计算机技术控制及应用

尤文斌丁永红

李旭妍编著西安电子科技大学出版社计算机控制技术及应用课程目标1：

能够运用计算机控制技术的基本概念和理论对计算机控制的输入输出，控制稳定性、抗干扰等系统性能进行分析。（支撑毕业要求指标点

2-1：问题分析能力）课程目标2：能够运用A/D、D/A、模拟开关、光电隔离接口电路硬件知识和数字信号处理方法、数字控制算法等软件知识进行电路设计和编写程序。（支撑毕业要求指标点3-2：设计能力）考核分配​资源自学:

30%作

业：

30%评测测验：

20%综合设计：

20%第1章绪论

1.1自动控制系统的一般形式1.2计算机控制系统的一般概念与组成1.3工业控制计算机的特点1.4计算机控制系统的分类1.5计算机控制系统的发展概况与趋势1.1自动控制系统的一般形式自动控制系统的基本结构：图1-1自动控制系统的基本结构1.1自动控制系统的一般形式

由图1-1（a）可知，该系统通过测量元件对被控对象的被控参数（如温度、流量、压力、转速等）进行测量，再由变送单元将被测参数变成一定形式的电信号，反馈给控制器。控制器将反馈信号对应的工程量与给定值进行比较，如有误差，则控制器按照预定的控制规律产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。又称为按误差进行控制的闭环控制系统。1.1自动控制系统的一般形式

图1-1（b）属于开环控制系统。它与闭环控制系统的区别是，它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工作的，被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差，控制性能较差，但结构简单，因此常用于特殊的控制场合。1.1自动控制系统的一般形式

从以上分析可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是由检测元件、变送装置、控制器和执行机构来完成的。其中，控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。1.2计算机控制系统的一般概念与组成1.2.1计算机控制系统的一般概念

如果把图1-1（a）中的控制器和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。图1-2计算机控制系统的基本框图1.2计算机控制系统的一般概念与组成

计算机控制系统的控制过程一般可归纳为3个步骤。（1）实时数据采集对被控参数的瞬时值进行实时检测，并输入给计算机。（2）实时决策控制对采集到的被控参数进行处理后，按照已经确定的控制规律，决定当前的控制量。（3）实时控制输出根据实时计算的结果，适时地向执行机构发出控制信号，实施控制。1.2计算机控制系统的一般概念与组成

“实时性”是指计算机控制系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。在确定限定时间时，主要考虑两个因素：

①根据工业生产过程出现的事件能够保持多长时间。

②该事件要求计算机在多长的时间内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。“实时性”一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加速程序执行速度。1.2计算机控制系统的一般概念与组成速射炮自行车物流分拣物流运送车1.2计算机控制系统的一般概念与组成1.2.2计算机控制系统的组成

计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）和生产过程两大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。1.2计算机控制系统的一般概念与组成1）．硬件组成图1-3计算机控制系统的硬件组成框图1.2计算机控制系统的一般概念与组成

（1）计算机计算机是控制系统的核心。它按照预先存放在存储器中的程序、指令，不断通过过程输入通道获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的控制算法，或操作人员通过键盘输入的操作命令自动地进行运算和判断，及时地产生并通过过程输出通道向被控对象发出相应控制命令，以实现对被控对象的自动控制。（2）接口

I/O接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机通过I/O接口与外部设备进行数据交换。目前大多数I/O接口电路都是可编程的。比如常用的并行接口8155和8255，定时器/计数器8253等。1.2计算机控制系统的一般概念与组成

（3）输入和输出通道工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（一次仪表）变换为电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息传输和转换的连接通道，这就是输入和输出通道，又称为过程通道。输入和输出通道一般分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。（4）通用外部设备主要是为了扩大计算机的功能而设置的。它们用来显示、打印、存储及传送数据。目前已经有各种各样的通用外部设备可以选择，如打印机、显示器、声光报警器、光盘驱动器及扫描仪等。1.2计算机控制系统的一般概念与组成（5）操作台操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主要包括以下4个部分：

①要有作用开关。例如：电源开关，手动/自动开关等，利用这些开关操作人员可以对主机进行启停、设置和修改数据以及修改控制方式等。

②要有一组功能键。例如：复位键、启动键、打印键、显示键、工作方式选择健等。利用这些功能键可以向计算机申请中断服务，选择连续工作或单步操作等工作方式。

1.2计算机控制系统的一般概念与组成③要有屏幕或显示器。例如：CRT、液晶显示器或LED、LCD数码管显示器。利用这些显示设备，操作人员可以观察系统的工作状态，了解一些过程参数及变化趋势图等，还可以报警。

④要有一组数字键。主要用来送入数据或修改控制系统的参数。（6）自动化仪表自动化仪表主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执行机构等。直接将输入和输出通道与工业对象发生联系。1.2计算机控制系统的一般概念与组成2）．软件

