第7章--控制系統(tǒng)接口技術(shù)——輸入輸出通道ppt課件(全)

1、7.1 模擬量輸入接口技術(shù)7.2 模擬量輸出接口技術(shù) 7.3 開(kāi)關(guān)量輸入接口技術(shù)7.4 開(kāi)關(guān)量輸出接口技術(shù)7.5 人-機(jī)接口7.6 執(zhí)行器第7章 控制系統(tǒng)接口技術(shù)輸入輸出通道7.1 模擬量輸入接口技術(shù) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常常需要檢測(cè)各種物理信號(hào)，如壓力、溫度、流量等，這些被測(cè)非電信號(hào)需經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電壓電流信號(hào)，才能被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識(shí)別與處理。模擬量輸入通道的任務(wù)是把從控制中檢測(cè)到的模擬信號(hào)，變成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口送往計(jì)算機(jī)。 7.1.1 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu) 圖7.1 模擬輸入通道 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)如圖7.1所示。過(guò)程參數(shù)由傳感器元件測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電流（或者電壓）形式后，再送至多

2、路開(kāi)關(guān)；在計(jì)算機(jī)的控制下，由多路開(kāi)關(guān)將各個(gè)過(guò)程參數(shù)切換到后級(jí)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)參數(shù)循環(huán)檢測(cè)。模擬量輸入通道一般由信號(hào)調(diào)理、多路開(kāi)關(guān)、前置放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成，其核心是A/D轉(zhuǎn)換器。7.1.2 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理電路的作用是抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的各種干擾，保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。傳感器輸出信號(hào)多為直流電流信號(hào)，這就需要經(jīng)過(guò)電流-電壓變換處理，獲得適于A/D轉(zhuǎn)換器使用的電壓信號(hào)。 無(wú)源電流-電壓變換電路是利用無(wú)源精密電阻器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證電路可靠運(yùn)行，在電路中增加了二極管穩(wěn)壓及RC濾波保護(hù)電路，如圖7.2所示。該電路可以將010mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為05V的電壓信號(hào)。

3、圖7.2 無(wú)源電流-電壓變換原理圖 有源電流-電壓變換電路是利用有源器件運(yùn)算放大器和電阻電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7.3所示。利用同相放大電路，把電阻R上產(chǎn)生的輸入電壓變換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。該同相電路的放大倍數(shù)為： 圖7.3 有源電流-電壓變換原理圖 7.1.2 信號(hào)調(diào)理（續(xù)） 7.1.3 多路開(kāi)關(guān) 由于計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，供多個(gè)檢測(cè)回路使用。為了實(shí)現(xiàn)多路采樣，要用到多路開(kāi)關(guān)。多路開(kāi)關(guān)的作用是用來(lái)將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地切換到公共放大器或A/D轉(zhuǎn)換上，其特點(diǎn)是開(kāi)路阻抗為無(wú)窮大，導(dǎo)通阻抗為零；切換速度快、噪聲小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。 常用的多路開(kāi)關(guān)分為8通道，16通道和32通道等多種。

4、常用的多路開(kāi)關(guān)芯片有CD4051、AD7501和LF13508等。CD4051是8路模擬開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)原理如圖7.-4所示，由電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制一譯碼馬驅(qū)動(dòng)和開(kāi)q22w關(guān)電路三部分組成。 圖7.4 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖 7.1.4 前置放大器 前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。生產(chǎn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)帶有較大的共模干擾，單個(gè)運(yùn)放的差動(dòng)輸入很難得到很好的干擾抑制作用。實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，往往采用圖7.5所示的儀表放大電路。該測(cè)量放大電路由三個(gè)運(yùn)算放大器組成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有很高的阻抗和抑制共模干擾能力。常用的集成電路芯片有AD521/AD522和INA102等。圖7.5 儀表放

5、大電路圖 當(dāng)多路輸入的電平相差較懸殊時(shí)，用放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超出A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。因此，可以設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃?，?duì)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大電路的增益不相同。具有這種性能的放大器稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蛘呖删幊谭糯笃?，如圖7.6所示。常用的集成電路芯片有AD612/AD614等。7.1.4 前置放大器（續(xù)）7.6 可變?cè)鲆娣糯箅娐?.1.5 采樣保持器 由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化頻率比較高，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證A/D轉(zhuǎn)換的精度，需要用采樣保持器。分別稱為零階保持器、一階保持器和高階保持器。

