第2章計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)

計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：1)主控機的選型；2)輸入/輸出過程通道的設(shè)計；3)系統(tǒng)各類總線形式的選擇；4)特殊功能板卡的設(shè)計；5)執(zhí)行機構(gòu)的選擇；6)測量變送環(huán)節(jié)的選擇；7)接口電路的設(shè)計；8)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)設(shè)計等。第2章計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)2.1總線技術(shù)2.2總線擴展技術(shù)2.3數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.4模擬量輸入接口與過程通道2.5模擬量輸出接口與過程通道2.6基于串行總線的計算機控制系統(tǒng)硬件技術(shù)2.7硬件抗干擾技術(shù)2.1

總線技術(shù)2.1.1

總線的定義、層次結(jié)構(gòu)及種類

所謂總線：就是計算機各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號線。以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級總線和系統(tǒng)總線。

片級總線：是微機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、I2C(Inter-IntegratedCircuit)總線、SPI總線(SerialPeripheralInterface,串行外設(shè)接口)、SCI總線（serialcommunicationinterface，串行通信接口）等；

系統(tǒng)總線：是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；包括ISA總線(IndustryStandardArchitecture）、EISA總線、VESA(Video

ElectronicStandardAssociation)總線、PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)等；

外部總線：是微機和外部設(shè)備之間的總線，微機作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級的互連。包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等總線。另外，在工業(yè)控制中，還定義了其它總線，如：VME(VersaModuleEurocard

)、STD、PC-104、CompactPCI等。2.1.2PC/ISA/EISA總線簡介1.PC/ISA總線的發(fā)展

2.ISA信號線定義（也稱為

AT總線）--16位，總線頻率8MHz3.EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）--32位，總線頻率16MHz8位基本插槽：8位數(shù)據(jù)寬度和20位地址16位擴充插槽：不能獨立工作，增加了8位數(shù)據(jù)和7位地址ISA總線信號懸索饋源支撐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖脈沖分配和光電隔離基于FPGA的八軸聯(lián)動伺服控制卡總體設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)圖2.1.3PCI/CompactPCI總線簡介

PCI(PeripheralComponentInterconnect,外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))是美國SIG集團推出的64位總線。該總線的工作頻率為33MHz/66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為80MB/s(峰值傳輸率為133MB/s)。

通常認(rèn)為：I/O總線的速度應(yīng)為外設(shè)速度的3-5倍。

PCI是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理（橋就是一個總線轉(zhuǎn)換器和控制器，習(xí)慣上將與CPU連接的芯片稱為北橋，與I/O設(shè)備連接的芯片稱為南橋），并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能，它為顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、MODEM等設(shè)備提供了連接接口。

PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

基本概念不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的。一方面可以節(jié)省接插件的管腳數(shù)，另一方面便于實現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。在做數(shù)據(jù)傳輸時，由一個PCI設(shè)備做發(fā)起者(主控，Initiator或Master)，而另一個PCI設(shè)備做目標(biāo)(從設(shè)備，Target或Slave)。總線上的所有時序的產(chǎn)生與控制，都由Master來發(fā)起。PCI總線在同一時刻只能供一對設(shè)備完成傳輸，這就要求有一個仲裁機構(gòu)(Arbiter)，來決定在誰有權(quán)力拿到總線的主控權(quán)。這里我們可以看出，PCI總線的傳輸是很高效的，發(fā)出一組地址后，理想狀態(tài)下可以連續(xù)發(fā)數(shù)據(jù)，峰值速率為132MB/s。實際上，目前流行的33M，32bit北橋芯片一般可以做到100MB/s的連續(xù)傳輸。即插即用的實現(xiàn)所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。而不象舊的ISA板卡，需要進行復(fù)雜的手動配置。中斷共享的實現(xiàn)ISA卡的一個重要局限在于中斷是獨占的，而我們知道計算機的中斷號只有16個，系統(tǒng)又用掉了一些，這樣當(dāng)有多塊ISA卡要用中斷時就會有問題了。PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。硬件上，采用電平觸發(fā)的辦法：中斷信號在系統(tǒng)一側(cè)用電阻接高，而要產(chǎn)生中斷的板卡上利用三極管的集電極將信號拉低。這樣不管有幾塊板產(chǎn)生中斷，中斷信號都是低；而只有當(dāng)所有板卡的中斷都得到處理后，中斷信號才會回復(fù)高電平。軟件上，采用中斷鏈的方法。PCI總線的主要性能

（1）支持10臺外設(shè)

（2）總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz

（3）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s

（4）時鐘同步方式

（5）與CPU及時鐘頻率無關(guān)

（6）總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）

（7）能自動識別外設(shè)

2.其它特點具有與處理器和存儲器子系統(tǒng)完全并行操作的能力具有隱含的中央仲裁系統(tǒng)采用多路復(fù)用方式（地址線和數(shù)據(jù)線）減少了引腳數(shù)支持64位尋址完全的多總線主控能力提供地址和數(shù)據(jù)的奇偶校驗可以轉(zhuǎn)換5V和3.3V的信號環(huán)境3.PCI總線信號定義主控設(shè)備49條，目標(biāo)設(shè)備47條，可選引腳51條（主要用于64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等），總引腳數(shù)188條（包含電源、地、保留引腳等）。CompactPCI總線簡稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是一種基于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線的小巧而堅固的高性能總線技術(shù)。是國際PICMG協(xié)會于1994年提出來的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。CompactPCI所具有的開放性、高可靠性、可熱插拔特性，使該技術(shù)除了可以廣泛應(yīng)用在通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機電話整合外，同時，也適用于實時系統(tǒng)控制、產(chǎn)業(yè)自動化、實時數(shù)據(jù)采集、軍事系統(tǒng)等需要高速運算的領(lǐng)域，以及智能交通、航空航天、醫(yī)療器械、水利等模塊化的極高可靠度、可長期使用的應(yīng)用領(lǐng)域。

CPCI技術(shù)是在PCI技術(shù)基礎(chǔ)之上經(jīng)過改造而成，具體有三個方面：

一、繼續(xù)采用PCI局部總線技術(shù)；

二、拋棄PCI傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，改用經(jīng)過20年實踐檢驗了的高可靠歐洲卡結(jié)構(gòu)，改善了散熱條件、提高了抗振動沖擊能力、符合電磁兼容性要求；

三、拋棄IPC的金手指式互連方式，改用2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性，進一步提高了可靠性，并增加了負(fù)載能力。

目前CompactPCI技術(shù)是國際最先進的工業(yè)計算機技術(shù)。4.CompactPCI總線2.1.4其它總線簡介1.PC/104總線(外部總線)：PC/104總線是嵌入式PC機所用的總線標(biāo)準(zhǔn).有兩個總線插頭.共有104個引腳,這也是PC/104名稱的由來.具有小型化的尺寸。PC/104有兩個版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT(ISA)相對應(yīng)。本質(zhì)上就是尺寸縮小為3.8英寸3.9英寸的ISA總線板卡。總線以“針”和“孔”形式層疊連接，這種層疊封裝有極好的抗震性。4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗。最高工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到8MB/s，地址線24條，可尋訪16M字節(jié)地址單元。

