过程通道设计方法.ppt
2023/9/16,1,第2章 计算机控制系统过程通道设计方法,过程输入输出通道由模拟量输入输出通道(AI,AO)和数字量输入输出通道(DI,DO)组成。过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,第二讲,山东科技大学,2023/9/16,2,2.1 数字量过程通道的设计方法2.2 模拟量输入通道设计方法2.3 模拟量输出通道设计方法2.4 小 结,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,3,2.1 数字量过程通道的设计方法,数字量开关量：用“0”和“1”两个量进行描述，如电动机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯的亮和灭等。数字量过程通道分为数字量输入通道(DI)和数字量输出通道(DO)。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.1.1 数字量输入通道设计方法 2.1.2 数字量输出通道设计方法,山东科技大学,2023/9/16,4,2.1.1 数字量输入通道设计方法,设计时注意两个问题：(1)输入电平的形式。由于数字量输入电平一般与计算机的接口电平不同，需要进行电平变换。(2)使通道具备抗噪声的能力，防止噪声引发误动作。为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号，这个过程称为信号调理。(电平变换和噪声抑制过程称为信号调理。),信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,5,信息与电气工程学院,计算机控制系统,数字量输入通道结构,山东科技大学,2023/9/16,6,信息与电气工程学院,计算机控制系统,数字量输入通道结构框图,数字量输入的三种形态,山东科技大学,输入调理电路设计的好坏直接影响系统的性能,2023/9/16,7,信息与电气工程学院,计算机控制系统,三态门缓冲器74LS244可用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲、加强作用。可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX,三态门缓冲器74LS244,山东科技大学,2023/9/16,8,1.外部的开关信号及逻辑电平信号调理电路直接分压:对数字量的电压信号进行衰减。开关信号系统与计算机系统在电气上没有隔离，开关信号系统的电气噪声容易进入计算机系统，从而导致系统不稳定甚至损坏的情况。故设计中很少采用这种方式。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,U,U,山东科技大学,2023/9/16,9,来自外部的开关信号及逻辑电平信号有三种形式：空接点继电器的辅助触点 带直流电压接点 带交流电压接点(2)直流接点信号输入电路,信息与电气工程学院,计算机控制系统,尖峰电路,稳压电路,“0”,山东科技大学,归于,限流,2023/9/16,10,(3)交流接点信号输入电路,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,交流输入电路,保护整流桥,滤波电路,交流信号 直流信号,“0”,2023/9/16,11,2.数字脉冲信号输入调理电路-计脉冲个数,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,选择不同稳压值的稳压管来调节输出矩形波的占空比,2023/9/16,12,3.系统设置开关(小功率输入调理电路),信息与电气工程学院,计算机控制系统,采用积分电路消除开关抖动,山东科技大学,2023/9/16,13,信息与电气工程学院,计算机控制系统,采用R-S触发器消除开关两次反跳,0,1,山东科技大学,2023/9/16,14,2.1.2 数字量输出通道设计方法,数字量输出通道用于将计算机输出的数字量信号进行转换，以达到能够驱动被控对象动作的目的。在对开关功率进行匹配设计的同时，应考虑内部与外部公共地的隔离。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,15,信息与电气工程学院,计算机控制系统,数字量输出通道结构,山东科技大学,2023/9/16,16,信息与电气工程学院,计算机控制系统,可用以下指令完成数据输出控制。MOV AL，DATA MOV DX，PROT OUT DX，AL,锁存器74LS273,利用IOW上升沿锁存,山东科技大学,2023/9/16,17,1.小功率开关输出电路,信息与电气工程学院,计算机控制系统,0,0,1,1,山东科技大学,2023/9/16,18,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.中功率晶体管驱动电路,山东科技大学,续流二极管,限流,继电器线圈,2023/9/16,19,信息与电气工程学院,计算机控制系统,3.(电磁)继电器输出接口电路,弱电控制强电,1,缺点？,山东科技大学,机械式触点,2023/9/16,20,信息与电气工程学院,计算机控制系统,4.(双向)晶闸管输出电路,山东科技大学,无触点开关,广泛应用与交直流电机调速系统、随动系统中。,2023/9/16,21,信息与电气工程学院,计算机控制系统,5.固态继电器输出接口电路,零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。,山东科技大学,无触点开关,2023/9/16,22,输入调理电路和输出驱动电路属于I/O电气转换部分，其主要功能是：滤波、电平转换、隔离、功率驱动等。所采用的一般方法为：,信息与电气工程学院,计算机控制系统,用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰箝位在安全电平上；串联一个二极管来防止反电压输入；用限流电阻齐纳二极管构成稳压电路做过电压保护；用光电隔离实现信号完全隔离；用RC滤波器抑制干扰。,山东科技大学,2023/9/16,23,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.2 模拟量输入通道设计方法,模拟量输入通道的任务：完成模拟量信号到数字量信号的转换。