03第三章+计算机控制系统输出接口技术.ppt

1、计算机控制系统的输入输出接口(通常称为生产过程通道)是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁。第三章，计算机控制系统的输入输出接口技术，过程控制计算机的输入输出接口可分为模拟输出接口、模拟输入接口和开关(数字)输入输出接口。模拟输入接口一般由接口电路、控制电路、模数转换器和电流电压转换器组成，其核心是模数转换器。3.1模拟输入接口技术，模拟输入通道的组成和结构，3.1.1模数转换器的主要参数，逐次逼近原理：对应电路。由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲的作用下，控制电路将时序发生器的最高位置设为1，其他位置设为0，其输出通过数据寄存器由10000发送给数模转换器。首先，将输入电压与数模转换

2、器的输出电压(VREF/2)进行比较，例如，v1VREF/2，比较器输出为1，如果vI VREF/2，则为0。比较结果存储在数据寄存器的Dn-1位。然后，在第二CP的作用下，移位寄存器的下一个最高位被设置为1，而其它较低的位被设置为0。如果最高有效位已存储1，此时vO=(3/4)VREF。然后将v1与(3/4)VREF进行比较。如果使用v1(3/4)VREF，下一个最高位Dn-2存储1，否则Dn-2=0；如果最高位为0，vO=VREF/4。与vO相比，如果v1VREF/4，Dn-2位存储1，否则存储0。通过类比，输出的数字量是通过连续比较获得的。特点： (1)转换速度快；(2)抗干扰能力差。双

3、向积分原理：双积分模数转换器的基本原理是将输入模拟电压和参考电压分别积分两次，将输入电压的平均值转换成与其成比例的时间间隔，然后用时钟脉冲和计数器测量该时间间隔，然后得到相应的数字输出。由于转换电路转换输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。特点(1)转换精度高。(2)转换速度慢，不适合高速应用。一种将模拟信号转换成n位二进制数字信号的电路，通常由：分四步进行采样。将随时间连续变化的模拟量转换为随时间离散(离散)的模拟量(P39图3.14)；在单位时间内保持采样的模拟信号(保持电路)；用基本量化电平的数量量化保持电路中的模拟电压值；其实质是将时间上离散、数量上

4、连续的模拟量转化为时间上和数量上离散的数字量。代码：用二进制代码或BCD代码表示量化的数字值。AD转换器的工作原理，3.1.3 12位AD转换器芯片AD574A，ad574a是一款12位高分辨率AD转换器芯片，其结构框图如下图所示。模拟信号输入线、STS:转换结束输出线、D0 - D11转换数据输出线、R/C:读取和开始转换信号控制线、1转换开始线(输入):系统控制器发送的控制信号，有效并开始转换。2转换结束线(输出):模数转换器转换后发送的状态信号，被中断或直接存储器存取传输，或用于查询。3模拟信号输入线：从被转换对象来看，可分为单通道输入和多通道输入。4数字信号输出线：模数转换器将数字量发

5、送到中央处理器的数据线。数据线的数量表示模数转换器的分辨率。2、在选择和使用模数转换器芯片时，除了要满足转换速度和分辨率的要求外，还要注意模数转换器的连接特性，包括以下几点：(1)模数转换器芯片的转换启动信号是由电位还是脉冲沿启动的。(2)模数转换器芯片中是否有输出数字量的三态门输出锁存器。(3)输出数字量的形式是二进制或BCD码。中央处理器和模数转换器的工作模式：程序查询：启动模数转换器后，程序不断读取模数转换结束信号。如果发现结束信号有效，则认为转换完成了一次，因此数据是用输入指令读取的。中断模式3360将转换结束信号作为中断请求。发送到中断控制器的中断请求输入端。中央处理器等待模式：利用

6、中央处理器的就绪引脚功能，在模数转换过程中尝试在低电平时使就绪，这样当转换完成时，就绪将变为高电平，中央处理器将读取转换数据。固定延迟程序：这种方法需要事先准确知道模数转换所需的时间。在中央处理器发出启动命令后，它执行一个固定延迟的程序，当这个程序完成时，模数转换刚刚完成，所以中央处理器读取数据。3.1.4模拟输入接口设计。AD 574与ISA总线接口(查询模式)1) 12/5V，12位模数转换数据一次读出；2)利用下图所示的查询方法实现模数转换，从D0位读取转换结束信号STS3)要通知ISA总线执行16位输入输出读写操作，解码器输出必须发送到AD574的端子和输入。0为查询端口，1为AD57