6、圖7.7 零階保持器電路組成7.1.6 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部件，把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成正比的數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法比較多，常用的有計(jì)數(shù)比較法、雙斜率積分法和逐次逼近法。逐次逼近法式在16位以下的A/D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用。1. ADC0809芯片及接口電路ADC0809為8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍為5V，內(nèi)部帶8路模擬開(kāi)關(guān)，輸入8路模擬信號(hào)，采用28腳直插封裝，其引腳如圖7.8所示。ADC0809由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼電路、8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)鎖存輸出4部分組成。 圖7.8 ADC0809的原理框圖及引腳 ADC0809與PC的

7、接口電路如圖7.9所示。ADC0809的ALE與START引腳相連接，將PC0PC2輸出的3位地址鎖存入0809的地址鎖存器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換； ADC0809的EOC同OE輸出控制端相連接，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，開(kāi)放數(shù)據(jù)輸出緩沖器；EOC信號(hào)還連接到8255A的C口，CPU通過(guò)查詢PC7的狀態(tài)而控制數(shù)據(jù)的輸入過(guò)程。圖7.9 ADC0809與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口電路1. ADC0809芯片及接口電路(續(xù)）2. AD574A芯片及接口電路 AD574A是12位逐次逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有時(shí)鐘脈沖源和基準(zhǔn)源，轉(zhuǎn)換時(shí)間25微秒 ，適合于在高精度快速采樣系統(tǒng)中使用。如圖7.10所示，AD574A采用28

8、腳雙列直插封裝，內(nèi)部主要由12位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、三臺(tái)輸出鎖存緩沖器與10V基準(zhǔn)電壓源構(gòu)成，可直接與PC機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，只能輸入一路模擬量。圖7.10 AD574A的原理框圖及引腳圖7.11 AD574A與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口 2. AD574A芯片及接口電路（續(xù)）7.2 模擬量輸出接口技術(shù) 模擬量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號(hào)，并輸出給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所要求的控制目的。模擬量輸出通道一般由接口電路，D/A轉(zhuǎn)換器和V/I變換器等構(gòu)成，其核心是D/A轉(zhuǎn)換器。 7.2.1 模擬量輸出通道結(jié)構(gòu) 模擬量輸出通道可分為模擬量保持和數(shù)字保持兩種

9、結(jié)構(gòu)形式。圖7.12為多D/A的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)輸出通道使用獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道輸出的數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)鎖存器保持，控制作用保持到下一個(gè)輸出時(shí)刻。優(yōu)點(diǎn)是速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度高。缺點(diǎn)是，輸出通路數(shù)量很多，將使用較多的D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格的不斷下降圖7.12 多D/A結(jié)構(gòu) 圖7.13為共享D/A的結(jié)構(gòu)形式，多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器。每個(gè)通路都設(shè)置一個(gè)采樣保持器，還應(yīng)有一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，依次把輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)傳送給各路輸出采樣保持器。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器。缺點(diǎn)是，電路復(fù)雜，精度差，可靠性低，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高

10、的場(chǎng)合。 圖7.13 共享D/A結(jié)構(gòu)7.2.1 模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)（續(xù)）7.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器及其接口 模/數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換技術(shù)是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制領(lǐng)域的分支。D/A轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的是量化的模擬量。有關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)性能指標(biāo)很多，例如絕對(duì)精度、相對(duì)精度、線性度、輸出電壓范圍、溫度系數(shù)、輸入數(shù)字代碼種類（二進(jìn)制或BCD碼）等。1. DAC0832芯片及接口電路 DAC0832是采用CMOS工藝制成的雙列直插式單片8位D/A轉(zhuǎn)換器，它可直接與CPU相連，也可同單片機(jī)相連，以電流形式輸出；當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。DAC0832由兩個(gè)數(shù)據(jù)鎖存

