计算机测控技术复习课

量程切换的目的：确保输入最大值不溢出，
相对误差或读数精度
x
E / N FS q 1 Vx Nx xSK
数字量输出通道
(1)小功率直流驱动电路

对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、 OC门或运算放大器等方式输出 。
继电器输出驱动

继电器经常用于计算机控制系统中的开关量 输出功率放大，即利用继电器作为计算机输 出的第一级执行机构，通过继电器的触点控 制大功率接触器的通断，从而完成从直流低 压到交流高压，从小功率到大功率的转换。
数字量输入通道
数字量输入通道的信号调理
作为数字量输入的状态信号可能有电压、电 流、开关的触点等多种形式，容易引起瞬时 高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外 部状态信号输入到计算机，必须对现场输入 的信号进行转换、保护、滤波、隔离等措施 转换成计算机能够接收的逻辑信号，完成这 些功能的电路称为信号调理电路。 与模拟量输入调理的功能区别——主要考虑 抗干扰能力与可靠性，而不是精度
（3）大功率交流驱动

对于交流供电的负载，其开关量的输出控制 可用交流接触器、可控硅（晶闸管）、固态 继电器来实现。
步进电机驱动电路
1．三相步进电机工作原理
电机转子均匀分布着很多小齿， 定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线 依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3 て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的 距离为齿距以て表示），即A与齿1相 对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿 3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐， （A’就是A，齿5就是齿1）左面是定 转子的展开图：
模拟量输入通道
A/D转换器的选择 (1)精度：应高于传感器精度一个数量级； (2)分辨率：即字长，应根据测试信号的动态范 围确定； (3)转换速率：根据输入信号的频带确定。

模拟量输入通道

A/D转换器的选择 （1）字长选择 如果输入信号的动态范围[Ymin，Ymax]，要求的灵 敏度为 y(如：xx mv/bit)，则A/D转换器的位数由 下式确定： y y
1 2

D/A转换器中数据寄存器的作用 D/A转换器中配置二级寄存器的用途 D/A构成程控放大器

采用D/A构成程控放大器
采用D/A的电阻网络构成程控放大器的
输入电阻
IOUT1
R
+
F
IOUT2
VOUT
D0 R R 2R I0 节点0 R
D1 2R I1 节点1 R
D2 2R I2 节点2 R
START
EOC
查询方式
中断方式----
由单片机的P1口某口线P1. x发出启动转换信号给A/D后， 就可以做别的工作了，当转换结束EOC有效时，向单片机 发出中断请求，单片机即可在中断处理程序中从P0口读 入转换好的数据。
P0 8031
D7~D0 A/D
P1. x
INT0 &
START
EOC
中断方式

6-16
测控系统通讯接口设计




串行与并行通讯的区别 异步和同步串行通讯的区别 波特率的概念 全双工、半双工、单工通讯方式 RS-232C电气特性 IEEE488的基本性能（设备数、传输速率 1MB/s、 数据线8根、TTL电平负逻辑、…） IEEE488的基本接口功能：听者、讲者、控者 三线挂钩通信协议
模拟量输入通道

选用采样保持器 如果采样保持器的捕获时间为TAC、孔径时间 为TAP、A/D转换时间为tc，为使孔径时间造成 的误差小于1LSB，则输入信号的最高频率：
f max 1 t AP 2 m1
而满足采样定理的输入信号最高频率为：
f max 1 2 (TAP TAC t c )
步进电机的种类很多，有三相、四相及五相 等，性能各不相同。但是，工作原理基本相同。
三相三拍与六拍的波形图
Φ Φ
A A B
B
C
C
三相三拍波形图
三相六拍波形图
步距角的计算
为步距角，m为定子绕组的相数，z为转子的
齿数，k为通电工作方式，m相m拍通电 k=1， m相2m拍k=2
360 m zk
D1 2R I1 节点1 R
D2 2R I2
D9
。。。
RF/9 2R I3 节点9 I Vi
。。。
节点2
数字量输入/输出通道