104根線分為5類：地址線，數(shù)據(jù)線，控制線，時鐘線，電源線。2.PC/104plus總線：與PCI總線相對應(yīng)，采用單列三排120個管腳。有效信號線和控制線與PCI總線完全兼容。PC104PC104Plus3.STD總線(外部總線)： STD總線屬外總線，是美國普洛公司于1978年推出，適用于工業(yè)控制機的特點和要求而設(shè)計的56根線的總線，如圖3.16所示。采用公共母板結(jié)構(gòu)，板上安裝若干個插座，插座對應(yīng)引腳都是連到同一根總線信號線上，總線信號符合STD規(guī)范，各功能模塊（如CPU模塊、存儲器模塊、圖形顯示模塊、A/D模塊、D/A模塊、開關(guān)量I/O模塊等）都按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制作，可插入任意插座，從而組建成不同規(guī)模的計算機系統(tǒng)。STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應(yīng)用要求。在56根總線中，有6根邏輯電源線、4根輔助電源線、8根數(shù)據(jù)總線、16根地址總線和22根控制總線。STD總線的16位總線性能滿足嵌入式和實時性應(yīng)用要求。4.STD32總線：32位總線。STD總線模塊化STD總線8098單片機實驗系統(tǒng)

5.IEEE-488總線(外部總線)IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn),使用24芯連接器．其中有8條雙向數(shù)據(jù)線．3條字節(jié)傳送控制線．5條接口管理線及8條地線，用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。IEEE-488總線接口一般采用專用的接口芯片來實現(xiàn)。基本方式包括：1．聽者方式，從總線上接收數(shù)據(jù)2．講者方式，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。3．控者方式IEEE-488PCI2.1.5串行外部總線簡介1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信總線（1）平衡和不平衡傳輸方式（2）RS-232（圖a）--通常以9個引腳(DB9)或是25個引腳(DB25)的型態(tài)出現(xiàn)，一般計算機上會有兩組RS232接口，分別稱為COM1和COM2。RS-232采取不平衡傳輸方式，即單端通訊。其收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號都是相對于地信號的。所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線的分布電容，其傳輸距離最大約為15M，最高速率為20KBPS，且其只支持點對點通信，不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

（3）RS-422A/RS-485RS-422A（四線接口）和RS-485（兩線制和四線制兩種接線，多采用的是兩線制接線方式）：驅(qū)動和接收電路沒有多大區(qū)別，在許多情況下可以互聯(lián)，他們采用平衡驅(qū)動和差分接收方法。兩點傳輸電路RS-232/422A（或485）轉(zhuǎn)換傳輸示意圖半雙工RS-485/422：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號，有極強的抗共模干擾的能力。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)。RS-485/422最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S。一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

全雙工（4）RS-485多點互連另見表1，三種串行總線的比較。2.USB總線

通用串行總線USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計算機和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達到方便用戶、降低成本、擴展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點之一，USB的最高傳輸率可達12Mbps,比串口快100倍,而且USB還能支持多媒體、外部設(shè)備、電話系統(tǒng)等。（1）具有熱插拔功能；（2）USB采用“級聯(lián)”方式連接各個外部設(shè)備，一個USB控制器可以連接多達127個外設(shè)；（3）適用于低速外設(shè)連接。USB電纜2.2

總線擴展技術(shù)2.2.1微型計算機系統(tǒng)I/O端口與地址分配

1.I/O端口及I/O操作（I/O端口：能夠被CPU直接訪問的寄存器）（1）數(shù)據(jù)端口：起數(shù)據(jù)緩沖作用；（2）狀態(tài)端口：指示外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)；（3）命令端口：用于存放CPU向接口發(fā)出的命令和控制字。

2.I/O端口編址方式（1）統(tǒng)一編址：端口與存儲器統(tǒng)一編址---存儲器映射方式（如PC系列微機）；（2）獨立編址：端口與存儲器分開，單獨編址---I/O映射方式（如80x86）；

3.I/O端口地址分配（1）系統(tǒng)板（主板）上的I/O接口:表2-2（2）擴展卡上的I/O接口:表2-3

4.I/O端口地址選用原則系統(tǒng)配置占用的端口地址一律不能用；廠家聲明保留的端口地址不要用；用戶可以使用PC機300H-31FH的地址。2.2.2I/O端口地址譯碼技術(shù)1.三種譯碼方式

（1）線選法：高位地址線直接（或經(jīng)反相器）接至存儲器或端口的片選端，尋址電路簡單，但會造成地址重疊和地址信息不連續(xù)；如3FE和3FC都是A0為0。（2）全譯碼法：所有地址線都參與譯碼，每個芯片的地址范圍是唯一的，且地址信息連續(xù)，但譯碼電路較復(fù)雜；（3）部分譯碼：用片內(nèi)尋址以外的高位地址線中的部分地址線參與譯碼，譯碼電路較全譯碼簡單，但仍然會有地址重疊。2.I/O端口地址譯碼電路信號---地址和控制信號（如：IOR、IOW、AEN、IO16、SBHE等）的組合。3.I/O端口地址譯碼方法及電路形式---高位地址線與控制信號線組合進行片間尋址；低位地址線進行片內(nèi)尋址。

（1）固定地址譯碼：根據(jù)確定的地址字段來設(shè)計譯碼電路。（2）開關(guān)選擇譯碼：常采用數(shù)據(jù)比較器和一組開關(guān)，將地址設(shè)計成用戶可設(shè)置的形式。（3）采用可編程器件進行譯碼。2.2.3

基于ISA總線端口擴展1.板選譯碼與板內(nèi)譯碼2.總線驅(qū)動及邏輯控制3.端口及其讀寫控制板選譯碼板內(nèi)譯碼總線驅(qū)動邏輯控制2.3

數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.3.1

數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)

數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB地址總線AB存儲器I/O接口輸入設(shè)備I/O接口輸出設(shè)備CPU微型計算機的結(jié)構(gòu)示意圖基本的輸入、輸出數(shù)字量包括：1.開關(guān)的閉合與斷開；2.指示燈的亮與滅；3.繼電器或接觸器的吸合與釋放；4.電動機的供電與斷電；5.電磁閥等閥門的打開與閉合；等等…1.接口的功能：設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖器以解決兩者速度差異所帶來的不協(xié)調(diào)問題；設(shè)置信號電平轉(zhuǎn)換電路；設(shè)置信息轉(zhuǎn)換邏輯以滿足對各自格式的要求；設(shè)置時序控制電路來同步CPU和外設(shè)的工作；提供地址譯碼電路，使CPU在同一時刻只能選中某一個I/O端口。CPU接口外設(shè)可編程中斷控制器8259A可編程計數(shù)器/定時器8253可編程外圍并行接口芯片8255AA/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。本節(jié)介紹最常用的簡單I/O接口芯片,主要有緩沖器(Buffer)和鎖存器(Latch)。2.可編程輸入輸出接口芯片3.程序控制I/O方式a.無條件傳送方式：所謂無條件傳送方式是指可以在需要的時刻讓CPU直接與外設(shè)進行輸入輸出操作，也即CPU僅需要通過I/O指令即可由接口獲取外設(shè)數(shù)據(jù)或為外設(shè)提供數(shù)據(jù)。三態(tài)緩沖接收器：隔離輸入輸出線路，起緩沖作用。1）數(shù)字量輸入接口：輸入開關(guān)的狀態(tài)等。譯碼器地址信號控制信號設(shè)片選端口地址為port，可用如下指令來完成取數(shù)：

MOVDX，portINAL，DX注意：硬件組成、軟件設(shè)計（匯編、C語言）產(chǎn)生IOR信號,將數(shù)據(jù)送入AL寄存器提供地址信息，使對應(yīng)端口的片選信號CS有效開關(guān)K與微機系統(tǒng)連接的接口電路

