合生产指标优化。合生产指标优化。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础

4、计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院流程工业流程工业过程控制技术是将与产品的质量、产量、成过程控制技术是将与产品的质量、产量、成本相关的经济技术指标自动转化为流程工业本相关的经济技术指标自动转化为流程工业生产过程各工序自动控制的系统参数，从而生产过程各工序自动控制的系统参数，从而保证达到产品的微观组织和最终性能的高技保证达到产品的微观组织和最终性能的高技术。以术。以PLC和工控机为主。和工控机为主。难点：很多过程中的非线性特性难点：很多过程中的非线性特性离散工业离散工业离散工业自动化的主要特征是计算机集成制离散工业自动化的主要特征是计算机集成制造系统，即造系统，即

5、CIMS。它将信息技术、现代管。它将信息技术、现代管理技术与先进设计制造技术相结合，应用于理技术与先进设计制造技术相结合，应用于企业产品生命全周期。离散工业企业的生产企业产品生命全周期。离散工业企业的生产现场底层的核心控制器通常是专用的。现场底层的核心控制器通常是专用的。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院工业生产过程中的计算机控制系统内常见的核工业生产过程中的计算机控制系统内常见的核心控制器分别为心控制器分别为 工业控制计算机工业控制计算机 IPC （简称工控机简称工控机） 可编程序控制器可编程序

6、控制器PLC 单片机单片机中小型控制系统中的主中小型控制系统中的主要控制装置，也是大型要控制装置，也是大型网络控制系统中的控制网络控制系统中的控制单元单元在智能控制仪表、智能网络控在智能控制仪表、智能网络控制器及小型控制器中应用广泛制器及小型控制器中应用广泛计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 使用于使用于工业环境工业环境的专用工控机，成为实现低成本的专用工控机，成为实现低成本 工业自动化的重要途径工业自动化的重要途径 以计算机为核心的测量和控制系统，以计算机为核心的测量和控制系统， 处理来自处理来

7、自工工 业系统业系统的输入信号，再根据控制要求输出控制信的输入信号，再根据控制要求输出控制信 号去控制生产过程号去控制生产过程 硬件上，由生产厂家按照某种标准总线，设计制硬件上，由生产厂家按照某种标准总线，设计制 造符合造符合工业标准工业标准的主机板及各种的主机板及各种I/O模块，设计者模块，设计者 和使用者只要选用相应的功能模块，可灵活地构和使用者只要选用相应的功能模块，可灵活地构 成各种计算机控制装置成各种计算机控制装置计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1 典型的工控机由加固型工业机箱、工业电

8、源、显示典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。（a）外部结构）外部结构 （b）外部结构）外部结构图图2.2-1 工控机的主机箱结构工控机的主机箱结构计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院主机主机板板人人- 机机接口接口系统系统 支持支持磁盘磁盘系统系统通信通信接口接口外部总线外部总线内部总线内部总线模拟量模拟量输入通道输入通道A

9、I模拟量模拟量输出通道输出通道AO数字量数字量输入通道输入通道DI数字量数字量输出通道输出通道DO工控机的各部件均采用模块化结构，即在一块无源的工控机的各部件均采用模块化结构，即在一块无源的平行底板总线上，接插多个功能模块组成一台工控机平行底板总线上，接插多个功能模块组成一台工控机图图2.2-2 工控机的硬件组成结构工控机的硬件组成结构计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 包括实时多任务操作系统、引导程序、包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如调度执行程序，如Intel公司的公司的iRM

10、x86实时多任务实时多任务操作系统。此外也使用操作系统。此外也使用MS-DOS，Windows软件软件软件开发的辅助软件，包括汇编语言、软件开发的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、调试程序、诊断程序等。高级语言、编译程序、调试程序、诊断程序等。针对某个生产过程而编制的控制和管理针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，包括过程输入输出程序、过程控制程序、程序，包括过程输入输出程序、过程控制程序、人人机接口程序、打印显示程序及公共子程序机接口程序、打印显示程序及公共子程序系统软件系统软件工具软件工具软件应用软件应用软件计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算

