微型計算機控制技術(shù).ppt

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第一章,1.1計算機控制系統(tǒng)概述1.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式1.3工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點,什么是計算機控制？能完成什么功能？,,,計算機控制,控制監(jiān)控對象,顯示監(jiān)控對象的變化過程,（1）控制監(jiān)控對象,利用傳感裝置將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），再將這些代表實際物理參量的電量送入輸入裝置中轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字量，則由計算機中的應(yīng)用軟件根據(jù)采集到的物理參量的大小和變化情況以及按照工藝所要求該物理量的設(shè)定值進行判斷；然后在輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號，并且推動執(zhí)行裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動機）動作從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。,1.1計算機控制系統(tǒng)概述,涉及到哪些技術(shù)？,計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感器檢測與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、電子技術(shù)等,（2）顯示監(jiān)控對象的變化過程,將傳感裝置采集到的被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），并且在計算機的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而使得操作人員能夠直觀而迅速地了解被監(jiān)控對象的變化過程。除此之外，計算機還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，隨時進行分析、統(tǒng)計和顯示并制作各種報表。,1.1計算機控制系統(tǒng)概述,自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,自動控制系統(tǒng)原理框圖：,圖1-1自動控制系統(tǒng)框圖,返回,1.1.1計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)：就是利用計算機(通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。,1.計算機控制系統(tǒng)的工作原理,返回自控系統(tǒng),計算機溫度監(jiān)控系統(tǒng),以一個計算機溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例：,上述溫度監(jiān)控計算機系統(tǒng)對生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制可以分解為四個過程：1）實時數(shù)據(jù)采集。生產(chǎn)過程的被控參量（過程信號）通過測量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量或電參數(shù)，再由變送器或放大器變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號或電流信號；2）A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號或電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成計算機可以識別的數(shù)字信號，并將其轉(zhuǎn)換為人們易于理解的工程量（測量值）；3）實時控制決策。計算機根據(jù)測量值與給定值的偏差，按一定的控制算法輸出控制信號；4）實時控制輸出?？刂菩盘栕饔糜趫?zhí)行機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)物料流量或能量的大小來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)。,1.1.2計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)由計算機(工業(yè)控制機)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。,1.工業(yè)控制機（1）硬件組成：主機、輸入輸出通道（2）軟件組成:系統(tǒng)軟件；應(yīng)用軟件。2.生產(chǎn)過程,圖1-3計算機控制系統(tǒng)的組成框圖,1.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式,1.2.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（為操作人員提供操作指導(dǎo)信息）,執(zhí)行機構(gòu),圖1-4操作指導(dǎo)控制系統(tǒng),,計算機不直接參與過程控制，主要用于對被控過程的現(xiàn)場狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集和處理，進行必要的集中記錄、顯示、報警或打印輸出，對現(xiàn)場狀況的集中監(jiān)視，并為操作人員提供操作指導(dǎo)信息。