第2章计算机控制系统的硬件设计技术

计算机控制系统的硬件设计主要包括：1)主控机的选型；2)输入/输出过程通道的设计；3)系统各类总线形式的选择；4)特殊功能板卡的设计；5)执行机构的选择；6)测量变送环节的选择；7)接口电路的设计；8)系统的抗干扰技术设计等。第2章计算机控制系统的硬件设计技术2.1总线技术2.2总线扩展技术2.3数字量输入输出接口与过程通道2.4模拟量输入接口与过程通道2.5模拟量输出接口与过程通道2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7硬件抗干扰技术2.1

总线技术2.1.1

总线的定义、层次结构及种类

所谓总线：就是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。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。

片级总线：是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C(Inter-IntegratedCircuit)总线、SPI总线(SerialPeripheralInterface,串行外设接口)、SCI总线（serialcommunicationinterface，串行通信接口）等；

系统总线：是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；包括ISA总线(IndustryStandardArchitecture）、EISA总线、VESA(Video

ElectronicStandardAssociation)总线、PCI总线(PeripheralComponentInterconnect)等；

外部总线：是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VME(VersaModuleEurocard

)、STD、PC-104、CompactPCI等。2.1.2PC/ISA/EISA总线简介1.PC/ISA总线的发展

2.ISA信号线定义（也称为

AT总线）--16位，总线频率8MHz3.EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）--32位，总线频率16MHz8位基本插槽：8位数据宽度和20位地址16位扩充插槽：不能独立工作，增加了8位数据和7位地址ISA总线信号悬索馈源支撑控制系统硬件结构框图脉冲分配和光电隔离基于FPGA的八轴联动伺服控制卡总体设计硬件结构图2.1.3PCI/CompactPCI总线简介

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外设部件互连标准)是美国SIG集团推出的64位总线。该总线的工作频率为33MHz/66MHz，数据传输率为80MB/s(峰值传输率为133MB/s)。

通常认为：I/O总线的速度应为外设速度的3-5倍。

PCI是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理（桥就是一个总线转换器和控制器，习惯上将与CPU连接的芯片称为北桥，与I/O设备连接的芯片称为南桥），并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口。

PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。

基本概念不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个PCI设备做发起者(主控，Initiator或Master)，而另一个PCI设备做目标(从设备，Target或Slave)。总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构(Arbiter)，来决定在谁有权力拿到总线的主控权。这里我们可以看出，PCI总线的传输是很高效的，发出一组地址后，理想状态下可以连续发数据，峰值速率为132MB/s。实际上，目前流行的33M，32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输。即插即用的实现所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡，需要进行复杂的手动配置。中断共享的实现ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的，而我们知道计算机的中断号只有16个，系统又用掉了一些，这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平。软件上，采用中断链的方法。PCI总线的主要性能

（1）支持10台外设

（2）总线时钟频率33.3MHz/66MHz

（3）最大数据传输速率133MB/s

（4）时钟同步方式

（5）与CPU及时钟频率无关

（6）总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）

（7）能自动识别外设

2.其它特点具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力具有隐含的中央仲裁系统采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数支持64位寻址完全的多总线主控能力提供地址和数据的奇偶校验可以转换5V和3.3V的信号环境3.PCI总线信号定义主控设备49条，目标设备47条，可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数188条（包含电源、地、保留引脚等）。CompactPCI总线简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术。是国际PICMG协会于1994年提出来的一种总线接口标准。CompactPCI所具有的开放性、高可靠性、可热插拔特性，使该技术除了可以广泛应用在通信、网络、计算机电话整合外，同时，也适用于实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等需要高速运算的领域，以及智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化的极高可靠度、可长期使用的应用领域。

CPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体有三个方面：

一、继续采用PCI局部总线技术；

二、抛弃PCI传统机械结构，改用经过20年实践检验了的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求；

三、抛弃IPC的金手指式互连方式，改用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。

目前CompactPCI技术是国际最先进的工业计算机技术。4.CompactPCI总线2.1.4其它总线简介1.PC/104总线(外部总线)：PC/104总线是嵌入式PC机所用的总线标准.有两个总线插头.共有104个引脚,这也是PC/104名称的由来.具有小型化的尺寸。PC/104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT(ISA)相对应。本质上就是尺寸缩小为3.8英寸3.9英寸的ISA总线板卡。总线以“针”和“孔”形式层叠连接，这种层叠封装有极好的抗震性。4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1-2瓦能耗。最高工作频率为8MHz，数据传输速率达到8MB/s，地址线24条，可寻访16M字节地址单元。

104根线分为5类：地址线，数据线，控制线，时钟线，电源线。2.PC/104plus总线：与PCI总线相对应，采用单列三排120个管脚。有效信号线和控制线与PCI总线完全兼容。PC104PC104Plus3.STD总线(外部总线)： STD总线属外总线，是美国普洛公司于1978年推出，适用于工业控制机的特点和要求而设计的56根线的总线，如图3.16所示。采用公共母板结构，板上安装若干个插座，插座对应引脚都是连到同一根总线信号线上，总线信号符合STD规范，各功能模块（如CPU模块、存储器模块、图形显示模块、A/D模块、D/A模块、开关量I/O模块等）都按标准尺寸制作，可插入任意插座，从而组建成不同规模的计算机系统。STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求。在56根总线中，有6根逻辑电源线、4根辅助电源线、8根数据总线、16根地址总线和22根控制总线。STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求。4.STD32总线：32位总线。STD总线模块化STD总线8098单片机实验系统