11、机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 可靠性高可靠性高 常用于连续的生产过程常用于连续的生产过程实时性好实时性好 实时地响应被控对象的各种参数的变化实时地响应被控对象的各种参数的变化环境适应性强环境适应性强 温度温度/湿度、防尘湿度、防尘/腐蚀腐蚀/震动冲击等震动冲击等丰富的输入输出模块丰富的输入输出模块 模拟模拟/数字数字/脉冲量等脉冲量等I/O模块模块系统扩充性和开放性好系统扩充性和开放性好 控制软件包功能强控制软件包功能强系统通信功能强系统通信功能强冗余性冗余性 在对可靠性要求很高的场合，要求有双机在对可靠性要求很高的场合，要求有双机工作及冗余系统工作及冗余系统

12、计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院总线总线：构成微机系统的各类插件板之间的互联和通：构成微机系统的各类插件板之间的互联和通信通过信通过系统总线系统总线来完成。这种系统总线是一来完成。这种系统总线是一种标准化的总线电路，它提供通用的电平信种标准化的总线电路，它提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。号来实现各种电路信号的传递。总线标准总线标准：实际上是一种接口信号的标准和协议。：实际上是一种接口信号的标准和协议。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬

13、件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院微机内部微机内部各功能模块各功能模块间进行通信的总线，也称为间进行通信的总线，也称为系统总线系统总线。目前工控领域应用较多的内部总线有。目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、总线、ISA总线和总线和PCI总线。总线。 （IBM PC总线系列）总线系列）PC/XT总线总线：Intel 8088微处理器，微处理器，8位数据线、位数据线、20位地址线和若干控制线，共位地址线和若干控制线，共62引脚引脚计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 也称为也称为（

14、Industry StandardArchitecture）总线标准总线标准为了和为了和Intel 80286 16位机兼容，对位机兼容，对XT总线在电总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原气和机械特性上作了较大的扩充，在原62引脚的引脚的基础上有增加了一个基础上有增加了一个36引脚插座而形成：引脚插座而形成：16位数位数据总线、据总线、24位地址总线、位地址总线、15个中断并提供共享功个中断并提供共享功能，能， 8个个DMA通道。通道。1989年，年，COMPAQ公司联合公司联合HP、AST等等9家计算家计算机公司，在机公司，在ISA总线基础上，推出了适应总线基础上，推出了适应32位微处

15、位微处理器的系统总线标准理器的系统总线标准EISA（Extended Industrial Sdandard Architecture），与），与ISA兼容。兼容。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 PCI总线（总线（Peripheral Component Interconnect， 外围部件互连总线）外围部件互连总线） 介于介于CPU芯片级总线和系统总线之间的一级总芯片级总线和系统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得的数据传输率得以大大提高。以大大提

16、高。PCI总线支持总线支持64位数据传送、多总位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式。线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 PCI传输率高。最大传输率数据传输率分别为传输率高。最大传输率数据传输率分别为 总线时钟工作频率总线时钟工作频率33MHz，与，与CPU时钟无关，时钟无关，总线的数据宽度为总线的数据宽度为32位，可扩充至位，可扩充至64位。位。133Mb/s和和266Mb/s，PCI Express数据传输数据传输率可以达到率可以达到8G

17、b/s。能提高硬盘、网络界面卡、。能提高硬盘、网络界面卡、的性能，充分发挥影像、图形及各种高速外围的性能，充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。设备的性能。 采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，节省线路空间，降低设计成本。数，节省线路空间，降低设计成本。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院外部总线外部总线 指用于计算机与计算机或计算机指用于计算机与计算机或计算机与其他智能外设之间的通信线路。常用的外部与其他智能外设之间的通信线路。常用的外部总

18、线有总线有IEEE-488并行总线、并行总线、RS-232C串行总线串行总线和和RS-485通信总线。通信总线。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 ISA 总线工控机总线工控机 （ISA BUS-IPC）：一般工业环境）：一般工业环境 PCI 总线工控机总线工控机（PCI BUS-IPC）：采用）：采用Intel 盒式工控机盒式工控机（BOX-PC）：适于工厂环境中的小）：适于工厂环境中的小 盘式工控机盘式工控机（PANEL-PC）：适于机电一体化的）：适于机电一体化的型数据采集使用型数据采集使用

