微机控制技术第2章(高强版)

第二章计算机控制系统的硬件设计技术大纲要求内容：

正确的理解总线的定义、层次结构和种类，了解总线扩展技术；掌握模拟量输入输出通道各主要器件的功能作用与结构组成，8位A/D转换器ADC0809的原理组成、功能特性及其接口电路，8位D/A转换器DAC0832、12位D/A转换器DAC1210的原理组成及其接口电路；掌握数字量输入、输出通道的结构组成；了解采样、量化等相关理论；了解基于串行总线的计算机控制系统硬件技术；理解硬件抗干扰技术。第二章计算机控制系统的硬件设计技术总线技术总线扩展技术数字量输入输出接口及过程通道模拟量输入接口及过程通道模拟量输出接口及过程通道基于串行总线的计算机控制系统硬件技术硬件抗干扰技术本节架构2.1 总线技术总线的定义：计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。（P13）总线的层次结构：总线可分为外部总线和内部总线；内部总线又分为片级总线和系统总线。（P13）总线的种类：外部总线：RS-232C;RS-485;IEEE-488（GP-IB）;USB内部总线-系统总线：PC/XT(62线）；PC/AT;ISA(62线+36线）；EISA;VESA;PCI(124线）；PC104(104线）；CompactPCI内部总线-片级总线：数据总线；地址总线；控制总线；I2C总线（Inter-IntegratedCircuit)；SPI总线；SCI总线单线传输信号，地线作为信号回路，接收器单线输入信号。2.1 总线技术-串行外部总线简介内部总线（P14-20）：自学RS-232/RS-422/RS-485串行总线平衡和不平衡传输方式双绞线传输信号，无需地线自成回路，接收器双端差动方式输入信号，抗干扰能力强，适合远传。（P63，硬件抗干扰技术）2.1 总线技术-串行外部总线简介RS-232C目前应用最广泛的串行标准通信接口。电气接口是单端的、双极性电源供电电路。用于数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）和数据通信设备（DataCommunicationEquipment，DCE）之间的串行通信。可用25线或9线电缆互联。其中最基本的3根线是发送数据线TxD、接收数据线RxD和信号地线SGND。采用负信号逻辑。逻辑“1”电平为-15V~-5V，逻辑“0”电平为+5V~+15V，其间的-5V~+5V为状态变迁区。一般计算机和设备采用TTL电平，故可采用集成电路MC1488发送器和MC1489接收器进行TTL电平和RS-232信号电平的转换。特点：通信距离不大于15m，传输速率不大于20Kbps，容易引进干扰。（P20）2.1 总线技术-串行外部总线简介RS-422A电气接口采用平衡驱动、差分接收方法，无信号地线。DTE和DCE之间用4线电缆连接，每个方向使用两根线，实现全双工通信方式。两根差分走线之间耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。采用负信号逻辑。逻辑“1”电平为-6V~-2V，逻辑“0”电平为+2V~+6V，其间的-2V~+2V为状态变迁区。特点：通信距离长，传输速率高，规定为1200m/120Kbps~12m/10Mbps。2.1 总线技术-串行外部总线简介RS-485电气接口采用平衡驱动、差分接收方法，无信号地线。它是RS-422A的变型，采用半双工工作方式。采用负信号逻辑。逻辑“1”电平为-6V~-2V，逻辑“0”电平为+2V~+6V，其间的-2V~+2V为状态变迁区。特点：通信距离长，传输速率高，规定为1200m/120Kbps~12m/10Mbps。2.1 总线技术-串行外部总线简介RS-232C/RS-422A（RS-485）转换RS-232C应用广泛，但不适合远距离传输。如果需要把处于远距离的两台或多台带有RS-232C接口的系统连接起来，可以用RS-232C/RS-422A转换环节实现。2.1 总线技术-串行外部总线简介USB总线具有热插拔功能USB采用“级联”方式连接各个外部设备。类似菊花链式连接，每个USB控制器可连接127个外设，两个外设之间可达5m。适用于低俗外设连接。键盘、鼠标、打印机等。2.2 总线扩展技术-微机系统I/O端口与地址分配I/O端口及I/O操作接口内部设置数据存储器、状态存储器和控制存储器。这些存储器能够被CPU直接访问，也称为“端口”（Port），分别叫数据端口、状态端口和控制端口。每个端口有独立的地址，作为CPU区分各端口的依据。数据端口（DataPort）：存放外设送往CPU的数据以及CPU输出到外设的数据。一般为1~2个字节。数据端口主要起数据缓冲作用。状态端口（StatePort）：用来指示外设的当前状态。用一个二进制位表示。如“外设忙位”、“错误位”。控制端口（ControlPort）：用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字。CPU可以对端口进行读写操作。CPU和外设的数据交换实质就是CPU的内部寄存器和接口内部的端口之间的数据交换。