5.IEEE-488总线(外部总线)IEEE-488总线是并行总线接口标准,使用24芯连接器．其中有8条双向数据线．3条字节传送控制线．5条接口管理线及8条地线，用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。IEEE-488总线接口一般采用专用的接口芯片来实现。基本方式包括：1．听者方式，从总线上接收数据2．讲者方式，向总线发送数据。3．控者方式IEEE-488PCI2.1.5串行外部总线简介1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线（1）平衡和不平衡传输方式（2）RS-232（图a）--通常以9个引脚(DB9)或是25个引脚(DB25)的型态出现，一般计算机上会有两组RS232接口，分别称为COM1和COM2。RS-232采取不平衡传输方式，即单端通讯。其收发端的数据信号都是相对于地信号的。所以其共模抑制能力差，再加上双绞线的分布电容，其传输距离最大约为15M，最高速率为20KBPS，且其只支持点对点通信，不能实现联网功能。

（3）RS-422A/RS-485RS-422A（四线接口）和RS-485（两线制和四线制两种接线，多采用的是两线制接线方式）：驱动和接收电路没有多大区别，在许多情况下可以互联，他们采用平衡驱动和差分接收方法。两点传输电路RS-232/422A（或485）转换传输示意图半双工RS-485/422：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号，有极强的抗共模干扰的能力。故传输信号在千米之外都是可以恢复。RS-485/422最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S。一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

全双工（4）RS-485多点互连另见表1，三种串行总线的比较。2.USB总线

通用串行总线USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps,比串口快100倍,而且USB还能支持多媒体、外部设备、电话系统等。（1）具有热插拔功能；（2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备，一个USB控制器可以连接多达127个外设；（3）适用于低速外设连接。USB电缆2.2

总线扩展技术2.2.1微型计算机系统I/O端口与地址分配

1.I/O端口及I/O操作（I/O端口：能够被CPU直接访问的寄存器）（1）数据端口：起数据缓冲作用；（2）状态端口：指示外设当前的状态；（3）命令端口：用于存放CPU向接口发出的命令和控制字。

2.I/O端口编址方式（1）统一编址：端口与存储器统一编址---存储器映射方式（如PC系列微机）；（2）独立编址：端口与存储器分开，单独编址---I/O映射方式（如80x86）；

3.I/O端口地址分配（1）系统板（主板）上的I/O接口:表2-2（2）扩展卡上的I/O接口:表2-3

4.I/O端口地址选用原则系统配置占用的端口地址一律不能用；厂家声明保留的端口地址不要用；用户可以使用PC机300H-31FH的地址。2.2.2I/O端口地址译码技术1.三种译码方式

（1）线选法：高位地址线直接（或经反相器）接至存储器或端口的片选端，寻址电路简单，但会造成地址重叠和地址信息不连续；如3FE和3FC都是A0为0。（2）全译码法：所有地址线都参与译码，每个芯片的地址范围是唯一的，且地址信息连续，但译码电路较复杂；（3）部分译码：用片内寻址以外的高位地址线中的部分地址线参与译码，译码电路较全译码简单，但仍然会有地址重叠。2.I/O端口地址译码电路信号---地址和控制信号（如：IOR、IOW、AEN、IO16、SBHE等）的组合。3.I/O端口地址译码方法及电路形式---高位地址线与控制信号线组合进行片间寻址；低位地址线进行片内寻址。

（1）固定地址译码：根据确定的地址字段来设计译码电路。（2）开关选择译码：常采用数据比较器和一组开关，将地址设计成用户可设置的形式。（3）采用可编程器件进行译码。2.2.3

基于ISA总线端口扩展1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制板选译码板内译码总线驱动逻辑控制2.3

数字量输入输出接口与过程通道2.3.1

数字量输入输出接口技术

数据总线DB控制总线CB地址总线AB存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPU微型计算机的结构示意图基本的输入、输出数字量包括：1.开关的闭合与断开；2.指示灯的亮与灭；3.继电器或接触器的吸合与释放；4.电动机的供电与断电；5.电磁阀等阀门的打开与闭合；等等…1.接口的功能：设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的不协调问题；设置信号电平转换电路；设置信息转换逻辑以满足对各自格式的要求；设置时序控制电路来同步CPU和外设的工作；提供地址译码电路，使CPU在同一时刻只能选中某一个I/O端口。CPU接口外设可编程中断控制器8259A可编程计数器/定时器8253可编程外围并行接口芯片8255AA/D和D/A转换芯片。本节介绍最常用的简单I/O接口芯片,主要有缓冲器(Buffer)和锁存器(Latch)。2.可编程输入输出接口芯片3.程序控制I/O方式a.无条件传送方式：所谓无条件传送方式是指可以在需要的时刻让CPU直接与外设进行输入输出操作，也即CPU仅需要通过I/O指令即可由接口获取外设数据或为外设提供数据。三态缓冲接收器：隔离输入输出线路，起缓冲作用。1）数字量输入接口：输入开关的状态等。译码器地址信号控制信号设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数：

