《机电一体化系统设计》课件 第13次课工业控制计算机及接口技术

1第5章工业控制计算机及接口技术5.1工业控制计算机5.2计算机控制接口技术5.3可编程控制器2温故知新1.步进电动机、直流伺服、交流伺服电动机的应用场合3．交流伺服电动机的调速方法。2.伺服电动机工作的基本原理

1）改变电压幅值2）改变磁极对数调速３）改变频率调速4.交流伺服电动机的步进电动机有何不同？控制精度不同低频特性不同矩频特性不同过载能力不同运行性能不同速度响应性能不同效率指标不同导学：【学习内容】1．工业控制计算机的组成；2．工业控制计算机的分类和特点；3．不同的计算机接口的结构和应用。【教学重点】不同工业控制计算机的特点，典型的I/O接口的引脚。【教学难点】

信息采集接口、模拟量输入/输出接口、开关型功率接口、开关型功率接口等计算机接口技术的结构和应用。5.1工业控制计算机

典型机电一体化控制系统结构如图5-1所示，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、存储器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。

图5-1典型计算机控制系统的组成框图1.计算机控制系统的组成

各硬件组成部分的功能：（1）计算机主机：包括中央处理器、时钟电路、内存储器，是组成计算机控制系统的核心部件。功能：实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）操作台：人—机对话的联系纽带。（3）通用外围设备：显示器、打印机等，为扩大计算机主机的功能而配置的。

（4）I/O接口与I/O通道：是计算机主机与外部连接的桥梁。

I/O接口：并行接口和串行接口。

I/O通道：也称过程通道，是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。包括模拟量I/O通道和数字量I/O通道。模拟量I/O通道的作用（1）将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；（2）将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如0~10mADC）。

系统软件：由计算机的制造厂商提供，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，不需用户自行设计编程。

应用软件：用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。5.1.3典型机电一体化控制系统举例

1、图5-7为工业炉计算机控制系统组成简图，所用的燃料为燃油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图5-7工业炉的计算机控制

2、微机控制的直流伺服电机调速系统图5-8是微机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器、速度调节器和电流调节器均由计算机实现。图5-8计算机控制的双闭环系统

3、计算机数字程序控制系统图5-9所示为一开环控制的简单机床数字程序控制系统的构成框图。该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机用来完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。图5-9简单机床数字程序控制系统的构成框图

4、工业机器人图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。图5-10智能机器人的一般结构计算机控制系统的特点具有完善的输入/输出通道具有实施控制功能可靠性高具有丰富、完善、能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统工业领域中，由于现场存在干扰，环境恶劣，普通计算机在工业现场不能正常运行，需使用适应工业现场的工业控制计算机（简称工控机）。它是处理来自传感器的输入信息，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程、同时对生产过程进行监督、管理的计算机系统。并具有较好的抗干扰性和可靠性。3.工业控制计算机的分类及应用计算机控制系统的特点1）工业控制计算机的基本要求工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了要满足以下基本要求：实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性设备本身需无故障连续运行能力，实现对生产过程的正确控制工作现场环境恶劣，要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了要满足以下基本要求：实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性采用模块发设计方法，硬件具有可扩展性，因为现场条件的千差万别与现场相连外围设备的接口种类、数量差别大1）工业控制计算机的基本要求工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了要满足以下基本要求：实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性系统使用板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受应影响软件和硬件功能强，系统出现故障时，能快速准确定位，并保证发生故障时故障不会扩散1）工业控制计算机的基本要求2）工业控制计算机的常用类型单片机可编程控制器总线式工业控制机分布式计算机控制系统5.2.2常用工业控制计算机常用工控机有单片机、可编程控制器、总线型工业控制计算机。

1、单片机（SingleChipMicrocomputer）定义：将计算机的CPU（中央处理器）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、定时/计数器和多种I/O接口(输入/输出接口)集成在一片芯片上而形成的计算机。

单片机的特点：体积小，功能强，功耗低，应用灵活，价格低。

嵌入式系统：从使用的角度讲，计算机应用可分为两类：一类是应用广泛的独立使用的计算机系统，如PC机、工作站等；另一类是嵌入式计算机系统。所谓嵌入式系统，就是以嵌入式应用为目的计算机系统，单片机应用系统是典型的嵌入式系统。嵌入式计算机系统是作为其它系统的组成部分使用的。

2、可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController）

PLC的特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（3）编程方法简单，易学易用

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

（4）系统的设计、构建工作量小，维护方便，改造容易

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及构建的周期大为缩短，同时维护也变得容易。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（4）体积小、重量轻、易于嵌入设备内部。

