计算机控制系统数字量输入输出接口与过程通道
计算机控制技术课程综述
微型计算机控制技术课程综述专业： 10自动化(2)班姓名：孙修才学号： 1005075044 授课老师：丁健目录一、计算机控制技术简介 (2)二、计算机控制课程简介 (2)第1章绪论 (2)1.1 计算机控制系统概述 (2)1.2 计算机控制系统的组成 (2)1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势 (2)第二章计算机控制系统的硬件设计技术 (3)2.1数字量输入输出接口与过程通道 (3)2.3模拟量输入输出接口与过程通道 (3)第三章数字控制技术 (3)3.1逐点比较法插补原理 (3)3.2多轴步进驱动控制技术 (3)常规及复杂控制技术 (4)4.1数字控制器的连续化设计技术 (4)4.2数字控制器的离散化设计技术 (4)4.3纯滞后控制技术 (4)4.4解耦控制技术 (4)第五章现代控制技术 (5)第六章应用程序设计与实现技术 (5)第七章人机接口技术与监控组态软件 (5)7.1人机接口(HML/SCADA)技术 (5)7.2监控组态软件 (5)第八章分布式测控网络技术 (6)8.1工业网络技术 (6)8.2分布式控制系统(DCS) (6)第九章计算机控制系统设计与实现 (6)9.1系统设计的原则与步骤 (6)9.2系统的工程设计与实现 (6)三、课程学习总结 (7)一、计算机控制技术简介工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。
通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。
计算机控制技术这门课程是自动化、测控技术与仪器专业以及相关专业的一门专业课，主要讲述计算机控制系统的基本结构、基本原理，计算机控制系统的数学描述及设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径。
计算机控制技术第二章习题答案整理及详解(2013.04.26修改版SK)
第2章 习题参考答案1.什么是接口、接口技术和过程通道？ 答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，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减缓信息的技术。
过程通道是计算机与生产过程之间的信息传送和转换的连接通道。
2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA 总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。
答：数字量输入接口设片选端口地址为portMOV DX,port MOV DPTR,PORT MOVX A,@DPTR IN AL,DX74LS244PC 总线*IOR(*RD)_数字量输出接口MOV AL,DATA MOV A,DATA MOV DX ，port MOV DPTR,PORT OUT DX,AL MOVX @DPTR,A3.用8位A/D 转换器ADC0809与8051单片机实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
输出信号PC 总线(*WR)程序：ORG 0000HMOV R0，#30H ；数据区起始地址存在R0MOV R6，#08H ；通道数送R6MOV IE，#84H ；开中断SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1NEXT：MOVX @R1，A ；启动A/D转换LOOP:SJMP LOOPINC R0INC R1DJNZ R6，NEXT ；8路采样未接受，则转NEXTCLR EX1 ；8路采样结束，关中断END中断服务程序：ORG 0003H ；外中断1的入口地址AJMP 1000H ；转中断服务程序入口地址ORG 1000HMOVX A，@R1 ；读入A/D转换数据MOV @R0，A ；将转换的数据存入数据区RETI ；中断返回ORG 0000HMOV R1，#30HMOV R2，#0F0HA1: MOV DPTR, R2MOVX @DPTR, ALOOP: JNB P3.2 , LOOPMOVX A, @DPTRMOV @R1，AINC R2INC R1CJNE R2, 0F7H, A1END4.用12位A/D转换器AD574与PC/ISA总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
计算机控制系统4第三章 (2)
②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
21节数字量输入输出通道-文档资料
地址译码器
开关量输入通道的典型结构示意图
12
Ge Sibo,Department of Automation
2.1.2 数字量输入通道--信号调理电路
2. 信号调理电路
数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接受生产过程 的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开 关的触点，瞬时高压，过电压、接触抖动等现象。这些状 态信号必须经过转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计 算机能够接受的逻辑信号，比如电平匹配，这些过程称为 信号调理。 对于开关量来说，主要是将开关、继电器等触点的接
0 0
D1
D6 D7
74LS273
Q1
当执行 CS OUT指令周期时，产生 写信号，进行数据锁存，并输 IOW 出。
10
输出 Q6 接口 Q7
CS IOW
数字量输出接口
RESET
Ge Sibo,Department of Automation
2.1.1 数字量输入输出接口技术--数字量输出接口
通和断开的动作转换成TTL电平信号与计算机相连，并且要 消除由于触点抖动和反跳形成的振荡信号。
13 Ge Sibo,Department of Automation
2.1.2 数字量输入通道--信号调理电路（小功率）
（1）消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断 开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在 变化瞬间在0和1之间多次振荡，对其如不进行适当处理就会导致 计算机的误动作。下图所示为消除由于接点的机械抖动而产生的 振荡信号，并转换成TTL电平信号与计算机相连。 如图所示为一种简单的采用积分电路消除开 关抖动的方法。电阻R和电容C组成一个积分 电路，输出跃变发生在积分器积分到门的转 折电压时刻，只要积分电路的时间常数足够
