计算机测控技术与系统第2章-计算机测控系统的硬件技术课件

1、2022/7/251第2章 计算机测控系统的硬件技术学习目标：了解测控系统常用的主机及特点掌握测控系统输入通道的设计方法掌握测控系统输出通道的设计方法了解目前工业测控系统中常用的各种过程通道接口模板2022/7/2522.1测控系统的主机 在计算机测控系统中，通常把微处理器（CPU）、内存储器、时钟电路及相关接口电路统称为主机电路。 主机电路是测控系统的核心，其性能和功能直接影响到整个系统的优劣。 构建测控系统的主机类型种类繁多，按形态可分为设备级（工控机、PLC、PAC）、芯片级（MCU、DSP、MPU、SoC）。2022/7/2531.嵌入式处理器 嵌入式处理器分为嵌入式微处理器、嵌入式微

2、控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统等几大类。 嵌入式处理器品种多、速度快、性能强、价格低，应用前景广阔。与设备级主机相比，嵌入式处理器具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点。2022/7/254（1）嵌入式微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） 嵌入式微控制器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ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。 嵌入式微控制器的特点是单片化、体积小、功耗低、可靠性高。嵌入式微

3、控制器目前的品种和数量较多，其典型代表是单片机，比较有代表性的通用系列有AT89系列。2022/7/255（2）嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU） 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，价格也比较高。 与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除了其他的冗余功能，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 目前比较流行的嵌入式微处理器是属于中档价位的ARM/StrongARM系列。 2022/7/256（3）嵌入式DSP处理器（Digital Signal

4、Processor，DSP） DSP处理器是专门用于数字信号处理方面的微处理器。由于在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使DSP处理器具有很高的编译效率和指令执行速度（运算速度比MPU快了几十倍），被大规模的应用在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上。 TI公司在1982年成功推出第一代DSP芯片之后，相继推出了多种适合不同应用、不同规格的DSP系列。在测控系统应用领域中，比较有代表性的是TI公司的TMS320F240 x系列。它是把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成在一个芯片上，其性能远远超过传统的l6位微控制器，非常适用于电机的数字化控制。2022/7/257（4）嵌入式

5、片上系统（System On Chip，SoC） 片上系统SoC是单一芯片上集成诸如MCU、RAM、DAM、I/O等多个部件。用户不需要再像传统的系统设计那样绘制庞大复杂的电路板，只需要使用精确的硬件描述语言，直接生产可以交付芯片生产厂家生产的网标文件。 SoC最大的特点就是成功地实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。 SoC往往是专用的，比较典型的产品是Philips公司的Smart XA。Soc芯片在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域发挥着重要作用。2022/7/258

6、2.工业控制计算机（IPC） 工业控制计算机是指按照工业测控系统环境要求而设计的PC机，也称为工控机或工业PC机（Industry Personal Computer，IPC）。它一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更为方便；另一方面在结构上采用总线结构，实现模块化。2022/7/259（1）工控机的组成 主机板各类输入/输出接口模板人机接口硬盘工业电源加固型工业机箱2022/7/2510（2）工控机的特点具有较完善的过程通道具有比较完善的中断系统和高速数据通道具有高可靠性具有人机联系功能能够实现复杂的控制算法具有适于控制用的软件系统2022/7/2511（3）工控机在测控系统的

7、应用形式内插式外接式组合式2022/7/25123.可编程控制器（PLC） 可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是由继电器控制系统发展而来的，以微处理器为核心的数字运算操作电子系统装置。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。2022/7/2513（1） PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎系统的设计、建造工作量

8、小，维护方便，容易改造体积小，重量轻，能耗低2022/7/2514（2） PLC的分类2022/7/2515（3）PLC的结构主机输入/输出（I/O）接口电源编程器外部设备接口2022/7/25164.可编程自动化控制器（PAC） 随着工业控制设备需求的增长，为了满足现代工业应用所提出的各项要求，自动化制造商将PLC型的确定性控制与基于PC系统的灵活组态和企业集成功能结合，形成了一种新型的控制系统，即可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）。2022/7/25172.2 测控系统的输入通道1.输入通道的概述（1）输入通道的功能 时钟功能

9、，即确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间基准；将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采样，进行A/D转换并存储数据，即完成数据的采集；对数字量按预定算法进行处理；显示和打印输出；被测参数越限时进行报警。（2）输入通道中的信息类型按所传送的信息可分为四种：数字量、模拟量、开关量和脉冲量。2022/7/2518（3）输入通道的结构类型2022/7/2519（4）设计数据采集系统所涉及的主要问题分辨率和精度。它决定了数据采集系统对A/D转换器、传感器和其他装置的精度、分辨率的要求。模拟量输入通道的数量。它决定了输入通道的结构方案，是采用单通道结构还是多通道结构。采样频率。这是输入通道

