1.1计算机控制系统概述

1.1计算机控制系统概述

1.1.1 微机控制系统特征

从模拟控制系统过渡到微机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念等均发生了重大变化。微机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势；在工作过程与方式等方面存在其必须遵循的规则。因此，通过了解微机控制系统的这些特征可以建立起微机控制系统的基本概念。

l.结构特征

控制器和执行机构是任何控制系统都不可缺少的内容。执行机构是系统用来操作、改变、管理被控对象的工具，而控制器为执行机构提供执行方式和执行量值等。

模拟控制系统的控制器通过以运算放大器为基本运算电路的模拟电路计算执行量值，决策执行方式。通常一套决策方案，一种计算方法对应一组专用生成电路，改变决策方案和计算方法就必须改变生成电路。计算机控制系统用计算机作为控制器，执行量值的计算，执行方式的决策等都是通过计算机程序来实现。将控制器用微型计算机来代替，便构成了微机控制系统，即其结构特征主要表现为系统控制器由微型计算机担当，系统参数分析和控制量值计算等均由微机完成。

微机控制系统的抽象结构和作用在本质上与其它控制系统没有什么区别，因此，同样存在微机开环控制系统、微机闭环控制系统等不同类型的微机控制系统。模拟系统控制器中的信号形式是连续量，微机作为控制器只能处理离散量，当微机要给模拟执行机构提供控制量时，要将离散量或数字量转换为连续量或模拟量，即要进行D／A(数字／模拟)转换；为了将被控制的模拟量变为计算机能接受，并可进行处理的数字信号形式，在闭环反馈通道上要设置A／D(模拟／数字)转换环节。因此，以微型计算机为控制器的闭环控制系统抽象结构如图1.1.1所示。

图1.1.1 微机闭环控制系统结构图

按微机控制系统中信息的传输方向，系统包含三条基本信息通道。第一条是含D／A转换环节的通道，称之为后向通道或输出过程通道；第二条是含有A／D转换环节的通道，称之为前向通道或输入过程通道；第三条通道是人机对话或交互通道。微机通过输出过程通道向被控对象或工业现场提供控制量；通过输入过程通道获取被控对象或工业现场信息；系统操作者通过人机交互通道向微机控制系统发布相关命令，提供操作参

数，修改设置内容等，微机则可通过人机交互通道向系统操作者显示相关参数、系统工作状态、对象控制效果等。

当微机控制系统没有输入过程通道时，称之为微机开环控制系统。在微机开环控制系统中，微机的输出只随给定值变化，不受被控参数影响，通过调整给定值达到调整被控参数的目的。但当被控对象出现扰动时，微机无法自动获得扰动信息，因而无法消除扰动，导致控制性能较差。当微机控制系统仅有输入过程通道时，称之为微机数据采集系统。在微机数据采集系统中，微机的作用是对采集来的数据进行处理、归类、分析、储存、显示与打印等，而微机的输出与系统的输入过程通道参数输出有关，但不影响或改变生产过程的参数，所以这样的系统可认为是开环系统，但不是开环控制系统。

2.功能特征

与模拟控制系统比较，微机控制系统的重要功能特征表现为：

．(1)以软件代替硬件

以软件代替硬件的功能主要体现在两个方面，一方面是改变控制对象，微机及其相应的过程通道硬件只需作少量的变化，甚至不需作任何变化，而面向新对象重新设计一套新控制软件便可；另一方面是可以用软件来代替逻辑部件的功能实现，从而降低系统成本，减小设备体积。

(2)数据保存

现代微机已具备多种数据保持方式，如脱机保持方式有软盘、U盘、移动硬盘、磁带、光盘、纸质打印、纸质绘图等；联机保持方式有固定硬盘、EEPROM、RAM休眠等，工作特点是系统断电不会丢失数据。正是由于有了这些数据保护措施，使得人们在研制微机控制系统中，可以从容对付突发问题；在分析解决问题时可以大量减少盲目性，从而提高了系统的研发效率，缩短研发周期。

