1、機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1開課目的和任務(wù)n工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門專業(yè)技術(shù)。n它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。n目的在于使學(xué)生了解和掌握以微型機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)的硬件、軟件基礎(chǔ)知識和基本應(yīng)用技術(shù)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件2課程總目錄 緒論 輸入輸出接口與過程通道 數(shù)字控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù) 現(xiàn)代控制技術(shù) 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件3課程總目標(biāo)學(xué)完本課程后，你應(yīng)具有以下能力：熟悉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原則了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌

2、握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法把握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向靈活應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)解決一些實(shí)際應(yīng)用問題機(jī)械自動化學(xué)院整理課件4課程安排 理論教學(xué)26學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課，6學(xué)時(shí)，共3個(gè)實(shí)驗(yàn)考核辦法n平時(shí)成績：20%n期末考試成績：80%機(jī)械自動化學(xué)院整理課件5參考書目1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，李元春等編著，高等教育出版社2.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，姜學(xué)軍編著，清華大學(xué)出版社3.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，潘新民等編著，電子工業(yè)出版社4.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，馮培悌編著，浙江大學(xué)出版社5.期刊工業(yè)控制機(jī)（技術(shù)性比較強(qiáng)）、測控技術(shù)、電氣自動化、自動化儀表、工業(yè)儀表與自動化裝置，化工自動化及儀表等等。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件6 第1章

3、緒論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢機(jī)械自動化學(xué)院整理課件7本章要求、重難點(diǎn) 基本要求：了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其基本組成。 教學(xué)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式。 教學(xué)難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件81.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述自動控制 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。控制器被控對象被控量機(jī)械自動化學(xué)院整理課件9自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的基本功能是進(jìn)行信號的傳遞、加工、比較和控制。這些功能是由檢測裝置、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完

4、成的。其中控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它決定了控制系統(tǒng)的控制性能和應(yīng)用范圍。給定量+控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象被控量檢測裝置-機(jī)械自動化學(xué)院整理課件101.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（1 1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理給定量+控制器eD/Au執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象被控量y測量變送A/D-工控機(jī)被控對象機(jī)械自動化學(xué)院整理課件11工作原理 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)控制決策：實(shí)時(shí)控制輸出：對來自測量變送裝置的被控變量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。對采集到的被控變量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任

5、務(wù)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件12（2）在線方式和離線方式 在線方式或聯(lián)機(jī)方式：生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式。 離線方式或脫機(jī)方式：生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。（3）實(shí)時(shí)的含義 實(shí)時(shí)：是指信號的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成。而且這個(gè)時(shí)間范圍的大小跟被控對象聯(lián)系非常的緊密！ 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件131.1.2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成硬件部分：主機(jī)、接口電路、過程輸入/輸出通道、外 部設(shè)備、 操作臺機(jī)械自動化學(xué)院整理課件14 主機(jī)中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器(RAM和ROM)接口電路: :

6、主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換的橋梁過程輸入/輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸出通道外部設(shè)備 操作臺輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器 鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵）機(jī)械自動化學(xué)院整理課件15軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng) 控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫 軟件部分：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序AD轉(zhuǎn)換及采樣程序 數(shù)字濾波程序 線性化處理程序 數(shù)據(jù)采集程序 越限報(bào)警程序 事故預(yù)告程序 畫面顯示程序 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件161.1.3. 常用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)1)

7、可編程控制器2)工控機(jī)3)嵌入式系統(tǒng)(1)嵌入式微處理器ARM(2)嵌入式微控制器單片機(jī)(3)嵌入式DSP處理器(4)嵌入式片上系統(tǒng)SoC4)智能調(diào)節(jié)器機(jī)械自動化學(xué)院整理課件171.1.4. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：1）連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處信號是模擬信號；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是含有模擬信號和數(shù)字信號的混合系統(tǒng)。2）連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律由模擬電路實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)，具有很大的靈活性和適應(yīng)性。3）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷功能，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件184）連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值

8、與反饋值的比較是連續(xù)進(jìn)行的，控制器對產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。5）連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)控制器分時(shí)控制多個(gè)回路。6）采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如分級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理的一體化，是工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件191.2 1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式 1 1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對象。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件20 2 2直接

9、數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) （Direct Digital ControlDDC） 要求：實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng) 一臺計(jì)算機(jī)通常要控制幾個(gè)或幾十個(gè)回路輸入通道輸入通道(AI.DI(AI.DI）輸出通道輸出通道(AO.DO)(AO.DO)打印機(jī)打印機(jī)報(bào)報(bào) 警警操作臺操作臺CRTCRT計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程機(jī)械自動化學(xué)院整理課件21 3 3監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control SCC ） DDC DDC計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程SSC SSC 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)記錄記錄顯示顯示打印打印調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)測量測量設(shè)定值設(shè)定值(b)(b

10、)工藝數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù)模模 擬擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器生生 產(chǎn)產(chǎn) 過過 程程SSC SSC 計(jì)計(jì) 算算 機(jī)機(jī)記錄記錄顯示顯示打印打印調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)測量測量設(shè)定值設(shè)定值(a)(a)工藝數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件224 4集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng) （Distributed Control SystemDCS）機(jī)械自動化學(xué)院整理課件235 5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control SystemFCS）機(jī)械自動化學(xué)院整理課件246. 6. 綜合自動化系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)由由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（Enterprise Resources Planning）、）

