《过程通道》PPT课件.ppt
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1、第五章 过程输入输出通道第第1 1节节 过程通道的概念过程通道的概念一一 过程通道的概念过程通道的概念计算机控制系统基本原理图计算机控制系统基本原理图r r给定值给定值计算机计算机 -被控量被控量控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象A/DA/DD/AD/A过程(输入输出)通道:是计算机和工业生产过程相互交过程(输入输出)通道:是计算机和工业生产过程相互交换信息的桥梁。换信息的桥梁。根据根据过过程信息的性程信息的性质质及及传递传递方向,方向,过过程程输输入入输输出出通道分通道分类类如下:如下:二二 过程输入输出通道的组成与功能过程输入输出通道的组成与功能 模模拟拟量量输输入通道:入通道:
2、模模拟拟量量输输出通道:出通道:生生产过产过程的参数程的参数(如温度、如温度、压压力、流量、速度、位力、流量、速度、位移、移、电电流、流、电压电压等等)一般是随一般是随时间连续变时间连续变化的模化的模拟拟量,通量,通过检测过检测元件或元件或变变送器将其送器将其转换为对应转换为对应的模的模拟拟电压电压或或电电流,并流,并转转化化为为数字信号的数字信号的过过程;程;把微机把微机输输出的数字控制信号出的数字控制信号转换为转换为模模拟拟信号(信号(电压电压或或电电流)并流)并传输给传输给被控被控对对象的象的过过程;程;数字量数字量(开关量开关量)输输入通道:入通道:数字量数字量(开关量开关量)输输出通
3、道:出通道:拾起或拾起或检测检测反映生反映生产过产过程或程或设备设备工况的开关信号工况的开关信号(如(如继电继电器接点、行程开关、按器接点、行程开关、按纽纽等)、脉冲信号等)、脉冲信号(如速度、位移、流量脉冲等)并(如速度、位移、流量脉冲等)并传输给传输给微机的微机的过过程;程;将数字信号从微机将数字信号从微机传输给传输给那些接受数字信号的那些接受数字信号的执执行机构和行机构和显显示、指示装置的示、指示装置的过过程。程。注意:注意:数字量数字量输输入入输输出通道包括多字出通道包括多字节节型数字量。型数字量。过程输入输出通道示意图过程输入输出通道示意图三三 过过程程输输入入输输出通道与出通道与C
4、PUCPU交交换换的信息的信息类类型型 3 3控制信息控制信息:用来控制过程通道的启动和停止等: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、触发器的启动信息,如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。等。2 2状态信息状态信息:又叫协议信息,如应答信息、握手信:又叫协议信息,如应答信息、握手信 息,它反映过程通道的状态,如准备就绪信号。息,它反映过程通道的状态,如准备就绪信号。过程输入输出通道与过程输入输出通道与CPUCPU交换的信息类型有三种:交换的信息类型有三种:注注意意:在在过过程程输输入入输输出出通通道道中中,必必须须设设置置一一个个与与CPUCPU联联系系的接口电路,传
5、送数据信息、状态信息和控制信息。的接口电路,传送数据信息、状态信息和控制信息。1 1数据信息数据信息:反映生产现场的参数及状态的信: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。息,它包括数字量、开关量和模拟量。四四 过过程通道的程通道的编编址方式址方式 2 2过程通道与存储器独立编址方式过程通道与存储器独立编址方式1 1过过程通道与存程通道与存储储器器统统一一编编址方式址方式 由于由于计计算机控制系算机控制系统统一般都有多个一般都有多个过过程程输输入入输输出通道,出通道,因此需因此需对对每一个每一个过过程程输输入入输输出通道安排地址。出通道安排地址。过过程通程通道道编编址方
6、式有两种:址方式有两种:五五 过程通道接口设计应考虑的问题过程通道接口设计应考虑的问题 接接口口电电路路起起着着连连接接过过程程通通道道与与CPUCPU的的桥桥梁梁作作用用,它的基本任务有:它的基本任务有:1 1控控制制信信息息的的传传递递路路径径:即即根根据据控控制制的的任任务务在在众众多多的的信信息息源源中中进进行行选选择择,2 2控控制制信信息息传传送送的的顺顺序序:计计算算机机控控制制的的过过程程就就是是执执行行程程序序的的过过程程,为为确确保保进进程程正正确确无无误误,接接口口电电路路应应根根据据控控制制程程序序的的要要求求,适适时地发出一组有序的门控信号。时地发出一组有序的门控信号