如果希望完成如下任務(wù)：當(dāng)開關(guān)接通時，CPU執(zhí)行程序段ON；當(dāng)開關(guān)斷開時，CPU執(zhí)行程序段OFF。下述指令的執(zhí)行可以完成該任務(wù)：MOVDX,0FFF7HINAL,DXANDAL,01HJZON；假定程序段ON與本程序段在同一內(nèi)存段中JMPOFF選通端的作用：讀入一次

三態(tài)門作為數(shù)據(jù)輸入接口的一般連接模式：2）數(shù)字量輸出接口：輸出閥門的開關(guān)信息，電機的啟動與停止信息，指示燈的開關(guān)信息等。8位鎖存器：對輸出的狀態(tài)信息進行鎖存設(shè)片選端口地址為port，可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL

如果工控機的I/O端口寫總線周期時序關(guān)系中(上頁圖中)，總線數(shù)據(jù)D0-D7比IOW下降沿晚，所以可利用IOW的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。提供地址信息，使對應(yīng)端口的片選信號CS有效產(chǎn)生IOW信號,將數(shù)據(jù)送入AL寄存器預(yù)設(shè)輸出數(shù)據(jù)注意：硬件組成、軟件設(shè)計（匯編、C語言)發(fā)光二極管與微機系統(tǒng)連接的接口電路對于圖中電路，CPU執(zhí)行下述指令可以使兩個發(fā)光二極管發(fā)亮：MOVDX，0000HMOVAL，81HOUTDX，AL而CPU執(zhí)行下述指令可以使兩個發(fā)光二極管不發(fā)亮：MOVDX，0000HMOVAL，00HOUTDX，AL反相器對鎖存器起保護作用，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)亮?xí)r，反相器可以提高帶負(fù)載能力，以保護鎖存器不受損壞。鎖存器作為數(shù)據(jù)輸出接口的一般連接模式

b.查詢傳送方式：查詢方式實現(xiàn)I/O傳送示例(a)外設(shè)與微機接口電路；(b)外設(shè)工作時序外設(shè)選通信號c.中斷傳送方式：某事件的發(fā)生引起CPU暫停當(dāng)前程序的運行，轉(zhuǎn)入對所發(fā)生事件的處理，處理結(jié)束又回到原程序被打斷處接著執(zhí)行這樣一個過程。1.中斷源2.中斷過程中斷方式的實現(xiàn)一般需要經(jīng)歷下述過程：中斷請求→中斷響應(yīng)→斷點保護→中斷源識別→中斷服務(wù)→斷點恢復(fù)→中斷返回中斷源識別的軟件查詢法

(a)硬件接口；(b)軟件查詢流程

中斷方式--8259在系統(tǒng)中的連接

d.直接存貯器存取(DMA)方式該方式采用了專用控制器(稱之為DMA控制器)而CPU不參與控制，這使得DMA方式與其他I/O方式有了顯著的區(qū)別：DMA方式不是在程序控制下進行的，而是以純硬件控制的方式進行的。能夠?qū)崿F(xiàn)外設(shè)與計算機系統(tǒng)的高速信息交換。2.3.2

數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)：輸入調(diào)理電路、輸入緩沖器、輸入口地址譯碼電路等。2.輸入調(diào)理電路----將現(xiàn)場輸入的開關(guān)量狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機能夠接收的邏輯信號的過程叫信號調(diào)理。

(1)小功率輸入調(diào)理電路：去抖動目的：把開關(guān)K的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成二進制狀態(tài)。原理：閉和K時，電容C放電，反相器反相為1；

斷開K時，電容C充電，反相器反相為0。開關(guān)或繼電器K(2)大功率輸入調(diào)理電路（24V以上）原理：當(dāng)S在上時，輸出上為1，下為0。

當(dāng)S按下時，因為鍵的機械特性，使按鍵因抖動而產(chǎn)生瞬間不閉合，造成R-S觸發(fā)器輸入為雙1，故輸出狀態(tài)保持不變。當(dāng)從電磁離合等大功率器件的接點輸入信號時，為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V以上的直流電壓（因為直流電平的響應(yīng)快，不易產(chǎn)生干擾）。但是這種電路，由于所帶電壓高，所以高壓與低壓之間，用光電耦合器進行隔離。原理：當(dāng)S閉合：光電二極管導(dǎo)通，發(fā)光使晶體管導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相為1。當(dāng)S斷開：光電二極管不導(dǎo)通，晶體管不導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相輸出為0。其中：R1、R2進行分壓，C進行濾波，要合理選擇參數(shù)。開關(guān)或繼電器2.3.3數(shù)字量輸出通道1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)：由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。2.輸出驅(qū)動電路：在數(shù)字量輸出通道中，關(guān)鍵是驅(qū)動，因為從鎖存器中出來的是TTL電平，驅(qū)動能力有限，所以要加上驅(qū)動電路。

(1)小功率直流驅(qū)動電路①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路

繼電器包括線圈和觸點。因負(fù)載呈電感性，所以輸出必須加裝克服反電勢的保護二極管VD，K為繼電器的線圈。VD的作用是泄流，通過VD放掉K上所帶的電荷，防止晶體管反向擊穿。R的作用是限流。作用過程：當(dāng)TTL電平為1時，晶體管截止，K不吸合；當(dāng)TTL電平為0時，晶體管導(dǎo)通，K吸合。②達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路MC1416是達林頓陣列驅(qū)動器.它內(nèi)包含7個達林頓復(fù)合管，電流都在500mA以上。

達林頓晶體管DT（Dar1ingtonTransistor）亦稱復(fù)合晶體管。它采用復(fù)合過接方式，將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次級連而成，最后引出E、B、C三個電極。內(nèi)部保護二極管(2)大功率交流驅(qū)動電路在大功率交流驅(qū)動電路中，固態(tài)繼電器SSR作交流開關(guān)使用。SSR是一種無觸點通斷電子開關(guān)，是一種有源器件，其中左側(cè)兩個端子為輸入控制端，右側(cè)兩個為輸出受控端，為實現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專用光電耦合器。SSR作交流開關(guān)，相當(dāng)于一個觸點，左邊是TTL電平，在0～5V之間：當(dāng)TTL電平為高時，觸點閉合；當(dāng)TTL電平為低時，觸點斷開。零交叉電路在交流電過零時產(chǎn)生觸發(fā)信號，減少干擾。當(dāng)用計算機來控制電磁閥時，即可用固態(tài)繼電器。2.3.4

數(shù)字（開關(guān)）量輸入/輸出通道模板舉例圖2-19PCL-730板卡組成框圖程序設(shè)計舉例(基地址設(shè)為220H)：PCL-730板卡的開關(guān)量輸入/輸出都只需要二條指令就可以完成。C語言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)inportb(Ox220)；讀入隔離開關(guān)量低8位

inportb(Ox221)匯編語言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DXAX:16位，常用于存放操作數(shù)；DX：16位，數(shù)據(jù)寄存器，常用于數(shù)據(jù)傳遞。2.4模擬量輸入接口與過程通道2.4.1

模擬量輸入通道的組成：信號調(diào)理或I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口、控制邏輯等。2.4.2

信號調(diào)理和I/V變換1.信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制、隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。

信號調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機構(gòu)之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要的組成部分。（1）非電信號的檢測---不平衡電橋熱敏電阻三線制接線圖熱敏電阻測量電橋電路（2）信號放大電路---主要要求：精度、速度、幅度、共模抑制