,2.2.1 模拟量输入通道的组成 2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器及采样保持器 2.2.3 模拟量输入通道的设计,第三讲,山东科技大学,2023/9/16,24,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.2.1 模拟量输入通道的组成,AI通道的任务是把生产现场被控对象(如温度、压力、流量、液位、电流、电压等)模拟量信号转换成计算机可以识别的数字量信号。,模拟量输入通道的结构组成图,4-20mA1-5V,山东科技大学,2023/9/16,25,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器及采样保持器,在设计离散系统时，香农采样定理是必须严格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中不失真地复现原来连续信号的最低采样频率。香农定理：设输入信号 的频率分量为，采样频率为，则要从采样信号 中完整地复现信号，则必须满足：。,山东科技大学,2023/9/16,26,信息与电气工程学院,计算机控制系统,I/V变换 传感器和变送器输出的信号为15V或420mA，而A/D转换器所接收的模拟信号为010V或05V。思考：DDZ-II型与DDZ-III型电动仪表的区别？为何使用电流传输？,山东科技大学,2023/9/16,27,信息与电气工程学院,计算机控制系统,为什么选取这样的标准信号？30V电压，30mA电流所引起的火花能量足以达到危险气体燃点的平均下限，因此多数仪表采用24V供电，为了留有余量，电流信号上限定为20mA。(b)为了区分无信号和信号为零，信号起始值不为零。(c)两线制仪表在信号为零时仍需要一定的能量供应。(d)4-20mA电流作用在250电阻上刚好得到电压1-5V。,山东科技大学,2023/9/16,28,无源I/V变换,信息与电气工程学院,计算机控制系统,输入 输出,010mA,05V,420mA,15V,精密电阻,限幅,山东科技大学,2023/9/16,29,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(2)有源I/V变换,输入 输出,010mA,05V,420mA,15V,为何选用运算放大器？,精密电阻,山东科技大学,2023/9/16,30,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(3)专用I/V转换电路,山东科技大学,2023/9/16,31,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.多路开关(多选一),CD4051原理图,山东科技大学,2023/9/16,32,信息与电气工程学院,计算机控制系统,CD4051结构原理图,并非实际的开关，而是CMOS的模拟开关，若VEE，VSS的电压匹配不足，开关就相当于一个大内阻,山东科技大学,2023/9/16,33,信息与电气工程学院,计算机控制系统,CD4051真值表,山东科技大学,山东科技大学,2023/9/16,34,信息与电气工程学院,计算机控制系统,补：扩展电路,当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。,2023/9/16,35,信息与电气工程学院,计算机控制系统,3.测量放大器,在实际工程中，传感器或变送器输出的模拟信号一般较弱，故需要将其放大以达到A/D转换所需的量程范围。运算放大器：具有毫伏级的失调电压和温漂放大器 测量放大器：高输入阻抗、低输出阻抗，低温 漂，低失调电压和高稳定增益，抗共模干扰能力强 常用的测量放大器为AD521，AD522等。,山东科技大学,2023/9/16,36,信息与电气工程学院,计算机控制系统,AD521基本连接方法,山东科技大学,2023/9/16,37,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,38,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(a)经典测量放大器(AD521结构图),山东科技大学,调整放大器增益,可抑制共模干扰,2023/9/16,39,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(b)可变增益放大器,山东科技大学,2023/9/16,40,信息与电气工程学院,计算机控制系统,4.采样保持器,当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。采样保持器的作用是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。,山东科技大学,2023/9/16,41,信息与电气工程学院,计算机控制系统,如图所示，它有两种工作状态，一种是采样状态，另一种是保持状态。,采样保持器工作状态,时间上离散幅值上连续,离散模拟信号,山东科技大学,2023/9/16,42,对于同步系统，几个并联的参量均取自同一瞬时，如电力系统监控中的功率计算，就是同一时刻的交流电流和电压值。而各参数要共享一个A/D转换器，就必须保持其信号直到本次A/D转换全部完成。但转换完成后，又要求A/D转换器的输入信号能够随模拟量的变换而变化。最常用的采样保持器有AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及国家半导体公司的LF198/298/398。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,43,信息与电气工程学院,计算机控制系统,常用术语：采样器或采样开关-执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样周期T-采样开关每次通断的时间间隔 在实际系统中，T，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。,数据采样过程,山东科技大学,2023/9/16,44,(a)采样开关,(b)连续信号,(c)开关函数,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,45,(d)采样信号,(e)采样过程,x*(t)=p(t)x(t),因，所以分析时可近似认为，以单位脉冲函数 来代替p(t)。