,優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，開環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實時性差，不能控制多個對象。,主要用于生產(chǎn)初期實驗，過程模型獲取,1.2.2直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng),閉環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實時性好，可以控制多個回路或?qū)ο蟆?計算機通過檢測單元對過程參數(shù)進行巡回檢測，并經(jīng)過輸入通道將檢測數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機按照一定的控制規(guī)律進行運算，得到相應(yīng)的控制信息，并通過輸出通道去控制執(zhí)行機構(gòu)，從而使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到期望的要求,1.2.3監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)a）SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)b）SCC+DDC的分級控制系統(tǒng),圖1-6監(jiān)督控制系統(tǒng),輸出通道,輸入通道,亦稱分布式控制系統(tǒng)。計算機分布式控制系統(tǒng)采用分級分散型控制原理、集中操作、分級管理、分散控制、綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，將系統(tǒng)由下至上可分為現(xiàn)場分布式控制級、過程控制集中監(jiān)控級、綜合信息管理級等，各級之間通過高速通訊通道相互連接，傳遞信息，協(xié)調(diào)工作。,1.2.4集散控制系統(tǒng)（DCS）,1.2.4集散控制系統(tǒng)（DCS）,圖1-7DCS結(jié)構(gòu)示意圖,操作站,控制站,現(xiàn)場儀表,MIC,SCC,DDC,生產(chǎn)過程最優(yōu)化，效率提高，成本降低,1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）,圖1-8FCS結(jié)構(gòu)示意圖,二層結(jié)構(gòu)：工作站-現(xiàn)場總線智能儀表,1.2.6綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案：企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（EnterpriseResourcesPlanning）；生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionSystem）；生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）。,綜合自動化系統(tǒng)主要包括：計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)——制造業(yè)；計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）——流程工業(yè)。,1.3工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點,1.3.1工業(yè)控制機的組成工業(yè)控制機包括硬件和軟件兩部分。硬件包括主機(CPU、RAM、ROM)板、內(nèi)部總線和外部總線、人機接口、系統(tǒng)支持功能、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。,1.工業(yè)控制機的硬件組成,1.3.3工業(yè)控制機的特點,(1)可靠性高和可維修性好?？煽啃裕褐冈O(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)運行不發(fā)生故障?？删S修性：工業(yè)控制機發(fā)生故障時，維修快速、簡單方便(2)環(huán)境適應(yīng)性強。工業(yè)環(huán)境惡劣，高溫、高濕、腐蝕、振動、灰塵、電磁干擾。(3)控制的實時性。具有時間驅(qū)動和事件驅(qū)動能力，要能對生產(chǎn)過程工況變化實時的進行監(jiān)視和控制。,(4)完善的輸入輸出通道。模擬量輸入、輸出、開關(guān)量輸入、輸出、人機通信設(shè)備等(5)豐富的軟件。(6)適當(dāng)?shù)挠嬎銠C精度和運算速度。,2.1IO端口及地址譯碼技術(shù)2.2數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.3模擬量輸入接口與過程通道2.4模擬量輸出接口與過程通道2.5硬件抗干擾技術(shù),第2章輸入輸出接口與過程通道,第2章輸入輸出接口與過程通道,接口：接口是計算機與外部設(shè)備（部件與部件之間）交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。接口的含義：狹義上：連接計算機和I/O設(shè)備的部件；廣義上：還包括接口電路的管理驅(qū)動程序；接口技術(shù)：接口技術(shù)是研究計算機與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。,接口的必要性：外設(shè)是用來實現(xiàn)人機交互的一些機電設(shè)備.外設(shè)處理信息的類型、速度、通信方式與CPU不匹配,不能直接掛在總線上,必須通過接口和系統(tǒng)相連.,通常有三類信息：,數(shù)據(jù)信息,數(shù)字量模擬量開關(guān)量,狀態(tài)信息,控制信息,,CPU與外設(shè)之間交換信息的種類,接口的構(gòu)成,(1)從編程角度看,接口內(nèi)部主要包括一個或多個CPU可以進行讀/寫操作的有地址的寄存器,又稱為I/O端口.