计算机控制系统课件

计算机控制系统主讲教师:路飞山东大学控制科学与工程学院Email:lawyerlf@;Tel:88392115计算机控制系统复习(一)主要知识点

1对前四章重点内容的回顾

2习题复习(一)主要知识点1对前四章重点内容的回顾1前四章重点内容回顾1．绪论部分了解计算机控制系统的构成原理了解计算机控制系统硬件组成与软件组成初步认识微型计算机控制系统分类1前四章重点内容回顾1．绪论部分

计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表组成的控制系统中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。

计算机控制系统的组成原理计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表组成的控制计算机控制系统执行控制程序的过程步骤a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；c.实时输出控制--根据控制决策，实时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；d.信息管理--信息共享与管理。计算机控制系统执行控制程序的过程步骤a.实时数据采集--对来在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连

◆离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开

◆实时（Realtime）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完成

◆在线与实时的关系

—

一个在线系统不一定是实时系统

—

一个实时系统必定是在线系统几个常用术语在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连几个常

计算机控制系统由两大部分组成—一部分是计算机及其输入输出通道,另一部分是工业生产对象。

硬件组成

软件组成计算机控制系统的组成计算机控制系统由两大部分组成—一部分是计算机及其输硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：主机—CPU＋RAM＋ROM＋系统总线常规外部设备——输入/输出设备、外存储器等过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO外部设备—接口电路运行操作台—CRT、LED、LCD等网络通信接口—RS-232C通信接口等实时时钟工业自动化仪表硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：系统总线微控制器或微处理器ROMRAM人机接口网络通信接口实时时钟电源接口A/D模拟开关变送器传感器传感器工业生产对象接口A/D模拟开关执行机构接口数字量输入接口数字量输出计算机控制系统硬件组成框图

系统总线微控制器或微处理器ROMRAM人机软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解决各种问题，必须为它编制软件；所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的；软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解计算机控制系统的分类数据采集系统（DAS）操作指导控制系统(OGC)直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统（SCC）集散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）工业过程计算机集成制造系(CIMS）计算机控制系统的分类数据采集系统（DAS）操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）

DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。直接数字控制系统（DDC）DDC系统--是用一台计算计算机生产过程显示打印机报警给定值直接数字控制系统接口输入通道检测接口输出通道执行器计算机生产过程显示打印机报警给定值直接数字控制系统接口输入通监督计算机控制系统（SCC）

监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。监督计算机控制系统（SCC）监督计算机控制系统即SCC

监督计算机控制系统的两种结构形式工艺数据工艺数据显示打印报警显示打印报警机算计CCS机算计CCS测量测量控制控制模拟控制器CDD生产过程生产过程用计算机(a)统系器制控拟模+CCS给定值给定值统系制控CDD+CCS(b)监督计算机控制系统的两种结构形式工艺数据工艺数据显示打印报DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，不能根据生产工艺信息的变化及时修改，因此无法使生产过程处于最优工况；

SCC系统中，计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，因此使生产过程始终处于最优工况。DDC系统与SCC系统的区别DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设1前四章重点内容回顾

2.总线部分总线的组成及功能RS-232C和RS-485串行通信接口及其区别1前四章重点内容回顾2.总线部分总线定义:

采用总线结构是微型计算机系统体系结构的特点之一。总线是若干连线的集合。是计算机各模块间进行信息传输的通道；包括通道控制、仲裁方法、传输方式等内容。总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解总线对工程技术人员来说很重要。总线定义:总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解总线对工程总线分类:

在计算机系统中，一般将总线分为内部总线（系统总线）和外部总线。内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通信的通道，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。如：ISA总线、PCI总线、STD总线。外部总线—用于计算机系统与系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。有两类：并行总线：各位间并行传输；串行总线：各位间串行传输。总线分类:内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通信的通道，总线组成:数据总线地址总线控制总线电源总线组成:

数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道；通常用D0、D1…Dn表示数据位的序号,序号和数据的位权一致；

n表示数据宽度,表示总线传输数据的能力；数据总线宽度基本上表征了总线数据传输能力,反映该总线的性能。数据总线

地址总线是外部设备和总线主控设备之间传送地址信息的通道；通常用A0、A1…An表示；地址总线的宽度表明了该总线的寻址范围。地址总线

控制总线是专供各种控制信号传递的通道，总线操作的各项功能都是由控制总线完成的；是总线信号中种类最多、变化最大、功能最强的信号，最能体现总线特色；不同总线标准最大的不同体现在控制总线上，地址总线、数据总线、电源可以相同或相似。控制总线

