1.1計算機控制系統概述

1、1.1 計算機控制系統概述1.1.1 微機控制系統特征從模擬控制系統過渡到微機控制系統，控制器結構、控制器中的信號形式、系統的過程通道內容、控制量的產生方法、控制系統的組成觀念等均發(fā)生了重大變化。微機控制系統在系統結構方面有自己獨特的內容；在功能配置方面呈現出模擬控制系統無可比擬的優(yōu)勢；在工作過程與方式等方面存在其必須遵循的規(guī)則。因此， 通過了解微機控制系統的這些特征可以建立起微機控制系統的基本概念。1. 結構特征控制器和執(zhí)行機構是任何控制系統都不可缺少的內容。執(zhí)行機構是系統用來操作、改變、管理被控對象的工具，而控制器為執(zhí)行機構提供執(zhí)行方式和執(zhí)行量值等。模擬控制系統的控制器通過以運算放大器為基

2、本運算電路的模擬電路計算執(zhí)行量值， 決策執(zhí)行方式。通常一套決策方案，一種計算方法對應一組專用生成電路，改變決策方案和計算方法就必須改變生成電路。計算機控制系統用計算機作為控制器，執(zhí)行量值的計算，執(zhí)行方式的決策等都是通過計算機程序來實現。將控制器用微型計算機來代替，便構成了微機控制系統，即其結構特征主要表現為系統控制器由微型計算機擔當，系統參數分析和控制量值計算等均由微機完成。微機控制系統的抽象結構和作用在本質上與其它控制系統沒有什么區(qū)別，因此， 同樣存在微機開環(huán)控制系統、微機閉環(huán)控制系統等不同類型的微機控制系統。模擬系統控制器中的信號形式是連續(xù)量，微機作為控制器只能處理離散量，當微機要給模擬執(zhí)

3、行機構提供控制量時，要將離散量或數字量轉換為連續(xù)量或模擬量，即要進行D A（數字模擬 ）轉換； 為了將被控制的模擬量變?yōu)橛嬎銠C能接受，并可進行處理的數字信號形式，在閉環(huán)反饋通道上要設置AD（模擬數字） 轉換環(huán)節(jié)。因此，以微型計算機為控制器的閉環(huán)控制系統抽象結構如圖1.1.1 所示。圖 1.1.1 微機閉環(huán)控制系統結構圖按微機控制系統中信息的傳輸方向，系統包含三條基本信息通道。第一條是含DA 轉換環(huán)節(jié)的通道，稱之為后向通道或輸出過程通道；第二條是含有A D 轉換環(huán)節(jié)的通道， 稱之為前向通道或輸入過程通道；第三條通道是人機對話或交互通道。微機通過輸出過程通道向被控對象或工業(yè)現場提供控制量；通過輸入

4、過程通道獲取被控對象或工業(yè)現場信息；系統操作者通過人機交互通道向微機控制系統發(fā)布相關命令，提供操作參數， 修改設置內容等，微機則可通過人機交互通道向系統操作者顯示相關參數、系統工作狀態(tài)、對象控制效果等。當微機控制系統沒有輸入過程通道時，稱之為微機開環(huán)控制系統。在微機開環(huán)控制系統中，微機的輸出只隨給定值變化，不受被控參數影響，通過調整給定值達到調整被控參數的目的。但當被控對象出現擾動時，微機無法自動獲得擾動信息，因而無法消除擾動， 導致控制性能較差。當微機控制系統僅有輸入過程通道時，稱之為微機數據采集系統。在微機數據采集系統中，微機的作用是對采集來的數據進行處理、歸類、分析、儲存、 顯示與打印等

5、，而微機的輸出與系統的輸入過程通道參數輸出有關，但不影響或改變生產過程的參數，所以這樣的系統可認為是開環(huán)系統，但不是開環(huán)控制系統。2. 功能特征與模擬控制系統比較，微機控制系統的重要功能特征表現為： (1) 以軟件代替硬件以軟件代替硬件的功能主要體現在兩個方面，一方面是改變控制對象，微機及其相應的過程通道硬件只需作少量的變化，甚至不需作任何變化，而面向新對象重新設計一套新控制軟件便可；另一方面是可以用軟件來代替邏輯部件的功能實現，從而降低系統成本，減小設備體積。(2) 數據保存現代微機已具備多種數據保持方式，如脫機保持方式有軟盤、U 盤、移動硬盤、磁帶、光盤、紙質打印、紙質繪圖等；聯機保持方式

