材料成型控制工程基础第二章

第2章

材料成型计算机控制基础2.1计算机输入输出通道的组成与功能2.2计算机输入输出通道的控制方式2.3模拟量输入通道设计2.4A/D转换器接口设计2.5D/A转换器接口设计2.6开关量输入采样2.7开关量输出控制2.1计算机输入输出通道的组成与功能计算机输入输出通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道和数字量(开关量)输出通道。计算机输入输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。2.2计算机输入输出通道的控制方式2.2.1计算机输入输出通道与CPU交换信息类型计算机输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：（1）数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。（2）状态情息：又叫做应答信息、握手信息，它反映计算机通道的状态（3）控制信息：用来控制计算机通道的启动和停止等信息2.2.2计算机通道的编址方式1.计算机通道与存储器独立编址方式2.计算机通道与存储器统一编址方式2.2.3CPU对计算机通道的控制方式

1.程序查询方式图2.1为程序查询方式的流程图。图2.1程序查询方式流程图2.中断控制方式3.直接存储器存取(DMA）方式DMA方式的工作流程如图2.2所示。图2.2DMA方式工作流程图2.2.4计算机通道接口设计应考虑的问题1.触发方式2.时序3.负载能力2.3模拟量输入通道设计2.3.1模拟量输入通道的结构

模拟量输入通道的任务是对过程量(即模拟量)进行变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机，典型的模拟量输入通道的结构如图2.3所示。

(a)单路放大(b)多路放大图2.3模拟输入通道结构2.3.2模拟量输入通道设计应考虑的问题1.信号的拾取方式2.信号的调节3.模/数转换方式的选择4.电源配置5.抗干扰措施2.3.3信号放大电路1.测量放大器经典的测量放大器是用三个运算放大器组成(如图2.4所示)，其中第一级是两个对称的同相放大器，它提高了输入阻抗和共模抑制能力，将双端输入变为单端输入。图2.4测量放大器的组成AD521的管脚功能及连接方法如图2.5所示。图2.5AD521管脚与基本接法图2.6为AD522与测量电桥的连接方法。图2.6AD522与电轿的连接2.小信号双线变送器XTR101可用于电阻类传感器测量电路，图2.7为铂电阻温度测量与传送电路。图2.7铂电阻温度测量发送电路3.隔离放大器隔离放大器应用场合有：（1）测量处于高共模电压下的低电平信号；（2）消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；（3）避免形成地回路及其寄生拾取问题(不需要对偏流提供返回通路)；（4）保护应用系统电路不致因输入端或输出端大的共模电压造成损坏；（5）为仪器仪表提供安全接口。图2.8是AD公司生产的Model277变压器藕合隔离放大器结构框图。图2.8Model277隔离放大器电路框图图2.9是B-B公司生产的一种小型廉价的光耦合隔离放大器ISO100，它将发光二极管的光反向送回输入端(负反馈)，正向送至输出端，经过加工处理和仔细配对来保证放大器的精度、线性度和时间温度的稳定性。图2.9ISO100电路原理图4.程控增益运算放大器PGA100是B-B公司生产的8级二进制可编程增益控制运算放大器（如图2.10所示)。（a）管脚（b）接法图2.10PGAl00管脚与接法PGA100的8个二进制增益×1，×2，×4，×8，×16，×32，×64、×128及相应的8个模拟通道，由A2A1A0。选择模拟通道，由A5A4A3选择增益，选择方法如表2.1所示，通道的数字输入在时钟CP的上升沿锁存。

表

2.1通道选择表2.3.4模拟多路转换器及其与CPU的接口

1.多路转换开关的类型多路开关有两类：一类是机械触点式，如干簧继电路、水银继电器和机械振子式继电器。另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等。2.多路转换开关的连接方式多个信号经多路转换开关接到公用放大器或A/D转换器的方式有三种：（1）单端接法。图2.11(a)为单端接法示意图。这种接法抑制共模干扰能力较强，适合于高电平信号场合。（2）差动接法。模拟量双端输入、双端输出接到放大器上(图2.11（b)所示)（3）伪差动接法。如图2.11(c)所示，这种方法可抑制信号源和多路开关所具有的共模干扰，

