计算机控制技术-2.1 输入输出接口与过程通道(一)

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微型计算机控制技术复习资料

1.1自动控制：在没有人参与的情况下，通过控制器使产生过程自动地按照预定的规律运行。

1.2典型的工业生产过程:连续过程(continuous process),离散过程(discrete process),批量过程(batch process)1.3批量过程:间歇性多种生产过程;特点:连续过程和离散过程交替进行，配方的切换和生产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方生产工艺后的生产过程又是一个连续过程。

1.4计算机控制系统组成:计算机、生产过程。

1.5生产过程包括：被控对象、测量变送、执行机构、电器快关。

1.6计算机控制系统的典型形式:<1>操作指导控制系统<2>直接数字控制系统<3>监督控制系统<4>集散控制系统<5>现场总线控制系统<6>综合自动化系统1.7操作指导控制系优点:结构简单，控制灵活，安全。

缺点:由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

1.8直接数字控制系统(DDC)属于计算机闭环控制系统。

要求：实时性好，可靠性高，适应性强。

1.9片级总线:数据总线、地址总线、控制总线、I^2C总线、SPI总线、SCI总线。

1.10系统总线:ISA总线、EISA总线VESA总线、PCI总线。

1.11外部总线:RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB。

2.1计算机控制系统的重要组成部分:输入输出接口、过程通道。

2.2过程通道：是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通信，它包括模拟量输入信道、模拟量输出信道、数字量输入信道、数字量输出信道。

2.3I/O端口，能够被CPU直接访问的寄存器端口分别叫做*3:数据端口、状态端口、控制端口。

2.4I/O端口编址方式:<1>统一编址<2>独立编址2.5I/O端口地址译码方法：固定地址译码、开关选择译码。

2.6数字量输入通道的结构：输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路。

计算机控制技术第二章输入输出接口与过程通道

0～10V，0～5V

精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。

NEPU
21
3. 逐位逼近法
• 逐位逼近式A/D的工作原理
——从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin 比较后，再控制SAR的数字逼近。
Vf（反馈电压） D/A转换器
比较器： Vi＞Vf输出“1” Vi≤Vf输出“0”
NEPU
23

例：天平称量与A/D转换
一个 27.4 克重物的称量过程一个 27.4 克重物的称量过程一个 27.4 一个 27 克重物的称量过程一个27.4克重物的称量过程克重物的称量过程次序次序次序次序 1 11 2 22
3 33 4 4 44
加砝码加砝码加砝码加砝码 32 克 32 克 32克克 16 克 16克克
1 0
0
1

NEPU
14
② 达林顿阵列输出驱动继电器电路
MC1416是达林顿阵列驱动器. 达林顿晶体管DT（Darlington Transistor）亦称复合晶体管。它采用复合过接方式，将两只或更多只晶体管的集电极连在一起，而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极，依次级连而成，最后引出E、B、C三个电极。
R1 零交叉 D I/O 接口电触发电路 C SCR R2 RL 交～流～电源
路
固态继电器SSR结构及用法
SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，在0～ 5V之间：当TTL电平为高时，触点闭合；当TTL电平为低时，触点断开。

零交叉电路在交流电压变化到零附近时产生触发信号，减少干扰。

计算机控制系统数字量输入输出接口与过程通道

2.4模拟量输入接口与过程通道
2.4.1 模拟量输入通道的组成
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测-不平衡电桥（2）信号放大电路 1)基于ILC7650的前臵放大电路
VOUT 2
D n 2
R3 R3 D ( VREF VOUT1 ) VREF ( n1 1) R1 R2 2
2.5.4 V/I变换
1.集成V/I转换器ZF2B20
2.集成V/I转换器AD694
2.5.5 模拟量输出通道模板举例
图2-47 PCL-726板卡组成框图
2. D/A 转换程序流程 D/A 转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=1～6）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）臵 D/A高4位数据(D3～DO 有效 )。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。（5）臵 D/A低8位数据并启动转换。 3. 程序设计举例 PCL-726 的D/A 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位， 000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下： C语言参考程序段如下： outportb ( 0x220 , 0x07 ) // D/A 通道l 输出50% outportb ( 0x221 , 0xff ) 汇编语言参考程序如下：（基地址为220H ）： MOV AL， 07H ；D/A 通道l 输出50% MOV DX， 0220H OUT DX， AL MOV DX， 0221H MOV AL， 0FFH

计算机控制技术输入输出接口与过程通道..