2.2 总线扩展技术-微机系统I/O端口与地址分配I/O端口编址方式统一编址：把系统中的每一个I/O端口看作一个存储单元，和存储单元一样统一编址，访问存储器的所有指令都可以用来访问I/O端口，不单独设置专门的I/O指令。独立编址：对系统中的I/O端口单独编址，构成独立的I/O地址空间，采用专门的I/O指令访问具有独立空间的I/O端口。简化指令系统设计；指令种类多、功能强I/O地址空间可大可小，灵活性强访问端口和存储器的指令区分，程序清晰I/O地址较短，指令长度短，译码电路简单，指令执行速度快2.2 总线扩展技术-微机系统I/O端口与地址分配I/O端口地址分配（以PC系列微机为例，10位I/O端口地址线，端口数1024个，地址空间000H~3FFH，有效地址线A0~A9）系统板上的I/O接口：256个（000H~0FFH）扩展卡上的I/O接口：768个（100H~3FFH）I/O端口地址选用原则：（P25）系统配置已经使用的地址不能使用未被系统使用，但厂家申明保留的地址不能使用用户可使用的PC微机地址为300H~3FFH2.2 总线扩展技术-I/O端口地址译码技术地址译码：把CPU送出的地址转变为芯片选择和端口区分的依据。P26三种译码方式线选法:直接利用系统的地址线作为存储器芯片的片选信号。译码时只需将用到的地址线和存储器芯片的片选端直接相连即可。全译码法：地址译码器使用了全部地址线，地址与存储单元一一对应，也就是1个存储单元只占用1个唯一的地址。部分译码法：地址译码器仅使用了部分地址线，地址与存储单元不是一一对应，1个存储单元占用了几个地址。端口地址有效I/O读写控制有效t译码信号读写控制信号I/O端口的读写2.2 总线扩展技术-I/O端口地址译码技术I/O端口地址译码方式及电路形式（固定地址译码、开关选择译码）固定地址译码3-8译码器：仅A2~A03个输入端变化，3A0H~3A7H8个输出。A9~A3=1110100B，这是确定高地址与译码器控制端连接的关键。2.2 总线扩展技术-I/O端口地址译码技术I/O端口地址译码方式及电路形式（固定地址译码、开关选择译码）开关地址译码采用数据比较器74LS688和一组逻辑开关实现板卡高位地址的设定。A15~A10和A9~A4确定板卡的基地址，A3~A1确定板卡内各端口的地址。若Q5~Q0=000000，则板卡高12位为03ExH。Y0端口地址为03E0H，Y1端口地址为03E2H2.2 总线扩展技术-基于ISA总线端口扩展基于ISA总线扩展8位数据传送的数据量I/O模板线路原理图（P29）2.2 总线扩展技术-基于ISA总线端口扩展基于ISA总线扩展8位数据传送的数据量I/O模板线路原理图（P29）板选译码与板内译码板选译码：开关式全译码，选用数据比较器74HCT688，P2~P7接开关W，Q2~Q7接地址线A9~A4，AEN接74HCT688的有效控制端G，对模板操作时，AEN为低电平，且P=Q，以保证74HCT688输出低电平，控制板内译码电路74HCT138和数据总线驱动器17HCT245。2.2 总线扩展技术-基于ISA总线端口扩展基于ISA总线扩展8位数据传送的数据量I/O模板线路原理图（P29）板选译码与板内译码板选译码：采用74HCT138，其使能控制端受板选输出控制（19），ABC译码输入信号接地址线A0A1A2，译码器输出选通各I/O端口。如Y3选通端口4（端口地址=基地址+3）2.2 总线扩展技术-基于ISA总线端口扩展基于ISA总线扩展8位数据传送的数据量I/O模板线路原理图（P29）总线驱动及逻辑控制数据总线缓冲器选用74HCT245（双向），有效控制端E由（19）控制，方向控制端DIR由IOR控制；板上负载少，无需地址总线驱动器；控制总线IOR、IOW通过74HCT125驱动端口及其读写控制：由Y0~Y3等译码输出信号与IOR、IOW组合控制端口的读写。2.3 数字量I/O接口与过程通道-接口数字量输入DI（DigitalInput）接口DI接口包括信号缓冲电路和接口地址译码。开关输入信号S0~S7接到缓冲器74LS244接入端，地址译码电路产生片选信号CS，当CPU执行输入指令IN时，产生IOR信号，将S0~S7状态信号送到数据线D0~D7上，然后装入AL寄存器（送到CPU中）2.3 数字量I/O接口与过程通道-接口数字量输出DO（DigitalOutput）接口DO接口包括输出锁存器和接口地址译码。经过端口地址译码，得到片选信号CS，当执行OUT指令时，产生IOW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。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道数字量输入（DI）通道数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入口地址译码电路和输入调理电路组成。输入缓冲器和地址译码电路也就是输入接口电路（王锦标，计算机控制系统，清华大学出版社，P90）输入调理电路具有两个功能：一是克服开关或触点通断时的抖动5ms~8ms（积分电路，R-S触发器，P32），二是进行信号隔离（光电隔离）。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道小功率输入调理电路原理：RC滤波作用，电容两端的电压不能突变。