第二章 计算机控制系统理论基础1 - 复件

计算机控制系统Computer-ControlledSystem电力学院自动化系张计科§2.1硬件基础§2.2信号分析§2.3数学描述§2.4控制系统分析基础第二章计算机控制系统理论基础§2.1硬件基础控制核心人机接口单元输入输出单元抗干扰技术、可靠性技术—系统的安全保障§2.1硬件基础控制核心—系统的核心输入输出接口—系统的耳目、手脚人机接口—系统的窗口§2.1硬件基础一、控制核心（主机）1、组成：

CPU

RAM，ROM(PROM、E2PROM或FLASH)

RAM，ROM(PROM、E2PROM或FLASH)

外设接口（外存储器、显示器、键盘或操作台等）

通信接口（串行、并行）其它等等。2、主要功能：

接受数据与信息

控制策略解算与决策

发布信息与报警§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式①按结构分：

独立式§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

模板式②按构成模式分：

模块式§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

通用工业控制计算机（PC-BasedControlSystem）③按应用分：IPCCompactPCI-based工控机变形机AT96总线工控机主板CompactPCI/AT96总线工控机主板§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

通用工业控制计算机（PC-BasedControlSystem）③按应用分：IPCA.价格低；B.系统资源相对充裕；C.软件可移植性优良控制；D.人机界面及编程功能易于集成；E.易于将过程控制、逻辑控制、批量控制及运动控制等合为一体；F.不依赖于各种专有的控制系统;G.恶劣环境适应性较差；H.运行稳定性、热拔插和冗余配置较差。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

通用工业控制计算机（PC-BasedControlSystem）③按应用分：CompactPCI是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术。1994年PICMG（PCIIndustrialComputerManufacturersGroup,PCI工业计算机制造商联盟）提出了CompactPCI技术，它定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑和软件方面，它与PCI标准完全兼容。卡安装在支架上，并使用标准的Eurocard外型。CompactPCI-based工控机§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

通用工业控制计算机（PC-BasedControlSystem）③按应用分：A.兼具IPC的许多优点；B.良好的开放性；C.良好的散热性；D.高温定性；E.高可靠性；F.可热拔插。CompactPCI-based工控机§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

通用工业控制计算机（PC-BasedControlSystem）③按应用分：变形机AT96总线工控机主板CompactPCI/AT96总线工控机主板§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

PLC（ProgrammableController）③按应用分：整体式模块式§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

DCS控制器（主控单元）③按应用分：§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：PC/104总线工控机A.

小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸，即96×90mm。

B.堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”的形式层叠连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。

C.轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1～2W能耗。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：单片机A.

接口线多、位操作指令丰富、逻辑操作功能强；

B.集成度较好；

C.主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通信设备和家用电器等。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：DSPA.

DSP芯片采用改进的哈佛结构,程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，数据处理能力强；

B.DSP指令系统是流水线操作使取指、译码和执行等操作可以重叠执行;C.采用专用的硬件乘法器;D.快速的中断处理和硬件I/O支持;E.可以并行执行多个操作F.其它。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：ARMARM处理器是Acorn有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。全称为AcornRISCMachine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：ARMA.体积小、低功耗、低成本、高性能；

B.支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件;C.大量使用寄存器，指令执行速度更快;D.大多数数据操作都在寄存器中完成;E.寻址方式灵活简单，执行效率高;F.指令长度固定。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）3、分类：

嵌入式系统③按应用分：SoC（System-on-Chip

）今天的SoC芯片主要可以分为有三种类型：

A.以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O和

A/D、D/A功能于一个芯片上；

B.是以DSP为核心，多功能集成为SoC；

C.上两种的混合或者把系统算法与芯片结构有机地集成为SoC。

PromiseSmartStorNS4600

Tolapai§2.1硬件基础一、控制核心（主机）4、存储器：类型：

内存储器：RAM，ROM

外存储器：硬盘，软盘，光盘工业现场安装：

由于现场环境恶劣和机械设备震动等因素， 不易采用具有运动部件的 硬盘、软盘和光盘驱动器，

那就采用电子盘，并用后备电池， 保证停电后不丢失电子盘中的数据。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）5、系统总线：总线含义：

