1、第五章 计算机控制技术机电一体化技术与系统第五章 机电一体化技术与系统概述01计算机控制系统的接口技术02工业控制计算机简介03计算机控制算法04目录/CONTENTSCONTENTS概述0 1 计算机控制系统的接口技术0 2 工业控制计算机简介0概述01概述0 1机电一体化系统中，计算机担负着信息处理，指挥整个系统运行的任务。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机控制技术已成为机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。第一节 概念机电一体化系统中，计算机担负着信息处理，指挥整个系统运行的任控制系统中根据系统中信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间系统和离散时间系统
2、(简称连续系统和离散系统)。在采用计算机进行信号处理的控制系统中，计算机处理的信号是以数码形式存在的，也称为数字信号，它在时间上是离散的。由于计算机字节有限，所以信号的幅值也是离散的，通常用二进制数表示，因此计算机控制系统是一种离散控制系统。离散控制理论是研究计算机控制系统的理论基础。一、计算机控制系统的组成及特点第一节 概念控制系统中根据系统中信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间图5-1是计算机控制系统的典型结构框图。包括工作于离散状态下的计算机和具有连续工作状态的被控对象两大部分。被控制量c(t)一般为连续变化的物理量(如位移、速度、压力、流量、温度等)称为模拟量，经过检测传感量转换成
3、相应的电信号，再经过模/数(A/D)转换器将信号转换成计算机能够处理的数字量送入计算机，从而完成了信号的输入过程。计算机经数字运算和处理后的数字信号还需要经过数/模(D/A)转换和保持(转换成连续信号)，再经过执行机构施加到被控对象，实现了信息的输出。第一节 概念图图 5-1 5-1 计算机控制系统的典型结构计算机控制系统的典型结构图5-1 是计算机控制系统的典型结构框图。包括工作于离散状态下因此从信息转换的观点来观察计算机控制系统，可以抽象为信息的变换与处理过程。其中模/数转换器完成了信息的获取(输入)，计算机对输入的信息进行比较和处理控制算法与逻辑运算，数/模转换器实现了信息的输出。计算机
4、控制系统中信号的具体变换与传输过程如图5-2所示。第一节 概念因此从信息转换的观点来观察计算机控制系统，可以抽象为信息的变从图5-2可以清楚看出计算机获得信息的过程，把模拟信号按一定时间间隔T T转变为在瞬时0 0，T T，2 2T T，nTnT的一系列脉冲输出信号y y*(t t)的过程称为采样过程。经过采样的信号y*(t)称为离散模拟信号，即时间上离散而幅值上连续的信号。从离散模拟信号y*(t)到数字信号y(kT)的过程称为量化过程。即为有限字长的二进制数码来逼近离散模拟信号。微型计算机通常采用8位或16位字长，因此量化过程会带来量化误差。量化误差的大小取决于量化单位q q。第一节 概念
5、图图 5-2 5-2 计算机控制系统中的信号变换与传递计算机控制系统中的信号变换与传递a)a)模拟信号模拟信号b)b)离散模拟信号离散模拟信号c)c)数字信号数字信号d)d)数字信号数字信号e)e)离离散模拟信号散模拟信号f)f)模拟信号模拟信号从图5-2 可以清楚看出计算机获得信息的过程，把模拟信号按一定若被转换的模拟量满足量程为M，转换成二进制数字量的位数为N，则量化单位q定义为第一节 概念若被转换的模拟量满足量程为M，转换成二进制数字量的位数为N，显然N越大，量化误差e越小、但N过大会导致计算机上有效字长的增加。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。第一节 概念1.硬件组成计算机控制系统
6、的硬件主要是由主机、外围设备、过程输入输出设备、人机联系设备和通信设备等组成。就计算机本体而言从20世纪70年代起，随着微处理器技术的发展，针对着工业应用领域相继开发出一系列的工业控制计算机。如可编程序控制器(PLC)、单回路调节器、总线式工业控制机、单片微计算机和分布计算机控制系统等等。这些工业控制计算机弥补了商用机的缺点，并成功地应用于各种工业领域，这大大推动了机电一体化控制系统的自动化程度。显然N 越大，量化误差e 越小、但N 过大会导致计算机上有效字长的第一节 概念2.软件组成软件是各种程序的统称。软件的优劣不仅关系到硬件功能的发挥，而且也关系到计算机控制系统的品质。软件通常分为两大类
