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过程输入输出通道

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计算机控制系统4第三章 (2)

计算机控制系统4第三章 (2)

②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器

第2章输入输出接口与过程通道抗干扰

第2章输入输出接口与过程通道抗干扰
安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以 避免机壳带电而影响人身及设备安全。
系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与 大地相连。
交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地， 它的地电位很不稳定。
26
接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。
当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式；
干扰：就是有用信号以外的噪声或造 成计算机设备不能正常工作的破坏因 素。
抗干扰措施：硬件措施，软件措施， 软硬结合的措施。
1
干扰的来源：外部干扰和内部干扰
外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界 环境因素决定的。外部干扰主要是空间电或磁的 影响，环境温度、湿度等气象条件。
内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。 内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合 感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多 点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起 的干扰，甚至元器产生的噪声。
所以必须采用双端输入不对地方式，如下图所示：
8
(2)共模干扰的抑制方法
①变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔
离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模 干外扰，电隔压 离Ｕ 前c和m隔不离成回后路应，分从别而采抑用制两了组共互模相干独扰立。的另电 源，切断两部分的地线联系。
9
②光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装
还会出现波反射现象。
13
(2)长线传输干扰的抑制方法
采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以 消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低 限度。
①终端匹配：终端并联电阻 ②始端匹配：始端串联电阻
为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线（双绞线是由 两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线 加绝缘层并有颜色来标记）和同轴电缆（同轴电缆可分为两类：粗缆和细 缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。 不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。

微型计算机控制技术课后答案

微型计算机控制技术课后答案

第一章1.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分作用(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。

主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。

过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。

过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。

过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。

其中作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能.(4)检测与执行机构:a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量.b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。

4、操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到操作指导的作用(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

第3章 过程输入输出通道

第3章 过程输入输出通道

；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
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3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
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三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。

第2章(1)模拟量输入通道讲解

第2章(1)模拟量输入通道讲解
第2章 输入输出过程通道
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的
控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字
计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理 后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被 控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算 机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转
换的连接通道，即过程通道。
3、集成采样保持器
集成采样保持器将采样电路、保持器制作在 一个芯片上，保持电容外接，由用户选用。电容 的大小与采样频率及要求的采样精度有关。 集成采样保持器分三类：
1、用于通用目的的芯片， 如AD583K,AD582,LF398； 2、高速芯片，如THS-0025,THC-0300等； 3、高分辨率芯片，如SHA1144等。
现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说 明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。
电压 第一次 预测 模拟 电压 第四次 第三次 预测 第二次 预测 预测

(1000) (0100) (0110) (0111)
D3
0
D2
D1
D0
时间
逐次逼近式ADC 逐次逼近式A/D原理概述


N 位的逐次逼近式 A/D 转换器 , 由 N 位寄存器、 N位D/A转换器、比较器、逻辑控制电路、输出 缓冲器等五部分组成。 工作原理：启动信号作用后，时钟信号先 通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为 1 ，以下各位为 0 ，这个二进制代码经 D/A 转换 器转换成电压U0（此时为全量程电压的一半） 送到比较器与输入模拟电压UX比较。若UX>U0， 则保留这一位；若UX<U0，则DN-1 位置0。
注：1、在实际系统中，《T ，即近似地认为采样信号

过程输入输出通道详解

过程输入输出通道详解

3.1.1 数字量输入通道
2.输入调理电路 数字量输入通道的基本功能就是接收外部装 置或生产过程的状态信号。这此状态信号的 形式可能是电压、电流、开关的触点，容易 引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部数字量信号输入到计算机，必须 将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、 隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑电 平信号，这些过程称为信号调理。下面针对 不同情况分别介绍相应的信号调理技术。
3.1 数字量输入输出通道
3.1.1 数字量输入通道
1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道的结构 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 以二进制数字量的形式输入计算机， 以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过三态缓冲器读 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲 器和接口电路组成。如图3-1所示 所示。 器和接口电路组成。如图 所示。 图3-1 数字量输入通道结构
3.2.3采样保持器
2、常用的采样保持器 图3-18 LF398的典型应用 的典型应用
3.2.3采样保持器
3、采样/保持器的主要参数 ●采集时间（捕捉时间）：当置于采样方式时，输出跟 踪输入需要的时间。采集时间T是指从采样开始到输出 稳定之间的时间。 ●转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位。 V/s ●孔径时间：当采样保持器从采样转入保持时，采样开 关完全断开所需的时间，即进入保持控制后，实际的 保持点会滞后真正要求保持点一段时间，一般是纳秒 级。这个时间由器件的开关动作时间决定。 ●下跌率（衰减率）：在进入保持阶段后，由于开关的 漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表 示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间 和下跌率。