计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件组成。（1）系统软件系统软件完成人机交互、资源管理和系统维护等功能。通常包括操作系统、编译程序和诊断程序等，具有一定的通用性，一般由计算机生产商提供。（2）应用软件应用软件则是专门开发用来完成程序控制、数据采集及处理、巡回检测及报警等规定任务的各种程序。一般是由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和软件环境来开发编写。信号采样A/D信号输出及保持D/AFor(k=0;;k++)Reade(kT)U(kT)=f(e(kT))//控制算法OutputU(kT)end计算机控制软件框图采样控制周期T1.3工业控制计算机的特点

计算机控制系统中的计算机通常是工业控制计算机，简称工控机，与通常用作信息处理的通用计算机（如PC机）不仅在结构上而且在技术性能方面都有较大差别。工控机的特点如下：1）．可靠性高和可维修性好工控机通常用于控制连续的生产过程，工控机发生任何故障都将对生产过程产生严重后果。因此要求工控机具有很高的可靠性和很好的可维修性。

可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，为此需要采用可靠性技术来解决；可维修性是指工业控制机发生故障时，维修快速、方便、简单。1）．可靠性高和可维修性好1）．可靠性高和可维修性好1）．可靠性高和可维修性好1.3工业控制计算机的特点2）．控制的实时性好工控机对生产过程进行实时控制和监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化，当发生异常时能及时处理和报警。因此需要配有实时操作系统和中断系统。3）．环境适应性强工控机一般来说都安装在控制现场，所处的环境往往比较恶劣。这就要求工控机具有防尘、防潮、防腐蚀、耐高温以及抗震动等能力。3）．环境适应性强3）．环境适应性强1.3工业控制计算机的特点4）．输入和输出通道配套好工控机要具有丰富的输入和输出通道配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入和输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如各类热电偶、热电阻信号的输入调理等。5）．系统的扩充性好随着工厂自动化水平的提高，控制规模不断地扩大，要求工控机具有灵活的扩充性。1.3工业控制计算机的特点6）．控制软件包功能强工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时和历史的趋势记录与显示功能；具有实时报警及事故追忆功能；具有丰富的控制算法程序等。7）．系统通信功能强有了强有力的通信功能，工控机便可以构成更大的控制系统，所以要求工控机具有串行通信和网络通信功能。1.4计算机控制系统的分类1.4.1操作指导控制系统

OIS（OperationalInformationSystem）原理框图如图1-4所示。图1-4操作指导控制系统原理框图车速控制1.4计算机控制系统的分类

这是一种开环控制结构。其优点是控制过程简单，并且即使计算机发生故障，也不会影响正常生产过程，因而比较安全。适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。其缺点则是需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。1.4计算机控制系统的分类1.4.2直接数字控制系统

DDCS（DirectDigitalControlSystem）原理框图如图1-5所示图1-5直接数字控制系统原理框图1.4计算机控制系统的分类

由图1-5可见，直接数字控制系统为闭环控制系统。其中计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的参数调节，而且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等，因此直接数字控制系统设计灵活方便，经济可靠。汽车定速巡航1.4计算机控制系统的分类1.4.3监督计算机控制系统

SCCS（SupervisoryComputerControlSystem）

在监督计算机控制系统中，监督计算机（SCC计算机）按照生产过程的数学模型及原始工艺信息，计算出最佳给定值送给模拟调节器或以直接数字控制方式工作的计算机（DDC计算机），最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。

监督计算机控制系统有两种结构形式：一种是SCC+模拟调节器的控制系统；另一种是SCC+DDC的控制系统。其原理框图如图1-6所示。1.4计算机控制系统的分类a)SCC+模拟调节器的控制系统图1-6监督计算机控制系统原理框图1.4计算机控制系统的分类b)SCC+DDC的分级控制系统图1-6监督计算机控制系统原理框图自动刹车控制系统1.4计算机控制系统的分类1）．SCC+模拟调节器的控制系统如图1-6（a）所示。计算机系统对各个信号进行巡回检测，按给定的数学模型及工艺信息计算出最佳给定值并送给模拟调节器，由模拟调节器与检测值进行比较并输出结果，然后输出到执行机构进行控制调节。当SCC计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。

2）．SCC+DDC的控制系统如图1-6（b）所示。该系统实际上是一个两级控制系统。SCC计算机可完成顶级的最优化分析和计算，并给出最佳控制值送给DDC级执行控制过程。两级计算机之间通过通信接口进行信息联系。当DDC级计算机发生故障时，SCC级计算机可以完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到了提高。1.4计算机控制系统的分类1.4.4集散控制系统-分布式控制系统

DCS（DistributedControlSystem）

集散控制系统又称分布式控制系统，是一种分布式控制结构。采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级（DDC）、计算机监督控制级（SCC）和生产管理级（MIC），形成分级分布式控制，其结构框图如图1-7所示。1.4计算机控制系统的分类图1-7集散控制系统原理框图1.4计算机控制系统的分类

分散过程控制级DDC是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级采集到的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并以此工作。

计算机监督控制级的任务是对生产过程进行监控和操作。该级根据生产管理级的技术要求和通过分散过程控制级获得的生产过程的数据，对分散过程控制级进行最优控制。从计算机监督控制级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。1.4计算机控制系统的分类