11、、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）和）和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，已成為綜合自動化系）構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，已成為綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案。統(tǒng)的整體解決方案。 計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS-Computer Integrated Process System） 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件25(1)程序和順序控制(2)比例積分微分控制(PID控制)(3)最小拍控制(4)復(fù)雜規(guī)律的控制(5)智能控制二.按照控制規(guī)律分類機(jī)械自動化學(xué)院整理課件26(1

12、) 程序和順序控制程序和順序控制定義：程序控制是被控制量按照一定的、預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間函數(shù)的變化。 順序控制是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件27(2)比例積分微分控制比例積分微分控制(PID控制控制)定義：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分和微分的函數(shù)。PID控制是現(xiàn)在應(yīng)用最廣、最為廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。PID控制結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易調(diào)整，因此，無論模擬調(diào)節(jié)器或者數(shù)字調(diào)節(jié)器，多數(shù)使用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。這同樣是我們學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。機(jī)械自動化學(xué)院整

13、理課件28(3)最小拍控制最小拍控制最小拍控制的性能指標(biāo)是要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)節(jié)過程。最小拍控制通常用在數(shù)字隨動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。最小拍控制是我們本書內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是直接離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)！機(jī)械自動化學(xué)院整理課件29(4) 復(fù)雜規(guī)律的控制復(fù)雜規(guī)律的控制在PID控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了各種復(fù)雜規(guī)律的控制，比如串級控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償、解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目的：是為了解決隨機(jī)擾動問題，使系統(tǒng)控制達(dá)到滿意的性能指標(biāo)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件30(5) 智能控制智能控制智能控制把先進(jìn)的方法學(xué)理論與解決當(dāng)前技術(shù)問題所需要的系統(tǒng)理論結(jié)合起來的學(xué)科。可以看成三

14、個(gè)主要理論領(lǐng)域的交叉或會合，即：人工智能運(yùn)籌學(xué)控制理論機(jī)械自動化學(xué)院整理課件311.3 工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.工業(yè)控制機(jī)的硬件組成 主機(jī)板、內(nèi)部總線和外部總線、人-機(jī)接口、系統(tǒng)支持功能（監(jiān)控定時(shí)器、電源掉電檢測、保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存儲器體、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘） 、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道 。2.工業(yè)控制機(jī)的軟件組成 系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件。1.3.1工業(yè)控制機(jī)的組成機(jī)械自動化學(xué)院整理課件321.3.2工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu) 總線：就是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣、機(jī)械特性，使計(jì)算機(jī)內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計(jì)算機(jī)之間建立信號聯(lián)系，進(jìn)行信息傳送和通信。1.內(nèi)部總線

15、 內(nèi)部總線：就是計(jì)算機(jī)內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。按功能可以分為數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)、控制總線(CB)和電源總線(PB)四部分。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件33nISA(AT)總線：對XT總線的擴(kuò)充，98線，16位，尋址空間16MB，數(shù)據(jù)傳輸率16Mbps。PCI總線：在CPU和外設(shè)間插入?yún)f(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾韺樱峁┮恢碌目偩€接口，形成了開放的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，而不依賴于CPU芯片。工作頻率33MHz，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度為32位和64兩種，數(shù)據(jù)傳輸率分別為133Mbps和266Mbps，PCIExpress數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到8Gbps。1. 內(nèi)部

16、總線機(jī)械自動化學(xué)院整理課件34外部總線：計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其它智能設(shè)備之間進(jìn)行通信的連線。1）RS-232C串行通信總線2）USB串行總線 具有熱插拔功能 采用“級聯(lián)”方式連接各個(gè)外部設(shè)備 適用于低速外設(shè)連接2. 外部總線機(jī)械自動化學(xué)院整理課件35 可靠性高和可維修性好 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 控制實(shí)時(shí)性好 完善的輸入輸出通道 豐富的軟件 適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和運(yùn)算速度1.3.3工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件361946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)ENICA問世 1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展過程開創(chuàng)時(shí)期（19551962年）直接數(shù)字控制時(shí)期（19621967年）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（19671972年）微型

17、計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年至今） 1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢1.4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況機(jī)械自動化學(xué)院整理課件37軟件的發(fā)展：50年代至70年代軟件發(fā)展緩慢70年代末至今已采用各種高級語言進(jìn)行實(shí)時(shí)控制2計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過程采樣定理 差分方程機(jī)械自動化學(xué)院整理課件38Z變換法 )()(0kTfzkTfZkK 狀態(tài)空間理論 最優(yōu)控制與隨機(jī)控制 代數(shù)系統(tǒng)理論 系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制 先進(jìn)控制技術(shù)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件39 1推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器采用新型的DCS和FCS 2大力研究和發(fā)展先進(jìn)控制技術(shù)分級遞階智能控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)專

