《计算机控制技术及工程应用（第三版）-林敏》

教师：电子科技大学 吴正华

第1章计算机控制概述

考察方式

不会出大题，主要就是选题，结合第11 12 13 14章，重点是了解概念。

要点：

• 计算机控制系统组成
• 计算机控制系统分类
• 计算机控制系统种类

计算机控制技术及工程应用是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学科。从计算机应用角度出发，自动化控制工程是其最重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。

用于自动化控制的计算机统称为工业控制计算机，它与用于计算及数据处理的商务计算机是两类不同用途，不同结构的计算机。

本书立足于工业自动化领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。

1.1 控制系统组成

1.1.1 控制系统概念

计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来，常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分为：闭环控制和开环控制。

闭环控制系统：测量变送器对被控对象进行检测，把被控量（如：温度、压力等物理量）转换为电信号，再反馈到控制器中，控制器将此测量值与设定值进行对比，形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪值趋近于设定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭合回路，所以称之为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。

开环控制系统：控制器直接根据设定值驱动执行器去操控对象，信号传递是单方向的，也称程序（顺序）控制系统。显然，开环控制系统不能自动消除被控量与设定值之间的偏差，控制性能也不如闭环控制系统。

大多数控制系统均采用闭环控制系统，通常意义下的自动控制系统也是闭环控制系统。

将控制器用控制计算机（微型计算机、A/D（模/数）转换器接口、D/A（数/模）转换器接口）代替。由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量输入；需要有D/A转换器将数字量转换为模拟量输出。

计算机控制系统的监控过程：

• 实时数据采集：对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入。
• 实时数据处理：对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策。
• 实时输出控制：根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务。

“实时”：信号的输入、运算处理和输出能在一定时间内完成，超过这个时间，就会失去控制时机。

完整的计算机控制系统是由硬件和软件两大部分组成。

1.1.2 硬件组成

计算机控制系统一般由主机、常规外部设备、过程输入/输出（I/O）通道、操作台和通信设备等组成。

• 主机：由CPU、RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器）和系统总线构成的主机是控制系统的指挥部。主机所产生的各种控制是按照人们事先安排好的程序进行的。

• 常规外部设备：实现主机和外界信息交换功能的设备被称为常规外部设备，简称外设。由输入设备、输出设备、外存储器等组成。

  常规外部设备 + 主机组成的计算机基本系统，即通常说的普通计算机。

• 过程输入/输出通道：在计算机与生产过程被控对象之间起着信息传递和变换的作用的连接装置。

  • 过程输入通道分为数字量输入通道（DI通道，用于输入开关量信号或数字信号量）和模拟量输入通道（A/D或AI通道，用于将模拟量输入信号转换为数字信号）两种。
  • 过程输出通道分为数字量输出通道（DO通道，用于输出开关量信号或数字信号量）和模拟量输出通道（D/A或AO通道，用于将数字信号转换为模拟信号）两种。

• 操作台：操作员和计算机控制系统之间进行联系的纽带，可以完成计算机输入程序、修改数据、显示参数、发出各种操作指令等功能。

  操作员分为系统操作员和生产操作员两种。系统操作员和生产操作员的操作设备一般是分开的。

• 通信设备：连接网络，进行信息交互。

1.1.3 软件组成

软件：完成各种功能的计算机程序的总和，是计算机控制系统神经中枢。

• 软件通常分为：系统软件、应用软件两大类。
  • 系统软件：面向计算机硬件系统本身的软件，可以解决普遍性问题。
    • 操作系统是系统软件的核心，提供软件开发环境，和运行环境
    • 语言处理程序：将人们编写的源程序转换成计算机能识别并执行的程序
    • 数据库管理系统：有效实现数据信息的存储、更新、查询、检索、通信控制等
    • 实用工具软件：用于对程序进行编辑、装配链接、调试以及对系统程序进行监控等。
  • 应用软件：面向特定问题的软件，可解决特殊性问题，是在系统软件的支持下运行。
    • 过程监视程序
    • 过程控制计算程序
    • 公共服务程序

当前，最流行的设计方法之一，是采用VB作为平台和数据库管理、VC作为面向对象程序、汇编作为I/O接口处理的编程方式。

1.2 控制系统分类

1.2.1 数据采集系统DAS

计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型。

对于指导生产以及建立或改善生产过程的数学模型，是有着重要作用的，它是所有计算机控制系统的基础。

1.2.2 操作指导控制系统OGC

基于数据采集系统的一种开环结构。

计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行优化计算，计算出最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的设定值或操作执行器，达到操作知道的作用。相当于模拟仪表控制系统的设定值或操作指导的作用。

OGC系统优点：结构简单，控制灵活和安全。

缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。常用于计算机控制系统设置的初级阶段，或用于试验新的数学模型、调试新的控制程序等场合。

1.2.3 直接数字控制系统DDC

DDC系统用一台计算机即可完成对多个被控对象的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制。

DDC系统以其可靠性高，功能完善、灵活性大而成为计算机在工业生产过程中最典型的一种应用方式。

1.2.4 监督计算机控制系统SCC

SCC系统是OGC系统和常规仪表控制系统或DDC系统综合而成的两级系统。

计算机设定值控制系统SPC：SCC+模拟控制器系统

SCC+DDC控制系统，作为上位机的SCC计算机按照描述生产过程的数学模型，根据原始工艺数据与实时采集的现场变量计算出最佳动态设定值，送给作为下位机的控制器或DDC计算机，由下位机控制生产过程。这样系统可以根据生产工况变化，不断地修正设定值，使生产过程始终处于最优工况，属于计算机在线最优控制的一种形式。

当上位机出故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好、可靠性高和抗干扰能力强；而上位承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。

1.2.5 分散控制系统DCS

DCS以微处理器为基础，借助计算机网络对生产过程进行集中式呵呵分散式控制的先进计算机控制系统，是”4C”技术的结晶。

既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式的计算机控制系统，而是在吸收了两者的优点基础上发展起来的具有崭新结构体系和独特技术风格的新型自动化系统。

1.2.6 现场总线控制系统FCS

改进了DCS成本高和由于各个厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理、控制功能于一体的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去。每个现场仪表（如：变送器、执行器）都作为一个智能结点，都带CPU单元，可以分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。这种彻底的分散控制模式使系统更加可靠。

FCS的核心是现场总线，将当今的网络通信与管理概念引入工业控制领域。现场总线本质上是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络。FCS代表了今后工业控制体系结构发展的一种方向。

1.2.7 计算机集成制造系统CIMS

CIMS采用多任务分层体系结构，现在已经形成多种方案。流程工业CIMS的递阶层次结构：（从下至上）控制层、监控层、调度层、管理层、决策层。

1.3 控制装置的类型

1.3.1 可编程控制器PLc

计算机与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业计算机。主要由：CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源、编程器等组成。

PLC具有系统构成灵活、易扩展、编程简单、调试容易、抗干扰能力强的优点，不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色。

1.3.2 可编程调节器

主要由微处理单元，过程I/O单元、面板单元、通信单元、硬手操单元等组成，实际是一种仪表化的微型控制计算机。

可编程调节器不仅可以作为大型分散控制系统中最基本的单元，而且也可以在一些重要场合下单独构成复杂的控制系统，完成1个~4个控制回路。

特别适用于连续过程模拟量信号的控制系统中。

1.3.3 总线式工控机IPC

总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用型计算机。

总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠的运行。因此，广泛用于各种控制场合，尤其是十几个到几十个回路中的中等规模的控制系统中。

1.3.4 嵌入式计算机系统

嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统，以应用为核心，以计算机技术为基础，软件、硬件可以裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有严格要求的专用计算机。

三大基本要素：

• 嵌入性
• 专用性
• 计算机系统

嵌入式系统可分为系统级、模板级、芯片级。

以单片机为核心的低级嵌入式系统是嵌入式发展的最初阶段。

嵌入式系统进入了以因特网为标志的高级发展阶段。

1.3.5 其他控制装置

当前计算机控制技术正在进一步向综合自动化、网络化、智能化、虚拟化、绿色化发展。

思考题

• 简述计算机控制系统与常规仪表控制系统的基本结构及主要异同点。
• 分析说明图1-3计算机控制系统的硬件组成及其作用。
• 计算机控制系统的软件由哪些部分构成。
• 按控制方案来分，计算机控制系统分为哪几大类。
• 计算机控制装置可以分为哪几种类型。

第2章 模拟量输出通道

引言部分

模拟量输出通道的任务：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。

模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道）构成：一般是由接口电路、数/模转换器（简称D/A或AO)和电压/电流变换器等。

多D/A结构

• 一路输出通道使用一个D/A转换器
• D/A转换芯片内部一般都带有数据锁存器
• D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
• 优点：结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
• 缺点：所需要的D/A转换器芯片较多

共享D/A结构

• 多路输出通道共用一个D/A转换器
• 每一路通道都配有一个采样保持放大器
• D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用
• 采样保持器实现模拟信号保持功能
• 优点：节省D/A转换器
• 缺点：电路复杂，精度差，可靠低，占用主机时间（为了使保持信号不至于下降太多需要不断刷新数据而占用主机时间）

总结：现在，随着集成电路D/A转换器芯片价格不断下降，控制系统中的模拟信号输出通道普遍采用多D/A结构形式。

2.1 D/A转换器

• 分类：
  • 按位数：
    • 8位
    • 10位
    • 12位
  • 按输出形式：
    • 电流输出型
    • 电压输出型
  • 满足特殊需求的D/A转换器

2.1.1 工作原理与性能指标

1.D/A转换器的工作原理

以4位D/A转换器为例：

D/A转换器主要由基准电压V_REF、R-2R T型电阻网络、位切换开关BS_i和运算放大器A四部分构成。

基准电压V_REF由外部稳压电源提供，位切换开关BS₃~BS₀分别接受要转换的二进制数D₃~D₀的控制，当某一位D_i = 1，则相应开关BS_i切换到“1”端（虚地），就会把基准电压V_REF加在该分支电阻2R上的电流I_i切换到放大器的反相端，此电流经反馈电阻R_fb直至输出端，从而把D_i = 1转换成相应的模拟电压V_OUT输出；而当D_i = 0时，BS_i切换到“0”端（地），则电流I_i切换到放大器的正相端流入地中而对放大器输出不起作用。

由于T型电阻网络中各个节点向右看地等效电阻均为2R，因此各2R支路上的电流就按1/2系数进行分配，即：在各2R支路上产生与二进制数各位的权成比例的电流，并经运算放大器A相加，从而输出成比例关系的模拟电压V_OUT。

2.D/A转换器性能指标

衡量芯片质量的重要参数，也是选取D/A芯片型号的依据。

• 分辨率

  指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高。其分辨率与二进制位数n呈以下关系：
  $$
  分辨率 = \frac{1}{2^n - 1} \
  分辨力 = \frac{电压满量程}{2^n - 1}
  $$

• 转换精度

  指转换所得的实际值和理论值的接近程度，它可以用绝对误差和相对误差来表示。

  与分辨率时两个不同的概念。对于分辨率很高的D/A转换器，有可能由于温度漂移、线性度差等原因并不具有很高的精度。

  例如：满量程时的理论输出值为10V，实际输出值为9.99V~10.01V之间，其转换精度为±10mV。

  对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。

• 偏移量误差

  指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差可通过D/A转换器外接的V_REF和电位器加以调整。

• 稳定时间

  描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量到输出模拟量达到终值误差1/2LSB（对应于满量程输出的1/（2^n - 1）)所需的时间。

  显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。

2.1.2 8位DAC0832芯片

• 性能：

  • 一个8位D/A转换器
  • 电流输出方式
  • 稳定时间为1us
  • 采用20脚双立直插式封装
  • 同系列芯片还有DAC0830、DAC0831

• 工作原理

  

  DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。

  • 8位输入寄存器：用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE₁(上划线)加以控制

  • 8位DAC寄存器：用于存放待转换的数字量，由LE₂(上划线)加以控制

  • 8位D/A转换器：输出与数字量成正比的模拟电流

  • 输入控制电路：由与门、非与门组成，控制两个寄存器的选通锁或锁存状态

  各引脚功能：

  • DI₀~DI₇：数据输入线，其中DI₀为最低有效位LSB，I₇为 最高有效位MSB。

  • $$
    \overline{CS}
    $$

    片选信号，输入线，低电平有效。

  • $$
    \overline{WR_1}
    $$

    写信号1，输入线，低电平有效。

  • ILE

    输入允许锁存信号，输入线，高电平有效。

    当ILE、CS(上划线)和WR₁(上划线)同时有效，8位输入寄存器端为高电平”1“，此时寄存器的输入端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当端为低电平”0“时，原D端输入数据被锁存于Q端，在此期间，D端电平的变化不影响Q端。

  • $$
    \overline{XFER}
    $$

    传送控制信号，输入线，低电平有效。

    当WR₂(上划线)和XFER(上划线)同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平”1“，此时DAC寄存器的输入端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平”0“时，第一级8位输入寄存器Q的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。

  • I_OUT1

    DAC电流输入端1，一般作为运算放大器差动输入信号之一。

  • I_OUT2

    DAC电流输入2，一般作为运算放大器另一个差动输入信号。

  • R_fb

    固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放大器的输入端

  • V_REF

    基准电压源端，输入线，-10VDC ~ + 10 VDC

  • V_C

    工作电压源端，输入线，+ 5VDC ~ +15VDC

  • AGND和DGND：模拟电路地与数字电路地，一般情况下，这两种地最后总有一点接在一起，以便提高抗干扰能力。

2.1.3 12位DAC1210芯片

为了提高分辨率产生

是一个12位D/A转换器，电流输出方式，其结构原理与控制信号功能基本类似于DAC0832。由于它比DAC0832多了4条数据输入线，故有24条引脚。

• DAC1210内部有三个寄存器：

  • 一个位输入寄存器，用于存放12位数字量中的高8位DI₁₁~DI₄，一个4位输入寄存器，用于存放12位数字量中的低4位DI₃~DI₀
  • 一个12位DAC寄存器，存放上述两个输入寄存器送来的12位数字量
  • 12位D/A转换器用于完成12位数字量的转换。

  由与门、非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器的选通或锁存状态。其中引脚（片选信号、低电平有效）、（写信号、低电平有效）和BYTE1/BYTE2(上划线)（字节控制信号）的组合，用来控制8位输入寄存器和4位输入寄存器。

• 当CS(上划线)、WR₁(上划线)为低电平”0“，BYTE1/BYTE2(上划线)为高电平”1“时，与门的输出LE₁(上划线)、LE₂(上划线)为”1“，选通8位和4位两个输入寄存器，将要转换的12位数据全部送入寄存器

  当BYTE1/BYTE2(上划线)为低电平”0”时，LE₁为”0”，8位输入寄存器锁存刚传送的8位数据，而LE₂仍为”1“，4位输入寄存器仍为选通，新的低4位数据将刷新刚传送的4位数据。

  因此，在与计算机接口电路中，计算机必须先送高8位后送低4位！！！

  XFER(上划线)（传送控制信号、低电平有效）和WR₂(上划线)（写信号、低电平有效）用来控制12位DAC寄存器，当它们都为低电平”0“时，与门输出LE₃为”1”，12位数据全部送入DAC寄存器；当它们中有一个为高电平”1“时，与门输出LE₃即为”0“，则12位DAC寄存器锁存住数据，使12位D/A转换器开始数模转换。

2.2 接口电路

为使主机能向D/A转换器传输数据，必须在两者之间设置接口电路。

接口电路功能：进行地址译码、产生片选信号或写信号。

2.2.1 DAC0832接口电路

由于DAC0832内部有输入寄存器，所以它的数据总线可直接与主机的数据总线相连，所以它的数据总线可直接与主机的数据总线相连。

图为DAC0832与PC总线的单缓冲接口电路，它是由DAC0832转换芯片、运算放大器以及74LS138译码器和门电路构成的地址译码电路组成。

图中DAC0832内的DAC寄存器控制端的WR₂(上划线)和XFER(上划线)直接接地，使DAC寄存器的输入到输出始终直通；而输入寄存器的控制端分别受地址译码器信号与输入输出指令控制，即PC的地址线A9~A0经138译码器和门电路产生接口地址信号作为DAC0832的片选信号，输入输出写信号IOW(上划线)作为DAC0832的写信号WR₁(上划线)。

