微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(第2版)

微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

主講:

戴永教材:戴永等,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),湘潭大學(xué)出版社,2009年參考資料:[1]戴永.微機(jī)控制技術(shù).長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社，2004[2]張艷兵.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006[3]楊恢先.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：人民郵電出版社,2006[4]曹承志.微型計(jì)算機(jī)控制新技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001信息工程學(xué)院課程教學(xué)說明一.課程特性1）地位本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的選修課、網(wǎng)絡(luò)專業(yè)必修課2）關(guān)系專業(yè)硬件基礎(chǔ)課專業(yè)軟件基礎(chǔ)課微機(jī)控制技術(shù)3）目的使同學(xué)們了解、掌握微機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、微機(jī)控制系統(tǒng)原理及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法,達(dá)到計(jì)算機(jī)學(xué)科、通信學(xué)科本科層次知識(shí)結(jié)構(gòu)的基本完整。信息工程學(xué)院二.學(xué)習(xí)要求（1)微機(jī)控制的基本理論與方法達(dá)到記識(shí)層；（2)學(xué)生利用基本理論與方法可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)，分析較復(fù)雜的微機(jī)控制系統(tǒng)；（3)對(duì)微機(jī)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向有一定程度的了解。信息工程學(xué)院三、本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)1)微機(jī)控制技術(shù)的基本概念與思考方法;2)微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ);3)面向微機(jī)控制系統(tǒng)的接口原理與設(shè)計(jì)；通道配置原理及方法、通道電路原理與設(shè)計(jì)、通道操控算法與程序設(shè)計(jì)；4)數(shù)據(jù)采集原理及處理方法；5)間接、直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)理論與實(shí)現(xiàn)方法；6）順序與數(shù)字程序控制概念、原理和方法；7)模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理及實(shí)現(xiàn)方法；8）總線技術(shù)。

信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)及其要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程教學(xué)內(nèi)容的組成部分實(shí)驗(yàn)教材：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(胡洪波王霞玲,編號(hào)03016)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)1：D/A轉(zhuǎn)換：程控電子波形產(chǎn)生原理及方法(計(jì)算,通信)實(shí)驗(yàn)2：A/D轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)2進(jìn)制采樣原理與方法(計(jì)算,通信)實(shí)驗(yàn)3：步進(jìn)電機(jī):步進(jìn)電機(jī)的程控電流換相、調(diào)速、調(diào)向原理與方法(計(jì)算)實(shí)驗(yàn)4：直流電機(jī)：直流電機(jī)的程控調(diào)速、調(diào)向及測(cè)控原理與方法(計(jì)算)實(shí)驗(yàn)5：LED點(diǎn)陣顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信).實(shí)驗(yàn)6:LCD液晶顯示:顯示圖形或漢字(計(jì)算,通信).實(shí)驗(yàn)7:IC卡實(shí)驗(yàn):IC卡信息讀寫(計(jì)算,通信).信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)要求：獨(dú)立完成，教師驗(yàn)收，創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)考核方法與成績(jī)(1)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，現(xiàn)場(chǎng)問答，現(xiàn)場(chǎng)打分(2)撰寫綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

特別聲明：因?yàn)榇苏n實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求高，實(shí)驗(yàn)過程抓得緊，成績(jī)?cè)u(píng)定嚴(yán)格，所以不提供非計(jì)劃時(shí)間的教學(xué)實(shí)驗(yàn)補(bǔ)課，有正當(dāng)理由者在下一級(jí)的本課程實(shí)驗(yàn)課補(bǔ)做。信息工程學(xué)院成績(jī)?cè)u(píng)定實(shí)驗(yàn)：30%閉卷考試：70%特別申明：不參加實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)考核不及格者不提供理論考試試卷，強(qiáng)行參考者不予成績(jī)?cè)u(píng)定。信息工程學(xué)院第1章緒論本章學(xué)習(xí)提要（1）計(jì)算機(jī)控制技術(shù)經(jīng)歷的發(fā)展階段；（2）控制系統(tǒng)基本概念：1.常用概念術(shù)語(yǔ)，2．常見系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)。（3）控制系統(tǒng)5種典型工作特性。（4）微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步；。（5）與模擬控制系統(tǒng)比較微型機(jī)控制系統(tǒng)5個(gè)特征。（6）微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有4種經(jīng)典結(jié)構(gòu)和4種新型結(jié)構(gòu)信息工程學(xué)院1.1控制系統(tǒng)基礎(chǔ)1．1．1控制系統(tǒng)基本概念1.常用概念術(shù)語(yǔ)對(duì)象:為完成特定動(dòng)作,由機(jī)械、電氣、電子等零部件有機(jī)組成的裝置或設(shè)備。過程：過程:被控制的運(yùn)行狀態(tài).兩種不同的描述如下（1）自然過程指一種自然的逐漸進(jìn)行地運(yùn)轉(zhuǎn)或發(fā)展，其特征是在運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展?fàn)顟B(tài)中以相對(duì)固定的方法相繼發(fā)生一系列的漸進(jìn)變化,并最后導(dǎo)致一個(gè)特定的結(jié)果或狀態(tài)。(2)人為或隨意連續(xù)進(jìn)行的運(yùn)行狀態(tài)，這種運(yùn)行狀態(tài)由一系列被控制的動(dòng)作和一直進(jìn)行到某一特定結(jié)果或狀態(tài)的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。過程特征表現(xiàn)為以相對(duì)固定的方式導(dǎo)致一個(gè)特定結(jié)果或狀態(tài)。系統(tǒng)：為完成相應(yīng)任務(wù)，一些元件、部件等按一定規(guī)則的組合。系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的抽象，不同的領(lǐng)域有不同的組合內(nèi)容。擾動(dòng)：對(duì)系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生相反作用的信號(hào)。擾動(dòng)分為內(nèi)擾和外擾兩大類，內(nèi)擾產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，外擾來自系統(tǒng)外部，和輸入量疊加在一起而進(jìn)入系統(tǒng)。信息工程學(xué)院控制過程：通過消除擾動(dòng)因素影響保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程。自動(dòng)控制：不需要人直接參與，而使被控量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化的控制過程?？刂屏浚罕豢叵到y(tǒng)的輸入量或給定量，用r（t）表示。被控量：被控系統(tǒng)的輸出量，用y（t）表示，如被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，溫控系統(tǒng)的溫度等。反饋量：與被控制量成比例的反饋信號(hào)，用yCF（t）表示。偏差量：控制量與反饋量之間的差值,用e（t）表示,e（t）=r(t)-yCF（t）。信息工程學(xué)院2．常見系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)開環(huán)控制系統(tǒng)被控制量只能受控于控制量，而對(duì)控制量不能反施任何影響的系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)利用負(fù)反饋，將被控制量影響控制量作用的系統(tǒng)，又叫反饋控制系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋系統(tǒng)，隨著r(t)的變化，被控制量在前一r(t)對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行變化，其特性如圖1-1所示。隨動(dòng)系統(tǒng)多出現(xiàn)于機(jī)械位移、速度、加速度等對(duì)象的控制，所以常稱之為位置控制系統(tǒng)。r2(t)y2(t)y（t）r1(t)y1(t)t圖1-1隨動(dòng)系統(tǒng)特性示意圖信息工程學(xué)院穩(wěn)定系統(tǒng)又稱自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，是一種反饋系統(tǒng)，當(dāng)r(∞)為常量時(shí)，也要求被控量保持在常量上，如圖1-2所示。

常見的穩(wěn)定系統(tǒng)有恒溫、電壓、電流、頻率、壓力等控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)以變化過程作為控制對(duì)象的控制系統(tǒng)，在控制過程中，給定量按照預(yù)先制定的規(guī)律，在程序運(yùn)行中變化，所以又叫程序控制。這類系統(tǒng)多見于溫度、壓力、流量等控制系統(tǒng)。y（t）r（∞）t圖1-2穩(wěn)定系統(tǒng)特性示意圖信息工程學(xué)院1．1．2控制系統(tǒng)工作特性

1.控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及其工作特性y（t）校正環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)r（t）比較環(huán)節(jié)e（t）擾動(dòng)信號(hào)yCF（t）+-圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象u（t）實(shí)際控制系統(tǒng)除存在內(nèi)外擾動(dòng)外，還有系統(tǒng)自身存在的邏輯死區(qū)、響應(yīng)慣性等影響系統(tǒng)的控制效果。當(dāng)輸入信號(hào)作用到系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)的輸出端并不能馬上得到響應(yīng)，而只有當(dāng)偏差信號(hào)大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)才有輸出。@輸出結(jié)果根據(jù)各環(huán)節(jié)的品質(zhì)狀況及系統(tǒng)所處環(huán)境有多種多樣。信息工程學(xué)院系統(tǒng)工作狀態(tài)過渡過程的測(cè)試是通過系統(tǒng)響應(yīng)特定輸入信號(hào)（或叫試驗(yàn)信號(hào)）來進(jìn)行的。

