第二章計算機控制系統(tǒng)理論基礎1-復件

1、電力學院自動化系電力學院自動化系 張計科張計科2.1 2.1 硬件基礎硬件基礎2.2 2.2 信號分析信號分析2.3 2.3 數(shù)學描述數(shù)學描述2.4 2.4 控制系統(tǒng)分析基礎控制系統(tǒng)分析基礎抗干擾技術、可靠性技術抗干擾技術、可靠性技術 系統(tǒng)的系統(tǒng)的安全保障安全保障控制核心控制核心系統(tǒng)的系統(tǒng)的核心核心輸入輸出接口輸入輸出接口系統(tǒng)的系統(tǒng)的耳目、手腳耳目、手腳人機接口人機接口系統(tǒng)的系統(tǒng)的窗口窗口CPU RAM，ROM(PROM、E2PROM或或FLASH) RAM，ROM(PROM、E2PROM或或FLASH)外設接口（外存儲器、顯示器、鍵盤或操作臺等）外設接口（外存儲器、顯示器、鍵盤或操作臺等）通

2、信接口（串行、并行）通信接口（串行、并行）等等。等等。接受數(shù)據與信息接受數(shù)據與信息 控制策略解算與決策控制策略解算與決策 發(fā)布信息與報警發(fā)布信息與報警嵌入式嵌入式 獨立式獨立式模板式模板式 模塊式模塊式通用工業(yè)控制計算機（通用工業(yè)控制計算機（PC-Based Control System）AT96總線工控機主板CompactPCI/AT96總線工控機主板通用工業(yè)控制計算機（通用工業(yè)控制計算機（PC-Based Control System）通用工業(yè)控制計算機（通用工業(yè)控制計算機（PC-Based Control System）Compact PCI是一種基于標準是一種基于標準PCI總線的小巧而

3、堅總線的小巧而堅固的高性能總線技術。固的高性能總線技術。1994年年PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group, PCI工工業(yè)計算機制造商聯(lián)盟）提出了業(yè)計算機制造商聯(lián)盟）提出了Compact PCI技術，技術，它定義了更加堅固耐用的它定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與和軟件方面，它與PCI標準完全兼容?？ò惭b在支標準完全兼容?？ò惭b在支架上，并使用標準的架上，并使用標準的Eurocard外型。外型。通用工業(yè)控制計算機（通用工業(yè)控制計算機（PC-Based Control System）通用工業(yè)控

4、制計算機（通用工業(yè)控制計算機（PC-Based Control System）AT96總線工控機主板CompactPCI/AT96總線工控機主板PLC（Programmable Controller）DCS控制器（主控單元）控制器（主控單元）嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 內存儲器：內存儲器：RAM，ROM 外存儲器：硬盤，軟盤，光盤外存儲器：硬盤，軟盤，光盤 由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣和機械設備震動等因素，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣和機械設備震動等因素， 不易采用具有運動部件的不易采用具有運動部件的硬盤、軟盤和光盤驅

5、動器，硬盤、軟盤和光盤驅動器， 那就采用那就采用電子盤電子盤，并用后備電池，并用后備電池， 保證停電后不丟失電子盤中的數(shù)據。保證停電后不丟失電子盤中的數(shù)據?？偩€是一些總線是一些線線的集合，的集合， 定義了各引線的定義了各引線的信號信號、電氣電氣和和機械機械特性。特性。廠商廠商按標準按標準設計設計制造計算機或部件，制造計算機或部件， 用戶用戶按標準按標準選選計算機或部件集成所需系統(tǒng)。計算機或部件集成所需系統(tǒng)。 內部內部總線：計算機總線：計算機內部內部的模塊之間進行通信的總的模塊之間進行通信的總 線。線。 外部外部總線：計算機之間、計算機與設備之間進行總線：計算機之間、計算機與設備之間進行 通信的

6、總線。通信的總線。并行并行總線：按字節(jié)或字總線：按字節(jié)或字并行并行傳送傳送位位信號，傳送線信號，傳送線 數(shù)數(shù)等于等于位數(shù)。位數(shù)。 串行串行總線：按字節(jié)或字總線：按字節(jié)或字串行串行傳送位信號，傳送位信號，一根一根傳傳 送線上送線上按位先后按位先后依次傳送。依次傳送。 內部內部總線的組成總線的組成總總線線母母板板AI板板AO板板DI板板DO板板DBABCBPBCPU板板內部內部總線總線組成組成： 數(shù)據總線數(shù)據總線 DB 地址總線地址總線 AB 控制總線控制總線 CB 電源總線電源總線 PB ：模板尺寸，：模板尺寸， 接插件尺寸和針數(shù)，接插件尺寸和針數(shù)，信號的電平和時序信號的電平和時序?？偪偩€線 母

7、母板板例如，例如，PC總線總線：PC/XT(62線線)， PC/AT或或ISA(62線線+36線線)， PCI(124線線)， PC104(104線線)， Compact PCI，. 外部外部總線總線：串行總線串行總線：RS-232，RS-422，RS-485， USB，IEEE-1394； 例如：例如：DCS的輸入輸出總線的輸入輸出總線IOBUS局域網局域網(LAN)：工業(yè)以太網：工業(yè)以太網(Ethernet), MAP (制造自動化協(xié)議制造自動化協(xié)議), TCP/IP等等 例如：例如：DCS控制網絡控制網絡(C-NET) ?，F(xiàn)場總線現(xiàn)場總線：FF，PROFIBUS，LON，CAN等等 例如

8、：例如：DCS的輸入輸出總線的輸入輸出總線IOBUS、FCS中中發(fā)送發(fā)送和和接收接收電路電路 ： 邏輯邏輯“l(fā) l”電平為電平為-15V-15V至至-5V-5V， 邏輯邏輯“0 0”電平為電平為+5V+5V至至+15V+15V， RS-232RS-232電平與電平與TTLTTL電平的電平的 互相轉換用互相轉換用 MC1488MC1488發(fā)送器和發(fā)送器和 MC1489MC1489接收器。接收器。Data Terminal Equipment，DTEData Communication Equipment，DCE RS- -232接口電路示例接口電路示例INOUTINOUTRRTTMC1488DT