适用于信号源距离较近的场合。图2.11多路开关的连接方式3.集成多路转换器常用的CMOS集成多路转换器有单端和差分两种类型，一般情况下，它们分别用于单端接法和差动接法应用场合。单端8通道集成多路转换器的电路结构原理如图2.12所示，控制逻辑列于表2.2中。差分集成多路转换5器也有4通道和8通道两种。典型8通道差分多路转换器有AD7510、MAX307、DG407等。4通道差分多路转换器如图2.13所示，相应的通道控制逻辑如表2.3所示。图2.12单端8通道多路转换器原理图图2.13差分4通道多路转换器原理图表2.28通道多路转换器通道控制逻辑表2.34通道多路转换器通道控制逻辑4.集成多路转换器与单片机8031的接口第一种方法直接利用单片机8031的I/O接口实现对集成多路转换器进行控制，图2.14为采用P1口实现控制的原理图。图2.14单片机I/O口控制多路转换器第二种方法采用锁存器实现对多路转换器进行控制，图2.15为实现原理图。图2.15利用锁存器控制多路转换器采用多片集成多路转换器可实现更多通道的选择控制，采用单端集成多路转换器也可实现差分输人方式。图2.16为4片AD7501实现16通道差动输入的原理电路。图2.1616通道差动输入实现原理图2.3.5采样保持器

模/数转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间，对变化快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差，如图2-17所示。图2.17孔径误差采样保持器又叫做采样保持放大器(SHA)，它的原理如图2.18所示。图2.18采样保持器原理图常用的采样保持器有多种，图2.19为LFl98采样保持器的原理及典型接线图。图2.19LF198原理图及典型接法2.4A/D转换器接口设计2.4.1模/数转换器和数/模转换器的主要技术指标

1.模/数转换器的主要技术指标（1）分辨率：分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏

（2）量程：A/D转换器能转换的模拟电压的范围。（3）精度：分为绝对精度和相对精度。

（4）转换时间：完成一次完整转换所需要的时间。（5）输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式。

（6）工作温度范围：A/D转换器在规定精度内允许的工作温度范围。（7）对基准电源的要求：基准电源精度对A/D转换器精度有重大影响

2.数/模转换路的主要技术指标（1）分辨率：含义与模/数转换器相同。（2）稳定时间：数/模转换器代码有满度值的变化时，其输出达到稳定所需的时间，一般为几十个纳秒到几微秒。（3）输出电平：数/模转换器满量程输出电压的大小。（4）输入编码：数/模转换器输入数字量代码的编码方式：如二进制码、BCD码、补码、偏移码。2.4.2逐次逼近式A/D转换器及接口1.8位逐次逼近式A/D转换器及接口ADC0808/0809的结构原理如图2.20所示。图2.20ADC0808/0809结构框图ADC0809的典型接法如图2.21所示。图2.21ADC0809典型接法A、B、C是三个采样地址输入端，通过A、B、C的组合选择模拟输入通路IN0～IN2，对应关系如表2.4所示。地址码选通模拟通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7表2.4选择模拟输入通路图2.22为ADC0809与MCS-51单片机8031的接口电路。图2.22ADC0809与803l的接口

2.12位逐次逼近式A/D转换器及接口AD574A的内部结构如图2.23所示，它由数字芯片与模拟芯片混合集成

图2.23AD574A内部框图

芯片内部比较器的输入回路有可改变量程的电阻和双极性输入变量电阻，因此AD574A的输入模拟电压量程有0～+10V、0～+20V、±5V以及±10V四种，输入回路与参考电源的外部接法如图2.24所示。图2.24AD574A输入电路与参考电源外部接法AD574A的逻辑控制输入信号有

控制真值表如表2.5所示。，用以控制AD574A的启动、输出。表2.5AD574A逻辑控制真值表AD574A与单片机8031的典型接口电路如图2.25所示。在该接口电路中，AD574A采用双极性输入、12位转换、数据以字节方式输出。表2.6为该接口电路的I/O地址及控制方式。工作方式I/O地址控制方式启动转换8000HI/O写读转换结果高字节8002HI/O读读转换结果低字节8001HI/O读图2.25AD574与单片机8031的接口电路表2.6AD574A的I/O地址与控制方式