(3)状态、数据显示

微机具有强大的显示功能。显示设备类型有CRT显示器、LED数码管、LED矩阵块、LCD显示器、LCD模块、LCD数码管、各种类型打印机、各种类型绘图仪等；显示模式包括数字、字母、符号、图形、图像、虚拟设备面板等；显示方式有静态、动态、二维、三维等；显示内容涵盖给定值、当前值、历史值、修改值、状态值、系统工作波形、系统工作轨迹仿真图等。人们通过显示内容可以及时了解系统的工作状态、被控对象的变化情况、控制算法的控制效果等。

(4)联网管理

一般微机都具有串行通信或联网功能，利用这些功能可实现多套微机控制系统的联网管理，资源共享，优势互补；可构成分级分布式集散控制系统，以满足生产规模不断扩大，生产工艺日趋复杂，可靠性要求更高，灵活性希望更好，操作需更简易的大系统综合控制的要求；实现生产进行过程(动态)的最优化和生产规划、组织、决策、管理(静态)的最优化的有机结合。

3.工作过程特征

图1.1.1表明在微机闭环控制系统在工作过程中，由检测装置将被控对象的模拟参数送至A／D转换环节，微型计算机把从A／D转换环节获得的数据与给定值r(t)比较，然后对其偏差按某种控制算法进行计算，得出新的控制量数据，经D／A转换驱动执行

机构改变被控对象。整个过程可归纳为三个步骤，即数据采集、数据处理与决策、控制输出。当被控对象处于动态状态时，如果不能及时获得信息，及时做出决策，及时调整输出，就有可能失去控制效果和意义。而微机控制系统控制过程的三个步骤都是通过程序来实现的，因此微机控制系统的工作过程特征表现在对三个步骤都有实时性要求。

所谓“实时”，是指在规定的时间内完成规定的任务。实时又有及时、即时、适时的意思。就微机控制系统而言，要求微机能够在规定的时间内以足够快的速度进行数据采集、分析处理、对被控对象做出相应的控制操作，否则就会失去控制机会，微机在控制系统中也就没有存在的任何实际意义。不同的对象实时时间是不相同的，如炼钢的炉温控制，由于时间惯性很大，输出延迟几秒仍然是实时的；而轧钢机的拖动电机控制，一般需在几毫秒或更短的时间内完成对电流的调节，否则电流失控将造成事故。

(1)实时数据采集

检测装置将被控对象(温度、湿度、黏度、压力、流量、速度、位移等)的信息转换成相应的模拟电信号，送到A／D环节输入端，微机按规定的时间启动A／D转换进行对被控对象采样，并在规定的时间内完成采样，以数字信号形式将采样结果存入存储器。

(2)实时控制决策

采样数据反映被控对象的状态信息，微机必须在规定的时间内完成对它的前置处理(如有效性检查、数字滤波等)，然后进行数据分析，判断被控参数是否偏离预定值，是否达到或超过安全极限值，如果被控参数处于可调范围，则按选定的控制算法程序进行控制量值计算。总之是按预定控制规律进行运算作出控制决策。

(3)实时控制输出

实时控制输出有两个方面的内容，一是被控对象参数处于可调节范围，微机将决策结果(新的控制量值)及时送至执行机构调整被控对象的被控参数；二是在决策环节分析出被控对象参数达到或超过安全极限值，这时候应在最短的时间内启动报警装置，即进行实时报警。

系统的实时报警除了来自被控对象的辨析结果外，系统设备出现异常情况，微机也应能及时发出声光报警信号，并自动地或由人工进行必要的处理。

数据采样、运算决策、输出控制三个阶段占用时间之和满足实时性要求，则该系统具有实时性。而系统是否满足实时性，最终是体现在不影响系统的控制正确性。运算决策在三个阶段中占用时间最长，因此，要缩短控制的延时，应从合理选择控制算法、优化控制程序、选用运算速度较高的微机等方面加以解决。此外，在微机硬件方面应具备实时时钟和优先级中断信息处理电路；在软件方面应具备完善时钟管理、中断处理程序。实时时钟和优先级中断系统是保证微机控制系统实时性的必要条件。