(2)數(shù)據(jù)端口:雙向的數(shù)據(jù)端口具有鎖存和三態(tài)緩沖功能.狀態(tài)端口:只讀端口,包含三態(tài)緩沖器.控制端口:只寫端口,包含鎖存器.,過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸出通道。AI/AO、DI/DO.,過程通道：,27,2.1總線擴展技術(shù)（IO端口及地址譯碼技術(shù)）,一、I/O端口及其編址方式,1、I/O端口,（1）定義：是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器的地址。CPU通過這些地址（端口）向接口電路的寄存器發(fā)送命令，讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。I/O操作：對I/O端口的讀寫操作。,（2）端口的作用與類型①作用：CPU通過端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。②類型：命令端口、狀態(tài)端口、數(shù)據(jù)端口。,2.I/O端口編址方式（1）統(tǒng)一編址：把I/O端口看作一個存儲單元，與存儲單元統(tǒng)一編址，訪問存儲器的所有指令均可用來訪問I/O端口。存儲器映射I/O編址方式。（2）獨立編址：有獨立的I/O地址空間，采用專門的I/O指令來訪問。稱為I/O映射方式。,29,二、I/O端口地址分配,（1）系統(tǒng)板上的I/O芯片定時/計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等（2）I/O擴展槽上的接口控制卡（適配器）軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、并行、串行通信卡,1、I/O端口硬件分類,早期IBM—PC使用10條地址線中的低10位，A0~A9尋址范圍0000H~03FFH共1024個端口，前512個端口分給主板，后512個端口分配給擴展槽的常規(guī)外設(shè)。后來PC/AT系統(tǒng)中前256個端口00H~0FFH供系統(tǒng)板上的I/O接口芯片使用，后768個100H~3FFH供擴展槽上的接口控制卡使用，其中允許用戶使用的地址是300H～31FH。,2、I/O端口地址分配,30,系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址,擴展槽上接口控制卡的端口地址,31,三、I/O端口地址譯碼,1、端口地址譯碼在執(zhí)行I/O指令時，CPU首先把所要訪問端口的地址放到地址總線上（既選中該端口），然后才能對其進行讀或?qū)懖僮?，將總線上的地址信號轉(zhuǎn)換為某個端口的“使能”信號，這個操作就稱為端口地址的譯碼，實現(xiàn)譯碼這個“媒介”就為I/O地址譯碼電路。,2、I/O地址譯碼電路工作原理及作用,（1）作用：把地址和控制信號進行邏輯組合，從而產(chǎn)生對接口芯片的選擇信號。,32,（3）譯碼電路的輸出信號：把輸入的地址線和控制線經(jīng)過邏輯組合后，所產(chǎn)生的輸出信號線就是1根選中線，低電平有效。,（2）譯碼電路的輸入信號：包括來自系統(tǒng)總線的地址線和控制線。①地址線：把10位地址線分成高位/低位兩部分地址線。高位地址線輸入譯碼電路，并和控制信號經(jīng)過邏輯組合后，產(chǎn)生片選信號，選中接口芯片。低地址線不參加譯碼，直接連到被選中的接口芯片，去選中接口芯片內(nèi)部的寄存器，實現(xiàn)片內(nèi)端口尋址。②控制線：AEN、IOR、IOW、SBHE、I/OCS16等。,33,3、譯碼電路的形式及組成,譯碼電路形式可分成固定式和開關(guān)（可選）式等幾種。,（1）固定式：譯出的I/O地址不能改變，不靈活（接口中用到的端口地址不能改變），一般由IC芯片或譯碼器組成。（2）開關(guān)式：地址可以改變，一般由地址開關(guān)、譯碼器和比較器組成。（3）另外，采用GAL（PAL）器件來構(gòu)建地址譯碼電路。,4、地址譯碼的譯碼方法,（1）要求產(chǎn)生單個端口時，采用全譯碼方法。（2）要求產(chǎn)生多個端口時，采用部分譯碼方法。（3）要求產(chǎn)生的端口可變時，采用地址開關(guān)的譯碼方法。,34,I/O端口地址部分譯碼方法圖,35,5、地址譯碼電路的類型,（1）單個端口的地址譯碼電路（無需片選信號）（2）單個接口的譯碼電路（需要一個片選信號）（3）多個接口的地址譯碼電路（需要產(chǎn)生多個接口芯片的片選信號）,6、譯碼器和I/O地址譯碼電路,譯碼器是一種能實現(xiàn)譯碼功能的元件，是一種IC芯片。I/O地址譯碼電路是一種電路，它一般除了譯碼器作為核心芯片之外，還需要一些其他門電路或元器件作為輔助芯片，一起進行邏輯組合，組成一個能實現(xiàn)I/O端口地址譯碼功能的電路。可見，譯碼器并不是I/O地址譯碼電路的全部，而是其中的一部分。,36,四、I/O端口譯碼電路設(shè)計舉例,1、固定式單個端口地址譯碼電路的設(shè)計（1）要求：設(shè)計一個端口地址為2F8H的譯碼電路。（2）分析：由于是單個端口地址的譯碼電路，不需要片選信號CS，故采用全譯碼方法。10根地址線全部作為譯碼電路的輸入線，參加譯碼。并從題目要求的端口地址是2F8H，可知10位輸入地址線的取值是：A9~A0對應(yīng)的值為1011111000（3）設(shè)計：能夠?qū)崿F(xiàn)上述地址線取值的譯碼電路有很多種，一般采用門電路就可以實現(xiàn)，而且很方便。常用的門電路有：與門、或門、非門及與非、或非等。本例設(shè)計采用的門電路有74LS04非門、74LS20四輸入端與非門、74LS30八輸入端與非門、74LS32或門和74LS133十三輸入端與非門中的幾個。