19、控制器控制器芯片和芯片和PCI总线构成总线构成 VESA总线工控机总线工控机（VESA BUS-IPC）：与）：与ISA计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 Compact PCI 工控机工控机：PCI总线欧式插卡结构总线欧式插卡结构总线工控机相比，具有较高的显示速度和总线工控机相比，具有较高的显示速度和I/O读写读写速度，适用于作监控操作站，对实时图像处理应速度，适用于作监控操作站，对实时图像处理应用更为合适。用更为合适。 工业级工作站工业级工作站（Industrial Workstation）：

20、将）：将主机、显示器、操作面板集成一体的工控机主机、显示器、操作面板集成一体的工控机 新型工控机新型工控机（New Type IPC）计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院（Peripheral Component Interconnect）工控）工控 机及其变形机，如机及其变形机，如AT96总线工控机等。总线工控机等。？ 由于基础自动化和过程自动化对工业由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的IPC已经不能完全满

21、足要求，将逐渐退出该领域，已经不能完全满足要求，将逐渐退出该领域，取而代之的将是取而代之的将是Compact PCI-based工控机，而工控机，而IPC将占据管理自动化层。将占据管理自动化层。 1990s末期，末期， 以以Compact PCI总线工控机总线工控机为核心的为核心的第三代工控机技术占主导地位。第三代工控机技术占主导地位。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基及可

22、热插拔等，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和和IPC之后的第三代工控机的技术标准。之后的第三代工控机的技术标准。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院可编程序逻辑控制器可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）最早于最早于1969年问世，是一种专为工业环境应用而年问世，是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。设计的微机系统。其存储器用来存储用户的指令，通过数字或模拟其存储器用来存储

23、用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、记数的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、记数和运算等功能。和运算等功能。PLC可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连锁可按照逻辑条件和时序进行顺序动作，或连锁保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发展保护动作的控制，离散量的数据采集监视，已发展成取代成取代继电器继电器线路和以进行线路和以进行顺序控制顺序控制为主的产品。为主的产品。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 一般指非一般指非PC系统，有计算机功能但又不能称之系统，有计算机功

24、能但又不能称之为计算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：为计算机的设备或器材，面向特定应用。常见的有：基于基于PC/104总线的微型计算机，可以嵌入到设总线的微型计算机，可以嵌入到设备、仪器之中，故得名。备、仪器之中，故得名。即单片机微型计算机，又称为微控制器。它将计即单片机微型计算机，又称为微控制器。它将计算机主机（算机主机（CPU、内存和、内存和I/O接口）集成在一小块接口）集成在一小块硅片上的计算机。为工业测控而设计。硅片上的计算机。为工业测控而设计。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院由

25、于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式由于嵌入式工控机的存储量有限，所以在嵌入式工控机中普遍使用实时多任务操作系统（工控机中普遍使用实时多任务操作系统（Real Timer Operating System，RTOS），常见的软件），常见的软件有：有：Unix、Linus、PSOS、VxWorks、Window CE、iRMX386和和Lynx OS等。等。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1 工业控制计算机工业控制计算机IPC在中国的发展大致经过三个在中国的发展大致经过三个第一阶段第一阶段：从

26、：从1980s-1990s初，以国外品牌为主，初，以国外品牌为主，第二阶段第二阶段：1991-1996年，台湾生产的价格适中的年，台湾生产的价格适中的IPC工控机开始大量进入大陆市场，这工控机开始大量进入大陆市场，这在很大程度上加速了在很大程度上加速了IPC市场的发展，市场的发展，其应用也从传统工业控制向数据通信、其应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸延伸价格昂贵价格昂贵阶段阶段计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第三阶段第三阶段：

27、从：从1997年开始，大陆本土的年开始，大陆本土的IPC厂商进入厂商进入该市场，促使该市场，促使IPC的价格不断降低，使工的价格不断降低，使工控机的应用水平和应用行业发生极大变控机的应用水平和应用行业发生极大变化。目前中国化。目前中国IPC工控机的大小品牌约有工控机的大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、个左右，主要有研华、凌华、研祥、深圳艾雷斯和华北工控等。后来又出现深圳艾雷斯和华北工控等。后来又出现了个人计算机（了个人计算机（PC）+ 单回路可编程序单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统控制器组合的计算机控制系统计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础