18、家控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)1.4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢機(jī)械自動化學(xué)院整理課件40 3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 控制系統(tǒng)的扁平化 控制系統(tǒng)的智能化 控制系統(tǒng)的綜合化 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件411.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對系統(tǒng)的基本要求一.研究內(nèi)容 1.系統(tǒng)建模：自動控制系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容是對控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，簡稱系統(tǒng)建模。數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，對連續(xù)系統(tǒng)為微分方程，對離散系統(tǒng)為差分方程，在現(xiàn)代控制理論中，要建立狀態(tài)方程。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的方法有分析方法和實(shí)驗(yàn)方法。分析法是根據(jù)物理和化學(xué)定律，建立系統(tǒng)的動態(tài)方程。實(shí)驗(yàn)法是用系

19、統(tǒng)辨識方法，即對系統(tǒng)加入已知信號，記錄系統(tǒng)的輸出，然后用數(shù)學(xué)模型近似，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（著名的“黑箱”建模方法）。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件422.系統(tǒng)分析：系統(tǒng)分析是在系統(tǒng)給定的情況下，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)誤差的問題，并且討論系統(tǒng)的性能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。一般采用時(shí)域分析和頻域分析兩種方法。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)：建立一個(gè)能夠完成設(shè)定的控制任務(wù)，滿足一定的控制要求的系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)稱為校正。控制器也稱為校正裝置。所謂校正指在系統(tǒng)中加入一些可調(diào)的裝置（機(jī)構(gòu)），使系統(tǒng)的性能指標(biāo)發(fā)生變化，滿足設(shè)計(jì)的要求。通常講的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是指控制器（校正裝置）設(shè)計(jì)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件4

20、3二.對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求1.系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。 穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，是當(dāng)被控變量偏離期望時(shí)，其偏差隨時(shí)間的增長逐漸減小或趨于零。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作必須的條件。2.動態(tài)過程必須滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求 調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量，震蕩次數(shù)等3.系統(tǒng)必須滿足穩(wěn)態(tài)誤差的要求 穩(wěn)態(tài)誤差就是穩(wěn)態(tài)值與期望值之間存在的誤差。由于外界結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素的影響，不可能完全避免。但是一定要滿足被控對象的要求。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件本章結(jié)束謝謝大家機(jī)械自動化學(xué)院整理課件45輸入輸出接口與過程通道機(jī)械自動化學(xué)院整理課件46基本概念n 輸入輸出接口輸入輸出接口 簡稱簡稱“接口接口”n輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出接口技術(shù) 研

21、究微處理器和外部設(shè)備之間信研究微處理器和外部設(shè)備之間信息交換的技術(shù)。息交換的技術(shù)。n接口電路：是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。接口電路：是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件。使主機(jī)和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息交換。使主機(jī)和外設(shè)能夠協(xié)調(diào)工作，有效地完成信息交換。n通道：也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對象之間信息通道：也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。傳送和變換的連接通道。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件47 通常有三類信息：通常有三類信息：CPU外部外部設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量開關(guān)量開關(guān)量狀態(tài)信息狀態(tài)信息控制

22、信息控制信息過程通道與過程通道與CPU交換信息的種類交換信息的種類機(jī)械自動化學(xué)院整理課件48 2.1 2.1 總線擴(kuò)展技術(shù)總線擴(kuò)展技術(shù) 2.2 2.2 數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道 2.3 2.3 模擬量輸入接口與過程通道模擬量輸入接口與過程通道 2.4 2.4 模擬量輸出接口與過程通道模擬量輸出接口與過程通道 2.5 2.5 硬件抗干擾技術(shù)硬件抗干擾技術(shù)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件49本章重難點(diǎn) 基本要求：掌握輸入輸出接口及過程通道的設(shè)計(jì)方法。 教學(xué)重點(diǎn)：輸入輸出接口與過程通道的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。 教學(xué)難點(diǎn)：硬件抗干擾技術(shù)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件50 本章學(xué)習(xí)目的: 解

23、決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件512.2.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)1. 數(shù)字量輸入接口三態(tài)門緩沖器74LS244 MOVDX,port INAL,DX 2.2 數(shù)字量輸入輸出通道與過程通道圖2.1數(shù)字量輸入接口機(jī)械自動化學(xué)院整理課件522. 數(shù)字量輸出接口鎖存器74LS273 MOVAL,DATA MOVDX,port OUTDX,DL 圖2.2數(shù)字量輸出接口機(jī)械自動化學(xué)院整理課件532.1.2 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)理電路輸入緩沖器地址譯碼器P

24、C總線生產(chǎn)過程圖2.3數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件542. 輸入調(diào)理電路 把現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號。（1）小功率輸入調(diào)理電路圖2.4小功率輸入調(diào)理電路機(jī)械自動化學(xué)院整理課件55（2）大功率輸入調(diào)理電路用光電耦合器進(jìn)行隔離圖2.5大功率輸入調(diào)理電路機(jī)械自動化學(xué)院整理課件562.1.2 數(shù)字量輸出通道1. 數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)圖2.6數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)框圖輸出驅(qū)動器輸出鎖存器地址譯碼器生產(chǎn)過程PC總線機(jī)械自動化學(xué)院整理課件572. 輸出驅(qū)動電路（1）小功率直流驅(qū)動電路功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路機(jī)械自動化學(xué)院整理課件5

