《計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用》授課教案1

1、計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用授課教案1湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教 師 授 課 教 案課程名稱： 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用 2009 年至2010 年第 2 學(xué)期第 1 次課班 級： 08電氣16 編制日期：20 10 年 2 月 27 日教學(xué)單元（章節(jié)）：第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述11計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 12計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成 1。3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類 1。4微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢目的要求：1 了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 2 了解閉環(huán)、開環(huán)控制系統(tǒng)的一般形式 3 了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件組成及特點(diǎn) 4 了解微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類5 了解微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢知識要點(diǎn)：1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2、、開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖、微機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成 4 微機(jī)控制系統(tǒng)分類技能要點(diǎn)：根據(jù)實(shí)例掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通過實(shí)例搞清微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件組成及特點(diǎn)教學(xué)步驟：1 對整本教材的內(nèi)容進(jìn)行一下總體的介紹，有一個(gè)總體把握 2 通過實(shí)例講解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念，理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖3具體從硬件、軟件兩方面分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)教具及教學(xué)手段：多媒體結(jié)合黑板板書課堂教學(xué)作業(yè)布置情況：習(xí)題11、12課后分析與小結(jié)：授課教師： 陳劍 授課日期：20 年 月 日2 / 142 / 14第 頁教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注11 計(jì)算機(jī)控制

3、系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)隨著控制對象、控制規(guī)律、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同而不同?？刂葡到y(tǒng)的一般形式（基本結(jié)構(gòu)）如圖11所示。a) 閉環(huán)控制系統(tǒng)b) 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)：按誤差進(jìn)行控制（被控參數(shù)與給定值進(jìn)行比較）開環(huán)：不需要被控對象的反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值去控制被控對象，不能自動(dòng)消除被控參數(shù)與給定值之間的誤差（控制性能相對要差）實(shí)例分析：1、飛機(jī)的姿態(tài)控制（圖12）將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制裝置來實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。（圖13）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入和輸出信號都是數(shù)字量，因此系統(tǒng)需要A/D及D/A轉(zhuǎn)換器。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程一般可歸納為兩步：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

4、 （2）實(shí)時(shí)決策控制。2、啤酒罐計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)（圖14）通過啤酒罐計(jì)算機(jī)溫度控制的多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)，我們可知，一般，計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中至少起到三個(gè)作用： （1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。 （2）實(shí)時(shí)監(jiān)督?jīng)Q策。（3）實(shí)時(shí)控制及輸出。12計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 121計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)對象兩大部分組成，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件和軟件。硬件是指主機(jī)及其外圍設(shè)備，軟件是指管理計(jì)算機(jī)的程序以及過程控制應(yīng)用程序。硬件由主機(jī)、接口電路及外圍設(shè)備等組成，系統(tǒng)可根據(jù)需要擴(kuò)展其硬件。（1）主機(jī)。主機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口組成，是控制系統(tǒng)的核心。（2）常用外圍設(shè)備。常用外圍設(shè)備有輸入設(shè)備

5、、輸出設(shè)備和外存儲(chǔ)器，用來顯示、打印和數(shù)據(jù)傳送。（3）I/O接口與輸入/輸出通道。教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注接口的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)的連接，外設(shè)不同，接口的形式也不一樣，高速外設(shè)數(shù)據(jù)接口使用直接數(shù)據(jù)傳送通道DMA，絕大多數(shù)I/O接口都是有可編程的，它們的工作方式可以通過編程設(shè)置。通道還包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。（4）檢測元件和執(zhí)行器。（5）操作臺(tái)。主要由四部分組成：1）作用開關(guān)。2）功能鍵。3）顯示器。4）鍵盤。122計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，如操作、管理、控制、計(jì)算和自診斷等，它是微機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作的。以功能來區(qū)

6、分，可分：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫等。（圖16） 123微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1可靠性高 2實(shí)時(shí)性強(qiáng)微機(jī)的實(shí)時(shí)性主要包括四方面內(nèi)容：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。 （2）實(shí)時(shí)決策運(yùn)算。（3）實(shí)時(shí)控制。 （4）實(shí)時(shí)報(bào)警。3環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 4良好的可維護(hù)性。5人機(jī)聯(lián)系方便。 6較完善的輸入/輸出通道。13微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類微型計(jì)算機(jī)與其所控制的生產(chǎn)過程有密切關(guān)系，根據(jù)生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度可采用不同的控制系統(tǒng)。從應(yīng)用的特點(diǎn)和控制的目標(biāo)出發(fā)，將微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為以下幾類。1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（圖17）2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）（圖18）3監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC系統(tǒng)）（圖19）4集散控制系統(tǒng)（DCS