第2章 输入输出接口与过程通道
2.多个输出通路共用一个D／A转换器的结构形式
图2.32 共用D/A转换器的结构
2.4.2 D/A转换器及其接口技术
D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或 装置。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、 12位等。
主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误 差等。基本上与A/D转换器的指标相一致。
1. 8位A／D转换器ADC0809 主要特点： 分辨率 8 位；
转换时间100s； 温度范围-40 ～ +85 ℃； 可使用单一的 +5V电源； 可直接与CPU连接； 输出带锁存器； 逻辑电平与TTL兼容。
电路组成及引脚功能
ADC0809有28条引脚。
OE
2. 12位A／D转换器AD574
（1）非电信号的检测-不平衡电桥
（2）信号放大电路
放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换 的量程范围之内，如0-5VDC;
对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单 端同相放大或单端反相放大。
若信号源的一端接放大器的负端为反相放大。当 然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一 端是与放大器的另一个输入端共地。
第2章 输入输出接口与过程通道
基本概念
输入输出接口 —— 简称“接口” 输入输出接口技术 —— 研究微处理器和外部设
备之间信息交换的技术。 接口电路：是主机和外围设备之间交换信息的连
接部件。使主机和外设能够协调工作，有效地完 成信息交换。 通道：也称为过程通道。它是计算机和控制对象 之间信息传送和变换的连接通道。
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
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
计算机控制输入输出接口与过程通道
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（Dar1ington 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。
采用积分电路的小功率输入调理电路
目的：把开关K的状态转化成二进制状态。 原理：闭和K时，电容C放电，反相器反相 为1； 断开K时，电容C充电，反相器反相 为0。
问题：利用什么原理消除了抖动？
R—S触发器消除开关两次反跳电路
K
R3 +5V R45
原理：当K在上时，输出上为1，下为0。
当K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产 生瞬间不闭合，造成R-S触发器输入为双1，故状态不改变。
2.1.2 数字量输入通道
•数字量输入通道结构 P C 总 线 生 产 过 程
输入 缓冲 器
输入 调理 电路
地址译码器
2.3.1数字量输入通道
开关量：开关、电流、开关的触点等等 通道结构
输入
PC 总 线
输入 调理 电路
缓
冲器
来 自 生 产 过 程
地址译码器
输入缓冲器：三态门缓冲器74LS244（较为常见）
1 2
R3
C
当K断开时，光电二极管不 导通，晶体管不导通，经反相 器反相输出为0。 其中，用R1、R2进行分压， C进行滤波，要合理选择参数。
•大功率输入调理电路
－采用光电隔离
2.3
2.3.1
数字量输入输出接口与过程通道
数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口 2.数字量输出接口
(完整版)计算机控制技术第二章习题答案整理及详解(.04.26修改版SK)
be i ng 第2章 习题参考答案1.什么是接口、接口技术和过程通道？答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，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减缓信息的技术。
过程通道是计算机与生产过程之间的信息传送和转换的连接通道。
2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA 总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。
答：数字量输入接口设片选端口地址为port MOV DX,portMOV DPTR,PORTMOVX A,@DPTRINAL,DX74LS244PC 总线*IOR(*RD)_数字量输出接口MOV AL,DATA MOV A,DATAMOV DX ，port MOV DPTR,PORT OUTDX,ALMOVX @DPTR,A3.用8位A/D 转换器ADC0809与8051单片机实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
输出信号PC 总线(*WR)程序：ORG 0000HMOV R0，#30H ；数据区起始地址存在R0MOV R6，#08H ；通道数送R6MOV IE，#84H ；开中断SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1NEXT：MOVX @R1，A ；启动A/D转换LOOP:SJMP LOOPINC R0INC R1DJNZ R6，NEXT ；8路采样未接受，则转NEXTCLR EX1 ；8路采样结束，关中断END中断服务程序：ORG 0003H ；外中断1的入口地址AJMP 1000H ；转中断服务程序入口地址ORG 1000HMOVX A，@R1 ；读入A/D转换数据MOV @R0，A ；将转换的数据存入数据区RETI ；中断返回ORG 0000HMOV R1，#30HMOV R2，#0F0HA1: MOV DPTR, R2MOVX @DPTR, ALOOP: JNB P3.2 , LOOPMOVX A, @DPTRMOV @R1，AINC R2INC R1CJNE R2, 0F7H, A1END4.用12位A/D 转换器AD574与PC/ISA 总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
(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
图2-1 输入输出过程通道组成结构图பைடு நூலகம்