,37,Y0,,38,2、固定式單個接口電路地址譯碼電路的設(shè)計（1）要求：設(shè)計一個片內(nèi)擁有8個端口的接口電路的I/O地址譯碼電路，其端口地址為310H~317H。（2）分析：由于接口芯片內(nèi)部包括8個端口地址，應(yīng)先選中芯片，再從選中的芯片內(nèi)部選端口，因此，需要產(chǎn)生片選信號CS，故采用部分譯碼方法。從題目要求端口地址范圍為310H~317H可知，其輸入地址線的取值為：A9~A0對應(yīng)的值為1100010???，其中低3位不參加地址譯碼電路譯碼，這3位地址變化范圍為000~111，可滿足在接口芯片內(nèi)部尋址8個端口的要求。高7位的地址線固定不變，作為門電路的輸入。因此，在保證這7根輸入線取值不變的條件下，輸出線為低電平的任何一種邏輯組合電路，都能滿足本例題設(shè)計要求。（3）設(shè)計：考慮到是單個接口電路，只需一個片選信號CS，故采用IC門電路來組成譯碼電路。,39,40,（1）要求：某微機系統(tǒng)，包含8個接口電路，每個接口擁有4個端口，試設(shè)計地址譯碼電路，其地址分配在200H~21FH。（2）分析：由于要求每個接口包含4個端口，故采用部分譯碼方法。為了滿足產(chǎn)生8個片選信號CS0~CS7的要求，只采用IC門電路就不行了，需要啟用譯碼器。（2-4：74LS139、3-8：74LS138、4-16：74LS154）（3）設(shè)計：輸入地址線的取值為A9~A0對應(yīng)的值為10000CBA??，其中最低2位未參加地址譯碼電路，用于尋址4個端口。A4~A2用于譯碼，高5位作為譯碼器的控制信號。,3、固定式多個接口電路地址譯碼電路的設(shè)計,41,42,4、開關(guān)式單個端口地址譯碼電路的設(shè)計,（1）要求：設(shè)計一個I/O地址可以改變的端口地址譯碼電路，并且在300H~3FFH范圍內(nèi)可以任意選擇一個端口。（2）分析：要實現(xiàn)地址可選必須在電路中增加地址開關(guān)和相關(guān)的中介元件（比較器）。為滿足256種選擇，每次只選擇1個端口，應(yīng)采用全譯碼法，10位地址線不分高/低全部參加譯碼。（3）設(shè)計：①根據(jù)可選地址的選擇范圍，確定地址開關(guān)的位數(shù)，題目要求256種選擇，故采用8位地址開關(guān)DIP8。②地址開關(guān)不能直接接在系統(tǒng)地址線上，需通過中介元件（比較器或異或門）進行地址轉(zhuǎn)移。采用8位比較器74LS688。,43,③74LS688工作原理：有兩組輸入分別是P和Q，各有8位。比較結(jié)果有兩種，即A=B和A≠B。當(dāng)G端為低，且P組=Q組時，P=Q輸出線為低；當(dāng)P組≠Q(mào)組時，P=Q輸出線為高。④從題目要求的地址范圍300H~3FFH可知，譯碼電路的輸入線地址的取值為：A9~A0為11S7~S0，通過比較器把開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到地址線A0~A7的取值了。⑤8位地址開關(guān)有256種狀態(tài)組合，撥動DIP8開關(guān)，就可以在300H~3FFH范圍內(nèi)任意選擇端口地址了。,44,,,45,5、可選式端口地址譯碼器,例：設(shè)計擴展板上的I/O端口地址譯碼器電路，要求讓擴展板上每個接口芯片的內(nèi)部端口數(shù)目為4，并且端口地址可選地址范圍300H~31FH。,端口地址,接口芯片地址,46,2.2數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道,數(shù)字量含義：數(shù)值量信號是以二進制的邏輯“1”和“0”出現(xiàn)的。如：開關(guān)的合與開，指示燈的亮與滅，繼電器的吸合與釋放，馬達的啟動與停止，閥門的打開與關(guān)閉等。開關(guān)量（數(shù)字量）的種類按類型分有電平式和觸點式兩種電平式為高電平或低電平；觸點式為觸點閉合或觸點斷開。,按電源分有有源和無源兩種有源即直接提供高、低電平;無源即提供物理觸點，或感應(yīng)器件。常見的數(shù)字信號有：編碼數(shù)字（二進制或十進制）：如成組拔碼開關(guān)設(shè)置控制給定值或控制參數(shù)，用絕對編碼的編碼器檢測位置等。開關(guān)量：如按鈕或轉(zhuǎn)換開關(guān)的啟/停、閥門的開/閉，指示燈亮/滅等。數(shù)字脈沖列信號：如光電脈沖編碼器檢測速度、晶閘管的脈沖觸發(fā)器等。特點：幅值離散，可用一位或多位二進制碼表示。,2.2.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1.數(shù)字量輸入接口,在總線結(jié)構(gòu)的微機系統(tǒng)中,任一時刻只能有一個設(shè)備利用總線進行數(shù)據(jù)傳送,輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線應(yīng)通過三態(tài)門與系統(tǒng)相連.輸入設(shè)備的I/O接口要起到三態(tài)門的作用。,1.數(shù)字量輸入接口,緩沖器－防止外設(shè)數(shù)據(jù)干擾數(shù)據(jù)總線。三態(tài)門緩沖器74LS244，用來取得設(shè)備的輸入狀態(tài)信息，可同時輸入8個開關(guān)狀態(tài)。,實現(xiàn)：可用如下指令完成8個開關(guān)量的狀態(tài)采集：MOVDX,portINAL,DX其中port為片選端口的地址，在初始化程序中分配。三態(tài)門緩沖器74LS244用來隔離輸入和輸出線路，起緩沖作用。,2.