总线是一些线的集合，

定义了各引线的信号、电气和机械特性。总线目的：

厂商按标准设计制造计算机或部件，

用户按标准选计算机或部件集成所需系统。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）5、系统总线：总线类型：

内部总线：计算机内部的模块之间进行通信的总线。

外部总线：计算机之间、计算机与设备之间进行通信的总线。

并行总线：按字节或字并行传送位信号，传送线数等于位数。

串行总线：按字节或字串行传送位信号，一根传送线上按位先后依次传送。§2.1硬件基础一、控制核心（主机）5、系统总线：

内部总线的组成总线母板AI板AO板DI板DO板DBABCBPBCPU板内部总线组成：

数据总线DB

地址总线AB

控制总线CB

电源总线PB总线母板结构

机械要素：模板尺寸，接插件尺寸和针数，电气要素：信号的电平和时序。总线母板例如，PC总线：PC/XT(62线)，

PC/AT或ISA(62线+36线)，

PCI(124线)，

PC104(104线)，

CompactPCI，

…….

§2.1硬件基础一、控制核心（主机）5、系统总线：外部总线：§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：串行总线：RS-232，RS-422，RS-485，

USB，IEEE-1394；例如：DCS的输入输出总线IOBUS局域网(LAN)：工业以太网(Ethernet),MAP(制造自动化协议),TCP/IP等例如：DCS控制网络(C-NET)

。现场总线：FF，PROFIBUS，LON，CAN等例如：DCS的输入输出总线IOBUS、FCS中发送和接收电路

：

逻辑“l”电平为-15V至-5V，

逻辑“0”电平为+5V至+15V，

RS-232电平与TTL电平的 互相转换用

MC1488发送器和

MC1489接收器。DataTerminalEquipment，DTEDataCommunicationEquipment，DCE

RS-232接口电路示例INOUTINOUTRRTTMC1488DTEMC1489DCEMC1489MC1488..SGNDTxD

RxDDCETxDRxDSGNDDTE§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：①

RS-232总线①

RS-232总线

基本特性：

25线或9线

基本的三根线：

●发送数据线TxD

●接收数据线RxD

●信号地线SGND

点对点连接方式

传输距离≤15m

传输速率≤20Kbps

单端发送器和接收器

公共地线容易引进干扰DataTerminalEquipment，DTEDataCommunicationEquipment，DCE

RS-232接口电路示例INOUTINOUTRRTTMC1488DTEMC1489DCEMC1489MC1488..SGNDTxDRxD

DCETxDRxDSGNDDTE§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：②

RS-422总线

发送和接收电路

：

逻辑“l”电平为-6V至-2V，

逻辑“0”电平为+2V至+6V，

RS-422电平与TTL电平的 互相转换用

MC3487发送器和

MC3486接收器。

RS-422接口电路示例INOUTINOUTRRTTMC3487DTEMC3486DCEMC3487MC3486DataTerminalEquipment，DTEDataCommunicationEquipment，DCE

DCEDTE§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：

基本特性：

点对点连接方式

传输距离12~1200m

传输速率

120Kbps~10Mbps

双端发送器和接收器

无公共地线

全双工通信方式DataTerminalEquipment，DTEDataCommunicationEquipment，DCE

RS-422接口电路示例INOUTINOUTRRTTMC3487DTEMC3486DCEMC3487MC3486DCEDTE②

RS-422总线§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：图RS-485接口电路示例.........RTRT/RT/RT-发送R-接收T/R-发送/接收总线③

RS-485总线

基本特性：

1点对多点连接方式

传输距离12~1200m

传输速率

120Kbps~10Mbps

双端发送器和接收器

无公共地线

半双工通信方式§2.1硬件基础一、控制核心（主机）6、系统通信：§2.1硬件基础二、输入输出单元分类：

模拟量输出单元（AO）

模拟量输入单元（AI）

数字量输入单元（DI）

数字量输出单元（DO）§2.1硬件基础二、输入输出单元结构方式：

模板式

模块式BaileyInfi90

AIN-220(1)模板式

混合式：●主控单元和输入输出单元

集中安装。

分离式：

●主控单元和输入输出单元

分别安装，用通信线互连。

●输入输出单元 可以安装于生产现场。

输入输出单元的模板式结构BUS主机板输入输出单元主控单元总线母板AIAODIDO（a）混合式BUS板输入输出单元AIAODIDO主OI串行通信或网络通信主控单元（b）分离式§2.1硬件基础二、输入输出单元