11、器、一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器和控制電路等組成，DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.14所示。 圖7.14 DAC0832原理框圖及引腳 圖7.15為 DAC0832與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口電路。DAC0832工作在單緩沖寄存器方式。 圖7.15 DAC0832的單緩沖接口電路2. DAC1210芯片及接口電路圖7.16 DAC1210原理框圖及引腳 DAC1210與計(jì)算機(jī)總線的連接如圖7.17所示，由于片內(nèi)有兩級(jí)緩沖鎖存器，直接與計(jì)算機(jī)總線連接。高8位數(shù)據(jù)輸入線DI4DI11連接數(shù)據(jù)總線的D0D7；低4位數(shù)據(jù)輸入線DI0DI3連接數(shù)據(jù)總線的D4D7。電流型輸出接運(yùn)放A1，輸出負(fù)極性電壓，經(jīng)運(yùn)算放大器A2

12、進(jìn)行反相，輸出正極性電壓。 圖7.17 DAC1210轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)總線工業(yè)控制機(jī)接口2. DAC1210芯片及接口電路（續(xù)）7.3 開(kāi)關(guān)量輸入接口技術(shù) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，需要處理一些基本的輸入輸出信號(hào)，即開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)。這些信號(hào)包括，開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)、繼電器或接觸器的吸合與釋放、指示燈的亮與滅、閥門(mén)的打開(kāi)與關(guān)閉和電機(jī)的啟動(dòng)與停止等。這些信號(hào)都可以用二進(jìn)制的 “1”和“0”來(lái)表示。 7.3.1 開(kāi)關(guān)量輸入通道一般結(jié)構(gòu) 其任務(wù)是接收生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)字信號(hào)或狀態(tài)，并通過(guò)接口芯片經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)化、濾波和隔離等措施，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)的邏輯信號(hào)電平，簡(jiǎn)稱DI通道。主要由輸入緩沖電路、輸入調(diào)理

13、電路和輸入地址譯碼電路等組成，如圖7.18所示。 圖7.18 開(kāi)關(guān)量輸入通道一般結(jié)構(gòu)7.3.2 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的調(diào)理 開(kāi)關(guān)量輸入通道的基本功能是接收外部裝置的狀態(tài)信號(hào)。這些狀態(tài)信號(hào)的形式可能是電壓、電流或開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的通斷，這些信號(hào)狀態(tài)容易引起瞬時(shí)高電壓、過(guò)電壓及接觸抖動(dòng)等現(xiàn)象。為了將外部開(kāi)關(guān)量信號(hào)正確輸入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)采用轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的裸機(jī)信號(hào)，這些功能電路稱為信號(hào)調(diào)理電路。1. 開(kāi)關(guān)消除抖動(dòng)電路 從開(kāi)關(guān)和繼電器等機(jī)械裝置在接通或斷開(kāi)時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)。圖7.19為開(kāi)關(guān)量消除抖動(dòng)電路。將接點(diǎn)的接通和斷開(kāi)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)與計(jì)算機(jī)相

14、連。為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，通常采用積分電路或RS觸發(fā)電路。 為了使大功率器件接點(diǎn)工作可靠，接點(diǎn)兩端至少要加24V直流電壓。因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快，不易產(chǎn)生干擾，電路又簡(jiǎn)單，廣泛采用。但容易帶有干擾，通常采用光耦器件進(jìn)行隔離。 光耦利用光信號(hào)的傳送不受電磁場(chǎng)的干擾而完成隔離功能的，利用光耦還可以起到電平轉(zhuǎn)換的作用，如7.20所示。圖7.20 開(kāi)關(guān)量隔離及電平轉(zhuǎn)換電路2. 開(kāi)關(guān)量隔離電路7.4 開(kāi)關(guān)量輸出接口技術(shù) 其任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)（或開(kāi)關(guān)信號(hào)）傳送給開(kāi)關(guān)器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡(jiǎn)稱DO通道。 7.4.1 開(kāi)關(guān)量輸出通道一般結(jié)構(gòu) 主要由輸

15、出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出地址譯碼電路等組成，如圖7.21所示。其中，輸出鎖存器用于鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)；輸出驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率放大器。 圖7.21開(kāi)關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu) 輸出驅(qū)動(dòng)電路的功能一是進(jìn)行信號(hào)隔離，二是驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于小電流開(kāi)關(guān)量，用功率三極管就可作開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積，如圖7.22所示。當(dāng)達(dá)到幾百毫安時(shí)，如驅(qū)動(dòng)中功率繼電器、電磁開(kāi)關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級(jí)放大或提高三極管增益的辦法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護(hù)措施完善的特點(diǎn)，適用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。 7.4.2 開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路圖7.