7、。系统软件和应用软件。(1)系统软件，系统软件包括汇编语言、高级语言、控制语言、数据结构、操作系统、数据库系统、通信网络软件等等。计算机设计人员负责研制系统软件，而计算机控制系统设计人员则要了解系统软件。并学会使用，从而更好地编制应用软件。(2)应用软件，应用软件是设计人员针对某个应用系统而编制的控制和管理程序。一般分为输入程序、控制程序、输出程序、人机接口程序、打印显示程序和各种公共子程序等等。其中控制程序是应用软件的核心，是基于控制理论的控制算法的具体实现。第一节 概念2.软件组成软件是各种程序的统称。软件的优劣操作指导控制系统如图5-3所示。计算机只起数据采集和处理的功能，它不参加对系统
8、的控制。计算机根据一定的数学模型，依赖检测传感装置测得的被控对象的状态信息数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印机输出、报警等，去改变系统的给定值或直接操作执行机构。二、计算机控制系统的类型第一节 概念1.操作指导控制系统图图5-35-3操作指导控制系统操作指导控制系统操作指导控制系统如图5-3 所示。计算机只起数据采集和处理的功第一节 概念2.直接数字控制系统(DDC)这类系统中计算机的运算和处理结果直接输出作用于被控对象，故称为直接数字控制系统DDC(Direct Digital Control)。直接数字控制系统的构
9、成如图5-4所示。DDC系统中计算机参与闭环控制，不仅完全取代模拟调节器，实现多回路的PID(比例、积分、微分)控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律，如非线性、纯滞后、自适应系统、解耦控制、最优控制等。DDC是一个最典型的应用形式，它在工业控制中得到广泛应用。图图 5-4 5-4 直接数字控制系统直接数字控制系统第一节 概念2.直接数字控制系统(D D C)这类系统中计算第一节 概念3.监督控制系统(SCC)所谓监督控制(Superuisory Computer Control)就是根据原始的生产工艺信息及现场检测信息按照描述生产过程的数字模型，计算出生产过程的最优设置值。输入给DD
10、C系统或连续控制系统。SCC系统原理框图如图5-5所示。SCC系统的输出值不直接控制执行机构，而是给出下一级的最佳给定值。因此是较高一级的控制。它的任务是着重于控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等，实际上它是操作指导系统与DDC系统的综合与发展。图图5-55-5监督计算机控制系统监督计算机控制系统第一节 概念3.监督控制系统(S C C)所谓监督控制(S u第一节 概念应当指出，SCC的两级控制形式目前在较复杂的控制设备中应用相当普遍，例如在多坐标高精度数控机床的控制系统中，上一级的任务是完成插补运算(即插补数学模型)及加工过程管理，下一级实现多坐标的进给。又如工业机器人的两级控制中
11、，上一级完成机器人运动轨迹的计算和机器人工作过程的管理，而下一级完成各关节的进给与定位。第一节 概念应当指出，S C C 的两级控制形式目前在较复杂的第一节 概念随着科学技术的发展，工业生产过程规模的扩大，综合控制与管理要求的提高。人们研制出以多台微型机为基础的分布式控制系统DCS(Distributed Control Systems)，如图5-6所示。分布式控制系统综合了计算机技术、通信技术和控制技术，采用多层分级的结构形成，从下而上分为控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。每级用一台或多台计算机，级间连接通过数据通信总线。分布式控制系统采用分散控制、集中操作、分级管理和分而自治的原
12、则。其安全可靠性、通用灵活性、具有最优控制性能和综合管理能力，为计算机控制开创了新方法。4.分布式控制系统(DCS)图图5-65-6分布式控制系统分布式控制系统第一节 概念随着科学技术的发展，工业生产过程规模的扩大，计算机控制实质上就是计算机技术与控制理论结合，对机械和过程进行控制的一门技术。现代化的生产系统具有多变量、时变和非线性的特点，应用经典控制理论已不能满足现代化的工业生产要求。应用现代控制理论和智能控制理论，再加上计算机的快速运算、强大的信息储存能力以及逻辑判断能力，使计算机控制能解决通常自动控制技术所不能解决的问题，使生产过程达到优异的性能指标。三、计算机控制技术的发展方向第一节