數(shù)字量輸出接口—鎖存器,在總線結(jié)構(gòu)的微機系統(tǒng)中,CPU送出的數(shù)據(jù)以廣播的形式在數(shù)據(jù)線上傳出.CPU要利用總線不停的傳送數(shù)據(jù),總線上的數(shù)據(jù)變化快,如何使慢速設(shè)備有足夠的時間處理數(shù)據(jù)?,輸出設(shè)備利用鎖存器接受CPU輸出的數(shù)據(jù):(1)使某輸出設(shè)備鎖存器的控制端處于觸發(fā)狀態(tài),數(shù)據(jù)通過該鎖存器;(2)當(dāng)觸發(fā)信號消失,數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器中,外設(shè)側(cè)數(shù)據(jù)不隨總線側(cè)數(shù)據(jù)的變化而變化,使慢速的外設(shè)有足夠的時間處理數(shù)據(jù).,2.數(shù)字量輸出接口,匯編MOVAL,8FHMOVDX,221HOUTDX,ALC語言：outportb(0 x221,0 x8f),2.2.2數(shù)字量輸入通道,1、數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。,圖2-6數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu),2、輸入調(diào)理電路作用：將信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、安全保護、消除抖動、濾波、隔離處理后轉(zhuǎn)換成計算機能接收的邏輯信號。(1)信號轉(zhuǎn)換處理邏輯上表現(xiàn)為“1”或“0”，信號形式為電壓、電流信號或開關(guān)的通斷，幅值范圍不符合數(shù)字電路的要求（標(biāo)準(zhǔn)TTL電平0~5V），需經(jīng)轉(zhuǎn)換處理。,(2)安全保護措施對可能出現(xiàn)的輸入過電壓（穩(wěn)壓管）、瞬間尖峰（穩(wěn)壓管、壓敏電阻）或極性接反（二極管）的情況，采取安全保護措施。,(3)消除機械抖動影響操作按鈕、繼電器觸點、行程開關(guān)等機械裝置在通/斷時會產(chǎn)生機械抖動，體現(xiàn)在計算機輸入上是輸入信號在0、1間多次振蕩，可能導(dǎo)致錯誤控制。,消除抖動電路,(4)濾波處理長線傳輸、電路內(nèi)外部干擾，使輸入信號中帶有干擾信號，造成計算機的誤讀出錯。方法：RC濾波電路等。(5)隔離處理用于現(xiàn)場輸入設(shè)備與計算機系統(tǒng)間的隔離保護，保障計算機系統(tǒng)安全。使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。價格低廉，可靠性好。方法：光電耦合器件隔離、變壓器磁隔離。,2.2.3數(shù)字量輸出通道,1、數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)如下圖所示。主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。,圖2-9數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu),根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。,(1)小功率直流驅(qū)動電路①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路②達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路③繼電器驅(qū)動電路④晶閘管驅(qū)動電路,(2)大功率交流驅(qū)動電路固態(tài)繼電器（SSR）,2.3模擬量輸入接口與過程通道,任務(wù)：從系統(tǒng)中檢測模擬信號，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)接口送入計算機。,模擬量信號的檢測與處理測量流程：,例如，溫度檢測（1000℃以下，傳感器為鎳鉻－鎳鋁或鎳鉻－鎳硅熱電偶）,1、傳感器概念：非電量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，稱為“傳感器”。傳感器的輸出信號有多種形式，如電壓、電流、頻率、脈沖、電阻、電容、電感值等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。常用傳感器如：光敏傳感器、溫度傳感器、壓敏傳感器、超聲傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位置傳感器、電壓/電流傳感器、濕敏傳感器等。2、變送器概念：將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)的電信號，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號（4~20mA(DDZ-Ⅲ)，0~10mA(DDZ-Ⅱ)）的變換電路，稱為“變送器”。,常用變送方式：采用變送器芯片AD590、AD693等；采用可控恒流源；采用運算放大器。目的：提高信號遠距離輸送抗干擾能力，減少信號衰減；為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供方便。3、I/V變換,無源I/V變換采用精密電阻器實現(xiàn)；有源I/V變換采用運算放大器實現(xiàn)。,4、A/D轉(zhuǎn)換器,2.3.1模擬量輸入通道的組成,組成：信號調(diào)理或I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器，采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器，接口及控制邏輯等。,圖2-14模擬量輸入通道結(jié)構(gòu),工作過程：過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電流或電壓形式后，再送至多路開關(guān)，在微機的控制下，由多路開關(guān)將各過程參數(shù)依次進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測。