控制计算机课件

过程控制领域越来越广泛的应用计算机，计算机直

接参与控制，承担控制系统中控制器（调节器）的任

务，从而形成了计算机控制系统。

现在，许多常规控制仪表和调节器已经被计算机

取代，计算机正全天候地监视着生产过程的进行，对

生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位等进

行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生产

工艺过程的统计数据和参数，输出各种控制命令。

过程控制用计算机及相关技术

一、过程控制计算机系统组成及特点'

二、计算机系统的输入/输出接口技术

三、计算机系统的总线技术

、过程控制计算机系统组成及特点

1.过程控制计算机系统组成

计算机控制系统必须要有一个性能良好的硬件作为支持。其硬件配置应该包

括计算机、外围设备、测量装置及执行机构。计算机控制系统通常可由图5・1

所示的各部分组成。

和其它计算机

控制台显示器打Ep机外部存储财通信接口

数据与信号输入、输出接口电路

数A

iI

线.

内部

快总

/一字

量

量

电

输

输

A/D电定时器

入

气

出

气中断信号输，

线

内部

总*

通

通

通

开

开

道

A道

道D/

关

关RAM、ROM

PROM、2

或FLASHEPROM模拟控制指令

传感器执仃机构

模拟息_丁-]~模拟量

被控对象

图5-1计算机控制系统的基本组成

2.过程控制计算机系统特点

（1）计算机主机的特点

1）实时处理能力计算机控制系统是实时运行的，要求严格遵循某一个时间顺序”及

时”、“立即”地完成各种数据处理及产生相应的控制指令。

2）比较完善的中断系统计算机控制系统除了要有实时的响应速度外，还必须能够及

时地处理系统中发生的各种紧急情况。系统运行时往往需要修改某些参数、改变

某个工作程序或指出某规定时间间隔的到达，在输入输出异常、出现故障或紧急

情况时应报警和处理。处理这些问题一般都采用中断控制方式。

3）指令系统计算机控制系统要求主机有较丰富的指令系统。计算机指令种类的多少

及功能的强弱.将直接影响到编程的繁简，进而影响解决复杂问题的能力。一般

说，指令越丰富，寻址范围越广，方式越多，编写程序就越简便，功能越强。

4）内存为了能及时地进行控制，常常要求将那些常用算法及数据存放在计算机内存

中，因此应根据具体要求，估算计算机的内存容量。当内存容量不足以存放程序

和数据时，应扩充内存。

2.过程控制计算机系统特点

（2）过程输入输出通道的特点

过程通道是计算机与外界交换信息的桥梁。过程通道可分为：模

拟量输入通道、数字量输入通道、模拟量输出通道、数字量输出

通道。

对模拟量输入通道的具体要求是：

1）有足够的输入通道数

2）有足够的精度和分辨率'

3）应有足够的变换速度-

4）对模拟量输出通道的要求基本上与模拟量输入通道的要求类似。

2.过程控制计算机系统特点

（3）软件系统的特点

“软件是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是依靠程序来进

行协调。一般可分为系统软件及应用软件两大类。系统软件是由计算机

厂家提供的，有一定通用性。这部分软件越多，功能越强，对实时控制

越有利。应用软件是用户根据系统要求，为进行控制而编制的用户程序。

对应用软件的一般要求是实时性强，精度高，可靠性好，具有在线修改

•的能力以及较强输入输出功能等。

（4）方便的人机界面实时计算机控制系统必须便于人机联系。

1）有显示屏可以及时显示操作人员所需的信息及生产过程参数状态；

2）有各种功能键如报警、制表、打印、自动-手动切换等；

3）功能键应有明显标志，并且应具有即使操作错误也不致造成严重后果的

特性；

4）有输入数据功能键，必要时可以改变控制系统参数等。

2.过程控制计算机系统特点

(5)系统的可靠性及可维护性可靠性主要是指计算机系统的

・无故障运行能力，常用的指标是“平均无故障间隔时间”

