计算机控制系统第6章-计算机控制系统的硬件设计

1、2022/7/251第六章 计算机控制系统的硬件设计学习目标：了解计算机控制系统常用的主机及特点掌握计算机控制系统数字量通道设计方法掌握计算机控制系统模拟量通道设计方法了解计算机控制系统中常用的执行机构2022/7/252第一节 常用计算机控制系统主机模式 在计算机控制系统中，通常把微处理器（CPU）、内存储器、时钟电路及相关接口电路统称为主机电路。 主机电路是计算机控制系统的核心，其性能和功能直接影响到整个系统的优劣。 构建计算机控制系统的主机类型种类繁多，按形态可分为设备级（工控机、PLC、PAC）、芯片级（MCU、DSP、MPU、SoC）。2022/7/253一、工业控制计算机（IPC）

2、 工业控制计算机是指按照工业测控系统环境要求而设计的PC机，也称为工控机或工业PC机（Industry Personal Computer，IPC）。它一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更为方便；另一方面在结构上采用总线结构，实现模块化。2022/7/252022/7/2541.工控机的组成 主机板各类输入/输出接口模板人机接口硬盘工业电源加固型工业机箱2022/7/252022/7/2552.工控机的特点具有较完善的过程通道具有比较完善的中断系统和高速数据通道具有高可靠性具有人机联系功能能够实现复杂的控制算法具有适于控制用的软件系统2022/7/252022/7/256二、可

3、编程控制器（PLC） 可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是由继电器控制系统发展而来的，以微处理器为核心的数字运算操作电子系统装置。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。2022/7/252022/7/2571. PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造体积小，重量轻，能

4、耗低2022/7/252022/7/2582. PLC的分类2022/7/252022/7/2593.PLC的结构主机输入/输出（I/O）接口电源编程器外部设备接口2022/7/252022/7/2510三、嵌入式处理器 嵌入式处理器分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统等几大类。 嵌入式处理器品种多、速度快、性能强、价格低，应用前景广阔。与设备级主机相比，嵌入式处理器具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点。2022/7/252022/7/25111.嵌入式微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） 嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为

5、核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。 嵌入式微控制器的特点是单片化、体积小、功耗低、可靠性高。嵌入式微控制器目前的品种和数量较多，其典型代表是单片机，比较有代表性的通用系列有AT89系列。2022/7/252022/7/25122.嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU） 嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，价格也比较高。 与计算

6、机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除了其他的冗余功能，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 目前比较流行的嵌入式微处理器是属于中档价位的ARM/StrongARM系列。 2022/7/252022/7/25133.嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP） DSP处理器是专门用于数字信号处理方面的微处理器。由于在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使DSP处理器具有很高的编译效率和指令执行速度（运算速度比MPU快了几十倍），被大规模的应用在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上。 TI公司在1982年成功

7、推出第一代DSP芯片之后，相继推出了多种适合不同应用、不同规格的DSP系列。在测控系统应用领域中，比较有代表性的是TI公司的TMS320F240 x系列。它是把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外设集成在一个芯片上，其性能远远超过传统的l6位微控制器，非常适用于电机的数字化控制。2022/7/252022/7/25144.嵌入式片上系统（System On Chip，SoC） 片上系统SoC是单一芯片上集成诸如MCU、RAM、DAM、I/O等多个部件。用户不需要再像传统的系统设计那样绘制庞大复杂的电路板，只需要使用精确的硬件描述语言，直接生产可以交付芯片生产厂家生产的网标文件。 SoC最大

8、的特点就是成功地实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SoC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。 SoC往往是专用的，比较典型的产品是Philips公司的Smart XA。Soc芯片在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域发挥着重要作用。2022/7/252022/7/2515四、可编程自动化控制器（PAC） 随着工业控制设备需求的增长，为了满足现代工业应用所提出的各项要求，自动化制造商将PLC型的确定性控制与基于PC系统的灵活组态和企业集成功能结合，形成了一种新型的控制系统，即可编程自动化控制器（Programmab