9、EMC1489DCEMC1489MC1488.SGNDTxD RxD DCETxD RxD SGND DTE RS-232總線總線 RS-232總線總線 基本基本特性特性： 25線或線或9線線基本的三根線：基本的三根線：發(fā)送數(shù)據線發(fā)送數(shù)據線TxD接收數(shù)據線接收數(shù)據線RxD信號地線信號地線SGND點點對對點點連接方式連接方式傳輸距離傳輸距離15m傳輸速率傳輸速率 20Kbps單端單端發(fā)送器和接收器發(fā)送器和接收器公共地線容易引進干擾公共地線容易引進干擾Data Terminal Equipment，DTEData Communication Equipment，DCE RS- -232接口電路示例

10、接口電路示例INOUTINOUTRRTTMC1488DTEMC1489DCEMC1489MC1488.SGNDTxD RxD DCETxD RxD SGND DTE RS-422總線總線 發(fā)送發(fā)送和和接收接收電路電路 ：邏輯邏輯“l(fā) l”電平為電平為-6V-6V至至-2V-2V，邏輯邏輯“0 0”電平為電平為+2V+2V至至+6V+6V，RS-422RS-422電平與電平與TTLTTL電平的電平的互相轉換用互相轉換用 MC3487MC3487發(fā)送器和發(fā)送器和 MC3486MC3486接收器。接收器。 RS- -422接口電路示例接口電路示例INOUTINOUTRRTTMC3487DTEMC34

11、86DCEMC3487MC3486Data Terminal Equipment，DTEData Communication Equipment，DCE DCEDTE 基本基本特性特性：點點對對點點連接方式連接方式傳輸距離傳輸距離121200m傳輸速率傳輸速率120Kbps10Mbps雙端雙端發(fā)送器和接收器發(fā)送器和接收器無公共地線無公共地線全全雙工通信方式雙工通信方式Data Terminal Equipment，DTEData Communication Equipment，DCE RS- -422接口電路示例接口電路示例INOUTINOUTRRTTMC3487DTEMC3486DCEMC3

12、487MC3486DCEDTE RS-422總線總線圖圖 RS- -485接口電路示例接口電路示例.RTRT/ /RT/ /RT- -發(fā)送發(fā)送R- -接收接收T/ /R - -發(fā)送發(fā)送/接收接收總線總線 RS-485總線總線 基本基本特性特性：1點對點對多多點連接方式點連接方式傳輸距離傳輸距離121200m傳輸速率傳輸速率120Kbps10Mbps雙端雙端發(fā)送器和接收器發(fā)送器和接收器無公共地線無公共地線半半雙工通信方式雙工通信方式模擬量輸出單元（模擬量輸出單元（AO）模擬量輸入單元（模擬量輸入單元（AI）數(shù)字量輸入單元（數(shù)字量輸入單元（DI）數(shù)字量輸出單元（數(shù)字量輸出單元（DO）模板模板式式模

13、塊模塊式式Bailey Infi 90AIN-220 混合混合式：式： 主控單元和輸入輸出單元主控單元和輸入輸出單元 集中集中安裝。安裝。分離分離式：式：主控單元和輸入輸出單元主控單元和輸入輸出單元 分別分別安裝，安裝， 用通信線互連。用通信線互連。 輸入輸出單元輸入輸出單元 可以安裝于生產現(xiàn)場?？梢园惭b于生產現(xiàn)場。 輸入輸出單元的輸入輸出單元的模板模板式結構式結構BUS主主機機板板輸入輸出單元輸入輸出單元主控單元主控單元總總線線母母板板AIAO DI DO（a）混合式）混合式BUS板板輸入輸出單元輸入輸出單元AIAO DI DO主主OI串行通信串行通信 或或網絡通信網絡通信主控主控單元單元（

14、b）分離式）分離式 輸入輸出單元的輸入輸出單元的模塊模塊式結構式結構主控主控單元單元AIAODODIRS- -485輸入輸出單元輸入輸出單元 主控單元、輸入輸出單元主控單元、輸入輸出單元 的的I/OI/O模塊之間模塊之間 用用串行通信線串行通信線互連，互連， I/OI/O模塊可以模塊可以 分散安裝于生產現(xiàn)場，分散安裝于生產現(xiàn)場，I/OI/O模塊上有接線端子，模塊上有接線端子， 便于就近安裝接線。便于就近安裝接線。1、任務：、任務： 把被控參數(shù)把被控參數(shù) ( (如溫度、壓力、流量、料位和成份等如溫度、壓力、流量、料位和成份等) )的模的模擬擬電壓電壓或或電流電流信號信號轉換轉換成成CPU可以接收

15、的可以接收的數(shù)字量數(shù)字量信號。信號。模擬模擬量信號：量信號： 420mA，010mA，15V，05V mV 熱電偶熱電偶(TC，Thermoelectric Couple ) 熱電阻熱電阻(RTD， Resistance Temperature Device)數(shù)字數(shù)字量信號：量信號： FFH(8位位0/1)， FFFH (12位位0/1)， FFFFH (16位位0/1)2、組成：、組成：CPU IN1IN2INn3、標度變換標度變換信號濾波信號濾波電平轉換電平轉換線性化處理線性化處理等等等等4、幾路或十幾路幾路或十幾路 被測信號共用一只被測信號共用一只A/D，用用多路模擬開關多路模擬開關輪流