階躍信號(hào)常用的測(cè)試信號(hào)，如圖1-4所示。

系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的過渡過程及其工作特性如圖1-5所示。r(t)1(t)圖1-4單位階躍輸入信號(hào)δPy(t)y(∞)trtstδP△△圖1-5信息工程學(xué)院tr：?jiǎn)?dòng)時(shí)間。超調(diào)：y(t)>|y(∞)|稱為超調(diào)，在0～tr不算．δP：表示超調(diào)信號(hào)的嚴(yán)重程度。有時(shí)也直接用

ymax(t)通常處于第一個(gè)峰值。δP越小，過渡過程越平穩(wěn)。

tP：從t0到第一個(gè)峰值的時(shí)間，tP表征反饋控制系統(tǒng)反應(yīng)輸入信號(hào)的快速性能或控制靈敏度，越小靈敏度越高。

ttt信息工程學(xué)院ts：系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，當(dāng)t>=ts，應(yīng)有：

一般Δ＝0.02～0.05;ts越小，說明系統(tǒng)以一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越短，反之越長(zhǎng)。振蕩次數(shù)：y(t)以大于0的變化幅度超越y(tǒng)(∞)水平線的次數(shù)的一半為系統(tǒng)過渡過程的振蕩次數(shù)，用N表示，N越小，過程越短。ts，tp，δp，N：動(dòng)態(tài)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)完成過渡過程后，|y(t)-y(∞)|為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是表征系統(tǒng)控制精度的一項(xiàng)性能指標(biāo)。信息工程學(xué)院2.幾種典型控制系統(tǒng)過渡過程曲線1）單調(diào)逐漸逼近(見圖1-6特性曲線①)y(∞)過度過程曲線單調(diào)逼近y(∞)：δP＝0，N=0，y(t)=y(∞)2）等幅振蕩(見圖1-6特性曲線②)y(∞)等幅振蕩，N—>∞（自激振蕩）。

信息工程學(xué)院3.振蕩發(fā)散(見圖1-6特性曲線③)振蕩發(fā)散，N—>∞；振幅系統(tǒng)無平衡狀態(tài)ΔΔy(∞)4.單調(diào)發(fā)散

(見圖1-6特性曲線④,⑤)y(∞)“過”單調(diào)發(fā)散，這類系統(tǒng)無穩(wěn)定狀態(tài)，不能使用：δP

—>∞；N=0；y(t)？

信息工程學(xué)院5.欠阻尼振蕩阻尼振蕩：一般可工作系統(tǒng)均為此曲線。y(∞)與預(yù)期r(∞)之差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，表征系統(tǒng)控制精度的參數(shù)之一。阻尼系統(tǒng)的過渡過程分為三種工作狀態(tài),即欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼。過阻尼工作狀態(tài)相似于單調(diào)逐漸逼近或一階系統(tǒng)工作狀態(tài)，啟動(dòng)速度變慢。臨界阻尼工作狀態(tài)使系統(tǒng)特性處于等幅振蕩特性。關(guān)于二階系統(tǒng)的阻尼特性討論請(qǐng)讀者參閱相關(guān)論著。y(∞)△△信息工程學(xué)院1.2微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與特征1．2．1微機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)擾動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/DR(k)y(t)＋－圖1-7微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)抽象圖控制器微型計(jì)算機(jī)D/A被控對(duì)象檢測(cè)裝置E(k)YCF

(k)U(k)與模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)(圖1-3)比較,微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)信號(hào)傳輸?shù)穆窂浇Y(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，控制裝置即大虛線框外以右的內(nèi)容相同。不同的地方是控制裝置的四個(gè)環(huán)節(jié)均有重大變化，即（1）控制器和比較環(huán)節(jié)由微型計(jì)算機(jī)取代，這是劃時(shí)代的進(jìn)步；（2）執(zhí)行環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在微機(jī)控制系統(tǒng)中于執(zhí)行機(jī)構(gòu)前增加D/A轉(zhuǎn)換；（3）反饋環(huán)節(jié)在模擬控制系統(tǒng)中只有檢測(cè)裝置，而在微機(jī)控制系統(tǒng)中于檢測(cè)裝置后設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換。由于微型計(jì)算機(jī)處理的是離散信息，因此微型機(jī)控制系統(tǒng)中控制裝置內(nèi)的時(shí)間變量均采用人們公認(rèn)的離散時(shí)間變量符號(hào)K。信息工程學(xué)院2.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成工業(yè)生產(chǎn)過程D/A多路轉(zhuǎn)換開關(guān)量輸入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)采樣裝置A/D變送保持開關(guān)量輸出操作控制臺(tái)過程通道保持變送人機(jī)交互通道接口微機(jī)I/O設(shè)備微機(jī)外設(shè)接口圖1-8微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件典型結(jié)構(gòu)圖面向過程通道的接口人機(jī)交互通道信息工程學(xué)院（1）工業(yè)生產(chǎn)過程