7、4的芯片选择，地址线A0与1匹配，分别产生相应的奇数地址和偶数地址。3.1.4模拟输入接口设计，AD574与ISA总线的连接，程序流程图，中央处理器向外设地址写入信号，开始模数转换(R/C低)，中央处理器读取STS信号，判断转换是否完成？从D11 - D0、读取转换后的12位数字信号，是、否、3.1.5模拟输入通道的结构、模拟输入通道的结构和几个过程参数由传感器和变送器测量并转换成电流(电压)形式，然后发送到多通道开关。在微机控制下，各工艺参数通过多路开关依次切换到下一级。实现了工艺参数的电路检测。3.1.6工控机、集散控制系统和可编程控制器模拟输入通道，1PC模拟输入通道工控机模拟输入通道由

8、三部分组成：PC总线接口、模板功能和信号调理。模板功能包括采样、隔离、放大、模数电路设计和接口控制逻辑。CONTEC公司的PCHELPER系列模拟模板ADC30B具有以下特点：(1)能以30kHz的速度将模拟信号转换成12位数字数据。(2)有四个TTL级数字输入通道和四个数字输出通道。(3)有16个光电隔离数字输入通道和16个数字输出通道。(4)有一个可编程定时器。红格公司的I-7017是一个8通道模拟输入模块。人工智能模拟输入卡的电气原理图是为了实现放大器增益的调整。人工智能采用跳线改变放大系数。可编程放大器(PGA)有三级放大器，总放大系数为12级。A/D采用带三态数据输出缓冲器的at89

9、c 574 a，与并行接口直接相连实现通信。通道切换由电子开关阵列实现。总共使用了17个光电晶体管继电器。串行通信的RS232接口用于卡的检测和调试。3.西门子S7-300是可编程控制器的模拟输入通道，构成：机架电源中央处理器的中央处理器模块接口模块信号模块。SM331ai 812位模块的电气原理如图3.18所示。该模块由模数转换元件、模拟开关、补偿电路、恒流源、光电隔离元件、逻辑电路等组成。ad转换采用积分法。SM331可选择4档积分时间：2.5毫安、16.7毫安、20毫安、100毫秒，对应精度为9、12、12、14位。每个积分时间都有一个最佳噪声抑制频率f0。上述四个积分时间分别对应于40

10、0赫兹、600赫兹、500赫兹和100赫兹。例如，如果模数转换的积分时间设置为20毫秒，其转换精度为12位。此时，对频率为50Hz的噪声干扰有很强的抑制作用。为了抑制我国工频及其谐波的干扰，一般选择20毫秒的积分时间，采用SM331 812模拟输入模块的电气原理图。模拟输出接口由接口电路和模拟输出接口组成。数模转换器性能的主要参数：1分辨率是指数模转换器可以转换的二进制数。2转换时间指的是电流模式转换器转换更快，而电压模式转换器转换更慢。3精度是指数模转换器的实际输出电压与理论值之间的误差。4线性模拟输出与理想输出的最大偏差称为线性误差。3.2模拟输出接口技术、3.2.1数模转换器主要参数、3

11、.2.2数模转换器输入/输出特性、数模转换器输入/输出特性：1输入缓冲器容量数模转换器是否有三态输入缓冲器来存储输入数字量。2.数据数模转换器的宽度通常有8位、10位、14位和16位。3电流型或电压型数模转换器输出电流或电压。4.输入码系统，即数模转换器可以接收哪个码系统的数字输入。5单极输出或双极输出。3.2.3数模转换器芯片DAC0832，DAC0832为电流输出型，电流稳定时间为1秒，采用8位数模转换器，20引脚双列直插式封装。图3.19是DAC0832芯片的内部原理图。DAC0832结构框图，DAC0832的引脚功能如下：D0D7:转换数据输入接口线，D0为最低有效位LSB，D7为最高

12、有效位MSB。ILE:允许8位输入寄存器锁存控制信号线。芯片选择信号输入线。1:写入8位输入寄存器控制信号线。2:写入8位数模转换器寄存器控制信号线。传输转换数据线。IOUT1:电流输出端子1。IOUT2:电流输出2端。标准电阻线，作为反馈电阻连接到外部运算放大器的输出端。参考输入线。模拟电路接地线。VCC:数字工作电压源的输入线。DGND:数字电路的地线。3.2.4模拟输出接口的设计。模拟输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，从而驱动相应的执行器，达到控制的目的。模拟输出通道一般由接口电路、数模转换器和数模转换器组成。1.模拟输出通道的结构类型有两种基本结构类型。(1