7、系統(tǒng)）（圖110）5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）(圖111)14微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，對生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度要求越來越高，系統(tǒng)控制在向著更加復(fù)雜、可靠性及精確性要求更高的方向發(fā)展。這就要求我們有更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)與之相適應(yīng)。當(dāng)前微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，也促進(jìn)了控制理論的發(fā)展。當(dāng)然自動(dòng)控制理論又反過來推動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，為促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的不斷提高，為計(jì)算機(jī)控制提供更新的理論基礎(chǔ)。湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教 師 授 課 教 案課程名稱： 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用 2009年至2010年第 2 學(xué)期第 2 次課班 級： 08電氣16 編制日期：20 10

8、年 2 月 27 日教學(xué)單元（章節(jié)）：第二章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接口技術(shù) 21模擬量輸入/輸出通道 2。2開關(guān)量輸入/輸出通道目的要求：1 了解模擬量輸入、輸出通道的一般結(jié)構(gòu) 2 了解比較典型的A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及其與CPU的接口3 了解開關(guān)量I/O通道的一般結(jié)構(gòu) 4 了解開關(guān)量信號的輸入、輸出電路知識要點(diǎn)：1 ADC0809芯片、DAC0832芯片 2 開關(guān)量輸入信號的調(diào)理 3 開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路技能要點(diǎn)：搞清楚模擬量信號輸入微機(jī)及從微機(jī)輸出的基本結(jié)構(gòu)并能理解接口電路中各芯片的作用掌握開關(guān)量信號怎樣實(shí)現(xiàn)與CPU的輸入、輸出連接教學(xué)步驟：1 介紹模擬量信號與微機(jī)之間輸入、輸出的基本結(jié)

9、構(gòu)。 2 分析A/D及D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及與CPU的接口電路。3 介紹開關(guān)量信號I/O通道的一般結(jié)構(gòu)教具及教學(xué)手段：多媒體結(jié)合黑板板書課堂教學(xué)作業(yè)布置情況：課后分析與小結(jié)：授課教師： 陳劍 授課日期：20 年 月 日第 頁教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注21模擬量輸入通道 231模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)1單路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)傳感器信號調(diào)理電路S/HA/D微型計(jì)算機(jī)（1）傳感器部分。檢測非電量物理量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。（2）調(diào)理電路部分。對信號做適當(dāng)處理，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號。包括變換、濾波、放大、隔離以及線性化等。（3）采樣/保持器（S/H）。保證模擬量信號的轉(zhuǎn)換精度。（4

10、）A/D轉(zhuǎn)換器。2多路模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)（如圖29所示）多路開關(guān)的作用是把多路輸入的模擬量分時(shí)地送入A/D，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。 232 A/D轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口A/D轉(zhuǎn)換器按位分：8位ADC0809、10位AD75702、12位AD574。按變換原理分有：逐次比較式ADC0809、雙積分式5G14433、量化反饋式和并行式等。1ADC0809芯片簡介2ADC0809與8031的接口21模擬量輸出通道 241模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu) 1單路模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)寄存器D/A轉(zhuǎn)換器放大變換器執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）寄存器。用于保存計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量。（2）D/A轉(zhuǎn)換器。核心部件，將

11、數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。轉(zhuǎn)換后的模擬量有電壓和電流兩種類型。（3）放大/變換電路。當(dāng)輸出信號無法直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蜃儞Q。 2多路模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu)保持方式兩種：數(shù)字量保持和模擬量保持。對應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)有兩種形式：（1）各通道自備D/A轉(zhuǎn)換器形式。（2）各通道共用D/A轉(zhuǎn)換器形式。教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注242 D/A轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口D/A轉(zhuǎn)換器常用的有：8位的DAC0800系列、DAC0830系列；10位的DAC1020系列、ADC7520系列；12位的DAC1208系列、AD1230系列、AD7521系列等。22開關(guān)量輸入/輸出通道開關(guān)量信號的電氣接口形式多種多