工業(yè)生產(chǎn)過程是指在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)把原材料變成成品或半成品，或通過原材料獲得某些所需參數(shù)的工序?qū)崿F(xiàn)。參與工序?qū)崿F(xiàn)的內(nèi)容包括工藝規(guī)則、技術(shù)范疇、參與設(shè)備、人員數(shù)量與作用、結(jié)果指標(biāo)、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全保證等。（2）過程通道主機(jī)與工業(yè)生產(chǎn)過程之間需要傳遞三類信息，即互傳數(shù)據(jù)，主機(jī)向工業(yè)生產(chǎn)過程發(fā)布控制信息，主機(jī)從工業(yè)生產(chǎn)過程接受狀態(tài)信息?；鲾?shù)據(jù)有模擬、開關(guān)量?jī)煞N數(shù)據(jù)形式，而控制、狀態(tài)信息均為開關(guān)量。因此，過程通道包括模擬過程輸入、輸出通道、開關(guān)量過程輸入、輸出通道。過程通道處于工業(yè)生產(chǎn)過程與主機(jī)接口之間，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)過程與主機(jī)交換信息的任務(wù)。（3）接口在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般存在三類不同功能的接口，一類介于主機(jī)與過程通道之間，用于主機(jī)與過程通道交換數(shù)字信息；二類介于主機(jī)與交互通道之間，用于主機(jī)與交互通道交換數(shù)字信息；三類介于主機(jī)與微機(jī)I/O設(shè)備之間，用于主機(jī)與微機(jī)I/O設(shè)備交換數(shù)字信息，在多微機(jī)互聯(lián)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，多微機(jī)可互按I/O設(shè)備管理。信息工程學(xué)院（4）主機(jī)核心內(nèi)容——控制程序，其反映輸入輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，處于在線的主機(jī)又稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)，其特點(diǎn)表現(xiàn)在可靠性高、可維修性好、環(huán)境適用性強(qiáng)、控制實(shí)時(shí)性好、輸入輸出通道完善及軟件豐富等。本書中的主機(jī)均指工控機(jī)。（5）人機(jī)交互通道與操作控制臺(tái)人機(jī)交互通道與操作控制臺(tái)是相互依存的，操作控制臺(tái)因人機(jī)交互通道而設(shè)置，人機(jī)交互通道通過操作控制臺(tái)使得人機(jī)交互更方便。就一般而言操作控制臺(tái)應(yīng)具有以下功能①操作鍵盤，鼠標(biāo)，按鍵，板鍵等.②顯示CRT或LED，LCD，打印機(jī)，記錄儀,指示燈，喇叭等：狀態(tài)指示，聲光報(bào)警等.③數(shù)據(jù)保存外存，磁存儲(chǔ)器，光存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,IC卡等.④遠(yuǎn)程信息交換信息工程學(xué)院3.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件BIOS監(jiān)測(cè)軟件外設(shè)管理程序人－機(jī)對(duì)話程序控制算法程序自控程序等控制軟件注意：程序的運(yùn)行時(shí)間以不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性為前提信息工程學(xué)院1.2.2微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特征1.結(jié)構(gòu)特征微機(jī)控制系統(tǒng)：將控制器用微機(jī)來代替，便構(gòu)成了微機(jī)控制系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)：控制器被控對(duì)象執(zhí)行器被控參數(shù)R(t)用微機(jī)取代閉環(huán)系統(tǒng)：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/Dr(t)y(t)＋－圖1-20微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)抽象結(jié)構(gòu)圖控制器微型機(jī)D/A被控對(duì)象檢測(cè)裝置信息工程學(xué)院2.信號(hào)特征模擬控制系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的工作信號(hào)全為模擬信號(hào)，而微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中主機(jī)的工作信號(hào)全為數(shù)字信號(hào)，前、后向模擬過程通道模擬、數(shù)字信號(hào)兼有，前、后向開關(guān)量過程通道是全數(shù)字信號(hào)，但無全模擬信號(hào)。3.功能特征（1）以軟件代替硬件。（2）數(shù)據(jù)保存。（3）顯示設(shè)備、方法與內(nèi)容。（4）多系統(tǒng)互聯(lián)。信息工程學(xué)院4.時(shí)限特征“實(shí)時(shí)”，是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。（2）實(shí)時(shí)決策運(yùn)算。（3）實(shí)時(shí)控制輸出。數(shù)據(jù)采樣、運(yùn)算決策、輸出控制三個(gè)階段占用時(shí)間之和滿足實(shí)時(shí)性要求，則該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性。5.控制器工作方式特征控制器在控制系統(tǒng)中的工作方式有在線、離線兩種。信息工程學(xué)院微型計(jì)算機(jī)在線工作方式：又稱“聯(lián)機(jī)”工作方式。微型計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質(zhì)，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。微型計(jì)算機(jī)離線工作方式：又稱“脫機(jī)”工作方式。微型計(jì)算機(jī)不直接參與對(duì)被控對(duì)象的控制，或不直接與被控對(duì)象交換信息，而僅是將有關(guān)控制信息記錄或打印出來，再由人來聯(lián)系，按照微機(jī)提供的信息完成相應(yīng)的控制操作。離線工作方式無實(shí)時(shí)性可談。要使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，微型計(jì)算機(jī)必須按在線方式工作。信息工程學(xué)院1.3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類1.3.1經(jīng)典微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)輸入通道顯示設(shè)備主機(jī)接口圖1-9數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程輸入通道顯示設(shè)備主機(jī)通道接口圖1-10操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)操作人員信息工程學(xué)院3.直接式數(shù)字控制系統(tǒng)4.監(jiān)督式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程接口控制操作臺(tái)主機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口輸出通道輸入通道檢測(cè)圖1-11DDC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)工業(yè)生產(chǎn)過程DDC計(jì)算機(jī)SCC計(jì)算機(jī)模擬輸入通道模擬輸出通道給定值控制操作臺(tái)圖1-12SCC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)信息工程學(xué)院1.3.2新型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1.基于智能控制算法的微機(jī)控制系統(tǒng)智能控制是自動(dòng)控制和人工智能相結(jié)合的學(xué)科,即具有摸仿人的學(xué)習(xí)、推理等功能；能適用不斷變化的環(huán)境；能處理多種信息以減少不確定性；能以安全和可靠的方式進(jìn)行規(guī)劃，產(chǎn)生和執(zhí)行的動(dòng)作，獲取系統(tǒng)總體上最優(yōu)或次優(yōu)的性能指標(biāo)。智能控制技術(shù)有三大基本內(nèi)容：模糊控制技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，遺傳控制技術(shù)。在硬件上智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無重大區(qū)別；在軟件上，智能控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)量由智能控制算法產(chǎn)生。微機(jī)智能控制系統(tǒng)的命名一般借用智能控制算法的名稱。圖1-13為模糊控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖。模糊化模糊決策反模糊化圖1-13一般模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)控制量YUkXk被控對(duì)象信息工程學(xué)院2.集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集散式微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)是基于微型計(jì)算機(jī)總線通信技術(shù)的多系統(tǒng)分層分散控制、集中管理微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，已成為大工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的生產(chǎn)過程控制、子系統(tǒng)管理的方案。DCS也稱為分級(jí)分布式控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱集散系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信、網(wǎng)絡(luò)和顯示等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。過程控制系統(tǒng)1網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站任務(wù)管理站過程管理站網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)站過程控制系統(tǒng)nLAN總線通信圖1-14DCS結(jié)構(gòu)圖其他LAN信息工程學(xué)院3.現(xiàn)場(chǎng)總線微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（FieldbusControlSistem，F(xiàn)CS）是DCS的換代產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的DCS相比，具有數(shù)字化的信息傳播、分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方便的互操作性、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及多種傳輸媒介、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。FCS的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線，具體表現(xiàn)于適用工業(yè)控制領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信與管理協(xié)議。4.管控一體綜合集成系統(tǒng)將制造、過程控制、辦公室和經(jīng)營(yíng)管理等的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行集成，即構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem）或計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（ComputerIntegratedProcessSystem），簡(jiǎn)稱CIMS或CIPS。CIMS代表著工業(yè)控制系統(tǒng)的未來，它的研究開發(fā)不是以某個(gè)區(qū)域或某項(xiàng)活動(dòng)為對(duì)象，而是以企業(yè)的全部活動(dòng)為對(duì)象。除上述四種常見新型系統(tǒng)外，還有嵌入式微機(jī)控制系統(tǒng)、虛擬控制系統(tǒng)、開放式控制系統(tǒng)等，請(qǐng)參閱有關(guān)資料。信息工程學(xué)院1.4微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展1.裝置技術(shù)的發(fā)展裝置技術(shù)是發(fā)展基礎(chǔ).隨著專用功能電路的標(biāo)準(zhǔn)化與集成電路設(shè)計(jì)、制作技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)模塊電路的種類越來越多，功能越來越強(qiáng)。2.微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)技術(shù)是發(fā)展的保障.微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要指微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等的發(fā)展。3.決策理論的發(fā)展決策理論是發(fā)展的動(dòng)力順序控制、插補(bǔ)控制、PID控制、最小拍控制、純滯后控制等一批傳統(tǒng)控制方法和理論將進(jìn)一步得到改善、充實(shí)。具有重要意義的濾波技術(shù)、能控能觀性技術(shù)、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、穩(wěn)定性技術(shù)等仍是人們研究的重要內(nèi)容。在解決模型不確定性、高度非線性、分布式采樣和執(zhí)行、動(dòng)態(tài)突變、多時(shí)間標(biāo)度、復(fù)雜的信息模式等被控對(duì)象的控制問題上，智能控制技術(shù)有其特殊優(yōu)勢(shì)，而將成為人們研究的熱門內(nèi)容，解決問題的新選手段。信息工程學(xué)院4.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展（1）用可編程控制器代替DDC級(jí)微機(jī)（2）新一代CIMS（3）用智能控制芯片作為控制器信息工程學(xué)院第2章微型計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ)2.1連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2．1．1拉普拉斯變換用表示時(shí)間的函數(shù)，而且當(dāng)，，以表示的拉普拉斯變換，記之為復(fù)變量對(duì)時(shí)域函數(shù)進(jìn)行拉氏變換

拉氏積分是的原函數(shù)，是的象函數(shù)。2.拉普拉斯變換的性質(zhì)線性

（位移性質(zhì)）信息工程學(xué)院令則,∴

當(dāng)

令

0tf(t)圖2-1平移性質(zhì)曲線示意f(t)t信息工程學(xué)院（3）相似性質(zhì)（比例變換）

令則信息工程學(xué)院（4）微分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù))

f(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0同樣，對(duì)于的階導(dǎo)數(shù)，可以得到信息工程學(xué)院（5）積分性質(zhì)(原函數(shù)導(dǎo)數(shù)的象函數(shù))

f(0)為t=0時(shí)f(t)的值，一般控制系統(tǒng)中f(0)=0信息工程學(xué)院(6)初值定理其中f(0),F(s)可拉,存在證明：由拉普拉斯變換的微分性質(zhì)可知有(7)終值定理證明自閱信息工程學(xué)院3.拉普拉斯反變換由復(fù)變函數(shù)表達(dá)式推導(dǎo)成為時(shí)間函數(shù)表達(dá)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算叫做反變換，拉普拉斯反變換的符號(hào)是，記作具體的拉普拉斯反變換計(jì)算公式為信息工程學(xué)院2．1．2傳遞函數(shù)與方塊圖

1．傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)或線性元件的輸入-輸出關(guān)系的一種最常用的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)全面地反應(yīng)了線性定常系統(tǒng)或線性元件的內(nèi)在固有特性。傳遞函數(shù)(G(s))：線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，定義為初始條件為0，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉氏變換與輸入函數(shù)（量）拉氏變換之比。

傳遞函數(shù)的定義適用于輸入輸出信號(hào)呈線性關(guān)系的元件或系統(tǒng)，既適用于開環(huán)系統(tǒng)，也適用于閉環(huán)系統(tǒng)。傳遞函數(shù)的形式完全取決于系統(tǒng)或元件自身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，而與外加的輸入信號(hào)形式無關(guān)。信息工程學(xué)院傳遞函數(shù)有如下基本性質(zhì)（1）系統(tǒng)和元件的傳遞函數(shù)是描述其動(dòng)態(tài)特性的一種關(guān)系式，它和系統(tǒng)或元件的運(yùn)動(dòng)方程式一一對(duì)應(yīng)。（2）傳遞函數(shù)表征系統(tǒng)或元件本身的特性，而與輸入信號(hào)無關(guān)。（3）傳遞函數(shù)不能反映系統(tǒng)或元件的物理結(jié)構(gòu)，即不同物理性質(zhì)的系統(tǒng)或元件可以具有相同的傳遞函數(shù)。（4）傳遞函數(shù)是復(fù)變量的有理分式，均為多項(xiàng)式，每一項(xiàng)的系數(shù)都是實(shí)數(shù)。信息工程學(xué)院2．方塊圖方塊圖是系統(tǒng)中每個(gè)元件的功能和信號(hào)流向的圖解表示，它表明系統(tǒng)中各元件或各環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，信號(hào)流動(dòng)情況。方塊圖輸出信號(hào)的拉普拉斯變換式等于其輸入信號(hào)的拉普拉斯變換式與方塊內(nèi)傳遞函數(shù)的乘積。信號(hào)通過方塊的流向以箭頭來表示，使輸入信號(hào)的箭頭指向方塊，輸出信號(hào)的箭頭背向方塊。方塊圖中只包含與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有關(guān)的信息，并不包含與系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的一切信息。許多物理結(jié)構(gòu)上完全不同的系統(tǒng)，可以用相同的方塊圖來表示。G（s）X（s）Y（s）圖2-2傳遞函數(shù)方塊圖信息工程學(xué)院3.典型系統(tǒng)的方塊圖與傳遞函數(shù)1)開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)開環(huán)控制系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)包含控制、執(zhí)行與對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)，方塊圖結(jié)構(gòu)見圖2-3?？刂艷1(s)執(zhí)行G2(s)對(duì)象G3(s)R(s)Y（s）圖2-3開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)信息工程學(xué)院2)閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的抽象結(jié)構(gòu)由執(zhí)行(含對(duì)象)、反饋及偏差計(jì)算（?符號(hào)表示）等環(huán)節(jié)構(gòu)成，方塊圖結(jié)構(gòu)見圖2-4所示。執(zhí)行G(s)反饋H(s)R(s)Y(s)E(s)B(s)＋－圖2.4閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖稱為系統(tǒng)中的開環(huán)傳遞函數(shù)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為信息工程學(xué)院G1(s)G2(s)＋—H(s)＋＋Y(s)N(s)R(S)擾動(dòng)3）含擾動(dòng)量的閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖與傳遞函數(shù)當(dāng)；擾動(dòng)項(xiàng)→0;擾動(dòng)被抑制；