28、计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院PLC直到直到1980s初才为中国技术人员所熟悉。国初才为中国技术人员所熟悉。国内的行业比较萧条，在我国未形成制造产业。内的行业比较萧条，在我国未形成制造产业。PLC的市场潜力是十分巨大的，需要应用的市场潜力是十分巨大的，需要应用PLC的的场合很多。例如，从技术创新角度看，我国大中场合很多。例如，从技术创新角度看，我国大中型企业还要大力发展型企业还要大力发展CIMS，在机械制造厂要形成，在机械制造厂要形成柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufactory System，FMS），而），而PLC是基础。是基础。计

29、算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院从从1970s中后期起，首先由大型进口化工设备成套中后期起，首先由大型进口化工设备成套中引入国外的中引入国外的DCS。后来一段时间，我国主要应。后来一段时间，我国主要应用行业（如电力、石化、建材和冶金等）的用行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。基本全部进口。1990s，国产化研制技术攻关取得，国产化研制技术攻关取得实质性进展。目前产品技术水平已达到或接近国实质性进展。目前产品技术水平已达到或接近国际先进水平。际先进水平。目前国内目前国内DCS中的

30、现场控制器采用的还是第二代中的现场控制器采用的还是第二代IPC工控机产品。现在已开始用新一代工控机产品。现在已开始用新一代Compact PCI总线总线和和PXI总线工控机总线工控机替代。替代。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压把表征被控对象运动状态的模拟信号（温度、压力、流量、液位、位移、速度等）转换为计算机力、流量、液位、位移、速度等）转换为计算机可以接受的数字信号，送入计算机，以便进行数可以接受的数字信号，送入计算机，以便进行数字化处理。字化处理。2

31、计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院计计算算机机接口接口电路电路 采样采样保持器保持器 前置前置放大器放大器 A/D转换器转换器多多路路模模拟拟开开关关 前置前置滤波器滤波器 信号变信号变换器换器被被控控对对象象控制电控制电路路 前置前置滤波滤波 信号变信号变换器换器信号变换器信号变换器把非电模拟信号转变为电信号把非电模拟信号转变为电信号前置滤波器前置滤波器滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机

32、控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院多路模拟开关多路模拟开关在计算机控制系统中，往往是十几路在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只或几十路模拟信号共用一只A/D转换转换器，可以降低通道及系统的成本，提器，可以降低通道及系统的成本，提高高A/D转换器的利用率。多路模拟开转换器的利用率。多路模拟开关轮流切换各路信号。常用的芯片是关轮流切换各路信号。常用的芯片是CD4051.前置放大器前置放大器与一般测量系统中的放大器相比，在与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性、极强共模抑制比高增益、高稳定性、极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别。等方面

33、的性能要求，没有什么差别。不同的是，希望放大器的增益，可由不同的是，希望放大器的增益，可由计算机通过编程来设置或改变，以适计算机通过编程来设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求。应各路信号变化范围的要求。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院采样保持器采样保持器对模拟信号进行采样并保持其值对模拟信号进行采样并保持其值A/D转换器转换器它是模拟量输入通道的核心环节，必不可它是模拟量输入通道的核心环节，必不可少。其作用是把来自被控对象的模拟量，少。其作用是把来自被控对象的模拟量，转换为计算机所要求的数字

34、量转换为计算机所要求的数字量.常用的芯片常用的芯片有有8位的位的ADC0809及及12位的位的AD574. 接口和控制接口和控制电路电路它是计算机与模拟量输入通道之间的连接它是计算机与模拟量输入通道之间的连接电路，其作用可归结为：启动电路，其作用可归结为：启动A/D转换，并转换，并将转换结果送计算机将转换结果送计算机 A/D通道的通道的隔离电路隔离电路可采用光电耦合器件，隔断输入通道与被可采用光电耦合器件，隔断输入通道与被控对象之间因公共信号传输线引入的干扰控对象之间因公共信号传输线引入的干扰计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机

35、电工程学院中南大学机电工程学院-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负负载载( 外接)外外接接地地TUOV( 外接)( a ) 经典的前置放大器3A2A-NIVN负负载载( 外接)外外接接地地TUOV( b ) 可变增益放大器1 6 K1 6 K1 6 K1 6 K2481 63 26 41 2 82 5 68 0 K2 6 . 6 7 K1 1 . 4 3 K5 . 3 3 K2 . 5 8 K1 . 2 7 K3 1 4 6 3 0 图图 2 - 6 前置放大器器-+1AIV+计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础