(MeanTimeBetweenFailures,MTBF)o一般要求该时

间应不小于数千小时，甚至达到上万小时。

•可维护性是指进行维护工作时方便的程度。提高可维护性的

措施是采用插件式硬件，采用自检测、自诊断程序，以便及

时发现故障，判断故障部位，进行维修。

控制计算机

二、计算机系统的输入/输出接口技术

计算机控制系统中，常常需要交换大量的信息。

(1)传感器从各工作现场得到的电信号(卬力，

必须转换成计算机能接收的数字信号；

(2)经计算机处理后的数字信号要转换成各种执

行机构能接收的信号才能使执行机构动作。

(3)计算机的运算速度远远快于常用外设的处理

速度，如键盘、继电器、开关、执行机构及A/D转换

器等，为在快速的CPU与慢速的外设之间联系起来，

就需要在它们之间搭一个“通道”，也称之为接口。

、计算机系统的输入/输出接口技术

1.模拟量输入输出接口

多

过

信号调理1采样模数

路

程接口)CPU总线

保持器转换器

转

参信号调理2

换

数

开

检

关

测

逻辑控制＜总线

信号调理n=3CPU

=>D/A-►通道1

多

计

接计接

路

算

口=>D/A一通道2算口

开

机

电为电D/A

路路关

=>D/A—►通道n>保持器通道n

a)b)

图5-2模拟量输入输出通道结构图

(1)D/A转换器(数/模转换器)

1)D/A转换器工作原理D/A转换器是将数字量转换为模拟量或

电流量的装置，可以表示为

K

UKiLrDK

T1

D=D1.2〃+。-2・2"-2+.・・+£>]-2+D0-2°

。是由数字代码按位组合而成，每一位数字代码对应一定大小的

模拟量。为了将输入的数字量转换成模拟量，应将每一位数字代码

都转换成相应的模拟量，然后求和得到与输入数字量成正比的模拟

量。这就是一般D/A转换器的工作原理。

(1)D/A转换器(数/模转换器)

现代的D/A转换电路几乎均采用T型电阻解码网络。一个四位

二进制D/A转换电路。由基准电压/EQT型电阻解码网络、模

拟开关。和运算放大器组成。

模拟开关E受四位DAC寄存器中与、%、乙、与控制，丸为零时,

对应的开关S〃接地；为“1呻寸，开关接基准电压。设〃3、%、%、

b0全为"1”。根据电流定律，有：

2R2R2R2RR

b3b2bibo

四位DAC寄存器

(I)D/A转换器(数/模转换器)

3

IRF%=-(2+2?+2]+2°.伉)・乌

2/

a.分辨率转换器能分辨的最小输出模拟增量，是对输入变化敏

感程度的描述。数字量位数越多，分辨率也就越高。

b.精度实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。

c.转换时间D/A转换速度快慢的参数。从输入数字量变化到其

输出模拟信号达到满刻度值时所需要的时间。几十纳秒到几微秒。

d.输出电平一般为5〜10v,也有高压输出型；可达24〜30V,

还电流输出型，低的为20mA,高的可达3A。

e.输入代码形式D/A转换器单极性输出时，有二进制码，BCD

码。当双极性输出时，有符号+数值码，偏移二进制码等。

f.作温度范围较好的工作温度・40〜85℃,较差为0〜70℃。

(1)D/A转换器(数

8位输入8位DAC8位D/A

寄存器寄存器转换电路

3)常用的D/A转换器芯片Rf

Rf

a.8位D/A转换器LEi

MiAGND

-------DAC0832r

M2

CS一VCC

WR7■C

DAC0832----DGND

Wfe---------------cM3

XFER:---------------C

位转换器口「匚

b.12D/A温

N8位输入1维A1

2

四1/寄存器LrI

D/转A

——DAC1208/1209/1210oDA寄C

LE]换

存

器

器

DI3

(*人4位输入

Dio1/寄存器1/

LE2LE3

BYTE1/BYTE?