16、切換各路被測信號，采用輪流切換各路被測信號，采用 分時分時A/D轉換方式。轉換方式。理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導通電阻為理想工作狀態(tài)：開路電阻無窮大，導通電阻為0。 要求切換速度快。要求切換速度快。+15VVDD 16VEE15VGND873SmS74 S62 S41 S55 S114 S013 S312 S215 譯碼驅動電路譯碼驅動電路電平轉換電路電平轉換電路691011ABCEN 4、 單端單端8 8通道通道多路轉換開關多路轉換開關信號信號S1Sn共地共地每個信號用每個信號用 1只只開關開關信號信號S1Sn不不共地共地每個信號用每個信號用2只只開關開關雙端輸入的雙端輸入的共模抑制比共

17、模抑制比高高4、單端單端輸入輸入雙端雙端輸入輸入單端單端輸入示例輸入示例：短接短接KA的的12、34短接短接KB的的23、56提供提供32路輸入路輸入 CH0CH31 123465 KB74LS2732956121615191813 14717438D0D7D6D5D4D3D2D111Q0Q7D7D0WC+A/ /D 12KA4VI -3AVI +S0SmCD4051S7ENACBU1CH0CH7S0SmCD4051S7ENACBU2CH8CH15S0SmCD4051S7ENACBU3CH16CH23S0SmCD4051S7ENACBU4CH24CH31- - 4、雙端雙端輸入示例輸入示例：短

18、接短接KA的的23，短接短接KB的的12、45，提供提供16路輸入路輸入 CH0 CH15 為信號為信號正正端端 CH16CH31 為信號為信號負負端端 123465 KB74LS2732956121615191813 14717438D0D7D6D5D4D3D2D111Q0Q7D7D0WC+A/ /D 12KA4VI -3AVI +S0SmCD4051S7ENACBU1CH0CH7S0SmCD4051S7ENACBU2CH8CH15S0SmCD4051S7ENACBU3CH16CH23S0SmCD4051S7ENACBU4CH24CH31- - 雙端輸入的雙端輸入的共模抑制比共模抑制比高高4

19、、5、構成構成： 輸入放大器輸入放大器A1 邏輯控制開關邏輯控制開關S 保持電容器保持電容器CH(外接外接) 輸出放大器輸出放大器A2采樣保持器原理框圖采樣保持器原理框圖A2+S邏輯控制邏輯控制CHVO VI A1+原理原理：采樣采樣期間：期間： 開關開關S閉合閉合 A1給給CH充電充電 VO 跟隨跟隨VI 不不起動起動A/D5、保持保持期間：期間： 開關開關S斷開斷開 CH電壓保持，電壓保持， 起動起動A/D采樣保持器原理框圖采樣保持器原理框圖A2+S邏輯控制邏輯控制CHVO VI A1+（a） AD582VOUTCHA1VI N 1保持保持采樣采樣0+ LOGIC LOGICS 10K+V

20、S +15V10CH986 1+IN INOUT 121134+ 15V5 VS調零調零A2（b） LF198保持保持采樣采樣VOUTCHA1VI N 10+ LOGIC LOGICS 1K+VSCH5 3+IN 872+ 6 412V VS調零調零A2 +12V1 +示例示例1：AD582：采樣電平為采樣電平為“0”保持電平為保持電平為“1”示例示例2：LF198：采樣電平為采樣電平為“1”保持電平為保持電平為“0”5、6、 常用常用A/D轉換方式：轉換方式： 逐次逼近式：逐次逼近式：轉換時間短，抗擾性差（電壓比較）轉換時間短，抗擾性差（電壓比較） ADC0809（8位），位），AD574（

21、12位）位） 雙斜率積分式：雙斜率積分式：轉換時間長，抗擾性好（積分）轉換時間長，抗擾性好（積分） MC14433（11位），位），ICL7135（14位）位）6、 常用常用A/D轉換方式：轉換方式： 逐次逼近式：逐次逼近式：6、 常用常用A/D轉換方式：轉換方式：雙斜率積分式：雙斜率積分式：T1T2BAtT性能性能指標指標：分辨率分辨率 8，10，12，14，16位位轉換時間轉換時間 sms轉換精度轉換精度線性度線性度轉換輸入轉換輸入 05V，010V，-5V+5V，轉換輸出轉換輸出 多為多為TTL電平電平(0，1，高阻，高阻)6、 引腳引腳信號：信號： 模擬量模擬量輸入輸入信號信號 數(shù)字量

22、數(shù)字量輸出輸出信號信號 啟動啟動轉換信號轉換信號 轉換轉換結束結束信號信號 工作電源工作電源 基準電源基準電源從從應用應用角度了解角度了解A/D外特性外特性及及引腳引腳信號信號6、 ADC0809原理框圖及引腳原理框圖及引腳+開關樹開關樹SAR256RT型電阻網絡型電阻網絡DAC1216VREF +VREF -8 路路輸入輸入模擬模擬開關開關26272812453VI0 VI1 VI2 VI3 VI4 VI5 VI6 VI7 地址地址鎖存鎖存與與譯碼譯碼1113VCC GND25242322ABCALE控制與時序控制與時序A/ /D比較器比較器610CLOCKSTART三態(tài)三態(tài)輸出輸出鎖存鎖存

23、緩沖緩沖器器DO2DO1DO3DO01714158182021199DO4DO5DO6DO7(MSB)(LSB)EOC7OE ADC0809芯片：芯片： 基本基本特性：特性： 分辨率為分辨率為8位位 逐次逼近式逐次逼近式 轉換時間為轉換時間為100s 28腳雙立直插式封裝腳雙立直插式封裝 特殊特殊性能：性能： 8路路輸入模擬開關輸入模擬開關 開關選擇電路開關選擇電路6、 ADC0809引腳功能：引腳功能：VIN0 VIN7(Analog Inputs)： 8路路05VDC模擬量模擬量輸入輸入端端A、B、C(3-Bit Address)： 3位地址線輸入端位地址線輸入端 地址譯碼地址譯碼0001