4.工作方式特征

微机用两种方式与通道、被控对象结合组成微机控制系统，一种是在线工作方式，另一种是离线工作方式。

在线工作方式：又称“联机”工作方式。微机在控制系统中直接参与控制或交换信息，而不通过其它中间记录介质，如磁盘、U盘、光盘、磁带等。

离线工作方式：又称“脱机”工作方式。微机不直接参与对被控对象的控制，或不直接与被控对象交换信息，而仅是将有关控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按

照微机提供的信息完成相应的控制操作。

离线工作方式元实时性可谈。要使系统具有实时性，微机必须按在线方式工作。但在线不一定就具有实时性。比如微机水温测试系统与微机水温测试控制系统，前者微机可以在线也可以离线，后者微机必须在线。对于前者，微机在线也不一定要具有实时性，因为微机仅采集水温，不调节水温，从而对采集时间不需进行严格要求；微机离线工作时，微机根据其它水温记录装置提供的数据进行分析，得出控制参数，然后由人依据微机提供的控制参数来实施调节水温。对于后者，由于存在自动控制目标，微机必须对水温的变化作精确采集，及时调节，因此微机不但要在线，而且微机水温测试控制系统一定要具有实时性，否则达不到控制目标。

1.1.2微机控制系统硬件组成

被控对象千差万别，控制任务和控制要求随被控对象的不同而不同，即便是同一个被控对象也可提出多种多样的控制任务或控制要求，因此，微机控制系统的具体组成是因事而变的。尽管如此，根据微机控制系统的结构特征，不同任务的微机控制系统有着相同的抽象结构。图1.1.2所示是具有一定综合性的微机控制系统硬件结构示意图，它不但包括了模拟信息的输入输出过程通道，还含有开关量输入输出通道、操作控制台与接口、微机I／O设备与接口等，因而更具一般性。由图1.2可知微机控制系统的硬件体系由工业生产过程(也可以是非工业生产过程，如家庭的温度、湿度测控)、过程通道、接口、主机、操作控制台、微机I／0设备等组成。

1.工业生产过程

工业生产过程是指在生产现场把原材料变成成品或半成品，或通过原材料获得某些所需参数的工作规范。这种工作规范包括工艺流程、参与设备、人员数量与作用、结果指标等。被控对象来源于工业生产过程。在工业生产过程中，被控对象可以是一个，也可以是多个。如数控钻床的被控对象主要是钻头的定位，而炼钢过程的被控对象包括炉温、配料计量、加料传送等。被控对象的信息通过在生产现场的适当位置安设相应的传感器

获得。

2.过程通道

过程通道包括模拟输入、输出通道，开关量输入、输出通道。过程通道处于工业生产过程与主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务。当被控对象为模拟对象时，由变送器将被控对象的能量存在形式转变为采样装置所能接收的电能形式，然后由采样装置规范成A／D转换器所能接收的电量，最后由A／D转换器变成微机能够接收的数据送接口。如果被控参数是非电物理量，则变送器为传感器；如果被控参数为电量，则变送器或为放大器，或为衰减器。工业生产过程的被控参数以连续变化的非电物理量居多。如果执行机构需要连续的模拟量操纵，则微机输出的数字控制量必须进行D／A 转换；当用一个D／A转换器为多个控制点提供控制信号时要设置保持器。当工业生产过程有数字数据信号或数字状态信号要送主机时，可通过开关输入通道传送；主机有数字数据信号或数字控制信号等要送工业生产过程时，可通过开关输出通道传送。

3.接口

接口是主机与过程通道连接的数字中介装置。主机通过接口可连接不同类型、不同数量的通道，也可连接各种外设以及操作控制台等。接口种类主要分为并行、串行两大类。接口是数字中介装置的集合，其中的元素是端口。主机给每个端口分配一个地址。当端口地址与主机的I／O输出控制信号配合时，对应的端口称为输出端口；与主机的I／0输入控制信号配合时，对应的端口称为输入端口。同一个端口地址与不同的I／O 控制信号配合既可作为输入通道端口也可作为输出通道端口。按迄今已出现的接口硬件结构情况，可将接口分为三大类，一类是单独的通用可编程接口芯片，一类是与CPU 集成在一起可编程接口，再一类是用基本逻辑部件根据需要搭接的可编程接口。

