計算機控制系統第7章課件

1、1第7章計算機控制系統的硬件設計 本章主要內容1控制用計算機系統的硬件要求2控制用計算機的選擇3計算機控制系統的過程通道蘭州交通大學自動化學院4總線技術2蘭州交通大學自動化學院 計算機控制系統硬件設計主要包括主機、外部設備以及系統總線的選擇，輸入/輸出通道的設計以及各種檢測變送單元、執(zhí)行機構、操作臺和網絡設備的選擇等。 采用通用標準總線技術不僅可以簡化硬件設計，便于擴充、更新及重新組合系統，還使得各廠商生產的接口板具有兼容性，可以互換通用，使用非常方便。3 71控制用計算機系統的硬件要求蘭州交通大學自動化學院1 .對計算機主機的要求1)實時處理能力2)比較完善的中斷系統3)對指令系統的要求4)

2、對內存的要求計算機控制系統必須有一套性能良好的硬件支持，才能有效地運行。計算機控制系統的硬件是各式各樣的，結合硬件的基本組成，可以從以下幾方面提出對控制用計算機系統的硬件要求。4蘭州交通大學自動化學院2.對過程輸入輸出通道的要求有足夠的輸入通道數。根據實際被測參數數量 而定，并具有一定的擴充能力。(2) 有足夠的精度和分辨率。主要根據傳感器等級及系統精度要求確定。(3) 有足夠快的轉換速度。轉換速度應依輸入信號的變化速率及系統頻帶要求確定。轉換速度與轉換精度及分辨率通常是矛盾的，應視具體情況折中處理。 對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似。5蘭州交通大學自動化學院3.對軟件系

3、統的要求計算機控制系統的軟件可分為系統軟件和應用軟件兩大類。系統軟件是由計算機廠家提供的，對計算機進行實時控制，有一定通用性。應用軟件是用戶為進行控制而編制的用戶程序及其服務程序。其要求是實時性強，可靠性好，具有在線修改的能力以及輸入輸出功能強等。6蘭州交通大學自動化學院4.方便的人機聯系計算機控制系統的人機聯系通過操作人員使用的操作臺（或操作面板）來實現。基本要求為：(1) 有顯示屏，可以及時顯示操作人員所需的信息及生產過程參數狀態(tài)；(2) 有各種功能鍵，如報警、制表、打印、自動/手動切換等；(3) 功能鍵應有明顯標志，并且應具有即使操作錯誤也不致造成嚴重后果的特性；(4) 有輸入數據功能鍵

4、，必要時可以改變控制系統的參數；(5) 人機聯系用的操作臺應使用方便，符合操作人員的操作習慣。7蘭州交通大學自動化學院5.系統的可靠性及可維護性提高計算機系統硬件可靠性：1）除了采用可靠性高的元部件及先進的工藝及設計。2）采用相同或相似部件。軟件方面要求計算機控制系統具有較強的自診斷、自檢測以及容錯等功能。此外，系統應允許操作人員在一定范圍內的誤操作。軟件的這種特性將會改變和提高計算機控制系統的實用性。提高計算機控制系統的使用效率，可從系統可靠性與可維護性兩方面著手。 可維護性是指維護工作方便的程度。提高可維護性的措施是采用插件式硬件，采用自檢測、自診斷程序，以便及時發(fā)現故障，并判斷故障部位進

5、行維修。 控制用計算機控制系統硬件除了應滿足上述一些要求外，還應注意其成本。在能滿足系統性能要求的條件下，不應隨意增加系統的功能以降低系統的成本。蘭州交通大學自動化學院9 72控制用計算機的選擇蘭州交通大學自動化學院1 .計算機速度的選擇在確定計算機的運行速度時，應考慮到下述幾個方面的要求和限制條件：(1) 控制系統所需的計算工作量（包括完成控制算法及系統各種管理程序的計算）；(2) 系統采用的采樣周期。(3) 計算機的指令系統和時鐘頻率。(4) 硬件的支持。10蘭州交通大學自動化學院2.計算機字長的確定1）量化誤差的影響2）計算機字長應與A/D的字長相協調3）考慮信號的動態(tài)范圍4）與采樣周期

6、的關系111 .數字量輸入通道 73 數字量輸入輸出通道 數字量輸入通道的任務是把被控對象的開關狀態(tài)信號（或數字信號）傳送給計算機，簡稱DI通道。 圖71 數字量輸入通道結構 數字量輸入通道由信號調理電路和輸入接口電路構成。 DI接口電路蘭州交通大學自動化學院121) 數字量輸入調理電路 為了將外部開關量信號輸入到計算機，必須將現場輸入的狀態(tài)信號經電平轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號，這些功能稱為信號調理。常采用的方法為：用齊納二極管或壓敏電阻將瞬時尖峰電壓鉗位在安全電平上；串聯一個二極管來防止反電壓輸入；用限流電阻齊納二極管構成穩(wěn)壓電路作過壓保護；用光電隔離器實現信