25、8繼電器輸出驅(qū)動電路 電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點(diǎn)等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。D DL LK K控控 制制 電電 流流外外部部設(shè)設(shè)備備線線圈圈鐵鐵芯芯觸觸點(diǎn)點(diǎn)銜銜鐵鐵機(jī)械自動化學(xué)院整理課件59（2）大功率交流驅(qū)動電路 固態(tài)繼電器(solid state relay)是一種既有放大作用，又有隔離作用，很適合于驅(qū)動大功率開關(guān)式執(zhí)行器件。 SSR是一種四端有源器件，其中的兩端為輸入端，另外兩端是輸出端，內(nèi)部設(shè)有輸出保護(hù)電路。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件6

26、0固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件612.3模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)： 把傳感器檢測并經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換的模擬電信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)過接口送至計(jì)算機(jī)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件622.3.1 模擬量輸入通道的組成圖2.17模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件63模擬量輸入通道的組成 信號調(diào)理與I/V變換 多路轉(zhuǎn)換器 采樣保持器 采樣/保持器 A/D轉(zhuǎn)換器機(jī)械自動化學(xué)院整理課件642.3.2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、共模抑制及隔離等方法，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

27、傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁，也是測控系統(tǒng)中重要的組成部分。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件65（1）非電信號的檢測-不平衡電橋機(jī)械自動化學(xué)院整理課件66n放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;0-5VDC;n對單純的微弱信號，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端對單純的微弱信號，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大。同相放大或單端反相放大。n若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大。當(dāng)然，若信號源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大。當(dāng)然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是這

28、兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個(gè)輸入端共地。與放大器的另一個(gè)輸入端共地。（2）信號放大電路 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件67VIVO1R2R圖 2-5 放大電路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大機(jī)械自動化學(xué)院整理課件681)基于ILC7650的前置放大電路機(jī)械自動化學(xué)院整理課件69 2) AD526可編程儀用放大器 AD526是可通過軟件對增益進(jìn)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x l、x 2、x 4、x 8、x16等五擋。它是一個(gè)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(shí)不需外加任何元件就可工作。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課

29、件702. I/V變換將變送器輸出的電流信號變換成適于A/D轉(zhuǎn)換器適用的電壓信號。無源I/V變換有源I/V變換機(jī)械自動化學(xué)院整理課件712.3.3多路轉(zhuǎn)換器 多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開關(guān)，是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。理想的多路轉(zhuǎn)換器其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)，AD7501，LF13508等。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件72結(jié)構(gòu)原理（CD4051）圖2 -3 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動動驅(qū)驅(qū)碼碼譯譯換換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平電電ABCINHmS機(jī)械自動化學(xué)院整理課件73CD4051的真值表機(jī)械自動化學(xué)院整理課件74D3

30、D2D1D0動驅(qū)碼譯動驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電換轉(zhuǎn)平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖2-4 多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路INHINH機(jī)械自動化學(xué)院整理課件752.3.4采樣、量化及常用的采樣保持器1. 信號的采樣 采樣過程：用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。f(t) K f*(t) T機(jī)械自動化學(xué)院整理課件76香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)(Shannon)定理：如果隨時(shí)間變化的模擬定理：如果隨時(shí)間變化的模擬信號的最高頻率為信號的最高頻率為maxmax，只要按照采樣頻率，只要按照采樣頻率S S22maxmax進(jìn)行采樣，那

31、么取出的樣品系列進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f(f1 1* *(t)(t)，f f2 2* *(t)(t)，)就足以代表就足以代表( (或恢或恢復(fù)復(fù))f(t)f(t)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件77ymax：轉(zhuǎn)換信號的最大值；：轉(zhuǎn)換信號的最大值； ymin：轉(zhuǎn)換信號的最小值；：轉(zhuǎn)換信號的最小值； n：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)：轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。的位數(shù)。量化單位為：量化單位為：maxmin21nyyq2 2量化量化量化：是用一組數(shù)碼量化：是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼如二進(jìn)制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。字信號。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件783. 采樣保

32、持器 如果直接將模擬量送入如果直接將模擬量送入A AD D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)考慮到任何一種轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則應(yīng)考慮到任何一種A AD D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器都需要用一定的時(shí)間來完成量化與編碼的操作。在轉(zhuǎn)換過程中，如果模擬量產(chǎn)生變器都需要用一定的時(shí)間來完成量化與編碼的操作。在轉(zhuǎn)換過程中，如果模擬量產(chǎn)生變化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的參量需取自同一瞬時(shí)，化，將直接影響轉(zhuǎn)換精度。特別是在同步系統(tǒng)中，幾個(gè)并聯(lián)的參量需取自同一瞬時(shí)，而各參數(shù)的而各參數(shù)的A AD D轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片，所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無法轉(zhuǎn)換又共享一個(gè)芯片，所得到的幾個(gè)量就不是同一時(shí)刻的值，無法進(jìn)行計(jì)算和