图1.1.2 微机控制系统硬件的组成图

4.主机

主机采用微型计算机，是微机控制系统的标志性内容。主机由CPU、ROM、RAM及系统总线等组成。开发者将系统的相关程序存人ROM，系统启动后，通过输入通道从生产现场获得过程参数，并由控制程序进行处理、分析、运算、决策等得出相应的控制信息，又经输出通道把控制信息回送生产过程，进而调节被控参数，使之达到并维持预计目标。控制程序是依据控制算法，结合主机的指令系统和通道端口地址而设计的，不但要反映控制参数与被控参数之间的数学关系，还要满足控制的实时性要求。

在工业生产过程中，处于在线的主机又称为工业控制计算机，简称工业控制机或工控机，其特点表现为可靠性高，可维修性好，环境适用性强，控制实时性，输入输出通道完善，软件丰富等。本书中的主机均指工控机。

5.操作控制台

操作控制台是人与微机控制系统交换信息的中介设备，对于工业生产过程的微机控

制系统是不可缺少的。通常，微机的I／O设备摆放在控制台上或周围，这样一来，在操作台上工作人员既可看到来自工业现场的运行状态及被控参数的直接显示和记录，也可观察到由计算机提供的显示内容。当系统出现故障报警时，操作人员可在控制台上及时获得信息，及时进行处理，如根据操作台提供的故障信息对现场设备进行快速处理、检修，或在控制台对计算机程序、控制参数、试验参数等进行修改和调整等。就一般而言操作控制台应具有以下功能。

(1)显示

显示范围应尽量涵盖工业生产过程中各重要环节、过程通道各关键部位、辅助及供电设备等：显示装置根据具体情况选用，如希望有图文显示，可配置CRT、LCD显示器等；如只需显示参数，可配置LED、LCD数码管等；如果希望脱机分析数据，可配置打印机、记录仪等；如需及时显示状态或报警，可配置相应的指示灯及发声器。

(2)操作

在操作台除了微机键盘外，还应配有相应的可直接操作控制系统的开关、按钮、扳键等，遇到紧急情况可在操作台直接强制处理，或在控制台可对系统相关部分进行直接操作、实验。

(3)数据保存

如果微机控制系统的数据量大，控制台可增设光盘刻录机、磁带机、u盘口、移动硬盘口等用于扩展存储容量的设备。

(4)远程信息交换

随着计算机网络技术的普及，对微机控制系统实行联网管理的技术渐趋成熟，因此，操作控制台应设置远程信息交换口，随时可使本系统加入到大规模集散系统中。

2.2 模拟量输入通道

2.2.1模拟量输入通道的结构

模拟量输入通道的任务是对过程量(即模拟量)进行变换、放大、采样和模／数转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机，典型的模拟量输入通道的结构如图2.2.1所示。

过程参数

系

统

总

线图2.2.1 模拟量输入通道结构

由图2.2.1可见，模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D

转换器、接口及控制逻辑等组成。

模拟量输入通道各部分作用说明如下：

1.传感器

将过程量转换为电信号。

2.放大电路

对微弱的电信号进行放大。

3.多路转换开关

将多路模拟信号按要求分时输出。

4.采样保持

对模拟信号进行采样，在模一数转换期间对采样信号进行保持。

5.A／D转换

即模－数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。

6.控制器

实现通道各环节在逻辑和时序上的协调。

2.2.2 I/V变换

变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ－II型的输出信号标准为0~10mA,而DDZ－Ⅲ型和DDZ－S系列的输出信号标准为4～20mA，因此针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。

1.无源I/V变换

无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图2.2.2所示。

图2.2.2 无源I/V变换电路

对于0～10mA的输入信号，可取R1=100Ω,R2=500Ω，且R2为精密电阻，这样当输入的I为0～10mA电流时，输出的V为0～5V，对于4～20mA输入信号，可取R1=100Ω,R2=250Ω，且R2为精密电阻，这样当输入的I为4～20mA时，输出的V为1～5V。