及

此時(shí)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)信息工程學(xué)院例2.1：如圖所示，R,C低通網(wǎng)絡(luò)

I(s)UI

(s)(b)＋—Uc(s)圖2-6RC電路方塊圖(c)(a)Ui(s)CiRUi(s)信息工程學(xué)院4．方塊圖等效法則1)分支點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則GGGAAGAGAAGAG（a）AGGGAAGAAAG（b）圖2-7分支移動(dòng)規(guī)則信息工程學(xué)院（2）相加點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則GGGBA＋?A＋?BAG?BGAG?BG（a）GGBA＋?A＋?BAG?BAG?B（b）圖2-8相加點(diǎn)移動(dòng)規(guī)則根據(jù)代數(shù)運(yùn)算法則，還可實(shí)現(xiàn)其它類型方塊圖的簡(jiǎn)化或等效，相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參閱自動(dòng)控制方面的專業(yè)書籍。在簡(jiǎn)化或等效處理過程中應(yīng)注意兩條原則(1)前向通道中傳遞函數(shù)的乘積必須不變。(2)各反饋回路中傳遞函數(shù)的乘積必須保持不變。信息工程學(xué)院例2.2

(1)進(jìn)行拉普拉斯變換；（2）畫方塊圖；

KPKPTISKPTdSE(S)＋＋U(S)+tttttt信息工程學(xué)院2．1．3線性定常系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)線性定常系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是指線性定常系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下在輸入端加入理想單位脈沖信號(hào)得到的輸出響應(yīng)。假定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為于是如果則有稱為單位脈沖響應(yīng)函數(shù)稱為理想單位脈沖信號(hào)例2.3假設(shè)某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,則信息工程學(xué)院2.2離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)離散系統(tǒng)亦稱采樣控制系統(tǒng)，是一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，有一個(gè)或多個(gè)變量?jī)H在離散的瞬時(shí)變化，這些瞬時(shí)時(shí)刻以或表示。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別在于離散系統(tǒng)的信號(hào)或數(shù)據(jù)是采樣形式。2.2.1離散時(shí)間信號(hào)與采樣信號(hào)的表示1.采樣過程及數(shù)學(xué)描述采樣過程可以視為信號(hào)調(diào)制過程，即連續(xù)信號(hào)經(jīng)過采樣開關(guān)后變?yōu)閿嗬m(xù)信號(hào),如圖2-10所示。e*(t)圖2-10采樣開關(guān)Te(t)e(t)e*(t)載波信號(hào)(a)(b)圖2-11單位脈沖序列0T載波器脈沖調(diào)制器為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)采樣過程做如下三點(diǎn)假設(shè)：1）采樣開關(guān)的動(dòng)作是瞬間完成的；2）采樣開關(guān)閉合的時(shí)間遠(yuǎn)小于采樣周期；3）采樣為等周期采樣。信息工程學(xué)院2.2.2差分與差商

1.差分的概念設(shè)函數(shù)在等距節(jié)點(diǎn)上的值為，函數(shù)在自變量?jī)蓚€(gè)離散值處函數(shù)值的差或f(x)在xk處一皆前向差分f(x)在xk處一皆后向差分類似有二階前向差分類似有二階后向差分階前向、后向差分定義公式可類推。信息工程學(xué)院2.差商的概念稱比值n=1為1階差商,n=k為k階差商.xk為節(jié)點(diǎn).利用差商的定義，差商的計(jì)算可以遞推進(jìn)行，列差商表如表2-1所示.2.2.3Z變換Z變換是應(yīng)用于線性定常離散系統(tǒng)的重要數(shù)學(xué)工具，它的作用等同于線性定常連續(xù)系統(tǒng)的拉普拉斯變換數(shù)學(xué)工具。信號(hào)采樣方式有周期采樣、多階采樣、隨機(jī)采樣。周期采樣是一種最普通的采樣方式，其采樣瞬時(shí)是等間隔。Z變換是針對(duì)周期采樣信號(hào)進(jìn)行拉氏變換后的簡(jiǎn)化變量處理關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。信息工程學(xué)院1.Z變換的定義對(duì)于連續(xù)信號(hào)的周期采樣時(shí)間序列信號(hào)可表示為或?qū)σ陨蟽墒絻蛇吶±绽棺儞Q，得信息工程學(xué)院令或則有在z變換中，我們只考慮采樣瞬時(shí)的信號(hào)值，因此，X（t）的z變換與X*（t）的z變換具有相同的結(jié)果，即2.Z變換的性質(zhì)1）線性性質(zhì)2）滯后性質(zhì)3）超前性質(zhì)4）復(fù)位移定理信息工程學(xué)院5）初值定理

6）終值定理7)卷積定理信息工程學(xué)院3.Z反變換的定義

Z變換的定義可知，連續(xù)時(shí)間函數(shù)的Z變換函數(shù)僅僅包含了連續(xù)時(shí)間函數(shù)在各個(gè)采樣時(shí)刻上的數(shù)值。Z反變換僅能求出連續(xù)時(shí)間函數(shù)在采樣時(shí)刻的數(shù)值(f(k),k=1,2,3,…..).或者說一個(gè)Z變換函數(shù)F(Z)可以與無窮多個(gè)連續(xù)函數(shù)對(duì)應(yīng)（只要這些函數(shù)f(k)在采樣時(shí)刻上的函數(shù)值相等）4.Z反變換的求法1）冪級(jí)數(shù)法例2.5求的Z反變換，寫出前五項(xiàng)。解：

于是

信息工程學(xué)院2）部分分式法部分分式法是將關(guān)于復(fù)變量的有理分式函數(shù)F(Z)分解成最簡(jiǎn)單的分式形式，然后通過查Z變換對(duì)照表而求得各個(gè)簡(jiǎn)單因子的反Z變換，從而求得F(Z)的反Z變換表示式。式中，為待定系數(shù)。（1）共軛復(fù)根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定（2）重根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定（3）單根對(duì)應(yīng)系數(shù)的確定信息工程學(xué)院例2.6設(shè),試用部分分式法求解將部分分式中的每一項(xiàng)乘上因子后，得查Z變換對(duì)照表可得最后可得3）反演積分法(留數(shù)法)用同乘上式兩邊，得

信息工程學(xué)院兩邊得注意到是一個(gè)具體的數(shù)值，且

在上式中，，所以有離散函數(shù)的Z反變換可表示為可根據(jù)所具有根的分布情況分別計(jì)算其相應(yīng)的留數(shù)。（1）根據(jù)單根（2）根據(jù)p個(gè)重根信息工程學(xué)院（1）根據(jù)單、重根例2.7求的Z反變換解由的分母可知，存在單根及二重根信息工程學(xué)院5.利用Z變換求解差分方程根據(jù)Z變換的超前定理，有例2.8用Z變換求解三階差分方程解對(duì)上面差分方程兩邊進(jìn)行Z變換，并利用Z變換的超前定理有將初始條件代入并化簡(jiǎn)、整理得于是有查閱Z反變換對(duì)照表，有信息工程學(xué)院2.2.4離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)1.脈沖傳遞函數(shù)的定義G(s)R(s)c(t)圖2-14線性系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)Z變換的關(guān)系C(s)TTr(t)G(z)在理想脈沖串的作用下，輸出的拉斯變換為。在零初始條件下，線性系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）輸出脈沖序列的Z變換與輸入脈沖序列的Z變換之比，稱為系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的脈沖傳遞函數(shù)（或z傳遞函數(shù)），即。而采樣系統(tǒng)的離散輸出信息工程學(xué)院?jiǎn)挝幻}沖響應(yīng)來推導(dǎo)脈沖傳遞函數(shù)當(dāng)輸入信號(hào)為如下的脈沖序列時(shí)根據(jù)疊加原理，輸出信號(hào)為一系列脈沖響應(yīng)之和，即