13、概念计算机控制实质上就是计算机技术与控制理论结合，对机械和过程进第一节 概念计算机控制技术的发展与计算机技术和控制理论的发展有着密切的联系。近年来，计算机技术出现了惊人的飞跃，计算机的性能不断完善，可靠性不断提高，成本不断降低，从而推动了计算机控制系统的发展。在计算机控制系统中出现了多CPU统一总线、功能模块结构、集散系统等控制形成。大量新型接口和专用芯片不断涌现，软件的日益完善和丰富，大大扩大了工业控制计算机的功能，这为推进计算机系统的发展创造了有力的条件。作为汁算机控制的主要控制策略控制理论，分为经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论主要分析单输入单输出的系统。现代控制理论可以分析多输入
14、多输出的系统，可实现最优控制、自适应控制等复杂控制。还有各种新的控制策略，如专家控制系统、模糊控制系统等智能控制系统。这不仅成为控制理论的发展趋势，也是计算机控制技术的发展方向。第一节 概念计算机控制技术的发展与计算机技术和控制理论的计算机控制系统的接口技术02计算机控制系统的接口技术0 2第二节 计算机控制系统的接口技术在计算机控制系统中，从计算机的角度来看，除主机外的硬设备，都统称为外围设备。接口技术是研究主机与外围设备交换的技术，它在计算机控制系统中占有相当重要的地位，外界的信息是多种多样的，有电压、电流、压力、速度、位移、频率、温度、湿度等各种物理量，计算机控制系统在实际工作时，通过检
15、测通道的接口对这些量加以检测，经过计算机判断后，将计算结果及控制信号输出到控制通道的接口，对被控对象加以控制。此外，为了方便操作人员与计算机的联系，并及时了解系统输出及输入的工作状态，接口技术中还应包括人机通道的接口。对于多台计算机同时工作的计算机控制系统，为了便于整体控制及资源共享，各个系统间应当有系统间通道接口。第二节 计算机控制系统的接口技术在计算机控制系统中，从计第二节 计算机控制系统的接口技术接口有通用和专用之分，外部信息的不同，所采用的接口方式也不同，一般可分为如下几种:人机通道及接口技术一般包括:键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术、软磁盘接口技术等。检测通道及接口技术，一般
16、包括:A/D转换接口技术、V/F转换接口技术等。控制通道及接口技术，一般包括:F/V转换接口技术、D/A转换接口技术、光电隔离接口技术、开关接口技术等。系统间通道及接口技术，一般包括:公用RAM区接口技术、串行接口技术。由于篇幅限制，本节只介绍并行输入/输出接口、D/A转换接口和A/D转换接口等。第二节 计算机控制系统的接口技术接口有通用和专用之分，外并行接口传输的是数字量和开关量。数字量一般指以8位二进制形式所表示的数字信号，例如来自数字电压表的数据。开关量指只有两个状态的信号，如开关的合与断。开关量只用一位二进制(0或1)就可表示，字长8位的微机一次可以输入输出8个这样的开关量。接口电路处
17、于运行速度快的微处理器与运行速度比较慢的外设之间，它的一个重要功能就是能使它们在速率上匹配，正确地传送数据。有多种方法可以解决这个问题，通常使用的方法有:无条件传送、查询式传送和中断传送。一、并行输入/输出接口第二节 计算机控制系统的接口技术并行接口传输的是数字量和开关量。数字量一般指以8 位二进制形式第二节 计算机控制系统的接口技术并行接口是微机接口技术中最简单，也是最基本的一种方式，如三态缓冲器、锁存器等数字电路都可以用来构成并行接口。而用可编程的8255这类大规模集成电路芯片组成并行接口就更加方便，它们能直接与很多外设相连而无须附加任何逻辑电路，并且具有中断控制功能。输入/输出接口有两种
18、寻址方式:存储器寻址方式和输入输出口寻址方式。在存储器寻址方式中，接口和存储器统一编址，是将I/O接口当作存储单元一样，赋给它存储地址，这些地址是存储器地址的一部分。这样，访问存储器的指令也能访问接口了。在输入输出口寻址方式中，采用I/O独立编址方式，用专门的I/O指令来对接口地址进行操作。这种寻址方式的优点是不占用存储器地址，因而不会减小存储器容量。由于有专门的IN(INPUT)和OUT(OUTPUT)指令，因此比用存储器读写指令执行速度快。第二节 计算机控制系统的接口技术并行接口是微机接口技术中第二节 计算机控制系统的接口技术1.无条件传送在微机应用中，有些场合，微机与外设间几乎不需有任何
19、的同步，即输出口永远可以立即发送微机送来的信息;可以随时通过输入口读取外设的信息。这种场合可采用无条件传送，输入输出接口电路如图5-7所示。它由输入缓冲器、输出锁存器和译码电路三部分组成。图图5-75-7无条件传递的输入输出无条件传递的输入输出第二节 计算机控制系统的接口技术1.无条件传送在微机应用第二节 计算机控制系统的接口技术输入缓冲器在外设信息与数据总线之间起隔离缓冲作用。在执行IN指令周期，产生IOR及片选信号CSI，则被测外设的信息通过缓冲器(三态门)送到微机的数据总线，然后装入AL寄存器。设片口地址为Port1，可用如下指令来完成取数:输出锁存器锁存CPU送来的信息。驱动此电路可用