7、號完全隔離；用RC濾波器抑制干擾。蘭州交通大學自動化學院13 小功率輸入調理電路 圖72 小功率輸入調理電路 （a） 采用RC濾波電路 （b）采用RS觸發(fā)器 從開關、繼電器等接點輸入信號。將接點的接通和斷開動作，轉換成TTL電平信號與計算機相連。為了清除由于接點的機械抖動而產生的振蕩信號，通常采用RC濾波電路或RS觸發(fā)電路。蘭州交通大學自動化學院14 大功率輸入調理電路 圖 7-3 大功率輸入調理電路 在大功率系統中，需要從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號。 為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V或24V以上的直流電壓。因為直流電平的響應快，電路又簡單，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行隔離。 蘭州交通大學自動化學院152）數字量輸入接口 數字量輸入接口包括信號緩沖電路和接口地址譯碼。當CPU執(zhí)行輸入指令IN時，接口地址譯碼電路產生片選信號，將經過輸入調理電路送來的過程狀態(tài)（開關信號），通過輸入緩沖器送到數據總線上，再送到CPU中。 MOV DX, DI_PORT ；接口地址DI_PORTDX設采用PC總線，接口程序為：IN AL, DX ；過程狀態(tài)AL寄存器蘭州交通大學自動化學院162 . 數字量輸出通道 數字量輸出通道的任務是把計算機輸出的數字信號（或開關信號）傳送給開關器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡稱DO

9、通道。 圖 7-4 數字量輸出通道結構 數字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅動電路等組成。 蘭州交通大學自動化學院171）數字量輸出驅動電路 輸出驅動電路的功能有兩個，一是進行信號隔離，二是驅動開關器件。 低電壓開關信號輸出 圖75 低電壓開關輸出 圖76 三極管輸出驅動 對于低電壓情況下開關量控制輸出，可采用三極管、OC門或運放等方式輸出。 蘭州交通大學自動化學院18 繼電器輸出接口 圖77 繼電器輸出驅動 一般在驅動大型設備時，往往利用繼電器作為控制系統輸出到輸出驅動級之間的第一級執(zhí)行機構，可完成從低電壓直流到高電壓交流的過渡。 晶閘管輸出接口技術 晶閘管是一種大功率半導體器件。在計算

10、機控制系統中，可作為大功率驅動器件。特點：用較小功率控制大功率、開關無觸點等。應用：交直流電動機調速系統、調功系統、隨動系統。 蘭州交通大學自動化學院192）數字量輸出接口 數字量輸出(DO)接口包括輸出鎖存器和接口地址譯碼。當CPU執(zhí)行輸出指令OUT時，接口地址譯碼電路產生寫數據信號，將計算機發(fā)出的控制信號送到鎖存器的輸出端，再經輸出驅動電路送到開關器件。 MOV AL，DATA ；DO數據AL寄存器設采用PC總線，接口程序為：MOV DX，DO_PORT ；接口地址DO_PORTDXOUT DX，AL ；DO數據鎖存器的輸出端蘭州交通大學自動化學院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構 模擬量輸入通道一般由信號預處理、多路轉換器、前置放大器、采樣保持器、模/數轉換器和接口邏輯電路等組成。其核心是模/數轉換器。 蘭州交通大學自動化學院212. 模擬量輸入通道中常用器件和電路 信號預處理 信號預處理的功能是對來自傳感器或變送器的信號進行處理。如將4mA20mA或010mA電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，將熱電?Pt100或Cu50)的電阻信號經過橋路變?yōu)殡妷盒盘柕取?無源I/V變換 圖79 無源I/V 變換電路 無源I/V變換可以利用一個的精密電阻，將010mA的電流信號轉換為05V的電壓信號。 蘭州交通大學自動化學院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算放大器和電阻組成。 利用010mA電流在電阻R上產生的輸入電壓，若取 ，則 時，產生2V的輸入電壓。該電路的放大倍數為 若取 ， ，則010mA輸入對應于05V的電壓輸出。 蘭州交通大學自動化學院23 多路轉換器 多路轉換器又稱多路開關，多路開關的作用是用來將各路被測信號依次地或隨機地切換到公共放大器或A/D轉換上。 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 蘭州交通大學自動化學院24 前置放大器 前置放

