x2過程輸入輸出通道技術

《過程控制》

ProcessControl下篇計算機控制技術第2章過程輸入輸出通道技術內蒙古科技大學信息工程學院測控技術與儀器專業(yè)1本章要求基本要求：掌握模擬量、數字量輸入輸出技術；深刻理解數字濾波及數據處理方法。重點：模擬量輸入輸出技術；數字濾波與數據處理。2本章提要在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現對生產過程的控制，要將對象的控制參數及運行狀態(tài)按規(guī)定的方式送入計算機，計算機經過計算、處理后，將結果以數字量的形式輸出，此時需將數字量變換為適合生產過程控制的量，因此在計算機和生產過程之間，必須設置完成信息的傳遞和變換的裝置，稱為過程輸入輸出通道，也叫I/O通道。3第2章過程輸入輸出通道技術

2.1概述

2.2數字量輸入輸出通道

2.3模擬量輸入通道

2.4模擬量輸出通道

2.5數字濾波和數據處理4第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.1模擬量輸入通道的一般結構2.1概述過程輸入輸出通道模擬量輸入輸出通道開關量輸入輸出通道模擬量輸入通道(AI)是計算機用于工業(yè)控制、自動測試、計算機輔助醫(yī)療診斷、機器人等科學研究時必需的模擬數據處理系統(tǒng)。它把各類傳感器從現場檢測到的模擬量信號如溫度、壓力等轉換成計算機可以接收的數字量信號。建立模擬量輸入通道的目的，通常是為了進行參數測量或數據采集。它的核心部件是A/D轉換器及其微處理機的接口。

5模擬量輸入通道的基本結構

模擬量輸入通道一般應包括：傳感器、多路轉換開關、放大器、采樣保持器、A/D轉換器等幾個組成部分。第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述6模擬量輸入通道的結構形式

模擬輸入通道按采樣保持器S/H可分為共享S/H形式和多路S/H形式。第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述7模擬輸出通道(AO)有兩種結構形式:第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.2模擬量輸出通道的基本結構(1)多D/A結構8模擬輸出通道(AO)有兩種結構形式:第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.2模擬量輸出通道的基本結構(2)共享D/A結構9第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.3開關量（數字量）輸入通道的基本結構開關量輸入通道(DI)的任務主要是將現場輸入的開關信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號。開關量輸入通道在控制系統(tǒng)中主要起以下作用：1）定時記錄生產過程中某些設備的狀態(tài)，例如電動機是否在運轉、閥門是否開啟等。2）對生產過程中某些設備的狀態(tài)進行檢查，以便發(fā)現問題進行處理。若有異常，及時向主機發(fā)出中斷請求信號，申請故障處理，保證生產過程的正常運轉。10第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.3開關量（數字量）輸入通道的基本結構開關量輸入通道結構框圖11第2章過程輸入輸出通道技術2.1概述2.1.4開關量（數字量）輸出通道的基本結構開關量輸出通道結構框圖12第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2數字量輸入輸出通道數字量（開關量）信號開關的閉合與斷開指示燈的亮與滅繼電器或接觸器的吸合與釋放馬達的啟動與停止可控硅的通與斷能將生產過程中的數字信號傳送給計算機，將計算機輸出的數字信號轉換成能對生產過程進行控制的數字驅動信號的通道即為數字量輸入輸出通道。13第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.1數字量輸入輸出接口技術對生產過程的控制，常常需了解生產過程的狀態(tài)信息，根據狀態(tài)信息，決定如何給出控制量。要獲得狀態(tài)信息則必須通過輸入接口。如三態(tài)門緩沖器74LS244（見P26）可以用來隔離輸入輸出線路，在兩者之間起緩沖作用。它有8個通道可輸入8個開關狀態(tài)。1.數字量輸入接口2.數字量輸出接口當對生產過程進行控制時，一般應對計算機輸出的控制狀態(tài)進行保持，直到重新刷新為止，此時便需利用輸出接口對其進行鎖存。如8D鎖存器74LS273（見P26）。它有8個通道可輸出8個開關狀態(tài)，并可驅動8個輸出裝置。14第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.2數字量輸入通道1.數字量輸入通道的結構15第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.2數字量輸入通道（1）直流輸入信號調理電路2.輸入調理電路對外部信號進行電平轉換、濾波、隔離和過電壓保護等處理。開關量消抖電路16第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道（1）直流輸入信號調理電路在大功率系統(tǒng)中，為了使接點工作可靠，接點兩端至少要加24V以上的直流電壓。響應快、不易產生干擾。電平轉換及光電隔離電路17第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.2數字量輸入通道（2）交流輸入信號調理電路2.輸入調理電路整流橋18對于只有兩種工作狀態(tài)的執(zhí)行機構或器件，用計算機控制系統(tǒng)輸出開關量來控制它們，例如控制馬達的啟動和停止，信號指示燈的亮和滅，電磁閥的打開與關閉，繼電器的接通與斷開，步進電機的運行等。開關量輸出通道的任務就是把計算機輸出的開關信號傳送給這些執(zhí)行機構或器件。2.2.3數字量輸出通道第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道19第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.3數字量輸出通道1.數字量輸出通道的結構20第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.2.3數字量輸出通道2.輸出驅動電路要把計算機輸出的微弱數字信號轉換成能對生產過程進行控制的驅動信號，關鍵在于輸出通道中的功率驅動電路。輸出量驅動電路的構成方式：大/中/小功率晶體管可控硅達林頓陣列驅動器固態(tài)繼電器