表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途
信息种类
模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分等 接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等 流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等 控制执行装置、显示、记录等 对执行器进行控制、报警显示等
图2.12是采用晶闸管输出型光电隔离器驱动 双向晶闸管的电路图，图中与晶闸管并联的RC 网络用于吸收带感性负载时产生的与电流不同步 的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力， 以防误触发。
图2.12 光电隔离的双向晶闸管输出
功率场效应管输出（了解）
功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其 栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S 之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而 导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如 IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18A。
为便于后续的描述和分析，下面定义几种类型信号，并在图2. IN+ 的电压低于 IN- 的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3 组成的跟随器输出至输出端。 21是LF398典型应用电路。 W117、W217、W317是正输出三端电压可调式集成稳压器，使用方便，内部具有过热、过流等保护措施，比W7800系列稳压器有更
根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为 三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输 信号的媒介，实现电气隔离。
使用光电隔离器件的注意事项
输入侧导通电流
要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电 隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
第二章5数字量输出
2.8.3数字量输出通道
• 数字量输出通道简称 DO（Digital Output）， 它的任务是输出数字信号驱动生产现场的设备。
系 统 总 线
输 出 锁 存 器
输 出 驱 动 器
去 生 产 过 程
地址译码电路
图2-54 数字量输出通道结构
微机控制技术
一、晶体管输出驱动电路
• 1、普通三极管驱动电路
微机控制技术
三、数字量传输通道的干扰抑制
• 在工程设计中，对数字信号的输入信号的I/O可采取以下 抗干扰措施。 • （1）数字信号负逻辑传输
（a）高电平传输方式 （b）低电平传输方式 图2-69 数字信号传输方式
微机控制技术
• （2）提高数字信号的电压等级
• 一般输入信号的动作电平为TTL电平，电压较低， 容易受到外界干扰，触点的接触不可靠，导致输 入失灵。
微机控制技术
示波器差分探头： 比如你要测某个电阻两端之间的电压波形，而这两端都是对地有电压的， 此时你就不能把普通探头的接地端接到电阻的任何一端，因为示波器的接 地端是通过电源线的第三个爪接到地的，如果你用它去接这个电阻的任何 一端，就相当于将这个段端对地短路。这时如果想测，就必须用差分探头 了。差分探头可以当普通探头用，但是普通探头不能当差分探头用。
微机控制技术
• ULN2003 是高耐压、大电流驱动阵列芯片，内部 由7个NPN型达林顿管组成。ULN2003 的每一对 达林顿都串联一个2.7kΩ 的基极电阻，在5V 的工 作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可 以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数 据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流 可达500mA，可用于驱动常见的小功率负载（如 继电器、电磁阀、小直流电机、步进电机等）。 若实际应用电路需要更大的驱动电流，可将多组 单元驱动电路并联。
计算机控制系统第7章输入输出过程通道
计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟 量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道 和数字量输出通道。
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3
7．1 数字量输入输出通道
1 .数字量输入通道
数字量输入
DI接口电路
输
通道的任务是把
PC 总
入 缓
被控对象的开关 线
冲 器
输
来
入
自
调
生
理
产
电
过
路
程
状态信号（或数
字信号）传送给
地址译码器
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② 多路转换器
多路转换器又称 多路开关，多路开关 的作用是用来将各路 被测信号依次地或随 机地切换到公共放大 器或A/D转换上。
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VDD
VSS
INH A B C
VEE X0 X1
┇
X7
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
┇
图7—11 CD4051原理图
表7—1 CD4051通道选择表
断或亮、灭， 数字量输出通道主要由输出接口电
简称DO通道。 路和输出驱动电路等组成。
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8
1）数字量输出驱动电路
输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离， 二是驱动开关器件。
① 低电压开关信号输出
5V
Vc
R1
R2
R1
VC
RL
R2
图7－5 低电压开关输出
图7－6 三极管输出驱动
对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、
过
变
程 参 数
送 器
信号
多路
前置
采样
