计算机控制技术第三章.

第三章输入输出接口与信息通道技术3.1数字量输入输出通道3.2模拟量输入通道3.3模拟量输入通道3.4人-机交互通道一、信息通道的概念信息通道包括过程通道和人-机交互通道。计算机控制系统基本原理图r给定值计算机-被控量控制器执行机构被控对象A/DD/A过程（输入输出）通道：是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。1.过程通道（掌握）过程通道的组成1根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道分类如下：模拟量输入通道：模拟量输出通道：生产过程的参数(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，通过检测元件或变送器将其转换为对应的模拟电压或电流，并转化为数字信号的过程；把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）并传输给被控对象的过程；数字量(开关量)输入通道：数字量(开关量)输出通道：拾起或检测反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）、脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）并传输给微机的过程；将数字信号从微机传输给那些接受数字信号的执行机构和显示、指示装置的过程。过程输入输出通道示意图过程通道与CPU交换的信息类型23．控制信息：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。2．状态信息：又叫协议信息，如应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号。过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：注意：在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。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。过程通道的编址方式32．过程通道与存储器独立编址方式1．过程通道与存储器统一编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输入输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。过程通道编址方式有两种：2.人-机交互通道主要功能是实现人-机对话，实现操作人员与计算机之间的信息交流。二、输入输出接口（掌握）接口电路起着连接过程通道与CPU的桥梁作用，它的基本任务有：1．控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信息源中进行选择；2．控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。以确定该信息传送的路径和目的地。在过程通道接口电路设计中应解决以下问题：1．触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭(触发)信号，这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。2．时序：控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。3.负载能力：一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。3.1数字量输入输出通道数字量输入信号：开关闭合与断开，继电器吸合与释放（检测）数字量输出信号：指示灯亮灭，电机的启和停，阀门的开闭（控制）数字量信号的两个状态：导通和截止变换为二进制0和1来表示3.1.1数字量输入输出接口技术（掌握）1.数字量输入接口2.数字量输出接口3.1.2数字量输入／输出通道数字量输入输出通道结构（掌握）：数字量输入／输出通道一般由三部分组成：输入／输出地址译码电路、输入缓冲器／输出锁存器、输入／输出电气接口亦即数字量输入信号调理／输出信号驱动电路。各种数字量输入／输出电气接口作用：主要完成滤波、电平转换、隔离和功率驱动等功能。输入缓冲器功能：对输入信号缓冲、加强和选通；输出锁存器功能：对输出信号锁存供外围设备使用；1）信号转换处理从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。对于电压输入，V2某一值，为逻辑1对于电流输入，V2某一值，为逻辑1数字量输入信号调理和信号隔离（了解）1电压输入电路如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范V1V212212VRRRV电流输入电路如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范22RIV开关触点输入电路对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1”S闭合，V2=0V，为逻辑“0”V22）安全保护措施在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬间干扰等。就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压（过电流），例如雷电引起的等。因此还需要有安全保护电路。常用的保护电路为：输入保护电路电平转换与保护电路组合使用的一个例子：这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管3）隔离处理从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；即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号；因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源和地线）现场侧CPU侧机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。4）消除触点抖动闭合稳定键按下前沿抖动后沿抖动去抖的方法：1.软件（延时）2.硬件在硬件上可采用在输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。1）隔离处理当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。下图是采用了光电隔离的开关量输出电路。数字量输出信号隔离和驱动电路（了解）2低压小功率开关量输出2）开关量输出驱动电路•小功率低压开关量输出•功率场效应输出•继电器输出•可控硅输出①小功率低压开关量输出对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。下图给出的两种电路一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。低压小功率开关量输出②功率场效应输出功率场效应管(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。例如IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18安培。功率场效晶体管的典型使用方法③继电器输出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执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。•使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。继电器式开关量输出继电器式开关量输出带光电隔离的继电器输出接口电路④可控硅输出作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。光电隔离的双向可控硅输出3.2模拟量输入通道(掌握)模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口，一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)和A/D转换器组成。其中A/D转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。1、单路模拟量输入通道2、多路模拟量输入通道接口电路信号处理信号处理信号处理传感器1传感器2传感器nA/D转换器多路开关采样保持微型计算机1、多路转换器多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。多路开关功能：把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换（输入）；或者把经计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换（输出）。3.2.1模拟量输入通道中的常用器件及电路理想多路开关要求：开路电阻应为无穷大，接通时的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。实际多路开关性能：导通电阻10几欧，开关速度几百纳秒多类开关的分类：1)单向多路开关(1对多或多对1)，如AD7501（8路）、AD8506(16路)；2)双向多路开关（1对多且多对1），如CD4051；3）矩阵多路开关（多对多），如MT8816；多路开关实例：CD4051（双向）•CD4051是8通道多路开关•带有3个通道选择输入端A、B、C，用于选择8个通道之一•一个禁止输入端INH，高电平时，禁止模拟信号输入；低电平时允许模拟信号输入CD4051的真值表０１１１７输入状态接通通道ＩＮＨＣＢＡ００００００００１１００１０２００１１３０１００４０１０１５０１１０６ＣＤ４０５１在实际应用中，如果被测参数多于8路，可以采用将多个CD4051相连进行扩展。*由D0D1D2D3来选择16路通道之一*其中D3＝0，选中1＃*其中D3＝1，选中2＃CD4051多路开关的扩展应用1）概述问题：模拟信号进行A／D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号变化较大时，会造成很大的转换误差。解决方法：采用一种器件，在A／D转换时保持住输入信号电平，在A／D转换结束后跟踪输入信号的变化。这种功能的器件就是采样／保持器。2、采样保持器2）采样／保持器的工作原理采样／保持器的一般结构形式如图所示。模拟信号UiK驱动信号ACH模拟地UO组成模拟开关K保持电容CH缓冲放大器A在t1时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K闭合，模拟输入信号Ui通过模拟开关加到电容CH上，使得CH端电压UC跟随Ui变化而变化。在t1时刻，驱动信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH上的电压UC保持模拟开关断开瞬间的Ui值不变并等待A／D转换器转换。工作原理如下：t控制信号t模拟输入At采样输出跟踪t1A2t2A1t3保持A3t4A图5.2采样／保持器工作原理而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，CH端电压UC又跟随Ui变化而变化；t3时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关K断开，......。从以上讨论可知：采样／保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。采样保持器的工作状态：跟踪状态在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。保持状态对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。采样／保持器主要作用：“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。3）采样／保持器使用中应注意的问题采样／保持器和A／D转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期采样／保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。4）常用的采样/保持器常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与LF3