……21低電壓開關量信號輸出技術+5VR11VCR2低壓開關量輸出第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道對于低壓情況下開關量控制輸出，可采用晶體管，OC門或運放等方式輸出。

如驅動低壓電磁閥、指示燈、直流電機等。22低電壓開關量信號輸出技術第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道如果被驅動設備所需驅動電流較大，則可采用三極管輸出方式。R2R1RLVC三極管輸出驅動23開關量輸出隔離的目的在于隔斷微型計算機與執(zhí)行機構之間的直接電氣聯系，以防地電位差、外界電磁場等干擾因素造成執(zhí)行機構的誤動作，甚至導致計算機控制系統(tǒng)本身的損壞。第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.輸出驅動電路24第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.輸出驅動電路功率晶體管輸出驅動繼電器25第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.輸出驅動電路MC1416驅動7個繼電器26第2章過程輸入輸出通道技術2.2數字量輸入輸出通道2.輸出驅動電路固態(tài)繼電器及用法27第2章過程輸入輸出通道技術2.3模擬量輸出通道2.3模擬量輸出通道模擬量輸出通道的核心部件是D/A轉換器。是將數字量轉換成模擬量的元件或裝置，它輸出的模擬量（電壓或電流）與參考電壓和二進制數成比例。D/A轉換器工作原理及接口技術在《智能化儀表》課程中講授。28第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道2.4模擬量輸入通道1.信號的采樣2.4.1模擬量輸入通道中的信號變換模擬信號到數字信號的轉換包含信號的采樣和量化兩個過程。采樣是按一定的時間間隔T對時間和幅值上均連續(xù)的模擬信號y(t)進行取值的過程，得到時間上離散的采樣信號y*(t)。模擬信號到采樣信號的變換過程稱為采樣過程或離散過程。離散信號是時間離散、幅值連續(xù)的信號。29第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道1.信號的采樣2.4.1模擬量輸入通道中的信號變換30第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道1.信號的采樣2.4.1模擬量輸入通道中的信號變換采樣定理：如果模擬信號（包括噪聲干擾在內）頻譜的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率f≥fmax

進行采樣，那么采樣信號y*(t)就能惟一地復現y(t).采樣定理給出了y*(t)惟一地復現y(t)所必須的最低采樣頻率。實際應用中，常取f≥（5~10）fmax。31第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道2.信號的量化2.4.1模擬量輸入通道中的信號變換采樣信號是時間離散、幅值連續(xù)的信號。必須變成數字信號才能進入微機。將采樣信號轉換為數字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉換器。n位A/D轉換器采樣信號(ymin~ymax)數字（0~2n-1）最低有效位(LSB)所對應的模擬量q稱為量化單位。32在計算機控制系統(tǒng)的A／D轉換中，為了適應量化過程所需的轉換時間的要求，在采樣開關之后總是連接著零階保持器，對采樣開關輸出的采樣信號進行保持。記為S／H(sample／Hold)，其傳遞函數框圖如圖所示。第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道2.信號的量化2.4.1模擬量輸入通道中的信號變換33第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道2.4.2A/D轉換器2.4.3常用A/D轉換器及其接口技術2.4.4A/D轉換模版課外自學。在《智能化儀表》課程中講授。34**數據采集卡**為了滿足IBM-PC機及其兼容機用于數據采集與控制的需要，國內外許多廠商生產了各種各樣的數據采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機的總線技術標準設計和生產，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機主板上相應的I/O擴展槽中，就可以迅速方便地構成一個數據采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時間和投資，又可以充分利用IBM-PC機的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對數據采集與處理中的理論和方法進行研究、進行系統(tǒng)設計以及程序的編制等。第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道35數據采集卡的種類