MOVDX，portINAL，DX注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言）产生IOR信号,将数据送入AL寄存器提供地址信息，使对应端口的片选信号CS有效开关K与微机系统连接的接口电路

如果希望完成如下任务：当开关接通时，CPU执行程序段ON；当开关断开时，CPU执行程序段OFF。下述指令的执行可以完成该任务：MOVDX,0FFF7HINAL,DXANDAL,01HJZON；假定程序段ON与本程序段在同一内存段中JMPOFF选通端的作用：读入一次

三态门作为数据输入接口的一般连接模式：2）数字量输出接口：输出阀门的开关信息，电机的启动与停止信息，指示灯的开关信息等。8位锁存器：对输出的状态信息进行锁存设片选端口地址为port，可用以下指令完成数据输出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL

如果工控机的I/O端口写总线周期时序关系中(上页图中)，总线数据D0-D7比IOW下降沿晚，所以可利用IOW的上升沿锁存数据。提供地址信息，使对应端口的片选信号CS有效产生IOW信号,将数据送入AL寄存器预设输出数据注意：硬件组成、软件设计（汇编、C语言)发光二极管与微机系统连接的接口电路对于图中电路，CPU执行下述指令可以使两个发光二极管发亮：MOVDX，0000HMOVAL，81HOUTDX，AL而CPU执行下述指令可以使两个发光二极管不发亮：MOVDX，0000HMOVAL，00HOUTDX，AL反相器对锁存器起保护作用，当发光二极管发亮时，反相器可以提高带负载能力，以保护锁存器不受损坏。锁存器作为数据输出接口的一般连接模式

b.查询传送方式：查询方式实现I/O传送示例(a)外设与微机接口电路；(b)外设工作时序外设选通信号c.中断传送方式：某事件的发生引起CPU暂停当前程序的运行，转入对所发生事件的处理，处理结束又回到原程序被打断处接着执行这样一个过程。1.中断源2.中断过程中断方式的实现一般需要经历下述过程：中断请求→中断响应→断点保护→中断源识别→中断服务→断点恢复→中断返回中断源识别的软件查询法

(a)硬件接口；(b)软件查询流程

中断方式--8259在系统中的连接

d.直接存贮器存取(DMA)方式该方式采用了专用控制器(称之为DMA控制器)而CPU不参与控制，这使得DMA方式与其他I/O方式有了显著的区别：DMA方式不是在程序控制下进行的，而是以纯硬件控制的方式进行的。能够实现外设与计算机系统的高速信息交换。2.3.2

数字量输入通道1.数字量输入通道的结构：输入调理电路、输入缓冲器、输入口地址译码电路等。2.输入调理电路----将现场输入的开关量状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的过程叫信号调理。

(1)小功率输入调理电路：去抖动目的：把开关K的状态转化成二进制状态。原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相为1；

断开K时，电容C充电，反相器反相为0。开关或继电器K(2)大功率输入调理电路（24V以上）原理：当S在上时，输出上为1，下为0。

当S按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故输出状态保持不变。当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。原理：当S闭合：光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。当S断开：光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。其中：R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。开关或继电器2.3.3数字量输出通道1.数字量输出通道的结构：由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。2.输出驱动电路：在数字量输出通道中，关键是驱动，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。

(1)小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路

继电器包括线圈和触点。因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管VD，K为继电器的线圈。VD的作用是泄流，通过VD放掉K上所带的电荷，防止晶体管反向击穿。R的作用是限流。作用过程：当TTL电平为1时，晶体管截止，K不吸合；当TTL电平为0时，晶体管导通，K吸合。②达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416是达林顿阵列驱动器.它内包含7个达林顿复合管，电流都在500mA以上。

达林顿晶体管DT（Dar1ingtonTransistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。内部保护二极管(2)大功率交流驱动电路在大功率交流驱动电路中，固态继电器SSR作交流开关使用。SSR是一种无触点通断电子开关，是一种有源器件，其中左侧两个端子为输入控制端，右侧两个为输出受控端，为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。SSR作交流开关，相当于一个触点，左边是TTL电平，在0～5V之间：当TTL电平为高时，触点闭合；当TTL电平为低时，触点断开。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。当用计算机来控制电磁阀时，即可用固态继电器。2.3.4

数字（开关）量输入/输出通道模板举例图2-19PCL-730板卡组成框图程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)inportb(Ox220)；读入隔离开关量低8位

inportb(Ox221)汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DXAX:16位，常用于存放操作数；DX：16位，数据寄存器，常用于数据传递。2.4模拟量输入接口与过程通道2.4.1

模拟量输入通道的组成：信号调理或I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口、控制逻辑等。2.4.2

信号调理和I/V变换1.信号调理电路

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、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。

信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测---不平衡电桥热敏电阻三线制接线图热敏电阻测量电桥电路（2）信号放大电路---主要要求：精度、速度、幅度、共模抑制

