計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第7章課件

1、1第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章主要內(nèi)容1控制用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求2控制用計(jì)算機(jī)的選擇3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程通道蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院4總線(xiàn)技術(shù)2蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)、外部設(shè)備以及系統(tǒng)總線(xiàn)的選擇，輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)以及各種檢測(cè)變送單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操作臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選擇等。 采用通用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)技術(shù)不僅可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)充、更新及重新組合系統(tǒng)，還使得各廠(chǎng)商生產(chǎn)的接口板具有兼容性，可以互換通用，使用非常方便。3 71控制用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1 .對(duì)計(jì)算機(jī)主機(jī)的要求1)實(shí)時(shí)處理能力2)比較完善的中斷系統(tǒng)3)對(duì)指令系統(tǒng)的要求4)

2、對(duì)內(nèi)存的要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須有一套性能良好的硬件支持，才能有效地運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件是各式各樣的，結(jié)合硬件的基本組成，可以從以下幾方面提出對(duì)控制用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件要求。4蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2.對(duì)過(guò)程輸入輸出通道的要求有足夠的輸入通道數(shù)。根據(jù)實(shí)際被測(cè)參數(shù)數(shù)量 而定，并具有一定的擴(kuò)充能力。(2) 有足夠的精度和分辨率。主要根據(jù)傳感器等級(jí)及系統(tǒng)精度要求確定。(3) 有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度應(yīng)依輸入信號(hào)的變化速率及系統(tǒng)頻帶要求確定。轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度及分辨率通常是矛盾的，應(yīng)視具體情況折中處理。 對(duì)模擬量輸出通道的要求基本上與模擬量輸入通道的要求類(lèi)似。5蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3.對(duì)軟件系

3、統(tǒng)的要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。系統(tǒng)軟件是由計(jì)算機(jī)廠(chǎng)家提供的，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，有一定通用性。應(yīng)用軟件是用戶(hù)為進(jìn)行控制而編制的用戶(hù)程序及其服務(wù)程序。其要求是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性好，具有在線(xiàn)修改的能力以及輸入輸出功能強(qiáng)等。6蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院4.方便的人機(jī)聯(lián)系計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)聯(lián)系通過(guò)操作人員使用的操作臺(tái)（或操作面板）來(lái)實(shí)現(xiàn)?；疽鬄椋?1) 有顯示屏，可以及時(shí)顯示操作人員所需的信息及生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)狀態(tài)；(2) 有各種功能鍵，如報(bào)警、制表、打印、自動(dòng)/手動(dòng)切換等；(3) 功能鍵應(yīng)有明顯標(biāo)志，并且應(yīng)具有即使操作錯(cuò)誤也不致造成嚴(yán)重后果的特性；(4) 有輸入數(shù)據(jù)功能鍵

4、，必要時(shí)可以改變控制系統(tǒng)的參數(shù)；(5) 人機(jī)聯(lián)系用的操作臺(tái)應(yīng)使用方便，符合操作人員的操作習(xí)慣。7蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院5.系統(tǒng)的可靠性及可維護(hù)性提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件可靠性：1）除了采用可靠性高的元部件及先進(jìn)的工藝及設(shè)計(jì)。2）采用相同或相似部件。軟件方面要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自診斷、自檢測(cè)以及容錯(cuò)等功能。此外，系統(tǒng)應(yīng)允許操作人員在一定范圍內(nèi)的誤操作。軟件的這種特性將會(huì)改變和提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)用性。提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的使用效率，可從系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性?xún)煞矫嬷帧?可維護(hù)性是指維護(hù)工作方便的程度。提高可維護(hù)性的措施是采用插件式硬件，采用自檢測(cè)、自診斷程序，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并判斷故障部位進(jìn)

5、行維修。 控制用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件除了應(yīng)滿(mǎn)足上述一些要求外，還應(yīng)注意其成本。在能滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求的條件下，不應(yīng)隨意增加系統(tǒng)的功能以降低系統(tǒng)的成本。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院9 72控制用計(jì)算機(jī)的選擇蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1 .計(jì)算機(jī)速度的選擇在確定計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度時(shí)，應(yīng)考慮到下述幾個(gè)方面的要求和限制條件：(1) 控制系統(tǒng)所需的計(jì)算工作量（包括完成控制算法及系統(tǒng)各種管理程序的計(jì)算）；(2) 系統(tǒng)采用的采樣周期。(3) 計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和時(shí)鐘頻率。(4) 硬件的支持。10蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2.計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的確定1）量化誤差的影響2）計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)應(yīng)與A/D的字長(zhǎng)相協(xié)調(diào)3）考慮信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍4）與采樣周期