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開關量輸入板卡、開關量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個功能，如數字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據總線的不同，可分為PCI板卡和ISA板卡。

還有其它一些專用I/O板卡，如虛擬存儲板（電子盤）、信號調理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構成十分容易。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道36值得一提的是智能接口板卡

PCI-5121智能CAN接口卡第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道37常用的數據采集卡

1．模擬量輸入卡（A/D卡）

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，輸入信號往往是模擬量，這就需要一個裝置把模擬量轉換成數字量，各種A/D芯片就是用來完成此類轉換的。在實際的計算機測控系統(tǒng)中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。模擬量輸入板卡根據使用的A/D轉換芯片和總線結構不同，性能有很大的區(qū)別。板卡通常有單端輸入、差分輸人以及兩種方式組合輸入三種。板卡內部通常設置一定的采樣緩沖器，對采樣數據進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術，實現信號的隔離。板卡模擬信號采集的精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉換芯片決定。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道38例如，下圖所示為研華PCI-1713模擬量輸入卡。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉換分辨率，A/D轉換器的采樣速率可達100kHz，每個輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC隔離保護，支持軟件、內部定時器觸發(fā)或外部觸發(fā)。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道392．模擬量輸出卡（D/A卡）

計算機內部處理采用的是數字量，而執(zhí)行機構采用的是模擬量。計算機通過D/A板卡將數字量轉化為模擬量，從而通過控制執(zhí)行機構的動作去控制生產工藝過程。

D/A轉換板卡同樣依據其采用的D/A轉換芯片的不同，轉換性能指標有很大的差別。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道40例如，下圖所示為研華PCI-1720U模擬量輸出卡。該板卡具有四路12位D/A輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護，PCI-1720非常適合需要高電壓保護的工業(yè)場合。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道413．數字量輸入/輸出卡（I/O卡）

計算機測控系統(tǒng)通過數字量輸入板卡采集工業(yè)生產過程的離散輸入信號，并通過數字量輸出板卡對生產過程或控制設備進行開關式控制（二位式控制）。將數字量輸入和數字量輸出功能集成在一塊板卡上，就稱為數字量輸入/輸出板卡，簡稱I/O板卡。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道42例如，下圖所示為研華PCI-1730數字量輸入/輸出卡，它提供了16路數字量輸入和16路數字量輸出，高輸出驅動能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道434．脈沖量輸入/輸出板卡

工業(yè)控制現場有許多高速的脈沖信號，如旋轉編碼器、流量檢測信號等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實現脈沖數字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數、定時、測頻等不同工作方式，計算機可以通過該板卡方便地讀取脈沖計數值，也可測量脈沖的頻率或產生一定頻率的脈沖。考慮到現場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術，使計算機與現場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道44例如，下圖所示的研華PCI-1780U計數器/定時器卡，是基于PCI總線設計的接口卡。該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現計數器/定時器功能。此外，該卡還提供8個16位計數器通道，并具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數字量輸出/8路TTL數字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，有多種時鐘可以選擇，可編程計數器輸出，同時有計數器門選通功能。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道45遠程I/O模塊

遠程I/O模塊又稱為牛頓模塊，為近年來比較流行的一種I/O方式，它安裝在工業(yè)現場，就地完成A/D、D/A轉換、I/O操作及脈沖量的計數、累計等操作。遠程I/O以通訊方式和計算機交換信息，通訊接口一般采用RS-485總線，通訊協議與模塊的生產廠家有關，但都是采用面向字符的通訊協議。