在時(shí)刻，輸出的脈沖值為

根據(jù)卷積定理，可得上式的Z變換為

﹑和分別為c(t)﹑g(t)和r(t)的Z變換。信息工程學(xué)院2開環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)1）串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有采樣開關(guān)設(shè)開環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（a）所示，在兩個(gè)串聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)和之間，有理想采樣開關(guān)隔開。開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)2)串聯(lián)環(huán)節(jié)之間無采樣開關(guān)設(shè)開環(huán)離散系統(tǒng)如圖2-15（b）所示，沒有理想采樣開關(guān)隔開的兩個(gè)線性連續(xù)環(huán)節(jié)串聯(lián)時(shí)的脈沖傳遞函數(shù)，等于這兩個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)乘積后的相應(yīng)Z變換。這一結(jié)論同樣可推廣到類似的n個(gè)環(huán)節(jié)相串聯(lián)時(shí)的情況。信息工程學(xué)院3.閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)一般地，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)是閉環(huán)離散控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的Z變換與輸入信號(hào)的Z變換之比，即典型的閉環(huán)離散系統(tǒng)及其輸出的Z變換函數(shù)如表2-2所示。例2.10求圖2-17所示采樣系統(tǒng)的輸出的表達(dá)式。解

而因此所以即信息工程學(xué)院2.3采樣周期的一般選擇方法2.3.1香濃（Shannon）采樣定理設(shè)連續(xù)信號(hào)的頻帶為有限寬度，且信號(hào)的最高角頻率為（或最高頻率為），如果以采樣角頻率對(duì)信號(hào)采樣得到離散信號(hào)，則連續(xù)信號(hào)可以由無失真地復(fù)現(xiàn)出來的條件是，或香農(nóng)采樣定理說明為了使得連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣保持后能不失真的復(fù)現(xiàn)出來應(yīng)滿足對(duì)最高頻率范圍內(nèi)的任一連續(xù)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的采樣不少于兩次。。

信息工程學(xué)院2.3.2采樣周期的選擇采樣周期的選擇受多方面因素的影響,主要考慮的因素分析如下（1）香農(nóng)采樣定理給出了采樣周期的上限，即為被采樣信號(hào)的上限角頻率。若滿足香農(nóng)采樣定理，采樣信號(hào)可恢復(fù)或近似地恢復(fù)為原模擬信號(hào)，而不丟失主要信息。在這個(gè)限制范圍內(nèi)，采樣周期越小，采樣--數(shù)字控制系統(tǒng)的性能越接近于連續(xù)--時(shí)間控制系統(tǒng)。（2）閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)的跟蹤，要求采樣周期要小。（3）從抑制擾動(dòng)的要求來說，采樣周期應(yīng)該選擇得小些。（4）從執(zhí)行元件的要求來看，有時(shí)要求輸入控制信號(hào)要保持一定的寬度。（5）從計(jì)算機(jī)精度考慮，采樣周期不宜過短。（6）從系統(tǒng)成本上考慮，希望采樣周期越長(zhǎng)越好。綜合上述各因素，選擇采樣周期，應(yīng)在滿足控制系統(tǒng)的性能要求的條件下，盡可能地選擇低的采樣速率。信息工程學(xué)院1.以復(fù)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)精度要求選擇采樣周期設(shè)N為一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的采樣次數(shù)保持器的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的誤差與采樣頻率或采樣次數(shù)有關(guān)，N越大，采樣保持誤差越小。2.根據(jù)被控參數(shù)的性質(zhì)選擇采樣周期被控量流量液位壓力溫度位置電流環(huán)速度環(huán)采樣周期1～5s6～8s3～10s10～20s10～50ms1～5ms5～20s3.根據(jù)輸出信號(hào)呈現(xiàn)的形式選擇采樣周期信息工程學(xué)院4.根據(jù)被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)選擇采樣周期設(shè)被控對(duì)象由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)可以表示為可取而實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常選擇采樣周期為其最大采樣周期的1/2，即有5.以相角穩(wěn)定裕度選擇采樣周期為系統(tǒng)的閉環(huán)截止頻率。

6.以控制算法選擇采樣周期使用PI算法和使用PID算法在選擇采樣周期時(shí)存在明顯的差異。信息工程學(xué)院第3章接口與過程通道配置技術(shù)3.1概述過程通道的基本任務(wù)是信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換及傳遞；接口的基本任務(wù)是數(shù)字信號(hào)傳遞。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的接口電路特點(diǎn)：除了基本任務(wù)外還擔(dān)負(fù)控制過程通道各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工作的任務(wù)。一般來說計(jì)算機(jī)無法直接接收和處理生產(chǎn)過程的實(shí)際信息，這些實(shí)際信息由輸入過程通道獲取、轉(zhuǎn)換，傳遞給接口，再由接口送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)傳送到生產(chǎn)過程的控制信息通過接口進(jìn)入輸出過程通道，由輸出過程通道轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)過程所能接受的信號(hào)形式.面向過程通道的接口電路的結(jié)構(gòu)、編程方法等與過程通道的功能、結(jié)構(gòu)、信息傳遞方式密切相關(guān)。（1）根據(jù)主機(jī)獲取、發(fā)送信息的要求及過程通道傳送、接收信息的狀態(tài)，接口電路傳遞數(shù)據(jù)的方式分為無條件、查詢、中斷等。（2）為適應(yīng)過程通道轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的技術(shù)變化，面向過程通道的接口電路同樣也應(yīng)具備數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)制轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)中斷管理等接口的一般功能；（3）面向過程通道的接口電路的明顯特征是它必須深入過程通道內(nèi)部對(duì)過程通道中各子環(huán)節(jié)，如多路轉(zhuǎn)換、可編程放大、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等進(jìn)行關(guān)系上、功能上、時(shí)間上等的有序控制。信息工程學(xué)院設(shè)計(jì)過程通道與面向過程通道的接口時(shí)必須注意和解決如下基本問題：（1）輸入輸出信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換，尤其是不同能量形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換；（2）微機(jī)與控制對(duì)象兩個(gè)異步工作的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步和通信聯(lián)絡(luò)；（3）高速的微機(jī)與低速的控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)速度匹配；（4）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)制轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、功率轉(zhuǎn)換等；（5）微弱信號(hào)放大、濾波、整型，強(qiáng)電信號(hào)幅度衰減、濾波、整型，信號(hào)幅度規(guī)范；（6）數(shù)據(jù)通道與子環(huán)節(jié)工作控制的端口分配；（7）接口電路中的端口觸發(fā)、時(shí)序及負(fù)載能力。研制接口和過程通道電路使用的器件有三大類，一類是利用基本的小規(guī)模集成電路功能器件（如一片多組的運(yùn)算放大器等）、邏輯器件（如各類TTL器件）、分立元件等，當(dāng)控制內(nèi)容單一，過程通道和接口比較簡(jiǎn)單時(shí)采用此類器件設(shè)計(jì)可避免浪費(fèi)；二類是通用器件，如通用的各類并行、串行I/O接口器件，中斷管理、定時(shí)/計(jì)數(shù)、鍵盤/顯示等接口器件；三類是專用器件，主要有A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、集成多路轉(zhuǎn)換電子開關(guān)、可編程放大器等等。信息工程學(xué)院3.2面向過程通道的接口技術(shù)3.2.1接口的基本結(jié)構(gòu)、任務(wù)和功能1.接口的基本結(jié)構(gòu)微計(jì)算機(jī)CPU接口控制邏輯數(shù)據(jù)傳送端口地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)狀態(tài)控制圖3-1接口基本結(jié)構(gòu)及其在微控系統(tǒng)中的連接圖工業(yè)生產(chǎn)過程過程通道無數(shù)據(jù)端口通道控制邏輯2.接口電路的基本任務(wù)（1）控制信息的傳遞路徑。即根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇，以確定該信息傳送的路徑和目的地。（2）控制信息傳送的順序。計(jì)算機(jī)控制的過程就是執(zhí)行程序的過程，為確保進(jìn)程正確無誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時(shí)地發(fā)出一組有序的選通信號(hào)。為保證基本任務(wù)完成，接口電路應(yīng)解決以下問題：（1）觸發(fā)方式。（2）時(shí)序。（3）負(fù)載能力。信息工程學(xué)院3．接口的功能