电源

+12V、-12V、+5V、-5V是系统必备总线；计算机系统发展的趋势：向低压发展。电源总线功能总线功能是计算机总线研究的重点；

A-BUS、D-BUS、C-BUS的功能：数据传输功能；中断功能；多主设备支持功能；错误处理功能。总线功能RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）是数据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。数据通信设备DCE(DataCommuni_cationEquipment)的任务是实现由源点到目的点的传输，通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其它一些中间装置的集合。目前RS—232C接口已成为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为RS-232C总线接口标准。RS-232C串行通信接口RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定RS-232C的电气特性

由于RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。为了增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力，RS-232C采用了较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑，即规定逻辑“1”状态电平为-15~-5V，逻辑“0”状态电平为+5~+15V。

RS-232C的电气特性由于RS-232

由于计算机均采用TTL逻辑电平。TTL电平规定低电平“0”在0~+0.8V之间，高电平“1”在+2.4~+5V之间，因此在TTL电路与RS-232C总线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换，否则将使TTL电路烧毁。

RS-232C采用电平传输，在通信速率为19.2kbit/s时，其通信距离只有15m，若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。由于计算机均采用TTL逻辑电平RS-485串行通信接口

在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的。它实际就是RS-422总线的变型，二者不同之处在于：RS-422为全双工，采用两对差分平衡信号线；而RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号线。RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。

RS-485串行通信接口在许多工业过程控制中，往RS-485的接口采用二线差分平衡传输；当采用+5V电源供电时，若差分电压信号为-2500~-200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信号为+2500~+200mV时，为逻辑“1”；若差分电压信号为-200~+200mV时，为高阻状态；RS-485的接口电路本章从略。RS-485的接口采用二线差分平衡传输；1前四章重点内容回顾3．人机接口部分按键的抖动干扰及其解决方法独立式键盘的结构原理及其接口电路矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法和线反转法1前四章重点内容回顾3．人机接口部分

键盘的特点与确认

由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰，其产生的波形如下图所示，当按键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会产生后沿抖动。这是所有机械触点式按键在状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取决于按键的机械特性与操作状态，一般为5~10ms，此为键处理设计时要考虑的一个重要参数。

键盘的特点：

键盘的特点与确认由于机械触点的弹性振动，按键抖动波形按键抖动波形

键盘的特点与确认按键的电路如右图所示。当S按下时，VA=0，为低电平；当S未按下时，VA=1，为高电平；反之依然。按键的闭合与否，反映在电压上就是呈现高电平或低电平。通过对电平高低状态的检测，便可判断按键按下与否。

按键的确认：VAS按键电路+5V

键盘的特点与确认按键的电路如右图所示。当S按下时，VA

键盘的特点与确认硬件方法：RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路软件方法软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。

消除按键的抖动：

键盘的特点与确认硬件方法：RC滤波消抖电路或RS双稳态

独立式按键扩展

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。通过检测输入线上的电平状态即可判断哪个键被按下。特点：电路配备灵活，软件结构简单。在按键数量大时，输入口浪费大。适应于按键较少或操作速度较高的场合。

独立式按键扩展独立式按键就是各按键相

独立式按键扩展

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA78255A+5VS1S2S3S4S5S6S7S8采用8255A扩展独立式按键

采用可编程并行接口

独立式按键扩展PA082

独立式按键扩展采用74HC245扩展独立式按键

采用三态缓冲器

1A1B2A2B3A3B4A4B5A5B6A6B7A7B

8A8BDIR74HC245+5VS1S2S3S4S5S6S7S8D1D0D2D3D4D5D6D7KEYCS

独立式按键扩展采用74HC245扩展独立式按键采用三

矩阵键盘工作原理

矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列矩阵结构，在每根行线与列线的交叉处，二线不直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接M×N个按键。其结构如下图所示。在按键数量较多的场合，比独立式键盘节省I/O口。矩阵键盘工作原理矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线矩阵键盘工作原理+5V012312344567111098121314154321矩阵式键盘结构矩阵键盘工作原理+5V0123123445671110981矩阵键盘工作原理由上图可知：行线通过上拉电阻接到+5V上；无按键动作时，行线处于高电平状态，有按键按下时，行线电平状态取决于与之相连的列线电平，这是识别矩阵键盘是否被按下的关键；矩阵键盘中，由于各按键彼此影响，必须将行、列线信号配合起来并做适当处理，才能正确确定闭合键的位置。矩阵键盘工作原理由上图可知：行线通过上拉电阻接到+5V上；