,傳感器（Transducer）非電量→電壓、電流變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號I/V變換多路轉(zhuǎn)換器（Multiplexer）多選一,采樣保持器（SampleHolder，S/H）保證變換時信號恒定不變A/D變換器（A/DConverter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,2.3.2信號調(diào)理和I/V變換,1.信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路：主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。（1）非電信號的檢測——不平衡電橋,熱敏電阻三線制接線圖,熱敏電阻測量電橋電路,2.I/V變換功能：將變送器輸出的統(tǒng)一信號0~10mA或4~20mA，變換成標(biāo)準(zhǔn)0~5V電壓信號。（1）無源I/V變換,(1)輸入：0~10mA；電阻值：R1=100,R2=500(精密電阻）；輸出：0~5V(2)輸入：4~20mA；電阻值：R1=100,R2=250；輸出：1~5V,圖2-19無源I/V變換電路,定義：按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬量信號，轉(zhuǎn)變成在時刻0、T、2T、…KT的一連串脈沖輸出信號的過程稱為采樣過程。,2.3.4采樣、量化及采樣／保持器,1.信號的采樣,2.3.4采樣、量化及采樣／保持器,圖2-22信號的采樣過程,執(zhí)行采樣動作的開關(guān)稱為采樣開關(guān)；0、T、2T、…KT為采樣時刻；T為采樣周期;采樣過程持續(xù)時間?稱為采樣寬度。采樣信號（脈沖序列）在時間軸上離散的，在函數(shù)軸上是連續(xù)的。,2.量化量化：就是采用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。,,香農(nóng)(Shannon)定理：如果模擬信號頻譜的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f≥2fmax進行采樣，那么采樣信號就能唯一地不失真地復(fù)現(xiàn)y(t)。實際中，常取f≥(5~10)fmax,量化單位：字長為n的A/D轉(zhuǎn)換器把ymin~ymax范圍內(nèi)變化的采樣信號，變換為數(shù)字0~2n－1，其最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量q稱為量化單位。,3.采樣保持器(1)孔徑時間和孔徑誤差的消除孔徑時間：完成一次AD轉(zhuǎn)換所需的時間tA/D孔徑誤差：每一個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差ΔU,,,,圖2-23tA/D引起的誤差,Um為正弦模擬信號的幅值，f為信號頻率。在坐標(biāo)的原點,取Δt=tA/D，則得原點處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為,(2)采樣保持原理A/D轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換過程（即采樣信號的量化過程）需要的時間。采樣保持器把t=KT時刻的采樣值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。,采樣保持器的原理基本組成：輸入輸出緩沖器A1、A2、采樣開關(guān)S、保持電容CH。,工作原理：采樣時，S閉合，VI通過A1對CH快速充電，VO跟隨VI；保持期間，S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下，VO=VC保持不變。,圖2-24采樣保持器的組成,模擬量輸出通道的任務(wù)--把計算機處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號，去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達到控制的目的;模擬量輸出通道(稱為D/A通道或AO通道)構(gòu)成--一般是由接口電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A或DAC)和電壓/電流(V/I)變換器等;,2.4模擬量輸出接口與過程通道,2.4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式模擬量輸出通道基本構(gòu)成--多D/A結(jié)構(gòu)（圖2-31）和共享D/A結(jié)構(gòu)（圖中2-32）,特點：1、一路輸出通道使用一個D/A轉(zhuǎn)換器2、D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般都帶有數(shù)據(jù)鎖存器3、D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號、信號保持作用4、結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨立5、缺點是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多,特點：1、多路輸出通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器2、每一路通道都配有一個采樣保持放大器3、D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換作用4、采樣保持器實現(xiàn)模擬信號保持功能5、節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器，但電路復(fù)雜，精度差，可靠低、占用主機時間,多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出的是弱電流信號，要驅(qū)動后面的自動化裝置，需在電流輸出端外接運算放大器。