综合信息管理级是整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。1.4计算机控制系统的分类1.4.5计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）

计算机集成制造系统既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。计算机集成制造系统按其功能自上而下可以分成过程直接控制层、过程优化监控层、生产调度层、企业管理层和经营决策层等。其结构框图如图1-8所示。1.4计算机控制系统的分类图1-8计算机集成制造系统1.4计算机控制系统的分类

这类系统除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化控制功能以外，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的各种功能。因此计算机集成制造系统所要解决的不仅是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，即企业综合自动化问题。1.4计算机控制系统的分类1.4.6现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）

现场总线控制系统的结构模式为“工作站—现场总线智能仪表”二级结构模式，这样就可以将原DCS系统中处于控制室的控制模块、各种输入输出模块置入测控现场，充分利用现场总线设备所具有的数字通信能力，安装于现场的测量变送器直接与阀门等执行机构进行信号传输，因而控制系统可以脱离位于控制室内的主计算机而工作，直接在现场完成测量与控制信号的传递，彻底实现了系统的分散控制。其结构框图如图1-9所示。1.4计算机控制系统的分类图1-9现场总线控制系统结构框图1.4计算机控制系统的分类

现场总线控制系统与传统的分布式控制系统相比，具有以下特点。1）．全数字化无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站之间的信息交换，系统全部采用数字信号。2）．开放性开放是指系统对某种标准的一致、公开和对该标准的共同遵守程度。现场总线是开放的，从总线的标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。因此，它可以和任何厂商生产的同一标准的系统、设备相连，进行信号传递和通讯，用户可以共享网络资源。1.4计算机控制系统的分类3）．智能化由于现场总线设备具有内置高性能的微处理器，因此它具有测量、变送、信号调理、运算、控制、通讯等功能，是一种底层智能设备，可完成自动控制系统的各种功能，且具有逻辑判断能力。4）．互操作性不同厂商生产的设备，只要其遵守的是一个协议标准，则可以相互操作，打破了传统的DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。1.4计算机控制系统的分类5）．风险分散性现场总线是一种全新的分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了集中式计算机控制系统和现有的DCS集中、分散相结合的集散控制系统的体系结构，减轻了主计算机的负担和风险，现场单元具有更高的智能特性，因此，简化了结构，提高了可靠性。6）．环境适应性强现场总线对现场环境的适应性优于其他系统。它工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等传输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足安全防暴要求等。1.4计算机控制系统的分类1.4.7嵌入式控制系统

ECS（EmbeddedControlSystem）

嵌入式控制系统是计算机技术、控制技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统，反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统不仅与一般的PC机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。1.4计算机控制系统的分类

嵌入式控制系统是面向特定应用而设计的、对功能、可靠性、成本、体积、功耗等进行严格要求的专用计算机控制系统，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。在兼容性方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。为了使用方便，有些厂家将不同的典型配置做成系列模块，用户可以根据需要选购适当的模块，组成各种常用的应用系统。嵌入式控制系统制作成本高，但系统开发投入低，应用灵活。1.4计算机控制系统的分类嵌入式控制系统具有以下几个特点：（1）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（2）嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。通常，嵌入式系统CPU都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率，去除冗余，针对用户的具体需求，对系统进行合理配置，才能达到理想性能。1.4计算机控制系统的分类（3）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。1.4计算机控制系统的分类（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。（6）通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。1.4计算机控制系统的分类1.4.8计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）是在信息技术、自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，实现整体效益的集成化和智能化制造系统。从生产工艺划分，CIMS可大致分为离散型制造业、连续型制造业和混合型制造业三种；从体系结构划分，CIMS可分成集中性、分散性和混合型三种。1.4计算机控制系统的分类1.4.9物联网控制系统物联网控制系统（InternetofThingsControlSystem，IoTCS）是指以物联网为通信媒介，将控制系统元件进行互联，使控制相关信息进行安全交互和共享，达到预期控制目标的系统。例如HuaweiLiteOS是华为针对物联网领域推出的轻量级物联网操作系统，具备轻量级、低功耗、互联互通、组件丰富、快速开发等关键能力，为开发者提供“一站式”完整软件平台，可广泛应用于可穿戴设备、智能家居、车联网、LPWA等领域。1.4计算机控制系统的分类1.4.9物联网控制系统图1-10单层物联网控制系统架构图1-11双层物联网控制系统架构1.5计算机控制系统的发展概况与趋势1.5.1计算机控制系统的发展概况