13、)一路设有数模转换器，一路设有阿达转换器，转换速度快，工作可靠；缺点：使用更多的数模转换器。(2)多个通道共享一个数模转换器，共享数模转换器的结构。特性：省去了模数转换器，只适用于通道数多、速度要求低、可靠性低的场合。2个单极性和双极性电压输出电路、数模转换器的单极性和双极性输出，以虚拟仪器转换器ZF2B20为例，可以直接采用集成虚拟仪器转换电路，实现05V、010V和15V DC电压信号到010mA和420mA的转换。下图所示电路是一个从010伏到420毫安的转换电路，带有初始值校准。3。VI转换，VI转换电路，DAC0832有8位寄存器，数据输入线可直接与微机数据总线D0D7相连。DAta

14、的输入由第一级缓冲器控制。当1和1有效时，D0至D7的数据da被转换。4。数模转换器DAC0832与ISA总线接口，DAC0832与ISA总线接口，1。IPC模拟输出通道ADC40板是CONTEC公司的PC-HELPER系列4通道模拟输出板，其主要特点是：(1)将12位数字数据以高达30kHz的速度转换成模拟信号。(2)四个模拟输出通道。(3)输出模拟信号范围：10V、5V、010V或05V；4毫安20毫安.ADC40的逻辑框图如下图所示。3.2.5工控机、集散控制系统和可编程控制器的模拟输出通道、ADC40的逻辑框图、ADC40的模拟输出电路和2DCS的模拟输出通道均在XDPS集散控制系统中

15、。AO模拟输出卡的主要功能是：8路模拟输出，输出信号为15V或420mA，精度为12位，输出负载为1k；每个通道的信号完全隔离；完成与基站控制卡的通信。下图为AO模拟输出卡的电气原理图。为了确保每个输出通道的电信号隔离，每个通道都由自己独立的电源模块供电。AO模拟输出卡电气原理图、3PLC模拟输出通道(模拟输出模块SM332)、(1)模拟输出通道下图为本模块的电气原理图。SM332AO 412位模块的电气原理图，(2)SM332和负载执行器之间的连接SM332可以输出电压和电流。输出电压时，它可以通过两种方式连接到负载：2线回路和4线回路。使用4线电路可以获得更高的输出精度。如下图所示。负载通

16、过一个4线回路与隔离模块相连，以两种状态表示的量称为开关量。数字量的输入和输出也称为开关量。级别类型有两种类型：级别类型和联系类型，分为高级别和低级别；触点类型是触点闭合或触点断开。开关输入输出通道一般由三部分组成：中央处理器接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口，即开关输入信号调理和输出信号驱动电路。3。3开关输入输出通道，3.3.1开关输入输出通道一般结构，典型开关输入输出通道结构图，典型开关输入输出通道结构如下图所示。开关输出/输入电气接口的主要功能是：滤波、电平转换、隔离和电源驱动。中央处理器接口逻辑、输入和输出、输入/输出电气接口、3.3.2开关输入隔离和电平转换。信号电

17、平转换方法如图一所示.用于实现这种信号转换隔离的电路如图B所示.图4-5脉冲计数输入电路和3.3.3开关输出驱动电路。在计算机控制系统中，切换输出往往需要一定的驱动能力来控制不同的设备。使用了以下驱动电路：1 .低功率驱动电路驱动发光二极管、发光二极管、低功率继电器等。该电路的驱动能力为1040毫安，由低功率三极管或集成电路驱动。下图显示了一个典型的低功耗驱动电路。低功率驱动电路，LED，逆变器，Di，输出锁定器的2路中功率驱动电路驱动中功率继电器和电磁开关，需要50500毫安的驱动能力，由达林顿复合晶体管或中功率三极管驱动。目前，达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413和MC1416通常用于驱动中等功率负载。下图是MC1416的结构图和各复合管的内部结构。a)MC1416结构图b)复合管内部结构MC1416达林顿阵列驱动器，3大功率交流驱动电路图3.37显示固态继电器的结构。当交流电压变为接近零的状态时，过零检测电路可以接通电路。电路接通后，触发电路给出晶闸管器件的触发信