反相器可选CD4069，也可用斯密特触发器CD40106代替。原理：利用R-S触发器的记忆功能消除抖动信号。低电平触发与非门电路可选CD4011，高电平触发或非门可选CD4001。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道大功率输入调理电路从电磁离合等大功率器件的接点输入信号，加24V以上直流电压，抗干扰。电压较高，所以高压、低压之间用光耦合器进行隔离。本质上仍是积分电路。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道数字量输出（DO）通道数字量输入通道主要由输出锁存器、输出口地址译码电路和输出驱动电路组成。输出锁存器和地址译码电路也就是输出接口电路（王锦标，计算机控制系统，清华大学出版社，P92）输出驱动电路具有两个功能：一是驱动开关器件（功率晶体管、达林顿阵列驱动器、固态继电器）；二是进行信号隔离（光电隔离）。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道小功率直流驱动电路原理：功率晶体管基极驱动电路。当信号要求T导通时，提供足够大的基极驱动电流使其饱和导通；当信号要求T截止时，切断基极电流。（十几到几十mA）原理：内含7个达林顿复合管，每个复合管电流500mA以上，截止时承受电压100V。T2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道小功率直流驱动电路原理：右图为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“0”，即低电平时，经7406反相锁存器变成高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负载线圈断电是产生的反向电动势的泄流回路。2.3 数字量I/O接口与过程通道-通道大功率交流驱动电路（继电器）原理：当CPU数据线Di输出数字“1”即高电平时，经7406反向驱动器变成低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负载设备。为保护驱动器件，KA并联二极管，为电感线圈提供电流泄放回路。2.3 数字量I/O接口与过程通道-模板举例研华公司PCL-730I/O板卡举例（自学）2.4 模拟量输入接口与过程通道-输入通道组成模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到得模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。变送器将电信号变成0~10mA或4~20mA统一信号。模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。2.4 模拟量输入接口与过程通道-信号调理-非电量信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。非电信号的检测-不平衡电桥（P36）参考（百度文库-热电阻接入电路两线制和三线制接线法的分析）2.4 模拟量输入接口与过程通道-信号调理-信号放大信号放大电路：运算放大器的选择主要考虑精度要求、速度要求、幅度要求及共模抑制要求。常用的前置放大器有uA741、LF347；OP-07，OP-27；ILC7650等。（自学）基于ILC7650的前置放大电路AD526可编程仪用放大器2.4 模拟量输入接口与过程通道-信号调理-I/V变换变送器输出的信号为0~10mA或4~20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。无源I/V变换0~10mA输入：R1=100欧，R2=500欧，则V=0~5V；4~20mA输入：R1=100欧，R2=250欧，则V=1~5V；2.4 模拟量输入接口与过程通道-信号调理-I/V变换有源I/V变换Vx={0~10mA）*250V=vx*（Rf+R3）/R3（作业，写过程）2.4 模拟量输入接口与过程通道-多路转换器多路转换器又叫多路开关，是切换模拟电压信号的关键元件。多路转换器CD4501，单端8通道开关，3根二进制控制输入端和一根禁止输入端INH（高电平禁止），有A、B、C在8个通道中选择一个，使输入和输出接通。CD4501通道选择表见P39.2.4 模拟量输入接口与过程通道-采样采样：按一定的时间间隔T，把时间上连续、幅值上也连续的模拟信号转变成在时刻0、T、2T、…、kT的一连串脉冲输出信号的过程。采样信号是时间上离散、幅值上连续的离散模拟信号。香农定理：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≥fmax进行采样，那么采样信号能唯一复现原始信号。一般取f≥（5~10）fmax。2.4 模拟量输入接口与过程通道-量化量化：采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。执行量化动作的装置是A/D转换器。量化单位：量化误差（±1/2）