输入输出单元的模块式结构主控单元AIAODODIRS-485输入输出单元(2)模块式

主控单元、输入输出单元的I/O模块之间 用串行通信线互连，

I/O模块可以 分散安装于生产现场，

I/O模块上有接线端子， 便于就近安装接线。§2.1硬件基础二、输入输出单元（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元1、任务：

把被控参数(如温度、压力、流量、料位和成份等)的模拟电压或电流信号转换成CPU可以接收的数字量信号。模拟量信号：●4~20mA，0~10mA，1~5V，0~5V●mV●热电偶(TC，ThermoelectricCouple)●热电阻(RTD，ResistanceTemperatureDevice)数字量信号：●FFH(8位0/1)，●FFFH(12位0/1)，●FFFFH(16位0/1)（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元2、组成：CPU············

······A/DI/O接口电路控制电路······IN1IN2INn信号调理多路转换开关采样保持器A/D转换器I/O接口及控制电路（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、信号调理：

标度变换

信号滤波

电平转换

线性化处理

等等（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、多路转换开关：

几路或十几路被测信号共用一只A/D，

用多路模拟开关轮流切换各路被测信号，采用分时A/D转换方式。

理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。+15VVDD

16VEE–15VGND873SmS74

S62

S41

S55

S114

S013

S312

S215

译码驱动电路电平转换电路691011ABCEN

（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、多路转换开关：

CD4051单端8通道多路转换开关●信号S1~Sn共地●每个信号用1只开关●信号S1~Sn不共地●每个信号用2只开关◆双端输入的共模抑制比高（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、多路转换开关：

单端输入

双端输入

单端输入示例：●短接KA的1－2、3－4●短接KB的2－3、5－6●提供32路输入

CH0～CH31

123465

KB74LS273295612161519181314717438D0D7D6D5D4D3D2D111Q0Q7D7D0WC+A/D

12KA4VI-3AVI+S0SmCD4051S7ENACBU1CH0CH7S0SmCD4051S7ENACBU2CH8CH15S0SmCD4051S7ENACBU3CH16CH23S0SmCD4051S7ENACBU4CH24CH31-

（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、多路转换开关：

双端输入示例：●短接KA的2－3，●短接KB的1－2、4－5，●提供16路输入

CH0～CH15为信号正端

CH16～CH31为信号负端

123465

KB74LS273295612161519181314717438D0D7D6D5D4D3D2D111Q0Q7D7D0WC+A/D

12KA4VI-3AVI+S0SmCD4051S7ENACBU1CH0CH7S0SmCD4051S7ENACBU2CH8CH15S0SmCD4051S7ENACBU3CH16CH23S0SmCD4051S7ENACBU4CH24CH31-

◆双端输入的共模抑制比高（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、多路转换开关：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、采样保持器

构成：

◆输入放大器A1◆逻辑控制开关S◆保持电容器CH(外接)◆输出放大器A2采样保持器原理框图–A2+S逻辑控制CHVO

VI

–A1+

原理：

◆采样期间： ●开关S闭合 ●A1给CH充电 ●VO跟随VI ●不起动A/D（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、采样保持器◆保持期间：●开关S断开●CH电压保持，●起动A/D采样保持器原理框图–A2+S逻辑控制CHVO

VI

–A1+（a）AD582VOUTCHA1VIN

1保持采样0+LOGIC–LOGICS

10K+VS

+15V10CH986

1+IN–INOUT

121134+–

–15V5–VS调零A2（b）LF198保持采样VOUTCHA1VIN

10+LOGIC–LOGICS

1K+VSCH5

3+IN

872+–

6

4–12V–VS调零A2

+12V1

–+

示例1： ◆AD582： ●采样电平为“0”