2.有源I/V变换

有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图2.2.3所示。

输入

图2.2.3 有源I/V 变换

利用同相放大电路，把电阻R 1上产生的输入电压变成标准的输出电压。该同相放大电路的放大倍数为

3

41R R A += 若取R 3=100k Ω,R 4=150k Ω，R 1=200Ω,则0～10mA 输入对应于0~5V 的电压输出。若取R 3=100k Ω,R 4=25k Ω，R 1=200Ω，则4～20mA 输入对应于1～5V 的电压输出。

2.2.3 多路转换器

多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将输入信号依次德或随机地连接到公用放大器或A/D 转换器上。为了提高过程参数地测量精度，对多路开关提出了较高地要求。理想地多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外。还希望切换速度快、噪音小、寿命长。工作可靠。

常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。

2.2.4 信号的采样、量化及常用的采样保持器

1.信号的采样

信号的采样过程如图2.2.4所示。执行采样动作的是采样器（采样开关）K ，K 每隔一个时间间隔T 闭合一个时间τ

。T 称为采样周期，τ称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号y （t ）通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。

t

采样器

图2.2.4 信号的采样过程

采样信号y*(t)是否能如实地反映模拟信号y （t ）的所有变化与特征呢？采样定时指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率f max ，只要按照采样频率f ≥2 f max ，进行采样，那么采样信号y*(t)就能惟一地复现y （t ）。采样定理给出了y*(t)惟一复现y(t)所必须地最低采样频率。实际应用中，常取f ≥（5～10）f max 。

2.信号的量化

采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号y （t ）幅值上的变化，也反映在采样信号y*(t)上。所以，采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。

所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。执行量化动作的装置是A/D 转换器。字长为n 的A/D 转换器把y min ～y max 范围内变化的采样信号，变换为数字信号0～2n －1，其最低有效位（LSB ）所对应的模拟量q 称为量化单位。

1

2min max --=n y y q 量化过程实际上是一个用q 去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度（比如毫米）去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为±1/2q 。例如，q ＝20mV 时，量化误差为±10mA ，0.990～1.009V 范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。

在A/D 转换器的字长n 足够长时，整量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号。在这种假设下，数字系统便可沿用采样系统理论分析、设计。

3.采样保持器

（1）孔径时间和孔径误差

在模拟量输入通道中，A/D 转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D 转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。例如图2.14所示的正弦模拟信号，如果从t 0时刻开始进行A/D 转换。但转换结束时已为t 1，模拟信号已发生Δu 的变化。因此，对于一定的转换时间，最大的误差可能发生在信号过0的时刻。因为此时的du/dt 最大，孔径时间t A/D 一定，所以此时Δu 为最大。

令 U=U m sin ωt

t U t U dt

dU m m ωπωωcos 2cos 2== 式中，U m 为正弦模拟信号的幅值；f 为信号频率。

在坐标原点上

f U t

U m π2=?? 取Δt ＝t A/D ，则得原点处转换的不确定电压误差为

D A m ft U U /2π=?

误差的百分数

1002100/?=??=D A m

ft U U πσ 由此可知，对于一定的转换时间t A/D ，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D 转换精度，使它不低于0.1％，不得不限制信号的频率范围。

一个10位的A/D 转换器（量化精度.01％），孔径时间10μs ，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为

Hz S

f 1610101021.026≈???=-π 为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。

（2）采样保持原理

A/D 转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D 转换时间。

2.3 模拟量输出通道

模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字量变换成模拟量，这个任务主要由数／模转换器来完成的，对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持的功能。

2.3.1模拟量输出逻辑的结构

在许多场合要求具有多路模拟量输出通道。对于多路模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的结构方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。

1. 独立数／模转换器的形式

图2.3.1是这种形式的结构图。在这种形式中，CPU 和通道之间通过独立的接口缓冲器传送信息，因此这是数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，每条输出通路相互独立，不会由于某一路D ／A 故障而影响其它通路的工作。但使用了较多的D ／A 转换器，因而成本较高，随着大规模集成电路技术发展，成本将不成问题。