9、le Automation Controller，PAC）。2022/7/252022/7/2516常用的控制计算机性能比较表2022/7/2517第二节 过程通道设计与人机接口 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换成计算机可以接受的数据形式送入计算机进行处理；处理后的结果还需变换成合适的控制信号输出，以控制执行机构的动作。因此在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。 过程通道根据信息的来源和类型不同，可分为： 数字量输入通道 数字量输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道2022/7/2518 数字量

10、输入通道由信号调理电路和输入接口电路构成。 一、数字量输入通道设计1. 数字量输入通道的结构2022/7/2519数字量输入接口电路（1）电平转换电路 2.数字量输入通道的信号调理电路 2022/7/2520电压输入电路电流输入电路开关触点输入电路（2）输入保护电路 2022/7/25212022/7/2522（3）开关量消抖电路 2022/7/2523（4）开关量隔离电路 输入信号调理电路可以用于过电压、过电流和反压保护，还可进行RC抗干扰滤波。稳压管VD2 把过电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上，串联二极管VD1 防止反向电压输入，电阻R1和电容C构成抗干扰的RC滤波器，电阻R1是输入限流

11、电阻，R2为过流熔断保护保险丝。2022/7/25242022/7/2525 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。 二、数字量输出通道的设计 1.数字量输出通道的组成 2022/7/2526数字量输出接口2022/7/2527 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。 （1）直流负载驱动电路 2. 输出驱动电路 2022/7/2528（2）继电器输出驱动电路2022/7/2529（3）固态继电器驱动电路DC-SSR:一般用于直流大功率场合AC-SSR：一般用于交流大功率设备控制场合多数接电阻性负载，很少接电感性负载；过零型、移相型2022/7/2

12、5302022/7/2531 CMOS驱动SSR三、 模拟量输入通道设计 1.模拟量输入通道结构 单路模拟量输入通道结构图传感器信号调理电路S/HA/D微型计算机 多路模拟量输入通道结构图2022/7/25322.信号调理电路（1）I/V变换电路 2022/7/2533 在计算机测控系统设计中，为了增加系统的可靠性，加快研制速度。实现系统功能的模块化，经常选用电动组合单元或变送器作为测量单元，其输出一般均为4-20mA（或0-10mA）的标准电流信号。采用电流信号传输可以提高信号远距离传送过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减。为此，当模拟量输入为电流信号时，就需要经过电流/电压（I/V）转换处

13、理，将4-20mA（或0-10mA）的直流电流信号转换为0-5V（或0-10V）的电压信号，再送入A/D转换器进行采样。（2）信号放大电路前置放大器 2022/7/2534（3）滤波电路 2022/7/2535 模拟量输入信号中，常常混杂有干扰信号，应该通过滤波尽可能消除输入信号中的噪声。滤波方法有软件滤波和硬件滤波之分。硬件滤波按能通过的频率范围可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）等类型；按照滤波器电路中是否带有有源器件分为无源滤波器和有源滤波器两种。若要消除低频干扰，就需要设置高通滤波器，其截止频率应高于需要滤除的干扰频率；若要消除高

14、频干扰，就需要设置低通滤波器，其截止频率应低于需要滤除的干扰频率；若消除某一频带以外的干扰，就需要设置带通滤波器；若要阻止某个频带范围内的干扰及噪声信号通过，可采用带阻滤波器（陷波器）。3.多路开关2022/7/2536 模拟多路开关（简称多路开关）的作用是将输入的模拟信号按一定顺序送到放大器或采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，系统对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还应具备切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠等特点。2022/7/2537常用的单端、双向8路模拟开关CD4051。 INHCBA选中通道号000000001100102

15、00113010040101501106011171无2022/7/25384.采样保持器 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如果被采样的模拟信号变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。 外接电容保持电容CH ，决定保持时间的长短；选用低介质损耗，漏电小的电容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯电容；其容量大小与采样频率成反比：几百皮法0.01微法；