计算机控制技术的发展过程，大致经历了试验阶段、实用普及阶段和分级控制阶段。1965年以前是计算机控制技术的试验阶段，这时的计算机控制系统能够完成计算机自动检测和数据处理，实现计算机监督控制和直接数字控制。随着小型计算机的出现，计算机控制技术进入了实用普及阶段。计算机在生产过程控制中的应用得到快速发展。但在这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统。1.5计算机控制系统的发展概况与趋势随着计算机技术的发展，到了20世纪60年代后期，已出现专用于工业生产过程控制的小型计算机。70年代由于微型计算机的出现，计算机控制技术从传统的集中控制系统改进为分布式控制系统。在20世纪70年代末期到80年代初期，随着计算机技术和企业管理水平的提高，CIMS的实施开始提到日程上来，最初的开发应用比较集中到机械制造领域主要解决机械制造离散型生产的自动化问题，接着逐渐向其他离散型生产领域。1.5计算机控制系统的发展概况与趋势到20世纪80年代中期，现场总线技术又逐渐发展起来，它是计算机控制、通信和电子技术等飞速发展的产物。它是继集中式控制系统、分布式控制系统后的新一代控制系统。同时，随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，也就是单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各种领域。1.5计算机控制系统的发展概况与趋势20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。在这一时期，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，使嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络，直至与Internet相连。1.5计算机控制系统的发展概况与趋势1.5.2计算机控制系统的发展趋势

纵观目前的计算机控制技术的发展，其发展趋势主要有以下几个方面。1）．普及应用PLC，并向微型化、网络化和开放性方向发展2）．自动化仪器仪表向数字化、智能化、网络化和微型化方向发展3）．采用新型的DCS和FCS

发展以位总线（Bitbus）、现场总线等先进网络通信技术为基础的DCS和FCS控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造系统。PLC1.5计算机控制系统的发展概况与趋势4）．实现最优控制最优控制就是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件不变以及某些物理条件的限制下，使得系统的某种性能指标取得最大值或最小值，即获得最好的经济效益。4）．实现最优控制1.5计算机控制系统的发展概况与趋势5）．自适应控制若在系统本身工作条件变化的情况下，能自动地改变控制规律，使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳，这就是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和修改三部分。5）．自适应控制1.5计算机控制系统的发展概况与趋势6）．人工智能人工智能是用计算机来模拟人工所从事的推理、学习、思考、规划等思维活动，从而解决需要人类专家才能处理的复杂问题。其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。

（1）专家系统即计算机专家咨询系统，是一个具有大量专门知识的计算机程序系统，它将各领域专家的知识分类，以适当的形式存放于计算机中，根据这些专门知识系统，可以对输入的原始数据做出判断和决策，以回答用户的咨询。

（2）机器人是一种能模拟人类智能和肢体工作的装置，它不仅能提高工业产品的质量和生产效率，降低成本，而且能完成有害地区的工作，从而具有实用价值。6）．人工智能6）．人工智能1.5计算机控制系统的发展概况与趋势

7）．模糊控制在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。7）．模糊控制1.5计算机控制系统的发展概况与趋势8）．模型预测控制由于工业对象通常是多输入、多输出的复杂关联系统，具有非线性、时变性、强耦合与不确定性等特点，难以得到精确的数学模型。出现了一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制。这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，采用动态预测、滚动优化的策略，具有易于建模、鲁棒性强的显著优点，十分适合复杂工业过程的特点和要求。8）．模型预测控制计算机控制技术第2章计算机控制系统的设计与实现目录

2.1计算机控制系统常用主机2.2数字量输入/输出通道2.3模拟量输入通道2.4模拟量输出通道2.5键盘接口技术2.6显示接口技术2.7计算机控制系统硬件抗干扰技术

2.1计算机控制系统常用主机2.1.1工业控制计算机（IPC）IPC是基于PC总线的工业电脑，其采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。IPC具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。

2.1计算机控制系统常用主机2.1.2可编程控制器（PLC）PLC是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用于工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。2.1计算机控制系统常用主机2.1.3嵌入式系统

嵌入式系统（Embeddedsystem）是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”。与通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务，核心是由一个或几个预先编程以用来执行少数几项任务的微处理器组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的，所以经常称为“固件”。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。2.2数字量输入/输出通道图2.1数字量缓冲接口电路

输入信号接到缓冲器74LS244的输入端，经过端口地址译码，得到片选信号

，当CPU执行IN指令时，产生

信号。

时，74LS244直通，被测的状态信息通过三态门送到计算机的数据总线，然后装入寄存器。2.2.11)．数字量输入（DI）缓冲接口技术2.2数字量输入/输出通道图2.2数字量缓冲接口电路

对生产过程进行控制时，控制状态需要保持，直到下次给出新值为止，因而输出需要锁存。数字量输出接口包括输出信号锁存电路和接口地址译码电路，如图2.2所示，锁存器采用74LS273。当在执行OUT指令周期时，产生信号，当,才能进行输出控制。2.2.12)．数字量输出（DO）缓冲接口技术2.2数字量输入/输出通道2.2.1

数字量输入通道（DI）在计算机控制系统中，二进制数的每一位都可以代表被控对象的状态。1）光电隔离与输入调理电路为了隔断外界电信号对计算机控制系统的干扰，通常借助光电隔离技术以阻断外界信号对电路的干扰。图2.3

光电隔离器的原理图2.2数字量输入/输出通道Proteus程序：2.2.2_CH2-光耦仿真2.2数字量输入/输出通道2)．输入信号调理电路（1）小功率输入调理电路图2.4小功率输入调理电路2.2数字量输入/输出通道