② CPU与外设的同步与通信联络
（何时可以发送数
据及接收数据）
③ 输入/输出信号形式转换（A/D 、D/A） ④ 信号的放大、采样、保持、电平转换、整形、驱动等
YANGZHOU UNIVERSITY
11

2.2 数字量输入输出通道
本节主要内容
数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道 YANGZHOU UNIVERSITY
MCl416 是达林顿阵列驱动器，它内含7个达林顿复合管，每个复合管的电流都在500mA 以上，截止时承受 100V 电压。为了防止 MCl416 组件反向击穿，可使用内部保护二极管。左图给出了 MCl416 内部电路原理图和使用方法。
YANGZHOU UNIVERSITY
26
YANGZHOU UNIVERSITY
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1 简单数字量输入接口
如下指令完成8个开关量采集： MOV DX, port IN AL, DX 在执行 IN 指令时，经过端口地址译码，得到片选信号/CS，同时产生信号 /IOR ，打开缓冲器，外部状态经总线到达CPU。
yangzhouuniversitywwwyzueducn1222数字量输入输出通道本节主要内容数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道数字量的概念及种类数字量输入接口数字量输出接口数字量输入输出通道yangzhouuniversitywwwyzueducn13数字量开关量的概念开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等开关的开断触点的闭合电平的高低电机的启停阀门的开闭指示灯的亮灭等等特点
数字量输入通道的结构
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计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道

中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
第二章输入输出接口与过程通道
(2) 大功率交流驱动电路
中南大学信息科学与工程学院自动化专业计算机控制技术讲义
概述
第二章输入输出接口与过程通道
接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，根据信息的来源和类型不同，可以分为模拟量输入/输出通道（AI/AO），数字量（或开关量）输入/输出通道（DI/DO）四种。
实现：可用下列指令完成8位开关量的输出控制。
MOV AL, DATA
MOV DX, port
OUT DX, AL
返回
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第二章输入输出接口与过程通道
2.1.2 数字量输入通道
1、数字量输入通道的结构
如图2.2所示。主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。
原理：光的有/无→光敏管的通/断→电位的高/低。
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第二章输入输出接口与过程通道
+48V
发光二极管
C1
光敏三极管
光电隔离及电平转换电路
当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态输入。
计算机控制技术
Computer Controlled System
中南大学信息科学与工程学院袁艳
2019年7月24日

微型计算机控制技术课程答案

《微型计算机控制技术》复习题纲1.1 计算机控制系统的结构。

1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些? 各有什么优缺点? （P5）1.3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么?2.1 采用74LS244和74LS273，设计与PC总线等工业控制机的数字量(开关量) 输入输出接口，要求:画出接口电路原理图，并采用8086汇编语言编写数字量输入输出程序。

2.2 用8位A／D转换器ADC0809与PC总线等工业控制机接口，设计模拟输入通道以及数据采集程序流程图。

2.3 采样信号有何特点? 采样保持器的作用是什么?是否所有的模拟量输入通道中都需采样保持器? 为什么?2.4 什么是串模干扰和共模干扰? 如何抑制?2.5 计算机控制系统中地线有哪几种?2.6 什么是波反射? 如何消除波反射?3.1 插补计算程序流程：(1) 直线插补程序；(2) 圆弧插补程序。