2.4.3串行A/D转换器与单片机的接口

MAXl76是MAXIM公司生产的先转换后输出的串行A/D转换器。MAXl76的管脚如图2.26所示。图2.26MAX176管脚图MAX176的操作时序如图2.27所示。图2.27MAXl76操作时序图单片机8031的串行口与MAX176接线方式如图2.28所示图2.28接口电路操作时序如图2.29所示，开始转换前，P3.5输出低电平，清除REN(接收控制标志)和BI(接受中断标志)。P3.5由低变高启动A/D转换，转换结束后，P3.5由高变低，MAXl76输出结果程序将REN置位，8031便可连续接收两个字节，接收到的数据格式与MAXl76的关系如图2.30所示：图2.29操作时序图2.30MAXl76数据格式2.5D/A转换器接口设计2.5.1模拟量输出通道的结构形式1.独立数/摸转换器形式图2.31为这种形式的结构图。图2.31独立D/A转换器结构形式2.共用数/模转换路的形式这种形式的原理框图如图2.32所示。图2.32共用D/A转换器结构2.5.2D/A转换接口设计的一般性问题

1.D/A转换芯片的选择原则1）数字输入特性2）数字输出特性能3）锁存特性及转换控制4）参考源2.参考电压源的配置外接参考电压源可以采用简单的稳压电路形式，也可采用带运算放大器的稳压电路(如图2.33所示)图2.33参考电压电路形式3.数字输入码与模拟输出电压的极性目前绝大多数D/A转换器输出的是电流量，这个电流要通过一个反相器才能变换为电压输出，图2.34为D/A转换器输出电路图2.34D/A转换器的输出电路双极性输出的一般原理见图2.35。在单极性输出(常常为运算放大器反相输出)之后，在加上一级运算放大器反相输出。图2.35D/A转换器双极性输出原理图输入数码与理想输出电压的对应关系如表2.7所示。表2.7输入数据码与理想输出电压的关系在双极性接法时，如果再改变参考电压极性，便可实现四个象限的乘积输出，实现参考电压正负极性切换的方法如图2.36所示。图2.36基准电压切换方法4.尖峰及其消除尖峰是输入数码发生变化时产生的瞬时误差，尖峰的持续时间虽然很短(一般为几十纳秒），但幅值可很大，必须采取措施加以消除。产生尖峰的原因是由于开关在换向过程中“导通”延迟时间与“截止”延时时间不相等所致，若模拟开关电路“截止延时时间”较短，导通延迟时间较长，因D/A转换器是逐位增加时，可能出现图2.37尖峰波形。

图2.37D/A转换时产生的尖峰波形示意图图2.38为一种外接消尖峰电路，电路由一个单稳态触发器和一个快速采样保持器组成，每当输入数据被锁存的同时，单稳态电路触发而产生保持信号，使采样保持器处于保持状态。图2.38消尖峰电路工作原理2.5.38位D/A转换器及其接口D/A转换器主要有两种类型，一类是片内不带锁存器(目前用很较少)，这时D/A转换器通过相应位数的锁存器实现与CPU的接口，它的接口原理图如图2.39所示，其中控制逻辑根据锁存器锁存电平、地址译码有效输出电平及WR有效电平来确定，它由基本门电路组成。图2.39无内部锁存器D/A转换据接口原理另一类D/A转换器内部带有数据寄存器、片选和写信号引脚，可以作为一个I/O扩展口直接与CPU接口。DAC0832数/模转换器功能框图见图2.40。

图2.40DAC0832的功能框图DAC0832与MCS—51系列单片机8031的接口如图2.41所示。图2.41DAＣ0832与单片机8031的接口2.5.412位D/A转换器及其接口当数/模转换器分辨率大于8位时，与8位微处理器的接口就需采取适当措施。图2.42中的AD7521为内部无锁存器的12位D/A转换器，其中R-2R电阻网络数字输入与TTL兼容、转换时间为500ns。图2.4212位D/A转换器与微处理器的接口实际工程应用中，大都采用带有内部锁存缓冲器的D/A转换器，这种D/A转换器接口与8位D/A转换器有些相似，下面以DACl230为例进行说明。DACl230是两级缓冲寄存器结构，图2.43为DACl230的结构框图。图2.43DACl230结构图控制DACl230实现自动转换操作的时序如图2.44所示图2.44DACl230的工作时序DACl230与单片机8031的接口电路如图2.45所示。在图2.60中的地址及控制逻辑如表2.8所示。图2.45DACl230与单片机8031的接口电路表2.8DACl230控制逻辑表地址控制方式功能8000H8001H8002HI/O写I/O写I/O写输入DI4～DI11输入DI0～DI3DAC刷新输出2.6开关量输入采样2.6.1开关量(数字量)输入通道的结构形式

