计算机控制技术课程辅导教案Word文档格式.docx
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•缺点
由人工操作，速度受限，不能控制多个对象。
2.直接数字控制系统（DDC）
计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。
3.监督控制系统SCC
（1）SCC加上模拟调节器的控制系统
微机对各物理量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值送给调节器，使工况保持在最优状态。
（2）SCC加上DDC的分级控制系统
SCC微机完成可完成高一级的最优化分析与计算，并给出最优给定值送给DDC级执行过程控制。
4.分散型控制系统DCS
采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。
5.现场总线控制系统
•定义
新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。
1.2.1工业控制机的组成
1.工业控制机的硬件组成
（1）主机板
CPU、RAM、ROM等。
作用：
数值计算、逻辑判断、数据处理。
（2）内部总线和外部总线
内部总线：
工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。
外部总线：
工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。
（3）人—机接口
键盘、显示器、打印机。
（4）系统支持功能
•监视定时器（Watchdog）：
系统故障时使系统自动恢复运行。
•电源掉电检测：
检测交流电掉电后保护现场，上电后能从断电处继续运行。
•后备存储器体：
保护重要数据，容量不大，采用后备电池的SRAM、EEPROM。
.
•实时日历时钟：
时间驱动与事件驱动能力。
常用带日历时钟芯片实现。
（5）磁盘系统
软磁盘、硬磁盘。
（6）通信接口
工业控制机与智能外设通信的接口。
RS-232、IEEE-488接口。
（7）输入输出通道
工业控制机与生产过程之间的信号传递和变换连接的通道。
2.工业控制机的软件组成
（1）系统软件
实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。
如Intel的iRMX86、DOS、Windows。
（2）支持软件
汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序。
（3）应用软件
针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。
包括：
输入程序、控制程序、输出程序、人机接口程序、打印显示程序等。
1.2.2工业控制机的总线结构
总线的定义:
总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间建立信号联系，进行信息的传递和通信。
1.内部总线
所谓内部总线，就是计算机内部功能模板之间进行通讯的总线，它是构成完整的计算机系统的内部枢纽。
（1）PC总线
指IBM公司创建的IBMPC或IBMPC/XT计算机的内部总线，它是62引脚的并行总线。
（2）STD总线
STD总线是56根并行计算机总线，由MattBiewer研制，美国Prolog和Mostek公司1978年12月首先采用，于1987年批准为IEEE961标准。
2.外部总线
所谓外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通讯的总线，常用的外部总线有IEEE-488并行总线与RS-232C串行总线。
（1）RS-232C串行通讯总线
RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）制定的一种串行接口标准。
•RS-232C的机械特性：
25标准连接插头。
•RS-232C的功能特性：
见表1.3。
•RS-232C的电气特性：
见表1.4，采用负逻辑。
•RS-232C的电平转换及接口电路：
见图1.9
（2）IEEE-488并行通讯总线
IEEE-488总线也称GPIB总线。
由美国HP公司提出，命名为HP-IP。
IEEE以此为基础，制定了IEEE-488标准。
①IEEE-488总线的约定及特点
•总线电缆为无源电缆线，包括16条信号线和9条地线；
•系统中通过总线互连的设备不得超过15台；
•总线电缆长度不超过20米，或仪器设备数乘分段电缆长度总和不超过20米；
•信号传输速率一般为500kbps，最大传输速率为1Mbps；
•地址容量为：
“听”地址31个，“讲”地址31个，最多地址容量可扩展到961个；
•总线上传输的消息为负逻辑，低电平（≤+0.8V）为逻辑“1”，高电平（≥2.0V）为逻辑“0”；
•采用按位并行，字节串行、三线握手、双向异步的传输方式。
②总线的一般描述
总线所连的设备有三种：
控者、听者、讲者。
“讲者”方式：
讲者是产生和向总线发送设备消息的设备。
一个系统可以有两个以上的讲者，但在任一时刻只能有一个讲者向总线发送设备消息。
“听者”方式：
听者是从总线上接收消息的设备。
在系统内，可以同时有若干个听者同时接收同样的消息。
“控者”方式：