13、大器的任務是將模擬輸入小信號放大到轉換的量程范圍之內。當多路輸入的信號源電平相差較懸殊時，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號，就有可能使低電平信號測量精度降低，而高電平則有可能超出模/數轉換器的輸入范圍。可設計可變增益放大器， 圖712 可變增益前置放大器 蘭州交通大學自動化學院25采樣保持器 采樣時，k 閉合，VIN通過A1對CH快速充電，VOUT跟隨VIN；保持期間，k斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下VOUT =VC保持不變，采樣保持器一旦進入保持期，便應立即啟動A/D轉換器，保證A/D轉換期間輸入恒定。 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自動化學院26 AD轉換器 A/D轉換器的作用是將模擬量轉換為數字量，它是模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統和計算機之間的接口。 分辨率：通常用數字量的位數n（字長）來表示，若n8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對應于模擬電壓 。AD轉換器的主要技術指標轉換時間：從發(fā)出轉換命令信號到轉換結束信號有效的時間間隔，即完成 n 位轉換所需要的時間。蘭州交通大學自動化學院27線性誤差：在滿量程輸入范圍內，偏離理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分數表示，如1/2LSB、1/4LSB等。 轉換精度：指滿量程輸出情況下模擬量輸入電壓的實際值與理想值之間的差值；

15、轉換精度用LSB的分數值來表示。 轉換量程：所能轉換的模擬量輸入電壓范圍，如05V，010V，5V十5V等。蘭州交通大學自動化學院288位AD轉換器 ADC0809 圖715 ADC0809的原理框圖及引腳 蘭州交通大學自動化學院2912位AD轉換器 AD574A 圖7-16 AD574A的原理框圖及引腳 蘭州交通大學自動化學院30 AD轉換器與計算機的接口 8位A/D轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口圖7-17 ADC0809與PC總線工業(yè)控制機接口 設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A/D轉換；EOC信號還連接到8255A的C口，CPU通過查詢PC7的狀態(tài)而控制數據的輸入過程。 ADC0809的EOC同OE輸入控制端相連接，當轉換結束時，開放數據輸出緩沖器；蘭州交通大學自動化學院31根據圖717接口方法，采用查詢方式完成8路模擬量數據采集的程序框圖(假設在主程序中已完成對8255A的初始化編程)。 圖7-18 用ADC0809實現8路數據采集程序流程圖蘭州交通大學自動化學院3212位A/D轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 AD574片內有時鐘，無需外加時鐘信號;。12 控制引腳和VLOGIC相連,接+5v;CE、 和

17、的控制通過PC2PC0輸出適當的控制信號實現。圖7-19 AD574A與PC總線工業(yè)控制機接口 設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位轉換和讀出方式;該電路采用雙極性輸入方式，可對5v或10v模擬信號進行轉換;蘭州交通大學自動化學院33通過圖719硬件接口，在查詢方式下，啟動和讀取數據的程序框圖。假定已完成對8255A的初始化編程。 圖7-20 啟動和讀取AD574A數據程序流程圖 蘭州交通大學自動化學院34CPU和A/D轉換電路之間的I/O控制方式8位A/D轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口CPU與A/D

18、轉換器之間的信息通信可以根據不同的情況，采用不同的I/O控制方式。 查詢方式查詢方式的傳送是由CPU執(zhí)行I/O指令啟動并完成的，每次傳送數據之前，要先輸入A/D轉換器的狀態(tài)，經過查詢符合條件后才可以進行數據的I/O 中斷方式若要求一旦數據轉換完成就及時輸入數據，或CPU同時要處理很多工作的情況下，應采用中斷方式。 DMA方式在高速數據采集系統中，不僅要選用高速A/D轉換電路，而且傳送轉換結果也要求非常及時迅速，為此可以考慮選用DMA方式。蘭州交通大學自動化學院353. 模擬量輸入通道設計 如果模擬輸入電壓已滿足A/D轉換量程要求，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增益兩種，

19、前者適用于信號范圍固定的傳感器，后者適用于信號范圍不固定的傳感器 ；如果在A/D轉換期間，模擬輸入電壓信號變化微小，且在A/D轉換精度之內，也就不必選用采樣保持器。A/D轉換器位數的選擇主要取決于系統測量精度。A/D轉換器的轉換時間或轉換速率的選擇取決于使用對象。采樣保持器(S/H)的選用取決于測量信號的變化頻率，原則上直流信號或變化緩慢的信號可以不用采樣保持器。 蘭州交通大學自動化學院36確定A/D轉換器位數的方法有以下兩種： 輸入信號的動態(tài)范圍設輸入信號的最大值和最小值分別為 式中n為A/D轉換器的位數， 為轉換當量，則動態(tài)范圍為 因此，A/D轉換器位數為蘭州交通大學自動化學院37 輸入信