33、比較。所以要求輸入到進(jìn)行計(jì)算和比較。所以要求輸入到A/DA/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持不變，轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/DA/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務(wù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務(wù)的器件叫做采樣的器件叫做采樣保持器保持器(Sample/Hold),(Sample/Hold),簡寫為簡寫為S/HS/H。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件79（1）孔徑時(shí)間和孔徑誤差的消除A/D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換過程所需的時(shí)間稱孔徑時(shí)間，對隨時(shí)間變化的模擬信號來說，轉(zhuǎn)換期間將引起轉(zhuǎn)換誤差，這個(gè)誤差叫做孔徑誤

34、差。t可能誤差V0t1tfV機(jī)械自動化學(xué)院整理課件80設(shè)模擬信號為：sinsin2mmUUtUftcos2cos 2mmdUUtfUftdt它的微分為：最大變化率為：最大變化率為：max2mdUfUdt在信號與橫座標(biāo)交點(diǎn)處，信號變化率最大，可能引起最大的信號誤差，設(shè)孔徑時(shí)間在信號與橫座標(biāo)交點(diǎn)處，信號變化率最大，可能引起最大的信號誤差，設(shè)孔徑時(shí)間為為 ，這時(shí)最大誤差為：，這時(shí)最大誤差為：t 2mUUft 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件81 誤差的百分?jǐn)?shù)：由此可知，為了確保A/D轉(zhuǎn)換的精度，不得不限制信號的頻率范圍。為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時(shí)間變化較快信號的要求，可采用帶有保持電路的

35、采樣器，即采樣保持器。1002%100tfUUm機(jī)械自動化學(xué)院整理課件82（2）采樣保持原理 采樣保持器又叫做采樣保持放大器（SHA），它的原理如圖所示。它由采樣開關(guān)S、保持電容C和緩沖放大器組成。其工作原理如下： SH有兩種工作方式，一種是采樣方式，另一種是保持方式。 采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動A/DA/D轉(zhuǎn)換器，保轉(zhuǎn)換器，保 證證A/DA/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件83（3）常用的采樣保持器n常用的零階集成采樣保持器有常用的零階集成采樣保持器有AD582、LF198/298/398等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳等，其

36、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖如圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件842.3.5 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)常用的常用的AD轉(zhuǎn)換器有：轉(zhuǎn)換器有：計(jì)數(shù)器式計(jì)數(shù)器式雙積分式雙積分式逐次逼近式逐次逼近式 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件85AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù) 分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化分辯率是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1 1的最小模的最小模擬輸入量。擬輸入量。 n n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。率。2量程量程 量程是指所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。量程是指所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。l分辨率分辨率機(jī)械自動化學(xué)院整理課件863轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指啟動轉(zhuǎn)換時(shí)間

37、是指啟動A AD D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。4對基準(zhǔn)電源的要求對基準(zhǔn)電源的要求 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮外界精密基準(zhǔn)電源。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮外界精密基準(zhǔn)電源。5線性誤差線性誤差 在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最 大誤差定義為線性誤差。大誤差定義為線性誤差。 線性誤差常用線性誤差常用LSBLSB的分?jǐn)?shù)表示，如的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB1/2LSB或或1LSB1LSB。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件871. 8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809主要特點(diǎn)：分辨率8位；轉(zhuǎn)換時(shí)間100s；溫度范圍-40+85；可使用單一的+5V電源；可直接與CPU連接；輸出帶鎖存器

38、；邏輯電平與TTL兼容。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件88電路組成及引腳功能電路組成及引腳功能 ADC0809有有28條引腳。條引腳。OE機(jī)械自動化學(xué)院整理課件89 2. 12 2. 12位位A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD574AD574 芯片特性：芯片特性： 采用原理采用原理 逐次逼近式逐次逼近式 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 三態(tài)緩沖器、時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)電源三態(tài)緩沖器、時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)電源 輸入電壓輸入電壓 單通道單極性或雙極性單通道單極性或雙極性 分辨率分辨率 12位位 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 25 S 封裝形式封裝形式 28腳雙列直插式腳雙列直插式機(jī)械自動化學(xué)院整理課件90 芯片各引腳功能芯片各引腳功能機(jī)械自動化

39、學(xué)院整理課件91AD574AD574真值表真值表機(jī)械自動化學(xué)院整理課件92 AD574 AD574模擬量輸入電路外部連線模擬量輸入電路外部連線 AD574可實(shí)現(xiàn)單極性輸入和雙極性輸入可實(shí)現(xiàn)單極性輸入和雙極性輸入機(jī)械自動化學(xué)院整理課件933.ADC574與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口機(jī)械自動化學(xué)院整理課件942.3.6模擬量輸入通道模板應(yīng)用舉例機(jī)械自動化學(xué)院整理課件952.4模擬量輸出接口與過程通道模擬量輸出通道的作用： 模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到控制的目的。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件96模擬量輸出通道的組

40、成微型計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換接口電路功率放大V/I變換機(jī)械自動化學(xué)院整理課件972.4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 輸出保持器的作用：在新的控制信號來到之前，使本次控制信號維持不變。 輸出保持方案：數(shù)字量保持方案；模擬量保持方案。1. 一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式圖2.31一個(gè)通路一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件982.2.多個(gè)輸出通路共用一個(gè)多個(gè)輸出通路共用一個(gè)D DA A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式圖2.32共用D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件992.4.2D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù) D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、1