当需要进行D/A转换时，把被转换的数据如DATA送进累加器AL，入口地址如220H送入DX，然后执行一条OUT输出指令，则CS(上划线)和WR₁(上划线)（IOW(上划线)）同为低电平，则LE₁为”1“，此时主机输出的数据写入DAC0832内的8位输入寄存器，再直通送入D/A转换器进行转换，当IOW(上划线)恢复为高电平时，使D/A转换的输出也保持不变。

程序接口：

1
2
3

MOV DX,220H
MOV AL,[DATA]
OUT DX,AL

2.2.2 DAC1210接口电路

DAC内部也有输入寄存器，但用PC中8位数据总线与12位D/A转换器组成接口电路时，需要对数据总线采用复用形式。

上图是12位D/A转换器DAC1210转换芯片、运算放大器以及地址译码电路组成。与8位DAC0832接口电路不同的是，除了数据总线D₇~D₀与DAC高8位DI₁₁~DI₄直接相连以外，D₃~D₀还要与DAC1210低4位DI₃~DI₀复用，因而控制电路也略为复杂。

图中，CS(上划线)、WR₁(上划线)和BYTE1/BYTE2(上划线)组合，用来依次控制8位输入寄存器（LE₁(上划线)）和4位输入寄存器（LE₂(上划线)）的选通与锁存；WR₂(上划线)和XFER(上划线)用来控制DAC寄存器（LE₃(上划线)）的选通与锁存；IOW(上划线)与WR₁~WR₂连接，用来在执行输出指令时获得低电平(有效)，译码器的两条输出线Y₀(上划线)\、Y₂(上划线)分别连接到CS(上划线)~XFER(上划线)，一条地址线A₀连接到BYTE1/BYTE2(上划线)，从而形成三个口地址：低4位输入寄存器为380H；高8位输入寄存器为381H;12位DAC寄存器为384H。

在软件设计中，为了实现8位数据线D₀~D₇传送12位被转换数，主机须分两次传送被转换数。首先将被转换数的高8位传送给8位输入寄存器DI₁₁~DI₄，再将低4位传给4位输入寄存器DI₃~DI₀，然后再打开DAC寄存器，把12位数据送到12位D/A转换器去转换。当输出指令执行完成后，DAC寄存器又自动处于锁存状态以保持D/A转换器的输出不变。设12位被转换数的高8位存放在DATA单元中，低4位存放在DATA+1单元中。

1
2
3
4
5
6
7

DAC:MOV DX,0381H # 高8位
	MOV AL,[DATA]
	OUT DX,AL
	MOV DX,[DATA+1] # 低4位
	OUT DX,AL
	MOV DX,0384H
	OUT DX,AL # 完成12位数据转换

2.3 输出方式

多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需要在电流输出端外接运算放大器。

2.3.1 电压输出方式

由于系统要求不同，电压输出方式又分为单极性输出和双极性输出两种形式。

DAC单极性输出

DAC双极性输出

2.3.2 电流输出方式

因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息，这就需要将电压信号再转换成电流信号，完成电流输出方式的电路被称为V/I变换电路。电流输出方式一般有两种形式：

• 普通运算V/I变换电路
• 集成转换器V/I变换电路（高精度）

普通运算V/I变换电路

集成转换器V/I变换电路

2.3.3 自动/手动输出方式

在计算机过程控制中，除了正常运行的自动控制方式以外，在开、停车或事故情况下还需要进行手动控制方式，在自动/手动控制方式切换的瞬间，必须保持系统输出信号不变，才能对执行器的现有位置不产生扰动，即达到双向切换时平衡对位的无扰动切换。

在普通运算放大器V/I变换电路的基础上，增加了自、手动切换开关K1、K2、K3和手动增减电路与输出跟踪电路。

• 自动/手动状态下的V/I变换

  • 当开关处于自动（A）状态时，运算放大器A2与A1接通，形成一个电压比较型跟随器。当V_f≠V_i时，电路能自动地使输出电流增大或减小，最终使V_f=V_i，于是有：
    $$
    I_L = V_i / (R_9 + R_P)
    $$
    可以看出：只要电阻R₉、R_P稳定性好，A₁、A₂具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R₉+R_P = 500Ω或250Ω时，输出电流I_L就以0mA~10mA或4mA~20mA的直流信号线性地对应V_i的0V~5V或1V~5V的直流电压信号。

  • 当开关处于手动（H）状态时，此时运放A₁与A₂断开，成为一个保持型反相积分器。当按下“增”按钮时，V₂以一定的速率上升，从而使I_L也以同样的速率上升；当按下“减”按钮时，V₂以一定的速率下降，I_L也以同样的速率下降。负载R_L（一般为电动调节阀）上的电流I_L的升降速率取决于R6、R7、C和电源电压±E的大小，而手动操作按钮的时间长短决定输出电流I_L的大小。

• 自动/手动双向无扰动切换

  • 自动到手动的切换：当开关S1、S2、S3都从自动（A）切换为手动（H），“增”、“减”两处按钮处于断开状态，运算放大器A₂为一高输入阻抗保持器，则A₂的输出V₂几乎保持不变，从而维持输出电流I_L恒定。因此，自动到手动的无扰动切换是由手动操作电路的硬件实现的。

  • 手动到自动的切换：当开关S1、S2、S3手动（H）切换为自动（A）时，要做到无扰动切换必须使自动输出电路具有跟踪手动输出的功能，即在手动状态下，使来自计算机D/A转换电路的自动输入信号V_i始终等于反映手动输出的信号V_f（V_f和I_L总是一一对应的）。要达到这个目的，必须有上图所示的硬件电路与相应的跟踪程序配合。

    工作过程：在每个控制周期，计算机首先由数字量输入通道（DI）读入开关S₂的状态，以判断输出电路是处于手动状态还是自动状态：若是自动状态，则程序执行本回路预先规定的控制运算，输出V_i并通过V/I变换输出电流I_L；若为手动状态，则首先由A/D通道读入V_f并转换为数字信号，然后原封不动地将此数字信号送出，由D/A转换为电压信号送至输出电路的输入端V_i，这样就使V_i始终与V_f相等。当开关S1从手动（H）切换为自动（A）是，由于V_i≡V_f，所以V2与I_L都保持不变，从而实现了手动到自动的无扰动切换。

2.4 D/A转换模板

将上述D/A转换器芯片及其接口以及输出电路组合集成在一块模板上，就构成了计算机控制系统中的D/A转换模板。

2.4.1 D/A转换模板的通用性

• 符合总线标准

  指计算机内部的总线结构，D/A转换模板及其他所有电路模板都应符合统一的总线标准。

• 接口地址可选

  一套控制系统往往需要配置多块功能模板，或者同一功能模板可能被组合在不同系统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。

  一般接口地址可由基址（或称板址）和片址（或称口地址）组成。

  

  上图为一种可选的译码电路，8位量值比较器74LS688、地址A3~A7、置位开关S与上拉电阻组成基址译码电路，74LS138译码器、地址A0A2构成片址译码电路。只有当P_i = Q_i(i = 1,2,3……7)时，它的输出端P = Q为有效低电位从而使74LS138译码器处于工作状态，产生由相应片址A0\A2确定的片选信号WC0~WC7，该片选信号可分别作为多D/A结构中8个D/A转换器的片选信号CS(下划线)或写信号WR₁(下划线)。

  而基址A7~A3的确定，完全取决于置位开关S7~S3的通断状态，其基址可在00000xxx~11111xxx范围内任意选定。上图中，S7、S6闭合，S5、S4、S3断开，即确定该板的基址为00111xxx，则该板8个片址最终确定了8个D/A通道的口地址为00111000~00111111，即：38H~3FH

• 输出方式可选

  为了适应不同控制系统对执行器的不同需求，D/A转换模板往往把各种电压输出和电流输出方式组合在一起，然后通过短接柱来选定某一种输出方式。

  一个实际的D/A转换模板，供用户选择的输出范围常常是：0~5V、0~10V、±5V、0~10mA、4~20mA等。

2.4.2 D/A转换模板的设计举例

D/A 转换模板设计主要考虑以下几点：

• 安全可靠

  尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。

• 性能/性价比高

  既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。

• 通用性

  D/A转换模板应符合总线标准，其接口地 址及输出方式应具备可选性。

D/A模板转换设计步骤：

• 确定性能指标
• 设计电路原理图
• 设计和制造印制线路板
• 最后焊接和调试电路板

图2-15给出了8路8位D/A转换模板的结构组成框图，它是按照总线接口逻辑、I/O功能逻辑和I/O电气接口等三部分布局电子元器件的。图中，总线接口逻辑部分主要由数据缓冲与地址译码电路组成，完成8路通道的分别选通与数据传送（参见图2-14接口地址可选的译码电路）；I/O功能逻辑部分由8片DAC0832组成，完成数模转换（参见图2-5DAC0832接口电路）；而I/O电气接口部分由运算放大器与V/I变换电路组成，实现电压或电流信号的输出（参见图 2-8的双极性电压输出方式与图2-9的电流输出方式）。

考试要求

掌握DA原理 判断 简答

DA转换器的性能指标
DA大题 电路分析（8位/12位）地址分析 根据需要设计电路

输出方式：重点掌握自动手动输出切换

电路分析不考察

课后习题

1、画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。

2、D/A转换器的性能指标有哪些？

3、结合图2-3，分析说明DAC0832的内部结构组成及其作用。

4、结合图2-5分析说明由DAC0832组成的单缓冲接口电路的工作过程，编写完成一次D/A转换的接口程序。

5、结合图2-6分析说明由DAC1210组成的接口电路的工作过程，编写完成一次D/A转换的接口程序。

6、简单说明D/A转换输出电路有几种输出方式。

7、结合图2-13分析说明自动/手动双向无扰动切换过程。

8、结合图2-14分析说明基址与片址的译码过程。

9、结合图2-15分析说明D/A转换模板的结构组成及各部分逻辑功能。

第3章 模拟量输入通道

引言部分

本章要点：

1．模拟量输入通道的结构组成。

2．多路开关，前置放大、采样保持等各环节的功能作用。

3．8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路。

4．12位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路。

模拟量输入通道的任务：将被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液体、重量等模拟量转换成计算机可以接收的数字量信号。

来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟信号量首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和A/D转换，通过接口电路以数字信号量进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。

显然，该通道的核心是A/D转换器，通常把模拟信号量输入通道称为A/D通道或AI通道。

3.1 信号调理电路(不考大题)

在模拟输入通道中，对现场可能引入的各种干扰，必须采取相应的技术措施以保证A/D转换的精度，所以首先要在输入通道之前设置输入信号调理电路。

根据通道需要，可以采取不同的信号调理技术，如：信号滤波、光电隔离、电平转换、过电压保护、反电压保护、电流/电压变换等。

在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0 - 10 mA或4 -20 mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路：

• 无源I/V变换

  构成：无源器件电阻＋（RC滤波＋二极管限幅）等保护

  

  取值:

  • 输入0- 10 mA，输出为0 -5 V ，R1=100Ω，R2=500Ω；

  • 输入4 -20 mA，输出为1 - 5 V，R1=100Ω，R2=250Ω；

• 有源I/V变换

  构成：有源器件运算放大器＋电阻、电容组成

  利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压，该同相放大电路的放大倍数：

  

  取值：

  • R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ 输入0 ~ 10 mA输出0 ~ 5 V
  • R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ 输入4 ~ 20 mA输出1 ~ 5 V

3.2 多路模拟开关

由于计算机工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路信号。因此，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次切换到后级。

目前计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如：集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。

双向：该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。

双端：指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。

3.2.1 结构原理

8路模拟开关

构成：电平转换、译码驱动、开关电路

当禁止端INH(上划线)为“1”时，前后级通道断开，即：S0~S7端不可能接通；当INH(上划线)为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可以选通8个通道S0~S7中的一路。比如：当CBA = 000时，通道S0选通；CBA = 001时，通道S1选通；……；当CBA = 111，通道S7选通。

见书3-1真值表

3.2.2 扩展电路

当采样通道多至16路，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路CD4051并联起来，组成一个单端16路开关。

例：试用两个CD4051扩展成一个1x16路的模拟开关。

数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端INH(下划线)。当D3 = 0时，选中上面的多路开关，当D2、D1、D0从000变为111时，依次选通S0~S7通道；当D3 = 1，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道。

3.3前置放大器

引言

前置放大器的任务：将输入模拟小信号放大到A/D转换的量程范围 ，如0-5VDC;

对于单纯的微弱信号，可以用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反向。

下图(a)，信号源的一端若接放大器的正端，则为同相放大，同相放大倍数G = 1 + R2 / R1。

下图(b)，信号源的一端接放大器的负端，则为反相放大，反相放大电路的放大倍数G = -R2 / R1

当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。

3.3.1 测量放大器

来自生产现场的传感器信号往往带有共模干扰，而单个运算放大器的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运算放大器构成的测量放大器，也称仪表放大器，如下图。

经典的测量放大器由三个运算放大器组成对称结构，测量放大器的差动输入端V_IN+和V_IN-分别是两个运算放大器A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有极强的抑制共模干扰能力。

增益公式：

3.3.2 可变增益放大器

在A/D转换通道中，多路被测信号经常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此对于不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不相同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如下图。

把(a)图中的外接电阻换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可以改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可以算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然这组开关如果用多路模拟开关就可以方便地进行增益可变地计算机数字程序控制，此类集成电路芯片有AD612/AD614等。

另外，还可以用数字电位器代替增益电阻，同样通过编程控制电位器阻值，使其放大倍数接近连续化。此类集成芯片有X9313、X9511、MAX5161。

3.4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。为了保证转换的精度，需要应用采样保持器。

3.4.1 采样定理

以一定时间间隔对连续的信号进行采样，使连续信号转换为时间上离散的、幅值上连续的脉冲序列的过程称为采样过程。

把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统，称为采样数据系统或离散系统。

• 离散系统的采样形式：
  • 周期采样（应用最多）
  • 多阶采样
  • 随机采样

采样开关每次闭合的时间称为采样时间或采样宽度，采样开关每次通断的时间间隔称为采样周期T。

香农定理：为了使采样信号f^*(t)能完全复现原信号f(t)，采样频率f_s至少要为原信号最高有效频率f_max的两倍，即：f_s≥2f_max

若选择的频率对连续信号所含的最高频率来说，能做到在其一个周期内采样两次以上，则在采样获得的脉冲序列中将包含连续信号的全部信息。反之，若采样信号次数太少，就做不到无失真地再现原连续信号。

实际：f_s≥（5~10）f_max

3.4.2 零阶采样保持器

在两次采样时间间隔内，根据采样信号而复现原信号的装置被称为保持器。当用常数、线性函数和抛物线函数去逼近两个相邻采样时间的原信号时，分别称为零阶、一阶、高阶采样保持器。

零阶采样保持器是最常用的一种信号保持器，它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，如上图所示，采样保持器由输入/输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容C_H等组成。

采样期间，开关S闭合，输入电压V_IN通过A1对C_H快速充电，输出电压V_OUT跟随V_IN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容C_H将保持电压V_C不变，因而输出电压V_OUT = V_IN也保持恒定。

显然，保持电容C_H的作用很重要。实际上，保持期间的电容保持电压V_C在慢慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压的变化率：
$$
\frac{dV_C}{dt} = \frac{I_D}{C_H}
$$
I_D是保持期间电容总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流等。增大电容C_H可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。

常见的零阶采样保持器有：AD582(图a)、LF198/LF298/LF398(图b)。这里用TTL逻辑电平控制采样和保持状态：当LF198/LF298/LF398的引脚8为低电平时，开关S断开，电路进入保持状态。AD582的控制逻辑与之相反。

在A/D通道中，采样保持器的采样和保持电平与后级的A/D转换相配合，该电平信号既可以由其他控制电路产生，也可以由A/D转换器直接提供。总之采样器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换的精度。

3.5 A/D转换器

A/D转换器能把输入的模拟电压变成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。

3.5.1 工作原理和性能指标

• 逐位逼近式A/D转换

  速度较快，精度也较高，目前应用最多的一种。

• 双积分式A/D转换

  转换速度慢，但转换精度高，多用于数据采集系统

• 电压/频率式A/D转换

  接口原理简单，转换速度较慢，但精度较高，适合于远距离的数据传送。

逐位逼近式A/D转换原理（重点）

1个n位A/D转换器是由：逐位逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、控制时序和逻辑电路、数字量输出锁存器五部分组成。