1)基于ILC7650的前置放大電路主要特點：輸入偏置電流小，失調(diào)小，增益高，共模抑制能力強，響應(yīng)快，漂移低，性能穩(wěn)定，價格低廉等。

2）AD526：可編程儀用放大器AD526是可通過軟件對增益進行編程的單端輸入的儀用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五擋。它是一個完整的包括放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和TTL數(shù)字邏輯電路的器件，使用時不需外加任何元件就可工作。

CLK透明模式是13腳CLK接“0”，鎖存模式是CLK接“1”。透明模式下：如果B為高電平，CS和CLK為“0”，輸入模擬信號在A2、A1、A0到來時，增益立即響應(yīng)，但不被保存；鎖存模式下：當(dāng)CLK變?yōu)椤?”時，增益碼被鎖存到內(nèi)部寄存器中，直到CLK從1回到0時才消除。2.I/V變換（1）無源I/V變換

（2）有源I/V變換0~10mA4~20mA0~5V1~5V100500/250R2:精密電阻2501k4.7k？2.4.3

多路轉(zhuǎn)換器

多路轉(zhuǎn)換器又稱多路選擇開關(guān)，多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。可將各個輸入信號依次或隨機連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。通道選擇表見p39表2-6。

圖2-27CD4051原理圖禁止輸入端2.4.4采樣、量化及采樣／保持器

模擬信號（A）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（D）需要時間，所以轉(zhuǎn)換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數(shù)字信號輻值離散。所以AD轉(zhuǎn)換需要做的是對模擬信號進行輻值離散和時間離散。1.信號的采樣香農(nóng)定理：f≥2fmax實際應(yīng)用：f≥（5~10）fmax

用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。

f(t)KTf*(t)香農(nóng)(Shannon)采樣定理：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為ωmax，只要按照采樣頻率ωS≥2ωmax進行采樣，那么取出的樣品序列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。采樣寬度2.量化所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。

量化單位：存在量化誤差：(±1/2)q例如，模擬信號fmax＝16V、fmin＝0V，取i＝4，則q＝1V，量化誤差最大值emax＝±0.5V。A/D轉(zhuǎn)換器字長n足夠長，量化誤差越小，但以夠用為度。ymax：被轉(zhuǎn)換信號的最大值ymin：被轉(zhuǎn)換信號的最小值n：轉(zhuǎn)換后二進制數(shù)的位數(shù)

3.采樣保持器(1)孔徑時間和孔徑誤差的消除

孔徑時間tA/D：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱之為孔徑時間。孔徑時間決定了每個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。

孔徑時間tA/D帶來孔徑誤差，對于一定轉(zhuǎn)換時間，相對誤差和信號頻率成正比。

為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持器的采樣器，即采樣保持器?；镜牟蓸颖３制?2)采樣保持原理

對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持模擬信號基本不變。

V－采樣開關(guān)，R1＝Rf，C為保持電容。保持電容一般外接，其取值與采樣頻率和精度有關(guān)。減小CH可提高采樣頻率，但會降低精度。

①VL=1時：V導(dǎo)通，Vo＝Vc＝－Vi②VL=0時：V截止，Vc（Vo）在短時內(nèi)保持不變。

A1和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣／保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負(fù)載連接。S是模擬開關(guān)，由控制信號控制其斷開或閉合，CH是保持電容。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，其失調(diào)電壓為兩個運放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到采樣／保持器的精度。跟蹤速度也較低。

串聯(lián)型：反饋型：

Ui

-+A1-+eOS1

-+A2CH模擬地-+eOS2K1UKUCUORK2

特點：采樣/保持精度高，原因是只有eOS1影響精度；跟蹤速度快。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此時，CH的端電壓保持在K1斷開瞬間的Ui值上，使

式中eOS1和eOS2分別為運放A1和A2的失調(diào)電壓。采樣保持器的主要參數(shù)有：采樣時間、電壓下降率等。注：模擬信號一般不直接送A/D轉(zhuǎn)換器，而加保持器作信號保持。但是，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換速度很快且輸入信號變化緩慢時可不加保持器。保持器的兩個工作狀態(tài)：

★采樣狀態(tài)

★保持狀態(tài)

（3）常用的采樣保持器

常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等，LF398的采樣控制電平為“1”，保持電平為“0”，AD582相反。

由圖可知，AD582是反饋型采樣／保持器，保持電容接在運放的輸出端（腳8）與輸入端（腳6）之間。

這樣的接法相當(dāng)于在A2的輸入端接有電容：

數(shù)字地1345689101112CHRLUiA1oU2A+-=2k+15V-15V0.05μF10k模擬地ΩΩAD582實用電路所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率：1）當(dāng)精度要求不太高（±0.1%）而速度要求較高時，可選CH=100pF。2）當(dāng)精度要求較高（±0.01%）時，為減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取CH=1000pF。密勒效應(yīng)（Millereffect）是在電子學(xué)中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。雖然一般密勒效應(yīng)指的是電容的放大，但是任何輸入與其它高放大節(jié)之間的阻抗也能夠通過密勒效應(yīng)改變放大器的輸入阻抗。A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)是將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置。按工作原理分類計數(shù)比較型逐次逼近型雙積分型V/F轉(zhuǎn)換型按轉(zhuǎn)換方式分類直接轉(zhuǎn)換逐次逼近型雙積分型V/F轉(zhuǎn)換型間接轉(zhuǎn)換計數(shù)比較型2.4.5A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)逐次逼近型ADC

根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)換位數(shù)，從大到小依次給出各數(shù)位的權(quán)值數(shù)字量（如4位AD，權(quán)值數(shù)字量分別為1000，0100，0010，0001），進行DA轉(zhuǎn)換，分別得到不同的Vo，使Vo與Vi進行比較，比較結(jié)果決定各數(shù)值位的取舍，直至Vo最逼近Vi為止，從而得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

轉(zhuǎn)換過程類似于天平秤重的過程設(shè)有8g、4g、2g、1g四種砝碼，被秤重物為13g。砝碼重量比較判別保留或除去該砝碼次數(shù)18g8g<13g保留28g+4g12g<13g保留38g+4g+2g14g>13g去除48g+4g+1g13g=13g保留原理框圖DA轉(zhuǎn)換器輸出寄存器移位數(shù)碼寄存器控制電路

CP脈沖比較器VoVi電路①移位寄存器:G=1置數(shù),EDCBA=11110;有CP左移,DL=1。②寄存器F0～F4:D觸發(fā)器,D為比較結(jié)果,Vi>Vo’時D=1;使用了異步清0和置1端。③此外還有：DAC電路、比較器、控制電路（G1、G2、F5）等。原理-1⑴指令000011

1

1

011G1=0→/Rd=0→Q3Q2Q1Q0=0000G移=1→移存置數(shù),QE～A=11110→QA=0→/Sd4＝0→Q4＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1000→經(jīng)DAC得Vo’=8V,Vo’<Vi→Vo=1設(shè)Vi=13.5V量化單位△=1V原理-2⑵指令000011

1

1

011G1=1→CP5↑→Q5=1→G2開門,CP可進入移位寄存器G移=0→置數(shù)結(jié)束。→→為移位做好準(zhǔn)備。原理-3⑶CP1100011

1

0

111左移1位→QE～A=11101，→QB=0→/Sd3＝0→Q3＝1

→CP4↑→（∵Vo=1）Q4＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1100→經(jīng)DAC得Vo’=12V,Vo’<Vi→Vo=1原理-4⑷CP2110011