图2.3.1 独立D/A转换器结构形式

2．共用数／模转换器的形式

这种形式的原理框图如图2.3.2所示。因为共用一个数／模转换器，故它必须在PU控制下分时工作。即依次把D／A转换器转换成的模拟电压(或电流)，通过多路模拟开关传送给输出保持器，这种结构节省了D／A转换器，但因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。由于需要多路转换器，且要求输出采样保持器的保C持时间与采样时间之比很大，因而其可靠性较差。

图2.3.2 公用D/A转换器结构

2.3.2 V/I变换

在工业控制系统中，常常以电流方式传输信号。因为电流信号适合于长距离传输，传输输中信号衰减小，抗干扰能力强。因此。大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接。按仪器仪表标准，DDZ-Ⅱ系列仪表各单元之间的联络信号为0～10mA，而DDZ-Ⅲ系列仪表各单元之间的联络信号为4～20mA。一般D/A转换器的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接V/I转换器。

常用的V/I转换器可以分为两种，一种为负载电源方式，另一种为负载共地方式，分别如图2.3.3（a）和（b）所示。

f

R L (a)

图2.3.3 V/I 转换电路 （a ）负载共电源方式； （b ）负载共地方式

对于负载共电源方式的V/I 转换电路图 （a ），由于运算放大器输入负载与输入正端电位基本相等，即V i ＝V f ,可得

f

i f f

f R V R V I I ===0 在图 （b ）所示负载共地方式的V/I 转换电路中，V i 为输入电压，I 0为输出电流，R f 为电流反馈采样电阻，R S 为限流电阻，R L 为负载电阻。R f 采集到的电流信号以电压形式加到运算放大器的输入端，而且极性与输入电压信号反相。所以，这是一个电流并联负反馈电路。

由于运算放大器的输入阻抗很高，流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R 2》R f 条件下，流经R 2的电流与I 0相比也可以忽略。由于运算放大器正负输入端电位近似相等，可得 21102110)()

(R R R R R I R R R V R I V L f i L i ++=+-+ 化简得

f

i R R R V I 120= 例如，如果取R 1＝100k Ω，R 2＝20k Ω，R f ＝100Ω，则当V i 在0～＋5V 时，I 0为0～10mA 。

使用图（b ）电路时，需要注意以下几点：

（1）电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够得V/I 转换精度。

（2）V/I 转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的

运算放大器，就必须附加额外的高零电路。

（3）正电源＋V的取值必须满足＋V>(R f+R L)XI omax,I omax为I0的最大值。

（4）如果需要改变输入电压范围，只需改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，则需要在运算放大器输入端附加偏置电压。

3.2模拟数据采集技术

模拟数据采集系统实现对现场模拟量的采集和处理，其性能的好坏主要取决于它的速度和精度。特别是工业生产过程中的数据采集系统，往往要求在保证精度的条件下具有在线实时有效的多路处理功能。

3.2.1 模拟数据采集电路

从传感器开始到CPU为止的电路构成模拟数据采集电路，它将需要的现场参数转换成计算机能够识别的数字量进入到CPU。虽然由于信号的多样性，电路结构亦有所不同，但是基本的框架趋势相似的。

多路采样开关、采样/保持器（S/H）、A/D转换器等构成了DAS的数据输入通道。多路模拟输入信号经过多路开关依次接通并按顺序输入，在经过放大和滤波后被采样保持器采样并保持，使输入到A/D转换器的模拟量在保持时间内恒定，以保证A/D转换的准确性，A/D转换器转换后的数字量可经数据缓冲器送入数据总线（DB），微机从数据总线获得转换的数据并进行处理。

图3.2.1为具体的电路实例。它实现单片机对8路模拟量进行数据采集。对于变化频率不超过100Hz电压范围0～10V的8路模拟信号可以进行连续巡回检测，分辨率为5mV，采样间隔不低于1s时，可以进行数字滤波处理。