现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制1001为例，说明诸位逼近式A/D转换器工作原理：

如上图，当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使逐位逼近寄存器的最高位D₃=1，其余为0，此时数字量1000经D/A转换器转换成模拟量即：V₀ = 8，送到比较器的输入端与被转换的模拟量V_IN = 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若V_IN ≥V ₀，则保留D₃；再对下一位D2进行比较，同样先使D₂ = 1，与上一位D₃一起即1100进入D/A转换器，转换为V₀ = 12再进入比较器，与V_IN进行比较，因为V_IN ＜V ₀，所以使D₂ = 0；再下一位D₁位也是如此，D₁ = 1，经D/A转换为V₀ = 10，因为V_IN ＜V ₀，所以使D₁ = 0；最后一位D₀ = 1，经D/A转换为V₀ = 9，再与V_IN进行比较，因为V_IN  ≥ V ₀，故保留D₀ = 1。比较结束，逐位逼近寄存器中的数字量1001极为模拟量9的转换结果，存在数字输出锁存器中等待输出。

一个n位A/D转换器的A/D转换表达式：
$$
B = \frac{V_{IN} - V_{R-}}{V_{R+} - {V_{R-}}} × 2^n\
B：转换后的输出数字量\
V_{IN}：要转换的输入模拟量\
V_{R+}、V_{R-}：基准电压源的正、负输入。
$$
即：当基准电压源确定后，n位A/D转换器的数字输出量B与要转换的输入模拟量V_IN成正比。

此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801～ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A、ADC803等。

双积分式A/D转换原理

上图为原理图，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压V_IN在固定时间T内对积分器上的电容C开始充电(正向积分)，时间一到，控制逻辑将开关切换到与V_IN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电(反向积分)，同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。

放电时间T1或T2正比于输入电压V_IN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压V_IN在固定积分时间T内的平均值。

此种A/D转换器品种常有输出为3位半BCD码(二进制编码的十进制数)的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等。

电压/频率式A/D转换原理

电压/频率式A/D转换器简称V/F转换器，是把模拟电压信号转换为频率信号的器件。

实现V/F转换的方法很多，现以常见的电荷平衡V/F转换法说明其转换原理：

A1是积分放大器，A2为零电压比较器，恒流源I_R和开关S构成A₁的反充电回路，开关S由单稳态定时器触发控制。当积分放大器A1的输出电压V₀下降到零时，零电压比较器A2输出跳变，触发单稳态定时器，产生暂态时间为T1的定时脉冲，并使开关S闭合；同时又使晶体管VT截止，频率输出端V_fO输出高电平。
在开关S闭合期间，恒流I_R被接入积分器的“-”输入端。由于电路是按I_R＞V_Imax / R_I设计的，故此时电容C被反向充电，充电电流为I_R-V_I / R_I，则积分器A1输出电压V_O从零开始线性上升。当定时时间T₁结束，定时器恢复稳态，使开关S断开，反向充电停止，同时使晶体导管VT导通，V_fO输出低电平。

开关S断开后，正输入电压V₁开始对电容C正向充电，其充电电流为V_I / R_I，则积分放大器A1输出电压V_O开始线性下降。当V_O = 0时，比较器A₂输出再次跳变，又使单稳态定时器产生T₁时间的定时脉冲，而控制开关再次闭合，A₁再次反向充电，同时V_fO端又输出高电平。

如此反复，就会在积分器A₁输出端V_O、单稳态定时器脉冲输出端和频率输出端V_fO端产生(b)中的波形，其波形的周期为T。

根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等的平衡原理，可得：
$$
(I_R - \frac{V_1}{R_1})T_1 = \frac{V_1}{R_1}(T-T_1)
$$
整理得：
$$
T = \frac{I_RR_1T_1}{V_1}
$$
则V_fO端输出的电压频率为：
$$
f_O = \frac{1}{T}=\frac{V_1}{I_RR_1T_1}
$$
这个f_O就是由V₁转换而来的输出频率，两者成线性比例关系。由上式可见，要精确地实现V/F变换，要求I_R、R₁、T₁应准确稳定。积分电容C虽然没有出现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流V₁/R₁，从而影响转换精度。

此种V/F转换器常用品种：VFC32、LM131/LM331、AD650、AD651

A/D转换器性能指标

• 分辨率

  分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：

  分辨力= 满刻度值/2ⁿ

• 转换精度

  转换后所得实际值与理论值的接近程度，可用绝对误差和相对误差来表示。

  绝对误差 = 实际模拟输入值 - 理论值

  绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

  相对误差 =（指绝对误差/满刻度值）* 100%

  对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（Least SIgnificant Bit）来表示，1LSB = 1 / 2ⁿ

  例如，对于一个8位0~5V的A/D转换器，如果其相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5 mV，相对误差值为0.39%，一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。

• 非线性误差

  A/D转换器实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差。在转换器设计中，一般要求非线性误差不大于1 / 2 LSB。通常用非线性误差来表示A/D转换器的线性度。

• 转换时间

  A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。

3.5.2 ADC0809芯片及其接口电路

ADC0809芯片介绍

• 8位逐位逼近式A/D转换器
• 分辨率为1 / 2₈ ≈0.39%
• 模拟电压转换范围0 ~+5V
• 标准转换时间为100us
• 采用28脚双立直插式封装

ADC0809是在逐位逼近式A/D转换原理基础上，增加了8路模拟开关、一个用来选择通道的地址锁存与译码电路和一个三态输出锁存器，其引脚功能如下：

V_IN0~V_IN7：8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。

A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE位高电平时，地址译码与对应通道选择如表：

START：A/D转换启动信号，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。平时EOC为高电平，A/D转换期间为低电平，A/D转换结束后又变成高电平。EOC可用作向主机申请中断的信号，或供主机查询A/D转换是否结束的信号。

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。

DO₀~DO₇：8位数字量输出。DO₀为最低位，DO₇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100us

V_R+、V_R-：基准电压源正端、负端。取决于被转换的模拟电压范围。通常：V_R+ = + 5V(DC)，V_R- = 0V(DC)

GND：电源地

了解ADC0809的内部转换时序十分重要，这是设计硬件与软件的主要依据。

转换过程如下：首先ALE上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START的上升沿将转换器内部清零，下降沿启动A/D转换器，即在时钟作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。

当转换结束后，EOC恢复高电平，此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。

上述过程中，判断A/D转换器是否完成一次转换，可以依据结束信号EOC电平的高低，或者根据输入时钟频率计算出转换芯片的转换时间。因此读取A/D转换数可以采用：程序查询、定时采样、中断采样和CPU等待等多种方式。

另外，ADC0809这种芯片输出端具有可控的缓冲锁存门，易于直接与主机进行接口。还有一类芯片内部没有缓冲锁存门，不能直接与主机相连。这样，在A/D转换器与主机之间也出现了直接连接、通过8255或锁存器间接连接几种情形。

ADC0809接口电路

A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号的，即主机如何启动A/D转换（体现为对START和ALE引脚的控制），如何判断A/D完成一次模数转换（体现为是否读取EOC标志，如何读取），如何读入并存放转换结果的。下面仅介绍两种典型的接口电路。

• 查询方式读取A/D转换数

  

  组成：PC总线、ADC0809、74LS138、74LS02、74LS126三态缓冲器组成。启动转换的板址PA = 01000000，每一路的口址分别为000~111，故8路转换地址为40H~47H。

  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

  MOV BX，BUFF ；置采样数据区首址 MOV CX，08H ；８路输入 START：OUT PA，AL ；启动A/D转换 REOC： IN AL，PB ；读EOC RCR AL，01 ；判断EOC JNC REOC ；若EOC=0，继续查询 IN AL，PA ；若EOC=1，读A/D转换数 MOV [BX]，AL ；存A/D转换数 INC BX ；存A/D转换数地址加1 INC PA ；接口地址加1 LOOP START ；循环

  现说明启动转换过程：首先主机执行一条启动第一路的输出指令，把AL中的数据送到地址为PA的接口电路中，此时AL中的内容无关紧要，而地址PA = 40H，使138译码器的Y₀(上划线)输出一个低电平，连同OUT输出指令造成的IOW(上划线)低电平，从而使非与门02(3)产生脉冲信号到引脚ALE和START，ALE的上升沿将通道地址代码000锁存并进行译码，选通模拟开关中的第一路V_IN0，使该路模拟量进入到A/D转换器中；同时START的上升沿将ADC0809中的逐位逼近寄存器SAR清零，下降沿启动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近的A/D转换过程开始。

  接着，主机查询转换结束信号EOC的状态，通过执行输入指令，把地址为PB的转换接口电路的数据读入AL，此时地址PB = 01001000(48H)，使74LS138译码器的Y₁(上划线)输出一个低电平，连同IN输入指令造成IOR(上划线)低电平，从而使非与门02(1)产生脉冲信号并选通126三态缓冲器，使EOC电平状态出现在数据线D₀上。然后将读入的8位数据进行循环右移，以判断EOC的电平状态。如果EOC为“0”，表示A/D转换正在进行，程序再跳回REOC，反复查询；当EOC为“1”，表示A/D转换结束。

  然后，主机执行一条输出指令，把接口地址为PA的转换数据读入AL，Y₀(上划线)输出一个低电平，连同IN输入指令造成IOR(上划线)低电平，从而使非与门02(1)产生脉冲信号，并选通126三态缓冲器判断，使EOC电平状态出现在数据线D₀上。然后将读入的8位数据进行带进位的循环右移，以判断EOC状态。如果EOC为“0”，表示A/D转换正在进行，程序跳回REOC，反复查询；当EOC为“1”，表示A/D转换结束。

  接下来，主机执行一条输入指令，把接口地址为PA的转换数据读入AL中，Y₀(输出一个低电平)，连同IN输入指令造成IOR(低电平)，从而使非与门02(2)产生脉冲信号，即产生输出允许信号到OE，使ADC0809内部的三态输出锁存缓冲器释放转换到数据线上，并被读入到AL中。

  接下来，把A/D转换器数据存入寄存器BX所指的数据区首地址0000H中，数据区地址加1，为第2路A/D转换数据的存放做准备；接口地址加1，准备接通第2路模拟信号；计数器减1，不为0则返回到START，继续进行下一路的A/D转换。如此循环，直至完成8路A/D转换。

  非与门02(3)和IOW(上划线)控制A/D转换器启动；通过三态缓冲器读入EOC状态以判断是否转换结束。

• 定时方式读A/D转换数

  

  它与查询方式的不同仅仅在于A/D转换后，无需查询EOC引脚状态而只需要等待转换时间，然后读取A/D转换数。因此，硬件电路可以取消126三态缓冲器及其控制电路，软件上也相应地去掉查询EOC电平地REOC程序段，而换之以调用定时子程序(CALL DELAY)即可。

  这里定时时间应略大于ADC0809的实际转换时间。图中ADC0809的CLOCK引脚(输入时钟频率)为640kHz，因此转换时间为8×8个时钟周期，相当于100us。

  显然，定时方式比查询方式简单，但前提是必须预先精确地知道A/D转换芯片完成一次A/D转换所需要的时间。

  这两种方法的共同特点是硬件、软件接口简单，但在转换期间独占了CPU时间，好在这种逐位逼近式A/D转换时间只是在微秒数量级。当选用双积分式A/D转换器时，因其转换时间在毫秒级，因此采用中断法读A/D转换数的方式更为适宜。因此，在设计数据采集系统时，究竟采用何种接口方式要根据A/D转换器芯片而定。

  8位A/D转换器的分辨率0.0039，转换精度在0.4%以下，这对一些精度要求较高的控制系统时不够的，因此要采用更多位的A/D转换器，如10位、12位、14位等A/D转换器。下面以AD574A为例介绍12位A/D转换器及其接口电路。

3.5.3 AD574A芯片及其接口电路

1.AD574A芯片介绍

• AD574A是一种高性能的12位逐位逼近式A/D转换器
• 分辨率为1 / 2¹²≈0.024%
• 转换时间为25us，适合于在高精度快速采样系统中使用
• 内部结构大体于ADC0809类似，由12位A/D转换器、控制逻辑、三态输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可直接与主机数据总线连接，但只能输入一路模拟量。
• AD574A也采用28脚双立式直插式封装。

10V_IN、20V_IN、BIP、OFF：模拟电压信号输入端。单极性应用时，将BIP OFF接0V，双极性时接10V。量程可以是10V，也可以是20V。输入信号在10V范围内变化时，将输入信号接至10V_IN；在20V变化时，接至20V_IN。

2.AD574接口电路

12位A/D转换器AD574A与PC总线的接口有多种方式。既可以与PC总线的16位数据总线直接相连，构成简单的12位数据采集系统；也可以只占用PC总线的低8位数据总线，将转换后的12位数字量分两次读入主机，以节省硬件投入。

同样，在A/D转换器与PC总线之间的数据传送上也可以使用程序查询、软件定时或中断控制等多种方法。由于AD574A的转换速度很高，一般多采用查询或定时方式。其接口电路及其程序参见下一节。

3.6 A/D转换模板

A/D转换模板也需要遵循I/O模板的通用性原则：符合总线标准，接口地址可选以及输入方式可选。输入方式可选主要是指模板既可以接受单端输入信号，也可以接受双端差动输入信号。

A/D转换模板结构组成：

• I/O电气接口：

  完成电平转换、滤波、隔离等信号调理作用。

• I/O功能部分：实现采样、放大、模/数转换等功能。

• 总线接口：完成数据缓冲、地址译码等功能。

在AD574A芯片中：

• STS(上划线)：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。

• CE：片能用信号，输入，高电平有效。

• CS(上划线)：片选信号，输入，低电平有效。

• R/C(上划线)：读/转换信号，输入，高电平时读入A/D转换数据，低电平时启动A/D转换。

• 12 / 8(低电平)：数据输出方式选择信号，输入，高电平时输出12位数据，低电平时与A₀信号配合输出高8位或低4位数据。12 / 8(低电平)不能用TTL控制，必须直接接至+5V(引脚1)或数字(引脚15).

• A₀：字节信号，在转换状态，A₀为低电平可使AD574A进行12位转换，A₀为高电平可使AD574A进行8位转换。在读数据状态，如果12/8(上划线)为低电平，A₀为低电平时，则输出高8位数，而A₀为高电平时，则输出低4位数；如果12 / 8(上划线)为高电平，则A₀状态不起作用。

CE、CS(上划线)、R/C(上划线)、12 / 8(低电平)、A₀各控制信号组合作用表：

模板采集数据的过程如下：

• 通道选择：将模拟量输入通道号写入8255A端口C低4位(PC3~PC0)，可依次选通8路。
• 采样保持控制。把AD574A的STS(上划线)信号通过反相器连接到LF398的信号采样保持端，当AD574A未转换期间或转换结束时STS(上划线) = 0，使LF398处于采样状态，当AD574A转换期间STS(上划线) = 1，使LF398处于保持状态。
• 启动AD574A进行A/D转换。通过8255A的端口PC6~PC4输出控制信号，启动AD574A。
• 查询AD574A是否转换结束。读8255A的端口A，查询STS(上划线)是否已由高电平转换为低电平。
• 读取转换结果：若STS(上划线)已由高电平转换为低电平，则读取8255A端口A、B，便可以得到12位转换结果。

考试要求

不考程序汇编、不考AD转换器电路设计，只是分析电路

三类AD转换器，抽一类出来分析阐述

课后习题

1.画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？

2.分析说明8路模拟开关CD4051的结构原理图，结合真值表设 计出两个CD4051扩展为一个8路双端模拟开关的示意图。

3．什么叫周期采样？采样时间？采样周期？（区分清楚）

4．分析图3-9采样保持器的原理电路及工作过程。

5．简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。

6．结合图3-14与图3-15，分析说明ADC0809的结构组成及其引脚作用。

7．试分析图3-16、图3-17 ADC0809接口电路的启动、转换、查询或定时读入数据的工作过程。比较说明这两种接口电路在硬软件上的异同点。

8．分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。

第4 章 数字量输入/输出通道

引言

在微机控制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还要处理数字信号，包括开关信号、脉冲信号。如开关触点的闭合和断开,指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪表的 BCD 码，以及脉冲信号的计数和定时等等 。

4.1 光电耦合隔离技术

计算机控制系统的输入信号来自于现场的信号传感器，输出信号又送回现场的执行器。因此，现场的电磁干扰会通过输入/输出通道串入到计算机系统中，这就需要采用通道隔离技术。最常用的方法是光电耦合隔离技术。