0

1

110再左移1位→QE～A=11011，→QC=0→/Sd2＝0→Q2＝1

→CP3↑→（∵Vo=1）Q3＝1數(shù)字量B4B3B2B1=1110→經(jīng)DAC得Vo’=14V,Vo’>Vi→Vo=0原理-5⑷CP3101010

1

1

111再左移1位→QE～A=10111，→QD=0→/Sd1＝0→Q1＝1

→CP2↑→（∵Vo=0）Q2＝0數(shù)字量B4B3B2B1=1101→經(jīng)DAC得Vo’=13V,Vo’<Vi→Vo=1原理-6⑷CP4101101

1

1

111再左移1位→QE～A=01111，→QE=0/Rd5＝0→Q5＝0→G2封鎖,CP不能進入移位寄存。/Sd0＝0→Q0＝1→CP1↑→（∵Vo=1）Q1＝1→→轉(zhuǎn)換結(jié)束AD轉(zhuǎn)換結(jié)果：Q4Q3Q2Q1=1101逐次逼近型ADC的特點：⑴速度較高⑵精度較高⑶轉(zhuǎn)換時間固定（如4位ADC需4個CP脈沖）。⑷一般輸出帶有緩沖器，便于與微機接口，應(yīng)用較廣泛。1.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809（轉(zhuǎn)換時間約100μs）

8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部有:(1)8通道模擬開關(guān)及通道選擇邏輯;(2)8位A/D轉(zhuǎn)換器;(3)三態(tài)輸出鎖存緩沖器。

工作過程：⑴由地址（C、B、A）選擇輸入（IN0～IN7），ALE（正脈沖）進行地址鎖存；⑵START（正脈沖）啟動AD轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換開始EOC＝0；⑶轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC＝1，向外發(fā)出結(jié)束信號；⑷使OE＝1，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)端口。setbP2.0 ;開啟STARTmovR6,#0FFHdjnzR6,$

;等待轉(zhuǎn)換clrP2.0setbp2.1 ;給0808讀信號OEmovxA,@DPTR;讀nopclrp2.1 ;清除0808讀信號OE控制與時序逐次逼近寄存器模擬開關(guān)256電阻階梯數(shù)據(jù)鎖存和三態(tài)輸出緩沖器8路模擬開關(guān)地址鎖存與譯碼－＋比較器8位DA模擬輸入IN0IN73位地址CBA地址鎖存允許ALEVCCGNDVR＋VR－OE輸出允許8位輸出EOC啟動START時鐘CLOCK5V～15V500KHz～1MHz轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC0809結(jié)構(gòu)框圖ADC0809的量化單位：基準(zhǔn)電壓VREF(+)=5.12V,VREF(-)=0V，則q=20mV,若VIN=2.5V,那么轉(zhuǎn)換結(jié)果為：8位A/D與CPU的接口舉例三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線2.12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A（轉(zhuǎn)換時間約25μs）

AD574A是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持器，它同ADC0809一樣是常用的A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間為25μs，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準(zhǔn)電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙列直插式封裝。

AD574A由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三態(tài)輸出鎖存緩沖器、10V基準(zhǔn)電壓源四部分構(gòu)成。

AD574A的引腳說明：[1].

Pin1(+V)——+5V邏輯電源輸入端。[2].

Pin2()——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)總線是12位或8位輸出。

[3].

Pin3()——片選端。[4].

Pin4(A0)——字節(jié)地址短周期控制端。與Pin2端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。

[5].

Pin5()——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。[6].

Pin6(CE)——使能端。[7].

Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+12～+15V電源。

[8].

Pin8(REFOUT)——10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端。

[9].

Pin9(AGND)——模擬地端。

[10].

Pin10(REFIN)——基準(zhǔn)電源電壓輸入端。

[11].

Pin11(V-)——負(fù)電源輸入端，輸入-12～-15V電源。

[12].

Pin12(V+)——雙極性偏置端,單極性應(yīng)用時接0v，雙極性應(yīng)用時接10v。

[13].

Pin13(10VIN)——10V量程模擬電壓輸入端。

[14].

Pin14(20VIN)——20V量程模擬電壓輸入端。[15].

Pin15(DGND)——數(shù)字地端。[16].

Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。[17].

Pin28(STS)——工作狀態(tài)指示信號端，當(dāng)STS=1時，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)STS=0時，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機的中斷或查詢信號之用。量化單位分別為10V/212和20V/212。3.AD574A/1674與PC總線工業(yè)控制機接口片選信號有效后，高位地址為BASE,則12位A/D啟動控制地址為BASE+0,A/D數(shù)據(jù)輸出高8位口地址為BASE+2,低4位口地址為BASE+3。1）啟動子程序ADSTART:MOVDX,BASE+0OUTDX,ALNOPRET2）讀子程序ASREAD:MOVDX,BASE+2INAL,DXMOVAH,ALMOVDX,BASE+3INAL,DXRET2.4.6

模擬量輸入通道模板舉例圖2-36PCL-813B數(shù)據(jù)采集卡組成框圖

隔離后的A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)增益控制信號采樣控制信號讀低字節(jié)PCL-813B的寄存器地址(P47表2-9)2.程序設(shè)計舉例PCL-813BA/D轉(zhuǎn)換基于查詢方式，由軟件觸發(fā)。A/D轉(zhuǎn)換器被觸發(fā)后，利用程序檢查A/D狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備位（DRDY），如果檢測到該位為“1”，則A/D轉(zhuǎn)換正在進行，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，該位變?yōu)椤?”，此時轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可由程序讀出。程序見p48

2.5模擬量輸出接口與過程通道2.5.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式

1.一個通道設(shè)置一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式：采用數(shù)字量保持方案，數(shù)據(jù)寄存器起到保持器的作用。轉(zhuǎn)換速度快，可靠，各通道相對獨立。模擬量輸出通道由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換電路等組成。2.多個通道共用一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式：采用模擬量保持方案。常用于通道數(shù)量多，速度要求不高的場合。D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理:

將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。2.5.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)電子開關(guān)：d＝1→接“-”;d=0→接“+”權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器：電路形式有多種參考電壓求和電路設(shè)RF=R/2位數(shù)：8位、10位、12位、14位。TTL工藝：AD1408、DAC100等。CMOS工藝：AD7532、AD7541、DAC0808、DAC0832、5G7520等。輸入：并行（傳統(tǒng)芯片，如上述所有型號）串行（近幾年開發(fā)的芯片，如MAX518等）1.8位D/A轉(zhuǎn)換器接口DAC0832是含有雙輸入數(shù)據(jù)鎖存器的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，原理框圖如下，即具有二級緩沖，目的是使數(shù)據(jù)得到充分緩沖，以確保轉(zhuǎn)換精度。