20、如下指令:DATA表示要输出的量。MOVDX，Port1IN AL，DXMOVAL，DATAMOVDX，Port2OUTDX，AL第二节 计算机控制系统的接口技术输入缓冲器在外设信息与数第二节 计算机控制系统的接口技术2.查询式传送不是所有的输入输出设备随时都可以同计算机进行输入或输出操作，为了取得协调，经常采用微机查询输入输出设备的某种标志，如代表忙或不忙，准备好或未准备好等信息，以决定是否进行数据传输。图5-8表示了一种标志位，微机读取输入设备的READY/BUSY信号，当Do=1时，便可以打开三态门缓冲器，将数据取走，并同时使用三态门输出允许的信号，将外设READY/BUSY信号清零，以
21、使其再一次准备数据，重复上述过程。图图5-75-7无条件传递的输入输出无条件传递的输入输出第二节 计算机控制系统的接口技术2.查询式传送不是所有的第二节 计算机控制系统的接口技术2.查询式传送简单的测试程序:LOOP:MOVDX，Port1INAL，DXTESTAL，01HJNZRECEIVEJMPLOOPRECEIVE:MOVDX，Port2INAL，DXMOVBUFFER，ALBUFEER表示缓冲寄存器。第二节 计算机控制系统的接口技术2.查询式传送简单的测试第二节 计算机控制系统的接口技术3.中断式传送查询式传送浪费微机的时间，为提高微机的运行效率，可用中断式传送。当外设准备好时产生中断
22、请求信号，微机响应后，马上去接收其输出的数据。图5-9示出了这种线路，其中U2为允许中断寄存器，当微机允许外设中断时可用OUT指令将其置成“1”状态，这样，外设准备好信号的前沿，将把U1置成1，并通过打开的三态门，成为中断请求信号，以产生硬中断;准备好信号的后沿，将U1置成0，以准备下次再产生中断。图图5-95-9中断方式输入中断方式输入第二节 计算机控制系统的接口技术3.中断式传送查询式传送第二节 计算机控制系统的接口技术4.8255A可编程并行接口芯片(1)8255A内部结构8255A是Intel公司生产的可编程序并行输入/输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O端口，通过程序可设定三种工
23、作方式，使用灵活方便、通用性强;可作为计算机系统总线与外围设备连接的中间接口电路，8255A的内部结构框图，如图5-10所示。其中包括三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和8位数据总线驱动器。图图5-105-108255A8255A内部结构内部结构第二节 计算机控制系统的接口技术4.8 2 5 5 A 可编程并行第二节 计算机控制系统的接口技术1)数据总线驱动器数据总线驱动器是一个双向三态的8位驱动器，将8255A与系统总线相连，以实现CPU和接口之间的信息传递。2)并行I/O端口8255A具有三个8位的并行I/O端口，其功能由程序决定，但每个端口都有自己的
24、特点。A口:具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。B口:具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个不带锁存器的8位数据输入缓冲器。C口:具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个不带锁存器的8位数据输入缓冲器。通常情况下，A口和B口作为数据输入/输出端口，C口在方式字控制下，可分为两个4位端口，作为A口、B口选通方式操作时的状态控制信号。第二节 计算机控制系统的接口技术1)数据总线驱动器第二节 计算机控制系统的接口技术3)读/写控制逻辑读/写控制逻辑的功能用于管理所有的数据或状态字的传送。它接收来自CPU的地址总线和控制总线的输入，控制A组和B组。8255A的各端口操作状态如表5-
25、1所示。A1A0所选端口所选端口操作状态操作状态11011110未选通非法非法数据总线三态非法状态非法状态A1A0所选端口所选端口操作状态操作状态00101001100A口B口A口数据数据总线B口数据数据总线00110101111100000000A口B口C口控制字寄存器数据总线A口数据总线B口数据总线C口数据总线控制字寄存器 表表5-15-18255A8255A的端口操作状态的端口操作状态第二节 计算机控制系统的接口技术3)读/写控制逻辑A 1 A第二节 计算机控制系统的接口技术4)A组和B组控制每个控制块接收来自读/写控制逻辑的命令和内部数据总线的控制字，并向对应端口发出适当的命令。A组控