图2.4所示为开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作转换成TTL电平或CMOS电平，再与计算机相连。为了消除接点的抖动，一般都应加入有较长时间常数的电路来消除这种振荡。图2.4（a）所示为常用的RS触发器消除开关两次反跳的方法。图2.4（b）所示为一种简单的、采用RC滤波电路消除开关抖动的方法。2.2数字量输入/输出通道（2）大功率输入调理电路图2.5为大功率系统中接点信号输入电路图。图2.5大功率输入信号调理电路2.2数字量输入/输出通道

图中高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件，它把一个发光二极管和一个光敏三极管（或达林顿光敏电路）封装在一个管壳内，发光二极管加上正向输入电压信号（＞1.1V）即发光。光作用在光敏三极管的基极，产生基极光电流使三极管导通，输出电信号。在光电耦合器中，输入电路与输出电路是绝缘的，一个光电耦合器可以完成一路开关量的隔离。2.2数字量输入/输出通道（3）交流输入信号检测电路

交流输入信号检测电路如图2.6所示。图2.6交流输入信号检测电路2.2数字量输入/输出通道

图中L1、L2为电感，一般取1000μH，RV1为压敏电阻，当交流输入为110V时，RV1取270V；当交流输入为220V时，RV1取470V。R1取510kΩ/0.5W，R2取3W电阻，R3取2.4kΩ/0.25W电阻，R4取100Ω/0.25W电阻，电容C1取10μF/25V，光耦合器OP可取TLP620或PS2505-1。L、N为交流输入端。当S按钮按下时，OUT=0；当S按钮未按下时，OUT=1。2.2数字量输入/输出通道

扩充输入接口的方法有多种，可以采用可编程芯片8255扩充输入接口。每片8255有三个8位的I/O接口，通过编程将其全部初始化后进入工作方式，最多可以输入24路开关信号，因此，根据输入开关信号的路数就可以计算出所需8255芯片的数量。例如，某计算机控制系统有64路开关信号要输入，根据计算，需要三片8255芯片。图2.7所示为采用8255扩充64路输入接口的原理图。（4）多路数字量信号输入接口（4）多路数字量信号输入接口图2.7采用8255扩充64路输入接口的原理图2.2数字量输入/输出通道

当输入开关量路数不是很多时，也可以采用普通逻辑器件进行输入接口的扩展。图2.8所示为采用三片74LS244扩充24路输入接口的方法。图中，74LS138的译码输出作为芯片74LS244的输入选通信号。（4）多路数字量信号输入接口图2.8采用74LS244扩充24路输入接口的原理图2.2数字量输入/输出通道2.2.2数字量输出通道（DO）1)．数字量输出接口

包括输出锁存器和地址译码器，如图2.9所示。采用74LS273的实例如图2.10，数据线D0~D7接到输出锁存器74LS273的输入端，当CPU执行输出指令时，地址译码器产生写数据信号，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。图2.9数字量输出通道结构2.2数字量输入/输出通道图2.10数字量输出接口电路2.2数字量输入/输出通道2)．输出信号驱动电路（1）小功率直流驱动电路

①采用功率晶体管输出驱动。电路如图2.11（a）所示；K为继电器的线圈。因负载呈感性，所以须加克服反电动势的续流二极管VD1。②采用高压输出的门电路驱动。电路如图2.11（b）所示。74LS06为带高压输出的集电极开路六反相器最高电压为30V，灌电流可达40mA．常用于高压驱动场合。但需要注意，74LS06为集电极开路器件，应用时，输出端要连接上拉电阻，否则无法输出高电平。图中利用继电器的线圈电阻做上拉电阻。2.2数字量输入/输出通道图2.11继电器驱动电路（a）采用功率晶体管输出驱动（b）采用高压输出驱动2.2数字量输入/输出通道（2）大功率直流驱动电路大功率驱动场合可以利用固态继电器（SSR）、IGBT、MOSFET实现。固态继电器是一种四端有源器件，根据输出的控制信号，分为直流固态继电器和交流固态继电器。图2.12

固态继电器的结构2.2数字量输入/输出通道

在使用OC门时，由于其为集电极开路输出，在其输出为“高”电平状态时，实质只是一种高阻状态，必须外接上拉电阻，此时的输出驱动电流主要由Vc提供，只能直流驱动并且OC门的驱动电流一般不大，在几十毫安量级。

如果驱动设备所需驱动电流较大，则可采用三极管输出方式，如图2.13所示。

图2.13三极管输出驱动2.2数字量输入/输出通道

一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。如图2.14所示。图2.14继电器输出电路2.2数字量输入/输出通道

继电器输出也可用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端与输出端有一定的隔离功能。但由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花从而引起干扰；对于交流高压等场合使用，触点也容易氧化；由于继电器的驱动线圈有一定的电感，在关断瞬间可能会产生较大的电压，因此在对继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电。2.2数字量输入/输出通道