作為主機(jī)與過程通道之間的信息傳遞渠道，與一般接口電路相同，應(yīng)具備尋址、輸入輸出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、聯(lián)接、中斷管理、復(fù)位及可編程等基本功能。4．端口及其編址方法1）端口:一個(gè)I/O接口一般包括若干個(gè)端口，通?？煞譃閿?shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口以及控制端口，而每個(gè)端口都有一個(gè)端口地址號(hào)，所以一個(gè)接口電路一般占用多個(gè)端口地址。2）端口編址:有通道端口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址和通道端口獨(dú)立編址兩種方式，工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)同一般端口編址相同。3.2.2接口數(shù)據(jù)傳送方式（1）直接傳送方式。（2）查詢傳送方式。（3）中斷傳送方式。3.2.3接口擴(kuò)展1）地址線選擴(kuò)展.信息工程學(xué)院2）地址譯碼擴(kuò)展A4A3=00時(shí)，1#74LS138被允許譯碼；A4A3=01時(shí)，2#74LS138被允許譯碼；A4A3=10時(shí)，3#74LS138被允許譯碼；A4A3=11時(shí)，4#74LS138被允許譯碼。因此，32個(gè)I/O接口端口地址分配號(hào)為：0000H~001FH。3）混合擴(kuò)展:地址線選、地址譯碼用于同一個(gè)系統(tǒng)的接口擴(kuò)展稱為混合擴(kuò)展。Y0………………Y774LS138(1#)ABC

E1E2E3Y0………………Y774LS138(2#)ABC

E1E2E3Y0………………Y774LS138(3#)ABC

E1E2E3Y0………………Y774LS138(4#)AB

CE1E2E3+5V+5V+5VA0A1A2A3A4………….Q0………….……Q7………….Q8………….…

Q15………….Q16……………

Q23………….Q24………….…Q31圖3-2采用多片地址譯碼芯片74LS138的地址譯碼器擴(kuò)展+5V信息工程學(xué)院2．端口負(fù)載能力擴(kuò)展

單向負(fù)載能力擴(kuò)展器件有74LS244、74LS240、74LS06、74LS07等，主要用于ABUS和CBUS負(fù)載能力擴(kuò)展；雙向負(fù)載能力擴(kuò)展器件有74LS245等，主要用于DBUS負(fù)載能力擴(kuò)展。3．端口的功能擴(kuò)展（1）單向數(shù)據(jù)傳送選通；（2）雙向數(shù)據(jù)傳送選通；（3）非數(shù)據(jù)傳送單點(diǎn)控制信號(hào)；（4）非數(shù)據(jù)傳送雙點(diǎn)、多點(diǎn)控制信號(hào)；（5）數(shù)據(jù)傳送選通與非數(shù)據(jù)傳送控制功能兼顧。3.2.4接口實(shí)例1．8255A在微機(jī)控制系統(tǒng)中的接口實(shí)現(xiàn)

信息工程學(xué)院例3.1設(shè)圖33中PA口通過輸入數(shù)字過程通道聯(lián)接工業(yè)生產(chǎn)過程的一組狀態(tài)點(diǎn)，PB口通過輸出數(shù)字過程通道聯(lián)接系統(tǒng)控制臺(tái)的一組生產(chǎn)過程狀態(tài)指示燈，將MCS51工作寄存器R7的內(nèi)容送指示燈，將生產(chǎn)過程的相應(yīng)狀態(tài)讀入工作寄存器R2。試編寫其操作程序。直接傳送方式使8255A的PA口為方式0輸入，PB口為方式0輸出。PC口的輸入/輸出方式?jīng)]有要求，可任意設(shè)定。將8255A的4個(gè)端口視1組端口，P2。7連接為線選組地址，A1A0的組合用于選擇組內(nèi)端口地址，即PA口、PB口、CW的端口地址分別對(duì)應(yīng)#7FFCH、#7FFDH和#7FFFH。MCS518255A74LS373GGCSA1A0D0~D7RDWRRESET88P2.7ALEP0RDWR+5VPAPBPC888I/O圖338255A與數(shù)字過程通道接口實(shí)例電路圖輸入數(shù)字過程通道輸出數(shù)字過程通道工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)操作臺(tái)信息工程學(xué)院參考程序如下：INIT8255： MOV DPTR，#7FFFH；控制口地址送數(shù)據(jù)指針 MOV A，#90H ；PA輸入，PB輸出，PC任意，控制字可為100100B MOVX @DPTR，A ；方式控制字寫入8255A控制口，PA輸入，PB輸出MOVDPTR，#7FFDH ；PB口地址送數(shù)據(jù)指針 MOV A，R7 MOVX @DPTR，A ；將R7的內(nèi)容輸出到PB口 MOV DPTR，#7FFCH ；PA口地址送數(shù)據(jù)指針 MOVX A，@DPTR ；讀PA口開關(guān)的狀態(tài) MOV R2，A ； RET信息工程學(xué)院當(dāng)需要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的模擬量進(jìn)行測(cè)控時(shí)，以8255作為并行接口，MCS-51單片機(jī)作為主機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。通過編程使8255-PA口工作在方式1（單向選通）輸入，8255-PB口工作在方式1輸出，允許中斷。在程序控制下，PC7輸出一個(gè)正脈沖啟動(dòng)模擬過程輸入通道進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，此次模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換完畢，輸入通道通過PC4向8255-PA口發(fā)出選通信號(hào)，將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果打入PA口，同時(shí)通過INTRA向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。MCS518255A74LS373GGCSA1A0D0~D7RDWRINTRAINTRB88P2.7ALEP0RDWRPAPB88圖348255A與模擬過程通道接口實(shí)例電路圖模/數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程采樣/保持多路轉(zhuǎn)換PC4PC7STBA數(shù)/模保持OBFBPC1ACKBPC2INT0INT1模擬過程通道多路轉(zhuǎn)換信息工程學(xué)院主機(jī)響應(yīng)后將PA口數(shù)據(jù)讀入采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，判采樣次數(shù)是否滿，未滿則重復(fù)向PC7發(fā)正脈沖及其以后的工作過程。滿了則進(jìn)入系統(tǒng)決策,將決策結(jié)果通過PB口送模擬過程輸出通道。如果只有一個(gè)被控對(duì)象，模擬過程輸出通道設(shè)置數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)便可，若為多對(duì)象，而又不想增加數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，則須增加多路轉(zhuǎn)換和采樣/保持兩個(gè)環(huán)節(jié)。PB口按單向選通輸出時(shí)，PC1為選通信號(hào)，PC2作為模擬過程輸出通道的回答信號(hào)。8255接到回答信號(hào)后，通過INTRB向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，表示所送數(shù)據(jù)已接收，可送下一個(gè)數(shù)據(jù)了。2．多組數(shù)據(jù)輸入輸出接口例3.2.設(shè)以MCS-51系列機(jī)為主機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)中，過程通道需8路8位數(shù)據(jù)的輸入，4路8位數(shù)據(jù)的輸出，4個(gè)通道環(huán)節(jié)可編程控制信號(hào)。試采用74LS244作為輸入數(shù)據(jù)端口、74LS273作為輸出數(shù)據(jù)端口、可編程控制信號(hào)為無數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)接口電路。信息工程學(xué)院&≥1≥1≥1≥1A0A1A2E1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2E1E2E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7+5V數(shù)據(jù)總線1#74LS1382#74LS13874LS244G1#74LS244G2#74LS244G8#…………………74LS273CP4#74LS273CP1#A12A13A14A15+5VRD……A11A11A8A9A10A8A9A10圖3-5多路數(shù)據(jù)輸入輸出接口邏輯WR≥1≥1≥1Control1Control4信息工程學(xué)院解：接口電路邏輯如圖3-5所示，8個(gè)輸入端口由一片3—8譯碼器74LS138進(jìn)行端口地址譯碼，4個(gè)輸出端口與4個(gè)可編程控制信號(hào)合由一片74LS138進(jìn)行端口地址譯碼。高位地址線A15A14A13A12A11=11110時(shí)選通1#74LS138譯碼器，即選通輸入端口。若A10A9A8=000，則其譯碼輸出Y0為低電平，將來自1#74LS244的數(shù)據(jù)讀入主機(jī)總線，其余類推。當(dāng)A15A14A13A12A11=11111時(shí)選通2#74LS138譯碼器，即選通4個(gè)輸出端口，并提供4個(gè)編程控制信號(hào)。各端口的地址分配如表3-1所示。信息工程學(xué)院3.3模擬輸入過程通道配置3.3.1通道基本結(jié)構(gòu)傳感器傳感器編程放大器采樣保持A/D接口主機(jī)控制器圖3-6典型模擬輸入通道結(jié)構(gòu)圖信號(hào)調(diào)理生產(chǎn)過程信號(hào)調(diào)理多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣/保持采樣/保持A/DA/D接口采樣/保持采樣/保持多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/D接口（a）（b）圖3-7通道衍變結(jié)構(gòu)圖放大器放大器放大器放大器信息工程學(xué)院

模擬量輸入通道各部分電路作用說明如下：1．傳感器：將過程量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2．放大電路：對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大。3．多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：將多路模擬信號(hào)按要求分時(shí)輸出。4．采樣保持：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，在?！獢?shù)轉(zhuǎn)換期間對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行保持。5．A/D轉(zhuǎn)換：即模—數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量。6．控制器：實(shí)現(xiàn)通道各環(huán)節(jié)在邏輯和時(shí)序上的協(xié)調(diào)。