根據(jù)不同控制系統(tǒng)自動化裝置需求的不同，輸出方式可以分為電壓輸出、電流輸出方式。1.電壓輸出由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又可分為單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。下面以8位的DAC0832芯片為例作一說明。,2.4.3單極性與雙極性電壓輸出電路,（1）．DAC單極性輸出,式中：,VREF/256是常數(shù),顯然，VOUT和B成正比關(guān)系，輸入數(shù)字量B為00H時，VOUT也為0；輸入數(shù)字量B為FFH即255時，VOUT為與VREF極性相反的最大值。,DAC單極性輸出方式如圖2-35-1所示，由式(3-1)可得輸出電壓VOUT的單極性輸出表達式為：,（2）．DAC雙極性輸出方式,DAC雙極性輸出方式如圖2-35-2所示。,A1和A2為運算放大器，A點為虛地，故可得：,解上述方程可得雙極性輸出表達式：,(2-3),圖中運放A2的作用是將運放A1的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。當(dāng)輸入數(shù)字量小于80H即128時，輸出模擬電壓為負(fù)；當(dāng)輸入數(shù)字量大于80H即128時，輸出模擬電壓為正。其它n位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路與DAC0832相同，計算表達式中只要把28-1改為2n-1即可。,或,相當(dāng)于最高位作為符號位，分辨率降低一位。,2.5硬件抗干擾技術(shù),2.5.1過程通道抗干擾技術(shù)2.5.2CPU抗干擾技術(shù)2.5.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù),學(xué)習(xí)要點：1、干擾的來源與傳播途徑。2、硬件抗干擾措施。,概述,1、干擾及抗干擾的重要性干擾：就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常工作的破壞因素。系統(tǒng)的可靠性，是系統(tǒng)的生命線，決定了系統(tǒng)是否能長期運行，會不會被淘汰。系統(tǒng)的可靠性，主要取決于硬件的可靠性，特別是外圍通道的可靠性。系統(tǒng)的抗干擾能力，是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。因此，必須采取有效的抗干擾措施，才能保證系統(tǒng)可靠工作。,外部干擾環(huán)境,內(nèi)部干擾由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造工藝決定，主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?，多點接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，元器件產(chǎn)生的噪聲等。,內(nèi)部干擾環(huán)境,噪聲干擾存在的三要素：干擾源；干擾的傳輸通道；接收設(shè)備(需保護免受干擾的設(shè)備)。,3、干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場耦合，公共阻抗耦合。（1）靜電耦合通過金屬導(dǎo)體之間分布電容產(chǎn)生的電場耦合，如平行導(dǎo)線傳輸。,空間的磁場耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合進來的。,（2）磁場耦合,公共阻抗耦合發(fā)生在兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，通過公共電源線和公共地線的阻抗耦合(兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗)。一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。圖8-5給出一個公共電源線的阻抗耦合示意圖。,（3）公共阻抗耦合,,在一塊印制電路板上，運算放大器A1和A2是兩個獨立的回路，但都接入一個公共電源，電源回流線的等效電阻R1、R2是兩個回路的公共阻抗。當(dāng)回路電流i1變化時，在R1和R2上產(chǎn)生的電壓降變化就會影響到另一個回路電流i2。反之，也如此。,4、抑制干擾的方法包括硬件和軟件。本章主要說明硬件抗干擾技術(shù)。（1）屏蔽屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。,（2）接地接地線截面（加大，電阻小）；接地點配置（靠近，壓降小）。目的是減小阻抗耦合。（3）平衡布線方式；電纜選擇。補償與對消方法，減小干擾影響。,（4）濾波濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。硬件濾波，如阻容吸收濾波電路等。,（5）隔離光電隔離；磁隔離。目的：計算機安全，提高抗干擾能力。變壓器隔離：對于交流信號的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強度，把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來，也就是把模擬地和數(shù)字地斷開。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。