4.1.1 光电耦合隔离器

光电耦合隔离器的几种类型：

现以三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理 ：

三极管型光耦器件的发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内，发光二极管为光耦隔离器的信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极为光耦隔离器的输出端，它们之间的信号传递是依靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传送给光敏三极管的输入、输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。

利用光耦隔离器的开关特性（光敏三极管工作在截止区、饱和区）可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。例如：在数字量输入/输出通道中，以及在模拟量输入通道中的A/D转换器与CPU之间或模拟量输出通道中的CPU与D/A转换器之间的数字信号传送，都可以用光耦的这种开关特性。

利用光耦隔离器的线性放大区(光敏三极管工作在线性区)，可传送模拟信号而隔离电磁干扰，简称对模拟信号进行隔离。例如：在现场，传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号传输，可利用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。

光耦的这两种隔离方法各有优点。模拟信号隔离方法的优点是：使用少量的光耦，成本低；缺点是：调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响A/D或D/A转换的精度和线性度。

数字信号隔离方法优点是：调试简单，不影响系统的精度和线性度；缺点是：使用较多的光耦器件，成本较高。但是因为光耦器件越来越廉价，数字信号隔离方法的优势凸显出来，因而在工程中使用更多。

需要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏三极管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开，单独供电，才能有效避免输出端与输出端相互之间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用光耦隔离器可以有效隔离电磁场的干扰。

4.1.2 光电耦合隔离电路

分类：数字量同相和数字量相反传递两种。

同相传递：光耦的输入输出同相，即输入为低（高）输出为低（高）

反向传递：光耦的输入输出反相，即输入为高（低）输出为高。

4.2 数字量输入通道

数字量输入通道（DI通道）的任务：把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。

信号调理电路：虽然都是数字信号，不需进行A/D转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。

4.2.1 开关输入电流

开关信号：凡在电路中起到通断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称开关信号。

在开关输入电路中，主要考虑信号调理技术，如：

• 电平转换：用电阻分压法把电流信号转换为电压信号。
• RC滤波：用RC滤波器滤出高频干扰
• 过电压保护：用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压钳位在安全电平上。
• 反电压保护：串联一个二极管防止反极性电压输入。
• 光电隔离：用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。

点画线右边是由开关S与电源组成的外部电路。(a)为直流输入电路，(b)为直流输入电路。

交流电比直流电多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流（如380V(AC)）变换为电压直流（如5V(AC)）。开关S的状态经RC滤波、稳压管VD₁钳位保护、电阻R₂限流、二极管VD₂防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可以读取开关S的状态。比如，当开关S闭合时，输入回路由电流流过，光耦中的发光二极管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应于开关S闭合；反之，开关S断开，光耦中的发光二极管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应于外电路开关S的断开。

4.2.2 脉冲计数器

有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输入接口，即在一定的时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系数换算出所检测的物理量。

上图为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频率信号，经过简单的信号调理，引到8253/8254芯片的计数通道1的CLK₁口。8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时器。计数通道0工作于模式3，CLK₀用于接收系统时钟脉冲，OUT₀输出一个周期位系统时钟脉冲N倍（N为通道0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为T_S、T_W；计数通道1和通道2均选为工作模式2，且OUT₁串接到CLK₂，使两者构成一个计数长度2³²的脉冲计数器，以对T_S内的输入脉冲计数。

如果获得T_S时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为n/T_S，从而可换算出介质的流量或电机的转速值。比如，发出脉冲信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲当量（一个脉冲相当的流量或转速）为K，则介质的流量或电机的转数就为K * n / T_S。

4.3 数字量输出通道

引言

数字量输出通道简称DO通道。

任务：把计算机输出的微弱的数字信号转换成能对生产过程进行控制数字驱动信号。

常用电路：三极管驱动输出电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。

选择：根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。

4.3.1 三极管驱动电路

对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可以作为开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。

• 普通三极管驱动电路

  

  当驱动电流只有几毫安时，如驱动发光二极管、小功率继电器等器件，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路。

  上图为驱动LED数码管的小功率三极管导通，当CPU数据线D_i输出数字“0”即低电平时，经7406反相锁存器变为高电平，使NPN型三极管导通，集电极电流驱动LED数码管发光。

• 达林顿驱动电路

  当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器，电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。

  构成：多对两个三极管组成的达林顿复合管构成

  特点：具有高阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管适用于计算机控制系统中的多路负荷。

MC1416内含有7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受100V电压，其输入/输出端均有钳位二极管，输出钳位二极管VD₂抑制高电位上发生的正向过冲，VD₁、VD₃可抑制低电平上的负向过冲。

对于达林顿阵列驱动电路，当CPU数据线D_i输出数字“0”即低电平时，经过7406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用符合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。

4.3.2 继电器驱动电路

电磁继电器主要由线圈、铁芯、衔铁和触点等部件组成，简称继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。

继电器驱动电路的设计要根据所用所用的继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。上图为经光耦隔离器的继电输出驱动电路，当CPU数据线D_i输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触电闭合，从而驱动大型负荷设备。

由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电路泄放回路。

4.4.3 晶闸管驱动电路

晶闸管又称可控硅SCR，是一种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交流/直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。

分类：单向晶闸管、双向晶闸管

单向晶闸管：有阳极A、阴极K、控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正向电压，控制极与阴极两端也施加正向电压使控制极电流增大到触发电流时，晶闸管由截止变为导通；只有在阳极、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。

双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管反向并联，但共享一个控制极。当两个电极T₁、T₂之间的电压大于1.5V时，不论极性如何，都可以利用控制极G触发电流控制其导通。因此特别适用于交流大电流场合。

晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。上图为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当CPU数据线D_i输出数字“1”时，经7406反相变为低电平，发光二级管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备R_L。

4.3.4 固态继电器驱动电路

固态继电器SSR：是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能。

优点：体积小，开关速度快，无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长。

固态继电器是一个四端组件，有2个输入端、2个输出端，其内部结构类似于晶闸管输出驱动电路。上图为其结构原理图，由五部分组成。

光耦隔离的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；零压检测是为交流型SSR过零触发而设置的。

SSR的输入端与晶体管、TTL、CMOS电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。

SSR的输出端可以是直流，也可以是交流，分别称为直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR内部的开关组件为功率三极管，交流型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。

过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流SSR的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电源相位如何，立即导通。

直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为4V~32V，输入电流为5mA~10mA。它的输出端为晶体管，输出工作电压为30V~180V。

交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般输入电压为4V~32V，输出电流小于500mA。输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A~500A范围内，电压多为380V或220V。下图为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线D_i输出数字“0”时，经7406反相变为高电平，使NPN型三极管导通，SSR输入端得电，输出端接通大型交流负荷设备R_L。

实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一定要远大于实际负载的电流和电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。

4.4 DI/DO模板

把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块模板上，就称为DI模板或DO模板。图中含有DI通道和DO通道的PC总线数字量I/O模板的结构框图。

PC总线接口逻辑部分组成：8位数据缓冲器、基址译码器、输入片址译码、输出片址译码。

I/O逻辑接口部分组成：输入缓冲器、输出缓冲器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用；输出缓冲器锁存CPU输出的数据或控制信号，供外部设备使用。I/O缓冲功能可以用可编程接口如8255A构成，也可以用74LS240、74LS244、74LS373、74LS273等芯片实现。

I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、保护、隔离、功率驱动等。

各种数字量I/O模板的前两部分大同小异不同的主要在于I/O电气接口部分，即输入信号的调理和输出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。

考试要求

主要考选择判断，概念了解

不考大题

课后习题

1. 画图分析说明三极管型光电耦合隔离器的工作原理。

2. 分析说明光耦隔离器的两种特性及其隔离电磁干扰的作用机理。

3. 结合图 4-4，简述信号调理电路的构成及其各元器件的作用。

4. 分析说明图 4-5脉冲计数电路的工作过程及其用途。

5. 简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。

6. 对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的异同点。

7. 对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输出驱动电路的异同点。

8. 结合图4-14，简述数字量I/O模板电路的结构组成。

第5章 键盘及其接口技术

引言

键盘是一种最常见的输入设备，它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。

键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。

编码键盘采用硬件编码电路来实现键的编码，每按下一个键，键盘便自动产生一个按键代码。编码键盘主要有BCD码键盘、ASCII码键盘等类型。

非编码键盘仅提供按键的通或断状态，按键代码的产生与识别由软件完成。

编码键盘的特点是使用方便，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但对按键的检测与抖动干扰的消除是靠硬件电路来完成的，因而硬件电路复杂、成本高。而非编码键盘硬件电路简单，成本低，但占用CPU时间较长。

5.1 键盘输入电路

计算机控制系统中的键盘通常采用触点式按键，触点式按键是利用机械触点的闭合或断开来输入状态信息。

5.1.1 键盘的抖动干扰

由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通，在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这种抖动称为按键抖动。

如上图，当按下按键时会产生前沿抖动，当按键弹起时会产生后沿抖动。这是所有机械触点式按键在状态输出时的共性问题，抖动时间长短取决于按键的机械特性与操作状态，一般10ms~100ms，这是键处理设计时要考虑的一个重要参数。

5.1.2 抖动干扰的消除

按键的抖动会导致按一次键产生的开关状态被CPU误读几次。为了使CPU能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动，去抖动的方法有：硬件方法、软件方法

1.硬件方法

设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。

上图由R₂和C组成的滤波延时电路，设置在按键S与CPU数据线D_i之间。按键S未按下时，电容两端电压为0，即非与门V_i为0，输出V_O为1。当S按下时，由于C两端电压不能突变，充电电压V_i在充电时间内未达到非门的开启电压，输出V_O将不会变化，直到充电电压V_i大于门的开启电压时，其输出V_O才会变成0，这段充电延时时间取决于R₁、R₂和C值的大小，电路设计时只要使之大于或等于100ms即可避开按键抖动的影响。同理，按键S断开时，即使出现抖动，由于C的放电延迟过程，也会消除按键抖动的影响。

上图的图二中，V₁是未施加滤波电路含有前沿抖动、后沿抖动的波形，V₂是施加滤波电路后消除抖动的波形。

2.软件方法

编制一段时间大于100ms的延时程序。

在第一次检测到有按键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。

5.2 非编码独立式键盘

独立式键盘是非编码键盘中最简单的一种键盘结构形式。每个按键独立地占有一根I/O口线，一般通过上拉电阻保证按键断开时I/O口线有确定的高电平，而按键闭合时为低电平。可以把各个按键的I/O口线直接与CPU数据线相连，通过CPU对相关I/O口线状态的检测，即可知道键盘上是否有按键按下和哪个键按下，并可以根据各个按键的功能定义进行相关的键功能处理。根据CPU何时访问和怎样访问按键的I/O口线，就构成了两种独立式键盘接口电路。

5.2.1 查询法接口电路

现在以3个按键为例，下图即为独立式键盘查询接口电路。按键S₀、S₁、S₂分别通过上拉电阻与CPU的数据线相连，当按键S_i闭合时，数据线直接接地，因而CPU读入D_i = 0；当按键S_i断开时，数据线通过上拉电阻接到正电源，因而CPU读入D_i = 1。

该接口电路实现的功能：查询检测是否有按键按下，如有键闭合，则消除抖动，再判断键号，然后转入相应的键处理程序。流程如下：

采用查询法，必须保证CPU每隔一定时间就主动地去扫描按键一次，该扫描时间间隔应小于两次按键的时间间隔，否则会有按键不响应的情形。显然这种方式占用CPU时间比较多。

5.2.2 中断法接口电路

仍以3个键为例，下图为一个用于炉温控制系统的独立式键盘中断法接口电路，S₀、S₁、S₂分别代表自动/手动切换、炉温参数显式和炉温参数打印功能。这是在上述查询法接口电路的基础上，再把按键S₀、S₁、S₂的数据输出线经过与非门和反相器后与8255A的选通输入信号PC₄相连，8255A的PC₃发出中断请求信号经中断控制器8259A与CPU的中断请求引脚相连，这是一种典型的中断法键盘接口电路。

工作过程：当CPU对8255A初始化（8255A的A口工作于方式1选通输入）后，CPU即执行主程序。当按下S₀键，即表示要进入自动控制状态，此时与之相连的I/O口线呈现低电平，使8255A端口A的选通输入信号PC₄（STBa(上划线)）有效，则PA₀~PA₂引脚接收并存入3个按键的“0”或“1”状态，当STBa(上划线)恢复成高电平，经T_SIT时间，8255A的PC₃发出INTRa中断请求信号，经中断控制器8259A向CPU申请中断，CPU响应中断后，即转到中断服务程序中。中断服务程序依次查询按键的通断状态，当查询到是自动/手动控制子程序的入口地址，从而使系统进入自动控制状态。如果按键没有按下，则相应的I/O口线均为高电平，也不会产生中断信号，CPU继续运行主程序。

键盘中断服务子程序，与查询方式相似，在保护现场后，首先调用100ms延时子程序去除抖动，然后依次查键号，并转入键功能处理程序，最后恢复现场，中断返回。显然，查询顺序代表了按键的排队优先级。

采用中断法，CPU对按键而言是被动方式，在无键按下时，不占用CPU时间，因而CPU有更多时间执行其他程序。

上述分析说明：独立式键盘接口电路简单灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，需要占用较多的I/O口线。比如：64个键需要有64根线，不仅连线复杂，查询按键的时间也较长。故这种键盘电路只适合按键数量比较少的小型控制系统或智能控制仪表。

5.3 非编码矩阵式键盘

当按键数量较多时，为了少占用CPU的I/O口线，通常将按键排列成矩阵式结构。矩阵式结构也是非编码键盘中的一种形式。

5.3.1 矩阵式键盘的结构组成

矩阵式键盘又叫行列式键盘，是用I/O口线组成的行、列线的交叉处，二线不能直接相通而是通过一个按键跨接接通。采用这种矩阵结构只需要M根行输出线和N根列输入线，就可以连接M×N个按键。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可以确认按键的状态，再通过键盘处理程序便可以识别按键值。

当键盘中无任何键按下时，所有的行线和列线被断开且相互独立，输入线Y₀~Y₇列都为高电平；当有任意一键按下，则该键所在的行线与列线接通，因此，该列线的电平取决于该键所在的行线。基于此，产生了“行扫描法”和“线扫描法”两种识别方法。

行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此(低电平)行中是否有键按下。若读得某列线为低电平，则表示此(低电平)行线与此列线叫交叉处有有按键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)没有按键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入直到8行全部检查完毕为止，若无按键按下，则返回。

有时为了快速判断键盘中是否有键按下，也可以将全部行线全部置为低电平，然后检测列线的状态；若所有列线均为高电平，则说明键盘中无键按下，立即返回；若要有一列的电平为低，则表示键盘中有按键被按下，然后在如上那样进行逐行扫描。

5.3.2 矩阵式键盘的程序设计

在计算机控制系统中，键盘扫描只是CPU工作的一部分。因此在设计键盘扫描程序时，必须保证键盘操作的实时性，又不能占用太多的CPU时间，还要充分考虑到抖动干扰的消除。一般可根据情况选用编程扫描、定时扫描或中断扫描中的一种方式。

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KEY：  MOV  AL，0
MOV  CL，AL          ；行值寄存器CL和列值寄存器DL清零
MOV  DL，AL
MOV  AL，0FFH
OUT  PORT1，AL      ；使所有行线为低电平
IN    AL，PORT1     ； 读列键值
CMP  AL，0FFH       ； 检查是否有键按下
JZ    DONE           ； 无键按下转返回
CALL DELAY          ； 有键按下调延时100mA子程序
MOV  AL，0FFH
OUT  PORT1，AL      
IN   AL，PORT1       ； 重复上述扫描,再次确认是否有键按下

CMP  AL，0FFH
JZ   DONE           ； 无键按下转返回
MOV  AH，08         ； 行数08送计数器AH
MOV  BL，01H        ；行扫描初值(即X0线)送BL
KEY1： MOV  AL，BL
OUT  PORT1，AL      ；输出使某行为低电平
IN   AL，PORT1      ； 读入列值
CMP  AL，0FFH       ； 判断此行是否有键按下
JNZ  KEY2           ； 有键按下转KEY2
MOV  AL，CL
ADD  AL，08         ； 无键按下,行值寄存器加08
DAA               
MOV  CL，AL