7、。以确定该信息传送的路径和目的地。以确定该信息传送的路径和目的地。在过程通道接口电路设计中应解决以下问题:在过程通道接口电路设计中应解决以下问题:1 1触发方式:触发方式:有序的门控信号的主要作用就是严有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求,适时对系统中某个或某些格遵循系统工作时序要求,适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭特定部件发出开启或关闭(触发触发)信号,这必然涉及到信号,这必然涉及到同步触发和异步触发的方式。同步触发和异步触发的方式。2 2时序:时序:控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型,不管哪种类型都要严格遵守规定
8、控制逻辑两种类型,不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤,每一个操作步骤又都是在一组有序的控的操作步骤,每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。制信号驱动下实现的。3.3.负载能力:负载能力:一旦控制逻辑确定后,系统能否可一旦控制逻辑确定后,系统能否可靠运行与器件的选择关系密切,器件的选择除了要考靠运行与器件的选择关系密切,器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外,还应考虑器件所带负虑电平的摆幅、数值、延时外,还应考虑器件所带负载是否匹配。载是否匹配。第二节第二节 模拟量输入通道模拟量输入通道一、模拟量输入通道的结构一、模拟量输入通道的结构模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号
9、与主控模拟输入通道的作用是实现模拟待测信号与主控微处理器之间的接口,一般由传感器、信号调理微处理器之间的接口,一般由传感器、信号调理电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器电路、多路模拟开关、放大器、采样保持器(S/H)(S/H)和和A/DA/D转换器组成。其中转换器组成。其中A/DA/D转换器是实现模拟待转换器是实现模拟待测信号到数字信号之间转换的关键部件。测信号到数字信号之间转换的关键部件。模拟量输入通道根据不同的应用要求,可以有不模拟量输入通道根据不同的应用要求,可以有不同的结构形式,同的结构形式,1 1、单路模拟量输入通道、单路模拟量输入通道2 2、多路模拟量输入通道、多路模拟量输入通道
10、接口电路信号处理信号处理信号处理传感器1传感器2传感器nA/D转换器多路开关采样保持微型计算机1 1、多路转换器、多路转换器多路转换器又称多路开关,它是用来切换模拟电压多路转换器又称多路开关,它是用来切换模拟电压信号的关键元件。信号的关键元件。多路开关功能:多路开关功能:把多个模拟量参数分时地接通并送入把多个模拟量参数分时地接通并送入A/DA/D转换器,即完成多到一的转换;或者把经计算机处转换器,即完成多到一的转换;或者把经计算机处理,且由理,且由D/AD/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路(或外部设备)中,即完成一到出到不同的控制回路
11、(或外部设备)中,即完成一到多的转换。前者成为多路开关,后者叫做多路分配器,多的转换。前者成为多路开关,后者叫做多路分配器,或叫做反多路开关。或叫做反多路开关。二、模拟量输入通道中的常用器件及电路二、模拟量输入通道中的常用器件及电路理想多路开关要求:理想多路开关要求:开路电阻应为无穷大,接通时开路电阻应为无穷大,接通时的导通电阻应为零,切换速度快、噪声小、寿命长、的导通电阻应为零,切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。工作可靠。实际多路开关性能:实际多路开关性能:导通电阻导通电阻1010几欧,开关速度几百几欧,开关速度几百纳秒纳秒多类开关的分类:多类开关的分类:1)1)单向多路开关单向多路开关
12、(1(1对多或多对对多或多对1)1),如,如AD7501AD7501(8 8路)、路)、AD8506(16AD8506(16路路);2)2)双向多路开关(双向多路开关(1 1对多且多对对多且多对1 1),如),如CD4051CD4051;3 3)矩阵多路开关(多对多),如)矩阵多路开关(多对多),如MT8816MT8816;多路开关多路开关实实例:例:CD4051CD4051 CD4051是8通道多路开关带有3个通道选择输入端A、B、C,用于选择8个通道之一一个禁止输入端INH,高电平时,禁止模拟信号输入;低电平时允许模拟信号输入V VDDDD与与V VSSSS的电平差为的电平差为0.5 15