3、总线工控机总线结构型工业控制计算机，根据功能要求把控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块，从内中先入手吧各功能模块设计制造成“标准”的印制电路板插件（亦称模块），像搭积木一样将硬件插件及模块插入一块公共的称为“地板”的电路板插槽上组成一个模块网络系统，每块插件之间的信息都通过底板进行交换，从而达到控制系统的整体功能，这就是所谓的模块化设计。（1）提高设计效率，缩短设计和制造周期。在系统的整体设计时，将复杂的电路分布在若干功能模块上，可同时并行地进行设计，大量的功能模板可以直接购的，从而大大的缩短了系统的设计、制造周期。（2）提高了系统的可靠性。由于各通用模块均由专业制造厂以OEM产品形式专业化大批量生产制造，用户可以根据自己的具体需要，购买这批OEM产品，如中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、A/D、D/A等模块及专用I/O接口办卡等，来构成自己的计算机系统。由于模块的质量稳定，性能可靠，因此也就保证了控制计算机系统的可靠性。（3）便于调试和维修由于模板是按照系统的功能进行分解的，维修和调试时，只要根据功能故障性质进行诊断，更换损坏的模块，就可以方便的排出故障，进行调试。（4）能适应技术发展的需要迅速改进系统的性能，有时在新的系统运行后需要根据实际情况改进系统的性能；有时随着技术发展，产品性能需要进一步提高；或者产品随着市场需要而改型，要求系统作相应改进；随着电子技术的发展，大存储量芯片的出现，新型专用大规模集成电路的推广应用等，都需要对照系统的某一部分或模块进行更新。在上述情况下总线结构的控制计算机只需要改进模块和软件，不需要对整个系统进行重新设计就能满足对系统提出的新的要求。工控机的主要组成形式IPC工控机结构特点：

ISA与PCI总线工控机的结构类似，外部是工控机机箱，通常都是防震防尘设计，采用无源底板，主板和其它的I/O板都插在无源底板的ISA或PCI插槽上。这一点与普通PC的不同，PC通常的底板就是主板，工控机这样的设计是防止主板故障的时候，方便更换主板。CPU通常采用通用的PC所用的CPU，但通常都经过重新筛选。IPC的I/O卡目前种类非常繁多，除了各类模拟量、开关量的输入输出卡外，还有大量的温度、高速脉冲、运动控制等各类专用的I/O卡。另外，还有用于与其它工业总线通讯的各类通讯接口卡和多串口卡等等。

IPC的显示器和其它外部设备通常采用普通的PC所用的外部设备，在现场，有时会用到工业级触摸屏和防尘键盘。普通PC机单片机可编程控制器工业PC机控制系统的设计一般不用作工业控制自行设计标准化接口配置相关接口模板标准化接口配置相关接口模板系统功能数据、图像、文字处理简单的逻辑控制和模拟量控制逻辑控制为主，也可配置模拟量模板逻辑控制和模拟量控制功能硬件设计无需设计（标准化整机，可扩展）复杂简单简单程序语言多种语言汇编语言梯形图多种语言软件开发复杂复杂简单较复杂运行速度快较慢慢很快带负载能力差差强强抗干扰能力差差强强成本较高很低较高很高适用场合实验室环境的信号采集及控制家用电器、智能仪器、单片机简单控制逻辑控制为主的工业现场控制较大规模的工业现场控制3）工业控制计算机的常用类型比较5.2计算机接口技术 5.2.1概述

在机电一体化系统中，由于机械系统与计算机控制系统在性质上有很大的差别，二者之间的联系必须通过计算机控制接口进行调整、匹配、缓冲，因此计算机控制接口有着更重要的作用。I/O接口电路简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路的主要作用如下：33

（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。 （2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。 （3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。34

一.模拟量输入接口 模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是共用运算放大器和A/D转换器的结构形式，其组成方框图如图5-32所示。图5-32模拟量输入通道的组成方框图35

模拟量输入通道一般由信号处理装置、多路转换器、采样保持和A/D转换器等组成。 模拟量输入通道有以下两种基本结构形式。 （1）一个通道设置一个A/D转换器的形式。

(2）多个通道共用一个A/D转换器的形式。36 1.A/D转换器的主要技术参数

A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数来分类，包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D转换器的主要技术参数如下：

1）.分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝1/256的增量作出反应。分辨率是指能使转换后数字量变化为1的最小模拟输入量。37 2）.量程 量程是指所能转换的电压范围,如5V、10V等。

3）.转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度和相对精度两种表示法。绝对精度常用数字量的位数表示，如绝对精度为±1/2LSB。相对精度用相对于满量程的百分比表示。如满量程为10V的8位A/D转换器，其绝对精度为1/2×10/28＝±19.5mV，而8位A/D的相对精度为1/28×100％≈0.39％。精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度并不是很高。

4）.转换时间 转换时间是指从启动A/D到转换结束所需的时间。

5）.工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为-40~85℃，较差的为0~70℃。38 2.8位A/D转换器ADC0809 1）.电路组成及转换原理

ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路转换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。 ADC0809无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。39图5-50ADC0808/0809的原理框图40 2）.ADC0808/0809的外引脚功能ADC0808/0809的管脚排列如图5-51所示，其主要管脚的功能如下：

IN0～IN7——8个模拟量输入端。

START——启动A/D转换器，当START为高电平时，开始A/D转换。

EOC——转换结束信号。当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束。此信号可作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号。

图5-51ADC0808/0809管脚排列图41 OE——输出允许信号。如果此信号被选中，则允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。

CLOCK——时钟信号。

ALE——地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器。

ADDA、ADDB、ADDC——通道号地址选择端，C为最高位，A为最低位。当C、B、A为全零（000）时，选中IN0通道接入；为001时，选中IN1通道接入；为111时，选中IN7通道接入。