SCADA系统培训---IO接口与数据采集技术

SCADA系统培训---IO接口与数据采集技术

Common-Mode Voltages or High Voltages
Optical Isolation
图3.1 数字信号调理示意图
2、模拟信号及其调理
0.985 t t f
直流信号
时域信号
频域信号
Temperature Pressure Flow Strain
ECG Blood pressure Single-shot events Chromatograph
Vibration Speech Sonar
DAQ卡需要考虑的指标参数
DC 精度 分辨率 采样率 AC 和 DC 精度 触发 分辨率 采样率 AC 精度 触发 滤波器
各种模拟信号调理
低电压信号 隔离 放大 噪声滤波
电流输入/输出
电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波
RTDs 和热敏电阻
激励电源 隔离，放大，噪声滤波
Production Monitoring or Process Control Proximity Switches Limit Switches Thermostats Manual Switches
Electromechanical Relays or Solid-State Relays
数字I/O
多功能I/O
热电偶
隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿
应变仪
激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波
图3.2 模拟信号调理示意图
3、模数转换设备A/D
把外部电压信号转成计算机能够识别的数 字信号，主要性能参数： 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO ……

过程通道

过程通道

Computer Controlled Systems
P(t)
（ｅ） 采样描述
X(t)
调制器
X*(t)
x*(t)=p(t)x(t)
因 τ0＜＜T ，所以分析时可近似认为τ０为０，以单位脉冲序列δＴ（ｔ） 代替ｐ（ｔ）。
4.1 过程参数采样原理
单位脉冲序列：
Computer Controlled Systems
k 0 *
4.1 过程参数采样原理
Computer Controlled Systems
二、采样定理
对于角频率范围为（ max , max ）的连续信号进 行采样，当采样频率
s 2 max
时，采样器的输出信号
ｘ＊（ｔ）才能充分表征连续输入信号ｘ（ｔ），换言之，为使 采样信号ｘ＊（ｔ）的频谱能无失真地恢复连续输入信号 ｘ（ｔ）的频谱，采样周期Ｔ必须小于等于输入信号中变化 最小周期 Tmin 的１／２，即：
第二节 开关量输入通道（DI）
输入调理电路 输入调理电路有多种，通过调理电路可以将一个开关与计 算机的一位数字量对应起来。
+5V
R R R
Computer Controlled Systems

E
光电隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
继电器隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
1、影响采样周期选择的因素 （1）系统受扰动情况（扰动和噪声比有效信号的频率高） 若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些； 对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；
Computer Controlled Systems
（2）被控系统动态特性（慢对象：汽温，信号变化慢；快对象:水位） 滞后时间大的系统，采样周期T应选大些； 对于快速系统，采样周期T应选小些； （3）控制品质指标要求（控制品质反映了系统的动作快慢） 若超调量为主要指标，采样周期T应选大些； 若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些； （一般而言，过渡过程时间长，超调则小，被调量是慢变的）

(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道

(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道

03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。

计算机控制系统

计算机控制系统

图2-1 输入输出过程通道组成结构图பைடு நூலகம்
表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途
信息种类
模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分等 接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等 流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等 控制执行装置、显示、记录等 对执行器进行控制、报警显示等
图2.12是采用晶闸管输出型光电隔离器驱动 双向晶闸管的电路图，图中与晶闸管并联的RC 网络用于吸收带感性负载时产生的与电流不同步 的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力， 以防误触发。
图2.12 光电隔离的双向晶闸管输出
功率场效应管输出（了解）
功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其 栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S 之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而 导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如 IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18A。
为便于后续的描述和分析，下面定义几种类型信号，并在图2. IN+ 的电压低于 IN- 的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3 组成的跟随器输出至输出端。 21是LF398典型应用电路。 W117、W217、W317是正输出三端电压可调式集成稳压器，使用方便，内部具有过热、过流等保护措施，比W7800系列稳压器有更
根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为 三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输 信号的媒介，实现电气隔离。
使用光电隔离器件的注意事项
输入侧导通电流
要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电 隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。