6、的關(guān)系111 .數(shù)字量輸入通道 73 數(shù)字量輸入輸出通道 數(shù)字量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)（或數(shù)字信號(hào)）傳送給計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)DI通道。 圖71 數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu) 數(shù)字量輸入通道由信號(hào)調(diào)理電路和輸入接口電路構(gòu)成。 DI接口電路蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院121) 數(shù)字量輸入調(diào)理電路 為了將外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)，這些功能稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理。常采用的方法為：用齊納二極管或壓敏電阻將瞬時(shí)尖峰電壓鉗位在安全電平上；串聯(lián)一個(gè)二極管來(lái)防止反電壓輸入；用限流電阻齊納二極管構(gòu)成穩(wěn)壓電路作過(guò)壓保護(hù)；用光電隔離器實(shí)現(xiàn)信

7、號(hào)完全隔離；用RC濾波器抑制干擾。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院13 小功率輸入調(diào)理電路 圖72 小功率輸入調(diào)理電路 （a） 采用RC濾波電路 （b）采用RS觸發(fā)器 從開(kāi)關(guān)、繼電器等接點(diǎn)輸入信號(hào)。將接點(diǎn)的接通和斷開(kāi)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連。為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院14 大功率輸入調(diào)理電路 圖 7-3 大功率輸入調(diào)理電路 在大功率系統(tǒng)中，需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號(hào)。 為了使接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓。因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快，電路又簡(jiǎn)單，因而被廣泛采用。但是這種電路所帶電

8、壓高，容易帶有干擾，通常采用光電耦合器進(jìn)行隔離。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院152）數(shù)字量輸入接口 數(shù)字量輸入接口包括信號(hào)緩沖電路和接口地址譯碼。當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令I(lǐng)N時(shí)，接口地址譯碼電路產(chǎn)生片選信號(hào)，將經(jīng)過(guò)輸入調(diào)理電路送來(lái)的過(guò)程狀態(tài)（開(kāi)關(guān)信號(hào)），通過(guò)輸入緩沖器送到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，再送到CPU中。 MOV DX, DI_PORT ；接口地址DI_PORTDX設(shè)采用PC總線(xiàn)，接口程序?yàn)椋篒N AL, DX ；過(guò)程狀態(tài)AL寄存器蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院162 . 數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)（或開(kāi)關(guān)信號(hào)）傳送給開(kāi)關(guān)器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡(jiǎn)稱(chēng)DO

9、通道。 圖 7-4 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) 數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院171）數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)電路 輸出驅(qū)動(dòng)電路的功能有兩個(gè)，一是進(jìn)行信號(hào)隔離，二是驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。 低電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出 圖75 低電壓開(kāi)關(guān)輸出 圖76 三極管輸出驅(qū)動(dòng) 對(duì)于低電壓情況下開(kāi)關(guān)量控制輸出，可采用三極管、OC門(mén)或運(yùn)放等方式輸出。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院18 繼電器輸出接口 圖77 繼電器輸出驅(qū)動(dòng) 一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可完成從低電壓直流到高電壓交流的過(guò)渡。 晶閘管輸出接口技術(shù) 晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件。在計(jì)算

10、機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件。特點(diǎn)：用較小功率控制大功率、開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)等。應(yīng)用：交直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院192）數(shù)字量輸出接口 數(shù)字量輸出(DO)接口包括輸出鎖存器和接口地址譯碼。當(dāng)CPU執(zhí)行輸出指令OUT時(shí)，接口地址譯碼電路產(chǎn)生寫(xiě)數(shù)據(jù)信號(hào)，將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)送到鎖存器的輸出端，再經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路送到開(kāi)關(guān)器件。 MOV AL，DATA ；DO數(shù)據(jù)AL寄存器設(shè)采用PC總線(xiàn)，接口程序?yàn)椋篗OV DX，DO_PORT ；接口地址DO_PORTDXOUT DX，AL ；DO數(shù)據(jù)鎖存器的輸出端蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院20 72 模擬量輸入通道 1. 模擬量輸