,（6）消除噪聲源設(shè)備位置選擇；電源選擇。（7）電纜選擇采用多芯電纜；動力線與信號線分開。,2.5.1過程通道抗干擾技術(shù),按干擾對系統(tǒng)的作用形式(傳導(dǎo)模式)分為串模干擾和共模干擾。1、串模干擾及其抑制方法（1）串模干擾(橫向干擾或常態(tài)干擾)定義：所謂串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲。被測信號指有用的直流信號或變化緩慢的交變信號，而干擾噪聲是指無用的變化較快的雜亂交變信號。如圖2.16所示。（2）串模干擾的來源空間電磁場干擾；來自信號源內(nèi)部或電源內(nèi)部。,,（3）串模干擾的抑制方法目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。①采用輸入濾波器un的頻率比信號頻率高時，采用低通濾波器；un的頻率比信號頻率低時，采用高通濾波器；un的頻率頻率落在信號頻譜兩側(cè)，采用帶通濾波器。,一般情況下，串模干擾均比被測信號變化快，故常用二級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。,圖2-43二級阻容濾波網(wǎng)絡(luò),②當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。若干擾信號是周期性的而積分時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零，對測量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。③對于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對被測信號應(yīng)盡可能早地進行前置放大，從而達到提高回路中的信號噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。④從選擇器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。⑤采用雙絞線減少電磁感應(yīng)，并且使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，且有良好接地，并對測量儀表進行電磁屏蔽。,2、共模干擾及其抑制方法（1）共模干擾(縱向干擾或共態(tài)干擾)定義：所謂共模干擾是指A/D轉(zhuǎn)換器（放大器）兩個輸入端上共有的干擾，即干擾信號同時、同相、等量地出現(xiàn)在A/D轉(zhuǎn)換器兩個輸入端。如圖中ucm所示。（2）共模干擾來源系統(tǒng)中“地”電位不一致；（地線電阻不等于0）,,被測信號源,（2）共模干擾的抑制方法既然共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。因此，共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動輸入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。,3、長線傳輸干擾及其抑制方法（1）長線的概念所傳輸?shù)男盘柌ㄩL可與傳輸線的長度相比擬時，或當(dāng)傳輸線長度遠超過傳輸信號波長時，構(gòu)成長線傳輸。電磁波介質(zhì)傳播速度=波長*信號頻率(50Hz信號波長約6000km,1000MHz信號的波長約30cm）（在真空中的傳播速度為3108m/s，同光速相同)計算機系統(tǒng)內(nèi)，是否長線取決于集成電路的運算速度。（2）信號在長線傳輸中的問題①長線傳輸易受到外界干擾。如電磁波、電磁場、靜電場和其它傳輸線的干擾作用；②具有信號延時：架空單線3.3ns/m，雙絞線5ns/m，同軸電纜6ns/m；,③高速度變化的信號在長線中傳輸時會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象，反射信號與有用信號疊加在一起，使有用信號波形變壞，即所謂“長線效應(yīng)”。(由于終端阻抗不匹配或始端阻抗不匹配引起)入射波:當(dāng)信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進的電壓波和電流波，稱為入射波。波反射現(xiàn)象：阻抗不連續(xù)，突變，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。,（3）抑制方法①選用同軸電纜或雙絞線。同軸電纜對電場干擾有較好的抑制作用，雙絞線對磁場干擾有較好的抑制作用，絞距越短效果越好（波阻抗越低）；雙絞線要對稱使用(兩條線都接地)，傳輸過程中盡量少用接插件；長線傳輸中，各信號線絞距要不同，盡量交叉走線，不要平行走線。雙絞線的波阻抗一般在100至200Ω之間，絞花越密，波阻抗越低。同軸電纜的波阻抗在50-100Ω之間,②終端阻抗匹配，用于消除長線傳輸中的波反射或抑制到最低限度。測量法確定傳輸線的波阻抗：,理論計算傳輸線的波阻抗：,③始端阻抗匹配,圖2-51始端匹配,在傳輸線始端串入電阻R，如圖8-16所示，也能基本上消除反射，達到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為R＝RP－RSC其中，RSC為門A輸出低電平時的輸出阻抗。,2.5.2CPU抗干擾技術(shù),CPU常用抗干擾措施：看門狗（Watchdog）；掉電保護（電源監(jiān)控）；復(fù)位等。這些方法可采用微處理監(jiān)控電路MAX1232來實現(xiàn)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路，給微處理器提供輔助功能、電源供電監(jiān)控功能。,2.5.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù),1．供電技術(shù)2．接地技術(shù),