按键的识别方法扫描法：识别键盘有无键被按下：让所有列线均置为0电平，检查各行线电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，反之，则说明没有键被按下；识别出具体按键：逐列置0电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高变低，则可以确定此行此列交叉点处的按键被按下。按键的识别方法扫描法：按键的识别方法线反转法：将行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全零电平，则行线中电平由高到低所在行为按键所在行；将行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全零电平，则列线中电平由高到低所在列为按键所在列。按键的识别方法线反转法：按键的识别方法

PA0PA1PA2PA3PC0PC1PC2PC38255A+5V0D0D1D2D3D4D5+5V123456789101113141512D6D7线反转法原理图按键的识别方法PA08255A

显示技术的发展及其特点图象显示是信息显示中的最重要的方式；显示技术是人机联系和信息展示的窗口；在我国，显示技术及相关产业的产品在信息产业总值中占很大比重。

显示技术的发展及其特点图象显示是信息显示中的最重要的方式

显示技术的发展及其特点显示器件的分类有各种方式：按显示内容、形状分类；按所用显示材料分类；按显示原理分类（最常见的分类方式）；发光二极管（LED）显示，直流驱动液晶显示（LCD）——非主动发光显示，交流驱动阴极射线管显示（CRT）等离子显示板（PDP）显示等等

显示技术的发展及其特点显示器件的分类有各种方式：1前四章重点内容回顾4．过程输入输出通道接口技术部分多路开关、采样保持等环节的功能作用模拟量输入通道的结构组成8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路模拟量输出通道的结构组成8位D/A转换器DAC0832芯片及其接口电路过程通道的抗干扰与可靠性设计1前四章重点内容回顾4．过程输入输出通道接口技术部分信号和采样定理信号类型:

在计算机控制系统中常用的三种信号是:模拟（连续）信号离散模拟信号数字（离散）信号信号和采样定理信号类型:信号类型:

模拟信号采样器A/D计算机D/A保持器模拟信号信息输入信息处理信息输出时间信号连续模拟离散模拟离散数字离散数字离散模拟连续模拟计算机前后的信息转换信号类型:模拟信号采样器A/D计算机D/A保持器模拟信号信息离散系统或采样数据系统--把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉冲序列信号

y*(t)。采样过程的数学描述:

采样过程的数学描述:采样/保持器

采样/保持器的作用—在采样时,其输出能够跟随输入变化,而在保持状态时,能使其输出值不变.保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。

采样/保持器采样/保持器的作用—在采样时,其输出采样/保持器的工作原理采样/保持器主要由模拟开关、保持元件C、缓冲放大器组成。控制采样/保持器电路采样/保持器的工作原理控制采样/保持器电路采样/保持器的工作原理当开关K闭合时，输入信号通过电阻向电容C充电，使输出跟随输入变化此时为采样状态；要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值。当开关K断开时，由于电容具有一定的容量，仍能够使输出保持不变，此时为保持状态；电容维持稳定电压的时间越长越好，电容容量的大小将决定采样/保持器的精度。采样/保持器的工作原理

目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。主要讲解CD4051。模拟开关目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有1162153144135126117108946COM75INHVEEVSSVDD2103ABCCD4051引脚图INH为禁止端，高电平时，八个通道全部禁止；INH为低电平时，由A、B、C决定选通的通道，COM为公共端。11646C输入接通通道INHCBA00000000110010200113010040101501106011171×××禁止CD4051真值表输入接通通道INHCBA00000000110010200124通道模拟量输入电路设计

当采样通道多至24路时，可以将3个8路4051并联起来，组成1个24路开关。

例题试用3个CD4051扩展成一个24路的模拟开关。

例题分析：下图给出了三个CD4051扩展为1×24路模拟开关的电路。数据总线D2~D0作为通道选择信号，D4~D3用来控制哪个CD4051被选中。如此，组成一个24路的模拟开关。24通道模拟量输入电路设计当采样通道多至24路时，24通道模拟量输入电路VDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7