●保持电平为“1”

示例2： ◆LF198： ●采样电平为“1”

●保持电平为“0”（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、采样保持器（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

常用A/D转换方式：◆逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）

ADC0809（8位），AD574（12位）◆双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分）

MC14433（11位），ICL7135（14位）（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

常用A/D转换方式：◆逐次逼近式：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

常用A/D转换方式：◆双斜率积分式：T1T2BAtT

性能指标： ◆分辨率8，10，12，14，16位 ◆转换时间μs~ms ◆转换精度 ◆线性度 ◆转换输入0~5V，0~10V，-5V~+5V，… ◆转换输出多为TTL电平(0，1，高阻) ◆……（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

引脚信号：

●模拟量输入信号

●数字量输出信号

●启动转换信号

●转换结束信号

●工作电源

●基准电源

从应用角度了解A/D外特性及引脚信号（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

ADC0809原理框图及引脚+开关树SAR256RT型电阻网络DAC1216VREF+VREF-8路输入模拟开关26272812453VI0VI1VI2VI3VI4VI5VI6VI7地址锁存与译码1113VCCGND25242322ABCALE控制与时序A/D比较器610CLOCKSTART三态输出锁存缓冲器DO2DO1DO3DO01714158182021199DO4DO5DO6DO7(MSB)(LSB)EOC7OE–

ADC0809芯片：

◆基本特性：

●分辨率为8位

●逐次逼近式

●转换时间为100μs

●28脚双立直插式封装◆特殊性能：

●8路输入模拟开关

●开关选择电路（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

ADC0809引脚功能：◆VIN0~VIN7(AnalogInputs)：

●8路0～5VDC模拟量输入端◆A、B、C(3-BitAddress)：

●3位地址线输入端

●地址译码000~111对应输入端VIN0~VIN7◆ALE(AddressLatchEnable)：

●允许A、B、C地址锁存信号，100～200ns

●ALE为输入端、高电平有效◆CLOCK：

●时钟脉冲输入端，标准频率640kHz（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器◆START：

●起动信号(输入，高电平有效)，100～200ns，

●上升沿进行内部清零，

●下降沿开始A/D转换。◆EOC(EndofConversion)：

●转换结束信号(输出，高电平有效)，

●转换期间为低电平，

●转换结束为高电平，

●转换周期为8×8个时钟周期，●EOC与START短接，实现自动连续转换。

ADC0809引脚功能：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器◆DO0~DO7(DataOutput)：

●8位转换数据输出端，

●三态输出锁存(0，1，高阻)，

●转换期间DO0~DO7呈高阻状态，

●DO0为最低位，

●DO7为最高位。

ADC0809引脚功能：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器◆OE(OutputEnable)：

●允许输出信号(输入端，高电平有效)。

●转换期间DO0~DO7呈高阻状态，

●转换完毕， 如果OE为高电平， 则输出DO0~DO7状态。

ADC0809引脚功能：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器◆VREF+：

●基准电压源正端，标准+5VDC。◆VREF-：

●基准电压源负端，标准-5VDC。◆VCC：

●工作电压源端，+5VDC。◆GND：

●电源地端。

ADC0809引脚功能：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

ADC0809工作时序图：（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、A/D转换器

接口功能：

●起动A/D转换

●读取A/D转换结果DO0~

DOn-1（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路A/D接口A/DCPUVINDOiDiACIAD：数据线A：地址线C：控制线DOi：转换输出IA：接口地址

读取A/D转换数据的方法：

◆查询法 ◆定时法 ◆中断法（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路①查询法读A/D转换数的接口

原理：

●IN指令读EOC→D7

●判断D7

的状态

EOC=0，转换期间

EOC=1

，转换结束

接口地址线：

A0A1

A2→ABCA3~A7→译码→PA，PB，PC

查询法读A/D转换数的接口28161213V10GNDVCCCLOCK252423AB10VREF-VREF+117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9RDD7ALE622START接口电路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWRCPU8088500KHZ接口地址译码A0A1A2A6A3A4A5A7ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415818192021（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路PA→ALE，STARTPB→OEPC→读EOC控制