24、11對應輸入端對應輸入端VIN0VIN7ALE(Address Latch Enable)： 允許允許A、B、C地址鎖存地址鎖存信號，信號，100200ns ALE為輸入端、高電平有效為輸入端、高電平有效CLOCK： 時鐘脈沖輸入端，標準頻率時鐘脈沖輸入端，標準頻率640kHz6、 START： 起動起動信號信號(輸入，高電平有效輸入，高電平有效)，100200ns， 上升沿上升沿進行內部清零，進行內部清零， 下降沿下降沿開始開始A/D轉換。轉換。EOC(End of Conversion)： 轉換結束信號轉換結束信號(輸出，高電平有效輸出，高電平有效)， 轉換轉換期間為期間為低低電平，電平，

25、 轉換轉換結束結束為為高高電平，電平， 轉換周期為轉換周期為88個時鐘周期個時鐘周期， EOC與與START短接，實現(xiàn)自動連續(xù)轉換短接，實現(xiàn)自動連續(xù)轉換。 ADC0809引腳功能：引腳功能：6、 DO0DO7 (Data Output)： 8位轉換數(shù)據位轉換數(shù)據輸出輸出端，端， 三態(tài)輸出鎖存三態(tài)輸出鎖存(0，1，高阻，高阻)， 轉換期間轉換期間DO0DO7呈高阻狀態(tài)，呈高阻狀態(tài)， DO0為最為最低低位，位， DO7為最為最高高位。位。 ADC0809引腳功能：引腳功能：6、 OE(Output Enable)： 允許輸出信號允許輸出信號(輸入端，高電平有效輸入端，高電平有效)。 轉換期間轉換期

26、間DO0DO7呈高阻狀態(tài)，呈高阻狀態(tài)， 轉換完畢，轉換完畢， 如果如果OE為為高高電平，電平， 則輸則輸出出DO0DO7狀態(tài)。狀態(tài)。 ADC0809引腳功能：引腳功能：6、 VREF + ： 基準基準電壓源電壓源正正端，標準端，標準+5VDC。VREF - ： 基準基準電壓源電壓源負負端，標準端，標準-5VDC。VCC： 工作工作電壓源端，電壓源端，+5VDC。GND： 電源電源地地端。端。 ADC0809引腳功能：引腳功能：6、 ADC0809工作工作時序圖：時序圖：6、 接口接口功能功能： 起動起動A/D轉換轉換 讀取讀取A/D轉換結果轉換結果DO0 DOn-17、 A/D接口接口A/DC

27、PUVIN DOiDiACIAD：數(shù)據線：數(shù)據線 A：地址線：地址線C：控制線：控制線DOi ：轉換輸出轉換輸出IA： 接口地址接口地址讀取讀取A/D轉換數(shù)據的方法：轉換數(shù)據的方法： 查詢法查詢法 定時法定時法 中斷法中斷法7、 查詢法查詢法讀讀A/D轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口原理原理： IN指令讀指令讀EOCD7 判斷判斷D7 的狀態(tài)的狀態(tài) EOC=0 ，轉換轉換期間期間 EOC=1 ，轉換，轉換結束結束接口地址線：接口地址線： A0 A1 A2 A B C A3 A7 譯碼譯碼PA， PB，PC 查詢法查詢法讀讀A/D轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口28161213V10GNDVCCCLOCK252

28、423AB10VREF -VREF +117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9RD D7ALE622START接口電路接口電路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWR CPU8088500KHZ接接口口地地址址譯譯碼碼A0A1A2A6A3A4A5A7 ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415 8181920217、 PA ALE，STARTPB OE PC 讀讀EOC控制控制接口接口程序程序： 1)準備工作準備工作 2)OUT指令產生指令產生PA ALE，START 3)IN指令產

29、生指令產生PC 讀讀EOC D7 4)判斷判斷D7 的狀態(tài)：的狀態(tài)： EOC=0 ，轉換轉換期間，轉期間，轉3) EOC=1 ，轉換，轉換結束結束，轉，轉5) 5)IN指令產生指令產生PB OE，讀讀DO0DO7 6)數(shù)據處理數(shù)據處理 查詢法查詢法讀讀A/D轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口7、 28161213V10GNDVCCCLOCK252423AB10VREF -VREF +117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9RD D7ALE622START接口電路接口電路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWR CPU8088500KHZ接接口口地地址址譯譯碼碼

30、A0A1A2A6A3A4A5A7 ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415 818192021 定時法定時法讀讀AD轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口 A/D轉換時間轉換時間TC 取決于時鐘取決于時鐘(CLOCK)頻率，頻率， 如上圖中如上圖中ADC0809的的時鐘時鐘(CLOCK)頻率為頻率為500kHz，轉換周期為轉換周期為88個時鐘周期，個時鐘周期， 相當于相當于128s7、 28161213V10GNDVCCCLOCK252423AB10VREF -VREF +117EOC543212726V17+5V+5VCPBPAOE9R

31、D D7ALE622START接口電路接口電路AD1AD2AD7AD3AD0AD4AD5AD6WRRDWR CPU8088500KHZ接接口口地地址址譯譯碼碼A0A1A2A6A3A4A5A7 ADC0809PCDO0DO1DO2DO6DO3DO4DO5DO7D0D1D2D6D3D4D5D7171415 818192021定時法定時法： OUT指令（指令（PA有效）有效）起動起動A/D轉換后，轉換后，再用程序至少再用程序至少延時延時TC ， 就可用就可用IN指令（指令（PA有效）有效）讀讀A/D轉換數(shù)轉換數(shù)DO0DOn-1優(yōu)點優(yōu)點： 接口電路比查詢法簡單，接口電路比查詢法簡單， 不必查詢轉換結束