图5-51ADC0808/0809管脚排列图42 D7～D0——数字量输出端。

UREF（+）、ＵREF（-）——参考电压输入端，分别接+、-极性的参考电压，用来提供A/D转换器权电阻的标准电平。在模拟量为单极性输入时,UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V;当模拟量为双极性输入时，UREF（+）=+5V，ＵREF（-）=-5V。图5-51ADC0808/0809管脚排列图43 4.A/D转换器与系统的连接及举例

1）.输入模拟电压的连接

A/D转换器的输入模拟电压可以是单端输入也可以是双端输入。ADC0808/0809可以从IN0～IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时UREF（+）＝5V、UREF（-）＝0V，也可以接成双极性输入，这时UREF

（+）和UREF（-）应分别接+、-极性的参考电压。AD574是单端输入模拟电压，在10VIN和20VIN

中任一端和AGND之间，可输入单极性电压或双极性电压，输入模拟电压的极性不同,其输入电路也不同。 44 2）.数据输出和系统总线的连接

A/D转换器的数据输出有两种方式。一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出线可以直接挂到系统数据总线上去。另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门，如AD570就是这种芯片。45 3）.转换结束信号及转换数据的读取

A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号也有两种：电平信号和脉冲信号。CPU检测到转换结束信号后,即可读取转换后的数据。CPU一般可以采用以下3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取： （1）程序查询方式。 （2）中断方式。 （3）固定的延迟程序方式。46图5-56ADC0808/0809与8086CPU的连接原理图47图5-57AD574与8031的接口电路48

二模拟量输出接口

1.D/A转换器的工作原理

D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。

D/A转换通道的结构形式（1）一个通道设置一个D/A转换器的形式。

(2）多个通道共用一个D/A转换器的形式。通过多路模拟开关选择通路。49 2.D／A转换器的主要参数 （1）分辨率。D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化了1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机的数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器,其分辨率为 （5-7） 分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应。所以，N位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。50

（2）稳定时间。稳定时间是指D/A转换器中代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定（一般指稳定到与±1/2最低位的值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。 （3）输出电平。不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为5～10V。也有一些高压输出型，输出电平为24～30V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。 （4）输入编码。一般二进制编码比较通用，也有BCD等其他专用编码形式芯片。其他类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。

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（5）温度范围。较好的D/A转换器的工作温度范围为-40～85℃，较差的为0～70℃。可按计算机控制系统使用环境查器件手册选择合适的器件类型。

3.8位D/A转换器DAC0832 DAC0832是双列直插式8位D/A转换器,能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。图5-41和图5-42分别为DAC0832的内部结构图和引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位（满度量程的1/256），转换时间为1μs，基准电压为+10～-10V，供电电源为+5～+15V，功耗为20mW，与TTL电平兼容。52图5-41DAC0832内部结构图53

从图5-41中可见，在DAC0832中有两级锁存器；第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出。54 5-42中各引脚的功能定义如下：

CS——片选信号，它和允许输入锁存信号ILE合起来决定WR1是否起作用。

ILE——允许锁存信号。

WR1——写信号1，它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS、ILE同时有效。图5-42DAC0832引脚图55 WR2——写信号2，它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号XFER必须有效。

XFER——传送控制信号，用来控制WR2。DI7～DI0——8位数据输入端，DI7为最高位。IOUT1——模拟电流输出端，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2——模拟电流输出端，IOUT2为一个常数与IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常数。

图5-42DAC0832引脚图56 Rfb——反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

UREF——参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接负电压，范围为+10～-10V。外部标准电压通过UREF与T形电阻网络相连。图5-42DAC0832引脚图57 UCC——芯片供电电压，范围为+5~+15V，最佳工作状态是+15V。

AGND——模拟量地，即模拟电路接地端。

DGND——数字量地。

DAC0832有以下三种不同的工作方式： （1）直通方式。当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器上被转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合，就要用到这种方式，即把要产生基本波形的存在ROM中的数据，连续取出送到DAC去转换成电压信号。58

（2）单缓冲方式。只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将WR2和XFER都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1

接CPU系统总线的IO/W，这样便可以通过一条OUT指令选中该端口，使CS和WR1有效，启动D/A转换。59

（3）双缓冲方式。主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换： 其一，需在程序的控制下，先把转换的数据传入输入寄存器，然后在某个时刻再启动D/A转换。这样可以做到数据转换与数据输入同时进行，因此转换速度较高。为此，可将ILE接高电平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分别接两个不同的I/O地址译码信号。执行OUT指令时，WR1和WR2均变为低电平。这样，可先执行一条OUT指令，选中CS端口，把数据写入输入寄存器；再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换。60

图5-43是DAC0832工作于双缓冲方式下，与有8位数据总线的微机相连的逻辑图。其中，CS的口地址为320H，XFER的口地址为321H。当CPU执行第一条OUT指令时，选中CS端口，选通输入寄存器，将累加器中的数据传入输入寄存器。再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器的内容写入DAC寄存器，并启动转换。执行第二条OUT