计算机控制系统第7章输入输出过程通道

计算机控制系统第7章输入输出过程通道

计算机控制系统的过程通道分为四类：模拟 量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道 和数字量输出通道。
2020/6/9
3
7．1 数字量输入输出通道
1 .数字量输入通道
数字量输入
DI接口电路
输
通道的任务是把
PC 总
入 缓
被控对象的开关 线
冲 器
输
来
入
自
调
生
理
产
电
过
路
程
状态信号（或数
字信号）传送给
地址译码器
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14
② 多路转换器
多路转换器又称 多路开关，多路开关 的作用是用来将各路 被测信号依次地或随 机地切换到公共放大 器或A/D转换上。
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VDD
VSS
INH A B C
VEE X0 X1
┇
X7
电平 转化
译码驱动电路
┅
X
┇
图7—11 CD4051原理图
表7—1 CD4051通道选择表
断或亮、灭， 数字量输出通道主要由输出接口电
简称DO通道。 路和输出驱动电路等组成。
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8
1）数字量输出驱动电路
输出驱动电路的功能有两个，一是进行信号隔离， 二是驱动开关器件。
① 低电压开关信号输出
5V
Vc
R1
R2
R1
VC
RL
R2
图7－5 低电压开关输出
图7－6 三极管输出驱动
对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管、
过
变
程 参 数
送 器
信号
多路
前置
采样

计算机控制技术第二章

计算机控制技术第二章

第二章输入输出接口与过程通道在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的被控参数及运行状态，按要求的方式送人计算机处理，再将结果以数字量的形式输出，并将数字量变换为适合生产过程控制的量，因此在计算机接口和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置，这个装置就称之为过程输入输出通道，也叫I／O通道。

2.1 过程输入输出通道概述2.1.1 过程输入输出通道的类型及功能根据过程信息的性质及传递方向，过程输入输出通道可分为模拟量输人通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道等几种类型。

生产过程的被调参数(如温度、压力、流量、速度、位移等)，一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变送器转换为对应的模拟电压和电流。

由于计算机只识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入通道转化为数字量后，才能送人计算机。

对于生产现场的状态量(如开关、电平高低、脉冲量等)也不能为计算机直接接受，因此数字量(开关量)输入通道将状态信号转变为数字量送入计算机。

计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道和数字量输出通道。

计算机输出的控制信号以数字形式给出，若执行元件要求提供模拟电压或电流，则采用模拟量输出通道将数字量转换为模拟电压或电流，若执行元件要求数字量(开关量)，则应采用数字量输出通道，将计算机输出的数字量经处理和放大后输出。

由此可见，过程输人输出通道是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。

2.1.2 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：(1)数据信息反映生产现场的参数及状态的信息，它包括数字量、开关量和模拟量。

(2)状态信息又叫应答信息、握手信息，它反映过程通道的状态，如准备就绪信号等。

(3)控制信号用来控制过程通道的启动和停止等信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动等。

接口电路含这三类信息交换的端口。

2.1.3 过程通道的编址方式由于计算机控制系统一般都有多个过程输人输出通道，因此需对每一个过程输入输出通道安排地址。

SCADA系统培训---第3章IO接口与数据采集技术

SCADA系统培训---第3章IO接口与数据采集技术
监督控制与数据采集技术
华东理工大学自动化系 王华忠
hzwang@
Ch3 I/O接口与数据采集技术
一、SCADA系统I／O接口概述
过程输入／输出通道是SCADA系统上、下位机与 被控过程现场测控设备之间的物理信息通道。过程 输入／输出通道除了有A／D、D／A、DI、DO等I ／O设备外，通常还包括一些辅助的部件，如多路 转换开关、放大器、采样保持器、热电偶冷端温度 补偿装置等。 SCADA系统的I／O接口，不仅实现了计算机与监 控过程的信号传输，而且还解决了计算机与外部设 备连接时存在的各种矛盾，如输入／输出信号形式 的不同、速度的不匹配、串／并连转换以及信号隔 离等。
香浓定律 采样率 > 2倍的最高频率
（3）多通道采集
采集模式 图形示例
Battery 1 Battery 2
通道设置
连续扫描 同步采样
•
Strain gauge 1 Strain gauge 2
扫描顺序 增益 范围 单端/差分输入 单极/双极
• • • •
间隔扫描
Temp Pressure
（4）触发
Level and Slope of Analog Signal Retrieves Acquisition
4、SCXI设备
图3.4 NI信号调理模块
SCXI 功能
传感器和信号 • 热电偶 • RTDs • 热敏电阻 • 应变仪 • 电压信号 微伏，毫伏，伏 • 电流信号 4 — 20 mA, 0 —20 mA • 数字信号
二、过程I/O通道
AI AO DI DO
1、数字信号及其调理
on off t 10t
开关信号
连续脉冲信号
Input: Sense a switch closure