12、樣，如TTL電平、CMOS電平、非標(biāo)準(zhǔn)電平、開關(guān)或繼電器的觸電等，這些電平一般都不能直接用來驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，況且工業(yè)現(xiàn)場還存在著電磁、振動(dòng)、溫度和濕度等各種干擾與影響。因此，在開關(guān)量輸入/輸出通道中需采取各種緩沖、放大、隔離與驅(qū)動(dòng)等措施。 221開關(guān)量I/O通道的一般結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入/輸出通道通常由CPU接口邏輯、輸入緩沖器和輸出鎖存器、輸入/輸出電氣接口三部分組成。1CPU接口邏輯這部分電路一般由數(shù)據(jù)總線緩沖器/驅(qū)動(dòng)器、輸入/輸出地址譯碼器、讀寫控制等組成，主要完成開關(guān)量輸入/輸出通道的選通和關(guān)閉等控制信號的傳輸。2輸入緩沖器和輸出鎖存器輸入緩沖器：緩沖或選通外部輸入信號。輸出鎖存器：鎖存CPU

13、的輸出數(shù)據(jù)，在未刷新前保持穩(wěn)定以供外部設(shè)備的使用。輸入緩沖器和輸出鎖存器可以使用各種可編程的外圍接口電路，如8255、8155等，也可使用簡單的中小規(guī)模集成電路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。3I/O電氣接口開關(guān)量輸入/輸出電氣接口的功能主要有濾波、電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動(dòng)等。教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注222開關(guān)量輸入信號的調(diào)理1信號轉(zhuǎn)換電路（1）電壓或電流轉(zhuǎn)換電路。（圖218 a）（2）開關(guān)觸點(diǎn)型信號輸入電路。（圖218b）2RC濾波電路3保護(hù)電路為了防止因過電壓、瞬時(shí)尖峰或反極性信號損壞接口電路，在開關(guān)量輸入電路中，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

14、（圖219、圖220）4觸點(diǎn)抖動(dòng)的消除采用RS觸發(fā)器消除抖動(dòng)。5光電隔離技術(shù)及常用器件為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，需將控制對象和微機(jī)部分在電氣上隔離開來。223開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路在微機(jī)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常需要大電壓（電流）來控制，而微機(jī)系統(tǒng)輸出的開關(guān)量大部分為TTL（或MOS）電平，這種電平一般不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要另外設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。1功率驅(qū)動(dòng)電路常用于驅(qū)動(dòng)功率繼電器、電磁開關(guān)等功率裝置，一般要求具有50500mA的驅(qū)動(dòng)能力。（1）功率三極管驅(qū)動(dòng)。（圖223a）（2）達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)。（圖223b）2固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)固態(tài)繼電器（SSR）是一種無觸點(diǎn)功率型電子開關(guān)。它利用光電隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)控

15、制端（輸入端）與負(fù)載回路（輸出端）之間的電氣隔離，同時(shí)又能控制電子開關(guān)的動(dòng)作。湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教 師 授 課 教 案課程名稱： 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用 2009年至2010年第 1 學(xué)期第 3 次課班 級： 08電氣16 編制日期：20 10 年 2 月 27 日教學(xué)單元（章節(jié)）：第三章 計(jì)算機(jī)串行通信接口技術(shù) 31串行通信基礎(chǔ) 32常見的串行通信接口目的要求：1 了解串行通信的一些基本概念 2 了解RS-232C這種廣泛使用的串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)以及RS-232C的使用 3 了解其他常見的幾種串行通信接口及通信方式知識要點(diǎn)：1 串行通信的數(shù)據(jù)傳送方式 2 波特率 3 信號的調(diào)制和解調(diào) 4

16、RS-232C 5 RS-423A接口 6 RS-422A接口 7 RS-485接口技能要點(diǎn)：1 理解串行通信的數(shù)據(jù)傳送方式，學(xué)會(huì)RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)的使用 2了解不同串行通信接口在通信接線方式上的區(qū)別教學(xué)步驟：1 首先了解串行通信的基礎(chǔ)知識； 2 介紹RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)及其使用方法 3 介紹常見的串行通信接口 4 分析接口的通信原理和方式教具及教學(xué)手段：多媒體結(jié)合黑板板書課堂教學(xué)作業(yè)布置情況：課后分析與小結(jié)：授課教師： 陳劍 授課日期：20 年 月 日第 頁教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注31串行通信基礎(chǔ) 311串行通信常用術(shù)語1通信方式并行通信通過并口來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。串行通信是通

