計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述-1-1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)定義-1-1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成-1-二、模擬量輸入通道-2-2.1模擬量輸入通道作用-2-2.2模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成-2-2.3各部分組成的作用-3-2.3.1信號變換器-3-2.3.2前置濾波器-3-2.3.3多路模擬開關(guān)-3-2.3.4前置放大器-4-2.3.5采樣保持器-5-2.3.6AD轉(zhuǎn)換電路-6-三、模擬量輸出通道-7-3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)-7-3.2D/A轉(zhuǎn)換器-7-3.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)-7-3.2.2 DAC0832的工作原理-8-四、實(shí)際仿真電路-9-，、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)

2、控制系統(tǒng)定義計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（ComputerControlSystem，簡稱CCS是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計(jì)算機(jī)通常指數(shù)字計(jì)算機(jī)，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進(jìn)行聯(lián)系。被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機(jī)械裝置、交通工具、機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器和兒童玩具等?？刂颇康目梢允鞘贡豢貙?/p>

3、象的狀態(tài)或運(yùn)動過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。與一般控制系統(tǒng)相同，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，這時(shí)計(jì)算機(jī)要不斷采集被控對象的各種狀態(tài)信息，按照一定的控制策略處理后，輸出控制信息直接影響被控對象。它也可以是開環(huán)的，這有兩種方式：一種是計(jì)算機(jī)只按時(shí)間順序或某種給定的規(guī)則影響被控對象；另一種是計(jì)算機(jī)將來自被控對象的信息處理后，只向操作人員提供操作指導(dǎo)信息，然后由人工去影響被控對象。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部分，這不同于模擬控制器構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、

4、語言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計(jì)算機(jī)制造廠為用戶配套，有一定的通用性。應(yīng)用軟件是為實(shí)現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報(bào)警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特征和控制策略等，由實(shí)施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)高級復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計(jì)算機(jī)技-i-術(shù)的發(fā)展已使整個人類社會發(fā)生了可觀的變化，自然也應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中。而且，計(jì)算機(jī)所具有的信息處理能力，能夠進(jìn)一步把過程控制和生產(chǎn)管理有機(jī)的結(jié)合起來（如CIMS，從而實(shí)現(xiàn)工廠、企業(yè)的全面自動化管

5、理二、模擬量輸入通道2.1模擬量輸入通道作用模擬量輸入通道的任務(wù)：實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換組成核心：A/D轉(zhuǎn)換器2.2模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成圖2-1模抱量輸入通道組成與結(jié)構(gòu)框圖4模擬量輸入通道一般由I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯等組成。過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電流（或電壓）形式后，再送至多路開關(guān)；在微機(jī)的控制下，由多路開關(guān)將各個過程參數(shù)依次地切換到后級，進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測模擬量輸入通道的任務(wù)是把從系統(tǒng)中檢測到的模擬信號，變成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)接口送往計(jì)算機(jī)。傳感器：它是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受

6、到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的輸出。是將生產(chǎn)過程工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，大多數(shù)傳感器的輸出是直流電壓（或電流）信號。為了避免低電平模擬信號傳輸帶來的麻煩，經(jīng)常要將測量元件的輸出信號經(jīng)變送器變送，如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的電信號變成010mA。然后經(jīng)過模擬量輸入通道來處理。2.3各部分組成的作用231信號變換器把各種非電模擬信號變換為A/D轉(zhuǎn)換器能夠接受的電信號，如電流信號、電壓信號等，還可以根據(jù)需要對這些輸出信號值的變化范圍進(jìn)行規(guī)范化，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。例如，電流信號幅度的標(biāo)準(zhǔn)變化范圍可以是010mA420mA等；電壓信號幅度的標(biāo)準(zhǔn)

7、變化范圍可以是040mA05V-55V、-1010V等。2.3.2前置濾波器考慮到通道輸入信號本身可能含有噪聲，或者在傳輸過程中受到了干擾的影響，可在模擬量輸入通道采樣及A/D轉(zhuǎn)換前加前置硬件濾波電路，以濾除輸入模擬信號中可能混有的高頻干擾。由圖2-1可以看出，信號變換器及前置濾波器兩個環(huán)節(jié)，可以根據(jù)每一路模擬信號的實(shí)際情況靈活設(shè)置。2.3.3多路模擬開關(guān)構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較之于模擬控制系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往是十幾路或幾十路模擬信號共用一只A/D轉(zhuǎn)換器，可以降低通道及系統(tǒng)的成本，提高A/D轉(zhuǎn)換器的利用率，這種情況下，必須利用多路模擬開關(guān)輪流切換各路被測控的模

8、擬信號。本設(shè)計(jì)采用的多路模擬開關(guān)CD4051是一種集成電路芯片，其結(jié)構(gòu)及邏輯框圖如圖2-2所示圖2-2峯路偉擬幵共CD45O1的結(jié)構(gòu)及邏輯惟圖"CD4051是具有16個引腳的集成電路芯片，如圖2-2所示，S7S0是8路模擬信號的輸入引腳，Sm是1路模擬信號的輸出引腳，/EN是芯片選擇信號輸入引腳，只有向其輸入低電平時(shí)，整個芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信號，用以選擇8路模擬信號中的1路，芯片有2個電源引腳VDD和VEE分別接+15V和-15V電源，還有一個接地引腳GND需要特別注意的是，CD4051是允許雙向使用的，即既可用于選擇8路模擬信號中的1路輸入，也可以為1路模擬信號，