20、號的分辨率 有時對A/D轉換器的位數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，則位數例如，某溫度控制系統的溫度范圍為0至200，要求分辨率為0.005（相當于1），可求出A/D轉換器的位數 因此，取A/D轉換器的位數n為8位。蘭州交通大學自動化學院38 圖721 8通道12位A/D轉換模板 以PC總線工業(yè)控制機的模擬量輸入通道模板設計為例。單極性010V12位分辨率轉換時間程序查詢工作方式蘭州交通大學自動化學院39該模板采集一組數據的過程如下：（1）通道選擇將模擬量輸入的通道號寫入8255A的端口C低4位，使LF398的工作狀態(tài)受AD574A的STS控制，A/D未轉換期間， L

21、F398處于采樣狀態(tài)。（2）啟動AD574A進行A/D轉換通過8255A的端口C的PC4PC6輸出控制信號啟動A/D。在A/D轉換期間， ，LF398處于保持狀態(tài)。（3）查詢AD574A是否轉換結束讀8255A的端口A，了解STS是否已由高電平變?yōu)榈碗娖健＃?）讀取轉換結果若查詢到STS由1變?yōu)?，則讀8255A的端口A和B，便可得到轉換結果。蘭州交通大學自動化學院403 模擬量輸出通道 1 模擬量輸出通道的結構形式 圖7-23 共用DA轉換器的結構 圖722 一個通路一個DA轉換器的結構 只適用于通路數量少且速度要求不高的場合，可靠性較差。 轉換速度快、工作可靠。 蘭州交通大學自動化學院41

22、2 模擬量輸出通道中常用器件和電路 D/A轉換器 D/A轉換器的作用是將數字量轉換為模擬量，它是模擬量輸出通道的核心部件，是計算機和模擬系統之間的接口。D/A轉換器的主要技術指標分辨率： D/A轉換器的分辨率定義為基準電壓 與 之比值，其中n為D/A轉換器的位數。穩(wěn)定時間：輸入二進制數變化量是滿刻度時,輸出達到離終值 時所需的時間。蘭州交通大學自動化學院42轉換精度：精度反應實際輸出與理想數學模型輸出信號接近程度。其中，精度又分為絕對精度和相對精度。 線性度：在滿刻度范圍內，實際特性與理想特性的最大偏移，用LSB的分數來表示，如土1/2 LSB、土1/4 LSB等。 蘭州交通大學自動化學院43

23、輸出電平：不同型號的D/A轉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2430V。還有一些電流輸出型的，低的有20mA，高的可達3A。輸入代碼形式：D/A轉換器單極性輸出時，有二進制碼、BCD。當雙極性輸出時，有原碼、補碼、偏移二進制碼等。蘭州交通大學自動化學院44 8位D/A轉換器DAC0832圖7-24 DAC0832的內部結構圖 蘭州交通大學自動化學院45 圖7-25 DAC1210內部結構圖 12位D/A轉換器DAC1210蘭州交通大學自動化學院46 D/A轉換器與計算機的接口 8位D/A轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 圖7-26 DAC0832與PC總線工業(yè)控制

24、機接口 DAC0832工作在單緩沖寄存器方式；DAC0832將輸入的數字量轉換成差動的電流輸出，經過運算放大器A，將形成單極性電壓輸出05V； 若要形成負電壓輸出，則需接正的基準電壓。 將數字量轉換后得到的輸出電流通過內部反饋電阻流到放大器的輸出端。蘭州交通大學自動化學院47圖7-27 用DAC0832實現8位D/A轉換程序框圖 配合圖726硬件接口，8位D/A轉換程序框圖如圖。蘭州交通大學自動化學院4812位D/A轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 圖 7-28 DAC1210轉換器與PC總線工業(yè)控制機接口 端口地址譯碼器譯 、 、 三個口地址，這三個口地址用來控制DAC1210工作方式和進行1

25、2位轉換。 蘭州交通大學自動化學院49以圖728接口為例，其轉換接口程序框圖如圖 圖729 12位D/A轉換程序框圖 蘭州交通大學自動化學院50 雙極性模擬量輸出的實現方法 為雙極性輸出，且可推導得到 為單極性輸出，若D為輸入數字量， 為基準參考電壓，且為位DA轉換器，則有 這種雙極性輸出方式，是把最高位當作符號位使用，與單極性輸出比較，使分辨率降低1位。 圖730 D/A轉換器雙極性輸出電路蘭州交通大學自動化學院51 VI轉換和自動手動切換 電壓電流轉換 010V/0l0mA轉換 圖731 010V/0l0mA的轉換電路 如圖，當運放開環(huán)增益足夠大時，輸出電流 與輸入電壓 的關系只與反饋電阻