32、信號狀態(tài)。不必查詢轉換結束信號狀態(tài)。 定時法定時法讀讀AD轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口7、 中斷法中斷法讀讀AD轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口查詢法和定時法查詢法和定時法在轉換期間在轉換期間獨占獨占CPU，致使，致使CPU運行效率降低運行效率降低。中斷法中斷法原理原理： CPU執(zhí)行執(zhí)行OUT指令指令起動起動A/D轉換后，轉換后， 轉向執(zhí)行別的程序。轉向執(zhí)行別的程序。 一旦一旦A/D轉換轉換完畢完畢， 接口電路向接口電路向CPU申請申請中斷中斷； CPU響應響應中斷后，中斷后， 用中斷服務程序用中斷服務程序讀讀A/D轉換數(shù)。轉換數(shù)。7、 中斷法中斷法分析分析： 接口電路比較復雜接口電路比較復雜 如果中斷服

33、務程序的如果中斷服務程序的保存斷點保存斷點和和恢復斷點恢復斷點的時間的時間 與與A/D轉換時間相當，甚至超過轉換時間相當，甚至超過A/D轉換時間，轉換時間， 那就得不償失；那就得不償失； 逐位逼近式逐位逼近式A/D轉換時間較短，轉換時間較短，不用不用中斷法；中斷法； 雙積分式雙積分式A/D轉換時間較長，轉換時間較長，可用可用中斷法。中斷法。 中斷法中斷法讀讀AD轉換數(shù)的接口轉換數(shù)的接口7、 措施：措施：光電耦合器光電耦合器光電隔離放大器光電隔離放大器位置：位置：A/D轉換器之轉換器之前前 A/D轉換器之轉換器之后后 A/D通道通道的的隔離隔離框圖框圖 S/HA/D光電隔離放大器光電隔離放大器V

34、I0VI1VI15多路模擬開關多路模擬開關DO0DO11光光 電電耦合器耦合器ENABC寄存器寄存器D0D1D2D38、 A/D之之前前： 隔離來自隔離來自CPU的數(shù)據線的數(shù)據線(D)、 地址線地址線(A)、 控制線控制線(C)， 光電隔離光電隔離放大器放大器 。 A/D之之后后： 隔離來自隔離來自CPU的數(shù)據線的數(shù)據線(D)、 地址線地址線(A)、 控制線控制線(C)， 隔離隔離A/D轉換轉換結果結果(DO0DO11)。 S/HA/D光電隔離放大器光電隔離放大器VI0VI1VI15多路模擬開關多路模擬開關DO0DO11光光 電電耦合器耦合器ENABC寄存器寄存器D0D1D2D38、 步驟：步

35、驟： 確定使用對象和性能指標，確定使用對象和性能指標， 選用選用A/D轉換器和轉換器和接口接口電路，電路， 以及轉換通道的構成。以及轉換通道的構成。 A/D位數(shù)：位數(shù)：工業(yè)控制用工業(yè)控制用 812位位實驗測量用實驗測量用1416位位9、 1)確定確定A/D位數(shù)位數(shù)的方法：的方法： 輸入信號的輸入信號的動態(tài)范圍動態(tài)范圍輸入信號的輸入信號的分辨率分辨率 輸入信號的最大值輸入信號的最大值Xmax 、最小值、最小值Xmin9、例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為例如，某溫度控制系統(tǒng)的溫度范圍為0至至200，設計要求分辨率為設計要求分辨率為0.005（相當于（相當于1），），則可求出則可求出A/D轉換器的位

36、數(shù)轉換器的位數(shù)因此，取因此，取A/D轉換器的位數(shù)轉換器的位數(shù)n為為8位。位。9、 1)確定確定A/D位數(shù)位數(shù)的方法：的方法： 2)A/D轉換時間轉換時間或或轉換速率轉換速率的選擇的選擇 取決于使用對象：取決于使用對象： 工業(yè)控制用工業(yè)控制用中中速或速或高高速，速， 實驗室測量一般用實驗室測量一般用低低速，速， 3)采樣保持器采樣保持器的選用的選用 取決于測量信號的變化頻率：取決于測量信號的變化頻率： 直流信號或變化緩慢的信號直流信號或變化緩慢的信號 可以可以不不用采樣保持器用采樣保持器。9、 4) 前置放大器前置放大器 固定固定增益：適用于信號范圍增益：適用于信號范圍固定固定的傳感器的傳感器

37、可變可變增益：適用于信號范圍增益：適用于信號范圍不不固定的傳感器固定的傳感器 5) 通用性通用性： A/D轉換通道的通用性，主要體現(xiàn)在轉換通道的通用性，主要體現(xiàn)在 符合總線標準、符合總線標準、 選接口地址、選接口地址、 選單端輸入或雙端輸入、選單端輸入或雙端輸入、 選前置放大器增益。選前置放大器增益。 9、1、任務：、任務： 把把CPU輸出的輸出的數(shù)字量數(shù)字量信號信號轉換轉換成模擬成模擬電壓電壓或或電流電流信信 號。號。模擬模擬量信號：量信號： 420mA ， 010mA， 15V， 05V， 等等等等數(shù)字數(shù)字量信號：量信號： FFH(8位位0/1)， FFFH (12位位0/1)， FFFF

38、H (16位位0/1)2、組成：、組成： （依據輸出保持器的構成方式分為兩種基本結構）（依據輸出保持器的構成方式分為兩種基本結構） 數(shù)字量保持方案數(shù)字量保持方案一個通路設置一個一個通路設置一個D/AD/A轉換器轉換器CPU1OUT2OUTnOUT2、組成：、組成：CPU 模擬量保持方案模擬量保持方案多個通路共用一個多個通路共用一個D/A轉換器轉換器 D/A轉換器的轉換器的VOUT與輸入與輸入D0Dn-1的關系式的關系式性能性能指標指標： 分辨率分辨率 8，10，12，14，16位位 穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間 約約幾幾s 轉換精度轉換精度 線性度線性度 3、 D/A轉換器的轉換器的引腳引腳信號：信號：