10、设计的核心问题。由于采样得到的数字信号时被采样的模拟信号在某个特定时刻的转换结果，是一种在时间和幅值上都离散的信号，其离散程度取决于采样频率。因此，采样频率的选择将直接影响采集数据的精确度。数据处理的要求。一个计算机测控系统性能的好坏，主要取决于它的速度和精度，特别是工业生产过程中的数据采集，往往要求在保证精度的条件下，应具有在线实时多路处理的功能。2022/7/25202.模拟量输入通道（1）模拟量输入通道设计中应考虑的问题信号调理：在模拟量输入通道中，为了保证模/数转换的精度，模拟信号在送到模/数转换器之前，首先要进行适当的处理。多路被测信号的切换：在计算机测控系统中，被检测的参数往往有多

11、个。一般情况下，并不是为每一个被检测信号专门配置一个模拟量输入通道，而是多个信号共用一个模拟量输入通道的一部分电路，计算机分时地切换各路信号，实现所有信号的自动检测。模/数转换方式的选择：模/数转换器可分为输出是直接的数字量并可为计算机直接读取的标准的A/D转换器和由计算机测量频率或周期，间接地实现模/数转换的V/F转换器。电源配置与干扰隔离：在模拟量输入通道中，配置的电源一般均为小功率的，但要求有较高的稳定度及纯净度。由于测量现场经常存在较多的干扰，这些干扰可能会通过电源进入模拟量输入通道，因此还要求有一定的干扰隔离与抑制措施。2022/7/2521（2）模拟量输入通道的一般结构2022/7

12、/2522（3）信号放大电路 在测控系统设计中，需要根据被测参数选择合适的传感器将非电物理量转换成电信号。而经传感器转换的电压或电流信号往往是幅值很小，很难直接进行模/数转换。因此，需要将这些模拟电信号进行放大处理。 如果没有特殊要求，一般可选用通用型运放，因为这类器件直流性能较好，种类较多，价格也比较低。 如果被放大信号输出阻抗很大，则可选用高输入阻抗的运算放大器组成放大电路。 如果系统对放大电路要求低噪声、低漂移、高精度，则可选用高精度、低漂移的低噪声集成运放。 对于视频信号放大、高速采样/保持、高频振荡及波形发生器、锁相环等场合，则需选用高速宽带集成运放。 对于需低功耗的使用场合，如便携

13、式仪表、遥感遥测等场合，可选用低功耗运放；对需高压输入/输出的使用场合，可选用高压运放；对需控制增益的场合，可选用程控运放；对其他如宽范围压控振荡、伺服放大和驱动、DC/DC变换等场合，可选用跨导型、电流型等对应的集成运放。2022/7/2523（4）滤波电路 模拟量输入信号中，常常混杂有干扰信号，应该通过滤波尽可能消除输入信号中的噪声。滤波方法有软件滤波和硬件滤波之分。硬件滤波按能通过的频率范围可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）等类型；按照滤波器电路中是否带有有源器件分为无源滤波器和有源滤波器两种。无源滤波器有源滤波器2022/7/2

14、524 滤波电路的种类很多，在进行测控系统设计时，该如何选择呢？ 在模拟量输入通道的信号调理电路中，滤波器的选择需要根据输入信号和干扰源的频谱进行选择。 若要消除低频干扰，就需要设置高通滤波器，其截止频率应高于需要滤除的干扰频率。 若要消除高频干扰，就需要设置低通滤波器，其截止频率应低于需要滤除的干扰频率。 若消除某一频带以外的干扰，就需要设置带通滤波器，一般用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成。 若要阻止某个频带范围内的干扰及噪声信号通过，可采用带阻滤波器（陷波器），一般用一个低通滤波器和一个高通滤波器并联而成。 2022/7/2525（5） I/V变换电路 在计算机测控系统设计中，为了

15、增加系统的可靠性，加快研制速度。实现系统功能的模块化，经常选用电动组合单元或变送器作为测量单元，其输出一般均为4-20mA（或0-10mA）的标准电流信号。采用电流信号传输可以提高信号远距离传送过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减。为此，当模拟量输入为电流信号时，就需要经过电流/电压（I/V）转换处理，将4-20mA（或0-10mA）的直流电流信号转换为0-5V（或0-10V）的电压信号，再送入A/D转换器进行采样。无源I/V变换原理图有源I/V变换原理图2022/7/2526（6）模拟多路开关 模拟多路开关（简称多路开关）的作用是将输入的模拟信号按一定顺序送到放大器或采样保持器。为了提高过程