1)基于ILC7650的前置放大电路主要特点：输入偏置电流小，失调小，增益高，共模抑制能力强，响应快，漂移低，性能稳定，价格低廉等。

2）AD526：可编程仪用放大器AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。

CLK透明模式是13脚CLK接“0”，锁存模式是CLK接“1”。透明模式下：如果B为高电平，CS和CLK为“0”，输入模拟信号在A2、A1、A0到来时，增益立即响应，但不被保存；锁存模式下：当CLK变为“1”时，增益码被锁存到内部寄存器中，直到CLK从1回到0时才消除。2.I/V变换（1）无源I/V变换

（2）有源I/V变换0~10mA4~20mA0~5V1~5V100500/250R2:精密电阻2501k4.7k？2.4.3

多路转换器

多路转换器又称多路选择开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。可将各个输入信号依次或随机连接到公用放大器或A/D转换器上。通道选择表见p39表2-6。

图2-27CD4051原理图禁止输入端2.4.4采样、量化及采样／保持器

模拟信号（A）转换成数字信号（D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。1.信号的采样香农定理：f≥2fmax实际应用：f≥（5~10）fmax

用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。

f(t)KTf*(t)香农(Shannon)采样定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。采样宽度2.量化所谓量化，就是采用一组数码(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。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

量化单位：存在量化误差：(±1/2)q例如，模拟信号fmax＝16V、fmin＝0V，取i＝4，则q＝1V，量化误差最大值emax＝±0.5V。A/D转换器字长n足够长，量化误差越小，但以够用为度。ymax：被转换信号的最大值ymin：被转换信号的最小值n：转换后二进制数的位数

3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除

孔径时间tA/D：完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。

孔径时间tA/D带来孔径误差，对于一定转换时间，相对误差和信号频率成正比。

为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持器的采样器，即采样保持器。基本的采样保持器(2)采样保持原理

对变化的模拟信号快速采样，并在转换过程中保持模拟信号基本不变。

V－采样开关，R1＝Rf，C为保持电容。保持电容一般外接，其取值与采样频率和精度有关。减小CH可提高采样频率，但会降低精度。

①VL=1时：V导通，Vo＝Vc＝－Vi②VL=0时：V截止，Vc（Vo）在短时内保持不变。

A1和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样／保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。S是模拟开关，由控制信号控制其断开或闭合，CH是保持电容。

特点：结构简单，其失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响到采样／保持器的精度。跟踪速度也较低。

串联型：反馈型：

Ui

-+A1-+eOS1

-+A2CH模拟地-+eOS2K1UKUCUORK2

特点：采样/保持精度高，原因是只有eOS1影响精度；跟踪速度快。但是结构复杂。此时，CH的端电压保持在K1断开瞬间的Ui值上，使

式中eOS1和eOS2分别为运放A1和A2的失调电压。采样保持器的主要参数有：采样时间、电压下降率等。注：模拟信号一般不直接送A/D转换器，而加保持器作信号保持。但是，当A/D转换速度很快且输入信号变化缓慢时可不加保持器。保持器的两个工作状态：

★采样状态

★保持状态

（3）常用的采样保持器

常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。

由图可知，AD582是反馈型采样／保持器，保持电容接在运放的输出端（脚8）与输入端（脚6）之间。

这样的接法相当于在A2的输入端接有电容：

数字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05μF10k模拟地ΩΩAD582实用电路所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率：1）当精度要求不太高（±0.1%）而速度要求较高时，可选CH=100pF。2）当精度要求较高（±0.01%）时，为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000pF。密勒效应（Millereffect）是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。A/D转换器(ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。按工作原理分类计数比较型逐次逼近型双积分型V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型V/F转换型间接转换计数比较型2.4.5A/D转换器及其接口技术逐次逼近型ADC

根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量（如4位AD，权值数字量分别为1000，0100，0010，0001），进行DA转换，分别得到不同的Vo，使Vo与Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至Vo最逼近Vi为止，从而得到最终的转换结果。

转换过程类似于天平秤重的过程设有8g、4g、2g、1g四种砝码，被秤重物为13g。砝码重量比较判别保留或除去该砝码次数18g8g<13g保留28g+4g12g<13g保留38g+4g+2g14g>13g去除48g+4g+1g13g=13g保留原理框图DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路

CP脉冲比较器VoVi电路①移位寄存器:G=1置数,EDCBA=11110;有CP左移,DL=1。②寄存器F0～F4:D触发器,D为比较结果,Vi>Vo’时D=1;使用了异步清0和置1端。③此外还有：DAC电路、比较器、控制电路（G1、G2、F5）等。原理-1⑴指令000011

1

1

011G1=0→/Rd=0→Q3Q2Q1Q0=0000G移=1→移存置数,QE～A=11110→QA=0→/Sd4＝0→Q4＝1数字量B4B3B2B1=1000→经DAC得Vo’=8V,Vo’<Vi→Vo=1设Vi=13.5V量化单位△=1V原理-2⑵指令000011