字长为n的A/D转换器将采样信号变换成0~2n-12.4 模拟量输入接口与过程通道-采样保持器孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。孔径误差：动态信号在孔径时间内发生变化，从而引起输出的不确定误差。这个（最大）误差称为孔径误差。误差的百分数：由于孔径误差的存在，为了保证量化精度，采样频率必须很低，见例题（P41），而在实际应用中，频率不能太低。为了提高频率范围，应采用采样保持器。2.4 模拟量输入接口与过程通道-采样保持器采样保持器原理采样保持器由输入输出缓冲器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。常用的采样保持器：LF398、AD582（P41，自学）采样时，S闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持时，S断开，A2输入阻抗高，理想情况下VOUT=VC。此时应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口8位A/D转换器ADC0809（28脚双立直插）8通道8位逐次逼近式转换器，有输出锁存功能转换时间100us左右线性误差为±1／2LSB输入电压范围0~5V，对应AD转换值为00H~FFH工作频率为500kHz逻辑电平与TTL兼容ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存与译码）、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成（以下展开）IN0～IN7：8路模拟信号输入端D0～D7：8路数字量输出端ALE：控制转换端，高电平有效A、B、C：与ALE控制8路模拟通道切换OE：输出允许端，高电平有效SC：启动信号输入端CLK：时钟信号输入端VR（+）、VR（-）：参考电压输入端2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口EOC：转换结束信号通道选择信号A、B、C分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。CBA=000～111分别对应IN0～IN7通道地址8通道模拟开关及通道选择逻辑2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口地址锁存允许信号（ALE，正脉冲）用于通道选择信号C、B、A的锁存。加至C、B、A上的通道选择信号在ALE的作用下送入通道选择逻辑后，通道i上的模拟输入被送至A/D转换器转换。在START上收到一个启动转换命令后开始转换；转换结束时，EOC由低电平变高电平，CPU根据此信号决定是否读取A/D转换结果。CPU读取数据的方法有查询法、定时法和中断法。8位A/D转换器2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口用于存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7~DO0上输出；OE为低电平输入时，数据输出线DO7~DO0为高阻态。三态输出锁存缓冲器ADC0809量化单位（例题见P43）首先CPU执行输出指令OUT，产生ALE和START，选通IN0~IN7之一并启动A/D转换。然后CPU执行输入指令IN，读转换结束信号EOC，若为“0”，则继续查询，若为“1”，表示转换结束。一旦A/D转换结束，CPU立即执行输入指令IN，产生允许输出信号OE，并读入结果DO0~DO7。ADC0809转换时序（查询法读A/D转换结果）2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口12位A/D转换器ADC574A（自学，P43-P46）2.4 模拟量输入接口与过程通道-ADC及接口模拟量输入通道模板举例（自学，P46-P49）AD574A/AD1674接口电路原理图PCL-813B数据采集卡组成框图一个通道设置一个D/A转换器的形式2.5 模拟量输出接口与过程通道-结构形式多个通道共用一个D/A转换器的形式各自的优缺点是什么？P498位D/A转换器DAC08322.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口DAC0832功能框图两级数据缓冲器，与各种微处理器直接接口输入电平与TTL兼容VREF:+10V~-10V功耗20mWVcc：+5V~+15V电流稳定时间1us三种工作方式：双缓冲、单缓冲、直通。9（谢剑英，P63）2.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口8位D/A转换器DAC0832引脚功能CS：片选端，低电平有效；ILE：数据允许锁存信号，高电平有效；WR1：写信号1端，低电平有效，用于将输入数据锁存到输入寄存器中，必须与ILE和CS同时有效；WR2：写信号2端，低电平有效，只有当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过DAC寄存器进行D/A转换；XFER：传送控制信号，低电平有效，用于控制WR2；IOUT1：模拟电流输出端1，当寄存器全为1时，输出电流最大，全0时输出0；IOUT2：模拟电流输出端2，IOUT2+IOUT1=常数；Rfb：反馈电阻连接端。