,信息与电气工程学院,计算机控制系统,山东科技大学,2023/9/16,46,单位脉冲序列：,数学表达式：,单位脉冲函数定义：,信息与电气工程学院,计算机控制系统,理论表达形式：,工程表达形式：,山东科技大学,2023/9/16,47,信息与电气工程学院,计算机控制系统,采样过程数学描述:考虑物理上可实现，又可近似为：,思考：为何可以这样地近似表示？,可见，具有离散信号的特性。,山东科技大学,2023/9/16,48,信息与电气工程学院,计算机控制系统,采样保持器,采样保持器结构图,山东科技大学,2023/9/16,49,信息与电气工程学院,计算机控制系统,零阶保持器,山东科技大学,2023/9/16,50,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.2.3 模拟量输入通道的设计,模拟量输入通道中主要器件就是A/D转换器。设计稳定、优良的模拟量输入通道的基础：了解A/D转换器的原理和外部特性。模拟量输入通道设计过程中需要主要解决的问题：A/D转换器与计算机的接口及其程序设计。,山东科技大学,2023/9/16,51,信息与电气工程学院,计算机控制系统,1.A/D转换器,常见结构：逐次逼近寄存器 双积分-高速流水线,山东科技大学,逐次逼近式速度为双积分式的100倍以上,精度高于16位,2023/9/16,52,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(1)逐次逼近寄存器式A/D转换器的基本工作原理,山东科技大学,比较器,优点：转换速度快，转换时间固定缺点：抗干扰能力差,2023/9/16,53,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(2)A/D转换器主要性能指标及术语,分辨率(Resolution)量化误差(Quantizing error)线性度(Linearity)转换精度(Conversion Accuracy)绝对精度 相对精度 转换时间(Conversion Time),山东科技大学,2023/9/16,54,信息与电气工程学院,计算机控制系统,(3)常见A/D转换器及其外特性,由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因此在普通A/D元件市场上有相当多的是采用该方法，如 8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582。,山东科技大学,2023/9/16,55,信息与电气工程学院,计算机控制系统,2.A/D转换器接口及程序设计,在模拟量输入通道设计中，A/D转换器与计算机的连接(硬件设计)及程序设计(软件设计)是其重要组成部分。(1)A/D转换器的接口技术 模拟量输入与数字量输出的连接 A/D转换器的启动 A/D转换器结束信号的处理(2)A/D转换器的程序设计 如何启动A/D转换 如何判断A/D转换结束 如何读取并存放转换结果,山东科技大学,2023/9/16,56,信息与电气工程学院,计算机控制系统,并行A/D转换器的典型应用(ADC0809),8 位逐次逼近式A/D 转换器 分辨率8 位，精度7 位 8 个模拟量输入通道 通道地址译码锁存器 输出带三态数据锁存器 启动方式为脉冲启动 输入电压范围为05V,山东科技大学,2023/9/16,57,信息与电气工程学院,计算机控制系统,ADC0809内部结构及引脚,山东科技大学,2023/9/16,58,信息与电气工程学院,计算机控制系统,各引脚功能如下：IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。C、B、A：3位地址线即模拟量通道选择线。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+=5V DC，VR-=0V DC。Vcc：工作电源，5VDC。GND：电源地。,山东科技大学,2023/9/16,59,信息与电气工程学院,计算机控制系统,ADC0809的转换时序,地址锁存，译码,选通模拟开关的某一路,启动A/D转换,内部清零,A/D转换结束,输出,转换结果,山东科技大学,2023/9/16,60,信息与电气工程学院,计算机控制系统,ADC0809的工作过程是：首先ALE的上升沿将输入的3位地址(C,B,A)存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到A/D转换器。START上升沿将SAR复位，下降沿启动 A/D转换，此时EOC输出信号变低电平，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。,山东科技大学,2023/9/16,61,信息与电气工程学院,计算机控制系统,ADC0808与8031采用查询方式的接口电路,山东科技大学,2023/9/16,62,信息与电气工程学院,计算机控制系统,下面的程序是采用查询方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转存到内部数据存储区的采样存储程序。ORG 8000HSTART：MOV R1,#DATA；置数据区地址指针 MOV DPTH,#0DFH；P2.5=0 MOV DPTL,#80H；指向模拟通道0 MOV R7,#08H；置通道数LP1:MOVX DPTR，A；所存模拟通道地址，启动A/D转换LP2:MOV C,P1.0；读EOC状态 JNC LP2；非1，循环等待 MOVX A，DPTR；读A/D转换结果 MOV R1，A；存结果 INC R1；调整数据区指针 INC DPTR；模拟量通道加1 DJNZ R7,LP1；8个通道全采样完否？未完继续RET；返回,山东科技大学,2023/9/16,63,信息与电气工程学院,计算机控制系统,串行A/D转换器的典型应用(TLC2543),TLC2543是TI公司生产的12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接。,接口电路：TLC2543与8031单片机接口原理图,山东科技大学,2023/9/16,64,信息与电气工程学院,计算机控制系统,3.模拟量输入模块(ADAM-4017+),8路差分输入、16位分辨率 采样速度快、输入信号范围广、输入阻抗高 输入电压或电流形式的模拟信号 采用RS-485总线输出形式，传送距离最远可达1200m 支持8路差分输入信号，支持Modbus协议 增加了420mA的输入范围,山东科技大学,