41、0位、12位等。主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、建立時(shí)間、線性誤差等。基本上與A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)相一致。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件100DA轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理1. 權(quán)電阻解碼型R/2InRnVRV0-+I3R3=4RI2I1R2=2RR1=1RiILSBMSB第1位第2位第3位第n位機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1012. R/2R T型機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1022RR2RRRR2R2RRR2RR2RRR(a)2R2RRII/2I/2真地虛地II/2I/4I/2I/4I/8I/8I/16I/16I/32etc(c)(b)a)各順序節(jié)點(diǎn)都是等值的b)每一節(jié)點(diǎn)都有兩條通過2R電阻與地相連的支路c)二進(jìn)制

42、電流分配器機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1031. 8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 外部結(jié)構(gòu)特征外部結(jié)構(gòu)特征采用采用20引腳、雙列直插式集成電路引腳、雙列直插式集成電路芯片。芯片。 分辨率分辨率8位位； 電流穩(wěn)定時(shí)間電流穩(wěn)定時(shí)間1s ； 電流輸出電流輸出； 與與 TTL電平兼容；電平兼容； 功耗功耗20mW。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1042. 12位位DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC 1210 DAC 1210的主要性能及特點(diǎn)的主要性能及特點(diǎn)DAC 1210是雙列直插式是雙列直插式24引腳集成電路芯片。引腳集成電路芯片。主要技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)： 輸入數(shù)字為輸入數(shù)字為12位二進(jìn)制數(shù)字；位二進(jìn)制數(shù)字； 分辨率分辨

43、率12位；位； 電流建立時(shí)間電流建立時(shí)間1s； 供電電源供電電源+5+15V(單電源供電單電源供電)； 基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓VREF范圍范圍-10+10V。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件105DAC 1210引腳說明引腳說明圖2.30DAC1210內(nèi)部原理圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1062.4.3單極性與雙極性電壓輸出電路11(2)(1)2outREFoutREFnDVVVV 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1072.4.4V/I變換1. 集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20圖2.35V/I轉(zhuǎn)換電路機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1082. 集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694圖2.36AD694引腳圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件109AD694引腳

44、接線表表2.1AD694引腳接線表機(jī)械自動化學(xué)院整理課件110AD694的基本應(yīng)用圖2.37AD694的基本應(yīng)用機(jī)械自動化學(xué)院整理課件111與D/A轉(zhuǎn)換器的接口機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1122.4.5模擬量輸出通道模板應(yīng)用舉例圖2-41 PCL-726板卡組成框圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1131.寄存器格式2.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=16）。（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)(D3D0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。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件

45、1143.程序設(shè)計(jì)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， 000H0FFFH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語言參考程序段如教材： 匯編語言參考程序如教材：機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1152.6硬件抗干擾技術(shù)干擾：有用信號以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。干擾的來源:外部干擾和內(nèi)部干擾外部干擾：電源電網(wǎng)的波動、大型用電設(shè)備(如天車、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等)的啟停、高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。 內(nèi)部干擾：系統(tǒng)的軟件

46、干擾、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。系統(tǒng)抗干擾的措施：硬件抗干擾和軟件抗干擾機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1162.6.1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 串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或常態(tài)干擾。圖2.41串模干擾示意圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件117（2）串模干擾的抑制方法 加輸入濾波器串模干擾信號頻率大于被測信號頻率低通輸入濾波器串模干擾信號頻率小于被測信號頻率高通輸入濾波器串模干擾信號在被測信號頻率兩側(cè)帶通濾波器。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件118 使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的平均值而不是瞬

47、時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對尖峰干擾具有抑制能力。 前置放大 減少電磁感應(yīng) 利用器件特性克服干擾 提高閾值電平可抑制低噪聲干擾；采用低速邏輯器件或加電容器降低速度，可以抑制高頻干擾。 采用帶屏蔽層的雙絞線 減少電磁感應(yīng)，使每個(gè)小回路的感應(yīng)電勢互相反相抵消。屏蔽層良好接地，就可避免干擾從傳輸導(dǎo)線竄入檢測回路。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1192.共模干擾及其抑制方法（1）共模干擾 共模干擾是指同時(shí)加到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)兩個(gè)輸入端上的公有的干擾電壓，也稱共態(tài)干擾。圖2.43共模干擾示意圖機(jī)械自動化學(xué)院整理課件120 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被測信號有單端對地輸入和雙端不對地輸入兩種輸入方式，如下圖： 對于存在共模干擾的

48、場合，不能采用單端對地輸入方式，因?yàn)榇藭r(shí)的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓，所以必須采用雙端不對地輸入方式如圖(b)所示。圖2.44被測信號的輸入方式機(jī)械自動化學(xué)院整理課件121 上圖中， Zs 、 Zs1 、 Zs2為信號源 Us 的內(nèi)阻抗， Zc 、 Zc1 、 Zc2為輸入電路的輸入阻抗。由圖(b)可見，共模干擾電壓對兩個(gè)輸入端形成兩個(gè)電流回路，每個(gè)輸入端A和B的共模電壓分別為兩個(gè)輸入端的共模電壓為 一般情況下，共模干擾電壓總是轉(zhuǎn)化成一定的串模干擾電壓出現(xiàn)在兩個(gè)輸入端之間。111CCScmAZZZUU222cmBCSCUUZZZ212211cmcmABCCSCSCUUUUZZZZZZ機(jī)