用于连接运放的输出端。8位D/A转换器DAC0832接口2.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口两个输出IOUT1和IOUT2为电流输出，需连接运放转换为电压信号；单缓冲工作方式，WR2和XFER接地，即第二级锁存器直通；CS确定DAC0832地址；8031与DAC0832接口例子（谢剑英，P64）MOVDPTR, #4200HMOV A,#DATAMOVX@DPTR，A12位D/A转换器DAC12102.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口DAC1210功能框图12位D/A转换器DAC12102.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口DAC1210转换器接口DAC1210输出放大器DAC1210转换过程2.5 模拟量输出接口与过程通道-DAC及接口当Y0信号有效且A0=1，则BYTE1/BYTE2为高电平，同时IOW信号来时，高8位数据被写入DAC1210的高8位输入寄存器和低4位寄存器。当又一次IOW信号来时，A0=0，BYTE1/BYTE2为低电平，则高8位输入数据被锁存，低4位数据写入低4位输入寄存器，原先写入的内容（即高8位数据）被冲掉。同时，DAC1210的12位DAC寄存器和高8位及低4位输入第二级寄存器直通，因而这一新的数据由片内的12位D/A转换器开始转换。单极性和双极性电压输出电路2.5

模拟量输出接口与过程通道-电压输出电路加入运放以实现电流到电压的转换。单极性输出双极性输出V/I变换（了解）2.5

模拟量输出接口与过程通道-V/I变换实现0～5V、0～10V、1～5V直流电压信号到0～10mA、4～20mA转换。ZF2B20AD6942.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术常用的串行总线有RS-232C、RS-485、USB和现场总线等。RS-485总线由于平衡差分传输特性，具有抗干扰能力强、传输距离远、具有较大级联能力等特点，所以被广泛应用（P20）。基于RS-485的分布式测控系统结构图2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远程I/O模块，内置微处理器，能独立提供智能信号调理、I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口。若将其安装在现场，可就地完成A/D、D/A转换、I/O操作和脉冲量的计数、累计等操作。若采用中继器，可连接256个模块或延伸最大通信距离至10km。研华UNO2160在热电厂连续放射监控系统架构图2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术智能调节器（单回路数字调节器SSC）智能调节器一般具有RS-485数字通信接口，可用于单机控制器，也可通过组态与上位机构成计算机监控系统（CSS）。常用品牌有HONEWELL、OMRON等。硬件构成MPU：调节器核心，包括微处理器、存储器、时钟、看门狗和接口电路等。过程I/O单元PIA（外围接口适配器）单元：过程I/O单元、键盘及显示单元与MPU连接的桥梁面板、编程、通信和硬手操单元。2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术智能调节器（单回路数字调节器SSC）软件构成监控管理程序：实现对I/O通道、键盘、显示器及通信等部件的管理，以及对调节器各硬件部分和程序进行故障监测及处理等。固定程序调节器：主要用于修改和显示调节器的工作方式和参数及监视系统状态，如对各回路PID参数及采样周期的调整。可编程序调节器：为用户提供组态软件，编程语言简单，便于掌握。应用程序：根据调节器的应用功能所编的程序，如数据采集、数字滤波、标度变换、数据处理、控制算法、报警及输出等程序。SSC运算、控制功能十分丰富，一般包括几十种运算、控制模块。2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术可编程序控制器（PLC）硬件结构整体式：把电源、主机、输入输出、通信接口和外部设备接口集中在一个机箱内，构成独立复合模块，体积小，适用于输入输出点少的设备。模块式：将PLC按功能划分为电源模块、主机模块、DI（DO、AI、AO）模块、接口模块、通信模块等，形成积木式结构，可灵活配置小、中、大系统。类似于单片机结构，主要包括CPU、存储器、I/O接口、通信接口和电源等。2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术可编程序控制器（PLC）软件结构（系统软件、编程软件、应用软件）系统软件：两个部分，一是固化于存储器内的由PLC生产厂家编写的系统程序（内核软件），完成系统诊断、命令解释、逻辑运算、通信和参数设定等功能，并对PLC的运行进行管理；二是安装在编程器、操作监视器、工程师站和操作员站的组态编程软件及人机界面软件，供工程师进行组态编程。