控者是数据传输过程的组织者和控制者，它指定每次数据传输过程的讲者和听者，处理在工作过程中其它设备提出的服务请求，对接口进行管理等。
通常，由计算机充当控者，允许系统中有多台设备具有控制功能，但每一时刻只有一台设备充当控者。
③总线的引脚分配及功能
IEEE-488采用24芯D型插头座，它们的引线分配如表1.5所示。
难点解析：
1.关于实时系统的理解
实时指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，这里输入、计算、输出实际是指计算机控制系统原理中提出的三步骤；
另外，一定的时间范围则是指一个采样周期，本次采样的计算结果输出需在下一个采样时刻到来之前完成。
2.区分内部总线与外部总线
内部总线是指计算机内部模块之间的通讯；
而外部总线是指计算机与外部设备之间的通讯。
习题辅导：
1.2计算机控制系统的典型形式有那些？
各有什么优缺点？
1.3实时、在线和离线的含义是什么？
在线与离线方式概念容易理解，主要是实时方式与它们之间的区别联系，实时必须在线，但在线却不一定能做到实时。
1.4什么是总线、内部总线和外部总线？
第二周内容及其辅导
2.1数字量输入输出通道
2.2A/D转换器及其接口技术
数字量输入接口
数字量输出接口
数字量输入通道
数字量输出通道
8位A/D转换器0809
A/D转换器接口技术
什么是接口？
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。
2.1数字量输入输出通道
数字量：
信号是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。
如：
开关的和与开，指示灯的亮与灭，继电器的吸合与释放，马达的启动与停止，阀门的打开与关闭等。
2.1.1数字量输入输出接口技术
1.数字量输入接口—缓冲器
三态门缓冲器74LS244
可用如下指令完成8个开关状态采集：
MOVDX,port
INAL,DX
2.数字量输出接口—锁存器
用74LS273作为8位输出锁存口。
可用下列指令完成8位开关量的输出控制。
MOVAL,DATA
MOVDX,port
OUTDX,AL
2.1.2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
如图2.4所示
（2）大小功率输入调理电路
如图2.5所示
2.1.3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
如图2.7、2.8所示
（2）大功率交流驱动电路
如图2.9所示
2.2A/D转换器及其接口技术
定义
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。
转换方式
逐次逼近式：
转换时间短（几微秒~几百微秒），抗干扰能力差；
双斜积分式：
转换时间长（几十毫秒~几百毫秒），抗干扰能力强。
主要技术指标
转换时间：
完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。
分辨率：
用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。
线性误差：
在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。
用LSB的分数表示，如1/2LSB或±
1LSB。
LSB：
数字量的最低有效位，对应于满量程输入的。
量程：
所能转换的输入电压的范围，如-5~+5V等。
对基准电源的要求：
基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。
2.2.1A/D转换器
1.8位A/D转换器0809
逻辑框图见图2.10。
（1）8通道模拟开关及通道选择逻辑
功能：
实现8选1操作
（2）8位A/D转换器
对输入端信号V进行转换，转换结果D存入三态输出锁存缓冲器。
（3）三态输出锁存缓冲器
功能：
存放转换结果D，输出允许信号OE为高电平时，D由DO7~DO0上输出。
综述：
ADC0809的量化单位q=[VREF（+）-VREF（-）]/256。
通常基准电压VREF（+）=5.12V，VREF（-）=0V，此时q=20mV，转换结果D=V（mV）/q（mV）。
2.2.2A/D转换器接口技术
1.ADC0809与PC总线工业控制机接口
蒋8255A的A口设为输入口，C口上半部分为输入，下半部分为输出。
数据采集子程序如下：
其中：
8255A口地址为2C0H~2C3H。
ADC0809PROCNEAR
MOVCX,8
CLD
MOVBL,00H
LEADI,DATABUF
NEXTA:
MOVDX,02C2H
MOVAL,BL
OUTDX,AL
INCDX
MOVAL,00000111B
OUTDX,AL
DECDX
NOSC:
INAL,DX
TESTAL,80H
JNZNOSC
NOEOC:
JZNOEOC
MOVDX,02C0H
INAL,DX
STOSDATABUF
INCBL
LOOPNEXTA
RET
ADC0809ENDP
1.输入缓冲器与输出琐存器
这里要正确理解缓冲器与琐存器的功能，并结合输入、输出过程来体会为什么在输入时需用缓冲器，输出时需用琐存器。