数字量表示的测控信息 常见的数字量信息：开关量、脉冲量和数码 。 开关量是指一位的状态信号：如阀门的闭合与开 启、电机的起与停、触点的接通与断开、指示灯 的亮与关等； 脉冲量是指许多数字式传感器将被测物理量值转 换为脉冲信号，如转速、位移、流量的数字传感 器产生的数字脉冲信号； 数码是指成组的二进制码，如用于设定系统参 数的拨码开关等 数字量的共同特征：在幅值与时间上均为离散的
n1 log2 (1 1 1 ) log2 (1 ) 7.65 D0 0.005
因此，取A/D转换器字长为8位。 应掌握十进制A/D转换与二进制A/D转换分辨 率的等价关系
模拟量输出通道

D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执 行机构。设执行机构的最大输入值为U max ，最 小输入值为 U min，灵敏度为 ，可得D/A转换 器的字长 n log (U max U min )

模拟量输入通道

采集电路的参数设计与选择
多路开关 采样保持 A/D转换
(1)多路开关 理想的多路开关开路电阻为无穷大，接通时的 导通电阻为零。由于实际开关存在导通电阻，为了 减小多路开关导通电阻对信号传输精度的影响，就 要求后面的负载输入阻抗足够大。 (2)采样保持 在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化， 以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之 前加入采样保持器。(孔径时间、捕获时间)
接口地址的分配
----单片机的I/O端口和外RAM统一编址，也 即外RAM单元和I/O端口加起来最多不能超过 64K个，确定I/O端口地址的方法有两种：
（１）线选法（２）译码法
线选法----单片机的单根地址线直接接到外 部电路芯片（设备）的片选端
8031
P2.3 P2.4 P2.0 P2.5 P2.6 P2.7
6264 CE
8255 CS
8155 IO/M CE
+5V
G1
CE 8253
CS 0832
译码法译码地址
测量信号处理
量程切换
标度变换
零位和灵敏度的误差校正
非线性校正：插值、拟合
越限报警
量程切换
确保最小值达到读数精度。 被测量对应的数字输出
Nx Vx xSK q E / N FS
模拟量输入/输出通道
传感器 调理电路 采集电路 至测控计算机
模拟量输入通道
显示器
寄存器 D/A转换 调理电路 记录器
模拟量输出通道
执行机构
模拟量输入通道
调理电路
将传感器输出信号变换为适合采集 系统输入的信号，这样的功能电路称为 调理电路。包括：信号放大、滤波、零 点校正、线性化处理、温度补偿、误差 校正和量程切换等功能电路都可统称为 信号调理（Signal Conditioning）

直流电机转速控制
脉冲信号 Vd Vmax t τ 最大值Vmax 转速 平均值Vd 最小值Vmin D 占空比与平均速度的关系
脉宽调速控制曲线
设t为通电时间，τ为脉冲周期，D t 则称为占空比。改 变占空比，即可调整小型直流电机的转速。用Vmax表示直流电 机全通电时的最大转速，Vd表示平均转速，则： 平均转速Vd≈Vmax·D 平均转速Vd与占空比的函数曲线如图8.14所示，近似于 直线关系。
单元电路的级联设计
阻抗匹配：负载输入阻抗/信号源输出阻抗 电流匹配 、电压匹配、功率匹配
信号耦合方式：（１）直接耦合 （２）阻容耦合（３）变压器耦合 （４）光电耦合
测控系统人机接口

LED显示器
6-1
测控系统人机接口
LED显示器的静态显示方式 LED显示器的动态显示方式 键盘输入防抖动设计 矩阵式键盘的扫描输入法 矩阵式键盘的反转输入法
D3 2R I3 节点3
Vout = －B*（Vi/16）
B=b3*8+b2*4+ b1*2+ b0*1
I
Vi
采用D/A构成程控放大器应用