16、22 三極管驅(qū)動(dòng)電路 7.4.2 開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路（續(xù)） 圖7.23為達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)中的一路驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字“0”即低電平時(shí)，經(jīng)反相鎖存器變?yōu)楦唠娖剑惯_(dá)林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生幾百毫安集電極電流足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載線圈，且利用復(fù)合管內(nèi)的保護(hù)二極管構(gòu)成負(fù)荷線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)的泄流回路。 圖7.23 達(dá)林頓管輸出電路 7.5 人-機(jī)接口 人機(jī)接口是計(jì)算機(jī)與人機(jī)交互設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目刂齐娐?。通過(guò)這些接口電路，操作人員可以實(shí)時(shí)了解到計(jì)算機(jī)控制的有關(guān)內(nèi)容，并可以隨時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作。一個(gè)安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的人機(jī)交互功能。 7.5.1 鍵盤(pán)接口技術(shù) 鍵盤(pán)是計(jì)算機(jī)控制

17、系統(tǒng)最常用和最簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備，用戶能通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通信。根據(jù)按鍵開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)鍵盤(pán)分類，有觸點(diǎn)式和無(wú)觸點(diǎn)式兩大類。有觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān)有機(jī)械式開(kāi)關(guān)、薄膜開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開(kāi)關(guān)和磁簧式開(kāi)關(guān)等；無(wú)觸點(diǎn)式按鍵開(kāi)關(guān)有電容式開(kāi)關(guān)、電磁感應(yīng)式開(kāi)關(guān)和磁場(chǎng)效應(yīng)式開(kāi)關(guān)。有觸點(diǎn)式鍵盤(pán)手感差、易磨損、故障率高；無(wú)觸點(diǎn)式鍵盤(pán)手感好、壽命長(zhǎng)。無(wú)論采用什么形式的按鍵，作用都是一個(gè)使電路接通或斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。 7.5.1 鍵盤(pán)接口技術(shù)（續(xù)） 在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為減少I(mǎi)/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。圖7.24給出了51單片機(jī)的矩陣鍵盤(pán)接口電路。每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，通過(guò)一個(gè)按鍵加以連

18、接。這樣，一個(gè)端口（如P1口）就可以構(gòu)成44=16個(gè)按鍵，比直接將端口用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。 圖7.24 矩陣鍵盤(pán)接口電路 鍵碼識(shí)別是指矩陣鍵盤(pán)識(shí)別被按鍵的方法，一般有行掃描法、行列反轉(zhuǎn)法和行列掃描法。 1. 行掃描法7.5.1 鍵盤(pán)接口技術(shù)（續(xù)） 行掃描法的工作原理：CPU首先向所有行輸出為低電平，如果沒(méi)有按鍵按下，則所有得列線輸出為高電平。如果有某一鍵按下，則該按鍵所在的列與行線低電平短路，該列線變?yōu)榈碗娖?。CPU在此時(shí)通過(guò)讀取列線的值即可判斷有無(wú)鍵按下。在有鍵按下的情況下，CPU再來(lái)確定是哪一個(gè)鍵按下，采

19、用的方法是行掃描法。先向第0行輸出低電平，其余行輸出高電平，然后讀取所有列線的電平值。如果有某一列為低電平，則說(shuō)明0行和該列跨接位置的那個(gè)鍵被按下了。確定了鍵的位置就可以退出掃描了。 2. 行列反轉(zhuǎn)法行列反轉(zhuǎn)法也是常用的識(shí)別閉合鍵的方法。其工作原理是：首先對(duì)所有行線輸出低電平，列線輸出高電平，同時(shí)讀入列線。如果有鍵按下，則該鍵盤(pán)所在的列線為低電平，而其它列線為高電平。由此獲得列號(hào)。然后向所有列線輸出低電平，行線輸出高電平，讀行線，確定按鍵的行號(hào)。通過(guò)行號(hào)和列號(hào)確定按鍵的位置和編碼。7.5.1 鍵盤(pán)接口技術(shù)（續(xù)） 7.5.1 鍵盤(pán)接口技術(shù)（續(xù)） 3. 行列掃描法 行列掃描法也是鍵盤(pán)使用的主要鍵碼