集成D/A轉(zhuǎn)換器：將電子開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)集成在一塊硅片上，外接基準(zhǔn)電壓VR、求和運算放大器。①8位DA轉(zhuǎn)換器②COMS工藝③倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)④內(nèi)部有2個數(shù)據(jù)寄存器⑤直通、單緩沖、雙緩沖三種工作方式D0～D7：輸入8位數(shù)字量，D7最高位（MSB），D0最低位（LSB）Io1、Io2：模擬電流輸出端，Io1+Io2=常數(shù)＝VR/R輸入全1時，Io1最大，Io2最??；反之則反。Io1相當(dāng)?shù)筎形DA轉(zhuǎn)換中的I∑。RFB：運放用反饋電阻引出端。RF＝R，使得引腳說明:VR：基準(zhǔn)電壓，VR＝－10V～＋10VVCC：電源電壓＋5V～＋15VDGND：數(shù)字信號接地端。AGND：模擬信號接地端。：片選信號，低有效。：輸入鎖存使能，高電平有效。：寫信號1，低電平有效。：數(shù)據(jù)鎖存。寄存器輸出不隨輸入變化。：數(shù)據(jù)直通。寄存器輸出隨輸入變化。：寫信號2，低有效。：DAC轉(zhuǎn)換控制端，低有效。：數(shù)據(jù)鎖存。寄存器輸出不隨輸入變化。：數(shù)據(jù)直通。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)隨輸入變化。典型應(yīng)用VREF為-5V，電壓輸出為0~＋5V;VREF為-10V，電壓輸出為0~＋10V;VREF為＋5V，電壓輸出為0~－5V;VREF為＋10V，電壓輸出為0~－10V;

把輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓直通工作方式：數(shù)據(jù)不作任何鎖存；常用三種工作方式若CS的地址為BASE:DAOUT:MOVDX,BASEMOVAL,7FHOUTDX,ALRET單緩沖方式：數(shù)據(jù)被一個寄存器鎖存；雙緩沖方式：兩個寄存器都對數(shù)據(jù)進行鎖存。調(diào)零和調(diào)滿度①調(diào)零：輸入D0～D7為全零，調(diào)RE使Vo＝0②調(diào)滿度：輸入D0～D7為全1，調(diào)RF使Vo＝最大③重復(fù)①②步驟，直到都滿足為止。步驟：調(diào)零調(diào)滿度2.12位D/A轉(zhuǎn)換器接口-DAC1210雙緩沖方式若CS的地址為BASE:DAOUT:MOVDX,BASE+1MOVAL,dataHOUTDX,ALMOVDX,BASE+0MOVAL,dataLOUTDX,ALRET2.5.3

單極性與雙極性電壓輸出電路單極性輸出電路雙極性輸出電路設(shè)n=8時2.5.4V/I變換1.集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20輸入電壓：0～10V，輸出電流：4～20mA，電源電壓：10～32V。

ZF2B20中包括一個高精度運算放大器、精密電阻和一個高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源。其內(nèi)部基準(zhǔn)可輸出一個2.5V的基準(zhǔn)電壓（第4引腳）。目的是為擴大偏置和輸出能力。當(dāng)REFIN和REFOUT聯(lián)結(jié)時，對應(yīng)0V輸入電壓可以相應(yīng)輸出4mA電流。圖2-12（a）所示電路是一種帶初值校準(zhǔn)的0～10V到4～20mA的轉(zhuǎn)換電路；圖2-12（b）則是一種帶滿度校準(zhǔn)的0～10V到0～10mA的轉(zhuǎn)換電路。2.集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694輸入電壓：0-10V或0-2V，輸出電流：4-20mA或0-20mA。AD694的基本應(yīng)用：4引腳懸空，輸入量程約為0-10V；4引腳接地，輸入量程約為0-2V；9引腳接地，表示輸出4-20mA；接電源，表示輸出0-20mA；7引腳接8，參考電壓為2V，開路參考電壓為10V；DAC1210與AD694接口，輸入0～2V,輸出４～20mA4引腳懸空2.5.5

模擬量輸出通道模板舉例圖2-47PCL-726板卡組成框圖1.寄存器地址分配見表2-122.D/A轉(zhuǎn)換程序流程D/A轉(zhuǎn)換程序流程如下（以通道1為例）：（1）選擇通道地址n=1（n=1～6）（2）確定D/A高4位數(shù)據(jù)地址（基地址+00）（3）置D/A高4位數(shù)據(jù)(D3～DO有效)（4）確定D/A低8位數(shù)據(jù)地址（基地址+01）（5）置D/A低8位數(shù)據(jù)并啟動轉(zhuǎn)換。3.程序設(shè)計舉例PCL-726的D/A輸出、數(shù)字量輸入等操作均不需要狀態(tài)查詢，分辨率為12位，000H～0FFFH分別對應(yīng)輸出0%～100%，若輸出50%，則對應(yīng)的輸出數(shù)字量為7FFH，設(shè)基地址為220H，D/A通道l輸出50%的程序如下：C語言參考程序段如下：

outportb(0x220,0x07)//D/A通道l輸出50%

outportb(0x221,0xff)匯編語言參考程序如下：（基地址為220H）：

MOVAL，07H；D/A通道l輸出50%

MOVDX，0220H

OUTDX，AL

MOVDX，0221H

MOVAL，0FFH

OUTDX,AL2.6基于串行總線的計算機控制系統(tǒng)硬件技術(shù)

基于RS-485的主從分布式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RS-485串行總線由于平衡差分傳輸特性具有的抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)、有較大級聯(lián)能力等特點，非常適合于組成工業(yè)級的多機通信系統(tǒng)。在各種工業(yè)儀器、儀表大量使用的今天，RS-485總線得到了廣泛的應(yīng)用。常用的串行總線有RS-232總線、RS-485總線、USB總線、現(xiàn)場總線等。2.6.1

智能遠(yuǎn)程I/O模塊具有內(nèi)置的微處理器，嚴(yán)格的工業(yè)級塑料外殼，使其可以獨立提供智能信號調(diào)理、I/O隔離、模擬量I/O、數(shù)字量I/O、數(shù)據(jù)顯示和串行數(shù)字通信接口?？梢园惭b在現(xiàn)場，就地完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、I/O操作及脈沖量的計數(shù)、累計等操作，以通信方式和計算機交換信息，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。采用RS-485中繼器，可以將多達256個遠(yuǎn)程模塊連接到RS-485網(wǎng)絡(luò)上，或者將最大通信距離延伸到10km。典型的遠(yuǎn)程I/O模塊有研華公司的ADAM-4000系列、艾雷斯科技的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威達公司的牛頓-7000系列。

智能遠(yuǎn)程I/O模塊是傳感器和執(zhí)行機構(gòu)與計算機之間的多功能遠(yuǎn)程I/O單元，專為惡劣環(huán)境下的可靠操作而設(shè)計：基于研華智能遠(yuǎn)程I/O模塊系統(tǒng)配置帶LED顯示的16路隔離數(shù)字量輸入模塊

5端口10/100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)集線器16路通用數(shù)字量I/O模塊,I/O通道

以太網(wǎng)通訊控制器

、數(shù)據(jù)輸入模塊基于PC的數(shù)據(jù)采集及控制的控制器1.ADAM-4000系列模塊

ADAM4000系列模塊的功能特點：

(1)遠(yuǎn)端可編程輸入范圍

(2)內(nèi)置看門狗

(3)網(wǎng)絡(luò)配置靈活

(4)可選的獨立控制策略

(5)模塊化的工業(yè)設(shè)計

(6)滿足工業(yè)環(huán)境的需要研華RS485總線ADAM-4000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊

隔離RS-232到RS-422/485的轉(zhuǎn)換器

(1)模塊之間的數(shù)據(jù)通信采RS-485串行通信協(xié)議,具有較高的傳輸速率(1.2～38.4kbit/s)和較長的傳輸距離(可達1.2km),并具有較好的抗干擾能力。(2)可采用一對雙絞線進行多點通信,不僅降低網(wǎng)絡(luò)布線開支,并且使系統(tǒng)配置靈活,構(gòu)成簡單。(3)模塊使用簡便、靈活,使用ASCII字符串可設(shè)定其工作模式,可以用支持ASCII字符串功能的高級語言(如C、BASIC)編寫模塊應(yīng)用程序。(4)ADAM4000系列模塊的安裝靈活,適合于工業(yè)現(xiàn)場壁掛、上導(dǎo)軌等。(5)所有ADAM模塊允許寬供電電源范圍:+10～+30VDC;模塊的輸入輸出全部為隔離保護方式,內(nèi)部具有看門狗電路,提高了系統(tǒng)的可靠性。(6)ADAM4000系列模塊還為用戶提供軟件包,大大縮短應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)周期。2.ADAM-5000系列ADAM-5000對諸如基于RS-485和CAN的流行現(xiàn)場總線構(gòu)架，提供3種不同的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，使現(xiàn)場I/O設(shè)備容易地構(gòu)成PC應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。具有以下功能特點：(1)系統(tǒng)設(shè)計靈活(2)系統(tǒng)維護及故障處理(3)易于安裝及組網(wǎng)(4)數(shù)據(jù)采集及控制(5)三端隔離（I/O模塊、電源、通信）(6)看門狗定時器(7)內(nèi)置診斷器(8)遠(yuǎn)程配置(9)能獨立于PC主機進行ON/OFF控制3.ADAM-6000系列模塊ADAM-6000系列產(chǎn)品是基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制模塊，它們集數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力于一身。使用這些模塊可以輕而易舉的建立低成本、適應(yīng)于各個行業(yè)的基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，ADAM-6000模塊可以實時的將來自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)/以太網(wǎng)結(jié)點上。以太網(wǎng)類產(chǎn)品因為其遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸能力，高速的數(shù)據(jù)通信能力正在成為工業(yè)應(yīng)用的主導(dǎo)。

（1）模擬量輸入/輸出模塊（2）數(shù)字量輸入/輸出模塊（3）繼電器輸出模塊（4）ADAM以太網(wǎng)模塊的應(yīng)用軟件（1）模擬量輸入/輸出模塊

模擬量輸入模塊通過為A/D提供的光電隔離和3000V變壓器隔離防止對地環(huán)路/浪涌電壓對設(shè)備造成損壞。ADAM-6015是16位，6通道熱電阻輸入模塊，各通道輸入范圍可調(diào)?？梢赃B接Pt100,Pt1000，Balco500或者Ni50，Ni508熱電阻。以工程單位形式向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。ADAM-6017是16位8通道差分模擬量輸入模塊，通道輸入范圍均可程控。ADAM-6018是16位8通道熱電偶輸入模塊，所有通道的輸入范圍均可程控。ADAM-6024是3個模擬量輸入/1個模擬量輸出。（2）數(shù)字量輸入/輸出模塊

ADAM-6050具有12個數(shù)字量輸入，6個輸出通道，并且為以太網(wǎng)的無縫連接提供了10/100Base-T接口。ADAM-6051提供12路數(shù)字量輸入，2路數(shù)字量輸出和2個計數(shù)器（10MHz時基）并且為以太網(wǎng)的無縫連接提供了10/100Base-T接口。（3）繼電器輸出模塊

ADAM-6060提供6路繼電器輸出，6路模擬量輸入，并且為以太網(wǎng)的無縫連接提供了10/100Base-T接口。除了以太網(wǎng)口，內(nèi)置網(wǎng)頁，ADAM-6050還提供了6路繼電器輸出和6路模擬量輸入。（3）ADAM以太網(wǎng)模塊的應(yīng)用軟件ADAM-6000系列模塊使用集成的專用應(yīng)用軟件工具進行系統(tǒng)配置，應(yīng)用軟件名稱為：ADAM-5000TCP/6000UtilityProgram，該工具同時支持ADAM-5000/TCP和ADAM-6000模塊，提供了圖形化的界面來方便用戶的配置工作，同時也可以方便的用來監(jiān)控遠(yuǎn)端的DA&C系統(tǒng)。4.ADAM-8000系列模塊2.6.2

智能調(diào)節(jié)器智能調(diào)節(jié)器一般具有RS-485數(shù)字通信接口，除了在控制系統(tǒng)中作為常規(guī)的單機控制器使用外，在現(xiàn)代工業(yè)控制中還可以作組態(tài)使用，常常與上位機一起構(gòu)成計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)。常用的智能調(diào)節(jié)器國外的品牌有：SHIMADEN（日本島電）、YAKOGAWA（日本橫河）、HONEWELL（美國霍尼韋爾）、OMRON（日本歐姆龍）以及RKC（日本理化）等；國內(nèi)的品牌有：廈門宇電自動化科技有限公司（廈門宇光）的AI系列。

1.硬件構(gòu)成:

智能調(diào)節(jié)器也被稱為單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器(SingleStrategyController，簡稱SSC)。

SSC的硬件主要由MPU單元、過程I/O單元、PIA(外設(shè)接口)單元、面板單元、編程單元、通信單元和硬手操單元等組成。

MPU單元是調(diào)節(jié)器的核心，它包括微處理器(如單片機)、系統(tǒng)存儲器(PROM/EPROM、EAPROM、RAM)、時鐘、Watchdog和接口電路等。

PROM/EPROM中固化有調(diào)節(jié)器的監(jiān)控程序和功能程序。監(jiān)控程序負(fù)責(zé)面板(鍵盤、顯示器等)管理和巡回采樣控制等。功能程序即各種運算、控制、通信子程序(模塊)的集合。EAPROM（電可改寫只讀存儲器

）用來存放系統(tǒng)組態(tài)程序。系統(tǒng)組態(tài)程序是根據(jù)系統(tǒng)控制流程，抽取所需的運算、控制模塊(固化在PROM/EPROM中)進行軟連接而形成的。系統(tǒng)組態(tài)用編程單元完成，組態(tài)結(jié)果即系統(tǒng)組態(tài)程序?qū)懭隕APROM。

PIA（PeripheralInterfaceAdapter）單元是過程I/O單元、鍵盤及顯示單元與MPU連接的橋梁電路，實現(xiàn)電氣隔離與數(shù)據(jù)緩沖、鎖存等功能。

SSC能通過編程組態(tài)的方法，方便地組建和修改控制系統(tǒng)。故又稱為可編程調(diào)節(jié)器。鍵盤、顯示器也是數(shù)字調(diào)節(jié)器的重要組成部分，它是一種簡單的人機接口，通過鍵盤修改調(diào)節(jié)器參數(shù)和工作狀態(tài)，顯示器可讓操作人員了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。通信單元(通信接口)使SSC能與集中監(jiān)視操作站、上位機通信，組成多級微機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種高級控制和管理。2.軟件構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件包括以下幾部分：(1)監(jiān)控管理程序即系統(tǒng)軟件，由它實現(xiàn)對輸入/輸出通道、鍵盤、顯示器及通信等部件的管理，以及對調(diào)節(jié)器各硬件部分和程序進行故障監(jiān)測及處理等。對于固定程序的調(diào)節(jié)器，監(jiān)控管理程序較簡單，主要用于修改和顯示調(diào)節(jié)器的工作方式和參數(shù)及監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，如對各個調(diào)節(jié)回路的PID參數(shù)TI、TD、P及采樣周期Ts等進行整定、設(shè)定、修改傳感器或變送器量程、上下限報警值及進行調(diào)節(jié)器手動／自動工作方式的切換等。對于可編程序調(diào)節(jié)器，還需提供一套可由用戶進行系統(tǒng)組態(tài)的軟件，包括編程語言的編輯及編譯軟件，這種程序編制較復(fù)雜，但提供給用戶的編程語言卻十分簡單，只要是有控制系統(tǒng)常識的人員都很容易掌握。這種調(diào)節(jié)器一般功能都十分豐富，具有很好的通用性和靈活性，讓用戶有很大的選擇余地。(2)應(yīng)用程序根據(jù)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用功能所編的程序，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)處理、控制算法、報警及輸出等程序。在可編程調(diào)節(jié)器中，這些應(yīng)用程序以模塊形式給出，用戶可用數(shù)字調(diào)節(jié)器的編程語言將這些模塊進行組態(tài)，構(gòu)成用戶所需系統(tǒng)。另外，SSC還有斷電保護和自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。2.6.3