计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道

计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道

36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
22
温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
19
压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
20
27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。

第四讲-输入输出接口与过程通道3

第四讲-输入输出接口与过程通道3
MOV DX,BASE+1 MOV AL,dataH ;送高8位数据
OUT DX,AL
MOV DX, BASE+0 MOV AL, dataL ;送低4位数据 OUT DX,AL ;12数据进行转换
RET
2.5.3 单极性与双极性电压输出电路
在实际应用中，通常采用D/A转换器外加运算放大器的方法， 把D/A转换器的电流输出转换为电压输出。图2-35给出D/A 转换器的单极性与双极性输出电路 如果参考电压为+5v,则Vout1为:0～- 5v, Vout2为:±5v.
MOV AL， 07H ；D/A 通道l 输出50% MOV DX， 0220H OUT DX， AL MOV DX， 0221H MOV AL， 0FFH
2.6 硬件抗干扰技术
2.6.1 过程通道抗干扰技术
2.6.2 主机抗干扰技术
2.6.3 系统供电与接地技术
所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设 备不能正常工作的破坏因素。
2.7.1 过程通道抗干扰技术
1. (1)串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信
号上的干扰噪声。也称为常态干扰。
图2-42 串模干扰示意图
（2）串模干扰的抑制方法
①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤 波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频 率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰 频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。 一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容 低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化 较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、 V/I变换等组成。