3.2 给出一段直线或圆弧。

要求：(1) 按逐点比较法插补进行列表计算；(2) 作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

3.3 三相步进电机的工作方式。

3.4 利用8255A设计x轴步进电机和y轴步进电机的控制电路，要求：(1) 画出接口电路原理图；(2) 分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍或三相六拍工作方式下的输出字表。

4.1 数字控制器的连续化设计步骤。

（P103）4.2 PID控制器的三个参数对系统性能的影响。

4.3 数字控制器的离散化设计步骤是什么?4.4 最少拍无纹波控制器的设计。

4.5 模糊推理的计算。

6.1 测量数据预处理技术包括哪些？(185~190)7.1 什么是现场总线?有哪几种典型的现场总线?7.2 分布式控制系统的设计原则是什么？DCS系统分为哪几层？各层实现哪些功能？第一章（绪论）作业1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。

、计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。

精编计算机控制系统——chapter2输入输出接口与过程通道资料

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第二章输入输出接口与过程通道
(2) 大功率交流驱动电路
如图2.9(P23)所示。通过固态继电器的触点控制大功率接触器的通断，完成从直流低压到交流高压，小功率到大功率的转换。输入输出间采用光电耦合器进行隔离。
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第二章输入输出接口与过程通道
(4)滤波处理
长线传输、电路内外部干扰，使输入信号中带有干扰信号，于现场输入设备与计算机系统间的隔离保护，保障计算机系统安全。使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。价格低廉，可靠性好。
原理：光的有/无→光敏管的通/断→电位的高/低。
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第二章输入输出接口与过程通道
+48V
发光二极管
C1
光敏三极管
光电隔离及电平转换电路
当开关S闭合时，发光二极管导通发光，光耦合作用使光敏三极管导通，对应“1”状态输入；反之，开关S打开，则发光二极管不发光，光敏三极管截止，对应“0”状态输入。
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第二章输入输出接口与过程通道
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第二章输入输出接口与过程通道
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第二章输入输出接口与过程通道
经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行OUT指令周期时，产生IOW信号。
计算机控制技术
Computer Controlled System
中南大学信息科学与工程学院袁艳
2019年7月11日

计算机控制技术第2章过程输入输出通道

16:53:19
2 模拟量输入输出通道 5/10
• 采样/保持器
◆ 作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持
状态时，能使输出值不变。
◆ 最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：
16:53:19
2 模拟量输入输出通道 5-2/10
采样中问题
V V f sin 2ft; V 2fV f cos 2ftt
16:53:19
2 模拟量输入输出通道 9/10
•转换(孔径)时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。 •转换(孔径)误差：采样时刻的最大转换误差。 •转换(孔径)误差的消除：采用采样保持器
16:53:19
3 D/A与A/D转换技术 1
• D/A转换器（Digital to Analog Converter， DAC）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件
◆ A/D转换器完成一次转
换过程的时间称为转换时间;转换期间将引起误差;误差估计:
V 2fV f t E
V
V
t
;f
2fV f
2V f t
◆
Vf=5V; 12位的A/D;基准电压10.24V; 量化误差为最低位的一半; 转换时间0.1ms.则信号
V 1 10.24 1.25 mV 2 212
时间也越长
16:53:19
3 D/A与A/D转换技术（15）
• 双斜率积分式A/D转换原理图
输入模拟电压
Vx
积分器
比较器
基准电源
16:53:19
时钟转换开始
逻辑控制转换结束
计数器数字量输出
3 D/A与A/D转换技术（16）
◆ 工作原理:
— 固定时间 T 内对模拟输入电压 Vx 积分

(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道

03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计算机输出的数字信号转换为模拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压输出型和电流输出型两种，它们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的优点是电路简单、成本低，适用于输出信号较小、对精度要求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确保信号在传输过程中保持稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转换为适合传输和处理的信号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的稳定性和可靠性。