编程软件：根据国际电工委员会IEC61131-3标准，支持5种编程软件或编程语言：指令表，梯形图，功能块图、顺序功能图和结构化文本。PLC支持其中的一种或多种。应用软件：用户根据生产过程的控制要求，首先设计控制方案或策略，再用编程语言编写成应用程序，并编译成可执行文件，然后下载到PLC中运行，实现控制策略，达到设计目的。2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术运动控制器通过伺服机构（如电机）来控制机器的位置和（或）速度，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。共分为3类：基于计算机标准总线的运动控制器：大多采用DSP或微机芯片作为CPU，体系结构开放，运动控制器以插卡方式嵌入PC机，即“PC＋运动控制器”模式。特点：信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好。Soft型开放式运动控制器：控制软件全部安装在计算机中，硬件仅为计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可利用开放的运动控制内核，开放所需的控制功能，灵活性较强。嵌入式结构的运动控制器：把计算机嵌入到运动控制器中，二者通信依然靠计算机总线（同一），实质上是基于总线结构的运动控制器的一个变种。2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术运动控制器－变频器变频器的主要任务是：把恒压恒频（ConstantVoltageConstantFrequency，CVCF）的交流电转换为变压变频（VariableVoltageVariableFrequency，VVVF）的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

变频器功能越来越强，已经跳出了仅作为交流电机调速驱动器应用的范围，现在很多变频器可构成单独的控制系统应用，而省去了控制器。新一代变频器均具有标准通信接口，可远距离通信或组网。2.7

硬件抗干扰技术很多从事计算机控制工程的人员都有这样的经历：实验室正常模拟运行的系统，到工业环境中不能正常运行。原因是什么呢？工业环境有强大的干扰，而微机系统未采取抗干扰措施或措施不力！干扰：有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。干扰的来源：外部干扰和内部干扰。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术按干扰的作用方式不同，可以分为串模干扰（常态干扰）、共模干扰和长线传输干扰3类（王锦标，计算机控制系统，P106）。串模干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号为直流或缓变交流，而干扰噪声为变化快的杂乱交流。二者在回路中地位相同，所以称这种干扰叫常态干扰。那么应该采取什么措施抑制这两种干扰呢？共模干扰：D/A转换器两个输入端上公有的干扰电压，可能是直流，也可能是交流。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术串模干扰抑制方法情况1：串模干扰和被测信号频率不同（滤波）串模干扰频率比被测信号频率高，则采用低通滤波器来抑制高频率串模干扰；串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。采用双积分A/D转换器削弱串模干扰的影响。此类转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。缺点：转换速度慢。情况2：尖峰型串模干扰成为主要干扰源2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术串模干扰抑制方法情况3：串模干扰主要来自电磁感应对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。情况4：从选择逻辑器件入手利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，可采用高抗扰度逻辑器件抑制低噪声，用低速逻辑器件抑制高频干扰等等。