计算机控制系统第7章课件

1、1第7章计算机控制系统的硬件设计 本章主要内容1控制用计算机系统的硬件要求2控制用计算机的选择3计算机控制系统的过程通道兰州交通大学自动化学院4总线技术2兰州交通大学自动化学院 计算机控制系统硬件设计主要包括主机、外部设备以及系统总线的选择，输入/输出通道的设计以及各种检测变送单元、执行机构、操作台和网络设备的选择等。 采用通用标准总线技术不仅可以简化硬件设计，便于扩充、更新及重新组合系统，还使得各厂商生产的接口板具有兼容性，可以互换通用，使用非常方便。3 71控制用计算机系统的硬件要求兰州交通大学自动化学院1 .对计算机主机的要求1)实时处理能力2)比较完善的中断系统3)对指令系统的要求4)

2、对内存的要求计算机控制系统必须有一套性能良好的硬件支持，才能有效地运行。计算机控制系统的硬件是各式各样的，结合硬件的基本组成，可以从以下几方面提出对控制用计算机系统的硬件要求。4兰州交通大学自动化学院2.对过程输入输出通道的要求有足够的输入通道数。根据实际被测参数数量 而定，并具有一定的扩充能力。(2) 有足够的精度和分辨率。主要根据传感器等级及系统精度要求确定。(3) 有足够快的转换速度。转换速度应依输入信号的变化速率及系统频带要求确定。转换速度与转换精度及分辨率通常是矛盾的，应视具体情况折中处理。 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。5兰州交通大学自动化学院3.对软件系

3、统的要求计算机控制系统的软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是由计算机厂家提供的，对计算机进行实时控制，有一定通用性。应用软件是用户为进行控制而编制的用户程序及其服务程序。其要求是实时性强，可靠性好，具有在线修改的能力以及输入输出功能强等。6兰州交通大学自动化学院4.方便的人机联系计算机控制系统的人机联系通过操作人员使用的操作台（或操作面板）来实现。基本要求为：(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

4、，必要时可以改变控制系统的参数；(5) 人机联系用的操作台应使用方便，符合操作人员的操作习惯。7兰州交通大学自动化学院5.系统的可靠性及可维护性提高计算机系统硬件可靠性：1）除了采用可靠性高的元部件及先进的工艺及设计。2）采用相同或相似部件。软件方面要求计算机控制系统具有较强的自诊断、自检测以及容错等功能。此外，系统应允许操作人员在一定范围内的误操作。软件的这种特性将会改变和提高计算机控制系统的实用性。提高计算机控制系统的使用效率，可从系统可靠性与可维护性两方面着手。 可维护性是指维护工作方便的程度。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，并判断故障部位进

5、行维修。 控制用计算机控制系统硬件除了应满足上述一些要求外，还应注意其成本。在能满足系统性能要求的条件下，不应随意增加系统的功能以降低系统的成本。兰州交通大学自动化学院9 72控制用计算机的选择兰州交通大学自动化学院1 .计算机速度的选择在确定计算机的运行速度时，应考虑到下述几个方面的要求和限制条件：(1) 控制系统所需的计算工作量（包括完成控制算法及系统各种管理程序的计算）；(2) 系统采用的采样周期。(3) 计算机的指令系统和时钟频率。(4) 硬件的支持。10兰州交通大学自动化学院2.计算机字长的确定1）量化误差的影响2）计算机字长应与A/D的字长相协调3）考虑信号的动态范围4）与采样周期

6、的关系111 .数字量输入通道 73 数字量输入输出通道 数字量输入通道的任务是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，简称DI通道。 图71 数字量输入通道结构 数字量输入通道由信号调理电路和输入接口电路构成。 DI接口电路兰州交通大学自动化学院121) 数字量输入调理电路 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经电平转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。常采用的方法为：用齐纳二极管或压敏电阻将瞬时尖峰电压钳位在安全电平上；串联一个二极管来防止反电压输入；用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路作过压保护；用光电隔离器实现信

7、号完全隔离；用RC滤波器抑制干扰。兰州交通大学自动化学院13 小功率输入调理电路 图72 小功率输入调理电路 （a） 采用RC滤波电路 （b）采用RS触发器 从开关、继电器等接点输入信号。将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用RC滤波电路或RS触发电路。兰州交通大学自动化学院14 大功率输入调理电路 图 7-3 大功率输入调理电路 在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。 为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V或24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快，电路又简单，因而被广泛采用。但是这种电路所带电