接口程序：

●1)准备工作

●2)OUT指令产生PA

→ALE，START

●3)IN指令产生PC→读EOC→D7

●4)判断D7

的状态：

EOC=0，转换期间，转3) EOC=1，转换结束，转5)

●5)IN指令产生PB→OE，读DO0~DO7

●6)数据处理①查询法读A/D转换数的接口（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路28161213V10GNDVCCCLOCK252423AB10VREF-VREF+117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9RDD7ALE622START接口电路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWRCPU8088500KHZ接口地址译码A0A1A2A6A3A4A5A7ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415818192021②定时法读A／D转换数的接口

A/D转换时间TC

取决于时钟(CLOCK)频率，

●如上图中ADC0809的 时钟(CLOCK)频率为500kHz， 转换周期为8×8个时钟周期， 相当于128μs（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路28161213V10GNDVCCCLOCK252423AB10VREF-VREF+117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9RDD7ALE622START接口电路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWRCPU8088500KHZ接口地址译码A0A1A2A6A3A4A5A7ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415818192021

定时法：

◆OUT指令（PA有效）起动A/D转换后， 再用程序至少延时TC

，

◆就可用IN指令（PA有效）读A/D转换数DO0~DOn-1

优点：

◆接口电路比查询法简单，

◆不必查询转换结束信号状态。②定时法读A／D转换数的接口（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路③中断法读A／D转换数的接口

查询法和定时法 在转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低。

中断法原理：

●CPU执行OUT指令起动A/D转换后， 转向执行别的程序。

●一旦A/D转换完毕， 接口电路向CPU申请中断；

●CPU响应中断后， 用中断服务程序读A/D转换数。（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路

中断法分析：

●接口电路比较复杂

●如果中断服务程序的保存断点和恢复断点的时间与A/D转换时间相当，甚至超过A/D转换时间，那就得不偿失；

●逐位逼近式A/D转换时间较短，不用中断法；

●双积分式A/D转换时间较长，可用中断法。③中断法读A／D转换数的接口（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元7、I/O接口及控制电路

措施：

◆光电耦合器 ◆光电隔离放大器

位置：

◆A/D转换器之前

◆A/D转换器之后A/D通道的隔离框图S/HA/D光电隔离放大器VI0VI1VI15多路模拟开关DO0DO11光电耦合器ENABC寄存器D0D1D2D3（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元8、模拟量输入通道的隔离

A/D之前：

◆隔离来自CPU的数据线(D)、 地址线(A)、 控制线(C)，

◆光电隔离放大器

。

A/D之后：

◆隔离来自CPU的数据线(D)、 地址线(A)、 控制线(C)，

◆隔离A/D转换结果(DO0~DO11)。

S/HA/D光电隔离放大器VI0VI1VI15多路模拟开关DO0DO11光电耦合器ENABC寄存器D0D1D2D3（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元8、模拟量输入通道的隔离

步骤：

◆确定使用对象和性能指标，

◆选用A/D转换器和接口电路， 以及转换通道的构成。

A/D位数：

◆工业控制用8~12位

◆实验测量用14~16位（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元9、模拟量输入通道的设计

1)确定A/D位数的方法：

◆①输入信号的动态范围◆②输入信号的分辨率

输入信号的最大值Xmax、最小值Xmin（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元9、模拟量输入通道的设计例如，某温度控制系统的温度范围为0至200℃， 设计要求分辨率为0.005（相当于1℃）， 则可求出A/D转换器的位数因此，取A/D转换器的位数n为8位。（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元9、模拟量输入通道的设计

1)确定A/D位数的方法：

2)A/D转换时间或转换速率的选择 取决于使用对象：

◆工业控制用中速或高速，

◆实验室测量一般用低速，

3)采样保持器的选用 取决于测量信号的变化频率：

◆直流信号或变化缓慢的信号 可以不用采样保持器。（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元9、模拟量输入通道的设计

4)前置放大器

◆固定增益：适用于信号范围固定的传感器

◆可变增益：适用于信号范围不固定的传感器

5)通用性：

◆A/D转换通道的通用性，主要体现在

●符合总线标准、

●选接口地址、

●选单端输入或双端输入、

●选前置放大器增益。（一）

模拟量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元9、模拟量输入通道的设计（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元1、任务：