RCL  BL，1           ； 求下一行为低电平的输出代码
DEC  AH              ； 判8行全扫描完了吗
JNZ  KEY1            ； 若未完转KEY1，继续扫描下一行
DONE：IRET           ； 若全完则返回
KEY2：INC  DL        ； 列值寄存器加1(与键值对应)
RCR  AL，1           ； 列值循环右移1位
JC   KEY2 ； 判断该列是否为1，为1则无键按下继查下一列
MOV  AL，CL          ； 为0则有键按下,获得列值
ADD  AL，DL
DAA                  ；求键值
MOV  [BUFF]，AL      ；键值送缓冲单元暂存
JMP  KEYADR          ；转查找功能键的入口地址
END  KEY             ；

对于键盘处理程序来说，求得键值并不是目的。如果该键是数字键，就应把该键直接送到显示缓冲区进行键值的数字显示；如果该按键是功能键，则应找到该键子程序的入口地址，转而执行该键的功能指令。

5.4 编码键盘

上面所述的非编码键盘都是通过软件的方法来实现键盘扫描、键值处理和消除抖动干扰的。显然，这将占用较多的CPU时间。在一个较大的控制系统中，不允许主要用来执行键盘程序，这将严重影响系统的实时控制。下面以二进制编码键盘为例，介绍一种硬件方法来识别键盘和解决抖动干扰的键盘编码器及编码键盘接口电路。

5.4.1 二进制编码器

具有优先级的二进制8位编码器CD4532B的真值表如下：

表示芯片优先级的输入允许端E_i为“0”时，无论编码器的信号输入I₇~I₀为何状态，编码器输出全为“0”，芯片处于屏蔽状态，同时E₀为“0”，也为“0”，也屏蔽下一级芯片；当输入允许端E_i为“1”时，且编码器的信号输入I7~I0全为“0”，时，编码输出也为“0”，但输出允许端E0为“1”，表明此编码器输入端无按键按下，却允许优先级低的相邻编码器处于编码状态。这两种情形下的工作状态端GS均为“0”。

该芯片的8个输入端当中，I0的优先级最高，I7的优先级最低。当有多个按键按下时，优先级高的被选中，同时自动屏蔽优先级低的各输入端和下一级芯片（使E0端为“0”）。比如处于正常编码状态即Ei为“1”时，当I0端为“1”，其余输入端无论为“1”或“0”，编码输出均为二进制000；而当I1端为“1”时，编码输出则为二进制001；……以此类推，输入端的键值号与二进制编码输出一一对应。

5.4.2 编码键盘接口电路

如图所示是一种采用两片CD4532B构成的16个按键的二进制编码接口电路。其中由于U1的E0作为U2的Ei，所以按键S0的优先级最高，S15的优先级最低。U1和U2的输出O2~O0经或门A3~A1输出，以形成低3位编码D2~D0。而最高位D3则由U2的GS产生。当按键S8~S15中有一个闭合时，其输出为“1”。从而S0~S15中任意一个按键被按下，由编码D3~D0均可以输出相应的4位二进制码。

为了消除键盘按下时产生的抖动干扰，该接口电路还设置了由与非门B1、B2、电阻R2、电容C2组成的单稳电路和由或门A4、电阻R1、电容C1组成的延时电路，电路中E、F、G、H和I这五点的波形下图。由于U1和U2的GS接或门A4的输入端，所以当按下某键时，A4为高电平，其输出经R1和C1延时后使G点也为高电位，作为与非门B3的输入之一。同时，U2的输出信号EO触发单稳态（B1和B2），在暂稳态持续时间ΔT内，其输出F点为低电位，也作为与非门B3的输入之一。由于暂稳态期间（ΔT）E点电位的变化（即按键的抖动）对其输出F点电位无影响，所以此时不论G点电位如何，与非门B3输出（H点）均为高电位。

考试要求

5.3.1

！！！！很重要

大题：考察阐述矩阵式扫描键盘原理

选择填空

5.4.2

可能考察按下不同开关输出的编码！！！

课后习题

1．简述键盘的两种类型及其特点。

2．简述何为键盘的抖动干扰及其消除的两种方法。

3．对比分析说明图5-3与图5-5两种键盘接口电路的异同。

4．结合图5-6，分析说明矩阵式键盘电路的逐行零扫描法的工作过程。

5．分析说明图5-8二进制编码键盘接口电路的工作原理。

6．结合图5-8与图5-9，分析说明硬件电路消除抖动干扰的过程。

第6章 显示器及其接口技术

引言

显示装置：主要用来显示生产过程的工艺状况与运行结果。

常用的显示器器件：

• 显示记录仪：模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中已很少采用。
• 发光二极管LED：具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。
• 液晶显示器LCD：则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机等应用场合。
• 阴极射线管CRT图形显示器终端：CRT终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、路查询图等,在很多微型计算机控制系统中，特别在DDC，SCC以及DCS控制系统中，大都采用CRT操作台进行监视和控制。

6.1 LED显示器

6.1.1 LED显示器的工作原理

LED：是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。

伏安特性：类似普通二极管，正向压降约为2伏左右，工作电流一般在10~20 mA。

结构形式：单段的圆形或方形LED常用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字符。

• 结构形式
  • 共阴极：发光管的阴极并接成公共端COM，加高电平灯亮;
  • 共阳极：发光管的阳极并接成公共端COM，加低电平灯亮。

实现方法： CPU的数据线与LED各段引脚相连，控制输出的数据，点亮8段LED不同段的组合，显示等十六进制数。

6.1.2 LED显示器的显示方式

在计算机控制系统中，常利用n个LED显示器构成n位显示。通常把点亮LED某一段的控制称为段选，而把点亮LED某一位的控制称为位选或片选。根据LED显示器的段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，LED显示器有静态显示与动态显示两种方式，下面以4个共阴极LED的组合为例进行说明。

1.静态显示方式

• 结构特点：

  4个COM端连接在一起并接有效电平——无位选；

  每个LED的段选各自与一个8位并行I/O口相连——段选独立。

• 工作特点：

  缺点是电路中占用I/O口资源多，电路复杂，硬件成本高；而且由于同时显示，功耗大

  优点是占用CPU机时少，显示稳定可靠

• 适用：规模较大的实时控制系统。

2.动态显示方式

• 结构特点：

  4个LED显示器各自的段选线连在一起，与一个8位的I/O口相连；

  各自的COM端则由另一个I/O口进行位选。

• 显示效果：

  要显示不同的字符，只能由CPU通过两个I/O口依次轮流输出段选码和位选码，循环扫描LED，使其分时显示。动态显示利用了人的视觉惯性，虽然同一时间只能显示一个，但通过不断地分时轮流扫描显示，只要每个显示保持延时几毫秒，刷新周期不超过20ms(刷新周期与LED工作电流有关)，就可以获得视觉稳定地显示效果。

• 工作特点：

  优点是占用I/O资源少，线路简单，硬件成本低；分时显示，功耗略低。

  缺点是需用软件程序不断地循环扫描定时刷新，因而占用了CPU的大多数机时。

• 适用：只适用于小型测控系统，特别是专用于状态显示的数字仪器仪表中。

6.1.3 LED显示器接口电路

控制系统中的LED显示电路，除了要完成把字符串转换为对应的段选码的译码功能外，还要具有数据锁存和驱动的功能以外。其中，译码功能可以通过硬件译码器完成，也可以通过软件编程实现；而数据锁存与驱动只有依赖硬件电路来实现。

静态显示接口电路

锁存、译码、驱动均由硬件实现——CD4511B

实现过程：74LS138输出作为LED片选，每两个共用一个片选；每两个段选码共用一个字节。

4片CD4511B和一片74LS138

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MOV     BX，OFFSET  DATA1
MOV     AL，[BX]
OUT      PORT0，AL    ；显示左2位
INC       BX
MOV     AL，[BX]
OUT      PORT1，AL    ；显示右2位

动态显示接口电路

• 锁存、驱动由硬件电路实现（两个I/O并行端口）

• 段选码的译码由软件实现

• 实现过程：各个LED段选线对应并接到一片8D触发器74LS374（U1）进行段选控制，其间串有8个三极管以正向驱动LED的阳极；各个LED的COM端由另一片 74LS374（U2）进行位选控制，其间接有达林顿阵列驱动器MC1413（内含7对复合三极管）对阴极进行反向驱动，构成了位选通道；74LS138：控制位选和段选的锁存器74LS374，Y0=0，锁存CPU输出的段选码；

软件译码：略

6.2 LCD

引言

液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display )是一种利用液晶的扭曲/向列效应制成的新型显示器，它具有功耗极低、体积小、抗干扰能力强、价格廉等特点，目前已广泛应用在各种显示领域，尤其在袖珍仪表和低功耗应用系统中。LCD可分为段位式、字符式和点阵式三种。如右图所示。

6.2.1 LCD显示器结构原理

LCD是借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。液晶是一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相，在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性。

6.2.2 LCD的驱动方式

• 直接驱动：显示器件只有一个背极（即下玻璃电极基板），但每个字符段都有独立的引脚；
• 多极驱动：显示器具有多个背极，各字符段按点阵结构排列，这是显示字段较多时常采用的驱动方式。

• 上图总结：
  • 电压相位相同，两电极相位差为0，字段不显示；电压相位不相同，字段显示。
  • 交流电压驱动

• X接地，显示与否取决于Y，Y=1正常显示
• 从低到高：D C B A

6.2.3 段位式LCD接口电路

• 组成：
  • 一个8位并行I/O口作为译码驱动
  • 6片BCD码7段译码驱动器4056
  • 2片4位液晶显示启动器4054
  • 1片单稳态多谐振荡器
• 由单片机P1口的低4位输出LCD的段选码而由高4位输出位选码
• 4054、4056的锁存输出功能，使该电路称为静态显示电路
• 为了与液晶显示的低功耗相适应，全部芯片皆选用CMOS器件。

显示程序略

6.2.4 点阵式LCD接口电路

引言

点阵式LCD不但可以显示字符，而且可以显示各种图形及汉字。把点阵式LCD与配套或选定的驱动器、控制器集成在一起，就组成点阵式图形液晶显示模块，控制器的种类很多，比如日本东芝的T6963, 日立的HD61880,精工的SED1330/SED1335等。现以12864点阵式LCD液晶显示模块为例加以说明。

液晶显示模块12864主要由行/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。内部含有国标一级、二级简体中文字库和128个16×8点的ASCII字符集。可以同时显示8×4个（16×16点阵）汉字和图形显示。它与CPU的接口连线可采用并行或串行两种方式。

1.液晶模块接线原理

2.液晶模块指令说明

3.软件初始化

4.应用举例

液晶字符显示使用时还应注意以下3点：

• 要在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。
• 显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一 个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。
• 当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。

6.3 图形显示器

6.3.1 图形显示器概述

常用的图形显示器有两种：CRT显示器和TFT平面显示器。

• CRT显示器

  • CRT（Cathod Ray Tube）显示器：由一个图形监示器和相应的控制电路组成。在工业计算机中，插入一块VGA/TVGA图形控制板即可实现功能很强的图象显示功能。目前是计算机控制系统应用最多的一种图形显示技术。

    分辨率要求很高，或者显示速度要求很高时，使用智能图形终端，含有图形显示控制器（GDC），但是价格较高

  • 优点：硬件技术成熟，软件支持丰富，价格较为低廉

  • 缺点：体积与功耗大，易受振动和冲击，容易受射线辐射、磁 场干扰，因此在恶劣工况下须采用特殊加固和屏蔽措施。

• TFT显示器

  • 体积小，耗电省，如最薄的壁挂式机型厚度仅为5cm(2in)；
  • 可靠性高，寿命长，不易受振动、冲击和射线的干扰影响；
  • 显示颜色256种基色，可扩展至25600种组合。

6.3.2 图形显示画面

引言

图形显示器作用：直观形象地监视和操作工业生产过程。

显示画面功能： 反映出整个生产的工艺流程，便于单元操作控制；要有实时动态数据，又要有历史记忆功能。

显示画面功能内容：调节器、指示仪、记录仪、报警仪、模拟屏以及开关按钮、指示灯等。

设计语言： 早期用汇编语言来编写，后来多采用高级语言，现在采用组态软件，诸如美国的Intouch、Fix和德国的Wincc，国内的组态王、力控、MCGS和Controx等。

常用的显示画面：有总貌画面、分组画面、点画面、流程图画面、趋势曲线画面、报警显示画面、操作指导画面等

总貌画面

分组画面

可控制回路进行必要操作

点画面

点画面可以进行参数调节

趋势曲线画面

实时记录趋势与历史记录趋势

报警显示画面

操作指导画面

为了安全方便地操作，设计者按操作顺序预先将各项操作指令存入计算机，实际操作时，再以操作指导画面形式显示出来，用以指导操作。如果出现误操作，计算机会拒绝接收并显示出错标志，从而保证了安全操作。

考试要求

共阴共阳电路工作原理

静态显示方式、动态显示方式

可以出大题

LED电路给出，写出完整工作原理 / 阐述原理

6.1.3

设计显示器接口不考察

分析可能会考察

实际应用，不会去考程序设计，考察工作大致流程

6.2

不必过多了解，LCD本身的显示原理，不考大题，选填判

课后习题

1.结合图6-1，简述8段LED显示器的结构与工作原理。

2.结合图6-2，说明8段LED显示器段选码的概念及其0~F的段选码表。

3．以4位LED为例，说明LED的静态显示原理及其显示效果、特点及适用场合。

4．以4位LED为例，说明LED的动态显示原理及其显示效果、特点及适用场合。

5．结合图6-5，简述LED静态显示硬件译码电路的工作过程。

6．结合图6-6，简述LED动态显示软件译码电路的工作过程。

7．LCD液晶显示器有哪几种类型？简述其作用。

8．结合图6-9、图6-10，分析说明7段LCD液晶显示器的译码驱动电路。

9．在计算机控制系统中，常用的监控显示画面有哪些？

第7章数据处理技术

引言

数据采集：在计算机控制系统中，是最基本的一种模式。一般是通过传感器、变送器把生产过程的各种物理参数转换成电信号，然后经A/D通道或DI通道，把数字量送入计算机中。

数据处理：计算机在对这些数字量进行显示和控制之前，还必须根据需要进行相应的数值计算即数据处理。为了满足不同系统的需要，设计出了许多有效的数据处理技术方法，如预处理，数字滤波，标度变换，查表和越限报警等。

7.1 数据预处理技术

对数据的预处理是计算机控制系统数据处理的基础，这包括：数字凋零、系统校准技术以及输入、输出数据的极性与字长的预处理技术。

7.1.1 系统误差的自动校准

系统误差：在控制系统的测量输入通道中，一般均存在放大器等器件的零点偏移和漂移，会造成放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象。

特点：是在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。

处理方法：通过适当的技术方法如数字调零、系统校准来确定并加以校正的，一般采用软件程序进行处理。

1.数字凋零

数字调零：处理由零点偏移造成系统误差，通过软件进行零点的调整

电路：多路开关、前置放大器、A/D转换器、CPU

原理：CPU分时巡回采集1路校准电路至n路传感变送器送来的电压信号。

①寻找零点偏移值：第0 路为校准信号即接地信号，理论上电压＝0，CPU采样值＝零，而实际上产生了一个不等于零的数值，此值零点偏移值N0；

②然后依次采集1、2、… n路，采样值N1、N2、… Nn值就是实际值＋零点偏移值N0。计算机要进行的数字调零恢复本次测量的实际值＝（Ni- N0）。

• 特点：此方法，可去掉放大电路、A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。
• 缺点：不能校正由传感器本身引入的误差。

2.系统校准

原因：克服由传感器本身引入的误差。

• VR ：标准输入信号；

  NR： VR对应采样值

  V：实际被测输入信号；

  N： V对应采样值

  

• 适用场合：传感器特性随时间会发生变化的场合

7.1.2 数字字长的预处理

为了满足不同精度的要求，数据在进行数字滤波、标度变换和控制运算后，必须对数字量的位数加以处理。

1.输入位数大于输出位数

处理方法：忽略高位数的最低几位。如：10位A/D转换器的输 入值为0011111010，此值经处理后送入8位D/A转换 器的值就变为00111110。这在计算机中通过向右移位的方法是很容易实现的。

2.输入位数小于输出位数

处理方法：将8位数左移两位构成10位数，最低两位用“0”填充

如：转换前的8位输入值为：××××××××；

转换后的10位输出值为：××××××××00。

7.2 数字滤波方法

引言

数字滤波：就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。

这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波，因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，成本很低。