16、2022/7/2539输入范围为5V到18V。常用的采样保持器LF398。2022/7/25405.AD转换器及其接口技术 （1）AD转换器的主要性能指标分辨率： 分辨率是衡量A/D转换器能够分辨出输入模拟量最小变化程度的技术指标。 分辨率取决于A/D转换器的位数，通常用数字输出最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所对应的模拟量输入电压值表示， 例如：AD位数n8，满量程为5V，则LSB对应5V/(28-1)=19.6mV。 由于分辨率直接与转换位数有关，所以一般也用其位数表示分辨率，如8，10、12、16位AD。 2022/7/252022/7/2541转换时间：

17、 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成一次转换所用的时间，为转换时间。 转换时间的倒数为转换速率。 通常转换时间从几ms到100ms成为低速，从几s到100s称为中速，从10ns到100ns左右成为高速。转换量程： 所能转换的模拟量输入电压范围，如05V，55V等。2022/7/252022/7/2542（2） AD转换器的接口技术输入模拟电压的连接单端输入：IN直接与信号连接差动输入：VIN(+) VIN(-)单端输入正信号：UIN(+)接信号、UIN(-)接地单端输入负信号： UIN(-)接信号、UIN(+)接地。数据输出线和系统总线的连接数据线具有可控三态输出门，可直接

18、与系统总线连接；数据线没有三态输出门或具有内部三态门但不受外部控制，则（不能直接连接系统总线）必须通过I/O接口连接；8位以上A/D转换需考虑A/D的数据输出线和系统总线位数的对应关系（针对8位CPU、 12位A/D，需分高低位分别连接，分时按字节读入）。2022/7/252022/7/2543AD574A与80C51单片机的接口电路2022/7/252022/7/2544启动AD转换的方法电平信号启动：整个转换过程中保持有效电平脉冲信号启动：前沿复位ADC，后沿用于启动， 对脉冲宽度有不同的要求AD与CPU的时序配合延时等待：软件延时，硬件不接查询法：启动AD后，查询转换结束信号；中断法：转

19、换结束信号作为中断请求信号，AD转换结束后，向CPU发出中断请求，在中断服务程序中读取AD转换结果。2022/7/252022/7/2545（3） AD转换器的选择原则AD换换器位数的确定 可以分别利用输入信号的动态范围和分辨率确定A/D转换器的位数。AD换换器速度的确定 若A/D转换器在一个采样周期T内依次完成M路模拟信号采样值的A/D转换，则2022/7/252022/7/2546（4）V/F转换器及其接口技术 V/F转换器可将输入的模拟电压信号转换为频率信号，是A/D转换的另一种形式，具有精度高、线性度好、应用电路简单和积分输出等特点，非常适用于非快速且远距离传送的系统。目前，V/F转换

20、器应用最多的是电荷平衡式原理。2022/7/252022/7/2547四、模拟量输出通道设计 1.模拟量输出通道的结构形式 共用DA转换器的结构 一个通路一个DA转换器的结构 数字保持。转换速度快、工作可靠。模拟保持。只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。2022/7/25482.D/A转换器及其接口技术 D/A转换器是把数字量转换成模拟量的器件，是模拟量输出通道必不可少的核心环节。D/A转换器按数据输入方式可以分为串行和并行两类；按输出模拟信号的形式分为电流型和电压型两类。分辨率：定义为基准电压与的比，其中n为输入数字量的位数。建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出模拟信

21、号达到离终值 相差所需的时间。转换线性度： 通常给出的是在一定温度下的最大非线性度，一般的 D/A转换器为0.01%0.03%。输出电平：是指D/A转换器输出信号的形式与大小。输入编码：是指D/A转换器输入数字量的形式，通常为二进制数。（1）D/A转换器的主要技术参数 2022/7/252022/7/2549（2）D/A转换器的选择 模拟量输出通道中所用D/A转换器的位数取决于输出模拟信号所需要的动态范围。一般输出通道所用D/A转换器的位数与输入通道中所用A/D转换器的位数相同。如果输出通道只是为了形成动态范围在20dB左右的监视波形，那么选用5-7位的D/A就够了，但在D/A转换之前必须进行