11、入通道的一般組成 圖78 模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道一般由信號(hào)預(yù)處理、多路轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣保持器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成。其核心是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院212. 模擬量輸入通道中常用器件和電路 信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)預(yù)處理的功能是對(duì)來(lái)自傳感器或變送器的信號(hào)進(jìn)行處理。如將4mA20mA或010mA電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將熱電阻(Pt100或Cu50)的電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)橋路變?yōu)殡妷盒盘?hào)等。 無(wú)源I/V變換 圖79 無(wú)源I/V 變換電路 無(wú)源I/V變換可以利用一個(gè)的精密電阻，將010mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為05V的電壓信號(hào)。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院22 有源I/V變

12、換 圖 7-10 有源I/V變換電路 有源I/V變換是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻組成。 利用010mA電流在電阻R上產(chǎn)生的輸入電壓，若取 ，則 時(shí)，產(chǎn)生2V的輸入電壓。該電路的放大倍數(shù)為 若取 ， ，則010mA輸入對(duì)應(yīng)于05V的電壓輸出。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院23 多路轉(zhuǎn)換器 多路轉(zhuǎn)換器又稱(chēng)多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)的作用是用來(lái)將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地切換到公共放大器或A/D轉(zhuǎn)換上。 C B A X接通 0 0 0 0 X0 0 0 0 1 X1 0 1 1 1 X7 1 全不通 圖7-11 CD4051原理圖 表7-1 CD4051通道選擇表 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院24 前置放大器 前置放

13、大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，就有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?？稍O(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃鳎?圖712 可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院25采樣保持器 采樣時(shí)，k 閉合，VIN通過(guò)A1對(duì)CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，k斷開(kāi)，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT =VC保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，保證A/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。 圖7-14 集成采樣保持器LF398的原理圖 圖7-13 采樣保持

14、器的組成蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院26 AD轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它是模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的接口。 分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù)n（字長(zhǎng)）來(lái)表示，若n8，滿(mǎn)量程輸入為5.12V，則LSB對(duì)應(yīng)于模擬電壓 。AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間：從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號(hào)到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有效的時(shí)間間隔，即完成 n 位轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院27線(xiàn)性誤差：在滿(mǎn)量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線(xiàn)性誤差。線(xiàn)性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB、1/4LSB等。 轉(zhuǎn)換精度：指滿(mǎn)量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實(shí)際值與理想值之間的差值；

15、轉(zhuǎn)換精度用LSB的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示。 轉(zhuǎn)換量程：所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如05V，010V，5V十5V等。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院288位AD轉(zhuǎn)換器 ADC0809 圖715 ADC0809的原理框圖及引腳 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2912位AD轉(zhuǎn)換器 AD574A 圖7-16 AD574A的原理框圖及引腳 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院30 AD轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口 8位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口圖7-17 ADC0809與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A為輸入口，端口C上半部分為輸入而下半部分為輸出口。ADC0809的ALE與START引腳相連接，將P

16、C0PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；EOC信號(hào)還連接到8255A的C口，CPU通過(guò)查詢(xún)PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過(guò)程。 ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，開(kāi)放數(shù)據(jù)輸出緩沖器；蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院31根據(jù)圖717接口方法，采用查詢(xún)方式完成8路模擬量數(shù)據(jù)采集的程序框圖(假設(shè)在主程序中已完成對(duì)8255A的初始化編程)。 圖7-18 用ADC0809實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集程序流程圖蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3212位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 AD574片內(nèi)有時(shí)鐘，無(wú)需外加時(shí)鐘信號(hào);。12 控制引腳和VLOGIC相連,接+5v;CE、 和