不足是需要占用CPU的机时。

7.2.1 平均值滤波

种类：算术平均、去极值平均、加权平均、滑动平均

1.算数平均

算术平均滤波：在采样周期T内，对测量信号y 进行m次采 样， 把m个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，即：

缺点：不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度。

适用于周期性干扰的信号滤波。

2.去极值平均滤波

连续采样的m个数据去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的m-2个数据的算术平均值。

适用场合：工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波。

缺点：算数平均和取极值平均滤波均存在平滑性和灵敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数较多则灵敏度下降，对测量参数变化趋势不敏感。

3.加权平均滤波

加权平均滤波：对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加。

• Ci为加权系数，先小后大，且均为小于1但总和等于1的小数，既满足：

  • C1 + C2 + … + Cm = 1

    Cm > Cm-1 > …C1 > 0

• Ci的取值应视具体情况选取,并通过调试确定。

• 例如,某纯滞后时间为τ被控对象,采用m =4的加权平均滤波算式为：

  

  

4.滑动平均滤波

适用场合：前三种的平均滤波算法有一个共同点：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次采样。系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。

滑动平均滤波：在每个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为有效采样值。

滑动平均滤波算法优势：实时性好，提高了系统响应速度。

具体做法：可由循环队列结构方式来实现数据的存放，比如m个采样求滑动平均，只要在RAM中开辟m个数据暂存区，每次采集一个数据便存入暂存区的队尾，同时冲掉队首的一个数据，这样在存储器的队列中始终保持有m个最新的数据。

7.2.2 中值滤波

• 将信号y的连续m次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的有效采样值。本算法为取中值，故采样次数m应为奇数，一般3~5次即可。

• 编制中值滤波的算法程序：首先把m个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如冒泡算法，然后再取中间值。

• 适用场合：中值滤波对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速变化过程(如流量)的信号采样则不适用。

7.2.3 限幅滤波

• 把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值 ΔY 进行比较，如果小于或等于ΔY，表示本次采样值 y(k)是真实的，则取y(k)为有效采样值；反之，y(k)是不真实的， 则取上次采 样值y(k-1)作为本次有效采样值。

• 当 |y(k)-y(k-1) |≤ ΔY 时，则取 y(k)=y(k)

  当|y(k)-y(k-1) | ＞ΔY时，则取y(k)=y(k-1)

  • 式中：
    • y(k)──t=kT时的采样值；
    • y(K-1) ──t=(k-1)T时的采样值；
    • ΔY──相邻两次采样值所允许的最大偏差，其大小取决于控制系统采样周期T和信号Y的正常变化率。

  适用场合：对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。

7.2.4 惯性滤波

不考

7.3 标度变换技术

概述

生产中的各种参数都有着不同的量纲和数值，但在计算机控制系统的采集、A/D转换过程中已变为无量纲的数据，当系统进行显示、记录、打印和警报等操作时，必须把这些测得的参数还原为无量纲的物理量，这就需要进行标度变换。

标度：衡量某种物理量或参数的量纲。

变换：从一种物理量转换为另一种物理量。

标度变换的任务：把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。

• 下图为温度测控系统标度变换原理图：

  

• 标度变换方法：线性式变换、非线性式变换、多项式变换、查表法

• 方法选择依据：被测参数的工程量与转换后数字量间的函数关系；通常传感器的输入输出特性决定了此函数关系，从而决定标度变换方法。

7.3.1 线性式变换

线性标度变换：最常用的标度变换方式。

前提条件：传感器输出信号与被测参数间呈线性关系。

• 数组量NX对应的工程量AX的线性标度变换公式：

  

  A0：一次测量仪表的下限（测量范围最小值）

  Am：一次测量仪表的上限（测量范围最大值）

  AX：实际测量值（工程量）

  N0：仪表下限所对应的数字量

  Nm：实际测量值所对应的数字量

  Nx：实际测量值所对应的数字量

• N0 = 0时的方程

• A0 = 0时的方程

• 例7-1 !!!

7.3.2 非线性式变换

条件：传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系,但函数关系可用解析式来表示。

例如，在差压法测流量中，流量与差压间的关系为：

式中：

Q——流体流量；

K —— 刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；

ΔP ——节流装置前后的差压。

• 非线式标度变换公式：

  

  

7.3.3 多项式变换

适用场合：传感器输出信号与被测参数间呈非线性关系

应用条件：非线性函数关系不可用解析式来表示

采用方法：插值多项式来进行标度变换

插值多项式－用一个n次多项式来代替某种非线性函数关系。

插值原理－被测参数y与传感器输出值x具有函数关系为 y=f( x )，若已知n+1个相异点处的函数值 为： f( x0 ) = y0，f( x1 ) = y1，…， f( xn ) = yn

现构造一个n次多项式 Pn( x ) = anx^n^+ an-1x^n-1^+ …+ a1x + a0

去逼近函数y = f( x )，把n+1个测量值代入Pn( x )，可获得n+1个一次方程组：

举例 用热敏电阻测量温度的例子

热敏电阻的阻值与温度之间的关系是非线性的，而且无法用确切函数式表示。现构造一个三阶多项式P3( R )来逼近这种函数关系。n+1测量点如下表：

举例 用热敏电阻测量温度的例子

热敏电阻的阻值与温度之间的关系是非线性的，而且无法用确切函数式表示。现构造一个三阶多项式P3( R )来逼近这种函数关系。n+1测量点如下表：

插值法中插值点的选择对于逼近的精度有很大影响，通常在函数y = f(x)的曲线上曲率大的地方适当加密插值点。

CPU影响：增加插值点和多项式的次数能提高逼近精度，但是会增加计算时间。

较好的方法：采用分段插值法。将逼近的函数根据其变换情况分为几段，然后将每一段区间分别用直线或抛物线去逼近。分段插值的分段点的选取可以按照实际曲线的情况灵活决定，既可以采用等距分段法，又可以采用非等距分段法。

分段数越多，线性化精度越高，软件开销也相应增加。

当分段数多到线段缩成一个点时，实际上就是另一种方法——查表法。

7.3.4 查表法

查表法：就是把事先计算或测得的数据按照一定顺序编制成表格

查表程序的任务：就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。

具体的查表方法：顺序查表法，计算查表法，对分搜索法等。

1.顺序查表法

顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。其查表方法类似人工查表。因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律，所以只能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。顺序查表法虽然比较“笨”，但对于无序表格或较短表格而言，仍是一种比较常用的方法。

2.计算查表法

根据所给的数据元素Xi ，通过一定的计算，求出元素Xi所对应的数值的地址，然后将该地址单元的内容取出即可。

这种有序表格要求各元素在表中的排列格式及所占用的空间必须一致，而且各元素是严格按顺序排列。其关键在于找出一个计算表地址的公式，只要公式存在，查表的时间与表格的长度无关。正因为它对表格的要求比较严格，并非任何表格均可采用。通常它适用于某些数值计算程序、功能键地址转移程序以及数码转换程序等。

3.对分搜索法

先取数组的中间值D=n/2进行查找，与要搜索的X值进行比较，若相等，则查到。对于从小到大的顺序来说，如果X＞n/2项，则下一次取n/2-n间的中值，即3n/4与X进行比较；若X＜n/2项，则取0~n/2的中值，即n/4与X进行比较。如此比较下去，则可逐次逼近要搜索的关键字，直到找到为止。

7.4 越界警报处理

7.4.1 越限报警程序

上限报警：若XK ＞ XH则发出上限报警，否则继续执行原定操作。

下限报警：若XK ＜ XL ，则下限报警，否则继续执行原定操作。

上下限报警：若XK ＞ XH，则上限报警，否则判断XK ＜ XL否？若是则下限报警，否则继续执行原定操作。

具体设计报警程序时，为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个回差带。

7.4.2 越限报警方式

1.普通声光报警

2.模拟声光报警

3.语音声光报警

考试要求

总体

填空选择

大题：各种滤波方法，给一种滤波方法，让你处理数据

7.1 选填判

7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3为重点，7.2.4不考，只看前三种

7.3.1 标出显示结果或者的根据显示情况反推，千万写一下7-1，背好公式

主要是掌握线性变换，非线性及其后面了解为主

课后习题

1．在计算机控制系统中，一般要对测量数据进行哪些予处理技

术？

2．何为数字调零？何为系统校准？

3．简述数字滤波及其特点。

4．简述各种数字滤波方法的原理或算法及适用场合。

5．结合图7-3，分析说明标度变换的概念及其变换原理。

6．某温度测量系统（假设为线性关系）的测温范围为0~150℃，

经ADC0809转换后对应的数字量为00H~FFH，试写出它的标

度变换算式。

7．在数据处理中，何为查表法？它能完成哪些功能？一般有哪

些查表方法？

8．在计算机控制系统中，为什么要设置越限报警？有哪些情况

需要报警？

第8章 抗干扰技术

引言

计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。

但干扰是客观存在的，所以，人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本章主要讨论干扰的来源、传播途径及抗干扰的措施。

8.1干扰的来源与传播途径

8.1.1 干扰的来源

分为外部干扰和内部干扰。

外部干扰：由使用条件和外部环境因素决定。有：天体干扰、天电干扰、电气设备的干扰、具有瞬变过程的设备的干扰、电源的工频干扰。

内部干扰：由系统的结构布局、制造工艺所引入的。有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声。

8.1.2 干扰的传播途径

干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。

连根并排导线之间会构成分布电容。

空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体周围空间都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电动势。

公共阻抗耦合发生在两个电路的电路流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压将会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。

8.2硬件抗干扰措施

引言

了解了干扰的来源与传播途径，我们就可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措施中，除了按照干扰的三种主要作用方式——串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。

8.2.1 串模干扰抑制

串模干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号回路中。

Us为信号源电压，Un为串模干扰电源，临近导线（干扰线）有交变电流Ia流过，由Ia产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合，引至计算机控制系统的输入端。

目前常采用双绞线与滤波器两种措施。

1.双绞线做信号引线

双绞线抗干扰原因：外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰作用。

应用场合：可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps。

双绞线相邻的扭绞处之间为双绞线的节距，双绞线不同的节距，双绞线不同节距会对串模干扰起到不同的抑制效果：节距越小，干扰的衰减比越大，抑制干扰的屏蔽效果越好。

2.引入滤波电路

根据串模干扰频率与被测信号频率，可以选用低通、高通、带通等滤波器。

• 低通滤波器－适用干扰频率比被测信号频率高；

• 高通滤波器－干扰频率比被测信号频率低；

• 带通滤波器－干扰频率落在被测信号频率的两侧；

8.2.2 共模干扰抑制

共模干扰：计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。

产生原因：不同“地”之间存在的电压，以及模拟信号系统对地漏阻抗。

措施：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。

1.变压器隔离

2.光电隔离

数字信号隔离

模拟信号隔离

利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。

• 模拟信号隔离
  • 优点：使用少量的光耦，成本低
  • 缺点：光耦挑选得不合适，会影响系统的精度
• 数字信号隔离
  • 优点：调试简单，不影响系统的精度
  • 缺点：适用较多光耦器件，成本高
• 光耦价格越来越低廉，目前实际工程中主要使用光耦隔离器的数字信号隔离方法。

3.浮地屏蔽

浮地屏蔽：利用屏蔽层使输入信号的“模拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压在输入回路中引起的共模电流大为减少，从而抑制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低。

8.2.3 长线传输干扰抑制

信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能会产生波反射现象。

当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波。

如果传输线的终端阻抗与传输线的阻抗不匹配，入射波达到终端时会引起发射；同样，反射波达到传输线始端时，如果始端阻抗不匹配，又会引起新的反射。多次反射后，使信号波形严重地畸变。

1.波阻抗的测量

2.终端阻抗匹配

3.始端阻抗匹配

8.2.4 信号线的选择与敷设

1.信号线的选择

2.信号线的敷设

信号线的敷设要注意以下事项：

（1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。

（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。

（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源。如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。

4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。

8.2.5 电源系统的抗干扰

计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰。

1.交流电源系统

措施：

• 选用供电比较稳定的进线电源

• 利用干扰抑制器消除尖峰干扰

  

• 利用交流稳压器稳定电网电压

  

• 利用不间断电源（UPS）保证不间断供电

  

• 掉电保护电路

  

2.直流电源系统

• 交变电源变压器的屏蔽

  

• 采用直流开关电源

• 采用DC-DC变换器

• 为每块电路板设立独立的直流电源

• 集成电路块的VCC加路旁电容

8.2.6 接地系统的抗干扰

接实地是指与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接。

工作接地、保护接地，本节讨论工作接地技术。

• 计算机控制系统中的地线：

  数字地

  系统地

  交流地

  模拟地

  保护地

1.单点接地与多点接地

低频电路应单点接地，主要是避免形成产生干扰的地环路；

高频电路应该就近多点接地，主要是为了避免“长线传输”引入干扰。

2.分别回流法单点接地

3.输入系统的接地

4.印制电路板的地线分布

设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。

（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。

（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽 度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。

（3）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。

（4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。

5.主机系统的接地

• 全机一点接地

  

• 主机外壳接地，机芯浮地

  

• 多机系统接地

  

  对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如，采用变压器隔离技术、光电隔离技术或无线通信技术。

8.3软件抗干扰措施

在控制系统的输入输出通道中，采用数字滤波方法，即采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声。

而对于那些可能穿过通道而进入CPU的干扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使CPU恢复正常工作。

8.3.1 指令冗余技术

要解决的问题：程序跑飞

解决方法：采用指令冗余技术

原则：在对程序流向起决定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指令之前都应插入两、三条NOP指令，还可以每隔一定数目的指令插入NOP指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。

优点：指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数。

指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数，但不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事。

8.3.2 软件陷阱

指令冗余使飞跑的程序安定下来是有条件的，首先跑飞的程序必须落到程序区，其次必须要执行到冗余指令。当跑飞的程序落到非程序区时，对此情况的措施就是设立软件陷阱。

软件陷阱：在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址。

举例：若我们把这段程序的入口标号称为ERROR的话，软件陷阱即为一条JMP ERROR指令。软件陷阱是由3条指令构成：

1
2
3

NOP
NOP
JMP ERROR

8.4程序运行监视系统

程序跑飞到一个临时的死循环中，指令冗余和软件陷阱技术也无能为力，此时必须强制系统复位，摆脱死循环。

由于操作者不可能一直监视系统，所以需要一个独立于CPU之外的监视系统，在程序陷入死循环时，能及时发现并自动复位系统，这就是看守大门作用的程序运行监视系统。

8.4.1 Watchingdog Timer工作原理

T1<T2

8.4.2 Watchingdog Timer实现方法

考试要求

考察选填判，不考大题

课后习题

1．简述干扰的来源与传播途径。

2．串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？

3．共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？

4．结合图8-11，分析说明利用光耦隔离器的开关特性也可以应用在模拟量输入或输出通道中。

5．在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？

6．在计算机控制系统中，大致有哪几种地？最终如何接地？

7．结合图8-30，简述程序运行监视系统的工作原理。

第9章 数字控制器

引言

自动化控制系统的核心是控制器。

控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。

在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。

数字控制器的设计主要有连续化设计和直接离散化设计两种设计方法。

复杂的过程控制系统，如串级控制、前馈-反馈控制和数字程序控制也可以通过计算机实现其控制算法。

9.0 数字控制系统的数学描述

Z变换

Z逆变换

差分方程求解

9.1 数字控制器的连续化设计

9.1.1 数字控制器的连续化设计步骤

设计思想：将整个系统看作模拟系统，设计模拟控制器后再进行控制器的离散化。这种设计方法又称为间接设计法。

• 设计步骤：

  • 设计假想的连续控制器D(s)

    一种方法是事先确定控制器的结构，如后面将要重点介绍的PID算法等，然后通过其控制参数的整定完成设计。

    另一种设计方法是应用连续控制系统的设计方法如频率特性法、根轨迹法等，来设计出控制器的结构和参数。

  • 将D(s)离散化为D(z)

    • 双线性变换法

      D(s)稳定，D(z)也稳定

    • 差分变化法

      • 前向差分法
      • 后向差分法

      可由数值微分转化成差分方程求得

  • 设计由计算机实现的控制算法

  • 校验

    需按闭环系统性能进行校验,可采用数字仿真方法验证。

9.1.2 PID控制规律

PID控制即是对偏差信号按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。

1.比例控制

作用：使控制器的输出与输入偏差成比例关系。

比例系数越大，控制作用越强，控制系统的动态特性越好；比例系数越小，控制作用越弱。

优点：调节及时

缺点：系统存在余差

对于扰动较大、惯性较大的系统，若采用单纯的比例控制器，难于兼顾动态和静态特性，因此需要配合其他控制规律。

2.积分控制

作用：使控制器的输出与输入偏差的积分成比例关系。

特点：控制器的输出不仅与输入的偏差的大小有关，还与偏差存在的时间相关。

效果：消除余差。

缺点：控制作用不能及时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差大，稳定性下降，因此很少单独使用。