22、数字增益控制。如果输出通道只是驱动指针式仪表，那么仪表精度应与D/A位数相匹配。 在开环系统中，D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。D/A转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。2022/7/252022/7/2550 目前，多数D/A转换器件均属电流输出型的，使用时一般需要通过运算放大器转换为电压信号输出。下图给出了8位D/A转换器DAC0832的单极性和双极性两种输出形式的电路图。图中，Vout1点为单极性输出，Vout2点为双极性输出。2022/7/25五、人机接口1操作台 操作台一般应具有如下基本功能： （1）具有显示装置。如显示屏幕或荧光数码显示器，以显示各状态参数及

23、故障指示等。 （2）具有一组或几组功能键或转换开关用于切换工作方式，起动、停止系统或完成某种指定的功能。 （3）具有一组或几组数据输入键。如数字键或拨码开关，用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。 （4）具有一个“紧急停止”按钮。用于在紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。 （5）具有安全可靠功能。操作人员即使操作错误，也不会造成严重后果。 2022/7/25512022/7/252触摸屏 触摸屏技术的应用大大简化了计算机的输入模式，使用者不必事先接受训练和对计算机有深入的了解，仅需用手指触摸计算机显示器屏幕，即可启动计算机，或查询资料，或分析数据，简单快捷。触摸屏技术极大的方便了计算机的

24、使用，在商业、服务业、市场、旅游、工业控制、教育培训、医疗等领域得到广阔的应用。 目前触摸屏技术大致可分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容式四种。2022/7/25522022/7/25第三节 常用执行器 执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据控制器输出信号产生推力或位移的装置。调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置。 执行器按其使用能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，现很少使用。 执行器有转动式和平移式两种。转动式执行器有步进电机、角行程电动执行器等，平移式执行器有直行程电动执行器、各种控制电磁阀等。2022/7/2553202

25、2/7/25一、气动执行器 气动执行器又可分为气动调节阀、气动马达、气动机器人。其中气动调节阀的应用最为广泛。气动调节阀在控制系统中的用途是接受控制器的输出信号，改变被调介质的流量，使被控参数维持在所要求的范围内，从而实现生产过程自动化。 2022/7/25542022/7/25 二、电动执行器 电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，功能是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。 2022/7/25552022/7/25智能电动执行器智能电动执行器的特点：采用微处理器技术和数字显示技术，功能强，使用方便，具有自诊断

26、、自调整和PI调节功能。调节阀通过软件修正可以实现多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正（蝶阀）的阀也可改变流量特性，也能对非标准特性进行修正，改变了长期以来靠不同阀芯形状来修正特性的状况。2022/7/25562022/7/25在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械制动器，提高了执行器的可靠性。主要技术指标先进，误差较小，具有工作方式选择、故障诊断与报警等多种功能。STARPAC智能调节阀2022/7/25572022/7/25智能调节阀的特点具有智能控制功能。可按给定值自动进行PID调节，控制流量、压力、压差和温度等过程变量，还可支持串级控制方式等。具有

27、保持功能。无论电源、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，都会自动采取保护措施，以保证本身及生产过程安全可靠；具有掉电保护功能，当外电源掉电时能自动用后备电池驱动执行机构，使阀位处于预先设定的安全位置。具有通信功能。操作人员可在远方对其进行检测、整定和修改参数或算法等。具有诊断功能。智能调节阀的阀体和执行机构上装有专门用于故障诊断的传感器，电路上也设置了各种监测功能，微处理器在运行中连续地对整个装置进行监视，发现问题立即执行预先设定的程序，自动采取措施并报警。一体化结构。智能调节阀把阀体、控制电路、传感器、执行机构全部装在一个现场仪器中。2022/7/25582022/7/25三、步进

28、电机工作原理及控制技术1反应式步进电机典型结构和工作原理 这是一台四相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极(大齿)，每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上小齿数为5个。2022/7/25592022/7/25 当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方向转过30，使转