17、的控制通過(guò)PC2PC0輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)。圖7-19 AD574A與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 設(shè)8255A的A組和B組都工作于方式0，端口A、B和端口C上半部分規(guī)定為輸入，端口C的下半部分規(guī)定為輸出。A0接地，使工作于12位轉(zhuǎn)換和讀出方式;該電路采用雙極性輸入方式，可對(duì)5v或10v模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院33通過(guò)圖719硬件接口，在查詢(xún)方式下，啟動(dòng)和讀取數(shù)據(jù)的程序框圖。假定已完成對(duì)8255A的初始化編程。 圖7-20 啟動(dòng)和讀取AD574A數(shù)據(jù)程序流程圖 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院34CPU和A/D轉(zhuǎn)換電路之間的I/O控制方式8位A/D轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口CPU與A/D

18、轉(zhuǎn)換器之間的信息通信可以根據(jù)不同的情況，采用不同的I/O控制方式。 查詢(xún)方式查詢(xún)方式的傳送是由CPU執(zhí)行I/O指令啟動(dòng)并完成的，每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)查詢(xún)符合條件后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的I/O 中斷方式若要求一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成就及時(shí)輸入數(shù)據(jù)，或CPU同時(shí)要處理很多工作的情況下，應(yīng)采用中斷方式。 DMA方式在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速A/D轉(zhuǎn)換電路，而且傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時(shí)迅速，為此可以考慮選用DMA方式。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院353. 模擬量輸入通道設(shè)計(jì) 如果模擬輸入電壓已滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換量程要求，就不必再 用前置放大器，前置放大器可分為固定增益和可變?cè)鲆鎯煞N，

19、前者適用于信號(hào)范圍固定的傳感器，后者適用于信號(hào)范圍不固定的傳感器 ；如果在A/D轉(zhuǎn)換期間，模擬輸入電壓信號(hào)變化微小，且在A/D轉(zhuǎn)換精度之內(nèi)，也就不必選用采樣保持器。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測(cè)量精度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對(duì)象。采樣保持器(S/H)的選用取決于測(cè)量信號(hào)的變化頻率，原則上直流信號(hào)或變化緩慢的信號(hào)可以不用采樣保持器。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院36確定A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的方法有以下兩種： 輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)輸入信號(hào)的最大值和最小值分別為 式中n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)， 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量，則動(dòng)態(tài)范圍為 因此，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院37 輸入信

20、號(hào)的分辨率 有時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求以分辨率形式給出，其定義為 如果所要求的分辨率為D0，則位數(shù)例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0至200，要求分辨率為0.005（相當(dāng)于1），可求出A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 因此，取A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n為8位。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院38 圖721 8通道12位A/D轉(zhuǎn)換模板 以PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)的模擬量輸入通道模板設(shè)計(jì)為例。單極性010V12位分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間程序查詢(xún)工作方式蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院39該模板采集一組數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：（1）通道選擇將模擬量輸入的通道號(hào)寫(xiě)入8255A的端口C低4位，使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制，A/D未轉(zhuǎn)換期間， L

21、F398處于采樣狀態(tài)。（2）啟動(dòng)AD574A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)8255A的端口C的PC4PC6輸出控制信號(hào)啟動(dòng)A/D。在A/D轉(zhuǎn)換期間， ，LF398處于保持狀態(tài)。（3）查詢(xún)AD574A是否轉(zhuǎn)換結(jié)束讀8255A的端口A，了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖健＃?）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果若查詢(xún)到STS由1變?yōu)?，則讀8255A的端口A和B，便可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院403 模擬量輸出通道 1 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 圖7-23 共用DA轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 圖722 一個(gè)通路一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 只適用于通路數(shù)量少且速度要求不高的場(chǎng)合，可靠性較差。 轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院41

22、2 模擬量輸出通道中常用器件和電路 D/A轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它是模擬量輸出通道的核心部件，是計(jì)算機(jī)和模擬系統(tǒng)之間的接口。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率： D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為基準(zhǔn)電壓 與 之比值，其中n為D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。穩(wěn)定時(shí)間：輸入二進(jìn)制數(shù)變化量是滿(mǎn)刻度時(shí),輸出達(dá)到離終值 時(shí)所需的時(shí)間。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院42轉(zhuǎn)換精度：精度反應(yīng)實(shí)際輸出與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號(hào)接近程度。其中，精度又分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。 線(xiàn)性度：在滿(mǎn)刻度范圍內(nèi)，實(shí)際特性與理想特性的最大偏移，用LSB的分?jǐn)?shù)來(lái)表示，如土1/2 LSB、土1/4 LSB等。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院43