信息工程學(xué)院3.3.2信號(hào)的拾取方式模擬輸入通道中，首先要將外界非電參量，如溫度、濕度、流量、應(yīng)力、壓力、速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換為電量，這個(gè)環(huán)節(jié)可采用敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x器來實(shí)現(xiàn)。1．通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào):敏感元件將測(cè)的物理量變換為電流、電壓或R.L.C參量的變化2.通過傳感器拾取被測(cè)信號(hào):用敏感元件及相應(yīng)的測(cè)量電路、信號(hào)傳遞機(jī)構(gòu)配以適當(dāng)外形可以制成各類傳感器。

3．通過測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào):通過調(diào)節(jié)測(cè)量?jī)x表直接輸出用于A/D轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)電壓或標(biāo)準(zhǔn)電流(但要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓).3.3.3通道放大技術(shù)1．微弱信號(hào)放大器原理對(duì)經(jīng)傳感器變換后得到的微弱模擬信號(hào)進(jìn)入前置處理環(huán)節(jié),前置處理的重要手段是將微弱模擬信號(hào)放大處理。由于通用運(yùn)算放大器具有較大的失調(diào)電壓和溫度漂移,一般不能用作微弱信號(hào)的放大器。在模擬輸入通道中一般采用測(cè)量放大器來完成信號(hào)放大任務(wù)。

信息工程學(xué)院-+A1+-A2+-A3Vi1Vi2VORGR1R2R3R4R5R6圖3-8測(cè)量放大器結(jié)構(gòu)根據(jù)圖3-8有由于

，并取，有而信息工程學(xué)院于是即測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由式（3.7）給出，該式表明僅需調(diào)整RG就可方便、有效地調(diào)整K，而由于電路對(duì)稱，調(diào)整RG不會(huì)降低共模抑制比。又取，則有（3.7）AD620是與該原理對(duì)應(yīng)的器件。引腳結(jié)構(gòu)見圖3-9，應(yīng)用電路連接示意見圖3-10。RGRGVIN-VIN+VEEVCCOUTREF56784321AD620+-AD62032186457VEEVCCRGVIN-VIN+VOUT圖3-9AD620引角圖圖3-10AD620典型應(yīng)用信息工程學(xué)院AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)。其最大輸入偏置電流為20nA，表明輸入阻抗高。外聯(lián)可調(diào)RG可實(shí)現(xiàn)1～1000范圍的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)。工作電壓范圍為±2.3～±18V,最大電源電流為1.3mA.最大輸入失調(diào)電壓為125μV,頻帶寬度為120kHz（K=100時(shí)）圖3-11是AD620用于電橋測(cè)量的連接電路。除AD620之外，同類原理器件有AD626、LH0036、LH0038、LM363及較前出現(xiàn)的AD521/AD522、INA102等等。+-AD62032186457VCCRG圖3-11AD620電橋測(cè)量電路A/D轉(zhuǎn)換信息工程學(xué)院2．可編程放大器原理可編程放大器實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)是式（3.7），即改變RG可以有效地改變?cè)鲆嬷?。可編程放大器原理電路見圖3-12所示。圖3-12可編程放大器的原理結(jié)構(gòu)圖主機(jī)單端多路轉(zhuǎn)換開關(guān)X連通代碼寄存器-+A1+-A2+-A3Vi1Vi2V0R1R2R3R4R5R6RGnRG2RG1x1x2xnXCOM1COM2接口信息工程學(xué)院以一個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端作為公共端，圖3-12中為COM2，n個(gè)阻值不同的RG均連接于COM端，形成n條電阻支路或電阻網(wǎng)絡(luò),記為x1，x2，···xn。另一個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端（例圖為COM1）引出純導(dǎo)線支路，用X表示。當(dāng)X與xi（i∈{1，2，···n}）條電阻支路連通時(shí)，K=Ki。實(shí)現(xiàn)程序控制X與xi連通的硬件條件是在X與x1，x2，···xn之間設(shè)置單端多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，該開關(guān)由X連通代碼寄存器提供分支選擇代碼和選通信號(hào)。每一個(gè)xi建立一個(gè)連通代碼并存儲(chǔ)在一個(gè)固定區(qū)域，當(dāng)主機(jī)將xi的連通代碼送入X連通代碼寄存器時(shí)，X與xi連通，使K=Ki。n條分支可產(chǎn)生n個(gè)K值。也可選擇分支并聯(lián)，產(chǎn)生所需K值。AD612/614是這一原理的典型器件，其n=10，不同之處是輸入信號(hào)從其兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的反相端輸入，而增益的調(diào)整電阻從兩個(gè)輸入運(yùn)算放大器的正相端接入。此器件可實(shí)現(xiàn)以下三種基本使用方法為（1）利用片內(nèi)的RG1～RGn調(diào)節(jié)K，稱為程序控制增益方法。具體使用時(shí)，RG1~RG8分別對(duì)應(yīng)Ki=21~28；將RG8、RG9并聯(lián)，即將x8、x9兩端合為一端，則K=29；將x8、x9、x10三端合為一端，則K=210；當(dāng)不接入RG時(shí)，K=1。（2）利用RG的兩個(gè)外置連接端子，建立外置RG1～RGn（按要求的增益）電阻網(wǎng)絡(luò)，程控調(diào)節(jié)原理與效果和內(nèi)置電阻網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)原理與效果完全相同。（3）在RG的兩個(gè)外置連接端子之間接入可變電阻器也可實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整。類似的器件有PGA100及PGA200/201、PGA102等。信息工程學(xué)院3.3.4模擬多路切換技術(shù)(模擬多路開關(guān)

)1．模擬多路切換器的類型模擬多路切換器有兩類：一類是機(jī)械觸點(diǎn)式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子式繼電器。另一類是電子式開關(guān)，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及集成電路開關(guān)等。2．模擬多路切換器的連接方式1）單端連接法;2）差動(dòng)連接法;3）偽差動(dòng)連法.信息工程學(xué)院3．集成多路模擬切換器常用的CMOS集成多路轉(zhuǎn)換器有單端和差分兩種類型，一般情況下，它們分別用于單端接法和差動(dòng)接法應(yīng)用場(chǎng)合。1）單端集成多路模擬切換器電平轉(zhuǎn)換ENA0A1A2x1X2X8X8選1控制邏輯圖3-148選1模擬切換器原理電路f1f2f8X=xi

fi(A0,A1,A2,EN)=1,EN=1ZEN=0(3.8)i∈{1,2,···，8}，Z表示高阻抗或不接通，fi為模擬開關(guān)的連通控制信號(hào)，fi=1，對(duì)應(yīng)的模擬開關(guān)連通，X=xi，如果信息只能xi→X稱為單向多路模擬開關(guān)；X、xi可以互送稱為雙向多路模擬開關(guān)。fi=0,第i路模擬模擬開關(guān)斷開。fi(A0,A1,A2,EN)是EN控制下的A0A1A2的3—8譯碼函數(shù)。典型8通道芯片有CD4051、AD7501、MAX354、DG407等。典型16通道芯片有CC4067、AD7506、MAX396等。信息工程學(xué)院2）差動(dòng)集成多路模擬切換器差動(dòng)集成多路轉(zhuǎn)換器有4通道、8通道兩種?；趫D3-15原理的差動(dòng)4通道器件有MAX355、AD7502、MAX384、MAX399等。典型8通道差動(dòng)多路轉(zhuǎn)換器有AD7507、MAX397、MAX359、DG409等。信息工程學(xué)院3.3.5采樣保持技術(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過程所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間.在轉(zhuǎn)換時(shí)間△t內(nèi)產(chǎn)生的誤差稱為孔徑誤差△V.設(shè)模擬信號(hào)為：

最大變化率為：

所以從t=0開始采樣，采樣的孔徑時(shí)間為△t，則采樣的最大誤差為信息工程學(xué)院為滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度要求，希望在△t時(shí)間內(nèi)，信號(hào)變化最大幅度應(yīng)小于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化誤差。對(duì)于ADS1211的12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，基準(zhǔn)電壓為10.24V，其量化誤差為：

若Vf=5V，由此要求輸入信號(hào)的最高變化頻率：

因此,當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，

不影響轉(zhuǎn)換精度所允許的信號(hào)最高頻率就越低，這就大大限制了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作頻率范圍。