VCC1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q6D6Q7D7Q8D8QCLKCLRGNDVDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7VDD0VEE1A2B3C4INH5OUT6VSS7+12V-6VAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7+5VD0~D7CHSEL+5VAY0BY1CY2G1Y3G2AG2BGNDA/D转换器74HC138CD405110KΩ74HC27324通道模拟量输入电路VDD假设选中AIN12通道,则通道控制字为4CHD7D6D5D4D3D2D1D0选中通道控制字1000000AIN040H1000001AIN141H1000010AIN242H1000011AIN343H1000100AIN444H1000101AIN545H1000110AIN646H1000111AIN747H1001000AIN848H1001001AIN949H1001010AIN104AH1001011AIN114BH1001100AIN124CH

1010111AIN2357H假设选中AIN12通道,则通道控制字为4CHD7D6

模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。结构组成如图所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度

显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。过程参数检测信号处理信号处理信号处理模拟开关

放大器采样-保持A/D接口CPU总线CPU总线控制

模拟量输入通道的组成显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常A/D转换器的工作原理

一个逐次逼近式A/D转换器是由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、运算比较器、时序及控制逻辑电路、等组成。逐次逼近式A/D转换原理A/D转换器的工作原理一个逐次逼近式A/D转换器是

逐次逼近式A/D转换原理图

时序及控制逻辑SARD/A转换比较器数字量输出基准电压VxVC转换命令状态线逐次逼近式A/D转换原理图时序及控制逻辑SARD/A转ADC0809芯片介绍1、ADC0809芯片介绍

8位逐位逼近式A/D转换器分辨率为1/28≈0.39%

模拟电压转换范围是0-+5V

标准转换时间为100s

采用28脚双立直插式封装ADC0809芯片介绍1、ADC0809芯片介绍ADC0809内部结构及引脚ADC0809内部结构及引脚ADC0809的内部转换时序ADC0809的转换时序ALEC.B.ASTARTEOCOEDO7~DO0ADC0809的内部转换时序ADC0809的转换时序ALEC

其转换过程表述如下：首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。当转换结束后，EOC恢复高电平，CPU可以用查询方式或中断方式判断A/D转换过程是否结束。此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。OE为低电平时，数据输出线为高阻态。其转换过程表述如下：首先ALE的上升沿将地址代码ADC0809的接口电路

A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。ADC0809与CPU的接口可以采用如下方式:直接方式通过8255通过三态缓冲器ADC0809的接口电路A/D转换器的接口电路主要是1直接连接

当A/D转换器具有三态输出锁存缓冲器时,可以直接与CPU相连。其连接电路如图所示。

VIN0~VIN7为8路0~5V的模拟量输入，8088CPU的地址线A15~A3经过译码器译码产生片选信号CS，CS与控制信号线IOW逻辑组合接至ADC0809的START和ALE引脚，在8088CPU低3位地址线A2~A0的配合下，用于选择某一模拟量输入通道，并启动A/D转换，当A/D转换结束后，发出转换结束信号EOC，通过8259A中断控制器向8088CPU申请中断。片选信号CS和控制信号IOR相组合接至ADC0809的输出允许信号OE端，在中断服务程序中读取A/D转换结果。1直接连接当A/D转换器具有三态输出锁存缓冲器A/D转换器ADC0809与CPU直接连接电路ADDAIN0ADDBIN1ADDCIN7OE

VREF(+)STARTVCCALED7~D0VREF(-)EOCGNDCLK640kHz8259A≥1≥1译码器A0A1A2IORA15-A3IOW

D7~D0

INTR8088CPUADC0809CS74HC02A/D转换器ADC0809与CPU直接连接电路ADDA8位A/D转换器的程序设计

根据A/D转换器与CPU连接方式以及控制系统本身要求的不同，实现A/D转换所需要的软件也不同。常用的控制方式有：

程序查询方式定时采样方式中断方式

8位A/D转换器的程序设计根据A/D转换器与CPAD574A芯片1．AD574A芯片介绍AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器分辨率为1/212=0.024%转换时间为35μs,属于中等速度内部结构大体与ADC0809类似，由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可以直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量AD574A也采用28脚双列直插式封装AD574A芯片1．AD574A芯片介绍AD574A原理框图及引脚AD574A原理框图及引脚AD574A接口电路

12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。既可以与PC总线的16位数据总线直接相连，构成简单的12位数据采集系统；也可以只占用PC总线的低8位数据总线，将转换后的12位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。