23、輸出電平：不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大。一般為510V,高壓輸出型的輸出電平可達(dá)2430V。還有一些電流輸出型的，低的有20mA，高的可達(dá)3A。輸入代碼形式：D/A轉(zhuǎn)換器單極性輸出時(shí)，有二進(jìn)制碼、BCD。當(dāng)雙極性輸出時(shí)，有原碼、補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼等。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院44 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832圖7-24 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院45 圖7-25 DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1210蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院46 D/A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口 8位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 圖7-26 DAC0832與PC總線(xiàn)工業(yè)控制

24、機(jī)接口 DAC0832工作在單緩沖寄存器方式；DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流輸出，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器A，將形成單極性電壓輸出05V； 若要形成負(fù)電壓輸出，則需接正的基準(zhǔn)電壓。 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流通過(guò)內(nèi)部反饋電阻流到放大器的輸出端。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院47圖7-27 用DAC0832實(shí)現(xiàn)8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖 配合圖726硬件接口，8位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖如圖。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院4812位D/A轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 圖 7-28 DAC1210轉(zhuǎn)換器與PC總線(xiàn)工業(yè)控制機(jī)接口 端口地址譯碼器譯 、 、 三個(gè)口地址，這三個(gè)口地址用來(lái)控制DAC1210工作方式和進(jìn)行1

25、2位轉(zhuǎn)換。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院49以圖728接口為例，其轉(zhuǎn)換接口程序框圖如圖 圖729 12位D/A轉(zhuǎn)換程序框圖 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院50 雙極性模擬量輸出的實(shí)現(xiàn)方法 為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到 為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量， 為基準(zhǔn)參考電壓，且為位DA轉(zhuǎn)換器，則有 這種雙極性輸出方式，是把最高位當(dāng)作符號(hào)位使用，與單極性輸出比較，使分辨率降低1位。 圖730 D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院51 VI轉(zhuǎn)換和自動(dòng)手動(dòng)切換 電壓電流轉(zhuǎn)換 010V/0l0mA轉(zhuǎn)換 圖731 010V/0l0mA的轉(zhuǎn)換電路 如圖，當(dāng)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，輸出電流 與輸入電壓 的關(guān)系只與反饋電阻

26、 有關(guān)，因而具有恒流性能。反饋電阻的值由組件的量程決定。當(dāng) 時(shí)，輸出電流 在DC 0l 0mA范圍內(nèi)線(xiàn)性的與DC 0l0V輸入電壓 對(duì)應(yīng)。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院5205V/020mA轉(zhuǎn)換 輸出電流 若令 , ,則有略去反饋回路的電流，則有圖732 05V/020mA的轉(zhuǎn)換電路蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院53 自動(dòng)手動(dòng)切換 圖733 帶自動(dòng)手動(dòng)切換的VI變換電路 功能1 把05V的輸入信號(hào)變?yōu)?10mA的直流輸出電流。 功能2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制方式（A）和隨時(shí)可切換的手動(dòng)操作方式（H）之間的無(wú)擾切換。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院543 模擬量輸出通道設(shè)計(jì) D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇 DA轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸

27、出精度；DA轉(zhuǎn)換器輸出一般通過(guò)功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為 ，靈敏度為 ，可得DA轉(zhuǎn)換器的位數(shù)蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院55 DA轉(zhuǎn)換模扳的設(shè)計(jì) 圖734 8通道模擬量輸出通道電路圖該電路采用DAC0832作8位D/A轉(zhuǎn)換器，通過(guò)一個(gè)多路開(kāi)關(guān)D4051，可由程序控制，將轉(zhuǎn)換結(jié)果從8通道中的某一通道中送出，送出的結(jié)果以電流形式輸出。 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院56工作過(guò)程： 由工業(yè)控制機(jī)PC總線(xiàn)送出的數(shù)據(jù)，通過(guò)OUT指令，由DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后再用OUT指令，通過(guò)D0、D1、D2位打開(kāi)多路開(kāi)關(guān)的某一通道而送出，其輸出端所接的保持器是為了保持D/A輸出穩(wěn)定，起到電壓保持作用，