9、從8個輸出通路中選擇1路輸出，一次，它也可以應(yīng)用在模擬量輸出通道中。2.3.4前置放大器用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的放大器，與一般測量系統(tǒng)中的放大器相比，在高增益、高穩(wěn)定性極強(qiáng)共模抑制比等方面的性能要求，沒有什么差別，所不同是的是，由于一般情況下，前置放大器可能會多路輸入共用，所以希望放大器的增益，可由計(jì)算機(jī)通過編程設(shè)置或改變，以適應(yīng)各路信號變化范圍的要求，如圖2-3所示.圖2-3可變増益放大器的示意圏-圖2導(dǎo)中，ArA2構(gòu)成雙端輸入、輸出的差動放大器，Ag用作減法器，該放大器的閉環(huán)增益可以表示為下列形式；“k=1235采樣保持器模擬量輸入通道的核心功能，就是對輸入的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在輸入模擬

10、量值確定的情況下，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量也是確定的，但當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器接收的模擬量隨時(shí)間變化，稱為模擬輸入信號，且變化很快時(shí)，則在A/D轉(zhuǎn)換的過程中，被轉(zhuǎn)換的信號量值就是不確定的，這種不確定性，會引起一定的孔徑誤差，為了減小孔徑誤差的影響，可在A/D轉(zhuǎn)換之前，利用采樣保持電路構(gòu)成采樣保持器對輸入模擬信號進(jìn)行采樣、保持操作。采樣保持器通常由保持電容、采樣開關(guān)及輸入、輸出緩沖放大器組成，保持電容上Ch上的電壓，即為采樣保持器的輸出電壓，輸入、輸出緩沖放大器的共同特點(diǎn)是，輸入電阻很大而輸出電阻很小。例如，LF398是常用的單片采樣保持器集成電路芯片，其原理如圖2-4所示。邏輯輸入J（8）與邏輯參考（

11、？），是采樣開關(guān)驅(qū)動放大器的兩個差動輸入端。當(dāng)與和均為“0聊態(tài)時(shí).采樣開關(guān)斷開LF398處于保持狀態(tài)，當(dāng).從“（T變?yōu)镾那時(shí)，采樣開關(guān)閉合，LF39S轉(zhuǎn)入采樣操作。亠圖14LF398單片采樣保持器示蕙圖補(bǔ)(a)(b>圖2-5采樣保持器的等奴電路詔236AD轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)采用8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMO組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。1N1IK2M3QJ4IH5IN(5IN7CALE圖2.6AD0809原理圖由上圖可知，ADC080抽一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D

12、轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。三、模擬量輸出通道3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)PC總H用3T(a)細(xì)牆構(gòu)PC線3.2D/A轉(zhuǎn)換器321D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)DAC0832是一種8位的D/A轉(zhuǎn)換器芯片，有兩路差動電流信號輸出，其數(shù)字量輸入端具有雙重緩沖功能，可由用戶按雙緩沖、單緩沖及直通方式進(jìn)行線路連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸入控制，特別是用于要求幾個模擬量同時(shí)輸出的場合，與微處理器的接口非常方便。DAC0832勺規(guī)

13、格與參數(shù)如下： 分辨率為8位； 轉(zhuǎn)換時(shí)間約1us； 輸入電平符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)； 功耗為20mW/圖8.2.1是集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC083Z及DAC083C和DAC0831的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖8.2.2是其引腳圖。其內(nèi)部包括一個8位輸入寄存器、一個8位DAC寄存器、一個8位D/A變換器和有關(guān)控制邏輯電路組成。其中的8位D/A變換器是如圖8.1.1所示的R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)式的。這種D/A變換器在改變基準(zhǔn)電壓VREFI勺極性后輸出極性也改變。所有輸入均與TTL電平兼容。3.2.2DAC0832的工作原理-13-(MSB):Dh1DhDisDhI兒DhDIDin(LSB)&位輸入寄存器8也

14、DAC寄存器1)AC轉(zhuǎn)換器lorn(HT2!rvwriXFER-HfY_WK，""pt-/1)QTlfjI>Q1AGNI)LE2當(dāng)1：二I時(shí),輸出數(shù)據(jù)隨輸入變化.當(dāng)遠(yuǎn)=0時(shí),輸出數(shù)據(jù)被鎖/人I-VttFFjIM；N1)I-V(c四、實(shí)際仿真電路根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電路圖（proteus仿真）如下:U3pTH臨2p2.315邊117JGhCADDAIM3ADDSIN1ADDCIM2ALEIN3IF442-H45BINS2-2INS24INTTART2-6EOC2-7OUTPUTENABLE2-8LSBCLOCKGNDVOCVREFC+-VR£F(-16樓按雖輸入74HCi：i51C曲幼S）+泄設(shè)葩+汕退們g74HOKB1U4一二561314*15V1212411p卸n黃道023通道4W1P5通iUMirtr通道価GND鬣甩陜?nèi)隣P070U邑黑器011