8、压高，容易带有干扰，通常采用光电耦合器进行隔离。 兰州交通大学自动化学院152）数字量输入接口 数字量输入接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。当CPU执行输入指令IN时，接口地址译码电路产生片选信号，将经过输入调理电路送来的过程状态（开关信号），通过输入缓冲器送到数据总线上，再送到CPU中。 MOV DX, DI_PORT ；接口地址DI_PORTDX设采用PC总线，接口程序为：IN AL, DX ；过程状态AL寄存器兰州交通大学自动化学院162 . 数字量输出通道 数字量输出通道的任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器或指示灯），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO

9、通道。 图 7-4 数字量输出通道结构 数字量输出通道主要由输出接口电路和输出驱动电路等组成。 兰州交通大学自动化学院171）数字量输出驱动电路 输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。 低电压开关信号输出 图75 低电压开关输出 图76 三极管输出驱动 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、OC门或运放等方式输出。 兰州交通大学自动化学院18 继电器输出接口 图77 继电器输出驱动 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，可完成从低电压直流到高电压交流的过渡。 晶闸管输出接口技术 晶闸管是一种大功率半导体器件。在计算

10、机控制系统中，可作为大功率驱动器件。特点：用较小功率控制大功率、开关无触点等。应用：交直流电动机调速系统、调功系统、随动系统。 兰州交通大学自动化学院192）数字量输出接口 数字量输出(DO)接口包括输出锁存器和接口地址译码。当CPU执行输出指令OUT时，接口地址译码电路产生写数据信号，将计算机发出的控制信号送到锁存器的输出端，再经输出驱动电路送到开关器件。 MOV AL，DATA ；DO数据AL寄存器设采用PC总线，接口程序为：MOV DX，DO_PORT ；接口地址DO_PORTDXOUT DX，AL ；DO数据锁存器的输出端兰州交通大学自动化学院20 72 模拟量输入通道 1. 模拟量输

11、入通道的一般组成 图78 模拟量输入通道的组成结构 模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。 兰州交通大学自动化学院212. 模拟量输入通道中常用器件和电路 信号预处理 信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将4mA20mA或010mA电流信号变为电压信号，将热电阻(Pt100或Cu50)的电阻信号经过桥路变为电压信号等。 无源I/V变换 图79 无源I/V 变换电路 无源I/V变换可以利用一个的精密电阻，将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。 兰州交通大学自动化学院22 有源I/V变

12、换 图 7-10 有源I/V变换电路 有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成。 利用010mA电流在电阻R上产生的输入电压，若取 ，则 时，产生2V的输入电压。该电路的放大倍数为 若取 ， ，则010mA输入对应于05V的电压输出。 兰州交通大学自动化学院23 多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上。 C B A X接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通 图7-11 CD4051原理图 表7-1 CD4051通道选择表 兰州交通大学自动化学院24 前置放大器 前置放

13、大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模/数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器， 图712 可变增益前置放大器 兰州交通大学自动化学院25采样保持器 采样时，k 闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT =VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。 图7-14 集成采样保持器LF398的原理图 图7-13 采样保持

14、器的组成兰州交通大学自动化学院26 AD转换器 A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。 分辨率：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若n8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压 。AD转换器的主要技术指标转换时间：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成 n 位转换所需要的时间。兰州交通大学自动化学院27线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB、1/4LSB等。 转换精度：指满量程输出情况下模拟量输入电压的实际值与理想值之间的差值；

15、转换精度用LSB的分数值来表示。 转换量程：所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，010V，5V十5V等。兰州交通大学自动化学院288位AD转换器 ADC0809 图715 ADC0809的原理框图及引脚 兰州交通大学自动化学院2912位AD转换器 AD574A 图7-16 AD574A的原理框图及引脚 兰州交通大学自动化学院30 AD转换器与计算机的接口 8位A/D转换器与PC总线工业控制机接口图7-17 ADC0809与PC总线工业控制机接口 设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将P

16、C0PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换；EOC信号还连接到8255A的C口，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。 ADC0809的EOC同OE输入控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；兰州交通大学自动化学院31根据图717接口方法，采用查询方式完成8路模拟量数据采集的程序框图(假设在主程序中已完成对8255A的初始化编程)。 图7-18 用ADC0809实现8路数据采集程序流程图兰州交通大学自动化学院3212位A/D转换器与PC总线工业控制机接口 AD574片内有时钟，无需外加时钟信号;。12 控制引脚和VLOGIC相连,接+5v;CE、 和

17、的控制通过PC2PC0输出适当的控制信号实现。图7-19 AD574A与PC总线工业控制机接口 设8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分规定为输入，端口C的下半部分规定为输出。A0接地，使工作于12位转换和读出方式;该电路采用双极性输入方式，可对5v或10v模拟信号进行转换;兰州交通大学自动化学院33通过图719硬件接口，在查询方式下，启动和读取数据的程序框图。假定已完成对8255A的初始化编程。 图7-20 启动和读取AD574A数据程序流程图 兰州交通大学自动化学院34CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式8位A/D转换器与PC总线工业控制机接口CPU与A/D