39、數(shù)字量數(shù)字量輸入輸入端端 模擬量模擬量輸出輸出端端 控制控制信號端信號端 電源端電源端 從從應用應用角度了解角度了解D/A外特性外特性及及引腳引腳信號信號 D/A采用采用并行并行數(shù)據輸入寄存器數(shù)據輸入寄存器3、 DAC0832 基本基本特性特性： 分辨率為分辨率為8位，位， 轉換時間為轉換時間為1s 20腳雙立直插式封裝腳雙立直插式封裝 DAC0832原理框圖及引腳原理框圖及引腳VREF812119Rfb31020IO2IO1AGNDDGNDVCC121718WR2XFERWR1CSILEDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7(MSB)(LSB)131415164567198位位輸入

40、輸入寄存器寄存器DDQQRfbLE 8位位DAC寄存器寄存器DDQQLE 8位位D/ /A轉換器轉換器3、 DAC0832組成組成： 8位位輸入輸入寄存器寄存器 8位位DAC寄存器寄存器 8位位D/A轉換器轉換器 輸入輸入控制控制電路電路 運算放大器的運算放大器的 反饋電阻反饋電阻Rfb DAC0832原理框圖及引腳原理框圖及引腳VREF812119Rfb31020IO2IO1AGNDDGNDVCC121718WR2XFERWR1CSILEDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7(MSB)(LSB)131415164567198位位輸入輸入寄存器寄存器DDQQRfbLE 8位位DAC寄

41、存器寄存器DDQQLE 8位位D/ /A轉換器轉換器3、 DAC0832引腳引腳：DI0DI7 (Digital Inputs) ：數(shù)據輸入線，數(shù)據輸入線，DI0為最為最低低位，位，DI7為最為最高高位位ILE (Input Latch Enable )：允許輸入鎖存信號，：允許輸入鎖存信號， 輸入線，輸入線，高高電平有效。電平有效。CS( Chip Select) ：片選片選信號輸入線，信號輸入線，低低電平有效。電平有效。WR1 (Write1) ：寫寫信號輸入線信號輸入線1，低低電平有效。電平有效。3、 WR2 (Write2) ：寫信號輸入線寫信號輸入線2，低低電平有效。電平有效。XFE

42、R(Transfer Control Signal)：傳送控制信號，傳送控制信號，輸入線，輸入線，低低電平有效。電平有效。3、 DAC0832引腳引腳：當當CS、WR1、ILE同時有效時同時有效時, 輸入寄存器輸入寄存器直通直通。 DAC0832引腳引腳：3、 當當WR2和和XFER同時有效時，同時有效時， DAC寄存器寄存器直通直通。LE1=ILE&(CS+WR1)=ILE&CS&WR1LE2=WR2+XFER=WR2&XFER DAC0832引腳引腳：3、 當當CS、WR1、ILE、 WR2 、 XFER同時有效。同時有效。直通直通工作方式工作方式單緩沖單緩

43、沖工作方式工作方式 雙緩沖雙緩沖工作方式工作方式 3、 DAC0832引腳引腳：IO1 （ Iout1 ） ：DAC電流輸出端電流輸出端1IO2 （ Iout2 ） ：DAC電流輸出端電流輸出端2IO1 +IO2 =常量常量Rfb (Resistance of Feedback) ： 運算放大器的反饋電阻端運算放大器的反饋電阻端VCC：工作電壓源端，：工作電壓源端，+5VDC到到+15VDCDGND (Digital Ground) ： 數(shù)數(shù)字電路地線字電路地線AGND (Analog Ground )： 模模擬電路地線擬電路地線3、 DAC0832引腳引腳：功能功能： 將將CPU送出數(shù)字量送

44、到送出數(shù)字量送到D/A轉換器數(shù)據輸入線上，轉換器數(shù)據輸入線上， 接口地址接口地址譯碼譯碼，并產生，并產生片選片選信號或信號或寫寫信號，信號， 如果如果D/A芯片內部芯片內部無無輸入寄存器，則要輸入寄存器，則要外外加寄存器。加寄存器。 輸出驅動輸出驅動(電流或電壓電流或電壓) C：控制線：控制線Di ：轉換數(shù)字轉換數(shù)字 Ai： 地址地址D/A接口接口CPUD/ADiDiCAiIO AVO 4、 組成：組成： 輸入數(shù)據驅動輸入數(shù)據驅動 接口地址譯碼接口地址譯碼 D/A轉換器轉換器 輸出驅動輸出驅動(電流或電壓電流或電壓)通用性：通用性： 符合總線標準符合總線標準 選接口地址選接口地址 選輸出方式選

45、輸出方式(電流或電壓電流或電壓)隔離隔離 4、 單緩沖工作方式單緩沖工作方式IORQCSWR1XFERDAC0832181712WC09IO2IO1RfbDI0DI7U316141272146811131517191853974LS244D7D0數(shù)據線數(shù)據線VREF8 D1D2D3D4D5D6DI3DI4- -A11VOUT12+ +VCC20 WR2XFERWR1CS74LS138 U2G1654WR15141312111097接口地接口地址譯碼址譯碼地址線地址線AB C1 23A0A1A2A3Y7Y0GAWC7GB74LS138 U1G165415AB C1 23A4A5A6A7Y0GAG

46、B7DI1DI2DI5DI6Y7+5VILE19接口地址接口地址譯碼譯碼：地址線地址線A0A7寫信號寫信號WR輸入輸出請求信號輸入輸出請求信號IORQ 4、 經兩級經兩級3-8線譯碼器線譯碼器U1和和U2(74LS138)產生產生接口地址接口地址 信號信號WC0WC7 ，作為，作為8片片DAC0832的的寫寫信號信號WR1和和片選片選信號信號CS。數(shù)據線數(shù)據線D0D7 ： 首先經首先經數(shù)據驅動器數(shù)據驅動器 U3(74LS244)， 然后到各然后到各DAC0832的的 數(shù)據輸入端數(shù)據輸入端 DI0DI7 CPU執(zhí)行執(zhí)行輸出指令輸出指令OUT， 將被轉換的將被轉換的8位數(shù)通過位數(shù)通過D0D7經經U