把CPU输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号。模拟量信号：●4~20mA，●0~10mA，

●1~5V，

●0~5V，

●等等数字量信号：●FFH(8位0/1)，●FFFH(12位0/1)，●FFFFH(16位0/1)（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元2、组成：（依据输出保持器的构成方式分为两种基本结构）D/A转换器I/O接口及控制电路输出驱动①数字量保持方案——一个通路设置一个D/A转换器I/O接口电路D/AD/A······D/ACPU功率放大功率放大功率放大······（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元2、组成：D/A转换器I/O接口及控制电路输出驱动············I/O接口电路D/ACPU采样保持器输出驱动采样保持器采样保持器······输出驱动输出驱动反多路转换开关采样保持器②模拟量保持方案——多个通路共用一个D/A转换器

D/A转换器的VOUT与输入D0~Dn-1的关系式

性能指标：◆分辨率8，10，12，14，16位◆稳定时间约几μs◆转换精度

◆线性度◆……（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

D/A转换器的引脚信号：

◆数字量输入端

◆模拟量输出端◆控制信号端

◆电源端

◆……

从应用角度了解D/A外特性及引脚信号

D/A采用并行数据输入寄存器（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832

基本特性：●分辨率为8位，●转换时间为1μs●20脚双立直插式封装

DAC0832原理框图及引脚VREF812119Rfb31020IO2IO1AGNDDGNDVCC121718WR2XFERWR1CSILEDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7(MSB)(LSB)131415164567198位输入寄存器DDQQRfbLE

8位DAC寄存器DDQQLE

8位D/A转换器（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832组成：●8位输入寄存器●8位DAC寄存器●8位D/A转换器●输入控制电路●运算放大器的反馈电阻Rfb

DAC0832原理框图及引脚VREF812119Rfb31020IO2IO1AGNDDGNDVCC121718WR2XFERWR1CSILEDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7(MSB)(LSB)131415164567198位输入寄存器DDQQRfbLE

8位DAC寄存器DDQQLE

8位D/A转换器（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832引脚：◆DI0~DI7(DigitalInputs)

： 数据输入线，DI0为最低位，DI7为最高位◆ILE(InputLatchEnable)：允许输入锁存信号，输入线，高电平有效。◆CS(ChipSelect)：片选信号输入线，低电平有效。◆WR1(Write1)：写信号输入线1，低电平有效。（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器◆WR2(Write2)：●写信号输入线2，●低电平有效。◆XFER(TransferControlSignal)：●传送控制信号，●输入线，低电平有效。（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832引脚：●当CS、WR1、ILE同时有效时,输入寄存器直通。

DAC0832引脚：（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器●当WR2和XFER同时有效时，DAC寄存器直通。LE1=ILE&(CS+WR1)=ILE&CS&WR1LE2=WR2+XFER=WR2&XFER

DAC0832引脚：（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器●当CS、WR1、ILE、WR2

、XFER同时有效。直通工作方式单缓冲工作方式●一级寄存器锁存，另一级寄存器直通。双缓冲工作方式●两级寄存器均锁存。（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832引脚：◆IO1（

Iout1）：DAC电流输出端1◆IO2（

Iout2）

：DAC电流输出端2◆IO1+IO2=常量◆Rfb(ResistanceofFeedback)

： 运算放大器的反馈电阻端◆VCC：工作电压源端，+5VDC到+15VDC◆DGND(DigitalGround)：数字电路地线◆AGND(AnalogGround)：模拟电路地线（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、D/A转换器

DAC0832引脚：

功能：

●将CPU送出数字量送到D/A转换器数据输入线上，

●接口地址译码，并产生片选信号或写信号，

●如果D/A芯片内部无输入寄存器，则要外加寄存器。●输出驱动(电流或电压)

C：控制线Di：转换数字Ai：地址D/A接口CPUD/ADiDiCAiIOAVO（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路

组成：

●输入数据驱动

●接口地址译码

●D/A转换器

●输出驱动(电流或电压)