26、制控制端口A及端口C的高4位。B组控制控制端口B及端口C的低4位。第二节 计算机控制系统的接口技术4)A 组和B 组控制第二节 计算机控制系统的接口技术(2)8255A的工作方式8255A有三种工作方式，即方式0，方式1和方式2。图5-11是三种工作方式的示意图。1)方式0基本输入/输出方式在这种方式下，A、B、C三个口中的任何一个都可提供简单的输入和输出操作，不需要应答式联络信号，数据只是简单地写入指定的端口，或从端口读出。当数据输出时，可被锁存，当数据输入时不能锁存。2)方式1选通输入/输出方式这是一种能够借助于选通或应答式联络信号，把I/O数据发送给指定的端口或从该端口接收I/O数据的工
27、作方式。在这种方式中，端口A和端口B的输入数据和输出数据都被锁存。图图5-115-118255A8255A三种工作方式示意图三种工作方式示意图第二节 计算机控制系统的接口技术(2)8 2 5 5 A 的工作方第二节 计算机控制系统的接口技术3)方式2带选通双向总线I/O方式这种方式下，端口A为8位双向总线端口，端口C的PC3PC7用来作为输入/输出的控制同步信号。应该注意的是，只有端口A允许作为双向总线口使用，此时端口B和PC0PC2 则可编程方式0或方式1工作。(3)8255A编程8255A的编程是通过对控制端输入控制字的方式实现的。当CPU通过输出指令将控制字送入8255A内部的控制字寄存
28、器时，各个端口的工作方式便确定了，如需要改变端口的工作方式，则需重新送入控制字，控制字由8位组成，有方式选择控制字和C口置/复位控制字。第二节 计算机控制系统的接口技术3)方式2 带选通双向第二节 计算机控制系统的接口技术方式选择控制字:方式选择控制字的格式及定义如图5-12所示。例如，输入方式选择控制字95H(10010101B)，可将8255A编程为端口A方式0输入，端口B方式1输出，端口C上半部分(PC7PC4)输出，端口C的下半部分(PC3PC0)输入。图图5-125-12方式选择控制字格式方式选择控制字格式第二节 计算机控制系统的接口技术方式选择控制字:方式选择第二节 计算机控制系统
29、的接口技术C口置/复位控制字:C口置/复位控制字的格式及定义如图5-13所示。例如，输入C口置/复位控制字05H(00000101B)，可将8255A的PC2置1，输入C口置/复位控制字06H(00000110B)，可将8255A的PC3复位至0。图图5-135-13C C口置口置/复位控制字格式复位控制字格式第二节 计算机控制系统的接口技术C 口置/复位控制字:C 口第二节 计算机控制系统的接口技术在微机控制系统中，很多被检测和控制的对象用的是模拟量，而微机只能输入输出数字量，这就存在一个数/模(D/A)转换和模/数(A/D)转换问题。D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路，它由权电阻网
30、络、参考电压、电子开关等组成，典型的R-2R网络D/A原理图如图5-14所示。从图中可见，不管电子开关接在点还是接地，流过每个支路的2R上的电流都是固定不变的，从电压端看的输入电阻为R，从参考电源取的总电流为I，则支路(流经2R电阻)的电流依次为:I/2，I/4，I/8，I/16，而I=VREF/R。图图5-145-14R-2RR-2R网络网络D/AD/A原理图原理图二、数/模(D/A)转换接口第二节 计算机控制系统的接口技术在微机控制系统中，很多被第二节 计算机控制系统的接口技术故输出电压为式中d3d0输入代码，d=“0”，则开关接地;d=“1”，则开关接到点上。如果采有n个电子开关组成网络
31、，那么式中nD/A电路能够被转换的二进制位数，有8位、10位、12位等，有时也称为分辨率。第二节 计算机控制系统的接口技术故输出电压为 第二节 计算机控制系统的接口技术实用的D/A转换器都是单片集成电路，如DAC0832是8位D/A芯片，采用20引脚双列直式封装，原理图见图5-15。图图5-155-15DAC0832DAC0832原理图原理图第二节 计算机控制系统的接口技术实用的D/A 转换器都是单第二节 计算机控制系统的接口技术DAC0832主要有两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。使用两个寄存器的优点是可以进行两次缓冲操作，使该器件的应用有更大的灵活性。DAC0832各引脚含义如下:
32、CS片选信号，ILE为输入寄存器锁存允许信号，一般设为“1”。当CS为低，WR1低，ILE为高时，才能将CPU送来的数字量锁存到8位输入寄存器中。XFER为转换控制信号，WR2与XFER同时有效时才能将输入寄存器数字量再传送到8位DAC寄存器，同时D/A转换器开始工作。IOUT1和IOUT2为输出电流，被转换为FFH时，IOUT1取大;为00H时，IOUT1为0，IOUT2最大。第二节 计算机控制系统的接口技术D A C 0 8 3 2 主要有两个第二节 计算机控制系统的接口技术AGND和DGND称为模拟地和数字地，它们只允许在此片上共地。VREF为参考电压，可在-1010V范围内选择。VCC
33、为电源，可在515V间选择。图5-16为DAC0832与微机的连接图。这里让WR2和XFER接地，因此DAC寄存器时刻有效，而只有输入寄存器缓冲锁存作用。图图5-165-16DAC0832DAC0832与与CPUCPU的连接的连接第二节 计算机控制系统的接口技术A G N D 和D G N D 称为模第二节 计算机控制系统的接口技术设译码后地址为Port，则D/A转换程序为:MOV DX，PortMOVAL，nOUTDX，ALHLT第二节 计算机控制系统的接口技术设译码后地址为P o r t，三、模/数(A/D)转换接口图图5-175-17逐次逼近法逐次逼近法A/DA/D转换器的原理图转换器的
34、原理图第二节 计算机控制系统的接口技术A/D转换器是将模拟电压转换成数字量的器件，它的实现方法有多种，常用的有逐次逼近法、双积分法。图5-17所示是逐次逼近法A/D转换器的原理图。它由N位寄存器、D/A转换器和控制逻辑部分组成。N位寄存器代表N位二进制数码。三、模/数(A/D)转换接口图5-1 7 逐次逼近法A/D 转换当模拟量VX送入比较器后，启动信号通过控制逻辑电路启动A/D，开始转换，首先置N位寄存器最高中位(DN-1)为“1”，其余位清“0”，寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一般的模拟电压VN，与输入电压VX比较。若VXVN时，则保留DN-1=1；若VXVN时，则DN-1位清0。
35、然后，控制逻辑使寄存器下一位(DN-2)置“1”，与上次的结果一起经D/A转换后与VX比较，重复上述过程，直至判别出Do位取1不是0为止，此时控制逻辑电路发出转换结束信号DONE。这样经过N次比较后，N位寄存器的内容是转换后的数字量数据，经输出缓冲器读出。整个转换过程就是这样一个逐次比较逼近的过程。第二节 计算机控制系统的接口技术当模拟量V X 送入比较器后，启动信号通过控制逻辑电路启动A/D常用的逐次逼近法A/D器件有 ADC0809、AD574A等，下面介绍ADC0809原理与应用。(1)ADC0809结构ADC0809是一种8路模拟输入8位数字输出的逐次逼近法A/D器件。其引脚和内部逻辑
36、框图分别示于图5-18和图5-19。它内部除A/D转换部分，还有模拟开关部分。第二节 计算机控制系统的接口技术图图5-185-18ADC0809ADC0809引脚图引脚图图图5-195-19ADC0809ADC0809逻辑框图逻辑框图常用的逐次逼近法A/D 器件有 A D C 0 8 0 9、A D 5 7 4 A 等多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。8路模拟开关切换由地址锁存和译码控制，3根地址线与A、B、C引脚直接相连，通过ALE锁存。改变不同的地址，可以切换8路模拟通道，选择不同的模拟量输入，其通道选择的
37、地址编码见表5-2。第二节 计算机控制系统的接口技术地址编码地址编码被选中的通道被选中的通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表表5-25-2通道地址表通道地址表多路开关有8 路模拟量输入端，最多允许8 路模拟量分时输入，共用A/D转换结果通过三态输出锁存器输出，所以在系统连接时，允许直接与系统数据总线相连。OE为输出允许信号，可与系统读选通信号RD相连。EOC为转换结束信号，表示一次A/D转换已完成，可作为中断请求信号，也可用查询的方法检测转换是否结束。VR(+)和VR(-)是基准参考电压，决定了输入模拟量的量程范围。CLK
38、为时钟信号输入端，决定A/D转换的速度，转换一次占64个时钟周期。SC为启动转换信号，通常与系统WR信号相连，控制启动A/D转换。第二节 计算机控制系统的接口技术A/D 转换结果通过三态输出锁存器输出，所以在系统连接时，允许(2)ADC0809与MCS-51单片机接口图5-20是ADC0809与8031的连接方法，此线路为8路模拟量输入，输入模拟量变化范围是05V。0809的EOC用作外部中断请求源，用中断方式读取A/D转换结果。8031通过地址线P2.0和读写线RD、WR来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。模拟输入通道地址的译码输入A、B、C由P0.0P0.2提供，因0809