47、3傳送給傳送給 DAC0832的數(shù)據輸入端的數(shù)據輸入端DI0DI7 4、 IORQCSWR1XFERDAC0832181712WC09IO2IO1RfbDI0DI7U316141272146811131517191853974LS244D7D0數(shù)據線數(shù)據線VREF8 D1D2D3D4D5D6DI3DI4- -A11VOUT12+ +VCC20 WR2XFERWR1CS74LS138 U2G1654WR15141312111097接口地接口地址譯碼址譯碼地址線地址線AB C1 23A0A1A2A3Y7Y0GAWC7GB74LS138 U1G165415AB C1 23A4A5A6A7Y0GAGB

48、7DI1DI2DI5DI6Y7+5VILE19輸出方式：輸出方式： 電流電流輸出：輸出： 010mADC 或或 420mADC 電壓電壓輸出：輸出： 單極性單極性 或或 雙極性雙極性D/A轉換轉換電流電流輸出輸出 DAC08329IO2IO11112RfbD0D78- -10V +15VVREFV1W1調零點調零點V2RLW2R5調量程調量程 - -15VR8KA 3AGNDR1220kR41k24kR3R2100k30k +15V300 T2T1 IO010mA 或或4mA20mA 10kR647k 123R7100 50 C1- - A1 - -15V+C2- - A2 - -15V+15

49、V4、 輸出方式：輸出方式： 電流電流輸出：輸出： 010mADC 或或 420mADC 電壓電壓輸出：輸出： 單極性單極性 或或 雙極性雙極性4、 -+OAVoutRfIout1Iout2.VREFDAC0832.I I1 1I I3 3I I2 2OAOA1 1OAOA2 2+ + +_ _ _2 2R R2 2R RR RVoutVout1 1VoutVoutA AV VREFREFDAC0832V VREFREFR Rf fIoutIout1 1IoutIout2 2.2REFoutfboutfbnVVR IRD= -= -11(2)(1)2outREFoutREFnDVVVV-= -

50、+=- D/A轉換輸出電流轉換輸出電流+VCR2W2調量程調量程光電耦合器光電耦合器 +VLRLIL - -5VV2R1DAC08329IO2IO11112RfbD0D78 +15VVREFV13AGNDC1- - A1 - -15V+調零點調零點- -15VW1 5kC2- - A2+15V 輸出驅動輸出驅動類型：類型： 模擬信號模擬信號隔離方法隔離方法 采用線性光電耦合器采用線性光電耦合器 隔離隔離DAC后的放大器輸出后的放大器輸出(上圖上圖) 數(shù)字信號數(shù)字信號隔離方法隔離方法 采用開關光電耦合器采用開關光電耦合器 隔離隔離DAC前的數(shù)字信號前的數(shù)字信號4、 步驟步驟： 首先要確定使用對象

51、和性能指標，首先要確定使用對象和性能指標， 然后選用然后選用D/A、接口電路和輸出電路。、接口電路和輸出電路。 D/A位數(shù)位數(shù)： 工業(yè)控制用工業(yè)控制用 812位位 實驗測量用實驗測量用1416位位5、 D/A轉換器轉換器位數(shù)位數(shù)的選擇的選擇根據輸出信號的精度或靈敏度根據輸出信號的精度或靈敏度Umax -執(zhí)行機構的最大輸入值執(zhí)行機構的最大輸入值Umin -執(zhí)行機構的靈敏度執(zhí)行機構的靈敏度5、 通用通用性：性： 符合符合總線總線標準標準 采用計算機內部總線，例如采用計算機內部總線，例如PCI總線總線 選接口選接口地址地址 基址基址和和片址片址組成，一般可選組成，一般可選基址基址 選選輸出輸出方式方

52、式 電流或電壓輸出，選其中之一電流或電壓輸出，選其中之一5、 接口接口地址地址譯碼譯碼電路電路 +5V74LS688161412721468111315171918539A7A6S3A5A4A3 S5S6S7P7IORQ +5VP0Q0Q7P=Q10k 8基基址址片址片址A1 74LS13810123651549711A0141312A+5VWRA2BCG1G S4Y0Y7GAGBWC7WC0WC1WC2WC3WC4WC5WC6每片每片DAC都有對應的接口地址都有對應的接口地址接口地址由接口地址由基址基址和和片址片址組成：組成： 基址：基址：A3A7 ，用，用8位量值比較器位量值比較器74LS

53、688 用開關用開關S3S7來選擇來選擇(等電位比較等電位比較) 片址：片址：A0A2 ，用，用3-8線譯碼器線譯碼器74LS138輸出接口地址信號輸出接口地址信號WC0 WC75、 把從控制對象檢測得到的數(shù)字編碼、開關量、脈沖量或把從控制對象檢測得到的數(shù)字編碼、開關量、脈沖量或中斷請求信號等數(shù)字信號經過輸入緩沖器，在接口的控制中斷請求信號等數(shù)字信號經過輸入緩沖器，在接口的控制下送給下送給CPU。2、組成：、組成：CPU工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)現(xiàn)場外部裝置或生產過程的狀態(tài)信號可能是電壓、電流或外部裝置或生產過程的狀態(tài)信號可能是電壓、電流或開關的觸點，因此可能引起瞬時高壓、過電壓及接觸抖動開關的觸點，因此可