1

1

011G1=1→CP5↑→Q5=1→G2开门,CP可进入移位寄存器G移=0→置数结束。→→为移位做好准备。原理-3⑶CP1100011

1

0

111左移1位→QE～A=11101，→QB=0→/Sd3＝0→Q3＝1

→CP4↑→（∵Vo=1）Q4＝1数字量B4B3B2B1=1100→经DAC得Vo’=12V,Vo’<Vi→Vo=1原理-4⑷CP2110011

0

1

110再左移1位→QE～A=11011，→QC=0→/Sd2＝0→Q2＝1

→CP3↑→（∵Vo=1）Q3＝1数字量B4B3B2B1=1110→经DAC得Vo’=14V,Vo’>Vi→Vo=0原理-5⑷CP3101010

1

1

111再左移1位→QE～A=10111，→QD=0→/Sd1＝0→Q1＝1

→CP2↑→（∵Vo=0）Q2＝0数字量B4B3B2B1=1101→经DAC得Vo’=13V,Vo’<Vi→Vo=1原理-6⑷CP4101101

1

1

111再左移1位→QE～A=01111，→QE=0/Rd5＝0→Q5＝0→G2封锁,CP不能进入移位寄存。/Sd0＝0→Q0＝1→CP1↑→（∵Vo=1）Q1＝1→→转换结束AD转换结果：Q4Q3Q2Q1=1101逐次逼近型ADC的特点：⑴速度较高⑵精度较高⑶转换时间固定（如4位ADC需4个CP脉冲）。⑷一般输出带有缓冲器，便于与微机接口，应用较广泛。1.8位A/D转换器ADC0809（转换时间约100μs）

8位逐次逼近型A/D转换器,内部有:(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑;(2)8位A/D转换器;(3)三态输出锁存缓冲器。

工作过程：⑴由地址（C、B、A）选择输入（IN0～IN7），ALE（正脉冲）进行地址锁存；⑵START（正脉冲）启动AD转换；转换开始EOC＝0；⑶转换结束EOC＝1，向外发出结束信号；⑷使OE＝1，读取转换结果，数据出现在数据端口。setbP2.0 ;开启STARTmovR6,#0FFHdjnzR6,$

;等待转换clrP2.0setbp2.1 ;给0808读信号OEmovxA,@DPTR;读nopclrp2.1 ;清除0808读信号OE控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器8路模拟开关地址锁存与译码－＋比较器8位DA模拟输入IN0IN73位地址CBA地址锁存允许ALEVCCGNDVR＋VR－OE输出允许8位输出EOC启动START时钟CLOCK5V～15V500KHz～1MHz转换结束ADC0809结构框图ADC0809的量化单位：基准电压VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0V，则q=20mV,若VIN=2.5V,那么转换结果为：8位A/D与CPU的接口举例三态双向数据线2.12位A/D转换器AD574A（转换时间约25μs）

AD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，自带采样保持器，它同ADC0809一样是常用的A/D转换器。转换时间为25μs，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双列直插式封装。

AD574A由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器、10V基准电压源四部分构成。

AD574A的引脚说明：[1].

Pin1(+V)——+5V逻辑电源输入端。[2].

Pin2()——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据总线是12位或8位输出。

[3].

Pin3()——片选端。[4].

Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与Pin2端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

[5].

Pin5()——读转换数据控制端。[6].

Pin6(CE)——使能端。[7].

Pin7(V+)——正电源输入端，输入+12～+15V电源。

[8].

Pin8(REFOUT)——10V基准电源电压输出端。

[9].

Pin9(AGND)——模拟地端。

[10].

Pin10(REFIN)——基准电源电压输入端。

[11].

Pin11(V-)——负电源输入端，输入-12～-15V电源。

[12].

Pin12(V+)——双极性偏置端,单极性应用时接0v，双极性应用时接10v。

[13].

Pin13(10VIN)——10V量程模拟电压输入端。

[14].

Pin14(20VIN)——20V量程模拟电压输入端。[15].

Pin15(DGND)——数字地端。[16].

Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。[17].

Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。量化单位分别为10V/212和20V/212。3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口片选信号有效后，高位地址为BASE,则12位A/D启动控制地址为BASE+0,A/D数据输出高8位口地址为BASE+2,低4位口地址为BASE+3。1）启动子程序ADSTART:MOVDX,BASE+0OUTDX,ALNOPRET2）读子程序ASREAD:MOVDX,BASE+2INAL,DXMOVAH,ALMOVDX,BASE+3INAL,DXRET2.4.6

模拟量输入通道模板举例图2-36PCL-813B数据采集卡组成框图

隔离后的A/D转换状态增益控制信号采样控制信号读低字节PCL-813B的寄存器地址(P47表2-9)2.程序设计举例PCL-813BA/D转换基于查询方式，由软件触发。A/D转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY），如果检测到该位为“1”，则A/D转换正在进行，当A/D转换完成后，该位变为“0”，此时转换数据可由程序读出。程序见p48

2.5模拟量输出接口与过程通道2.5.1模拟量输出通道的结构型式

1.一个通道设置一个数/模转换器的形式：采用数字量保持方案，数据寄存器起到保持器的作用。转换速度快，可靠，各通道相对独立。模拟量输出通道由接口电路、D/A转换器、V/I变换电路等组成。2.多个通道共用一个数/模转换器的形式：采用模拟量保持方案。常用于通道数量多，速度要求不高的场合。D/A转换器的基本原理:

将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。2.5.2D/A转换器及其接口技术电子开关：d＝1→接“-”;d=0→接“+”权电阻式D/A转换器：电路形式有多种参考电压求和电路设RF=R/2位数：8位、10位、12位、14位。TTL工艺：AD1408、DAC100等。CMOS工艺：AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520等。输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）串行（近几年开发的芯片，如MAX518等）1.8位D/A转换器接口DAC0832是含有双输入数据锁存器的D/A数模转换器，原理框图如下，即具有二级缓冲，目的是使数据得到充分缓冲，以确保转换精度。