通用性：

●符合总线标准

●选接口地址

●选输出方式(电流或电压)

隔离（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路单缓冲工作方式IORQCSWR1XFERDAC0832181712WC09IO2IO1RfbDI0DI7U316141272146811131517191853974LS244D7D0数据线VREF8

D1D2D3D4D5D6DI3DI4-A11VOUT12+VCC20

WR2XFERWR1CS74LS138U2G1654WR15141312111097接口地址译码地址线ABC123A0A1A2A3Y7Y0GAWC7GB74LS138U1G165415ABC123A4A5A6A7Y0GAGB7DI1DI2DI5DI6Y7+5VILE19

接口地址译码：●地址线A0~A7●写信号WR●输入输出请求信号IORQ（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路◆经两级3-8线译码器U1和U2(74LS138)产生接口地址

信号WC0~WC7，作为8片DAC0832的写信号WR1和片选信号CS。

数据线D0~D7

：◆首先经数据驱动器

U3(74LS244)，◆然后到各DAC0832的数据输入端

DI0~DI7

CPU执行输出指令OUT，将被转换的8位数通过D0~D7经U3传送给

DAC0832的数据输入端DI0~DI7

（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路IORQCSWR1XFERDAC0832181712WC09IO2IO1RfbDI0DI7U316141272146811131517191853974LS244D7D0数据线VREF8

D1D2D3D4D5D6DI3DI4-A11VOUT12+VCC20

WR2XFERWR1CS74LS138U2G1654WR15141312111097接口地址译码地址线ABC123A0A1A2A3Y7Y0GAWC7GB74LS138U1G165415ABC123A4A5A6A7Y0GAGB7DI1DI2DI5DI6Y7+5VILE19

输出方式：

◆电流输出：

0~10mADC

或4~20mADC

◆电压输出： 单极性或双极性D/A转换电流输出DAC08329IO2IO11112RfbD0D78-10V

+15VVREFV1W1调零点V2RLW2R5调量程

-15VR8KA

3AGNDR1220kΏR41kΏ24kΏR3R2100kΏ30kΏ

+15V300

T2T1

IO0~10mA

或4mA~20mA

10kΏR647kΏ

123R7100

50

C1-

A1

-15V+C2-

A2

-15V++15V（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路

输出方式：

◆电流输出：

0~10mADC

或4~20mADC

◆电压输出： 单极性或双极性（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路D/A转换输出电流+VCR2W2调量程光电耦合器

+VLRLIL

-5VV2R1DAC08329IO2IO11112RfbD0D78

+15VVREFV13AGNDC1-

A1

-15V+调零点-15VW1

5kΏC2-

A2++15V

输出驱动类型：

◆①模拟信号隔离方法

●采用线性光电耦合器

●隔离DAC后的放大器输出(上图)

◆②数字信号隔离方法

●采用开关光电耦合器

●隔离DAC前的数字信号（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、I/O接口及控制电路

步骤：

●首先要确定使用对象和性能指标，

●然后选用D/A、接口电路和输出电路。

D/A位数：

●工业控制用8~12位

●实验测量用14~16位（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、模拟量输出通道的设计

D/A转换器位数的选择根据输出信号的精度或灵敏度Umax----执行机构的最大输入值Umin----执行机构的灵敏度（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、模拟量输出通道的设计

通用性：

◆①符合总线标准

●采用计算机内部总线，例如PCI总线

◆②选接口地址

●基址和片址组成，一般可选基址

◆③选输出方式

●电流或电压输出，选其中之一（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、模拟量输出通道的设计接口地址译码电路

+5V74LS688161412721468111315171918539A7A6S3A5A4A3

S5S6S7P7IORQ

+5VP0Q0Q7P=Q10k8基址片址A1

74LS13810123651549711A0141312A+5VWRA2BCG1G

S4Y0Y7GAGBWC7WC0WC1WC2WC3WC4WC5WC6

每片DAC都有对应的接口地址

接口地址由基址和片址组成：

◆基址：A3~A7

，用8位量值比较器74LS688

用开关S3~S7来选择(等电位比较)