AD574A接口电路12位A/D转换器AD574A与PA0A1A15~A2D0D1D2D3D4D5D6D7

RDWRP07R/CVLA0VCCCSVEEDB4DGDB5AGDB6DB7REFINDB8REFOUTDB9BIPOFFDB10DB1110INDB020INDB1DB2DB3CE12/8STS译码器＆+5V+10V-15V-5V~+5V-10V~+10V100Ω100Ω1F20H80C196AD574AAD574A与80C196CPU的接口电路A0R/CVL译码器＆+5AD574A接口电路

在AD574A转换器片内有时钟,故无需外加时钟信号。该电路采用双极性输入方式,可以对±5V或±10V模拟信号进行转换。当AD574A与80C196CPU接口时,由于AD574A输出12位数码,所以当CPU读取转换结果时,需要分2次进行:先高8位,后低4位。由A0=0或A0=1来分别读取高8位或低4位。AD574A接口电路在AD574A转换器片内有时钟,AD574A接口电路

在AD574A转换器与PC总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于AD574A的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。AD574A接口电路在AD574A转换器与PC总线之AD574A接口电路

若采用查询方式，则将转换结束状态线STS与CPU的某一I/O口相连接。当80C196CPU执行对外部数据存储器的写指令，使CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0时，便启动转换。然后80C196CPU不断查询STS的状态，当STS=0时，表示转换结束，80C196CPU通过两次读外部数据存储器操作，读取12位的转换结果数据。当CE=1，CS=0，R/C=1，A0=0时，读取高8位，CE=1，CS=0，R/C=1，A0=1时，读取低4位。AD574A接口电路若采用查询方式，则将转换结束状态模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的;模拟量输出通道(称为D/A通道)构成--一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等;模拟量输出通道基本构成—一个通道设置一片D/A结构（图(a)）和多通道共享一片D/A结构（图(b)）模拟量输出通道的组成模拟量输出通道的任务--把计算机处理后的(a)

一个通道设置一片D/A结构特点：1、一路输出通道使用一个D/A转换器

2、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立

3、缺点是所需D/A转换器芯片较多接口电路通道1通道nD/AD/A计算机(a)一个通道设置一片D/A结构特点：1、一路输出通道使（b）多个通道共享一片D/A结构特点：1、多路输出通道共用一个D/A转换器

2、每一路通道都配有一个采样保持放大器

3、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间接口电路通道1通道nD/A多路开关采样保持器采样保持器计算机（b）多个通道共享一片D/A结构特点：1、多路输出通道共用一D/A转换器的工作原理

D/A转换器有串行和并行两种，本书仅介绍并行D/A转换器的工作原理。并行D/A转换器由四部分组成:电子开关S1~Sn、电阻网络、放大器A、标准电压VB。每一位二进制数接一个电子开关，并用二进制数控制电子开关。当Di=1时，标准电压接入电阻网络，当Di=0时，开关断开。电阻网络把标准电压转换成相应的电流，并将其求和放大输出。D/A转换器的工作原理D/A转换器有串行和并行两4.5.2D/A转换器的工作原理

D/A转换器根据电阻网络的不同，可以分成权电阻译码D/A转换器、T型网络D/A转换器以及变形权电阻译码D/A转换器等。本书以权电阻译码D/A转换器为例，说明并行D/A转换器的工作原理。权电阻数/模转换就是将某一数字量的二进制代码各位按它的“权”的数值转换成相应的电流，然后再把代表各位数值的电流加起来。“权”越大，电阻值越小。4.5.2D/A转换器的工作原理D/A转换器根据VOUT-+ARfVBS720RS621RS522RS423RS324RS225RS126RS027RD7D6D5D4D3D2D1D02021222324252627权电阻D/A转换器VOUT-+ARfVBS720RS621RS522RS423D/A转换器的工作原理

8位的权电阻D/A转换器的原理框图如图所示。图中所示是一个线性电阻网络，可以应用叠加原理来分析网络的输出电压，即先逐个求出每个开关单独接通标准电压，而其余开关均接地时网络的输出电流分量，然后将所有接标准电压开关的输出分量相加，就可以得到总的输出电压。Di=0时，Si接地；Di=1时，Si接VB。可以得到简化的电路图。D/A转换器的工作原理8位的权电阻D/A转换器的原理权电阻D/A转换器简化电路VOUT-+ARf20R21R22R23R24R25R26R27RV0V1V2V3V4V5V6V7权电阻D/A转换器简化电路VOUT-+ARf20R21R22D/A转换器的工作原理