采用DAC7520十位D/A转换器构成9~9.999倍 程控转换器，步进量为0.001
IOUT1 R =(1024/1000)*R
F
VOUT
IOUT2
+
D0 R R 2R I0 节点0 R
接口数据交换方式
直接传送方式
延时等待方式
程序控制数据传送
查询方式
中断方式 DMA方式
以A/D转换为例说ຫໍສະໝຸດ Baidu 延时等待方式---单片机由P1口某口线P1. x发出启动转换信号给A/D后， 延时一段时间（假设经过这段时间A/D转换结束），然 后单片机从P0口读入转换好的数据。
P0 8031 P1. x
计算机测控技术 复习课
2009.6
计算机测控技术
绪论 模拟量输入/输出 数字量输入/输出 测控人机接口 测控通讯接口 测量信号处理 PID控制算法 抗干扰设计

绪论
什么是计算机测控系统？ 计算机测控系统是以计算机为核心、测控 一体化的系统，这种系统对被测对象的控制是 依据对被测对象的测量结果决定的。 计算机测控系统的基本组成 测控计算机、测控通道（模拟量输入/输出通 道、数字量输入/输出通道）、外部设备（人 机接口设备、打印机、通信设备…）、测量与 执行机构。 测控计算机可实现的主要功能：。。。
D7~D0 A/D START
延时等待方式
查询方式---由单片机的P1口某口线P1. x发出启动转换信号给A/D， 然后单片机由P1口某口线P1. y不断输入转换结束信号 EOC并进行检测，发现EOC有效时，说明转换结束，单片 机即可从P0口读入转换好的数据。
P0 8031 P1. x P1.y
D7~D0 A/D
n log2 (1
max
min
y
)
1 1 （2）分辨率定义为：D n n 2 1 2 1 0.0039215 例如8位A/D 分辨率为：D 8 2 1
1 n 如果要求分辨率D0 求A/D转换器的字长： log2 (1 ) D0
模拟量输入通道

例如，某温度控制系统的温度范围为0至 200℃，要求分辨率为0.005(即相当于1℃)， 可求出A/D转换器字长
模拟输入通道

不选用采样保持器 设输入信号为Ui=Umcosωt 则输入信号的最大变 化率为： dUi max U m 2fU m dt 又设信号正负峰值正好达到A/D的正负满量程， 而A/D的位数（不含符号位）为m，A/D转换时间 为tc，为确保转换周期内信号变化不超过1LSB， 1 则信号最高频率：f max t c 2 m1
6116 CE
8255 CS
8155 IO/M CE
CE 8253
CS 0832
图 线选法译码地址
译码法----用译码器将单片机的（高位）地址线进行译 码，译码输出信号作为外部电路芯片（设备）的片选信 号。
P2.0
8031
P2.5 P2.6 P2.7 A Y0 B Y1 C 138 Y2 Y3 G2A Y4 G2B
传感器信号
前置放大
滤波电路
至采集电路
问题：放大器为什么往往前置？放在滤波器后有什么缺点?
模拟量输入通道
混叠失真与抗混叠滤波器 当输入信号的最高频率>1/2采样频率，那 么。。。。 消除混叠失真的条件：1）被采样信号是带限 信号2）采样频率大于被采样信号最高频率2 倍。 数字滤波是否能够消除混叠

计算机测控系统的工作步骤可以归纳为三步： （1）实时数据采集：通过测量变送装置完成被控量的瞬时 值的检测和输入。 （2）实时控制决策：对采集的数据进行分析和处理，按预 定的控制策略决定采取何种控制行为。 （3）实时控制输出：根据控制决策，向执行机构发出实时 控制信号，完成系统控制任务。 实时的含义是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间 间隔内完成。

（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。
(2)隔离处理/电平转换

在工业现场获取的开关量或数字量的信号电 平往往高于计算机系统的逻辑电平，也可能 从现场引入意外的高压信号，因此必须采取 电隔离及电平转换措施，以保障系统安全。