图3.2.1 8路模拟电压自动巡回数据采集电路

3.2.3 模拟量数据采集的预处理方法

由于工业控制对象的工作环境一般比较恶劣，干扰源较多，模拟量经A ／D 转换后，由计算机采集到的数字量还要作适当的处理后才能使用。数据采集系统对采集数据的处理包括输入数据的有效性检查、数字滤波。

1.有效性检查

为避免测量元件、变送器的故障或信号线路的开路，使计算机采集到真实的数据，通常都要对输入数据进行有效性检查，这是保证系统可靠性的措施之一。在系统设计时总是使被测量的模拟信号处于某个标准电压或电流范围内，如果测量仪表或信号传送线路出现故障，其信号便会达到以至超过信号标准的上下限值，计算机便可发出报警，显示故障通道号，提醒维修人员进行处理。有效性检查程序框图如图3.2.7所示，图中d 表示读入数据，P max 和P min 分别为系统测量的上下限值，M1和M2为设定的标志，反映的是上限溢出还是下限溢出以及通道编号。

图3.2.7 有效性检查程序框图

2.数字滤波

数字滤波就是通过一定的计算机程序减少干扰信号在有用信号中的比重，故实际上是一种程序滤波。数字滤波能够克服模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下优点：

。由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，可以多个输入通道“共用”一个滤波程序。

。由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。

。数字滤波能对频率很低(如O ．01 Hz)的干扰信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷，而且通过改写数字滤波程序或改变数字滤波参数，可以实现不同的滤波方法，这比改变模拟滤波器的硬件要灵活、方便。

常用的数字滤波方法有多种，它们各有不同的特点，现介绍如下。

(1)限幅滤波

限幅滤波的方法是考虑到被测参数在两次采样时间间隔内，一般最大变化的增量△z 总是在一定的范围内，如果前后两次采样的实际增量1--k k x x ≤△x ，则认为是正常

的，否则认为是干扰造成的，这种情况下用上次的采样代替本次采样。即： ;,;,111??????

?>-?≤-=---x x x x x x x x y k k k k k k k （3.2.1） (2)限速滤波

限速滤波的方法也是先设定前后两次采样的最大允许增量△x ，用本次采样x k 相对上次采样的增量k x ?进行比较，若k x ?≤△x ?，则认为本次采样有效；否则再重新采样一次，得1+k x ；如果1--k k x x ≤△x ，则表明1+k x 接近k x ，k x 是可信的，用最近一个采样1+k x 作滤波输出；相反，就以1+k x 和k x 算术平均值作为滤波输出。即：

;.,,2;,)(11111x x x x x x x x x x x x x y k k k k k k k k k k k ?>???

?????≤-?????-+?≤-=-++++再次采样 （3.2.2） 这一方法既保证了采样的实时性，也考虑到采样值变化的连续性。

上述两种方法统称为程序判断滤波，对抑制带有随机性的干扰较为有效，但涉及△x 值如何确定的问题。对不同的对象特性，使用不同的采样周期、系统不同的给定输入形式(阶跃、等速或加速)，都影响到△x 值的选择；往往需要经过大量的观测和实验才能确定。

(3)算术平均滤波

算术平均滤波就是连续采样n 次，把n 次采样结果的算术平均值作为本次滤波器的 输出。即： ∑==n

i ki k x n y 1

1 (3.2.3) 式中：k y ——本次滤波输出；

ki x ——第i 个采样值(i=1，2，…，n)。

此种滤波方法主要适用于压力、流量等信号的平滑加工，这类信号的特点是信号往往在某一数值范围附近作上下波动，即干扰是周期性的。算术平均滤波对信号的平滑程度取决于平均次数n 的选择，随着平均次数挖的增大，平滑度高，而灵敏度降低。通常，流量n=12，压力n=4。但应视不同的具体系统和采用不同的采样周期作适当的增减。 算术平均滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，对脉冲性干扰的抑制不够理想。