图中：

V0=a7.VBV1=a6.VBV2=a5.VBV3=a4.VBV4=a3.VBV5=a2.VB

V6=a1.VBV7=a0.VBa0,

a1,…

a7=0或1当R=2Rf时，代入上式得：D/A转换器的工作原理图中：当R=2Rf时，代入上式得：DAC0832芯片

一个8位D/A转换器电流输出方式稳定时间为1μs

采用20脚双立直插式封装同系列芯片还有DAC0830、DAC0831DAC0832芯片一个8位D/A转换器DAC0832原理图D7D6D5D4D3D2D1D0ILECS1RW2RWXFER当LE=1时,输出数据随输入变化。LE(2)AGND1TUOI2TUOIRfbVREFDGNDCCV8位输入

寄存器

8位DAC寄存器8位D/A

转换器当LE=0时,输出数据被锁存。LE(1)DAC0832原理图D7D6D5D4D3D2D1D0ILEC8位D/A转换器与CPU的接口

8位D/A转换器与CPU的接口可以采用如下方式:直接连接方式通过可编程并行口8255通过锁存器连接

8位D/A转换器与CPU的接口8位D/A转换器与C8位D/A转换器与CPU的接口通过锁存器连接

如果D/A转换器本身没有锁存器，在D/A转换器与CPU之间必须加一个锁存器，如:74HC273。锁存器的用途：锁存器的选通脉冲作为DACI/O口地址选通信号，当选通信号正跳变时，锁存器D输入端的信号被送到Q输出端，再加到D/A转换器的8位数据线上，以便进行D/A转换；当选通信号为低电平，输出Q端保持D端送入的数据，以便维持D/A转换。8位D/A转换器与CPU的接口通过锁存器连接如果D8位D/A转换器与CPU的接口通过8255A连接

如果D/A转换器本身没有锁存器或有锁存器，但为了控制灵活、方便，通常用8255A并行接口将CPU与D/A转换器连接起来。比如将8255A的A口和C口设置为输出口，A口用来向D/A转换器传送数据，C口用来控制D/A转换。8位D/A转换器与CPU的接口通过8255A连接4.6.28位D/A转换器与CPU的接口与CPU直接连接

为了节省硬件，对于带有锁存器的D/A转换器，可以采用直接连接方式。下图所示的DAC0832与8088CPU的连接。图中，WR2和XFER接成低电平，所以该电路属于单缓冲锁存器接法。当执行OUT指令时，CS和WR1为低电平，CPU的数据打入DAC0832的8位输入锁存器，再经过8位DAC缓冲器送入D/A转换网络进行转换。4.6.28位D/A转换器与CPU的接口与CPU直接连接DAC0832与CPU直接连接8088CPUDAC0832D7~D0A9~A2A1A0IOWGND译码器≥1≥1D7~D0ILE

VCCCSVREFRfbWR1WR2IOUT1IOUT2XFERDGNDGNDAR+5V+-Y0VOUTDAC0832与CPU直接连接8088CPUDAC0832D12位D/A转换器DAC12081．DAC1208介绍

2.DAC1208与CPU的接口12位D/A转换器DAC12081．DAC1208介绍D8QD位QD输QD入QD锁QD存QD器QDQDQDQDQD12QD位QDDACQD寄QD存Q器DQDQDQDQMSB

12

位乘法

DAC

LSB4位输入寄存器＆＆＆LELELEVREFIOUT2IOUT1RFBVCCAGNDDGND若LE=1，Q输出跟随D输入若LE=0，Q输出被锁存WR2XFERWR1CSBYTE1/BYTE2DI11DI9DI10DI8DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0151617181920456789231221221014131124312DAC1208的内部结构与引脚分布D8QDQMSB4位4.7.2DAC1208与CPU的接口硬件电路设计

着重考虑DAC1208的输入控制线。CS和WR1用来控制输入寄存器，XFER和WR2用来控制DAC寄存器。

BYTE1/BYTE2用来区分8位输入寄存器和4位输入寄存器。该信号为1时，选中8位输入寄存器，为0时，选中4位寄存器。因此两个输入寄存器可以接同一条译码器输出（接到CS端）。可以用一条地址线A0来控制BYTE1/BYTE2，用两条译码器输出线控制CS和XFER。因此一片DAC1208只占用三个RAM单元。4.7.2DAC1208与CPU的接口硬件电路设计4.7.2DAC1208与CPU的接口硬件电路设计