18、转换器之间的信息通信可以根据不同的情况，采用不同的I/O控制方式。 查询方式查询方式的传送是由CPU执行I/O指令启动并完成的，每次传送数据之前，要先输入A/D转换器的状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O 中断方式若要求一旦数据转换完成就及时输入数据，或CPU同时要处理很多工作的情况下，应采用中断方式。 DMA方式在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路，而且传送转换结果也要求非常及时迅速，为此可以考虑选用DMA方式。兰州交通大学自动化学院353. 模拟量输入通道设计 如果模拟输入电压已满足A/D转换量程要求，就不必再 用前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，

19、前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器 ；如果在A/D转换期间，模拟输入电压信号变化微小，且在A/D转换精度之内，也就不必选用采样保持器。A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度。A/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。采样保持器(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号可以不用采样保持器。 兰州交通大学自动化学院36确定A/D转换器位数的方法有以下两种： 输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值分别为 式中n为A/D转换器的位数， 为转换当量，则动态范围为 因此，A/D转换器位数为兰州交通大学自动化学院37 输入信

20、号的分辨率 有时对A/D转换器的位数要求以分辨率形式给出，其定义为 如果所要求的分辨率为D0，则位数例如，某温度控制系统的温度范围为0至200，要求分辨率为0.005（相当于1），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。兰州交通大学自动化学院38 图721 8通道12位A/D转换模板 以PC总线工业控制机的模拟量输入通道模板设计为例。单极性010V12位分辨率转换时间程序查询工作方式兰州交通大学自动化学院39该模板采集一组数据的过程如下：（1）通道选择将模拟量输入的通道号写入8255A的端口C低4位，使LF398的工作状态受AD574A的STS控制，A/D未转换期间， L

21、F398处于采样状态。（2）启动AD574A进行A/D转换通过8255A的端口C的PC4PC6输出控制信号启动A/D。在A/D转换期间， ，LF398处于保持状态。（3）查询AD574A是否转换结束读8255A的端口A，了解STS是否已由高电平变为低电平。（4）读取转换结果若查询到STS由1变为0，则读8255A的端口A和B，便可得到转换结果。兰州交通大学自动化学院403 模拟量输出通道 1 模拟量输出通道的结构形式 图7-23 共用DA转换器的结构 图722 一个通路一个DA转换器的结构 只适用于通路数量少且速度要求不高的场合，可靠性较差。 转换速度快、工作可靠。 兰州交通大学自动化学院41

22、2 模拟量输出通道中常用器件和电路 D/A转换器 D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。D/A转换器的主要技术指标分辨率： D/A转换器的分辨率定义为基准电压 与 之比值，其中n为D/A转换器的位数。稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时,输出达到离终值 时所需的时间。兰州交通大学自动化学院42转换精度：精度反应实际输出与理想数学模型输出信号接近程度。其中，精度又分为绝对精度和相对精度。 线性度：在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移，用LSB的分数来表示，如土1/2 LSB、土1/4 LSB等。 兰州交通大学自动化学院43

23、输出电平：不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大。一般为510V,高压输出型的输出电平可达2430V。还有一些电流输出型的，低的有20mA，高的可达3A。输入代码形式：D/A转换器单极性输出时，有二进制码、BCD。当双极性输出时，有原码、补码、偏移二进制码等。兰州交通大学自动化学院44 8位D/A转换器DAC0832图7-24 DAC0832的内部结构图 兰州交通大学自动化学院45 图7-25 DAC1210内部结构图 12位D/A转换器DAC1210兰州交通大学自动化学院46 D/A转换器与计算机的接口 8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 图7-26 DAC0832与PC总线工业控制

24、机接口 DAC0832工作在单缓冲寄存器方式；DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，经过运算放大器A，将形成单极性电压输出05V； 若要形成负电压输出，则需接正的基准电压。 将数字量转换后得到的输出电流通过内部反馈电阻流到放大器的输出端。兰州交通大学自动化学院47图7-27 用DAC0832实现8位D/A转换程序框图 配合图726硬件接口，8位D/A转换程序框图如图。兰州交通大学自动化学院4812位D/A转换器与PC总线工业控制机接口 图 7-28 DAC1210转换器与PC总线工业控制机接口 端口地址译码器译 、 、 三个口地址，这三个口地址用来控制DAC1210工作方式和进行1