可編程序控制器(PLC)1.PLC的硬件結(jié)構(gòu)可編程控制器的結(jié)構(gòu)形式分為整體式和模塊式兩類。

2.PLC的軟件結(jié)構(gòu)可編程控制器的軟件可分為系統(tǒng)軟件、編程軟件和應(yīng)用軟件三部分。（1）系統(tǒng)軟件（2）編程軟件（3）應(yīng)用軟件2.6.4

運動控制器1.運動控制器分類(1)基于計算機標(biāo)準(zhǔn)總線的運動控制器此種運動控制器多采用DSP或微機芯片作為CPU，具有開放體系結(jié)構(gòu)，以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC或IPC機，即“PC+運動控制器”的模式。將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。可完成運動規(guī)劃、高速實時插補、伺服濾波控制和PLC功能，它開放的函數(shù)庫可供用戶根據(jù)不同的需求，在DOS或WINDOWS等平臺下自行開發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種控制系統(tǒng)，如美國DeltaTau公司的PMAC多軸運動控制器和固高公司的GT/GH系列運動控制器等。伺服電機PMAC卡驅(qū)動器ABC接口板ABC編碼器.機械I/O軟件接口圖2-51開放式結(jié)構(gòu)的運動控制系統(tǒng)示意圖(2)Soft型（軟件型）開放式運動控制器這種運動控制器提供給用戶最大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CDROM和相應(yīng)的驅(qū)動程序一樣，用戶可以在WINDOWS平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性?；赟oft型開放式運動控制器開發(fā)的典型產(chǎn)品有美國MDSI公司的OpenCNC、德國PA（PowerAutomation）公司的PA8000NT。美國SoftSERVO公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制器和固高科技公司的GO系列運動控制器產(chǎn)品等。Soft型開放式運動控制的特點是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個性化的發(fā)展。/ProductFile/Html/CN/2009/1/15/a3addf5e-48af-41d3-a05f-2c347d2dd639.html(3)嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器這種運動控制器是把計算機（嵌入式處理器）嵌入到運動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。運動控制器與計算機之間的通信依然是靠計算機總線，實質(zhì)上是基于總線結(jié)構(gòu)的運動控制器的一種變種。相比標(biāo)準(zhǔn)總線的計算機模塊，這種產(chǎn)品采用了更加可靠的總線連接方式（采用針式連接器），更加適合工業(yè)應(yīng)用。在使用中，采用如工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485、SERCOS、PROFIBUS等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信接口聯(lián)接上級計算機或控制面板。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet進行遠(yuǎn)程診斷。例如美國ADEPT公司的SmartController，固高科技公司的GUC嵌入式運動控制平臺系列產(chǎn)品等。/news/html/180118690.html?oid=0&tid=0&trid=3212運動控制器的選擇

選擇控制器時可以從兩方面入手：

一方面是控制系統(tǒng)的要求：例如構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，首先確定要數(shù)控系統(tǒng)的總運動軸數(shù)，聯(lián)動軸數(shù)，插補方式，加工過程是否有傳感器信號檢測，是否需要實時跟蹤同步調(diào)整軸等；然后確定I/O量控制點數(shù)及其實時性要求；接著是用戶界面，操作系統(tǒng)選擇和成本等問題。

另一方面是控制器性能的匹配和驗證。了解和驗證控制器的一個有效手段是參照該控制器的成功案例來分析；其次是通過供應(yīng)商提供的配套軟件驗證和學(xué)習(xí)其控制器的性能。值得注意的是個別控制器在某些性能上可能名不符實。

目前，在國內(nèi)經(jīng)濟型控制器應(yīng)用還是較為普遍；PMAC和MCT8000等PC型控制器應(yīng)用最為廣泛；軟件型運動控制器將是基于PC的數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一；計算機操作系統(tǒng)在數(shù)控系統(tǒng)中的實時性局限也有望在不久的將來得到更圓滿的解決。2.變頻器變頻器的主要任務(wù)就是把恒壓恒頻（constantvoltageconstantfrequency，CVCF）的交流電轉(zhuǎn)換為變壓變頻（variablevoltagevariablefrequency，VVVF）的交流電，以滿足交流電機變頻調(diào)速的需要。從結(jié)構(gòu)上分，變頻器可以分為交-交變頻器（亦稱直接變頻器）和交-直-交變頻器（亦稱間接變頻器）。變頻器的使用日益普及，功能也越來越強，現(xiàn)在很多變頻器具有PID調(diào)節(jié)功能，與溫度、壓力、流量等傳感器配合使用，可以構(gòu)成一個單獨的控制系統(tǒng)應(yīng)用，而省去了控制器。新一代變頻器均具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用戶可以利用通信接口在遠(yuǎn)處，如中央控制臺對變頻器進行集中控制，適應(yīng)了自動化的要求。也可以使多臺變頻器組網(wǎng)應(yīng)用，與計算機連接構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。使用場地相對分散，遠(yuǎn)距離集中控制成為變頻器管理的趨勢。在變頻器中使用的串行通信接口通常為標(biāo)準(zhǔn)485接口，這種接口具有控制距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等優(yōu)點。2.7

硬件抗干擾技術(shù)2.7.1

過程通道抗干擾技術(shù)2.7.2CPU抗干擾技術(shù)2.7.3

系統(tǒng)供電與接地技術(shù)

干擾：就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常工作的破壞因素。

克服干擾的措施：硬件措施，軟件措施，軟硬結(jié)合的措施。干擾的來源：外部干擾和內(nèi)部干擾。干擾信號主要通過三個途徑進入儀表內(nèi)部:即電磁感應(yīng),傳輸通道和電源線。一般情況下,經(jīng)電磁感應(yīng)進入儀表的干擾在強度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從傳輸通道和電源線進入的干擾,對于電磁感應(yīng)干擾可采用良好的“屏蔽”和正確的“接地”加以解決。所以,抗干擾措施主要是盡量切斷來自傳輸通道和電源線的干擾。

外部干擾：主要是空間電、磁的影響，環(huán)境溫度、濕度等氣象條件。

內(nèi)部干擾：主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，甚至元器件產(chǎn)生的噪聲。

分布電容：除電容器外，由于電路的分布特點而具有的電容叫分布電容。

分布電感：在電路中，由于導(dǎo)線布線和元器件的分布而存在的電感叫分布電感。2.7.1

過程通道抗干擾技術(shù)1.串模干擾及其抑制方法

(1)串模干擾

(2)串模干擾的抑制方法2.共模干擾及其抑制方法

(1)共模干擾

(2)共模干擾的抑制方法①變壓器