13、V0.5 15VCD4051CD4051的真值表的真值表 输入状态输入状态接通通道接通通道在实际应用中,如果被测参数多于8路,可以采用将多个CD4051 相连进行扩展。*由由D0D1D2D3来选择来选择16路路通道之一通道之一*其中其中D30,选中,选中1*其中其中D31,选中,选中2CD4051多路开关的扩展应用2.1 2.1 2.1 2.1 概述概述概述概述问题:问题:模拟信号进行模拟信号进行 A AD D 转换时,从启动转换到转转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,需要一定的转换时间,当换结束输出数字量,需要一定的转换时间,当输入信号频率较高时,会造成很大的转换误差。输入信号频率较高时
14、,会造成很大的转换误差。解决方法:解决方法:采用一种器件,在采用一种器件,在A AD D转换时保持住输入转换时保持住输入信号电平,在信号电平,在A AD D转换结束后跟踪输入信转换结束后跟踪输入信号的变化。号的变化。这种功能的器件就是采样保持器。这种功能的器件就是采样保持器。2 2、采用保持器、采用保持器2.2 2.2 2.2 2.2 采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理采样保持器的一般结构形式如图所示。采样保持器的一般结构形式如图所示。模拟信号模拟信号U Ui iK K驱动信号驱动信号A AC CH H模拟地模拟地U UO O组成组成 模拟开关模拟
15、开关K K电容电容C CH H缓冲放大器缓冲放大器A A在在t1时刻前时刻前,控制电路的驱控制电路的驱动信号为高电平时,动信号为高电平时,模拟开模拟开关关K 闭合,模拟输入信号闭合,模拟输入信号Ui 通过模拟开关加到电容通过模拟开关加到电容CH 上,使得上,使得CH端电压端电压UC 跟随跟随Ui 变化而变化。变化而变化。在在t1时刻,驱动信号为低电时刻,驱动信号为低电平,模拟开关平,模拟开关K断开断开,此时此时电容电容CH 上的电压上的电压UC 保持保持模拟开关断开瞬间的模拟开关断开瞬间的Ui 值值不变并等待不变并等待AD转换器转转换器转换换。工作原理如下:工作原理如下:t控控制制信信号号t模
16、模拟拟输输入入At采采样样输输出出跟踪跟踪t1A2t2A1t3保持保持A3t4A图图5.2 采样保持器工作原理采样保持器工作原理而在而在t2时刻,保持结束,时刻,保持结束,新一个跟踪时刻到新一个跟踪时刻到 来,来,此时驱动信号又为高电此时驱动信号又为高电平,模拟开关平,模拟开关K 重新闭重新闭合,合,CH 端电压端电压UC 又跟又跟随随Ui 变化而变变化而变 化;化;t3时刻,驱动信号为低时刻,驱动信号为低电平时,模拟开关电平时,模拟开关K断断开开,.。从以上讨论可知:从以上讨论可知:采样采样保持器是一种用逻辑电平控保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。制其工作状态的器件。采样保持器的工
17、作状态:采样保持器的工作状态:跟踪状态跟踪状态 在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号,并精在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号,并精确地跟踪模拟输入信号的变化,一直到接到保持确地跟踪模拟输入信号的变化,一直到接到保持指令为止。指令为止。保持状态保持状态 对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。持。采样保持器主要作用:采样保持器主要作用:“稳定稳定”快速变化的输入信号,以减少转换误差。快速变化的输入信号,以减少转换误差。用来储存模拟多路开关输出的模拟信号,以便模用来储存模拟多路开关输出的模拟信号,以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。拟多路开关切
18、换下一个模拟信号。2.3 2.3 采样保持器使用中应注意的问题采样保持器使用中应注意的问题采样保持器和采样保持器和A AD D转换器各完成一次动作所转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期需时间之和应小于采样周期采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此,应该选择优质电容器。器的质量。因此,应该选择优质电容器。2.4 2.4 常用的采样常用的采样/保持器保持器 常用的采样常用的采样/保持器集成电路有保持器集成电路有AD582AD582、AD583AD583、AD585AD585、AD346AD346、THS-0025THS-0025
19、、LF198/298/398LF198/298/398等。下面以等。下面以LF398LF398为例,介绍集成电路为例,介绍集成电路S/HS/H的工作原理,其他的的工作原理,其他的S/HS/H的原理与其大致相同。的原理与其大致相同。LF398 LF398是一种反馈型采样是一种反馈型采样/保持器,也是较为保持器,也是较为通用的采样通用的采样/保持器,与保持器,与LF398LF398结构相同的还有结构相同的还有LF198LF198、LF298LF298等,都是由场效应管构成,具有采样速率高,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。其采样时间小于保持电压慢和精度高等优点。其采