39、具有地址锁存功能，故P0.0P0.2也可不经锁存器直接与A、B、C相接。第二节 计算机控制系统的接口技术图图5-205-20ADC0809ADC0809与与80318031的连接的连接(2)A D C 0 8 0 9 与MC S-5 1 单片机接口第二节 计设在一个控制系统中，巡回检测一遍8路模拟量输入，将读数依次存放在片外数据存储器A0H-A7H单元，其初始化程序和中断服务程序如下:初始化程序第二节 计算机控制系统的接口技术 MOV R0，#0A0H ;数据暂存区首址 MOVR2，#08H ;8路计数初值 SETBIT1 ;置脉冲触发方式 SETBEA ;CPU开中断 SETBEX1 ;允许
40、申请中断 MOVDPTR，#OFEF8H;指向0809首地址READ1:MOVDPTR，A ;启动A/D转换HERE:SJMPHERE ;等中断 DJNZR2，READ1 ;巡回未完继续设在一个控制系统中，巡回检测一遍8 路模拟量输入，将读数依次存中断服务程序MOVX A，DPTR ;读数MOVX R0，A ;存数INC DPTR ;更新通道INC R0 ;更新暂存单元RETI第二节 计算机控制系统的接口技术第二节 计算机控制系统的接口技术工业控制计算机简介03工业控制计算机简介0 3一、工业控制计算机系统硬件组成的一般形式第三节 工业控制计算机简介在工业环境中使用的计算机控制系统，除去被控对
41、象、检测仪表和执行机构外，其余部分称做“工业控制计算机”，简称“工业控制机”或“工控机”。也就是说，用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，它是处理来自检测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。一、工业控制计算机系统硬件组成的一般形式第三节 工业控制第三节 工业控制计算机简介典型的工业计算机控制系统如图5-21所示，除图中右面的被控对象、执行机构和传感器以外，其余部分均属于工业控制机系统的组成部分。可见，工业控制机系统由两大部分组成，即总线左面部分为计算机基本系统，总线右面部分为过程输入/输出(I/O)子系统。图图5-215-21典型
42、的工业计算机测控系统典型的工业计算机测控系统第三节 工业控制计算机简介典型的工业计算机控制系统如图5计算机基本系统包括主机和外围设备，其中:主机是由中央处理器(CPU)和存储器组成，它是控制系统的核心。主机根据输入设备送来的实时反映测控对象工作状况的各种信息，以及预定的控制算法，自动地进行信息处理和运算及时地选定相应的控制策略，并立即通过输出设备向测控对象发送控制命令。外围设备常用的外围设备可按功能分为输入设备、输出设备、外存储器和通信设备等等。常用输入设备有键盘、终端和专用操作台等，用来输入程序、数据和操作命令。常用输出设备有打印机、绘图机和CRT显示器等，它们以字符、曲线、表格、图形和声音
43、等形式来反映过程工况和控制信息。外存储器有磁盘、磁带等，用来存放程序和数据。通信设备的功能是实现多个不同的控制系统进行信息交换，或构成计算机通信网络。过程输入输出子系统，实现计算机与过程对象之间的信息传递。包括过程输入设备和过程输出设备。第三节 工业控制计算机简介计算机基本系统包括主机和外围设备，其中:第三节 工业控制过程输入设备由信号预处理、A/D接口、开关量输入接口(DI)等组成，用来把反映过程状况的各种物理量转换成数字量信号和开关量信号。过程输出设备包括D/A接口、开关量输出接口(DO)以及信号转换部分组成，它们把主机输出的二进制信息转换为适应各种执行机构控制的相应信号。第三节 工业控制
44、计算机简介过程输入设备由信号预处理、A/D 接口、开关量输入接口(D I)二、工业控制机分类第三节 工业控制计算机简介PLC是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，而其高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。PLC是以微处理器为主的工业控制器，处理器以扫描方式采集来自工业现场的信号。PLC的典型结构如图5-22所示。1.可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC图图5-225-22PLCPLC的典型结构的典型结构二、工业控制机分类第三节 工业控制计算机简介P L C 是从早第三节 工业控