集成D/A转换器：将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上，外接基准电压VR、求和运算放大器。①8位DA转换器②COMS工艺③倒T型电阻网络④内部有2个数据寄存器⑤直通、单缓冲、双缓冲三种工作方式D0～D7：输入8位数字量，D7最高位（MSB），D0最低位（LSB）Io1、Io2：模拟电流输出端，Io1+Io2=常数＝VR/R输入全1时，Io1最大，Io2最小；反之则反。Io1相当倒T形DA转换中的I∑。RFB：运放用反馈电阻引出端。RF＝R，使得引脚说明:VR：基准电压，VR＝－10V～＋10VVCC：电源电压＋5V～＋15VDGND：数字信号接地端。AGND：模拟信号接地端。：片选信号，低有效。：输入锁存使能，高电平有效。：写信号1，低电平有效。：数据锁存。寄存器输出不随输入变化。：数据直通。寄存器输出随输入变化。：写信号2，低有效。：DAC转换控制端，低有效。：数据锁存。寄存器输出不随输入变化。：数据直通。转换数据随输入变化。典型应用VREF为-5V，电压输出为0~＋5V;VREF为-10V，电压输出为0~＋10V;VREF为＋5V，电压输出为0~－5V;VREF为＋10V，电压输出为0~－10V;

把输出电流转换为电压直通工作方式：数据不作任何锁存；常用三种工作方式若CS的地址为BASE:DAOUT:MOVDX,BASEMOVAL,7FHOUTDX,ALRET单缓冲方式：数据被一个寄存器锁存；双缓冲方式：两个寄存器都对数据进行锁存。调零和调满度①调零：输入D0～D7为全零，调RE使Vo＝0②调满度：输入D0～D7为全1，调RF使Vo＝最大③重复①②步骤，直到都满足为止。步骤：调零调满度2.12位D/A转换器接口-DAC1210双缓冲方式若CS的地址为BASE:DAOUT:MOVDX,BASE+1MOVAL,dataHOUTDX,ALMOVDX,BASE+0MOVAL,dataLOUTDX,ALRET2.5.3

单极性与双极性电压输出电路单极性输出电路双极性输出电路设n=8时2.5.4V/I变换1.集成V/I转换器ZF2B20输入电压：0～10V，输出电流：4～20mA，电源电压：10～32V。

ZF2B20中包括一个高精度运算放大器、精密电阻和一个高稳定度的基准电压源。其内部基准可输出一个2.5V的基准电压（第4引脚）。目的是为扩大偏置和输出能力。当REFIN和REFOUT联结时，对应0V输入电压可以相应输出4mA电流。图2-12（a）所示电路是一种带初值校准的0～10V到4～20mA的转换电路；图2-12（b）则是一种带满度校准的0～10V到0～10mA的转换电路。2.集成V/I转换器AD694输入电压：0-10V或0-2V，输出电流：4-20mA或0-20mA。AD694的基本应用：4引脚悬空，输入量程约为0-10V；4引脚接地，输入量程约为0-2V；9引脚接地，表示输出4-20mA；接电源，表示输出0-20mA；7引脚接8，参考电压为2V，开路参考电压为10V；DAC1210与AD694接口，输入0～2V,输出４～20mA4引脚悬空2.5.5

模拟量输出通道模板举例图2-47PCL-726板卡组成框图1.寄存器地址分配见表2-122.D/A转换程序流程D/A转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=1～6）（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）（3）置D/A高4位数据(D3～DO有效)（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）（5）置D/A低8位数据并启动转换。3.程序设计举例PCL-726的D/A输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段如下：

outportb(0x220,0x07)//D/A通道l输出50%

outportb(0x221,0xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：

MOVAL，07H；D/A通道l输出50%

MOVDX，0220H

OUTDX，AL

MOVDX，0221H

MOVAL，0FFH

OUTDX,AL2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术

基于RS-485的主从分布式测控系统结构图

RS-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的抗干扰性好、传输距离远、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。在各种工业仪器、仪表大量使用的今天，RS-485总线得到了广泛的应用。常用的串行总线有RS-232总线、RS-485总线、USB总线、现场总线等。2.6.1

智能远程I/O模块具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以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。可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统。采用RS-485中继器，可以将多达256个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到10km。典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、艾雷斯科技的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿-7000系列。

智能远程I/O模块是传感器和执行机构与计算机之间的多功能远程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计：基于研华智能远程I/O模块系统配置带LED显示的16路隔离数字量输入模块