20、样时间小于10s10s,输入阻抗为,保持电容为,输入阻抗为,保持电容为1F1F时,其下降速度为时,其下降速度为5mV/min5mV/min。双电源供电,电源范围宽,可以从。双电源供电,电源范围宽,可以从5V5V到到18V18V。LF398LF398的组成原理图如图所示。的组成原理图如图所示。引脚排列如图所示。引脚排列如图所示。各引脚功能如下:各引脚功能如下:V+V+、V-V-:正负电源电压输入引脚,输入范围为:正负电源电压输入引脚,输入范围为5V5V到到18V18V。OFFSET ADJOFFSET ADJ:偏置调整引脚。可用外接电阻调整:偏置调整引脚。可用外接电阻调整采样采样-保持器的偏差。
21、保持器的偏差。V VININ:输入引脚。:输入引脚。V VOUTOUT:输出引脚。:输出引脚。C CH H:保持电容引脚。用来外接保持电容。:保持电容引脚。用来外接保持电容。LOGIC REFLOGIC REF:参考逻辑电平。:参考逻辑电平。LOGICLOGIC:输入控制逻辑。:输入控制逻辑。LF398LF398典型的电源和信号的接法典型的电源和信号的接法C C保持电容保持电容H H可选用漏电流较小的可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容电容或聚四氟乙烯电容C C。H H的数值直接影响采样时的数值直接影响采样时间及保持精度,为了提高精度,就需要增加保持电间及
22、保持精度,为了提高精度,就需要增加保持电C C容容H HC C的容量,但的容量,但H H增大时又会使其采样时间加长。因增大时又会使其采样时间加长。因)而速度要求较高时,)而速度要求较高时,1%1%此,当精度要求不高(此,当精度要求不高(C CH H100f100f可小至可小至)时,应)时,应0.01%0.01%。当精度要求高(。当精度要求高(取取C CH H=1000F=1000FC C。当。当H H时,采样时间时,采样时间 400F 400Ft tACACC C与与H H有经验公式有经验公式t tACAC=C=CH H/40/40 式中,式中,C CH H为保持电容的容量,单位为为保持电容的
23、容量,单位为FF;t tACAC为采样为采样时间,单位为时间,单位为s s。保持电容的选择保持电容的选择三、模拟信号的调理三、模拟信号的调理在计算机控制系统中,模拟量输入信号类型:在计算机控制系统中,模拟量输入信号类型:传感器输出的信号传感器输出的信号变送器输出的信号变送器输出的信号 电压信号:一般为电压信号:一般为mVmV或或VV信号。信号。电阻信号:单位为电阻信号:单位为,如热电阻(,如热电阻(RTDRTD)信号,)信号,通过电桥转换成通过电桥转换成mVmV信号。信号。电流信号:一般为电流信号:一般为mAmA或或AA信号。信号。电流信号:一般为电流信号:一般为010mA(负载)或(负载)或
24、420mA(0500负载)。负载)。电压信号:一般为电压信号:一般为05V或或15V信号。信号。模拟信号的调理理由:模拟信号的调理理由:2 2、电流信号转化为电压信号;、电流信号转化为电压信号;注意:注意:信号调理电路的设计主要是根据传感器输信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及出的信号、变送器输出的信号及A/DA/D转换器的具体转换器的具体情况而有所不同。情况而有所不同。3 3、非电压信号转化为电压信号;、非电压信号转化为电压信号;4 4、噪音信号的抑制;、噪音信号的抑制;1 1、电压信号的、电压信号的“标准化标准化”;3.1 3.1 电桥电桥 电桥是将电阻、电容、
25、电感等参数的变化变为电压或电流电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量,其输出既可用指示仪表直接测量,也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单,也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单,并具有较高的精确度和灵敏度,因此在测试装置中得到了并具有较高的精确度和灵敏度,因此在测试装置中得到了广泛应用。广泛应用。与其他测试装置的分类一样,电桥亦有不同的分类方式:与其他测试装置的分类一样,电桥亦有不同的分类方式:按照激励电源的性质可分为按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥;按照桥;按
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