25、2位转换。 兰州交通大学自动化学院49以图728接口为例，其转换接口程序框图如图 图729 12位D/A转换程序框图 兰州交通大学自动化学院50 双极性模拟量输出的实现方法 为双极性输出，且可推导得到 为单极性输出，若D为输入数字量， 为基准参考电压，且为位DA转换器，则有 这种双极性输出方式，是把最高位当作符号位使用，与单极性输出比较，使分辨率降低1位。 图730 D/A转换器双极性输出电路兰州交通大学自动化学院51 VI转换和自动手动切换 电压电流转换 010V/0l0mA转换 图731 010V/0l0mA的转换电路 如图，当运放开环增益足够大时，输出电流 与输入电压 的关系只与反馈电阻

26、 有关，因而具有恒流性能。反馈电阻的值由组件的量程决定。当 时，输出电流 在DC 0l 0mA范围内线性的与DC 0l0V输入电压 对应。兰州交通大学自动化学院5205V/020mA转换 输出电流 若令 , ,则有略去反馈回路的电流，则有图732 05V/020mA的转换电路兰州交通大学自动化学院53 自动手动切换 图733 带自动手动切换的VI变换电路 功能1 把05V的输入信号变为010mA的直流输出电流。 功能2 实现自动控制方式（A）和随时可切换的手动操作方式（H）之间的无扰切换。兰州交通大学自动化学院543 模拟量输出通道设计 D/A转换器位数的选择 DA转换器位数的选择取决于系统输

27、出精度；DA转换器输出一般通过功率放大器推动执行机构。 设执行机构的最大输入值为 ，灵敏度为 ，可得DA转换器的位数兰州交通大学自动化学院55 DA转换模扳的设计 图734 8通道模拟量输出通道电路图该电路采用DAC0832作8位D/A转换器，通过一个多路开关D4051，可由程序控制，将转换结果从8通道中的某一通道中送出，送出的结果以电流形式输出。 兰州交通大学自动化学院56工作过程： 由工业控制机PC总线送出的数据，通过OUT指令，由DAC0832进行转换。然后再用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关的某一通道而送出，其输出端所接的保持器是为了保持D/A输出稳定，起到电压保持作用，

28、由V/I转换器输出420mA的电流信号。兰州交通大学自动化学院571 .总线的定义及分类 74总线技术总线是一组信号线的集合，是一种描述电子信号传输线路的结构形式。兰州交通大学自动化学院总线分类的方式很多，如分为外部总线和内部总线，系统总线和非系统总线等。计算机系统常用的接口总线有并行和串行总线两种。582 .常用总线介绍 STD总线是国际上流行的一种用于工业控制的标准微机总线，它具有以下特点： 小板结构，高度模块化 严格的标准化，广泛的兼容性 面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用 高可靠性兰州交通大学自动化学院1）STD总线59 1984年IBM公司推出了16位微机的PC/AT总线。后来

29、为了统一标准，便将8位和8/16位兼容的AT总线命名为ISA总线（Industry Standard Architecture)。 ISA总线是8/16位兼容的总线，当8位时，只用其前62个引脚，此时，它是8位数据线、20位地址线；当16位时用到全部98个引脚，此时它是16位数据线、24位地址线，可寻址16MB的内存空间。兰州交通大学自动化学院2）IBM PC/AT总线60ISA总线有12个中断输入端，可同时接多达12个中断源，另外7个DMA通道。 1992年PCI SIG(peripheral component interconnect special Internet group)推出P

30、CI总线。它可以与ISA、EISA及MCA总线相兼容，并支持Pentium的64位系统。目前市面上的微机多采用PCI总线，工控机多采用ISA总线。61RS-232C是目前使用得最早、最广泛的串行通信总线。兰州交通大学自动化学院图7-35 计算机与终端的远程连接采用RS-232C总线来连接系统时，有近程通信与远程通信之分，连接图如图7-35所示。3）RS-232C串行接口标准总线62完整的RS-232C串行接口标准总线由25根信号线组成，采用25芯的插头座，包括两条信道：主信道和辅助信道。表7-2 RS-232C主要线路功能表针号缩写符功能信号方向DTEDCEDTEDCE1屏蔽（保护）地2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS清除发送6DSR数据设置就绪7信号地20STR数据终端准备好63RS-232C接口的主要连线如图7-36所示。目前大多数计算机主机和CRT终端上都有可接DCE的RS-232C接口，而且可利用这个接口，在近距离内直接连接计算机和终端，此时的连线可如图7-37所示。图7-36 RS-232C接口的主要连线图7-37 计算机与终端间RS-232C对接64兰州交通大学自动化学院使用差动电流驱动的RS-422协议，使传输性能大幅度提高，能够在较长距离内明显地提高数据速率。RS-485的电气标准为RS-422标准，是RS-422A性能的扩展。由于传输线