DAC1208系列的D/A转换器的工作采用双缓冲方式。送入数据时，要先送12位数据中的高8位数据DI4~DI11，然后再送入低4位数据DI0~DI3，不能按相反的顺序传送。单缓冲方式不合适，在12位数据不是一次送入的情况下，边传送边转换会使输出产生错误的瞬间毛刺。4.7.2DAC1208与CPU的接口硬件电路设计

D0D1D2D3D4D5D6D7WRA13A14A15A0DI4DI5DI6RFBDI7DI8DI9DI10IOUT1DI11IOUT2DI0DI1DI2DI3WR1WR2CSXFERVREFBYTE1/BYTE2AGNDDGNDABY2CY3AD58110V2.5KΩVOUTLF356-+A2RP21KΩ910KΩ20pF-+A1LF356R25KΩR310KΩ10KΩR125KΩRP1VOUT1I1I280C196DAC1208DAC1208与80C196的接口电路D0DI4AAD58110V2.5KΩVOUT运放A1的作用是进行电流电压转换，运放A2的作用是将A1的输出VOUT1变为双极性输出（-10V~+10V）。A2的反相输入端通过电阻作用R1与参考电压VREF相连，VREF经R1向A2提供一个偏流I1

，其电流方向与I2相反，因此，运放A2的输入电流为I1与I2的代数和。图中：运放A1的作用是进行电流电压转换，运放A2的作用是将A1的输代入R1，R2，R3，VOUT1之值，则有：当D=0时，VOUT=-VREF当D=2048时，VOUT=0当D=4095时，VOUT=+VREF实现了双极性的转换。代入R1，R2，R3，VOUT1之值，则有：当D=0时，VO转换程序

DAC：MOVDX，4001HMOVAL，[DIGIT]OUTDX，AL；送高8位数据

DECDXMOVAL，[DIGIT+1]OUTDX，AL；送低4位数据

MOVDX，6000HOUTDX，AL；完成12位数据转换转换程序DAC：MOVDX，4001H过程通道的抗干扰与可靠性设计

1．干扰的分类

2.抗串模、共模干扰的措施过程通道的抗干扰与可靠性设计1．干扰的分类干扰的分类按干扰产生的原因分类

（1）放电干扰（2）高频振荡干扰（3）浪涌干扰干扰的分类按干扰产生的原因分类（1）放电干扰4.8.1干扰的分类按干扰传导模式分类

（1）串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号指有用的直流信号或者变化缓慢的交变信号，干扰噪声指无用的变化较快的杂乱交变信号。

4.8.1干扰的分类按干扰传导模式分类（1）串模干扰USUnA/D转换器信号源串模干扰形式1USUnA/D转换器信号源干扰源

串模干扰形式2USUn信串模干扰形式1USUn信号源干扰源串模干扰形式24.8.1干扰的分类按干扰传导模式分类

（2）共模干扰共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。

4.8.1干扰的分类按干扰传导模式分类（2）共模干扰

在计算机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器或执行器引入至计算机系统的输入通道或输出通道中，这类信号传输线通常长达几十米以至上百米，这样，现场信号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参考接地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。

在计算机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器USA/D转换器共模干扰示意图计算机

被测信号源UcmUS共模干扰示意图计算机被测信号源Ucm

抗干扰的硬件措施抗串模干扰的措施

串模干扰通常叠加在各种不平衡输入信号和输出信号上，很多情况下通过供电线路窜入系统中。因此抗干扰电路设置在这些干扰必经之路上。（1）光电隔离（4）布线隔离（2）继电器隔离（5）硬件滤波电路（3）变压器隔离（6）过电压保护电路

抗干扰的硬件措施抗串模干扰的措施串模干扰通常叠加在各种不平抗干扰的硬件措施抗共模干扰的措施

共模干扰通常是针对平衡输入信号而言的，措施有：（1）平衡对称输入（2）选用高质量的差动放大器（3）控制系统的接地技术

抗干扰的硬件措施抗共模干扰的措施共模干扰通常是针对平衡输入信结束计算机控制系统课件计算机控制系统主讲教师:路飞山东大学控制科学与工程学院Email:lawyerlf@;Tel:88392115计算机控制系统复习(一)主要知识点