20、識(shí)別方法。其工作原理如下：首先向每一行依次輸出低電平，其余各行為高電平，每掃描一行，讀取一次列線。如果列線全為高電平，說(shuō)明沒(méi)有鍵按下，如果有一列為低電平，則說(shuō)明有鍵按下，此時(shí)可以確定行號(hào)和列號(hào)。行掃描完成。接下來(lái)依次向每一列輸出低電平，讀行線，再次確定按鍵的行號(hào)和列號(hào)。兩次獲得的行號(hào)和列號(hào)相同，則鍵碼正確，即獲得按下鍵的行列掃描碼。7.5.2 顯示器接口技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，顯示器是人機(jī)信息交換的主要窗口，主要用來(lái)顯示生產(chǎn)過(guò)程的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果，以便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的正確操作。常用的顯示器件有顯示記錄儀、LED數(shù)碼管 、LCD液晶顯示器和CRT圖形圖像顯示器。 1. LED數(shù)碼管 七段數(shù)碼管

21、是一種常用的數(shù)字顯示元件，可以用來(lái)顯示數(shù)字09及相關(guān)符號(hào)。它具有功耗低、亮度高、壽命長(zhǎng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，在家電及工業(yè)控制中有廣泛的應(yīng)用，用來(lái)顯示溫度、數(shù)字、重量、日期、時(shí)間等等。2. LCD顯示器 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、單純矩陣驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)三種。 圖7.26 LCD顯示接口原理圖7.6 執(zhí)行器 執(zhí)行器作用是根據(jù)控制系統(tǒng)的最終計(jì)算結(jié)果，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的控制。 7.6.1 繼電器如圖7

22、.28所示，電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點(diǎn)等部件組成，簡(jiǎn)稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。 圖7.28繼電器結(jié)構(gòu)圖 圖7.29為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線輸出數(shù)字“1”即高電平時(shí)，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，從而驅(qū)動(dòng)大型負(fù)荷設(shè)備。 圖7.29 繼電器輸出接口電路 7.6.1 繼電器7.6.2 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器是一種無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號(hào)耦合，而且沒(méi)有任何可動(dòng)部件或觸點(diǎn)，卻能實(shí)現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它

23、具有體積小、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、壽命長(zhǎng)等傳統(tǒng)繼電器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。固態(tài)繼電器是一種兩個(gè)接線端為輸入端，另外兩個(gè)接線端為輸出端的4端器件，中間采用隔離器件實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電隔離。圖7.30所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，共由五部分組成。光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號(hào)傳遞作用，同時(shí)使兩端在電氣上完全隔離； 圖7.30 固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)圖圖7.31 固態(tài)繼電器接口電路7.6.2 固態(tài)繼電器 （續(xù)） 三、步進(jìn)電機(jī)工作原理及控制技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用的一種執(zhí)行元件。其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前

24、進(jìn)一步。按勵(lì)磁方式分類，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式和感應(yīng)式。其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得比較普遍，結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，所以本節(jié)僅介紹這類電機(jī)。7.6.3 電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器 1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)典型結(jié)構(gòu)和工作原理 （1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)典型結(jié)構(gòu) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其典型結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。這是一臺(tái)四相電機(jī)，定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個(gè)磁極(大齒)，每個(gè)磁極上又有許多小齒。四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)共有4套定子控制繞組，繞在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵心構(gòu)成，沿圓周有很多小齒，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn) 子的

25、齒數(shù)有一定的限制。圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個(gè)，定子每個(gè)磁極上小齒數(shù)為5個(gè)。 四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) （2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理與反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)一樣，也是利用凸極轉(zhuǎn)子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的。為了便于說(shuō)清問(wèn)題，先以最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例。 圖6-37是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，定子有6個(gè)極，不帶小齒，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極上繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子只有4個(gè)齒。三相單三拍運(yùn)行(a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通 當(dāng)A相控制繞組通電，而B(niǎo)相和C相都不通電時(shí)，由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，所以轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與定子A極軸線對(duì)齊。

26、同理，當(dāng)斷開(kāi)A相接通B相時(shí)，轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30，使轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子B極軸線對(duì)齊。斷開(kāi)B相，接通C相，則轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30，使轉(zhuǎn)子齒1和3的軸線與C極軸線對(duì)齊。 如此按A - B - C - A順序不斷接通和斷開(kāi)控制繞組，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6-37所示。其轉(zhuǎn)速取決于各控制繞組通電和斷電的頻率，即輸入的脈沖頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。如上述電機(jī)通電次序改為A - C - B - A 則電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，變?yōu)榘错槙r(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 這種按A - B - C - A 方式運(yùn)行的稱為三相單三拍運(yùn)行。所謂“三相”，是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有三相定子繞組， “單”是 指