28、由V/I轉(zhuǎn)換器輸出420mA的電流信號(hào)。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院571 .總線(xiàn)的定義及分類(lèi) 74總線(xiàn)技術(shù)總線(xiàn)是一組信號(hào)線(xiàn)的集合，是一種描述電子信號(hào)傳輸線(xiàn)路的結(jié)構(gòu)形式。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院總線(xiàn)分類(lèi)的方式很多，如分為外部總線(xiàn)和內(nèi)部總線(xiàn)，系統(tǒng)總線(xiàn)和非系統(tǒng)總線(xiàn)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常用的接口總線(xiàn)有并行和串行總線(xiàn)兩種。582 .常用總線(xiàn)介紹 STD總線(xiàn)是國(guó)際上流行的一種用于工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)總線(xiàn)，它具有以下特點(diǎn)： 小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化 嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性 面向I/O的開(kāi)放式設(shè)計(jì)，適合工業(yè)控制應(yīng)用 高可靠性蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1）STD總線(xiàn)59 1984年IBM公司推出了16位微機(jī)的PC/AT總線(xiàn)。后來(lái)

29、為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便將8位和8/16位兼容的AT總線(xiàn)命名為ISA總線(xiàn)（Industry Standard Architecture)。 ISA總線(xiàn)是8/16位兼容的總線(xiàn)，當(dāng)8位時(shí)，只用其前62個(gè)引腳，此時(shí)，它是8位數(shù)據(jù)線(xiàn)、20位地址線(xiàn)；當(dāng)16位時(shí)用到全部98個(gè)引腳，此時(shí)它是16位數(shù)據(jù)線(xiàn)、24位地址線(xiàn)，可尋址16MB的內(nèi)存空間。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2）IBM PC/AT總線(xiàn)60ISA總線(xiàn)有12個(gè)中斷輸入端，可同時(shí)接多達(dá)12個(gè)中斷源，另外7個(gè)DMA通道。 1992年P(guān)CI SIG(peripheral component interconnect special Internet group)推出P

30、CI總線(xiàn)。它可以與ISA、EISA及MCA總線(xiàn)相兼容，并支持Pentium的64位系統(tǒng)。目前市面上的微機(jī)多采用PCI總線(xiàn)，工控機(jī)多采用ISA總線(xiàn)。61RS-232C是目前使用得最早、最廣泛的串行通信總線(xiàn)。蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院圖7-35 計(jì)算機(jī)與終端的遠(yuǎn)程連接采用RS-232C總線(xiàn)來(lái)連接系統(tǒng)時(shí)，有近程通信與遠(yuǎn)程通信之分，連接圖如圖7-35所示。3）RS-232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)62完整的RS-232C串行接口標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)由25根信號(hào)線(xiàn)組成，采用25芯的插頭座，包括兩條信道：主信道和輔助信道。表7-2 RS-232C主要線(xiàn)路功能表針號(hào)縮寫(xiě)符功能信號(hào)方向DTEDCEDTEDCE1屏蔽（保護(hù)）地2TXD發(fā)送數(shù)據(jù)3RXD接收數(shù)據(jù)4RTS請(qǐng)求發(fā)送5CTS清除發(fā)送6DSR數(shù)據(jù)設(shè)置就緒7信號(hào)地20STR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好63RS-232C接口的主要連線(xiàn)如圖7-36所示。目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)主機(jī)和CRT終端上都有可接DCE的RS-232C接口，而且可利用這個(gè)接口，在近距離內(nèi)直接連接計(jì)算機(jī)和終端，此時(shí)的連線(xiàn)可如圖7-37所示。圖7-36 RS-232C接口的主要連線(xiàn)圖7-37 計(jì)算機(jī)與終端間RS-232C對(duì)接64蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院使用差動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)的RS-422協(xié)議，使傳輸性能大幅度提高，能夠在較長(zhǎng)距離內(nèi)明顯地提高數(shù)據(jù)速率。RS-485的電氣標(biāo)準(zhǔn)為RS-422標(biāo)準(zhǔn)，是RS-422A性能的擴(kuò)展。由于傳輸線(xiàn)