16、参数的测量精度，系统对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还应具备切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠等特点。 在计算机测控系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号较多，有8通道、16通道、32通道等多种。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、CD4052、CD4066、AD7501、AD7502、AD7506、MAX354、MAX355等。 在选用多路开关时，需要考虑许多因素，如需要多少路通道；是单端输入型还是差动输入型；导通电阻多大；控制电平多高。另外，还要考虑切换速度和开关间互扰等诸多方面。2022/7/2527（7）采样

17、/保持电路（S/H） 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如果被采样的模拟信号变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。 外接电容保持电容CH ，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、聚四氟乙烯、聚丙烯电容；其容量大小与采样频率成反比：几百皮法0.01微法；2022/7/2528（8）A/D转换器及其接口技术A/D转换器的主要

18、技术参数 分辨率：是指A/D转换器的输出量变化“1”时，对应的输入模拟电压的变化量。转换时间：是指启动A/D转换到转换结束所需的时间，即完成一次A/D转换所需要的时间。转换精度：是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数作为度量单位。相对精度用相对于满量程的百分比表示。量程：是指所能转换的模拟电压的输入范围，分为单极性和双极性两种。常用的单极性量程为0-+5V，0-+10V和0-+20V；双极性量程为-5V-+5V，-10V-+10V。 工作温度范围：是指A/D转换器能够保证额定转换精度的工作温度范围。只有在一定温度范围内才能保证A/D转

19、换器的转换精度。2022/7/2529A/D转换器的选择原则A/D转换器位数的选择：可以分别利用输入信号的动态范围和分辨率确定A/D转换器的位数。A/D转换器模拟量输入方式的选择： A/D转换器的输入模拟电压可以是单极性的，也可以是双极性的。根据模拟量输入信号的形式选择A/D转换器。如果单极性输入的是正向信号，则把VIN(-)接地，信号加到VIN(+)端；如果单极性输入的是负向信号，则把VIN(+)接地，信号加在VIN(-)端；如果是双极性输入，则模拟信号加到VIN(-)端和VIN(+)端之间。A/D转换器接口形式的选择：根据微机接口特征，选择A/D转换器的接口形式。如A/D转换器的输出形式是

20、并行还是串行，是要求外部时钟还是内部具有时钟电路，有无转换结束状态信号，与TTL、CMOS电路的兼容性等。2022/7/2530A/D转换器与微处理器的接口技术A/D转换器的输出与系统数据总线的接口：A/D转换器的输出方式一般有两种。一种是具有可控的三态输出门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线连接。另一种是没有三态输出门电路。在这种情况下，A/D转换器的数据输出线不能直接和系统的数据总线相连，而是必须通过I/O接口来实现A/D转换器和CPU之间的数据传输。A/D转换器的启动信号：A/D转换器的启动方式分为自动转换和外部使能控制。多数A/D芯片属于后者，这时要先给出A/D转换器的片选信号，再给

21、出启动转换信号。信号形式有两种：电平启动信号和脉冲启动信号。电平启动信号要求在整个转换过程中都必须保证启动信号有效。脉冲信号启动是用其前沿复位ADC，后沿用于启动转换，对脉冲的宽度也有不同的要求，通常用CPU执行输出指令时发生的片选信号和写信号共同产生启动脉冲。A/D转换器和CPU的时序配合：在A/D转换器和CPU连接时，最重要的问题是时序配合问题。为了得到正确的转换结果，必须解决启动转换和读取结果数据这两步操作之间的时序配合问题。常用的方法有四种：延时等待法、保持等待法、查询法和中断响应法。2022/7/2531（9） V/F转换器及其接口技术 V/F转换器可将输入的模拟电压信号转换为频率信

22、号，是A/D转换的另一种形式，具有精度高、线性度好、应用电路简单和积分输出等特点，非常适用于非快速且远距离传送的系统。目前，V/F转换器应用最多的是电荷平衡式原理。（a） 电路结构（b） 积分器与单稳态定时器输出波形图2022/7/25323.开关量输入通道 开关量输入通道的任务是将现场的开关信号或仪表中的各种继电器接点信号转换成微机能够接收的电平信号（二进制数字量）并输入微机，以便测控系统进行适当的处理和操作。（1）开关量输入通道的一般结构2022/7/2533（2）开关量输入信号的调理信号转换电路电压输入电路电流输入电路开关触点输入电路2022/7/2534输入保护电路2022/7/253

23、5开关量消抖电路滤波消抖电路RS触发器消抖电路2022/7/2536开关量输入隔离电路光电耦合器典型结构光电隔离及电平转换电路2022/7/25374.模拟量输入通道设计举例工程背景：电阻炉温度控制系统。用一台计算机对8个相同规格的电阻炉进行温度控制。电阻炉的工作温度范围为0-1000，要求检测精度为1。2022/7/25382.3 测控系统的输出通道1.输出通道的概述 把从主机到被控过程的生产现场之间的连接装置称为输出通道。 根据测控系统主机的输出和被控对象对控制信号的要求，输出通道的主要特点是小信号输出、大功率控制。即被控对象大多是大功率伺服驱动机构，而测控系统的主机输出功率有限，要实现小