17、過串口來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)逐位順序傳送。2串行通信的方式（1）異步通信。異步通信方式是按字符傳送的，用1個(gè)起始位“0”表示字符的開始，用停止位“1”表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀。如圖31所示。根據(jù)約定，用奇偶校驗(yàn)位將所傳字符中為“1”的位數(shù)據(jù)湊成奇數(shù)個(gè)或偶數(shù)個(gè)。也可以約定不要奇偶檢驗(yàn)位。優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳送的可靠性高；缺點(diǎn)：通信效率比較低。異步通信是字符間異步，字符內(nèi)部各位間同步。每個(gè)字符出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中的相對時(shí)間是隨機(jī)的，接收端預(yù)先并不知道，而每個(gè)字符一經(jīng)開始發(fā)送，收/發(fā)雙方則以預(yù)先固定的時(shí)鐘頻率傳送各位。異步通信時(shí)，CPU與外設(shè)必須統(tǒng)一字符格式和波特率。用奇偶校驗(yàn)位將所傳字符中位“1”的位數(shù)據(jù)湊成奇數(shù)個(gè)或偶數(shù)個(gè)

18、，也可以約定不要奇偶校驗(yàn)，即取消奇偶校驗(yàn)位。（2）同步通信是按數(shù)據(jù)塊傳送的，把傳送的n個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)字符順序地連接起來，組成數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的前面加上特殊的同步字符，作為數(shù)據(jù)塊的起始符號，在數(shù)據(jù)塊后面加上校驗(yàn)字符，用于校驗(yàn)通信中的錯(cuò)誤。控制規(guī)程分兩類：面向字符型和面向位型。1面向字符型單同步：在數(shù)據(jù)塊前先傳送一個(gè)同步字符SYNC；雙同步：安排兩個(gè)同步字符；外同步：不含同步字符，而是用一條專用控制線來傳送同步字符，以實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的同步操作，任何一幀信息都一兩個(gè)字節(jié)的循環(huán)控制碼CRC結(jié)束。（微機(jī)原理）3波特率串行通信中每秒傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。位周期：每一個(gè)數(shù)據(jù)位的寬度，它等于傳送波特率的倒數(shù)。教 學(xué) 內(nèi)

19、容板書或旁注4半雙工和全雙工（參看微機(jī)原理）一般說來，通過串行接口直接發(fā)送的串行數(shù)據(jù)在其基本不產(chǎn)生信號畸變和失真的條件所能傳送的最大距離取決于傳輸速率和傳輸線的電氣性能。5信號的調(diào)制和解調(diào)為避免信號發(fā)生畸變，常常采用調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。MODEM為調(diào)制解調(diào)器，兼有調(diào)制器和解調(diào)器的功能。微機(jī)原理調(diào)制方法：調(diào)頻（FM）、調(diào)幅（AM）、調(diào)相（PM）6通用異步接收器/發(fā)送器（UART）既能實(shí)現(xiàn)由并行到串行輸出，又能實(shí)現(xiàn)由串行到并行輸入。7串行通信的校驗(yàn)方法（1）奇偶校驗(yàn)主要用于對一個(gè)字符的傳送過程進(jìn)行校驗(yàn)。（2）循環(huán)冗余校驗(yàn)用于對一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行校驗(yàn)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)按一定的規(guī)則進(jìn)行發(fā)送。8串行通信傳送規(guī)程控制

20、312 RS-232C1RS-232C標(biāo)準(zhǔn)美國電氣工業(yè)協(xié)會(huì)推廣使用的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，是DEC和DTE間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。RS-232C最大的傳輸距離為15m，最高傳輸速度約每秒20kbit，信號的邏輯“0”電平為315V，邏輯“1”電平為315V。2RS-232C電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換如圖33所示，分立元件電平轉(zhuǎn)換線路。如圖34所示，集成電路電平轉(zhuǎn)換器MC1488。 313 RS-232C的使用教 學(xué) 內(nèi) 容板書或旁注32其他常見的串行通信接口RS-232C是采用單端發(fā)送、單端接收的。即發(fā)送方的TXD端與接受方的RXD端相連，發(fā)送方和接收方的地線是連接地一起，如圖39所示。RS-232C不能用于較強(qiáng)干擾信號的場合，傳送的距離限制在15m以內(nèi)，另外傳送的速度也不高。一條線路中只能有一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器。 331RS-423A接口RS-423A采用了單端發(fā)送、雙端接收的傳送方式，如圖310所示。它