CS-LE=1,输出跟随输入

WRi-

M2LE=O,输入数据锁存

XFER-

丽,

Mi

(2)A/D转换器(模/数转换器)

输入模拟电压

1)A/D转换器工作原理：O----------------------------

模拟电路与数字电路接口，Uf比较器

把输入的模拟电压按比例地参考电压

转化为二进制数字信号，艮限字量输出D/A转换器—O

计算机可以接受的信号。

依次从高位到低位，将相

应位数据经D/A转换器转换旦1口山

成电压〃，在与输入电压匕|置数选择逻］

在比较森中比较，如果匕之匕

则该位为1；若匕人则该

位为0。再比较下一位，直

至确定逐次逼近寄存器最低

位的值为止。

2）A/D转换器主要性能才

a.分辨率:输出数字量对输入模拟量变化的分辨能

力，输出数码增加（减少）一位所需要的输入信号最小

变化量；

b.量程:转换的电压范围，如10V,5V等。

c.精度:绝对精度和相对精度。输出码所对应的实

际模拟电压与其理想的电压值之差的最大值为绝对精

度。相对精度把这个最大差值表示为满刻度模拟电压

的百分数。

d.转换时间:A/D转换器完成一次转换需要的时

间。

e.输出逻辑电平:大多数A/D转换器输出逻辑电平

与TTL电平匹配。

3）典型的A/D转换芯片:

STCLK

IN。EOC

IN,

IN28路

ADC0809是8IN

3模拟量Do

位A/D转换器,IN4Di

IN

5开关D2

带路多路开IN

86D3

IN

关，是逐次逼7D4

D5

近式转换器。D6

AD7

B地址

c锁存Vcc

EGND

AL与译码器

VRVROE

2.数字量输入输出接口

开关量输入输出接口主要由I/O缓冲和I/O电气部分构成。如图5-11

所示

I/O缓冲部分I/O电气部分

数字输入

<=被

计控

算对

机数字输出象

输出输出

锁存器驱动电路

图5-11数字量输入输出通道

I/O电气转换部分的功能主要是：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。

由于外部输入信号可能引入干扰、过电压、瞬态尖峰和反极性输入等，

因此，必须进行滤波、隔离、过电压和反电压等处理后，才能送给计算

机。

图5-12所示的三极管输出型的光电隔离原理

图5-12三极管输出光电

▲这种光电隔离器一般常用于低压开关量隔离。

图5-13为目前最常用的继电器输出接口方式，其输出可适用于高低电压

和大小电流场合，这取决于继电器触点所能承受的电压和流过的电流大

小。由于继电器的驱动线圈有一定的电感，在关断瞬间会产生较大的电

压，故在继电器线圈一侧常反接一个保护二极管用于反向放电。

图5-13继电器输出接口

、计算机系统的总线技术

计算机硬件设计，不同厂商设计和提供各种不同

功能的插件。用户根据应用要求选择相应插件组成系

统，为保证各种插件能互相协调工作，要求插件的尺

寸、插座的针数及类型、插针的逻辑定义，控制插件

工作的时序及电气特性等相同，即相互兼容。

作为连接各插件或各系统的基础——总线，必须制

定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产

插件模块提供统一的依据。

、计算机系统的总线技术

1.总线定义及分类

(1)总线定义

,总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插

.件间(或插件内部各芯片间)、各系统之间传送规

定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们

可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

(2)总线类型

1)根据总线的用途和应用环境，总线可以分为：

a.局部总线局部总线又称为芯片或元件级总线，它是构成中央处理机或子系

统内所用的总线。地址线、数据线和控制线3类

b.系统总线各单片机微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多

机系统，如Multibus总线、STD总线、VME总线、PC总线等。

c.外总线外总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通

信，如RS—232C和RS-422串行通信总线等。

2)根据总线传送信号的方式，总线一般又可分为

a.并行总线如果用