27、每次只有一相繞組通電，“三拍”指三次換接為一個(gè)循環(huán)，第四次換接重復(fù)第一次的情況。 除了這種運(yùn)行方式外，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還可以以三相六拍和三相雙三拍運(yùn)行。三相六拍運(yùn)行的供電方式是A - AB - B - BC - C - CA - A 這時(shí)，每一循環(huán)共有6種通電狀態(tài)，這6種通電狀態(tài)中有時(shí)只有一相繞組通電(如A相)，有時(shí)有兩相繞組同時(shí)通電(如A相和B相)。圖6-38表示按這種方式對(duì)控制繞組供電時(shí)轉(zhuǎn)子位置和磁通分布的圖形。 三相六拍運(yùn)行 (a) A相通電； (b) A、 B相通電；(c) B相通電； (d) B、 C相通電 （3）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，每相繞組由專門(mén)驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)“環(huán)

28、形分配器”按一定規(guī)律輪流通電。例如一個(gè)按三相六拍運(yùn)行的環(huán)形分配器輸入是一路，輸出有A、B、C三路。若開(kāi)始是A路有電壓，輸入一個(gè)控制電脈沖后，就變成A、B這兩路有電壓，再輸入一個(gè)電脈沖，則變成B路有電壓，再輸入一個(gè)電脈沖，則變成B、C這兩路有電壓了，再輸入一個(gè)電脈沖，則變成C路有電壓，再輸入一個(gè)電脈沖，則變成C、A兩路有電壓，再輸入一個(gè)電脈沖，則變成A路有電壓。 環(huán)形分配器輸出的各路脈沖電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)各自的放大器放大后送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。下圖表示三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方框圖。 控制方框圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)這種輪流通電的方式稱為“分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀

29、態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍制分配方式(如三相雙三拍、四相雙四拍等)，狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)兩倍的稱為雙拍制分配方式(如三相六拍，四相八拍等)。同一臺(tái)電機(jī)可有多種分配方式。不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制電脈沖Uk的個(gè)數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓(或電流)個(gè)數(shù)卻等于1，因而 控制電脈沖頻率f是每相脈沖電壓(或電流)頻率fp的N倍，即： 每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，用符號(hào)b表示。從上面分析可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)按三相單三拍運(yùn)行，即按A - B - C - A 順序通電時(shí)，若開(kāi)始是A相通電，轉(zhuǎn)子齒軸線與A相磁極的齒軸線對(duì)齊；換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為1/3齒距角；

30、轉(zhuǎn)子需要走3步，才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角；此時(shí)轉(zhuǎn)子齒軸線又重新與A相磁極的 齒軸線對(duì)齊。當(dāng)電機(jī)在三相六拍運(yùn)行，即按A - AB - B - BC - C - CA 順序通電時(shí)，換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度為1/6齒距角；轉(zhuǎn)子需要走6步才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角。若轉(zhuǎn)子有個(gè)齒，則轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角，即齒距角為： 所以轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的空間角度(機(jī)械角度)，即步距角為： 式中，N為運(yùn)行拍數(shù)，N=km(k=1，2；m為相數(shù))。 為了提高工作精度，就要求步距角很小。由步距角公式可見(jiàn)，要減小步距角可以增加拍數(shù)N。相數(shù)增加相當(dāng)于拍數(shù)增加，但相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電源及電機(jī)的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般做到六相，個(gè)別的也有八相

31、或更多相數(shù)。對(duì)同一相數(shù)既可以采用單拍制，也可采用雙拍制。采用雙拍制時(shí)步距角減小一半。所以一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可有兩個(gè)步距角，如1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。 增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)ZR，步距角也可減小。所以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般是很多的。通常反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為零點(diǎn)幾度到幾度。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按特定指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制。角度控制時(shí)，每輸入一個(gè)脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時(shí)，送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每