不同的继电器，允许驱动电流也不一样，在电路设计时可适当加一限流电阻，如图2.14中的电阻R3，当然，在该图中是用达林顿输出的光隔离器直接驱动继电器，而在某些需较大驱动电流的场合，则可在光隔离器与继电器之间再接一级三极管以增加驱动电流。在图2.14中，VT1可取9013三极管，OP光耦合器可取达林顿输出的4N29或TIL13。加VD1二极管的目的是消除继电器线圈产生的反电动势，R4、C1为灭弧电路。2.2数字量输入/输出通道

固态继电器（SSR—Solidstatereleys）是一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL、HTL、CMOS等集成电路或加简单的辅助电路即可直接驱动，因此适宜于在计算机测控系统中作为输出通道的控制元件；其输出利用晶体管或可控硅驱动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀，因此在计算机测控等领域中，已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。

固态继电器按其负载类型分类，可分为直流型（DC－SSR）和交流型（AC－SSR）两类。2.2数字量输入/输出通道①直流型SSR。

直流型SSR主要应用于直流大功率控制场合。它可分为三端型和二端型，其中二端型是近年来发展起来的多用途开关，这种SSR的电气原理图如图2.15所示。图2.15直流型SSR电气原理图2.2数字量输入/输出通道

图2.15中，输入端为一光电耦合器，因此可用OC门或晶体管直接驱动。驱动电流一般小于15mA，输入电压为4～32V，因此在电路设计时可选用适当的电压和限流电阻R；其输出端为晶体管输出，输出断态电流一般小于5mA，输出工作电压30～180V（5V开始工作），开关时间小于200μs，绝缘度为7500V／s，因此，在具体选用时可根据不同需要，选用合适的类型。2.2数字量输入/输出通道图2.16直流型SSR典型接线图

图2.16为一典型接线图，此处所接为感性负载，对一般电阻型负载，可直接加负载设备。2.2数字量输入/输出通道②交流型SSR。

交流型SSR用于交流大功率驱动场合。它可分为过零型和移相型两类，是用双向晶闸管作为开关器件，其电气原理图如图2.17所示。图2.17交流型SSR电气原理图2.2数字量输入/输出通道

对于非过零型SSR，在输入信号时，不管负载电源电压相位如何，负载端立即导通；而过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时，输出端负载电源才导通，而当输入端的控制电压撤消后，流过双向晶闸管负载为零才关断。

对于交流型SSR，其输入电压为4～32V，开关时间小于200μs，输入电流小于500mA，因此对其驱动可加接一晶体管直接驱动；输出工作电压为交流，可用于380V、220V等常用市电场合；输出断态电流一般小于10mA。2.2数字量输入/输出通道

由于采用电子开关（晶闸管）作为开关器件，存在通态压降和断态漏电流。SSR的通态压降一般小于2V，断态漏电流通常为5～10mA，因此在使用中要考虑这两项参数，否则在控制小功率执行器件时容易产生误动作。

一般在电路设计时，应让SSR的开关电流至少为断态电流的10倍，负载电流若低于该值，则应并联电阻R，以提高开关电流，如图2-86所示。当使用感性负载时，也可采用这种方法，以避免误动作。2.2数字量输入/输出通道图2.18交流SSR用于小负载接线2.2数字量输入/输出通道

图2.19所示为数字量输入、输出电路原理图。图2.19数字量输入、输出电路原理图2.2数字量输入输出通道

图中单片机80C51的P1口作为输入口，8个开关K0~K7的状态转换为TTL电平后送入P1口。当开关为闭合状态时，输入为低电平，若为断开状态则输入为高电平，其中RC电路为输入信号调理电路。输出控制信号由P2.7和相或而得到，当或门输出为低电平时，将P0口的数据输入到74LS273中，当或门输出为上升沿时，P0口的数据被锁存，其输出控制着发光二极管L0~L7。当某线输出低电平时，该线上的发光二极管点亮。2.3模拟量输入通道2.3.1模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成框图如图2.20所示。图2.20模拟量输入通道的组成框图2.3模拟量输入通道

在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。因此，信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。2.3模拟量输入通道①电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。②电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。

传感器输出的信号包括：①电压信号：一般为mV或μV信号。②电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。③电流信号：一般为mA或μA信号。变送器输出的信号包括：2.3模拟量输入通道

以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。2.3模拟量输入通道

（1）无源I/V变换电路

无源I/V变换电路如图2.21所示。图2.21无源I/V变换电路2.3.2I/V变换2.3模拟量输入通道

图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为0~10mA时，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样输出的电压就为0~5V；当输入电流为4~20mA时，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样输出的电压就为1~5V。2.3模拟量输入通道（2）有源I/V变换电路

有源I/V变换电路如图2.22所示。图2.22有源I/V变换电路2.3模拟量输入通道有源I/V变换由有源器件——运算放大器、电阻和电容组成，如图2.22所示。通过对R1、R3、R4三个电阻设置不同的值即可得到不同的电压输出值。比如当输入信号I=0～10mA，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，此时输出的电压V为0～5V；当I=4～20mA，可取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，此时V为1～5V。2.3模拟量输入通道RCV420是美国BURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4~20mA输入信号转换为0~5V输出信号，具有很高的性价比，它包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入范围达±40V。RCV420的功能框图如图2.23所示。集成I/V变换电路RCV420:2.3模拟量输入通道图2.23RCV420的功能框图2.3模拟量输入通道RCV420的引脚排列如图2.24所示。图2.24RCV420的引脚排列2.3模拟量输入通道RCV420芯片的各引脚功能如下。+IN，-IN：正、负信号输入端。