计算机控制系统：第2章输入输出通道

采用光电隔离外部开关信号如何输入到计算vccoutvccp1i单片机gndgngoutvccoutvccp1i单片机gndgngoutvccp1i单片机gndgngoutvccout外部开关量vccka220vp1i单片机控制电流外部设备线圈铁芯触点衔铁继电器工作原理图22模拟输入通道221组成及各部分的作用222采样量化及采样保持器223模数转换器adc221组成及各部分作用调理电路多路开关采样保持器ad转换器传感器模拟通道组成图222采样量化及保持器223模拟转换器1
3.并行接口的ADC0809
CLOCK ADDA--ADDC
START ALE
EOC OE
D0--D7
转换时间
ADC0809工作时序图
2.2.3模拟转换器
3.并行接口的ADC0809
ADC0809工作时序图 ADC0809与51单片机的接口电路
2.2.3模拟转换器
4.应用举例
ADC0809模拟输入原理图
DI7
DI0
Rfb Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vx
WR2
CS
XFER
DAC0832
DI7 DI0 Rfb
Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vy
WR2
DAC0832和51单片机双缓冲连接
P2.0 P2.1 P2.2 P0口 WR
80C51
CS DAC0832
XFER
DI7
DI0
Rfb IouΒιβλιοθήκη 1-WR1❖ 30℃：Rt＝5.6K VAD＝5×500/(5600＋500)＝0.410(V) 对应AD值：14H
❖ 40℃：Rt＝3.8K VAD＝5×500/(3800＋500)＝0.581(V) 对应AD值：1DH

计算机控制技术第二章

第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。

2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。

生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。

由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。

对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。

计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。

计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。

由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。

2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。

(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。

(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。

接口电路含这三类信息交换的端口。

2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。

精品文档-计算机控制技术(第二版)(温希东)-第2章

5
(4)数字量输出通道。有的执行部件只要求提供数字量，例如步进电机的控制电机启停和报警信号等，这时应采用数字量输出通道。
应该注意，过程通道是以经过通道的信号形式来划分的，并不以连续的对象来划分，如模拟对象的模拟量可以转换为频率信号(V—F变换)，连接于数字输入通道，而数字输出通道完全可以接直流电动机，组成脉冲调宽控制(PWM)。
拾取、转换、滤波、保护、隔离以及输出信号的驱动等问题。对于开关量输入信号的转换、滤波、保护、隔离以及开关量
输出信号的驱动等，前面已有详细讨论，这里主要讨论一下开关量输入信号的拾取方式。
39
(1)开关状态型开关量输入信号的拾取。这是最常见的一种开关量输入形式，如生产设备或过程中某个开关或继电器的断开与闭合等。这种类型的开关量可通过前面已介绍的转换电路将开关的状态转换为电平的高低。
11
3．输入/输出电气接口典型的开关量输入/输出电气接口的功能主要是滤波、电平转换、隔离和功率驱动等，关于这些内容，将在后面详细介绍。
12
2．2．2 开关量输入信号的调理开关量输入通道的基本功能就是接收外部的状态信号，这些
状态信号是以逻辑“1”或逻辑“0”形式出现的，其信号可能是电压、电流或开关的触点。在有些情况下，外部输入的信号可能会引起瞬时的高电压、过电压、接触抖动以及噪声等干扰。为了将外部的开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号，这就是开关量输入信号调理的任务。
8
2．2．1 开关量输入/输出通道的一般结构形式开关量输入/输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输
入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口(亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路)。一般情况下，各种开关量输入/输出通道的前两部分往往大同小异，不同之处主要在于输入/输出 (I／O)电气接口。典型的开关量输入/输出通道结构如图2-2所示。

计算机控制技术课后答案 (于海生)

1计算机控制技术习题详解第一章计算机控制系统概述习题参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。

3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。

图1.1 微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。

主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。

过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机课后答案网2可以接收的数字代码。

过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。

过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。