计算机控制系统设计

/书目一、计算机限制系统概述 -1-1.1计算机限制系统定义 -1-1.2计算机限制系统组成 -1-二、模拟量输入通道 -2-2.1模拟量输入通道作用 -2-2.2

模拟量输入通道的结构组成 -2-2.3各部分组成的作用 -3-信号变换器 -3-前置滤波器 -3-多路模拟开关 -3-前置放大器 -4-采样保持器 -5-2.3.6AD转换电路 -6-三、模拟量输出通道 -7-3.1模拟量输出通道结构 -7-3.2D/A转换器 -7-3.2.1D/A转换器DAC0832的结构特点 -7-3.2.2DAC0832的工作原理 -8-四、实际仿真电路 -9-

一、计算机限制系统概述1.1计算机限制系统定义计算机限制系统(ComputerControlSystem，简称CCS)是应用计算机参和限制并借助一些帮助部件和被控对象相联系，以获得确定限制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。帮助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。和被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、试验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。限制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。和一般限制系统相同，计算机限制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，依据确定的限制策略处理后，输出限制信息干脆影响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只按时间依次或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员供应操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。1.2计算机限制系统组成计算机限制系统由限制部分和被控对象组成，其限制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟限制器构成的系统只由硬件组成。计算机限制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有确定的通用性。应用软件是为实现特定限制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、限制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和限制策略等，由实施限制系统的专业人员自行编制。计算机限制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑推断功能等特点，因此可以实现高级困难的限制方法，获得快速精密的限制效果。计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变更，自然也应用到工业生产和企业管理中。而且，计算机所具有的信息处理实力，能够进一步把过程限制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。二、模拟量输入通道2.1模拟量输入通道作用模拟量输入通道的任务：实现模拟量到数字量的转换组成核心：A/D转换器2.2

模拟量输入通道的结构组成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、接口及限制逻辑等组成。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的限制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器：它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按确定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出。是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压(或电流)信号。为了避开低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0～10mA。然后经过模拟量输入通道来处理。2.3各部分组成的作用2.3.1信号变换器把各种非电模拟信号变换为A/D转换器能够接受的电信号，如电流信号、电压信号等，还可以依据须要对这些输出信号值的变更范围进行规范化，以便A/D转换器处理。例如，电流信号幅度的标准变更范围可以是0~10mA、4~20mA等；电压信号幅度的标准变更范围可以是0~40mA、0~5V、-5~5V、-10~10V等。前置滤波器考虑到通道输入信号本身可能含有噪声，或者在传输过程中受到了干扰的影响，可在模拟量输入通道采样及A/D转换前加前置硬件滤波电路，以滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰。由图2-1可以看出，信号变换器及前置滤波器两个环节，可以依据每一路模拟信号的实际状况灵敏设置。2.3.3多路模拟开关构成多回路限制系统，是计算机限制系统较之于模拟限制系统的独特优点。在计算机限制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率，这种状况下，必需利用多路模拟开关轮番切换各路被测控的模拟信号。本设计接受的多路模拟开关CD4051，是一种集成电路芯片，其结构及逻辑框图如图2-2所示。CD4051是具有16个引脚的集成电路芯片，如图2-2所示，S7~S0是8路模拟信号的输入引脚，Sm是1路模拟信号的输出引脚，/EN是芯片选择信号输入引脚，只有向其输入低电平常，整个芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信号，用以选择8路模拟信号中的1路，芯片有2个电源引脚VDD和VEE，分别接+15V和-15V电源，还有一个接地引脚GND。须要特殊留意的是，CD4051是允许双向运用的，即既可用于选择8路模拟信号中的1路输入，也可以为1路模拟信号，从8个输出通路中选择1路输出，一次，它也可以应用在模拟量输出通道中。2.3.4前置放大器用于计算机限制系统中的放大器，和一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别，所不同是的是，由于一般状况下，前置放大器可能会多路输入共用，所以希望放大器的增益，可由计算机通过编程设置或变更，以适应各路信号变更范围的要求，如图2-3所示.2.3.5采样保持器模拟量输入通道的核心功能，就是对输入的模拟量进行A/D转换。在输入模拟量值确定的状况下，A/D转换器输出的数字量也是确定的，但当A/D转换器接收的模拟量随时间变更，称为模拟输入信号，且变更很快时，则在A/D转换的过程中，被转换的信号量值就是不确定的，这种不确定性，会引起确定的孔径误差，为了减小孔径误差的影响，可在A/D转换之前，利用采样保持电路构成采样保持器对输入模拟信号进行采样、保持操作。采样保持器通常由保持电容、采样开关及输入、输出缓冲放大器组成，保持电容上Ch上的电压，即为采样保持器的输出电压，输入、输出缓冲放大器的共同特点是，输入电阻很大而输出电阻很小。例如，LF398是常用的单片采样保持器集成电路芯片，其原理如图2-4所示。2.3.6AD转换电路本设计接受8位AD转换器ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的限制逻辑的CMOS组件。它是逐次靠近式A/D转换器，可以和单片机干脆接口。图2.6AD0809原理图由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存和译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平常，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。三、模拟量输出通道3.1模拟量输出通道结构3.2D/A转换器3.2.1D/A转换器DAC0832的结构特点DAC0832是一种8位的D/A转换器芯片，有两路差动电流信号输出，其数字量输入端具有双重缓冲功能，可由用户按双缓冲、单缓冲及直通方式进行线路连接，实现数字量的输入限制，特殊是用于要求几个模拟量同时输出的场合，和微处理器的接口特殊便利。DAC0832的规格和参数如下：①辨别率为8位；②转换时间约1us；③输入电平符合TTL电平标准；④功耗为20mW。图8.2.1是集成D/A转换芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）的内部结构图。图8.2.2是其引脚图。其内部包括一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位D/A变换器和有关限制逻辑电路组成。其中的8位D/A变换器是如图8.1.1所示的R-2RT形电阻网络式的。这种D/A变换器在变更基准电压VREF的极性后输出极性也变更。全部输入均和TTL电平兼容。3.2.2DAC0832的工作原理

四、实际