45、制计算机简介PLC主要功能有条件控制即逻辑运算功能;定时控制;计数控制;步进控制;A/D、D/A转换;数据处理;级间通信等等。PLC的特点是:1)工作可靠;2)可与工业现场信号直接连接;3)积术式组合;4)编程操作容易;5)易于安装及维修。目前微处理器的发展大大提高了PLC的性能，特别是在运行速度方面的提高，不但拉大了与继电器控制的距离，也缩小了与微型机功能的差别。第三节 工业控制计算机简介P L C 主要功能有条件控制即逻辑第三节 工业控制计算机简介2.单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图5-23所示。它要处理数字和模拟两种基本信号，检测通道的模拟通入信号AIi经A/D转换成数字信号后
46、，存入RAM备用。输入开关量信号DIi，通过光电隔离器经PIA(Peripheral Interface Adapter外部接口衔接器)进入RAM备用。图图5-235-23单回路调节器的结构单回路调节器的结构第三节 工业控制计算机简介2.单回路调节器单回路调节器的第三节 工业控制计算机简介CPU将存入RAM的各种参数和EPROM中的各种算法程序，按照系统工艺流程进行运算处理，其结果经D/A转换器、多路输出切换开关、模拟保持器和V/I转换器，从AOi输出至执行器。输出开关信号通过PIA及继电器隔离输出。现场整定参数、操作参数可通过侧面显示和键盘进行人机对话，并可显示各种复杂的程序设定。单回路调节
47、器多用于过程控制系统，其控制算法多采用PID算法，可取代模拟控制仪表。单回路调节器的应用使一个大系统，即有多个调节回路的系统分解成若干个子系统。子系统之间可以是相互独立，也可有一定的耦合关系。复杂的系统可由上位计算机统一管理，组成分布式计算机控制系统。第三节 工业控制计算机简介C P U 将存入R A M的各种参数和第三节 工业控制计算机简介单回路调节器的主要特点是:1)实现了仪表和微机一体化;2)具有丰富的运算和控制功能;3)有专用的系统组态器;4)人机接口灵活;5)便与级间通信;6)有继电保护和自诊断功能。目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、自诊断和智能控制等控制方
48、式，提高了性能，加速了仪表的更新换代，已成功地应用到各种过程控制领域。第三节 工业控制计算机简介单回路调节器的主要特点是:第三节 工业控制计算机简介3.总线式工业控制机总线式工业控制机即是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，包括主机在内的各种I/O接口功能模板而组成的计算机。例如，PC总线工业控制计算机，STD总线工业控制计算机以及Q-BUS、Multibus、VME bus等等。总线式工业控制机的典型结构如图5-24所示。图图5-245-24总线式工业控制机的典型结构总线式工业控制机的典型结构第三节 工业控制计算机简介3.总线式工业控制机总线式工业第三节 工业控制计算机简介总线式工业控制机
49、与通用的商业化计算机比较是取消了计算机系统母板;采用开放式总线结构;各种I/O功能模板可直接插在总线槽上;选用工业化电源;可按控制系统的要求配置相应的模板;便于实现最小系统。目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机床、过程监控等方面STD总线工控机及PC总线工业控制机都有成功经验。特别要指出的是，总线式工业控制机的软件极为丰富。如PC总线工业控制机上可运行各种IBM-PC软件，STD总线中工业控制机如选择8088芯片的主机板，在固化MS-DOS及BIOS的支持下，也可以用IBM-PC的软件资源。这给程序编制、复杂控制算法等的实现创造了方便的条件。第三节 工业控制计算机简
50、介总线式工业控制机与通用的商业化第三节 工业控制计算机简介4.分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集散控制系统(DCS)。它实际上是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。它是由计算机技术、信号处理技术、检测技术、控制技术、通信技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的新型工业计算机控制系统。第三节 工业控制计算机简介4.分布式计算机控制系统分布式第三节 工业控制计算机简介集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示操作管理、控制相对分散的多级计算机网络系统