2.2采用74LS244和74LS273与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量输入接口和8路数字量输出接口，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。
输入的接口电路图参阅教材中图2.1，输出电路图参阅图2.2。
第三周内容及其辅导
2.3模拟量输入通道
2.4D/A转换器及其接口技术
模拟量输入通道组成
I/V变换
多路转换器
采样保持器
D/A转换器及其接口技术
2.3.1模拟量输入通道组成
2.3.2I/V变换
将变送器输出的统一信号0~10mA或4~20mA，变换成标准0~5V电压信号。
1.无源I/V变换
输入：
0~10mA
电阻值：
R1=100R2=500（精密）
输出：
0~5V
4~20mA
R1=100R2=250
1~5V
2.有源I/V变换
输入：
0~10mA
电阻值：
R3=100KR4=150K
输出：
0~5V
4~20mA
R3=100KR4=25K
1~5V
2.3.3多路转换器
将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。
要求：
开路电阻无穷大、导通电阻无穷小、切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。
2.3.4采样、量化及常用的采样保持器
1.信号的采样
∙定义
按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟量信号、转变成在时刻0、T、1T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程成为采样过程。
∙香农定理
如果模拟信号频谱的最高频率为Fmax，只要按照采样频率f≥2Fmax进行采样，那么采样信号就能唯一地复观y（t）。
2.量化
∙量化：
采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数字信号。
∙量化过程：
将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。
∙量化单位：
字长为n的A/D转换器把ymin~ymax范围内变化的采样信号，变换为数字0~2的n次方减1，其最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位。
∙量化误差：
由于量化过程是一个小数归整的过程，因而存在量化误差，量化误差为±
1/2q。
3.采样保持器
（1）孔径时间和孔径误差的消除
∙孔径时间
A/D转换器将模拟信号转换成数字量所需的时间，称为孔径时间。
∙孔径误差
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。
对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。
∙孔径误差的消除
采用带有采样保持器。
（2）采样保持器的原理
∙基本组成：
输入输出缓冲器A1、A2、采样开关、保持电容。
∙工作原理：
采样时，K闭合，VIN通过A1对Ch快速充电，VOUT跟随VIN；
保持期间，K断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下，VOUT=Vc保持不变。
（3）常用的采样保持器
LF398介绍：
控制电平：
1
保持电平：
0
保持电容：
外接，常选510~1000PF，减小CH可提高采样频率，但会降低精度。
一般选用聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高质量电容器。
2.4D/A转换器及其接口技术
定义
D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出与参考电压和二进制数成比例。
技术指标
分辨率：
通常用D/A转换器输入的二进制数的位数来表示，如8位、10位、12位。
建立时间：
输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值±
1/2LSB所需的时间。
线性误差：
1.8位D/A转换器DAC0832
内部结构
如图2.27所示。
DI7~DI0：
数字信号输入端；
Iout1、Iout2：
模拟电流输出端；
ILE：
输入锁存允许；
CS：
片选；
WR1、WR2：
写选通；
XFER：
传送控制。
输入、输出关系
参见书中表所示。
工作过程
第一步：
在ILE、CS有效时，WR1将输入数字锁入8位输入寄存器；
第二步：
在XFER有效时，WR2将输入寄存器中的数据传送到DAC寄存器；
经过建立时间后，输出稳定。
2.4.2D/A转换器接口技术
1.8位D/A转换器与PC总线工业控制机接口
∙硬件电路：
如图2.29所示；
CS信号为低时，数据总线送来的数据进行转换；
IOW为高时，数据锁存在输入寄存器，D/A转换输出保持不变。
∙程序设计
入口条件：
DAC0832的CS口地址为300H，将二进制数7FH转换为模拟电压
MOVDX，300H
MOVAL，7FH
OUTDX，AL
HLT
1.关于8位D/A转换器0832及其接口
对于0832要重点掌握其内部结构，特别是WR1对输入寄存器的控制，WR2对DAC寄存器的控制。