32、輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度是整個(gè)圓周角的1/(ZRN)，也就是轉(zhuǎn)過(guò)1/(ZRN)轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn) 過(guò)的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速n為： 式中，f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。 由上式可見(jiàn)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)，而與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與輸入脈沖頻率成正比，或者說(shuō)其轉(zhuǎn)速和脈沖頻率同步。 （r/min） 改變脈沖頻率可以改變轉(zhuǎn)速，故可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍很寬。另外，若改變通電順序，即改變定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向，就可以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖進(jìn)行控制的電機(jī)。改變電脈沖輸入方式，就可方便地控制它，使它快速啟動(dòng)、

33、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)或改變轉(zhuǎn)速。 步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力。當(dāng)控制電脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)脈沖控制的 角位移的終點(diǎn)位置上。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時(shí)轉(zhuǎn)子定位。 綜上所述，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響(在允許負(fù)載范圍內(nèi))，也不受環(huán)境條件(溫度、壓力、沖擊、振動(dòng)等)變化的影響，只與控制脈沖同步，同時(shí)它又能按照控制的要求，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)或改變轉(zhuǎn)速。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中。 2步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng) 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖6-40所示，主要由變頻信號(hào)源、脈沖分配器、脈沖放

34、大器和步進(jìn)電機(jī)組成。變頻信號(hào)源是一個(gè)脈沖頻率由幾Hz幾十kHz連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。脈沖分配器根據(jù)方向控制信號(hào)把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖放大器上進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 在這種控制方式中，時(shí)序脈沖完全由硬件產(chǎn)生，線路復(fù)雜，成本高，通用性差，因而限制了它的應(yīng)用。如果采用計(jì)算機(jī)控制，用微機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生、脈沖分配和方向控制，再加上給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電路，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖6-41所示。用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生、脈沖分配和方向控制比較容易，本節(jié)只介紹驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖 計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （1）單電壓功率放大電路 電

35、路原理如圖6-42所示。電路的電壓E一般選擇在10100V左右，有的高達(dá)200V，這要視應(yīng)用場(chǎng)合、步進(jìn)電機(jī)的功率和實(shí)際要求而定。這是步進(jìn)電機(jī)控制中最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)簡(jiǎn)單的反相器。晶體管T起開(kāi)關(guān)作用；L是步進(jìn)電機(jī)的一相繞組電感；RL是繞組電阻；RC是外接電阻，也是限流電阻；D是續(xù)流二極管。步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開(kāi)關(guān)電路圖 單電壓功率放大器的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是工作效率低，高頻時(shí)效率尤其低。電阻RC消耗相當(dāng)大的一部分能量，且RC的發(fā)熱直接影響電路的穩(wěn)定工作狀態(tài)，所以單電壓功率放大電路一般只用來(lái)驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。 上圖給出了一種改進(jìn)的單電壓功率放大電路。在RC上并聯(lián)電容C可以改

36、善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，使注入電流的前沿明顯變陡，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。另外在電壓E和RC不變的條件下，在RC上并聯(lián)電容C，使注入繞組的平均電流值相對(duì)增加了，因此提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。改進(jìn)的單電壓功率放大器電路圖 續(xù)流二極管D回路中串聯(lián)電阻Rd，對(duì)改善回路的放電時(shí)間Td很有利，Rd越大，則Td越小，可減少回路的放電時(shí)間常數(shù)Td，這使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時(shí)間變短，從而提高了高頻工作時(shí)的性能。但若Rd選得太大，會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的低頻性能明顯變壞，電磁阻尼作用減弱，共振加劇，增加了晶體管T擊穿的可能性。 此外還有其它類型的改進(jìn)的單電壓功率放大器，如單電壓恒流功放電路，功耗較基本型低，電源的效率也提高了；再如晶閘管功率放大電路，由于晶閘管導(dǎo)通壓降低，所以功耗低，且可得到較大的驅(qū)動(dòng)力矩。 （2）雙電壓功率放大電路 雙電壓功率放大電路就是采用兩種電源電壓的功放電路，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 雙電壓功率放大電路圖 電路中的電源電壓E1是高壓，大約為80150V，E2為520V左右。雙電壓功放電路與單電壓功放電路有很大區(qū)別，在單電壓功放電路中，其工作控制信號(hào)是步進(jìn)時(shí)一相所需的方波信號(hào)，而在雙電壓功放電路中，除了一相所需的方波信號(hào)外，還需要高壓驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)Vh。 T1是高壓電源開(kāi)關(guān)管，T2是功率驅(qū)動(dòng)管；D1是低壓電源E2的箝