◆片址：A0~A2

，用3-8线译码器74LS138输出接口地址信号WC0

~WC7（二）

模拟量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、模拟量输出通道的设计（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元1、任务：把从控制对象检测得到的数字编码、开关量、脉冲量或中断请求信号等数字信号经过输入缓冲器，在接口的控制下送给CPU。（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元2、组成：光电隔离输入调理输入缓冲输入调理······CPU光电隔离······输入缓冲············地址译码工业现场地址译码（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、输入调理：

外部装置或生产过程的状态信号可能是电压、电流或开关的触点，因此可能引起瞬时高压、过电压及接触抖动等现象。

◆电平转换◆滤波◆保护◆防触点抖动◆

隔离◆……

（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、输入调理：

电平转换及滤波电平转换及滤波继电器隔离及电平转换、滤波（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、输入调理：

保护直流输入电路交流输入电路

◆过电压保护

稳压管限流电阻◆反电压保护

串联二极管

◆

……（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、输入调理：

防触点抖动积分消抖电路原理图R-S触发器消除开关二次反跳电路原理图

◆积分电路消除开关抖动

◆R-S触发器消除开关二次反跳（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、光电隔离：

光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种。（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元5、输入缓冲:

采用三态门缓冲器(如74LS244)隔离输入和输出线路，在二者之间起缓冲作用。

74LS244-三态输出8位缓冲器/驱动器

1G，2G=0时，输出等于输入

1G、2G=1时，输出为高阻态

开关输入信号S0~S7接到 缓冲器74LS244输入端，74LS244124681113151719161412187539数据线D7D0D1D2D3D4D5D6S7S0S1S2S3S4S5S6。。。。。。。。。。。。。。。。接口地址译码A0A7IOW开关地址线片选信号CS缓冲器

接口地址译码：

●CPU执行IN指令时，

●接口地址译码电路产生片选信号CS，

●将S0~S7状态信号送到数据线D0~D7上， 再送到CPU中。（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元6、接口及地址译码:（三）

数字量输入单元§2.1硬件基础二、输入输出单元

脉冲量输入（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元1、组成：光电隔离输出驱动输出锁存地址译码输出锁存······CPU光电隔离······输出驱动············地址译码工业现场（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元2、输出锁存：

保持输出控制状态，直到新的输出控制状态产生。

74LS373G=0时，

D中内容被锁存；G=1时，输出跟随输入。OE=0时，

D中内容输出；OE=1时，高阻态。

●当CPU执行OUT指令时，

●接口地址译码电路产生写数据信号WD，

●将D0~D7状态信号送到锁存器的输出端Q0~Q7上， 再经输出驱动电路送到开关器件。IOW74LS27334781314171811569215161912数据线Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6接口地址译码A0A7地址线WDD7D0D1D2D3D4D5D6输出端G锁存器OE（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元3、接口地址译码：（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、输出驱动：

小功率直流驱动电路

●低压小功率开关量输出

●可用晶体管、OC门、运放等方式输出（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、输出驱动：

继电器输出驱动电路

●开关量输出功率放大

●控制大功率接触器通断●直流低压转换为交流高压（四）

数字量输出单元§2.1硬件基础二、输入输出单元4、输出驱动：

大功率交流驱动电路

●可用固态继电器

SolidStateRelay实现§2.1硬件基础三、人机接口单元

功能：

◆显示生产过程的状况

◆供操作人员操作

◆显示操作控制结果

组成：

◆CRT或LCD，键盘，打印机

◆回路操作显示设备

(手动操作器)

◆操作显示面板

◆操作显示台

◆……

通用：

◆CRT或LCD◆标准键盘

专用：◆回路操作显示设备◆操作显示面板◆操作显示台§2.1硬件基础三、人机接口单元（一）操作显示设备

含义：

◆常规控制以

PID控制回路为单位，

◆每个PID控制块

对应一个回路操作显示器

实现：

◆软件实现为

CRT或LCD画面上的回路操作显示窗口

◆硬件实现为 回路操作显示设备§2.1硬件基础三、人机接口单元（一）操作显示设备

回路操作显示窗口：

◆每个