26、 有關，因而具有恒流性能。反饋電阻的值由組件的量程決定。當 時，輸出電流 在DC 0l 0mA范圍內線性的與DC 0l0V輸入電壓 對應。蘭州交通大學自動化學院5205V/020mA轉換 輸出電流 若令 , ,則有略去反饋回路的電流，則有圖732 05V/020mA的轉換電路蘭州交通大學自動化學院53 自動手動切換 圖733 帶自動手動切換的VI變換電路 功能1 把05V的輸入信號變?yōu)?10mA的直流輸出電流。 功能2 實現自動控制方式（A）和隨時可切換的手動操作方式（H）之間的無擾切換。蘭州交通大學自動化學院543 模擬量輸出通道設計 D/A轉換器位數的選擇 DA轉換器位數的選擇取決于系統輸

27、出精度；DA轉換器輸出一般通過功率放大器推動執(zhí)行機構。 設執(zhí)行機構的最大輸入值為 ，靈敏度為 ，可得DA轉換器的位數蘭州交通大學自動化學院55 DA轉換模扳的設計 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轉換器，通過一個多路開關D4051，可由程序控制，將轉換結果從8通道中的某一通道中送出，送出的結果以電流形式輸出。 蘭州交通大學自動化學院56工作過程： 由工業(yè)控制機PC總線送出的數據，通過OUT指令，由DAC0832進行轉換。然后再用OUT指令，通過D0、D1、D2位打開多路開關的某一通道而送出，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轉換器輸出420mA的電流信號。蘭州交通大學自動化學院571 .總線的定義及分類 74總線技術總線是一組信號線的集合，是一種描述電子信號傳輸線路的結構形式。蘭州交通大學自動化學院總線分類的方式很多，如分為外部總線和內部總線，系統總線和非系統總線等。計算機系統常用的接口總線有并行和串行總線兩種。582 .常用總線介紹 STD總線是國際上流行的一種用于工業(yè)控制的標準微機總線，它具有以下特點： 小板結構，高度模塊化 嚴格的標準化，廣泛的兼容性 面向I/O的開放式設計，適合工業(yè)控制應用 高可靠性蘭州交通大學自動化學院1）STD總線59 1984年IBM公司推出了16位微機的PC/AT總線。后來

29、為了統一標準，便將8位和8/16位兼容的AT總線命名為ISA總線（Industry Standard Architecture)。 ISA總線是8/16位兼容的總線，當8位時，只用其前62個引腳，此時，它是8位數據線、20位地址線；當16位時用到全部98個引腳，此時它是16位數據線、24位地址線，可尋址16MB的內存空間。蘭州交通大學自動化學院2）IBM PC/AT總線60ISA總線有12個中斷輸入端，可同時接多達12個中斷源，另外7個DMA通道。 1992年PCI SIG(peripheral component interconnect special Internet group)推出P

30、CI總線。它可以與ISA、EISA及MCA總線相兼容，并支持Pentium的64位系統。目前市面上的微機多采用PCI總線，工控機多采用ISA總線。61RS-232C是目前使用得最早、最廣泛的串行通信總線。蘭州交通大學自動化學院圖7-35 計算機與終端的遠程連接采用RS-232C總線來連接系統時，有近程通信與遠程通信之分，連接圖如圖7-35所示。3）RS-232C串行接口標準總線62完整的RS-232C串行接口標準總線由25根信號線組成，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主要線路功能表針號縮寫符功能信號方向DTEDCEDTEDCE1屏蔽（保護）地2TXD發(fā)送數據3RXD接收數據4RTS請求發(fā)送5CTS清除發(fā)送6DSR數據設置就緒7信號地20STR數據終端準備好63RS-232C接口的主要連線如圖7-36所示。目前大多數計算機主機和CRT終端上都有可接DCE的RS-232C接口，而且可利用這個接口，在近距離內直接連接計算機和終端，此時的連線可如圖7-37所示。圖7-36 RS-232C接口的主要連線圖7-37 計算機與終端間RS-232C對接64蘭州交通大學自動化學院使用差動電流驅動的RS-422協議，使傳輸性能大幅度提高，能夠在較長距離內明顯地提高數據速率。RS-485的電氣標準為RS-422標準，是RS-422A性能的擴展。由于傳輸線