1对前四章重点内容的回顾

2习题复习(一)主要知识点1对前四章重点内容的回顾1前四章重点内容回顾1．绪论部分了解计算机控制系统的构成原理了解计算机控制系统硬件组成与软件组成初步认识微型计算机控制系统分类1前四章重点内容回顾1．绪论部分

计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表组成的控制系统中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。

计算机控制系统的组成原理计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表组成的控制计算机控制系统执行控制程序的过程步骤a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；c.实时输出控制--根据控制决策，实时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；d.信息管理--信息共享与管理。计算机控制系统执行控制程序的过程步骤a.实时数据采集--对来在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连

◆离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开

◆实时（Realtime）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完成

◆在线与实时的关系

—

一个在线系统不一定是实时系统

—

一个实时系统必定是在线系统几个常用术语在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连几个常

计算机控制系统由两大部分组成—一部分是计算机及其输入输出通道,另一部分是工业生产对象。

硬件组成

软件组成计算机控制系统的组成计算机控制系统由两大部分组成—一部分是计算机及其输硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：主机—CPU＋RAM＋ROM＋系统总线常规外部设备——输入/输出设备、外存储器等过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO外部设备—接口电路运行操作台—CRT、LED、LCD等网络通信接口—RS-232C通信接口等实时时钟工业自动化仪表硬件组成计算机控制系统硬件一般包括：系统总线微控制器或微处理器ROMRAM人机接口网络通信接口实时时钟电源接口A/D模拟开关变送器传感器传感器工业生产对象接口A/D模拟开关执行机构接口数字量输入接口数字量输出计算机控制系统硬件组成框图

系统总线微控制器或微处理器ROMRAM人机软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解决各种问题，必须为它编制软件；所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的；软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。软件组成硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正确地运行解计算机控制系统的分类数据采集系统（DAS）操作指导控制系统(OGC)直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统（SCC）集散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）工业过程计算机集成制造系(CIMS）计算机控制系统的分类数据采集系统（DAS）操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）

DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。直接数字控制系统（DDC）DDC系统--是用一台计算计算机生产过程显示打印机报警给定值直接数字控制系统接口输入通道检测接口输出通道执行器计算机生产过程显示打印机报警给定值直接数字控制系统接口输入通监督计算机控制系统（SCC）

监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。监督计算机控制系统（SCC）监督计算机控制系统即SCC

监督计算机控制系统的两种结构形式工艺数据工艺数据显示打印报警显示打印报警机算计CCS机算计CCS测量测量控制控制模拟控制器CDD生产过程生产过程用计算机(a)统系器制控拟模+CCS给定值给定值统系制控CDD+CCS(b)监督计算机控制系统的两种结构形式工艺数据工艺数据显示打印报DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设定的，不能根据生产工艺信息的变化及时修改，因此无法使生产过程处于最优工况；

SCC系统中，计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，因此使生产过程始终处于最优工况。DDC系统与SCC系统的区别DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参数给定值是预先设1前四章重点内容回顾

2.总线部分总线的组成及功能RS-232C和RS-485串行通信接口及其区别1前四章重点内容回顾2.总线部分总线定义:

采用总线结构是微型计算机系统体系结构的特点之一。总线是若干连线的集合。是计算机各模块间进行信息传输的通道；包括通道控制、仲裁方法、传输方式等内容。总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解总线对工程技术人员来说很重要。总线定义:总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解总线对工程总线分类:

在计算机系统中，一般将总线分为内部总线（系统总线）和外部总线。内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通信的通道，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。如：ISA总线、PCI总线、STD总线。外部总线—用于计算机系统与系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。有两类：并行总线：各位间并行传输；串行总线：各位间串行传输。总线分类:内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通信的通道，总线组成:数据总线地址总线控制总线电源总线组成:

数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道；通常用D0、D1…Dn表示数据位的序号,序号和数据的位权一致；

n表示数据宽度,表示总线传输数据的能力；数据总线宽度基本上表征了总线数据传输能力,反映该总线的性能。数据总线

地址总线是外部设备和总线主控设备之间传送地址信息的通道；通常用A0、A1…An表示；地址总线的宽度表明了该总线的寻址范围。地址总线

控制总线是专供各种控