5端口10/100Mbps工业以太网集线器16路通用数字量I/O模块,I/O通道

以太网通讯控制器

、数据输入模块基于PC的数据采集及控制的控制器1.ADAM-4000系列模块

ADAM4000系列模块的功能特点：

(1)远端可编程输入范围

(2)内置看门狗

(3)网络配置灵活

(4)可选的独立控制策略

(5)模块化的工业设计

(6)满足工业环境的需要研华RS485总线ADAM-4000系列远程数据采集模块

隔离RS-232到RS-422/485的转换器

(1)模块之间的数据通信采RS-485串行通信协议,具有较高的传输速率(1.2～38.4kbit/s)和较长的传输距离(可达1.2km),并具有较好的抗干扰能力。(2)可采用一对双绞线进行多点通信,不仅降低网络布线开支,并且使系统配置灵活,构成简单。(3)模块使用简便、灵活,使用ASCII字符串可设定其工作模式,可以用支持ASCII字符串功能的高级语言(如C、BASIC)编写模块应用程序。(4)ADAM4000系列模块的安装灵活,适合于工业现场壁挂、上导轨等。(5)所有ADAM模块允许宽供电电源范围:+10～+30VDC;模块的输入输出全部为隔离保护方式,内部具有看门狗电路,提高了系统的可靠性。(6)ADAM4000系列模块还为用户提供软件包,大大缩短应用系统的开发周期。2.ADAM-5000系列ADAM-5000对诸如基于RS-485和CAN的流行现场总线构架，提供3种不同的数据采集及控制系统，使现场I/O设备容易地构成PC应用网络。具有以下功能特点：(1)系统设计灵活(2)系统维护及故障处理(3)易于安装及组网(4)数据采集及控制(5)三端隔离（I/O模块、电源、通信）(6)看门狗定时器(7)内置诊断器(8)远程配置(9)能独立于PC主机进行ON/OFF控制3.ADAM-6000系列模块ADAM-6000系列产品是基于以太网的数据采集和控制模块，它们集数据采集和网络传输能力于一身。使用这些模块可以轻而易举的建立低成本、适应于各个行业的基于以太网的数据采集和控制系统。通过标准的以太网，ADAM-6000模块可以实时的将来自传感器的数据发送到局域网/以太网结点上。以太网类产品因为其远距离的数据传输能力，高速的数据通信能力正在成为工业应用的主导。

（1）模拟量输入/输出模块（2）数字量输入/输出模块（3）继电器输出模块（4）ADAM以太网模块的应用软件（1）模拟量输入/输出模块

模拟量输入模块通过为A/D提供的光电隔离和3000V变压器隔离防止对地环路/浪涌电压对设备造成损坏。ADAM-6015是16位，6通道热电阻输入模块，各通道输入范围可调。可以连接Pt100,Pt1000，Balco500或者Ni50，Ni508热电阻。以工程单位形式向主机发送数据。ADAM-6017是16位8通道差分模拟量输入模块，通道输入范围均可程控。ADAM-6018是16位8通道热电偶输入模块，所有通道的输入范围均可程控。ADAM-6024是3个模拟量输入/1个模拟量输出。（2）数字量输入/输出模块

ADAM-6050具有12个数字量输入，6个输出通道，并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。ADAM-6051提供12路数字量输入，2路数字量输出和2个计数器（10MHz时基）并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。（3）继电器输出模块

ADAM-6060提供6路继电器输出，6路模拟量输入，并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。除了以太网口，内置网页，ADAM-6050还提供了6路继电器输出和6路模拟量输入。（3）ADAM以太网模块的应用软件ADAM-6000系列模块使用集成的专用应用软件工具进行系统配置，应用软件名称为：ADAM-5000TCP/6000UtilityProgram，该工具同时支持ADAM-5000/TCP和ADAM-6000模块，提供了图形化的界面来方便用户的配置工作，同时也可以方便的用来监控远端的DA&C系统。4.ADAM-8000系列模块2.6.2

智能调节器智能调节器一般具有RS-485数字通信接口，除了在控制系统中作为常规的单机控制器使用外，在现代工业控制中还可以作组态使用，常常与上位机一起构成计算机监督控制系统。常用的智能调节器国外的品牌有：SHIMADEN（日本岛电）、YAKOGAWA（日本横河）、HONEWELL（美国霍尼韦尔）、OMRON（日本欧姆龙）以及RKC（日本理化）等；国内的品牌有：厦门宇电自动化科技有限公司（厦门宇光）的AI系列。

1.硬件构成:

智能调节器也被称为单回路数字调节器(SingleStrategyController，简称SSC)。

SSC的硬件主要由MPU单元、过程I/O单元、PIA(外设接口)单元、面板单元、编程单元、通信单元和硬手操单元等组成。

MPU单元是调节器的核心，它包括微处理器(如单片机)、系统存储器(PROM/EPROM、EAPROM、RAM)、时钟、Watchdog和接口电路等。

PROM/EPROM中固化有调节器的监控程序和功能程序。监控程序负责面板(键盘、显示器等)管理和巡回采样控制等。功能程序即各种运算、控制、通信子程序(模块)的集合。EAPROM（电可改写只读存储器

）用来存放系统组态程序。系统组态程序是根据系统控制流程，抽取所需的运算、控制模块(固化在PROM/EPROM中)进行软连接而形成的。系统组态用编程单元完成，组态结果即系统组态程序写入EAPROM。