49、械自動化學(xué)院整理課件122 為了衡量一個(gè)輸入電路抑制干擾的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRate)來表示：式中Ucm是共模干擾電壓，Un是由Ucm轉(zhuǎn)化成的常態(tài)干擾電壓。CMRR越大，表明抗共模干擾能力)dB(lg20CMRRncmUU機(jī)械自動化學(xué)院整理課件123（2）共模干擾的抑制方法抑制共模干擾的主要措施： 變壓器隔離:利用變壓器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信息源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開.圖2.45變壓器隔離機(jī)械自動化學(xué)院整理課件124 光電隔離。光電耦合器能隔離干擾的原因光耦在封閉狀態(tài)下工作靠光傳送信號，切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系輸入阻

50、抗小干擾形式一般為大電壓、小電流，而光電耦輸入發(fā)光管在電流狀態(tài)下工作，故可被抑制機(jī)械自動化學(xué)院整理課件125 光電隔離與變壓器隔離相比，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，成本低，體積也小。因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中光電隔離得到了廣泛的應(yīng)用。 浮地屏蔽 所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件126 采用儀表放大器提高共模抑制比 儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、飄移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。 儀表放大器將兩個(gè)信號的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因 。 AD620（低功耗，低成本，集成儀表放大

51、器），還有AD623等等.機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1273. 長線傳輸干擾及其抑制方法（1）長線傳輸干擾 信號在長線中傳輸時(shí)會遇到三個(gè)問題：一是長線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號延時(shí)；三是高速度變化的信號在長線中傳輸時(shí)，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。（2）長線傳輸干擾的抑制方法 長線傳輸干擾抑制的主要措施： 終端匹配波阻抗RP的求解機(jī)械自動化學(xué)院整理課件128匹配方法圖2.48終端匹配機(jī)械自動化學(xué)院整理課件129 始端匹配圖2.50始端匹配SCPRRRRsc為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1302.6.2CPU抗干擾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CPU抗干擾措施：Watchdog(俗稱看門狗)電源

52、監(jiān)控(掉電檢測與保護(hù))復(fù)位 主要是采用監(jiān)控電路MAX1232實(shí)現(xiàn)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1311.MAX1232的結(jié)構(gòu)原理 MAX1232通過監(jiān)控微處理器系統(tǒng)供電及監(jiān)控軟件的執(zhí)行，來增強(qiáng)電路的可靠性，它提供一個(gè)反彈的（無鎖的）手動復(fù)位輸入。 下圖給出了MAX1232的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件132引角描述機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1332.MAX1232的主要功能（1）電源監(jiān)控 電壓檢測器監(jiān)控電壓檢測器監(jiān)控V Vcccc。每當(dāng)。每當(dāng)V Vcccc低于所選擇的容限時(shí)低于所選擇的容限時(shí)(5%(5%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4 462V62V，10%10%容限時(shí)的電壓典容

53、限時(shí)的電壓典型時(shí)為型時(shí)為4 437V)37V)就輸出并保持復(fù)位信號。就輸出并保持復(fù)位信號。 選擇選擇5%5%的容許極限時(shí)，的容許極限時(shí)，TOLTOL端接地；端接地； 選擇選擇10%10%的容許極限時(shí)，的容許極限時(shí)，TOLTOL端接端接V Vcccc。 當(dāng)當(dāng)V Vcccc恢復(fù)到容許極限內(nèi)，復(fù)位輸出信號至少保持恢復(fù)到容許極限內(nèi)，復(fù)位輸出信號至少保持250ms250ms的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作。的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件134（2）按鈕復(fù)位輸入R RS ST T端端靠靠手手動動強(qiáng)強(qiáng)制制復(fù)復(fù)位位輸輸出，出，該該端端保保持持t tP PB BD

54、D是是按按鈕鈕復(fù)復(fù)位位延延遲遲時(shí)時(shí)間，間，當(dāng)當(dāng)P PB BR RS ST T升升高高到到大大于于一一定定的的電電壓壓值值后，后，復(fù)復(fù)位位輸輸出出保保持持至至少少2 25 50 0m ms s的的寬寬度。度。一一個(gè)個(gè)機(jī)機(jī)械械按按鈕鈕或或一一個(gè)個(gè)有有效效的的邏邏輯輯信信號號都都能能驅(qū)驅(qū)動動P PB BR RS ST T ，無無鎖鎖按按鈕鈕輸輸入入至至少少忽忽略略了了1 1m ms s的的輸輸入入抖抖動，動，并并且且被被保保證證能能識識別別出出2 20 0m ms s或或更更大大的的脈脈沖沖寬寬度。度。該該P(yáng) PB BR RS ST T在在芯芯片片內(nèi)內(nèi)部部被被上上拉拉到到大大約約1 10 00 0A