信息工程學(xué)院如圖為S/H器原理圖：

輸入阻抗大VoVi控制信號(hào)CH輸出阻抗?。獽MUXA1A2基本結(jié)構(gòu)由MUX，CH兩個(gè)接成跟隨器的運(yùn)放組成，工作過程如下：（1）控制信號(hào)：H→K合上，VA1經(jīng)MUX給CH充電（條樣期），由于A1接成跟隨器（K＝1），∴VA1＝Vi，A2也是跟隨器，V0＝VCH。注：為減小轉(zhuǎn)換誤差，對(duì)CH的充電常數(shù)越小越好。即盡可能快的使VCH＝Vi（采樣期不轉(zhuǎn)換）。2．采樣保持原理分析信息工程學(xué)院（2）控制信號(hào)由H→L，K斷開，CH將K斷時(shí)（令其為t1）的值，即Ui(t1)=Uc(t1)保持下來，經(jīng)A2輸出。（3）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入△t，在△t內(nèi)，Uc(t1)＝Ui(t1)的時(shí)間越長(zhǎng)越好。（保持期也就是轉(zhuǎn)換期）注：為使H期間UCH基本不變，A2－＋的輸入電阻要極大，MUX的反向漏電流極小，總之要使CH趨近于無放電回路，而接近理想的條樣保持器。3．典型器件常用的模擬集成化S/H器有LFX98系列，該系列特點(diǎn)：條樣速度高，保持電壓下降速度慢，精度高。除LFX98外，還有SHA－XA系列,AD583，HTS系列等.注意S/H的4個(gè)性能參數(shù):1)采樣時(shí)間.2)孔徑時(shí)間.3)輸出電壓衰減率.4)直通饋入.信息工程學(xué)院3.3.6模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置。兩大類：（1）直接：計(jì)數(shù)，逐行，并行；（2）間接：V→T→D（V/T），V→F→D（V/F）1．逐次逼近式Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換：方案1：取值逼近法設(shè)有n位A/D器；（1）將Dn-1＝MSB置1，其余為0；（2）將n位SAR進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換所得Vf與Vi（被轉(zhuǎn)模擬電壓）比較；

逐次逼近寄存器置數(shù)選擇邏輯CLKSARD/A轉(zhuǎn)換＋－ViVf數(shù)字輸出等效器信息工程學(xué)院（3）若Vf>Vi，此次此位1取消改為0，若Vf<Vi，

則此次此位1保留，否則在此位的低位置1。（4）N位取值滿否？滿則結(jié)束，未滿則在依次的低位取值1，轉(zhuǎn)（2）。此種轉(zhuǎn)換過程圖示如下：圖中N＝8f10000000Vf1<Vi10100000第二次取的1去掉為0第三次取1Vf2>Vi11000000第一次的1留下第二次取1Vf1Vf3Vf2ViVx10010000第二，三次取的1去掉為0第4次取1信息工程學(xué)院方案2：計(jì)數(shù)逼近法如圖所示.此方法更為常用；方案1的取值需計(jì)算機(jī)進(jìn)行取值決策。

計(jì)數(shù)時(shí)間△DVitD/A轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器CLRCLKDCLKCLREOC（轉(zhuǎn)完標(biāo)志符號(hào)）CLKRESETV0Vf/Q1信息工程學(xué)院1)8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器及接口圖3-24ADC0808/0809結(jié)構(gòu)框圖信息工程學(xué)院圖3-200809與89S51的接口P0。0D0P0。7D7P2。0P2。1P2。2ABCP2。7++ALESTARTOEEOCALECLKIN0IN7VCCREF（+）REF（-）GND+5V89s510809ORG2000HSETBIT1;置為邊沿觸發(fā)SETBEA;開放總中斷SETBEX1;開放外部中斷0MOVDPTR，#78FFH;設(shè)置ADC的；A/D口地址MOVR0，#50H;設(shè)置存數(shù)緩沖區(qū)指針MOVX@DPTR，A;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換·····中斷服務(wù)子程序ORG0013HAJMPRDDORG1000HRDD:MOVXA，@DPTR;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVX@R0，A;存數(shù)到緩沖區(qū)INCR0;修改緩沖區(qū)指針I(yè)NCDPH;修改通道號(hào)（通道號(hào)加1）REP:MOVA，R0CJNEA，#58H，REP1;完成8通道采樣嗎？MOVDPH，#78H;返回主程序RETIREP1:MOVX@DPTR，A;啟動(dòng)下一路轉(zhuǎn)換RETI;返回主程序信息工程學(xué)院2)12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器及接口DA574A的邏輯控制輸入信號(hào)有CE、/CS、R//C、12//8、A0，用以控制AD574A的啟動(dòng)、輸出。STS為AD574A的工作狀態(tài)指示端，STS=1時(shí)表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，STS返回到0時(shí)表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，該信號(hào)可作為CPU的中斷或查詢信號(hào)。AD574A的輸出數(shù)據(jù)格式與輸入極性有關(guān)，使用時(shí)要注意其用法。單極性輸入時(shí)，輸入信號(hào)范圍為0～10V(或0～20V)，輸出編碼為000H～FFFH，雙極性輸入時(shí)，輸入信號(hào)范圍為－5V～+5V(或-10～+10V),數(shù)據(jù)采用偏移碼形式。數(shù)據(jù)格式為：

圖3-22AD574A與89S51的接口電路

P1.7信息工程學(xué)院轉(zhuǎn)換子程序如下(查詢方式)MOVDRTR，#8000HMOVA，#00HMOVX@DRTR，A;以上啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換I/O地址STATE:JBP1.0，STATE;查詢MOVDPTR，#8001HMOVXA，@DPTRMOVR2，A;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高字節(jié)MOVDRTR，#8003HMOVXA，@DPTRMOVR3，A;讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低字節(jié)RETCE工作狀態(tài)0××××禁止×1×××禁止100×0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換100×1啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換101接1腳(+5V)×12位并行輸出有效101接15腳(0V)0高8位并行輸出有效101接15腳(0V)1低4位加上尾上4個(gè)0有效信息工程學(xué)院2．積分式A/D轉(zhuǎn)換1)原理分析

K為四檔電子開關(guān)，由定時(shí)器控制接點(diǎn)。計(jì)數(shù)脈沖與B輸出共接于負(fù)與非門，由B的H狀態(tài)禁止，B＝L，開啟計(jì)數(shù)器。運(yùn)放A0,R.C按積分放大器連接,運(yùn)放B為0比較器，當(dāng)UA＝0時(shí)，UB＝1，否則輸出0?！繳i＋UREF－UREFK基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器RCUBUA0比較器AB++__控制邏輯CLK轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換開始信息工程學(xué)院變換過程如下：

（1）t0時(shí)刻：K——>使C經(jīng)R放電至

[CLK禁止]；

（2）t0～t1（T1）時(shí)刻：

（對(duì)

條樣）使

在T1時(shí)間計(jì)數(shù)值為N1，T1由定時(shí)器控制，對(duì)任意Ui都是相同的采樣時(shí)間，顯然Ui不同則有N1相同，以保證Uc放電時(shí)，計(jì)數(shù)器為同一起點(diǎn)計(jì)數(shù).此時(shí)，.CLK允許，設(shè)+-（3）t1～t2（T2)：向相反方向變化，或，計(jì)數(shù)器從N1開始計(jì)數(shù)直到而形成N2，顯然越大，所需時(shí)間越長(zhǎng)，N2也越大，即不同的對(duì)應(yīng)于不同的N2，當(dāng),Ub由L→H,禁止CLK，此次轉(zhuǎn)換完畢，A/D轉(zhuǎn)換值為N2。

信息工程學(xué)院轉(zhuǎn)換波形如圖所示：

f2’’’T2’’’T1↓N1f0VC3VC2VC1Vi’Vi’’Vi’’’f2’f2’’T2’’T2’(N2’)(N2’’)(N2’’’)f1信息工程學(xué)院現(xiàn)以T1為給定值時(shí)求的定量關(guān)系：

第一次積分：

(1)這里∴與總是反相的,且

ttdt信息工程學(xué)院第二次積分：t1時(shí)刻，K打到與Ui相反的上，此時(shí)：

（疊加原理）

(2)注：取值總與反相。（2）式為直線方程，不同的t2有不同的或者說是一族斜率為的平行直線，當(dāng)＝0，，則：

(3)信息工程學(xué)院將（1）代入（3）有：

于是設(shè)

（T——CLK周期）

：是對(duì)于任意以相同的時(shí)間的采樣計(jì)數(shù)值。（由人們自行設(shè)計(jì)）從而有：

(4)信息工程學(xué)院顯然為從時(shí)刻開始計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)目，即A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值,記為N；將

代入（4）式

(5)（總是和相反）

信息工程學(xué)院2)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器及接口

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般大于40ms，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼、七段碼和二進(jìn)制碼的形式輸出。常見的BCD碼輸出的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器有MC14433(3位半),、ICL7135(4位半)等.主要應(yīng)用特性說明

重點(diǎn)注意基準(zhǔn)電壓：基準(zhǔn)電壓應(yīng)外接，當(dāng)模擬輸入電壓在0～1.999mv時(shí),基準(zhǔn)電壓為200mv;當(dāng)模擬輸入電壓在0～1.999v時(shí),基準(zhǔn)電壓為2v.

圖3-28MC14433結(jié)構(gòu)框圖

信息工程學(xué)院MC14433與89S51的接口應(yīng)用

MC14433是以BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。共輸出千，百，十，個(gè)四位BCD碼，且千位只輸出0－1兩個(gè)數(shù)，還并作符號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)過量程時(shí)，也作過量程標(biāo)志信息。引腳意義：VDD：＋5V；VEF：－5V；VSS：DGNDVR：基準(zhǔn)電壓；VX：輸入模擬值；VAG：模地

*：EOC（O）：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，正脈沖有效

DU（I）：以新的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出控制端

當(dāng)EOC與DU相連時(shí)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)換。

EOCDU信息工程學(xué)院

:當(dāng)Ux過量時(shí)或，表示過