计算机控制系统设计.docx

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计算机控制系统设计

一、计算机控制系统概述

1.1计算机控制系统定义

计算机控制系统（ComputerControlSystem，简称CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。

与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。

被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。

控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

与一般控制系统相同，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不断采集被控对象的各种状态信息，按照一定的控制策略处理后，输出控制信息直接影响被控对象。

它也可以是开环的，这有两种方式：

一种是计算机只按时间顺序或某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机将来自被控对象的信息处理后，只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。

1.2计算机控制系统组成

计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。

计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。

系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。

应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。

它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。

计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。

计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。

而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。

二、模拟量输入通道

2.1模拟量输入通道作用

模拟量输入通道的任务：

实现模拟量到数字量的转换

组成核心：

A/D转换器

2.2 模拟量输入通道的结构组成

模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。

过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流（或电压）形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。

传感器：

它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出。

是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压（或电流）信号。

为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0～10mA。

然后经过模拟量输入通道来处理。

2.3各部分组成的作用

2.3.1信号变换器

把各种非电模拟信号变换为A/D转换器能够接受的电信号，如电流信号、电压信号等，还可以根据需要对这些输出信号值的变化范围进行规范化，以便A/D转换器处理。

例如，电流信号幅度的标准变化范围可以是0~10mA、4~20mA等；电压信号幅度的标准变化范围可以是0~40mA、0~5V、-5~5V、-10~10V等。

2.3.2前置滤波器

考虑到通道输入信号本身可能含有噪声，或者在传输过程中受到了干扰的影响，可在模拟量输入通道采样及A/D转换前加前置硬件滤波电路，以滤除输入模拟信号中可能混有的高频干扰。

由图2-1可以看出，信号变换器及前置滤波器两个环节，可以根据每一路模拟信号的实际情况灵活设置。

2.3.3多路模拟开关

构成多回路控制系统，是计算机控制系统较之于模拟控制系统的独特优点。

在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率，这种情况下，必须利用多路模拟开关轮流切换各路被测控的模拟信号。

本设计采用的多路模拟开关CD4051，是一种集成电路芯片，其结构及逻辑框图如图2-2所示。

CD4051是具有16个引脚的集成电路芯片，如图2-2所示，S7~S0是8路模拟信号的输入引脚，Sm是1路模拟信号的输出引脚，/EN是芯片选择信号输入引脚，只有向其输入低电平时，整个芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信号，用以选择8路模拟信号中的1路，芯片有2个电源引脚VDD和VEE，分别接+15V和-15V电源，还有一个接地引脚GND。

需要特别注意的是，CD4051是允许双向使用的，即既可用于选择8路模拟信号中的1路输入，也可以为1路模拟信号，从8个输出通路中选择1路输出，一次，它也可以应用在模拟量输出通道中。

2.3.4前置放大器

用于计算机控制系统中的放大器，与一般测量系统中的放大器相比，在高增益、高稳定性极强共模抑制比等方面的性能要求，没有什么差别，所不同是的是，由于一般情况下，前置放大器可能会多路输入共用，所以希望放大器的增益，可由计算机通过编程设置或改变，以适应各路信号变化范围的要求，如图2-3所示.

2.3.5采样保持器

模拟量输入通道的核心功能，就是对输入的模拟量进行A/D转换。

在输入模拟量值确定的情况下，A/D转换器输出的数字量也是确定的，但当A/D转换器接收的模拟量随时间变化，称为模拟输入信号，且变化很快时，则在A/D转换的过程中，被转换的信号量值就是不确定的，这种不确定性，会引起一定的孔径误差，为了减小孔径误差的影响，可在A/D转换之前，利用采样保持电路构成采样保持器对输入模拟信号进行采样、保持操作。

采样保持器通常由保持电容、采样开关及输入、输出缓冲放大器组成，保持电容上Ch上的电压，即为采样保持器的输出电压，输入、输出缓冲放大器的共同特点是，输入电阻很大而输出电阻很小。

例如，LF398是常用的单片采样保持器集成电路芯片，其原理如图2-4所示。

2.3.6AD转换电路

本设计采用8位AD转换器ADC0809。

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

图2.6AD0809原理图

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

三、模拟量输出通道

3.1模拟量输出通道结构

3.2D/A转换器

3.2.1D/A转换器DAC0832的结构特点

DAC0832是一种8位的D/A转换器芯片，有两路差动电流信号输出，其数字量输入端具有双重缓冲功能，可由用户按双缓冲、单缓冲及直通方式进行线路连接，实现数字量的输入控制，特别是用于要求几个模拟量同时输出的场合，与微处理器的接口非常方便。

DAC0832的规格与参数如下：

①分辨率为8位；

②转换时间约1us；

③输入电平符合TTL电平标准；

④功耗为20mW。

图8.2.1是集成D/A转换芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）的内部结构图。

图8.2.2是其引脚图。

其内部包括一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位D/A变换器和有关控制逻辑电路组成。

其中的8位D/A变换器是如图8.1.1所示的R-2RT形电阻网络式的。

这种D/A变换器在改变基准电压VREF的极性后输出极性也改变。

所有输入均与TTL电平兼容。

3.2.2DAC0832的工作原理 

四、实际仿真电路

根据题目要求设计的计算机控制系统电路图（proteus仿真）如下：

五、学习心得

本设计由于网上没有相应的设计题资料可参考，设计时着实是个难处，参考书本上的知识，再网上查找各个器件的接口连接方法，逐步设计出电路图，我们学习的汇编语言基础不牢，程序一直调试未成功，仍在修改。

这次小组合作设计，让我体会到了做一件事的态度非常重要，就算能力有限，也要尽力做到最好。

同时，给每个人的任务分配要合理，大家互相合作，一起研究，有问题提出来再讨论解决，确保设计能顺利完成。

最后，感谢丁健老师一学期的辛苦教学！