55、 A的的V Vc cc c上，上，因因而而不不需需要要附附加加的的上上拉拉電電阻。阻。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件135（3）監(jiān)控定時(shí)器(Watchdog)看門狗定時(shí)器最主要的應(yīng)用是用于因干擾引起的“飛程序”等出錯(cuò)的檢測和自動恢復(fù)。下圖是一個(gè)典型啟動微處理器的例子。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1363.掉電保護(hù)和恢復(fù)運(yùn)行掉電信號由MAX1232監(jiān)控電路檢測得到，加到微處器的外部中斷端。掉電檢測電路必須在電源電壓下降到CPU最低工作電壓之前就提出中斷申請，提前時(shí)間為幾百微秒至數(shù)毫秒。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，復(fù)位信號首先檢查是否有掉電標(biāo)記，如果沒有，按一般開機(jī)程序執(zhí)行。如果有掉電標(biāo)記，不應(yīng)將系統(tǒng)初始化，而應(yīng)按掉電中

56、斷服務(wù)程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場，以一種合理的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)未完成的工作。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1372.5.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù)1.供電技術(shù)（1）供電系統(tǒng)的一般保護(hù)措施 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般供電結(jié)構(gòu)如下圖所示。 建議采用開關(guān)電源。交流穩(wěn)壓器低通濾波器直流穩(wěn)壓器計(jì)算機(jī)220VAC機(jī)械自動化學(xué)院整理課件138（2）電源異常的保護(hù)措施 可以采用不間斷電源UPS，其原理如下圖所示。如果外界交流電中斷時(shí)間長，就需要大容量的蓄電池組。控制器計(jì)算機(jī)電池充電器電池組220VAC逆變器直流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1392.接地技術(shù)（1）地線系統(tǒng)分析 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬

57、地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。注意：交流地絕對不允許分別與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對避免漏電現(xiàn)象。 在過程控制計(jì)算機(jī)中，對上述各種地的處理一般是采用分別回流法單點(diǎn)接地。回流線往往采用匯流條而不是一般的導(dǎo)線。 這些地之間只在最后匯集一點(diǎn)，并且常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小于300mm2的多股銅軟線焊接在接地極上后深埋地下。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件140（2）低頻接地技術(shù) 一點(diǎn)接地技術(shù) 接地措施：信號線的接地方式采用一點(diǎn)接地 。 兩種接地方法： 串聯(lián)接地機(jī)械自動化學(xué)院整理課件141并聯(lián)接地機(jī)械自動化學(xué)院整理課件142n 實(shí)用的低頻接地 在一般的系統(tǒng)中至少要有3

58、條分開的地線。一條是低電平電路地線；一條是繼電器、電動機(jī)等的地線（稱為“噪聲”地線）；一條是設(shè)備機(jī)殼地線（稱為“金屬件”地線）。若設(shè)備使用交流電源，則電源地線應(yīng)和金屬件地線相連。這三條線應(yīng)在一點(diǎn)連接接地。使用這種方法接地時(shí)，可以解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的大部分接地問題。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件143（3）通道饋線的接地技術(shù) 電路一點(diǎn)地基準(zhǔn)一個(gè)實(shí)際的模擬量輸入通道，總可以簡化為由信號源、輸入饋線和輸入放大器3部分組成。為了克服雙端接地的缺點(diǎn)，輸入回路改為單端接地方式。當(dāng)單端接地點(diǎn)位于信號源端時(shí)，放大器電源不接地；當(dāng)單端接地點(diǎn)位于放大器端時(shí)，信號源不接地。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件144 電纜屏蔽層的接地當(dāng)一

59、個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號源與一個(gè)接地的（即使不是放大器）放大器相連時(shí)，輸入線的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；當(dāng)接地信號源與不接地放大器相連時(shí)，即使信號源端接的不是大地，輸入線的屏蔽層也應(yīng)接到信號源的公共端。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件145（4）主機(jī)外殼接地但機(jī)芯浮空 這種方法安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件146（5）多機(jī)系統(tǒng)的接地 近距離的幾臺計(jì)算機(jī)安裝在同一機(jī)房內(nèi)，可采用多機(jī)一點(diǎn)方法。對于遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，多臺計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，通過隔離的辦法把地分開。 例如：采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)和無線電通信技術(shù)。機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1

60、47 A/D與D/A數(shù)據(jù)手冊機(jī)械自動化學(xué)院整理課件148Z變換及Z傳遞函數(shù)機(jī)械自動化學(xué)院整理課件1491 Z變換定義與常用函數(shù)Z變換 1.1 Z變換的定義 已知連續(xù)信號f(t)經(jīng)過采樣周期為T的采樣開關(guān)后，變成離散的脈沖序列函數(shù)f *(t)即采樣信號。0*)()()(kkTtkTftf對上式進(jìn)行拉氏變換，則 機(jī)械自動化學(xué)院整理課件150根據(jù)廣義脈沖函數(shù)的性質(zhì)，可得00*)()()()()()()(ktTstTsktTsdekTtkTfdekTtkTfdetftfLsF0*)()(kkTsekTfsF對上式進(jìn)行拉氏變換，則機(jī)械自動化學(xué)院整理課件151上式中，F(xiàn)*(s)是離散時(shí)間函數(shù)f *(t)的