54、能引起瞬時高壓、過電壓及接觸抖動等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。 電平轉換電平轉換 濾波濾波 保護保護 防觸點抖動防觸點抖動 隔離隔離 電平轉換及濾波電平轉換及濾波電平轉換及濾波電平轉換及濾波繼電器隔離及電平轉換、濾波繼電器隔離及電平轉換、濾波 保護保護直流輸入電路直流輸入電路交流輸入電路交流輸入電路-+S2D到到輸輸入入緩緩沖沖器器CCV+2R1R1C1D3R光光耦耦S2D到到輸輸入入緩緩沖沖器器CCV+2R1R1C1D3R光光耦耦圖圖 4 4 - - 4 4 開開關關量量輸輸入入信信號號調調理理電電路路C2R3( a ) 直流輸入電路( b ) 交流輸入電路-+S2D到到輸輸入入緩緩沖沖器器CCV+2R1

55、R1C1D3R光光耦耦S2D到到輸輸入入緩緩沖沖器器CCV+2R1R1C1D3R光光耦耦圖圖 4 4 - - 4 4 開開關關量量輸輸入入信信號號調調理理電電路路C2R3( a ) 直流輸入電路( b ) 交流輸入電路 過電壓保護過電壓保護 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 限流電阻限流電阻 反電壓保護反電壓保護 串聯(lián)二極管串聯(lián)二極管 防觸點抖動防觸點抖動積分消抖電路原理圖積分消抖電路原理圖R-S觸發(fā)器消除開關二次反跳電路原理圖觸發(fā)器消除開關二次反跳電路原理圖 積分電路消除開關抖動積分電路消除開關抖動 R-S觸發(fā)器觸發(fā)器 消除開關二次反跳消除開關二次反跳 光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、光電耦合隔離器

56、按其輸出級不同可分為三極管型、 單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種。單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種。 采用三態(tài)門緩沖器采用三態(tài)門緩沖器( (如如74LS244) )隔離輸入和輸出線隔離輸入和輸出線 路，在二者之間起緩沖作用。路，在二者之間起緩沖作用。 - -三態(tài)輸出三態(tài)輸出8 8位緩沖器位緩沖器/ /驅動器驅動器開關輸入信號開關輸入信號S0S7接到接到 緩沖器緩沖器74LS244輸入端，輸入端，74LS244124681113151719161412187539數(shù)據線數(shù)據線D7D0D1D2D3D4D5D6S7S0S1S2S3S4S5S6。接口接口地址地址譯碼譯碼A0A7IOW開關開關地址線地址

57、線片選信號片選信號CS緩沖器緩沖器接口地址譯碼：接口地址譯碼：CPU執(zhí)行執(zhí)行IN指令時，指令時，接口地址譯碼電路產生接口地址譯碼電路產生片選信號片選信號CS，將將S0S7狀態(tài)信號送到數(shù)據線狀態(tài)信號送到數(shù)據線D0D7上，上， 再送到再送到CPU中。中。圖 4-5 脈沖計數(shù)輸入電路+12VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系統(tǒng)時鐘TSTWCRCEOL+5V計數(shù)通道1PC總線RCR光耦Dz1、組成：、組成：CPU工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)現(xiàn)場2、保持輸出控制狀態(tài)，直到新的輸出控制狀態(tài)產生。保持輸出控制狀態(tài)，直到新的輸出控制狀態(tài)產生。74LS373

58、 當當CPU執(zhí)行執(zhí)行OUT指令時，指令時， 接口地址譯碼電路產生接口地址譯碼電路產生寫寫數(shù)據信號數(shù)據信號WD， 將將D0D7狀態(tài)信號送到鎖存器的輸出端狀態(tài)信號送到鎖存器的輸出端Q0Q7上，上， 再經輸出驅動電路送到開關器件。再經輸出驅動電路送到開關器件。IOW74LS27334781314171811569215161912數(shù)據線數(shù)據線Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6接口接口地址地址譯碼譯碼A0A7地址線地址線WDD7D0D1D2D3D4D5D6輸出端輸出端G鎖存器鎖存器OE3、4、小功率直流驅動電路小功率直流驅動電路 低壓小功率開關量輸出低壓小功率開關量輸出 可用晶體管、可用晶體管、OC門、

59、運放等方式輸出門、運放等方式輸出4、繼電器輸出驅動電路繼電器輸出驅動電路 開關量開關量 輸出功率放大輸出功率放大 控制控制 大功率接觸器通斷大功率接觸器通斷 直流低壓直流低壓 轉換為交流高壓轉換為交流高壓4、大功率交流驅動電路大功率交流驅動電路 可用固態(tài)繼電器可用固態(tài)繼電器 Solid State Relay實現(xiàn)實現(xiàn)功能功能：顯示生產過程的狀況顯示生產過程的狀況供操作人員操作供操作人員操作顯示操作控制結果顯示操作控制結果組成組成：CRT或或LCD， 鍵盤，打印機鍵盤，打印機回路操作顯示設備回路操作顯示設備 (手動操作器手動操作器)操作顯示面板操作顯示面板操作顯示臺操作顯示臺 通用通用： CRT

60、或或LCD 標準鍵盤標準鍵盤專用專用： 回路操作顯示設備回路操作顯示設備 操作顯示面板操作顯示面板 操作顯示臺操作顯示臺 含義含義：常規(guī)控制以常規(guī)控制以PID控制控制回路回路為單位，為單位，每個每個PID控制塊控制塊對應一個回路操作顯示器對應一個回路操作顯示器實現(xiàn)：實現(xiàn)：軟件軟件實現(xiàn)為實現(xiàn)為 CRT或或LCD畫面上的回路操作顯示畫面上的回路操作顯示窗口窗口硬件硬件實現(xiàn)為實現(xiàn)為回路操作顯示回路操作顯示設備設備回路操作顯示回路操作顯示窗口窗口： 每個每個PID控制控制塊塊 對應一個對應一個PID 回路操作顯示回路操作顯示窗口窗口PID回路操作顯示窗口回路操作顯示窗口回路操作顯示回路操作顯示設備設備： 每個每個PID控制控制塊塊