(4)加权平均滤波

在算术平均滤波中，对于n 次采样所得的采样值，在其结果中所占比重是均等的，

加权因子均是1／n 。但有时为了突出最近几次采样值在平均值中的比重，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。即：

∑==

n i i i k x y 1

α (3.2.3) 其中，o ≤i α≤1且∑=n i i 1α

=1。

这种方法称为加权平均(或滑动平均)滤波方法。它适用于系统纯延迟时间常数较大而采样周期较短的情况。加权因子的选取可根据具体情况决定，一般是愈新的采样值赋以较大的比重，以迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。

(5)中值滤波

中值滤波是对某一被测参数连续采样3次，取采样值居中者作为滤波器的输出。即： k y =mid(1k x ,2k x ,3k x )

MCS-51单片机实现的子程序如下：

push psw ；保护psw 、a

push a

mov a ，r1 ；1k x 送a

clr c

aubb a, r2

jnc lob01 ; 1k x >2k x ?

mov a, r1

xch a, r2 ;互换1k x 和2k x

juv r1, a

lob01： mov a ， r3

clr c

subb a, r1

jnbc lob03 ; 3k x > 1k x ?

mov a, r3

clr a

subb a, r2

Jnbc lob04 ; 3k x >2k x ?

Mov a, r2

mov a ， rO

lob02： pop a ；恢复psw 、a

pop psw

ret

lob03： mov a ， r1

mov rO, a

sjmp lob02

lob04： mov a ， r3

mov rO ，a

sjmp lob02

运行程序前，1k x ,2k x ,3k x 分别存放于r1、r2、r3中，运行后k y 在r0中。 中值滤波能有效地滤除由于偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但不适用于快速变化的过程参数。

(6)防脉冲干扰的算术平均滤波

算术平均滤波不易消除脉冲干扰引起的测量值的偏差，中值滤波由于采样点数的限制，其滤波范围很窄。可以考虑把这两种滤波方法结合起来，做到既能防止脉冲干扰的影响，又能使周期性干扰得到平滑处理。基本思想是把连续采集的n 个值去掉一个最大值和一个最小值，剩余取平均作为本次滤波的输出。即： ??

????---=∑=n i kn k k kn k k ki k x x x x x x x n y 12121),...,,max(),...,,min(21 (3.2.4) 这就是所谓的防脉冲干扰的算术平均滤波。这种方法兼有算术平均滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变参数都有抑制干扰的作用，有利于提高采样的真实性，但运算工作量较大，会影响系统的实时性。当采样点数为3时，它便是中值滤波。

(7)惯性滤波

在模拟量输入通道中，常用一阶低通RC 模拟滤波器来削弱干扰。但用RC 滤波器 来抑制低频干扰时，由于大时间常数的RC 网络不易制作而难以实现。因为增大网络的R 值会引起信号较大幅值衰减，而增大C 值，则使电容的漏电和等效串联电感也随之增大，影响滤波效果。当采用数字形式来模拟RC 低通滤波器的输入输出关系，则能很好地避免硬件RC 滤波器的缺点。在滤波常数要求较大的场合，这种方法尤为实用。这就是惯性滤波。

下面推导惯性滤波算法。

模拟RC 滤波器电路如图3.2.8所示。

设采样周期为T ，离散化后有

图3.2.8 RC 滤波器

x y dt

dy RC =+ k k k k x y T

y y RC =+--1 即： k k k x T RC T y T RC RC y +++=

-1 令称为滤波平滑系数(<1)

则 k k k x y y )1(1αα-+=- (3.2.5) 此式即为惯性滤波算法，其中的a 根据实际情况确定。

前面介绍了几种常用的数字滤波方法，每种滤波方法均有其特点，可根据具体被测参数的情况合理选用。有时为了进一步改善滤波的效果，往往把两种以上的滤波方法结合起来使用，成为复合滤波。

一般来说，对于变化缓慢的参数，如温度，可选用程序判断滤波及惯性滤波，而对变化比较快的信号，如压力、流量等，则可选用算术平均滤波或加权平均滤波等滤波方法，对要求较高的系统可考虑复合滤波方法，即将某几种方法一并使用。