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道46有線傳輸介質

1．雙絞線電纜雙絞線電纜（簡稱雙絞線）是將一對或一對以上的雙絞線封裝在一個絕緣外套中而形成的一種傳輸介質。

1）非屏蔽雙絞線

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道2）屏蔽雙絞線

無線傳輸介質

有線傳輸介質

**信息傳輸介質**472.同軸電纜

第2章過程輸入輸出通道技術2.4模擬量輸入通道3.扁平電纜

4.光導纖維48第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波為了減少干擾對采樣值的影響，提高系統(tǒng)的性能，一般在進行數據處理之前先要對采樣值進行數字濾波。所謂數字濾波，就是通過一定的計算程序減少干擾信號在有用信號中的比重。優(yōu)點：（與模擬濾波器相比）用程序實現，不需增加硬件設備，很容易實現。多個通道可共用一個濾波程序?？煽啃愿?，穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。可以對頻率很低的信號實現濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。通過改寫數字濾波程序即可實現不同的濾波方法或調整濾波參數。49第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：1.程序判斷濾波當采樣信號由于隨機干擾、誤檢或者變送器不穩(wěn)定等原因引起嚴重失真時，可以采用程序判斷濾波。方法：根據經驗確定兩次采樣信號可能出現的最大偏差ΔY，若相鄰兩次采樣信號的差值大于ΔY，則表明該采樣信號是干擾信號，應該去掉；若小于ΔY，則表明沒有受到干擾，可將該信號作為本次采樣值。限幅濾波限速濾波50第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：1.程序判斷濾波（1）限幅濾波（2）限速濾波程序判斷濾波可以用于變化比較緩慢的參數，如溫度、液位等。關鍵在于ΔY的選取，通常根據經驗數據獲得，必要時可由實驗得出。51第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：2.中值濾波對被測參數連續(xù)采樣n次（n≥3，且為奇數)。將其從小到大（或從大到小）排序，取中間值作為本次采樣值。中值濾波能有效地濾去脈動性質的干擾，對變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果，但對快速變化過程的參數則不宜使用（如流量）。

n值一般取3~5即可。52第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：3.算術平均值濾波算術平均值濾波適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點是往往在某一數值附近作上下波動，有一個平均值。對信號的平滑程度取決于N。

對于一般流量，通常取N=12;若為壓力，則取N=4.53第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：4.加權平均濾波加權因子選取可視具體情況決定，一般采樣值越靠后，賦予的比重越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例，系統(tǒng)對正常變化的靈敏性也可提高，當然對干擾的靈敏性也稍大。54第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：5.防脈沖干擾平均值濾波（復合濾波）這種方法兼容了算術平均值法和中值濾波法的優(yōu)點。它既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣進行平滑加工，在快、慢速系統(tǒng)中都能削弱干擾，提高控制質量。當采樣點數為3時，便是中值濾波。55第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.1數字濾波幾種常用的數字濾波方法：6.一階滯后濾波算術平均值法濾波屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化比較快的參數，如壓力、流量等。對于慢速隨機變化的參數，采用在短時間內連續(xù)采樣求平均值的方法，其濾波效果不太好。在這種情況下，通常采用動態(tài)濾波法，如一階滯后濾波法。一階滯后濾波也稱為慣性濾波，適用于波動頻繁的工藝參數濾波，它能很好地消除周期性干擾，但也帶來相位滯后。56第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2.5.2線性化處理在數據采集與處理系統(tǒng)中，一般總希望系統(tǒng)的輸出和輸入呈簡單的線性關系，以便使顯示儀表具有均勻刻度，且儀表在整個測量范圍內靈敏度一致。否則需要引入非線性補償，稱為線性化處理。線性化方法計算法查表法折線法571．計算法若測量數據與轉換的電信號有明確的數學表達式，且該表達式又便于計算，則可利用計算機強大的計算功能按公式進行計算，實現非線性補償。第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理2．查表法所謂查表法，就是預先編制一張表格，把有非線性關系的兩個參數按一定順序置于表內，然后通過查表程序根據被測參數的值最終查出所需的結果。查表方法順序查表法計算查表法對分查表法表格排列有序表無序表583．折線法(線性插值法)在實際工作中，除了上述非線性參數關系可以用數學式表達或有序表格表示的情況外，還有許多參數的非線性規(guī)律只能通過一條曲線來表示，對于這種情況常用折線法及非線性插值逼近法來解決。第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理折線近似法的原理是將曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰分段點用折線連接起來，用此折線擬合該段的曲線，在此折線內的關系用直線方程表示。59折線方程為將曲線分段的方法有兩種。(1)等距分段法(2)不等距分段法第2章過程輸入輸出通道技術2.5數字濾波和數據處理3．折線法(局部線性化法)60例：熱電偶非線性特性的開環(huán)補償方法熱電偶冷端溫補放大器K線性化器tu0Et（mV）u1數顯表非線性特性線性特性非線性特性——非線性特性，由分度表給出——線性放大器——與熱電偶特性互補的非線性特性——輸出特性為線