3.微分控制

作用：使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例关系。

工业上实际采用的都是一种近似的实际微分作用，也称不完全微分作用。

效果：提前给出较大的调节作用，从而加快系统的动作速度，减小了调节时间，具有超前控制作用。

缺点：对于一个固定的偏差，不管其他数值多大，都不会产生微分作用，即不能消除余差；所以微分作用不宜单独使用。

4.比例积分微分控制

即：PID控制，将比例、积分、微分作用综合起来。

阶跃信号也是比例、积分、微分三者响应曲线的叠加。

当偏差阶跃信号刚一出现，微分作用最大，使控制器的总的输出大幅度增加，产生一个较强的超强控制作用，以抑制偏差的进一步增大；随后微分作用逐渐减弱而积分作用逐渐占用主导地位，最终将余差消除。而在整个控制过程中，比例作用始终与偏差相对应，它对保持系统的稳定性起着决定性作用。

总结

归纳起来，PID控制规律主要具有以下优点：

（1）蕴涵了动态控制过程中的过去、现在和将来的主要信息。其中，比例P代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速；微分D代表了将来的信息，在信号变化时有超前控制作用，使系统的过渡过程加快，克服振荡提高系统的稳定性；积分I代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。此三种作用配合得当，可使动态过程快速、平稳、准确，收到良好的控制效果。

（2）控制适应性好，有较强的鲁棒性，适合于各种工业应用场合。

（3）算法简单明了，形成了完整的设计和参数整定方法，很容易为工程技术人员所掌握。

9.1.3 基本数字PID控制算法

数字PID控制器，即用计算机软件来实现PID控制规律，当采样周期足够短时，用求和代替积分、后向差分代替微分，就可以使模拟PID离散为数字PID控制算法。

1.数字PID位置型控制算法

2.数字PID增量型控制算法

位置型算式使用不是很方便，这是因为要累加所有的偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序。

使用后向差分法进行推导。

3.数字PID控制算法实现方式比较

• 增量型控制算法与位置型控制算法相比较，具有以下优点 ：
  • （1）增量型控制算法不需要做累加，控制量的确定仅与最近几次误差采样值有关，其计算误差或计算精度对控制量的影响较小，而位置型控制算法要求用到过去的误差累加值，容易产生较大的累加误差。
  • （2）增量型控制算法得出的是控制量的增量，误差影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作，而位置型控制算法的输出是控制量的全量输出，因而误动作的影响大。
  • （3）采用增量型控制算法易于实现从手动到自动的无扰动切换。

4.数字PID控制算法流程

9.1.4数字PID算法改进

1.积分分离算法

现象：一般的PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引出现起系统过量的超调和长时间的波动。

积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差。

• 积分分离措施：

  • |e(k)|>β：采用PD控制

  • |e(k)|≤β：采用PID控制

    

普通分离算法：大偏差时不积分——积分”开关“控制

变速积分算法：基本思想是改变积分增益的大小，使其与输入偏差的大小相对应；偏差越大，积分作用越弱，反之则越强。

变速积分法是普通积分法的一种改进，与普通PID算法相比，积分分离算法的优点是：减小系统的超调量，容易使系统稳定，提高系统控制系统的稳定。

2.抗积分饱和算法

抗积分饱和算法：当控制输出达到系统的上下限幅值时，停止积分。以抑制积分的饱和。

串级控制系统抗积分饱和：主调节器抗积分饱和根据副调节器输出是否越限。

• 对比积分分离算法和抗积分饱和算法：
  • 相同点
    • 都是通过停止积分作用实现，但是判断停止积分的条件不同。
    • 大偏差时不积分（积分分离），输出超限也不积分（抗饱和）。
  • 不同点
    • 积分分离根据偏差是否超出预设值的分离值（大偏差时不积分）
    • 抗饱和根据最后的控制输出是否越限（输出超限时不积分）

3.不完全微分PID控制算法

问题引出：

1）对有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于敏感，易引起振荡，降低调节品质；

2）执行需要时间，而微分输出短暂，结果是执行器短时间内达不到应有开度，使输出失真。

解决：在输出端串联一阶惯性环节，组成不完全微分PID控制器。

4.微分先行PID控制算法

给定值的升降会给控制系统带来冲击，如超调量过大，调节阀动作剧烈。

解决：采用微分先行的PID控制算法。

微分先行PID控制算法和基本PID控制的不同之处在于：

适用于：给定值频繁升降的控制系统。

5.带死区的算法

作用：避免控制系统过于频繁，以消除由于执行结构或阀门的频繁动作所引起的系统振荡。

实现：在原PID算法前面增加一个不灵敏区的非线性环节。

式中，s为死区增益，其数值可为0，0.25，0.5，1等。

注意：死区是一个非线性环节，不能像线性环节一样随便移到PID控制器的后面。

9.1.5 数字PID参数整定

• 理论整定法
• 工程整定法
  • 包括：扩充临界比例带法、扩充响应曲线法、试凑法

理论整定方法：以被控对象的数学模型为基础，通过理论计算如根轨迹、频率特性等方法直接求得控制器参数。

工程整定法：近似的经验方法，不依赖模型。

数字控制器与模拟控制器相比，除了需要整定PID参数，即比例系数、积分时间和微分时间外，还有一个重要参数——采样周期。

1.采样周期的确定

• 从控制系统方面考虑，影响采样周期选择的因素主要有：

  • 对象的动态特性

  • 扰动的特性

  • 控制算法

  • 执行机构的速度

  • 跟踪性能的要求

2.扩充临界比例带法

扩充临界比例带法：模拟调节器中使用的临界比例带法的扩充，是一种闭环整定的实验经验方法，具体步骤：

3.扩充响应曲线法

开环整定方法

4.试凑法

通过模拟或实际的系统闭环运行情况，观察系统的响应曲线，根据各参数对系统响应的大致影响，反复试凑，直至达到满意的目标。

• 步骤：

  • 整定比例部分（纯P作用）
  • 加入积分环节（PI作用）
  • 加入微分环节（PID作用）

• PID参数对系统性能的影响：

  • 增大比例系数K_P会加快系统的响应，有利于减少静差，但是K_P过大会使系统产生较大的超调，甚至振荡，使稳定性变坏。
  • 增大积分时间T_i，有利于减少超调，减少振荡，使稳定性增加，但系统静差的消除将随之减慢。
  • 增大微分时间T_d，有利于加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有敏感的系统不宜采用微分环节。

5.仿真寻优法

运用仿真工具，或离散化后编程仿真

寻优方法：如：单纯形法、梯度法等

9.2 数字控制器离散化设计

一开始就把系统看成是数字系统，然后按采样控制理论，以z变换为工具，以脉冲传递函数为数学模型，直接设计满足指标要求的数字控制器D(z)，称为数字控制器的直接离散化设计法。

9.2.1 数字控制器离散化设计步骤

9.2.2 最少拍控制系统

1.最少拍控制系统D(z)的设计

最少拍控制系统是指系统在典型输入信号作用下，具有最快的响应速度。也就是说，系统经过最少个采样周期（或节拍），就能结束瞬态过程，使稳态偏差为零。

2.最少拍控制器D(z)设计的限制条件

3.最少拍无纹波控制器的设计

• 最少拍控制器的设计方法虽然简单，但也存在一定的问题：
  • 一是对输入信号的变化适应性差；
  • 二是通过扩展Z变换方法可以证明，最少拍系统虽然在采样点处可以实现无静差，但在采样点之间却有偏差，通常称之为纹波。
• 这种纹波不但影响系统的控制质量，还会给系统带来功率损耗和机械磨损。

9.2.3 纯滞后控制

• 问题：工业过程中的许多对象具有纯滞后特性。这个时间滞后使控制作用不能及时达到效果，扰动作用不能及时被察觉，会延误了控制，引起系统的超调和振荡。分析表明，时间滞后因素将直接进入闭环系统的特征方程，使系统的设计十分困难，极易引起系统的不稳定。

• 纯滞后控制方法：大林控制算法、施密斯预估控制算法

• 人们发现，直接用上述大林控制算法构成闭环控制系统时，计算机的输出常常会以采样频率大幅度上下振荡。这一振荡将使执行机构的磨损增加，而且影响控制质量，甚至可能破坏系统的稳定，必须加以消除。通常这一振荡现象被称为振铃现象。

9.3 数字串级控制器的设计

问题引出：当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，单回路控制难以满足系统的控制性能。

解决：使用串级控制，在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路用以控制可能引起被控量变化的其他因素。

优点：可抑制被控对象的时滞特性，提高系统的响应速度。

9.3.1 串级控制的结构和原理

• 串级控制的结构特点：
  • 双回路
  • 主控制器的输出为副控制器的给定
  • 副控制器操纵执行机构
• 串级控制原理：
  • 增加副回路，抑制副回路干扰
  • 改善对象特性
  • 加快过渡过程

9.3.2 串级控制系统的确定

• 副回路的确定
  • 首先：应把较多干扰，尤其是主要干扰，包括在副回路中。
  • 其次：注意主、副回路时间常数匹配。副回路的时间常数小于主回路时间常数的1/3
• 控制规律的确定
  • 副控制器：其任务是迅速克服副回路内的扰动影响，并不要求稳态余差很小。应具有P或PI控制规律。
  • 主控制器：为了减少系统主参数的稳态余差，提高系统控制精度，主回路应具有积分作用；对于大容量滞后过程，尤其是温度对象，为了使反应灵敏动作迅速，还要加入微分作用，即主回路应具有PI或PID控制规律。

9.3.3 数字串级控制算法

计算顺序：由外向内

• 前馈控制与反馈控制
• 前馈控制：
  • 结构：开环控制
  • 原理：根据扰动提前加以补偿
  • 关键：前馈补偿规律设计
• 前馈—反馈控制结构
  • 在反馈控制的基础上，增加补偿扰动的前馈控制。
  • 优点：既能发挥前馈控制对扰动的有效补偿，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。

9.4 数字程序控制器的设计

主要应用：机床中机械运动的轨迹控制。

9.4.1 数字程序控制基础

数字程序控制：计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。

数字程序控制系统的组成：输入装置、输出装置、控制器、伺服驱动装置等组成。

计算机数控系统中，控制器、插补器及部分输入输出功能都由计算机来完成。

• 数字控制原理：通过曲线分割、插补计算、脉冲分配用计算机在绘图仪或者数控机床上重现平面曲线。

  • 曲线插补：
    • 将所需加工的轮廓曲线分割成机床能够加工的曲线线段。
    • 原则：保证线段所连的曲线（或折线）与原图形的误差在允许范围之内。
  • 插补计算：根据给定的各曲线段的起点、终点坐标，以一定的规律定出一系列中间点，要求用这些中间点所连接的曲线段必须以一定的精度逼近给定的线段。
    • 插补：确定各坐标值之间的中间值的数值计算方法。
      • 直线插补
      • 二次曲线插补
  • 脉冲分配：脉冲当量是刀具的最小移动单位，Δx和Δy的取值越小，所加工的曲线就越逼近理想的曲线。

• 数字程序控制方式

  • 按控制对象的运动轨迹分类：

    • 点位控制

      只要求控制刀具行程终点的坐标值，不要求运动轨迹，移动过程中不加工。

      控制电路简单，只需实现记忆和比较功能。

    • 直线切削控制

      控制点到点的准确定位和两相关点之间的移动速度和路线（平行移动），且在运动过程中能以指定的进给速度进行切削加工。

      控制电路稍复杂

    • 轮廓切削控制

      能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。

      控制电路复杂，须借助于插补器进行一系列的插补计算和判断。

  • 根据有无检测反馈元件分类：

    • 闭环数字程序控制

      • 优点：控制精度高；

        缺点：结构复杂，难以调整和维护；

        适用：大型精密加工机床。

    • 开环数字程序控制

      • 优点：结构简单、成本低、易于调整和维护；

        缺点：控制精度稍低；

        适用：数控机床、线切割机、低速小型数字绘图仪等。

9.4.2 逐点比较插补原理

大概率不会考，但是蛮有意思的。

9.4.3 步进电机控制技术

步进电机又称脉冲电机，是一种能将电脉冲信号直接转变成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行部件，其位移速度与脉冲频率成正比。由于其输入为电脉冲，因而易与计算机或其他数字元器件接口，广泛应用于自动控制和精密仪器等领域，如仪器仪表、数控机床及计算机外围设备中（打印机和绘图仪等）。

• 按转矩产生的原理分类：
  • 反应式
  • 永磁式
  • 混合式

步进电机结构组成：转子和定子

步进电机的工作就是：步进转动

• 步进电机通电方式：

  • 单相通电
  • 双相通电
  • 单相、双相交叉通电

• 步进电机控制接口及输出字表

  • 组成：计算机和驱动电路
    • 计算机实现脉冲分配，对步进电机的走步数、转向和速度进行控制
    • 驱动电路：为步进电机提供电源

• 步进电机控制程序

  • 步进电机走步控制程序

  • 步进电机速度控制程序

    按正序或反序取输出字来控制步进电机的正转或反转，输出字更换得越快，则步进电机的转速就越高。因此，控制延时时间，可达到调速的目的。

    步进电机的步进时间是离散的，步进电机的速度控制就是控制步进电机产生步进动作的时间，从而使步进电机按照给定的速度规律进行工作。

考试要求

重点，但是不太好考大题，要求掌握各种PID控制是什么东西，每一种变形有什么特点（积分分离，非积分分离，抗积分饱和特点含义）

9.1.4 考察差别、特点

9.2 直接或间接设计，考察了解的概念

第10章 控制网络技术

10.1 数据通信基础

计算机网络就是利用通信线路和通信设备，把分布在不同地理位置上的具备独立功能的多台计算机、终端及其附属设备连接起来的一种网络。

数据通信是计算机控制网络的基础。

10.1.1 数据通信系统

1.通信系统的构成

数据通信：计算机与计算机之间的数据交换被称为数据通信。

数据通信实质：以计算机为中心，通过某些通信线路与设备，对二进制编码的字母、数字、符号以及数字化的声音、图像信息进行的传输、交换和处理。

• 组成：
  • 报文：即需要传输的数据
  • 发送设备
  • 接收设备
  • 传输介质：发送设备与接收设备之间的物理通路。
  • 协议：控制数据通信的一系列规则。
• 数据通信过程：
  • 数据打包
  • 数据转换与编码
  • 数据传输
  • 数据转换与译码
  • 数据解包

2.数据通信方式

数据通信的基本传输方式：并行通信和串行通信两种。

并行通信：指所传输数据的各位同时发送或接收数据。

串行通信：传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。

波特率：串行通信中的一个重要指标。定义为每秒钟传送二进制数码的位数，单位是位每秒，用b/s表示。

在串行异步通信中，波特率为每秒钟传送的字符数与每个字符位数的乘积。

3.数据通信制式

按通信线路上信息传输方向与时间的关系，可分为3种通信制式：单工通信、半双工通信、全双工通信。

10.1.2 数据传输编码

数据通信中需要传输数据信息，而信息必须转换为数字的或模拟的信号后才能通过通信线路传送，这种信息转换被称为传输编码。

1.数字信息的数字信号编码

• 常用的：

  • 单极性编码：单极性码用一种电平代表“1”，用另一种电平代表“0”，而且通常“0”对应的电平0V。

    具有直流成分，且不含同步信息。

    

  • 双极性编码：如图 (b)所示，它使用正、负两种电平，因此有效地减小了传输线上的直流分量，但不归零码仍然没有彻底解决信号同步问题。

    

  • 归零编码方法

    如图 (c)所示，它使用正、负、零三种电平，信号在数据位的中间发生跳变，位中间的跳变既作为同步时钟，也作为数据：归零码较好地解决了信号同步问题，但由于每一位数据都要产生两次跳变，因此占用更多的带宽。

    • 曼彻斯特码

      如图 (d)所示，用数据位的中间产生跳变的方向表示数值。“负”到“正”的跳变代表“1”，“正”到“负”的跳变代表“0”。该跳变还被用作信号同步，即编码数据中自带时钟信息，保证了发双方的绝对同步。以太网中就使用了曼彻斯特码。