24、信号控制大功率设备，必须在通道中设置驱动装置。2022/7/2539输出通道的结构2022/7/25402.模拟量输出通道（1）模拟量输出通道的一般结构多通路共享D/A转换器结构多通路独立D/A转换器结构2022/7/2541（2）模拟量输出通道的基本组成 模拟量输出通道主要由输出数据锁存器、D/A转换器和调理电路三部分组成 输出数据锁存器主要用于保存计算机输出的数字量。 D/A转换器是模拟量输出通道的核心部件，其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量。 D/A转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱动执行机构，需要进行适当地放大或变换。2022/7/2542（3）D/A转换器 D/A转换器是把数

25、字量转换成模拟量的器件，是模拟量输出通道必不可少的核心环节。D/A转换器按数据输入方式可以分为串行和并行两类；按输出模拟信号的形式分为电流型和电压型两类。分辨率：定义为基准电压与的比，其中n为输入数字量的位数。建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出模拟信号达到离终值 相差所需的时间。转换线性度： 通常给出的是在一定温度下的最大非线性度，一般的 D/A转换器为0.01%0.03%。输出电平：是指D/A转换器输出信号的形式与大小。输入编码：是指D/A转换器输入数字量的形式，通常为二进制数。D/A转换器的主要技术参数 2022/7/2543D/A转换器的选择 模拟量输出通道中所用D/A转换器的

26、位数取决于输出模拟信号所需要的动态范围。一般输出通道所用D/A转换器的位数与输入通道中所用A/D转换器的位数相同。如果输出通道只是为了形成动态范围在20dB左右的监视波形，那么选用5-7位的D/A就够了，但在D/A转换之前必须进行数字增益控制。如果输出通道只是驱动指针式仪表，那么仪表精度应与D/A位数相匹配。 在开环系统中，D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。D/A转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。2022/7/2544 目前，多数D/A转换器件均属电流输出型的，使用时一般需要通过运算放大器转换为电压信号输出。下图给出了8位D/A转换器DAC0832的单极性和双极性两种输

27、出形式的电路图。图中，Vout1点为单极性输出，Vout2点为双极性输出。2022/7/2545（4）F/V转换电路（a）简单F/V转换（b）精密F/V转换2022/7/2546（5）信号调理电路滤波器 如果输出通道负载要求较为平滑的电压输出，则在D/A转换器输出端不仅要接S/H，而且S/H之后还要接平滑滤波器。平滑滤波器应为低通滤波器，其截止频率应满足V/I转换电路2022/7/2547线性功率驱动2022/7/25483.开关量输出通道（1）开关量输出通的基本组成 开关量输出通道一般由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成。输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；光电隔离器是为保

28、证计算机安全、可靠地工作，将CPU与驱动电路之间的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用来驱动继电器或执行机构的功率放大器。 2022/7/2549（2）开关量输出驱动电路小功率直流负载驱动电路2022/7/2550继电器输出驱动电路2022/7/2551固态继电器驱动电路直流SSR交流SSR2022/7/25524.开关量输出通道设计举例（1）直流电动机的转速控制由直流电动机工作原理可知，直流电动机的转速公式为： 根据上述直流电动机的调速原理，小功率直流电动机的转速控制方法有两种：一种是利用D/A转换器改变电枢电压；另一种是脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。其中，

29、PWM方式具有硬件投入少，精度高，实现方便、抗干扰性好等优点，已被广泛应用在直流电机调速控制系统中。2022/7/2553 PWM控制方法的基本思路是先将直流电动机启动一段时间，然后切断电源，由于直流电动机的转动具有惯性，因此将继续转动一段时间。在直流电动机尚未停止转动前，再次接通电源，直流电动机再次加速。这样，改变直流电动机电源通断时间（脉冲宽度）的比例，就可以达到调速的目的。称为占空比占空比越大，转速越高，反之，转速就越低2022/7/2554基于PWM的直流电动机转速控制系统有开环和闭环两种。开环PWM直流电动机调速系统2022/7/2555闭环PWM直流电动机调速系统2022/7/2556（2）步进电机的控制 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。 这里以三相步进电机为例，说明步进电机的控制方式。这种步进电机有三个绕组，当按不同顺序向绕组通以脉冲时，步进电机会以不同的方向转动。它的转速取决于通电脉冲的频率。因此，步进电机的通电方式决定了它的步向控制方式。三相步进电机有三种步向控制方式： 单三拍：其通电顺序为ABCA（正转）或ACBA（反转）。 双三拍：其通电顺序为ABBCCAAB（正转）或ABCABCAB（反转）