计算机控制系统第2章概要.ppt

第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础 2.1 开关量输入 2.2 开关量输出 2.3 模拟量输入 2.4 模拟量输出 2.5 计算机控制系统中的电源 2.6 信号采样与重构 2.7 数字滤波 输入输出过程通道简介 过程通道的主要任务是将生产过程中的各种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行自动控制。 因此过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。 图2-1 输入输出过程通道组成结构图 信息种类 输入信息来源或输出信息的用途 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 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 表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途 2.1 开关量输入 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位或多位二进制码表示。 开关量输入信号的类型 开关量信号输入通道 1. 开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型： 1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的起动与停止、触点的接通与断开。 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。 2. 开关量信号输入通道 针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。 出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。 几种常用的预处理方法 图2.1 开关量输入通道的典型结构 开关量输入的常用预处理方法 信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用 信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。 一个理想的开关，开关闭合时电阻应为零，不论 电流有多大，开关上的压降都为零； 开关断开时，电阻应为无穷大，不论开关两端加上的电压有多高，流过开关的电流都为零； 开关状态的转换一般应在瞬间完成。 但实际上，脉冲和数字电路大都工作在开关状态，而大量的开关由晶体二极管和三极管充当，因此上面所说的理想的开关是不存在的。 安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。 图2.4 输入保护电路 消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误控制。 图2.5 消除开关抖动的电路 RS触发器：接收、存储、记忆和输出 滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 图2.6 RC滤波电路 隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。 图2.7 开关量光电耦合输入电路 当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始发光，它触发光电三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。 图2.8 三极管输出型光电隔离器件原