输入输出接口与过程通道

输入输出接口与过程通道

D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
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DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
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CD4051--单端、双向8路模拟开关
INH
C
0 0 0 0 1 1 1 1 ×
B
0 0 1 1 0 0 1 1 ×
A
0 1 0 1 0 1 0 1 ×
0 0 0 0 0 0 0 0 1
选中通道 号 0 1 2 3 4 5 6 7 无
VDD为正电源，VEE为负电源， VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。
（2）8位A/D转换器的程序设计
A/D转换器与单片机的硬件接口有3种方式：查询方式、延时方式和 中断方式。 查询方式：首先由CPU向A/D转换器发出启动脉冲，然后读取转换 结束信号（如ADC0809的EOC），根据转换结束信号的状态，判断A/D 转换是否结束，如果结束，可以读取A/D转换结果，否则继续查询，直 至A/D转换结束。 采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。 这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于 大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。
对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门 对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。
2．A/D转换器的启动方式
任何一个A／D转换器都必须在外部启动信号的作用下才能开始工作， 启动方式分脉冲启动和电平控制启动两种。 脉冲启动转换只需给A／D转换器的启动控制转换的输入引脚上， 加一个符合要求的脉冲信号即可，如ADC0809、ADC80、ADC1210等均 属此列。 电平控制转换的A／D转换器，当把符合要求的电平加到控制转换输 入引脚上时，立即开始转换，而且此电平应保持在转换的全过程中，否则 将会中止转换的进行。因此，该电平一般需由D触发器锁存供给，例如， AD570、AD571、AD574等均是如此。
对于较小的电压信号:
需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标 准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再 经滤波后才能送入A/D转换器。 而对于电流信号:
应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转 换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。 无源I/V（电流/电压）变换电路 有源I/V（电流/电压）变换电路
ADC0808/ADC0809与80C51单片机的接口程序设计。
图2-38所示为ADC0808/ADC0809与80C51单片机的硬件接口的查询 方式连接图。
图2-38中，ADC0808/0809的时钟是利用80C51提供的地址锁存 允许信号ALE经D触发器二分频后获得。如果单片机时钟频率采用 6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，符 合ADC0808/0809对时钟频率的要求。 由于ADC0808/0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出引 脚直接与数据总线相连。 地址选通输入端A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2 相连，以选通IN0~IN7中的一个通道。将P2.7作为片选信号，在启动 A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启 动。 由于ALE和START连在一起，因此ADC0808/0809在锁存通道地址 的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚 经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。
2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点
A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必 不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数 比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；
1．8位A/D转换器与微机的接口设计 （1）8位A/D转换器 8通道A/D转换器ADC0808/ADC0809。
NATIONAL公司生产的ADC0808/0809是8位逐次逼近型A/D转换
器，其分辨率是8位，两种芯片的外特性完全一样，采用28引脚双列直 插式封装，不必进行零点和满度调整，功耗为15mW。但两者的转换 精度不同，ADC0808的最大不可调误差小于±1/2LSB，ADC0809的
延时方式：向A/D发出启动脉冲后，先进行软件延时，此延时时 间取决于A/D转换器完成A/D转换所需要的时间（如ADC0809约为 100μs），经过延时后可读取数据。采用延时方式时，转换结束引脚 悬空。 在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长， 因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。
LF398引脚排列图
• V+、V-：正负电源电压输入引脚，输
入范围为±5V到±18V。 • OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用 外接电阻调整采样-保持器的偏差。 • VIN：输入引脚。 • VOUT：输出引脚。 • CH：保持电容引脚。用来外接保持电 容。 • LOGIC REF：参考逻辑电平。 • LOGIC：输入控制逻辑。
…
ADDC, ADDB, ADDA=111 选择 IN7
•
ALE：地址锁存允许信号 有效时锁存ADDC~ADDA的通道选择信号
•
START：A/D转换启动信号
•
• •
高电平时使内部的逐次逼近寄存器清0
由高→低时开始转换
，并开始A/D转换START常与ALE短接，以便同时锁存通
道选择信号
•
START和ALE的信号宽度不小于100μs
3．转换结束信号的处理方式
当A／D转换结束时，A／D转换器芯片内部的转换结束触 发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结 果的数字量。 主机判断A／D转换结束的方法有3种：即中断、查询和延 时方式。这3种方式的选择往往取决于A／D转换器的速度和应 用系统总体设计要求以及程序的安排。
4．时钟信号的连接
（2）常用的采样/保持器
常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、 THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的 工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。 LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与 LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采 样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗 为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源 范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。
LF398典型的电源和信号的接法
CH的数值直接影响采样时间及保持精 度，为了提高精度，就需要增加保持电 容CH的容量，但CH增大时又会使其采 样时间加长。 因此，当精度要求不高（±1%）而速 度要求较高时， CH可小至100Pf。当精 度要求高（±0.01%）时，应取CH =1000pF。当CH ≥400pF时，采样时间 tAC与CH有经验公式
最大不可调误差小于±1LSB。
ADC0809的内部结构图
CLOCK
1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
START EOC 8位 三态 锁存 缓冲器
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
定时和控制 通道 选择 开关
比较器
逐次逼近 寄存器SAR
ADDA ADDB ADDC ALE
中断方式：CPU启动A/D转换后即可转而处理其他的程序，一旦 A/D转换结束，则由A/D转换器发出一转换结束信号向CPU申请中断， CPU响应中断后，便读入数据。
采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连 接（如80C51的 INT0 或 INT ）。 1
在中断方式中，CPU与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作 效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。
A／D转换器的频率是决定其转换速度的基准。整个A ／D转换过程都是在时钟作用下完成的。 A／D转换时钟的提供方法有两种: 一种是由芯片内部提供，如AD574A； 另一种是由外部时钟提供。外部时钟少数由单独的振 荡器提供，更多的则是由CPU经时钟分频后，送至A/D转 换器的时钟端。
2.2.3 典型A／D转换器与微机的接口设计
第2章 过程输入输出通道
2.1 信号的采样与恢复 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道
计算机控制系统的基本组成
2.2 模拟量输入通道
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
2.2.2 模拟量输入通道
2.2.3 典型A／D转换器与微机的接口设计
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关
16通道的多路模拟开关真值表：
输入状态 A3 0 0 0 0 0 0 A2 0 0 0 0 1 1 A1 0 0 1 1 0 0 A0 0 1 0 1 0 1 选中通道号 0 1 2 3 4 5
0
0 1 1 1 1 1 1 1
1
1 0 0 0 0 1 1 1
地址锁存 和译码
DAC
OE ADC0809
Vcc
GND VREF(&绍如下
•
CLK：时钟输入信号，由于 ADC0808/0809 芯片内无时钟， 所以必须靠外部提供时钟，外部时钟的频率范围为
10K~1280KHz。
• •
IN7~IN0：8路模拟量输入 ADDC, ADDB, ADDA：模拟通道选择信号: ADDC, ADDB, ADDA=000 选择 IN0 ADDC, ADDB, ADDA=001 选择 IN1
1．数字量输出信号的连接
A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内 部结构有关。 如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的 数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直 接读入数据。