2.3用0809通过8255与PC机接口，画出接口原理图，并设计8路模拟量的数据采集程序。
原理图设计参阅教材图2.15。
数据采集程序设计主要结合0809的工作过程，注意硬软件之间的结合，另外，搞清0809的工作过程，必须了解0809的转换时序。
第四周内容及其辅导
2.5模拟量输出通道
2.6硬件抗干扰技术
模拟量输出通道的结构形式
模拟量输出通道设计
串模干扰及其抑制方法
共模干扰及其抑制方法
2.5模拟量输出通道
模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。
2.5.1模拟量输出通道的结构形式
1.一个通路设置一个数/模转换器的形式（数字保持方案）
优点：
转换速度快、工作可靠。
缺点：
使用较多的D/A转换器。
2.多个通路共用一个数/模转换器的形式（模拟保持方案）
优点：
节省数/模转换器
分时工作，适用于通路数量多且速度要求不高的场合；
要用多路开关，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比较大；
可靠性差。
2.5.2单极性与双极性电压输出电路
电压输出的实现
采用D/A转换器外加运算放大器的方法，把D/A转换器的电流输出转换为电压输出。
单极性与双极性电压输出电路
单极性与双极性输出电压
2.5.3V/I变换
∙V/I变换的定义
将0~5V、0~10V、1~5V直流电压信号转换为0~10mA、4~20mA的电流信号。
∙V/I变换的实现
采用集成V/I转换电路。
集成V/I转换器
–输入电压范围：
0-10V
–输出电流：
4-20mA
–电源电压范围：
10-32V。
2.5.4模拟量输出通道设计
八通道模拟量输出硬件电路
参见图2.40。
工作过程如下：
PC总线送出数据→OUT指令→DAC0832转换→用OUT指令，通过D0、D1、D2位打开多路开关→输出由保持器保持→V/I转换为4-20mA电流。
八通道输出程序
0832口地址，300H；
CD4051口地址，301H。
DOUTPROCNEAR
MOVDX，300H
MOVCX，8
MOVAH，0
MOVBX，OFFSETBUF
NEXT：
MOVAL，[BX]
OUTDX，AL
INCDX
MOVAL，AH
CALLDELAY
INCAH
DECDX
INCBX
LOOPNEXT
RET
2.6.1过程通道抗干扰技术
1.串模干扰及其抑制方法
（1）串模干扰
定义：
所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。
（2）串模干扰的抑制方法
–如果串模干扰的频率与被测信号频率不同时，可以采用滤波器来抑制干扰；
–当尖峰型串模干扰为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰影响；
–对于串模干扰主要来自电磁感应时，信号应仅可能早地前置放大，提高信噪比；
–利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰；
–采用良好的屏蔽，以减少电磁干扰。
2.共模干扰及其抑制方法
（1）共模干扰
所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。
（2）共模干扰的抑制方法
–变压器隔离
利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，使共模干扰电压不成回路，从而抑制共模干扰。
–光电隔离
–浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器，利用屏蔽方法使输入信号“模拟地”浮空。
–采用仪表放大器提高共模抑制比
仪器放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低等优点，专门用来分离共模干扰。
2.6.2CPU抗干扰技术
1.MAX1232的结构原理
MAX1232微处理器监控电路，给微处理器提供辅助功能、电源供电监控功能。
其内部结构见图2.51。
PBSET：
按键复位输入。
TD：
时间延迟，TD=0V时，t=150ms；
TD悬空时，t=600ms；
TD=Vcc时，t=1.2s。
TOL：
容差输入。
接地时选取5%容差；
接Vcc时选取10%的容差。
RST（高）：
复位输出。
产生复位条件：
Vcc下降低于复位电压阀值时；
PBSET按下；
在最小暂停周期内，ST未选通；
在加电源期间。
RST（低）：
产生条件同上。
ST：
选通输入，Watchdog定时器输入。
2.MAX1232的主要功能
电源监控
电压检测器监控Vcc，当Vcc低于所选择的容限时，输出并保持复位电平。
当Vcc恢复到容许极限内，复位信号保持250ms。
按钮复位输入
PBSET端手动强制复位输出。
当PBSET升高达到大于一定的电压值后，复位输出保持250ms。
监控定时器
微处理器在一定的时间内触发ST端。
如果ST在一个最小超时间间隔内，没被触发，复位输出至少保持250ms。
1.模拟量输出通道设计
进行通道接口设计时，要搞清数据、地址、控制三总线之间的关系。
本书中，地址用来选择芯片，不同芯片分配不同地址，数据用来传送操作数，同时在4051
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