      

    • 差动曼彻斯特码

      如图 (e)所示，它用数据位中间的跳变携带同步信息，由数据位起始处是否有跳变来传递数值。有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。令牌环网中就使用了差动曼彻斯特码。

• 图 (f)、(g)分别表示接收端从编码数据中分离出的解码时钟与解码数据。

  

2.数字信息的模拟信息编码

信号调制：采用数字信息的模拟信号转换技术将数字信号传输变为模拟信号传输。

将数字信号调制为模拟信号有三种方式：调幅、调频与调相。

3.基带传输与频带传输

按传输线上信号的种类，数据通信可分为：基带传输与频带传输。

• 基带传输：是指直接用电脉冲信号代表数字信号0或1进行传输。基带，是指电信号所固有的频带。

  优缺点：不需要调制解调器，安装、维护投资小，但存在信息传送容量小，每条传输线只可传送一路信号且传送距离短的缺点。

• 频带传输：用基带信号对载波信号调制后进行传输。

  优缺点：利用载波传输信号可以减小线路干扰对传输信号的影响，实现远距离传输。用这种传输技术，可以在一条通信线路上，通过频分复用(FDM)将其划分为几个信道，从而支持多路信号的传输。频带传输的安装维护费用较基带传输时高，但是它具有较高的信息传递量，且可覆盖较大的范围。

10.1.3 多路复用技术

多路复用技术：把多路独立信号在一条信道上进行传输的技术，其作用相当于将单条传输信道划分为多个子信道，以实现网络中若干节点共享通信信道的目的，提高通信线路的利用率。

1.频分多路复用（FDM）

2.时分多路复用（TDM）

时分多路复用技术：把信道的传输时间分隔成许多时间段，在一个时间段内，一路信号占用整个信道的带宽进行传输。

信号传输按位、按符号、按组的方式进行。

为了在接受端能够对复合信号进行正确地分离，接收端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号之间的混淆。

3.两种复用技术比较

• TDM设备比FDM设备易于实现，而随着大规模集成电路的发展，TDM价格会有明显的下降。
• TDM较FDM具有较高的传输速度。因为TDM可以充分利用信道的全部带宽。
• TDM中，只需要一个MODEM就可以了；而在FDM中，每个通道都需要一个MODEM。
• TDM能混合不同速率和同步方式的终端，能适应新型数据通信网络。
• 进行数据传输的差错控制和校正操作时，TDM比FDM会产生较多的时间延迟。
• FDM主要用于模拟通信系统，TDM主要用于数字通信系统。

总结

• 优点：
  • 成本低
  • 时间延迟较少（线路中使用的缓冲部件较少）
  • 透明性较好，从主机或通信处理机到终端是透明的，用户并未感到多路器的存在
• 缺点：
  • 采用多路器后，线路的带宽和传送速率未能充分利用。
  • 对主机I/O端口的要求并未减少。

10.1.4 通信同步技术

1.通过控制线实现收发双方同步

并行同步通信方式：指在并行通信中，通过控制线实现收发双方同步。数据收发双方除了数据线相连外，还有若干控制信号线，用来传送发送与接收装置的状态。

并行通信进行一次数据传送的过程如下：

（1）发送装置在发送前，首先检查接收装置的状态。

（2）若接收装置处于非就绪状态，返回（1）继续等待；若接收装置处于就绪状态，表示可以接收数据，发送装置将数据放到数据线上，并发出控制信号，告诉接收装置数据已准备好。

（3）接收装置收到控制信号后，从数据线上将数据取走。取数据过程中，状态线置为非就绪状态，取数完成后，状态线重新处于就绪状态，等待下一次接收数据。

（4）发送装置将控制信号撤回，准备发送下一次数据。

串行通信中的同步方式又有两种：一种是启停同步方式，与其对应的传输方式称为异步通信方式；另一种是自同步方式，与其对应的传输方式为同步通信方式。

2.串行异步通信（ASYNC）

串行异步通信：一个字符接一个字符地按帧传送数据，上图为格式。

一帧信息的组成：1个起始位、5~8个数据位，1个奇偶校验位、1~2个停止位。

停止位到起始位的电平转换，即为同步信息。

• 进行异步通信时，收发双方必须有两项约定：
  • 帧信息格式，即字符的编码格式、奇偶检验形式、起始位、停止位格式
  • 传送速率
• 由于字符串的首尾分别附加了一个起始位和停止位，因此，传输效率较低，传送速率较慢。
• 能完成异步通信的器件称为异步收发器（UART），Intel8250

3.串行同步通信（SYNC）

串行同步通信是一种连续传送数据块的方式，每次传送n个字节的数据块。用1个~2个同步字符表示数据传输的开始接着是n个字节的数据块，字符之间不允许留有空隙，当没有字符可以发送时，则连续发送同步字符。

为保证收发双方同步，收发双方必须使用相同的同步字符，而且往往采用可以生成解码时钟的编码方式。

串行同步通信的传送速率高于串行异步通信，且传送的数据块越长，越显示其优越性。

能完成同步通信的硬件称为同步收发器USRT。

既能完成同步通信，又能完成异步通信的硬件称为通用同步异步收发器USART，如Intel8251

10.1.5 传输介质

目前主要的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤

10.2 通信网络技术

计算机通信网络属于分布在一定区域中的局域网。

决定局域网特性的要素有：传输介质、拓扑结构、介质访问控制方法

10.2.1网络拓扑技术

10.2.2 网络控制方法

1.查询法

2.CSMA/CD

3.令牌传送

4.存储转发式

10.2.3 差错控制技术

差错控制技术包括检验错误与纠正错误。

1．检验错误

常有技术：冗余技术。常用的校验方法有垂直冗余码校验或奇偶校验(VRC)、纵向冗余码校验(LRC)、循环冗余校验(CRC)以及校验和(checksum)等几种。

2.纠正错误

常用的纠错方式有三种：重发纠正错误、自动纠正错误、混合纠正错误

10.3 网络体系结构

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层

10.4 串行通信总线

10.4.1 RS-232C通信总线

①RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。

②数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）是数据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。

③数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)的任务是实现由源点到目的点的传输，通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其它一些中间装置的集合。目前RS—232C接口已成为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为RS-232C总线接口标准。

1.信号定义

2.电气特性

RS-232C采用了较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑，即规定逻辑“1”状态电平为-15- -5V，逻辑“0”状态电平为+5- +15V，其中-5- +5V用作信号状态的变迁区。

3.接口电路

4.RS-232C的应用

RS-232C通信主要有以下几种连接方式：

（1）PC机与PC机之间使用MODEM连接

（2）PC机与PC机之间直接连接

（3）PC机与PC机之间三线连接法

（4）PC机与单片机之间的通信网络

10.4.2 RS-422/485通信总线

RS-232C缺点：传送速率不够快；传送距离不够远；

解决方法：EIA在1977年作了部分改进，制定了新标准RS-449：

特点：除了保留与RS-232C兼容外，还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气特性等方面做了很多努力，增加了RS—232C没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接 口问题。

延伸：在RS-449标准下，推出的子集有RS-423A/RS-422A，以及RS-422A的变型RS-485。

1.RS-423A/RS-422A

2.RS-485

传送方式：半双工、全双工

接口电路：

RS-485应用： AT89C52单片机与RS-485接口电路

通信网络

10.5 工业以太网

工业以太网是以太网（甚至互联网）系列技术延伸到工业应用环境的产物，既属于信息网络技术，也属于控制网络技术，是一揽子解决方案的集合，是一系列技术的总称。

10.5.1 以太网及其优势

以太网是IEEE802.3所支持的局域网标准，最早由Xerox公司创建，后经DEC和Inter的联合开发扩展，按照ISO、OSI的7层结构，以太网标准只定义了链路层和物理层，而作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。APARNET在制定了TCP/IP高层通信协议之后，以太网便和TCP/IP紧密地捆绑在一起了。以后，由于国际互联网采用了以太网和TCP/IP协议，人们甚至把如超文本链接HTTP等与TCP/IP协议组放在一起，俗称为以太网技术。

• 与现场总线相比，以太网具有以下的优点：

  • 应用广泛——几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如果采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、开发环境可供选择。

  • 成本低廉——目前以太网网卡的价格只有PROFIBUS、FF等现场总线网卡的1/10，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。

  • 通信速率高——目前以太网的通信速率为10Mb/s，100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1000Mb/s以太网技术也逐渐成熟，10Gb/s以太网也正在研究。

  • 软硬件资源丰富——由于多年的应用，积累了丰富的软件资源和设计经验。

  • 可持续发展潜力大——企业的生存与发展很大程序上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，这保证了以太网技术不断地持续向前发展。

10.5.2工业以太网的关键技术

• 为了满足工业控制现场的特殊性，工业以太网需要解决的问题包括：
  • 1 通信实时性
  • 2 网络生存性
  • 3 网络安全性
  • 4 总线供电
  • 5 互操作性

10.5.3 基于以太网的控制网络系统

• 信息管理层
• 过程监控层
• 现场设备层

10.5.4几种典型的实时以太网

1）Modbus/TCP ——MODICON公司在20世纪70年代提出 ，用于PLC之间的通信的协议；

2）Ethernet/IP ——由国际控制网络CI和开放设备网络供应商协会ODVA在工业以太网协会IEA的协助下联合开发 。

3）PROFInet ——是由西门子公司和 Profibus 用户协会开发的基于以太网的自动化标准 ；

4）EPA ——是在国家科技部“863”计划的支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化所、清华大学、大连理工大学等单位联合组成的工作组制定的我国拥有自主知识产权的实时以太网标准，由现场设备级和过程监控级两级网络组成。

考试要求

主要选择填空判断题

波特率（以及比特率的概念）考计算题，起始位和停止位，数据位多少可能不一样

选填，波特率

奇偶校验与CRC循环冗余校验

课后习题

1．数据通信的实质是什么？比较说明并行通信和串行通信的概念及其特点。

2．画图说明串行通信的三种制式。

3．串行异步通信和同步通信如何实现收、发双方的同步，两者有何区别？

4．CSMA/CD和令牌传送在原理和控制策略上有什么不同？

5．频分多路与时分多路是如何实现多路复用的？试比较两种方式的特点。

6．设要发送的基本信息位为11010111，附加16位CRC校验信息位，生成多项式为，求发送代码多项式。

7．OSI参考模型的各曾分别是什么？完成什么功能？

8．对比说明RS-232C总线标准与TTL逻辑电平的电气特性，它们之间如何进行接口？

9．RS-232C总线在实际应用中有几种接线方式？都应用在何种场合？

10．结合图10-16与图10-20，分析说明PC机与多个单片机构成的RS-232C通信网络。

11．结合图10-24与图10-25，分析说明PC机与多个单片机构成的RS-485通信网络。

12．借助于以太网的控制系统有什么优点？

13．工业以太网的关键技术是什么？

14．新型控制网络系统可分为哪三个层次？简述每层的功能作用。

第 11 - 14 章 略

Z变换（重点）

考试要求

傅里叶和拉式变换不需要考，Z变换考一到两个大题

Z变换的定义

求某个函数的Z变换

定义式定义求法、根据性质（线性定理、初值和终值定理也要掌握，后两者求解方程、正变换时域位移性质掌握、频域不需要掌握）求解，考察较为基础

指数函数的变换

逆变换掌握分解为两个式子的和，然后再求解

求差分方程，某一时刻和他前后的点组成方程求解 / 用通式：Z变换求解的原理，用到在时域里的位移，利用时域位移求解

10.2 定义、逆变换的求解方式

例题10-22

10.4后后面涉及Z变换具体应用，只需要掌握前面的部分

词云

信号调理电路：无源I/V变换电路、有源I/V变换电路

CBA

同相放大电路、反相放大电路、可变增益放大器

采样保持器

周期采样 采样周期 采样时间

查询方式读取A/D转换数、定时方式读取A/D转换数

中断方式读取A/D转换数

• 光电耦合隔离器：

  • 三极管型
  • 单向可控硅型
  • 双向可控硅型

• 截止区、饱和区、线性区

• 光耦隔离电路：

  • 数字量同相传递
  • 数字量反相传递

• 数字量输出通道

  • 三极管驱动电路
    • 普通三极管驱动电路
    • 达林顿驱动电路
      • 构成：多对两个三极管组成的达林顿复合管
  • 固态继电器驱动电路
  • 晶闸管驱动电路
    • 单向
    • 双向
  • 固态继电器驱动电路
    • 功率三极管：直流
    • 双向晶闸管：交流
      • 过零型
      • 移相型

• 编码键盘、非编码键盘

• 抖动消除

  • 硬件：滤波延时电路或单稳态电路
  • 软件：延时程序

• 非编码式独立键盘

  • 查询法接口电路
  • 中断法接口电路

• 非编码矩阵式键盘

  • 消除抖动：
    • 编程扫描
    • 定时扫描
    • 中断扫描

• LED结构：

  • 共阴极
  • 共阳极

• LED显示器显示方式：

  • 静态显示方式
  • 动态显示方式

• LCD驱动方式：

  • 直接驱动
  • 多机驱动

• LCD电路：

  • 段位式
  • 字符式
  • 点阵式：可显示汉字、图形

• CRT显示器与TFT显示器

• 系统误差自动校准：

  • 数字凋零
  • 系统校准

• 数字滤波：

  • 平均值滤波
    • 算数平均
    • 去极值
    • 加权平均
    • 滑动平均
  • 中值滤波
  • 限幅滤波
  • 惯性滤波

• 标度变换：

  • 线性变换
  • 非线性变换
  • 多项式变换
  • 查表法：
    • 顺序查表法
    • 计算查表法
    • 对分搜索法

• 回带差宽

• 越限报警方式：

  • 普通声光
  • 模拟声光
  • 语音

• 干扰传播途径：

  • 静电耦合
  • 电磁耦合
  • 公共阻抗耦合

• 抗干扰措施：

  • 串模干扰
    • 双绞线
    • 滤波器
  • 共模干扰
    • 变压器隔离
    • 光电隔离
    • 浮地屏蔽
  • 长线传输干扰
    • 始端阻抗匹配
    • 终端阻抗匹配
  • 信号线敷设
  • 电源系统干扰
    • 交流电源系统
    • 直流电源系统

• 地线：

  • 数字地
  • 模拟地
  • 系统地
  • 交流地
  • 保护地

• 地线抗干扰

  • 单点接地与多点接地
  • 分别回流法单点接地
  • 输入系统接地
  • 印制电路板地线分布
  • 主机系统接地
    • 全机一点接地
    • 主机外壳接地、机芯浮地
    • 多机系统接地

• 软件抗干扰

  • 指令冗余技术
  • 软件陷阱

• 数字控制器设计：

  • 离散化设计
  • 连续化设计

• 离散化方法

  • 双线性变换法
  • 差分变换法
    • 前向
    • 后向

• PID：

  • 比例：现在
    • 存在余差
  • 积分：过去
    • 消除余差
  • 微分：未来

• 基本PID控制算法

  • 数字PID位置型控制算法
  • 数字PID增量型控制算法

• 数字PID算法改进

  • 积分分离法
    • 大偏差不积分
  • 抗饱和积分法
    • 输出超限不积分
  • 不完全PID控制算法
    • 串联一节惯性环节
  • 微分线性PID控制算法
  • 带死区的数字PID算法

• PID整定

  • 理论整定法
  • 工程整定法
    • 扩充临界比例带法
    • 扩充响应曲线法
    • 试凑法
    • 仿真寻优法

• 纯滞后控制

  • 大林控制算法
    • 振铃现象
  • 史密斯控制算法

• 步进电机

  • 反应式
  • 永磁式
  • 混合式

• 通信方式

  • 串行
  • 并行

• 通信制式

  • 单工
  • 双工
  • 半双工

• 数字信号编码

  • 单极性
  • 双极性
  • 不归零
  • 归零
    • 曼彻斯特码
    • 差动曼彻斯特码

• 模拟信号编码

  • 调频
  • 调幅
  • 调相

• 同步技术

  • 控制线
  • 串行异步通信ASYNC
  • 串行同步通信SYNC

• 网络拓扑技术

  • 星型
  • 总线型
  • 环型

• 控制方法

  • 查询法
  • CSMA/CD
  • 令牌
  • 存储转发

• 差错控制技术

  • 检验错误
  • 纠正错误