计算机控制技术_杨鹏_过程输入输出接口技术2.pptVIP

过程输入输出接口技术 2.1 数据的采样及保持 2.2 模/数（A/D）转换器 2.3 数/模（D/A）转换器 2.4 计数/定时器8254 2.5 可编程并行I/O接口芯片8255A 2.6 开关量接口技术 2.7 数据采集系统 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的监测和控制，需要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入到计算机中，计算机在经过计算分析等处理后，将结果以数字量的形式输出，此时需要将数字量变换为适合于生产过程制的量，因此在计算机和生产过程之间，必须设置完成信息传递和变换装置，这个装置称为过程输入输出通道，即专业术语中的I/O通道或I/O接口技术。 I/O接口通常包括开关量和模拟量的输入与输出，分别称为开入DI、开出DO、模入AI、模出AO几个类型，涉及到输入信号的调理、输出信号的放大以及抗干扰等技术问题。 模拟量输入：将生产过程中的温度、压力、流 量、转速等物理量先通过不同的传感器检测装置转换为相应的模拟电信号，然后通过变送器将其调理为标准的电信号，例如0～5V、1～10V或者4～20mA等，再通过模/数转换A/D变为数字量后输入到计算机。 模拟量输出：生产过程中的执行机构很多都是通过模拟信号来控制，例如由380V三相交流电等形式的强电来驱动的，而计算机输出的控制信号是弱电的数字量，这就要求配置相应的数/模转换D/A电路和功率放大等装置。 开关量输入：生产过程中的很多状态信息，例如开关、按钮、继电器的触点等，它们通常只有通或断两种状态；有些传感器，例如涡轮流量计、加速度计、码盘等的输出则是一系列通断状态交替变换的脉冲信号。对这类信号的采集需要通过开关量输入通道来实现。此外，计算机控制系统内部各芯片引脚状态标志信息，例如：计数器芯片计数结束后输出引脚发出的脉冲信号、A/D模/数转换过程中状态引脚发出高低电平信号等，也属于这类范畴。 开关量输出：在生产过程中，指示灯的亮和灭、电动机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭，以及变频器等执行机构控制脉冲信号等，对它们的控制只需要通过二值逻辑的“1”和“0”并通过相应的隔离和功率放大即可实现。 2.1 数据的采样及保持 2.1.1 信号的采样 在计算机控制系统中，生产过程中的温度、压力、流量、转速等物理量需要通过不同的传感器和变送器调理为标准的电信号后，再通过模/数转换变为数字量后输入到计算机。通常，这个过程中，计算机控制系统把连续变化的量经过周期采样变成离散量后再进行处理，因此被称作离散系统或采样系统。 采样过程如图2-1-1所示，一个时间连续的信号通过一个周期闭合的模拟采样开关后，在开关的输出端形成一连串的脉冲信号。这种把时间连续信号变成一连串时间不连续的脉冲信号的过程称为采样过程或离散化过程。 采样后的脉冲序列f *(t)是离散信号，称为采样信号。0、T、2T…各时间点称为采样时刻，T称为采样周期。执行采样动作的开关S称为采样开关或采样器。 根据香农采样定理，采样频率只要大于信号最大变化频率的2倍，即可实现采样信号完全恢复模拟信号。但在实际应用中，往往所取的实际采样频率为信号变化最高频率的5~10倍。采样的频率越高，离散模拟信号f *(t) 越接近连续输入函数f (t)。但是，如果采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，影响了控制的实时性效果。 2.1.2 信号的量化 采样信号不能直接输入计算机，将其整量化后成为数字信号的过程称为整量化过程。以天平称重为例，砝码种类有1g、2g、4g、8g、16g、…、2n g若干个等级，如果物体重10.4g，则0.4g被舍去，称得的结果为10g。这个例子说明了采样信号和数字信号的差别。例子中10.4g相当于采样信号，而10g则相当于数字信号。如果要称的物体重10.6g，则可称得的结果为11g。这样一种四舍五入的小数归整的过程即为整量化，如图2-1-2所示。 数字计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍。量化单位 q 是A /D转换器最低位二进制位（ LSB ）所代表的物理量，量化误差为±q。在 A / D 转换器位数足够多的情况下，当经整量化而舍去的量足够小的时候，可以认为数字信号近似于采样信号。在这个假设下，对数字系统的分析，可以沿用采样系统理论来进行。 2.1.3 信号的编码 在模拟量转换过程中，对双极性（正、负）信息通常有3种表示方法。 1．符号—数位码 类似于原码表示法，增加一位符号位，其它数值与单极性一样。