CT：输入中心抽头。

V+，V-：正、负电源端。

RefCom：基准公共端。

NC：空端。RefNoiseReduction：基准降噪端。RefTrim：基准调整端。ReffB：基准反馈端。Refin，RefOUT：基准输入、输出端。RcvCom：接收公共端。RcvOUT：接收输出端。RcvfB：接收反馈端。2.3模拟量输入通道

对于4mA~20mA的输入电流和0~5V的输出电压，要求电路的的传输阻抗为（V/mA）

为了得到期望的输出（输入4mA时，输出0V；输入20mA时，输出5V），运算放大器的输出必须有一个偏置电压为=-（4mA）(0.3125V/mA)=-1.25V2.3模拟量输入通道

输入电流信号连接到+IN或-IN端，取决于信号的极性，并通过中间抽头CT返回地。两个精密电阻RS将输入电流信号经差分放大电路放大，转换成一个与之成正比的电压信号。运算放大电路的电压增益为5V/（16mA）（75Ω）=4.1667

位于放大电路反馈通道中的T型网络节点用于产生所需要的-1.25V偏置电压。2.3模拟量输入通道RCV420电源和信号的基本接法如图2.25所示。图2.25

RCV420电源和信号的基本接法2.3模拟量输入通道2.3.3多路模拟开关

当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。

目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。尽管模拟开关种类很多，但其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。多路模拟开关主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。2.3模拟量输入通道

常用的单端、双向4路模拟开关MAX4634的引脚图如图2.26所示。图2.26MAX4634的原理图A1A0EN所选通道XX0NONE0011011210131114表2.1MAX4634真值表2.3模拟量输入通道

前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。它可以分为同相放大器和反相放大器，固定增益放大器和可变增益放大器等。2.3.3前置放大器图2.27同相与反相放大器原理图同相放大器反相放大器2.3模拟量输入通道固定增益放大器

固定增益放大器一般采用差动输入放大器，因其输入阻抗高，因而有着极强的抗共模干扰能力，如图2.28所示。图2.28固定增益差动放大器2.3模拟量输入通道图中所以其增益为2.3模拟量输入通道可变增益放大器

在计算机控制系统中，当多路输入信号的电平相差较悬殊时，采用可变增益放大器，可以使A/D转换器信号满量程达到均一化，以提高多路数据采集的精度。

常用的可变增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102、PGA202/PGA203、LH0084等。下面介绍PGA202/PGA203程控仪表放大器。2.3模拟量输入通道PGA202/PGA203是BURR-BROWN公司生产的程控仪表放大器，PGA202的增益倍数为1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4，8。当增益G<1000时，增益误差为0.05％～0.15％；当增益G=1000时，增益误差为0.08％～0.1％。电源供电范围为±6V～±18V。共模抑制比为80～94dB。2.3模拟量输入通道PGA202/203的内部结构如图2.29所示。图2.29PGA202/203的内部结构2.3模拟量输入通道PGA202/203的引脚排列如图2.30所示。图2.30PGA202/203的引脚排列2.3模拟量输入通道各引脚功能如下：A1、A0：增益数字选择输入端。

+VCC、-VCC：正、负供电电源端。

VREF：参考电压端。

FilterA、FilterB：输出滤波端。

VOSAdjust：偏置电压调整端。

+VIN、-VIN：正、负信号输入端。

DigitalCom：数字公共端。

VOUTSense：信号检测端。

VOUT：信号输出端。2.3模拟量输入通道PGA202/203的增益选择及增益误差见表2.2所示。把PGA202与PGA203级联使用可组成从1～8000倍的16种程控增益。增益选择输入端PGA202PGA203A1A0增益误差增益误差0011010111010010000.05%0.05%0.05%0.05%12480.05%0.05%0.05%0.05%表2.2PGA202/203的增益选择及误差2.3模拟量输入通道

如果需要另外的放大倍数，可以通过外接缓冲器及衰减电阻来获得，其接线如图2.31所示，增益见表2.3所示。改变R1与R2的阻值比例，可获得不同的增益。图2.31外接缓冲器及衰减电阻获得不同的增益表2.3电阻、与增益的关系增益R1/ΩR2/Ω25105kΩ2kΩ1kΩ5kΩ8kΩ9kΩ2.3模拟量输入通道PGA202/203的电源和信号的基本接法如图2.32所示。图2.32PGA202/203的电源和信号的基本接法2.3模拟量输入通道2.3.5．采样/保持器A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H（SampleHold）。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。2.3模拟量输入通道（1）采样/保持器的工作原理S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图2.33所示。图2.33

采样/保持器的原理图2.3模拟量输入通道（1）采样/保持器的工作原理图2.34

采样过程2.3模拟量输入通道

采样/保持器有采样和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精度。2.3模拟量输入通道（2）常用的采样/保持器