情况5：从选择信号引线入手采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法单端对地和双端不对地的区别单端对地：对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-单端对地和双端不对地双端不对地：ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压以及两输入端的共模电压分别为：2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-共模抑制比为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)来表示，即Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-（4种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、仪表放大器）变压器隔离：利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-（4种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、仪表放大器）光电隔离：光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-（4种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、仪表放大器）浮地屏蔽：采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空（模拟地和内屏蔽盒，内屏蔽盒和外屏蔽（数字地）之间的漏电阻和分布电容非常大），从而达到抑制共模干扰的目的。2.7

硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术共模干扰抑制方法-（4种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、仪表放大器）仪表放大器：仪表（仪用）放大器是专门设计的精密差分放大器，其结构对称，输入端电压相同，所以能消除共模干扰。是一种专门用来分离共模干扰和有用信号的器件。2.7 硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术长线传输干扰及其抑制方法长线传输干扰：信号频率越高，信号的波长就越小。一旦信号的波长小到与电路板相同的数量级，器件之间的任何连接导线都可认为是长线传输。根据经验，当微机主振频率为1MHz（4MHz）时，传输线长超过0.5m（0.3m），即可作为长线传输处理。长线传输过程中易受到外界干扰；具有信号延时；高速变化的信号在长线中传输，会出现波反射现象。信号在长线中传输遇到的3个问题：阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。若始端阻抗也不匹配，还会有新的反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。2.7 硬件抗干扰技术-过程通道抗干扰技术长线传输干扰及其抑制方法抑制方法：采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。2.7 硬件抗干扰技术-主机抗干扰技术主机抗干扰技术（CPU抗干扰）的措施：Watchdog、电源监控、复位等，这些方法可用微处理器监控电路MAX1232实现。按键复位输入，低电平有效，忽略1ms宽度脉冲，确保识别20ms以上输入脉冲时间延迟，Watchdog时基选择输入。TD=0V时tTD＝150ms；TD悬空时tTD＝600ms；TD=VCC时tTD＝1.2s容差输入，接地时5％容差；接VCC时10％容差GND为地＋5V电源Watchdog定时器输入复位输出（低电平）复位输出（高电平）2.7 硬件抗干扰技术-主机抗干扰技术MAX1232的三个主要功能（电源监控、复位、监控定时器（Watchdog）。电源监控：监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限电压典型值4．62V，10%（4．37V）)就输出并保持复位信号。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。按键复位：

PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。监控定时器：用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，MAX1232发出复位信号，复位信号脉冲宽度至少保持250ms的宽度。2.7 硬件抗干扰技术-主机抗干扰技术MAX1232典型应用（启动微处理器）如果中断继续，那么在每一个超时间隔内（TD接VCC，所以超时间隔为1.2s）产生一个新的复位脉冲，直到I/O触发ST为止。2.7 硬件抗干扰技术-系统供电与接地技术供电技术-供电系统的一般保护措施交流稳压器：保证220VAC供电，交流电网频率为50Hz，其中混杂了部分高频干扰信号。低通滤波器：让50Hz基波通过，而滤除高频干扰信号。直流稳压器：给计算机供电。建议为开关电源，因为开关电源用调节脉冲宽度的办法调整直流电压（调节开通时间和关断时间，即占空比，可控制输出平均电压，其功耗较低。）2.7 硬件抗干扰技术-系统供电与接地技术供电技术-电源异常的保护措施计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS。正常情况由交流电网供电，同时电池组处于浮充状态。如果交流供电中