36、中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt图 2-8 采样保持器 路电理原)a (性波作工)b(采样保持常用的采样常用的采样保持器有保持器有AD582、AD583、 LF198/398等。等。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院反馈电压D / A转换器VIN比较器控制时序和逻辑电路逐位逼近寄存器(SAR)数字量输 出锁存器启动CLK模拟量输 入VOVCD0图图 2-9 逐逐位位逼逼近近式式A/D转转换换原原理理图图 D1D2D3（1）逐位逼近式）逐位逼近式

37、A/D转换器转换器（2）双积分型）双积分型A/D转换器转换器（3） 型型A/D转换器转换器计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院VIN0VIN1VIN7VIN6VIN5VIN4VIN3VIN2三态输出锁存缓冲器DO0DO1DO2DO3DO4DO6DO5DO7地址锁存 与译码ABCALEOECLOCKSTARTADC08098路A/D转换器 138译码器ABCGAGBG1A0A1A2D0D7D6D5D4D3D2D1IOWIORAENA7A6A5A4A3PC总线Y0Y1EOCPAPB12602(1)02(

38、2)02(3)图 3-15 查询方式读A/D转换数计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从或或电流信号，作用在相应的模拟执行器上，从而实现对被控对象的控制。而实现对被控对象的控制。计计 算算 机机寄存器寄存器D/A转换器转换器后置滤波器后置滤波器多多 路路 模模 拟拟 开开 关关接口接口控制控制电路电路输出输出1输出输出2输出输出32计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算

39、机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院D/A转换器转换器是模拟输出通道中的核心部件，必不可少。是模拟输出通道中的核心部件，必不可少。常用的芯片有常用的芯片有8位的位的DAC0832及及12位的位的DAC1210零阶保持器零阶保持器D/A转换器具有数据输入锁存功能，其输出转换器具有数据输入锁存功能，其输出模拟量能在一个采样周期内保持不变，即具模拟量能在一个采样周期内保持不变，即具有零阶保持器的功能。有零阶保持器的功能。 零阶保持零阶保持作用的实作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，使时间轴上的离散信号，

40、变为时间轴上的连使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号。它是数字信号重构为模拟信号的重续信号。它是数字信号重构为模拟信号的重要步骤。要步骤。后置滤波器后置滤波器对对D/A转换及零阶保持环节输出的信号，进转换及零阶保持环节输出的信号，进行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。它是数字信号它是数字信号重构重构为模拟信号的重要步骤。为模拟信号的重要步骤。计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院多路模拟开关多路模拟开关其作用与模拟量输入通道中的多路模拟开其作用与模拟量输

41、入通道中的多路模拟开关的作用正好相反。由于关的作用正好相反。由于CD4051芯片是可芯片是可以双向工作的，因此也可以用在模拟量输以双向工作的，因此也可以用在模拟量输出通道中。出通道中。接口控制电路接口控制电路它具有控制数字信号的输出、它具有控制数字信号的输出、D/A转换的启转换的启停、多路模拟开关的切换等功能。停、多路模拟开关的切换等功能。 D/A通道的通道的隔离电路隔离电路由于由于D/A通道的输出直接与被控对象相连，通道的输出直接与被控对象相连，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采用光

42、电耦合器件用光电耦合器件计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院+A-数数字字量量输输入入TUOV基基准准电电压压关关开开换换切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R电阻网络 图图 3-2 D/A 转换器原理框图R2D3D0D运运算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfb计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章

43、 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要工业控制计算机用于生产过程的自动控制，需要处理一些最基本的输入输出信号，即处理一些最基本的输入输出信号，即数字量数字量（开开关量关量）信号，包括开关的闭合与断开、指示灯的）信号，包括开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等。经过一定的启动与停止、阀门的打开与关闭等。经过一定的电路将的电路将“导通导通”和和“截止截止”两个状态，用二进两个状态，用二进制的逻辑制的逻辑“1”和和“0”代表。代表。5,3计算机控制系统计算机控制系统第二章第二章 计算机控制系统的硬件基础计算机控制系统的硬件基础 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院路电离隔合耦电光3-4图递传相同量字数递传相反量字数+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273数据