常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗为，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。2.3模拟量输入通道LF398的组成原理图如图2.35所示。图2.35LF398的组成原理图2.3模拟量输入通道引脚排列如图2.36所示。图2.36LF398的引脚排列图2.3模拟量输入通道各引脚功能如下：V+、V-：正负电源电压输入引脚，输入范围为±5V到±18V。

OFFSETADJ：偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。

VIN：输入引脚。

VOUT：输出引脚。

CH：保持电容引脚。用来外接保持电容。

LOGICREF：参考逻辑电平。

LOGIC：输入控制逻辑。2.3模拟量输入通道

由图2.35可见，LF398由输入缓冲级（A1）、输出驱动级（A3）和控制电路（A2和S）组成。运算放大器A1和A3均接成电压跟随器形式。当输入控制逻辑电平高于参考逻辑电平时，A2输出一个低电平信号，驱动开关S闭合，此时输入信号经A1后进入A3，A3的输出跟随输入电压变化，同时向保持电容充电；而当输入控制逻辑电平低于参考逻辑电平时，A2输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1和A3的作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。2.3模拟量输入通道LF398典型的电源和信号的接法如图2.37所示。图2.37LF398典型的电源和信号的接法2.3模拟量输入通道

只要改变输入控制逻辑电平，即可控制采样/保持器的工作状态。当输入控制逻辑为高电平时，为采样状态，此时输出随着输入变化；当输入控制逻辑为低电平时，为保持状态，此时，输出保持不变。保持电容CH可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（±1%）而速度要求较高时，CH可小至100pF。当精度要求高（±0.01%）时，应取CH=1000pF。当CH≥400pF时，采样时间tAC与CH有经验公式tAC=CH/40

式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器1）A/D转换器的性能指标（1）分辨率：A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度。（2）转换精度：A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。绝对误差是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差、其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差、零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（LeastSignificantBit）来表示，

。

2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器1）A/D转换器的性能指标

（3）转换时间：A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间：如逐位逼近式A/D转换器的转换时间一般为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间一般为毫秒级。2）常用A/D转换器的工作原理（1）逐次逼近式A/D转换器的工作原理2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器

（1）逐次逼近式A/D转换器的工作原理

逐次逼近式A/D转换器以D/A转换器为基础，其电路结构如图2.38所示。图2.38

逐次逼近式A/D转换器的电路结构2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器

（1）逐次逼近式A/D转换器的工作原理

其转换过程如下：由计算机发出的启动转换命令的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下降沿启动A/D转换。时序及控制逻辑首先使SAR最高位置“1”，经D/A转换的模拟量Ur和U0相比，若大于或等于比较器置“1”，否则置“0”。时序及控制逻辑根据比较器的结果修改SAR的数值。当比较器为“1”，保留最高位，否则置“0”。然后，逐位按上述方法进行置“1”、转换、比较和判断，直至确定最低位为止。此时SAR中的内容就是模拟电压转换成二进制数字编码。逐次逼近式A/D转换器的优点是精度高、转换速度快、且转换时间固定。2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器

（1）双积分式A/D转换器的工作原理

双积分式A/D转换器是一种间接的A/D转换器。图2.39

双积分式A/D转换器2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器

（1）双积分式A/D转换器的工作原理

其转换原理是测量两个时间，一个是输入模拟电压向电容充电的固定时间，即A/D转换器内部计数器计满所需的时间T1，另一个是在已知参考电压下电容放电所需时间T2，输入模拟电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比。其转换过程如下：在“转换开始”信号的控制下，输入模拟电压Ux，在固定时间T1内使积分器上的电容充电，时间一到，控制逻辑就把模拟开关转换到与Ux极性相反的基准电源上，电容开始放电，计数器也开始对时钟脉冲计数。当放电结束时，停止计数并发出“转换结束”信号。2.3模拟量输入通道2.3.6A/D转换器

（1）双积分式A/D转换器的工作原理

由于充电时间T1固定，所以模拟电压越高，充电电流越大，电容上累积电荷越多，放电时间T2也越长，因此，转换结束时，计数器的计数值反映输入电压的大小。如图2.39（b）所示，积分A和B分别对应于不同的输入模拟电压Ua和Ub，Ua>Ub。曲线A的放电时间大于曲线B的放电时间。因此，Ua转换后的数字量大于Ub转换后的数字量，由于双积分式A/D转换器反映的是在固定积分时间内输入电压Ux的平均值，所以消除干扰和电源噪声的能力强、精度高，但转换速度较慢，适用于信号变化较慢、转换精度要求较高、现场干扰较严重、采样速度较低的场合。2.3模拟量输入通道2.3.6常用ADC芯片AD7492AD7492是12位高速、低功耗、逐次逼近ADC。工作电压2.7V～5.25V，数据吞吐量高达1.25Msps。2.3模拟量输入通道

2.3模拟量输入通道

2.3模拟量输入通道

2.3模拟量输入通道

2.3模拟量输入通道VDRIV