开关量输入通道又可称为数字量输入通道，该通道将双值逻辑的开关量(数字量)变换为计算机能够接收的数字量，它的结构形式如图2.46所示。图2.46开关量输入通道结构框图2.6.2过程开关量(数字量)形式及变换

1.机械有触点开关量机械有触点开关的变换方法通常有以下三种：1）控制系统自带电源方式这种方法一般用于开关安装位置离计算机控制装置较近的场合，供电电源为直流24V以下，常用电路有串联和并联两种(如图2.47所示)。图2.47自带电源的开关量变换电路2）外接电源方式它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。外接电源可采用直流或交流形式。采用直流电源形式的变换电路如图2.48所示。

图2.48外接直流电源开关量变换电路外接电源采用交流时一般采用变压器，将高压交流(220V或110V)变为低压交流，电路如图2.49所示。这种电路的响应速度较慢，因而使用较少。图2.49采用变压器的开关量变换电路3）恒流源方式2.无触点开关量无触点开关量的采集可由两种方式实现。第一种方式与有触点开关处理方法相同，即把无触点开关当做有触点开关，按图2.50方式连接电路即可。需要注意的是连接极性不能随意更换。图2.50无触点开关变换电路无触点开关量变换的第二种方法是从功率开关的负载电路取样法。它的原理电路框图如图2.51所示。这种方法直接反映负载电路工作状态，而对开关状态的采样是间接的。图2.51开关量取样变换电路框图3.非电最开关量通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用。这种非电量开关量（数字量)需要通过电量转换后才能以电的形式输出，实现非电量开关量(数字量)的信号变换电路由非电量/电量变换、放大(或检波）电路、光电隔离电路等组成(如图2.52所示）。图2.52非电量开关量变换电路结构图2.6.3整形与电平变换

1.波形整形1）触点消抖实现触点消抖的方法很多，图2.53为采用定时器555的一种消抖电路。图2.53触点消抖电路2）脉冲定宽图2.54为上、下跳变都产生脉冲的一种电路，脉冲定宽应注意的问题是：脉冲宽度应明显小于引起脉冲产生的开关量变化的周期。其中555定时器工作在单稳触发器状态。图2.54开、关状态产生定宽脉冲电路3）消除毛刺图2.55为采用比较器的整形电路及其电路特性。图2.55回环比较器2.电平变换电平变换可采用光电隔离、晶体管、或CMOS-TTL电平变换芯片，电路如图2.56所示。其中光电隔离抗干扰性能好，但反应速度较慢，采用晶体管或MOS-TTL变换芯片则速度较快。图2.56电平变换电路2.6.4开关量输入通道与CPU的接口根据计算机控制系统的功能要求，CPU对开关量输入信号的处理形式主要有三种：开关状态检测、脉宽测量和脉冲计数。1.开关状态检测及其接口总线缓冲器通常为三态逻辑门电路，图2.57为采用74LS244的接口电路。图2.57定时查询方式接口电路2.脉宽测量接口电路采用通用接口计数器芯片也可实现脉冲宽度测量，8253是典型的8位数据总线的定时器接口芯片，它有三个功能相同的16位减计数器，每个计数器的工作方式及计数常数分别由软件编程，它的内部结构如图2.58所示。8253与单片机的接口电路简单，表2.9列出了通道及操作时序关系。图2.588253的原理框图表2.9通道及操作时序关系8253工作方式由工作方式控制字定义，控制字定义见图2.59，它有六种工作方式，可以完成计数、脉冲宽度测量等工作。图2.598253的控制字脉冲计数可直接采用单片机的定时器/计数器来完成，