PIA（PeripheralInterfaceAdapter）单元是过程I/O单元、键盘及显示单元与MPU连接的桥梁电路，实现电气隔离与数据缓冲、锁存等功能。

SSC能通过编程组态的方法，方便地组建和修改控制系统。故又称为可编程调节器。键盘、显示器也是数字调节器的重要组成部分，它是一种简单的人机接口，通过键盘修改调节器参数和工作状态，显示器可让操作人员了解系统的工作状态。通信单元(通信接口)使SSC能与集中监视操作站、上位机通信，组成多级微机控制系统，实现各种高级控制和管理。2.软件构成数字调节器的软件包括以下几部分：(1)监控管理程序即系统软件，由它实现对输入/输出通道、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。对于固定程序的调节器，监控管理程序较简单，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，如对各个调节回路的PID参数TI、TD、P及采样周期Ts等进行整定、设定、修改传感器或变送器量程、上下限报警值及进行调节器手动／自动工作方式的切换等。对于可编程序调节器，还需提供一套可由用户进行系统组态的软件，包括编程语言的编辑及编译软件，这种程序编制较复杂，但提供给用户的编程语言却十分简单，只要是有控制系统常识的人员都很容易掌握。这种调节器一般功能都十分丰富，具有很好的通用性和灵活性，让用户有很大的选择余地。(2)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。在可编程调节器中，这些应用程序以模块形式给出，用户可用数字调节器的编程语言将这些模块进行组态，构成用户所需系统。另外，SSC还有断电保护和自诊断功能，提高了系统的可靠性。2.6.3

可编程序控制器(PLC)1.PLC的硬件结构可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。

2.PLC的软件结构可编程控制器的软件可分为系统软件、编程软件和应用软件三部分。（1）系统软件（2）编程软件（3）应用软件2.6.4

运动控制器1.运动控制器分类(1)基于计算机标准总线的运动控制器此种运动控制器多采用DSP或微机芯片作为CPU，具有开放体系结构，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC或IPC机，即“PC+运动控制器”的模式。将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和PLC功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在DOS或WINDOWS等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统，如美国DeltaTau公司的PMAC多轴运动控制器和固高公司的GT/GH系列运动控制器等。伺服电机PMAC卡驱动器ABC接口板ABC编码器.机械I/O软件接口图2-51开放式结构的运动控制系统示意图(2)Soft型（软件型）开放式运动控制器这种运动控制器提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、CDROM和相应的驱动程序一样，用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。基于Soft型开放式运动控制器开发的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PA（PowerAutomation）公司的PA8000NT。美国SoftSERVO公司的基于网络的运动控制器和固高科技公司的GO系列运动控制器产品等。Soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展。/ProductFile/Html/CN/2009/1/15/a3addf5e-48af-41d3-a05f-2c347d2dd639.html(3)嵌入式结构的运动控制器这种运动控制器是把计算机（嵌入式处理器）嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。相比标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过Internet进行远程诊断。例如美国ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GUC嵌入式运动控制平台系列产品等。/news/html/180118690.html?oid=0&tid=0&trid=3212运动控制器的选择

选择控制器时可以从两方面入手：

一方面是控制系统的要求：例如构建数控系统，首先确定要数控系统的总运动轴数，联动轴数，插补方式，加工过程是否有传感器信号检测，是否需要实时跟踪同步调整轴等；然后确定I/O量控制点数及其实时性要求；接着是用户界面，操作系统选择和成本等问题。

另一方面是控制器性能的匹配和验证。了解和验证控制器的一个有效手段是参照该控制器的成功案例来分析；其次是通过供应商提供的配套软件验证和学习其控制器的性能。值得注意的是个别控制器在某些性能上可能名不符实。

目前，在国内经济型控制器应用还是较为普遍；PMAC和MCT8000等PC型控制器应用最为广泛；软件型运动控制器将是基于PC的数控系统的发展趋势之一；计算机操作系统在数控系统中的实时性局限也有望在不久的将来得到更圆满的解决。2.变频器变频器的主要任务就是把恒压恒频（constantvoltageconstantfrequency，CVCF）的交流电转换为变压变频（variablevoltagevariablefrequency，VVVF）的交流电，以满足交流电机变频调速的需要。从结构上分，变频器可以分为交-交变频器（亦称直接变频器）和交-直-交变频器（亦称间接变频器）。变频器的使用日益普及，功能也越来越强，现在很多变频器具有PID调节功能，与温度、压力、流量等传感器配合使用，可以构成一个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，用户可以利用通信接口在远处，如中央控制台对变频器进行集中控制，适应了自动化的要求。也可以使多台变频器组网应用，与计算机连接构成分布式控制系统。使用场地相对分散，远距离集中控制成为变频器管理的趋势。在变频器中使用的串行通信接口通常为标准485接口，这种接口具有控制距离远、抗干扰能力强等优点。2.7

硬件抗干扰技术2.7.1

过程通道抗干扰技术2.7.2CPU抗干扰技术2.7.3

系统供电与接地技术

干扰：就是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。干扰信号主要通过三个途径进入仪表内部:即电磁感应,传输通道和电源线。一般情况下,经电磁感应进入仪表的干扰在强度上远远小于从传输通道和电源线进入的干扰,对于电磁感应干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以,抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。

外部干扰：主要是空间电、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。

分布电容：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容。

分布电感：在电路中，由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感。2.7.1

过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法

(1)串模干扰

(2)串模干扰的抑制方法2.共模干扰及其抑制方法

(1)共模干扰

(2)共模干扰的抑制方法①变压器