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。
计算机控制系统的组成
Digital Inputs
DI
过程通道
Digital Outputs
DO
7
建筑设备监控系统的计算机控制系统
1）模拟量输入通道（Analog Inputs，AI）
过程通道
变送器
。 。
采样
放
模数
接
变送器
。 。
装置
大
转换
口
计
被
控
对
用来将被控对象的模拟量被控参数（被测参数），转换成数字信
象
号，并送至计算机。包括检测元件（传感器）、 变送器、多路采
11
4）数字量输出通道（Digital Outputs，DO）
过程通道
数状路字态输量数出变变输据的出，开送送通这、器器道些关锁二或存进通。 。 。 。 来制、自数断采 装于据状样 置计每态算一，机位计的算CP机0放 大U、输输1出出值的的，每二分一进模转别位制数换对数开应据关一
接 口
经过光电隔离后，可通过OC门（集电极开路电路，具有较
（0~10mA， 4~20mA），或直 流电压（0~5V， 0~10V，1~5V等）
称为多路模拟开关， 用来对多路模拟量 信号进行分时切换， 将时间上连续变化 的模拟信号转换为 时间上离散的模拟
量信号
将时间上离散的模 拟量信号转化为时 间上离散的数字信 号，并送入计算机
中
9
2）模拟量输出通道（Analog Outputs，AO）
2
建筑设备监控系统的计算机控制系统
计算机控制系统的组成
1、计算机控制系统的硬件
过程通道
被控对象
人机联系设备
计算机
计算机系 统的硬件
控制台
3
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
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温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
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液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
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压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
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A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
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3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
计控课设
计算机控制技术课程设计题目步进电机计算机控制系统指导教师班级自学号学生姓名2011年1月5号目录1.步进电机及系统结构： (3)1.1步进电机工作原理： (3)1.2步进电机驱动主要解决的问题： (4)1.3步进电机驱动电路： (4)1.3.1步进电机驱动器的工作原理： (4)1.3.2步进电机驱动方式： (5)2．输入输出接口与过程通道： (5)2.1 数字量输入输出接口技术： (5)2.1.1 数字量输入通道： (6)2.1.2 数字量输出通道： (6)2.2模拟量输出电路接口： (7)2.2.1模拟量输出通道的结构型式: (7)3.步进电机的控制: (8)3.1定时读A/D： (9)3.2固态继电器： (12)4.参考文献： (17)步进电机计算机控制系统1.步进电机及系统结构：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
图1 步进电机控制原理图1.1步进电机工作原理：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。
输入输出接口与过程通道
D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; ❖ 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路
、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
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3. ADAM-6000系列模块
ADAM-6000系列产品是基于Ethernet的数据采集和控制模块， 它们集数据采集和网络传输能力于一身。使用这些模块可以轻而 易举的建立低成本、适应于各个行业的基于Ethernet的数据采集 和控制系统。通过标准的以太网，ADAM-6000模块可以实时的将 来自传感器的数据发送到局域网/以太网结点上。以太网类产品 因为其远距离的数据传输能力，高速的数据通信能力正在成为工 业应用的主导。 （1）模拟量输入/输出模块 （2）数字量输入/输出模块 （3）继电器输出模块 （4）ADAM以太网模块的应用软件
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
2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术
基于RS-485的分布式测控系统结构图
2.6.1 智能远程I/O模块
智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远 程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内臵的微处 理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、 I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口。 远程I/O模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作 及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息， 构成数据采集控制系统。通过采用RS-485中继器，可以将多达256 个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到 10km。 典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、研发公司 的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿 -7000系列。
2.3
2.3.1
数字量输入输出接口与过程通道
数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口 2.数字量输出接口
2.3.2
数字量输入通道
1.数字量输入通道的结构
2.输入调理电路 (1)小功率输入调理电路 (2)大功率输入调理电路
2.3.3数字量输出通道
1.数字量输出通道的结构
2.输出驱动电路 (1)小功率直流驱动电路 ①功率晶体管输出驱动继电器电路 ②达林顿阵列输出驱动继电器电路
2.4.2 信号调理和I/V变换
1.信号调理电路 2）AD526可编程仪用放大器AD526是可通过软件对增益进行编程 的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x l、x 2、x 4、x 8、x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL 数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。
y max y min q n 2 1
3.采样保持器
(1)孔径时间和孔径误差的消除
(2)采样保持原理
3.采样保持器
（3）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样 控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。
2.4.5 A/D转换器及其接口技术
（1）模拟量输入/输出模块 模拟量输入模块通过为A/D提供的光电隔离和3000V变压器隔离防止对地环 路/浪涌电压对设备造成损坏。 ADAM-6015是16位，6通道热电阻输入模块，各通道输入范围可调。可以连 接Pt100, Pt1000，Balco 500或者Ni50，Ni508热电阻。以工程单位形式向主 机发送数据。 ADAM-6017是16位8通道差分模拟量输入模块，通道输入范围均可程控。 ADAM-6018是16位8通道热电偶输入模块，所有通道的输入范围均可程控。 ADAM-6024是3个模拟量输入/1个模拟量输出。 （2）数字量输入/输出模块 ADAM-6050具有12个数字量输入，6个输出通道，并且为以太网的无缝连接 提供了10/100 Base-T接口。 ADAM-6051提供12路数字量输入，2路数字量输出和2个计数器（10MHz时基） 并且为以太网的无缝连接提供了10/100 Base-T接口。 （3）继电器输出模块 ADAM-6060提供6路继电器输出，6路模拟量输入，并且为以太网的无缝连 接提供了10/100 Base-T接口。除了以太网口，内臵网页，ADAM-6050还提供了 6路继电器输出和6路模拟量输入。 （3）ADAM以太网模块的应用软件 ADAM-6000系列模块使用集成的专用应用软件工具进行系统配臵，应用软 件名称为：ADAM-5000TCP/6000 Utility Program，该工具同时支持ADAM5000/TCP和ADAM-6000模块，提供了图形化的界面来方便用户的配臵工作，同 时也可以方便的用来监控远端的DA&C系统。
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
1.硬件构成:
单回路数字调节器(Single Strategy Controller，简称SSC)
SSC的硬件主要由MPU单元、过程I/O单元、PIA单元、面板单 元、编程单元、通信单元和硬手操单元等组成。
MPU单元是调节器的核心，它包括微处理器(或单片微机)、系 统存储器(PROM/EPROM、EAPROM、RAM)、时钟、Watchdog和接口电 路等。PROM/EPROM中固化有调节器的监控程序和功能程序。监控 程序负责面板(键盘、显示器等)管理和巡回采样控制等。功能程 序即各种运算、控制、通信子程序(模块)的集合。EAPROM用来存 放系统组态程序。系统组态程序是根据系统控制流程，抽取所需 的运算、控制模块(固化在PROM/EPROM中)进行软连接而形成的。 系统组态用编程单元完成，组态结果即系统组态程序写入EAPROM。 有些单回路数字调节器的系统组态程序是固化在EPROM中。 PIA （Peripheral Interface Adapter）单元是过程I/O单元、 键盘及显示单元与MPU连接的桥梁电路，实现电气隔离与数据缓冲、 锁存等功能。 不同的系统组态程序，能实现不同的控制过程，SSC能通过编 程组态的方法，方便地组建和修改控制系统。故又称为可编程调 节器。 键盘、显示器也是数字调节器的重要组成部分，它是一种简单 的人机接口，通过键盘修改调节器参数和工作状态，显示器可让 操作人员了解系统的工作状态。 通信单元(通信接口)使SSC能与集中监视操作站、上位机通信， 组成多级微机控制系统，实现各种高级控制和管理。
2.4.2 信号调理和I/V变换
2. I/V变换
（1）无源I/V变换
（2）有源I/V变换
2.4.3 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。
图2-27
CD4051原理图
2.4.4 采样、量化及采样／保持器
1.信号的采样
2.量化
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，执行量化动作的装臵是A/D转换器。
1. 8位A/D转换器ADC0809 (1) 8通道模拟开关及通道选择逻辑 (2) 8位A/D转换器 (3) 三态输出锁存缓冲器 2．12位A/D转换器AD574A (1)12位A/D转换器 (2)三态输出锁存缓冲器 (3)控制逻辑 3. AD574A/1674与PC总线工业控制机接口
3. AD574A/1674与PC总线工业控制机接口
2.5 模拟量输出接口与过程通道
2.5.1 模拟量输出通道的结构型式
1.一个通道设臵一个数/模转换器的形式
2.多个通道共用一个数/技术
1. 8位D/A转换器接口
2. 12位D/A转换器接口
2.5.3 单极性与双极性电压输出电路
VOUT1 VREF
2.4.6 模拟量输入通道模板举例
图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图
2.4.6 模拟量输入通道模板举例
1.PCL-813B 的寄存器地址 2.程序设计举例 PCL-813B A/D 转换基于查询方式，由软件触发。A/D 转 换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位 （DRDY ）。如果检测到该位为“1”，则A/D 转换正在进行。 当A/D 转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程 序读出。
2.3.3数字量输出通道