6、有固定硬盤、EEPRO、MRAM休眠等，工作特點是系統斷電不會丟失數據。正是由于有了這些數據保護措施，使得人們在研制微機控制系統中，可以從容對付突發(fā)問題；在分析解決問題時可以大量減少盲目性，從而提高了系統的研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期。(3) 狀態(tài)、數據顯示微機具有強大的顯示功能。顯示設備類型有CRT顯示器、LED數碼管、LED矩陣塊、 LCD顯示器、LCD模塊、LCD數碼管、各種類型打印機、各種類型繪圖儀等；顯示模式包括數字、字母、符號、圖形、圖像、虛擬設備面板等；顯示方式有靜態(tài)、動態(tài)、二維、三維等；顯示內容涵蓋給定值、當前值、歷史值、修改值、狀態(tài)值、系統工作波形、 系統工作軌跡仿真圖等。人們通過

7、顯示內容可以及時了解系統的工作狀態(tài)、被控對象的變化情況、控制算法的控制效果等。(4) 聯網管理一般微機都具有串行通信或聯網功能，利用這些功能可實現多套微機控制系統的聯網管理，資源共享，優(yōu)勢互補；可構成分級分布式集散控制系統，以滿足生產規(guī)模不斷擴大，生產工藝日趨復雜，可靠性要求更高，靈活性希望更好，操作需更簡易的大系統綜合控制的要求；實現生產進行過程( 動態(tài) ) 的最優(yōu)化和生產規(guī)劃、組織、 決策、 管理 ( 靜態(tài) ) 的最優(yōu)化的有機結合。3. 工作過程特征圖 1.1.1 表明在微機閉環(huán)控制系統在工作過程中，由檢測裝置將被控對象的模擬參數送至A D 轉換環(huán)節(jié)，微型計算機把從A D 轉換環(huán)節(jié)獲得的數

8、據與給定值r(t) 比較，然后對其偏差按某種控制算法進行計算，得出新的控制量數據，經D A轉換驅動執(zhí)行機構改變被控對象。整個過程可歸納為三個步驟，即數據采集、數據處理與決策、控制輸出。當被控對象處于動態(tài)狀態(tài)時，如果不能及時獲得信息，及時做出決策，及時調整輸出， 就有可能失去控制效果和意義。而微機控制系統控制過程的三個步驟都是通過程序來實現的，因此微機控制系統的工作過程特征表現在對三個步驟都有實時性要求。所謂“實時”，是指在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的任務。實時又有及時、即時、適時的意思。 就微機控制系統而言，要求微機能夠在規(guī)定的時間內以足夠快的速度進行數據采集、分析處理、對被控對象做出相應的控制操作

9、，否則就會失去控制機會，微機在控制系統中也就沒有存在的任何實際意義。不同的對象實時時間是不相同的，如煉鋼的爐溫控制，由于時間慣性很大，輸出延遲幾秒仍然是實時的；而軋鋼機的拖動電機控制，一般需在幾毫秒或更短的時間內完成對電流的調節(jié)，否則電流失控將造成事故。(1) 實時數據采集檢測裝置將被控對象( 溫度、濕度、黏度、壓力、流量、速度、位移等) 的信息轉換成相應的模擬電信號，送到AD 環(huán)節(jié)輸入端，微機按規(guī)定的時間啟動AD 轉換進行對被控對象采樣，并在規(guī)定的時間內完成采樣，以數字信號形式將采樣結果存入存儲器。(2) 實時控制決策采樣數據反映被控對象的狀態(tài)信息，微機必須在規(guī)定的時間內完成對它的前置處理(

10、 如有效性檢查、數字濾波等) ， 然后進行數據分析，判斷被控參數是否偏離預定值，是否達到或超過安全極限值，如果被控參數處于可調范圍，則按選定的控制算法程序進行控制量值計算?？傊前搭A定控制規(guī)律進行運算作出控制決策。(3) 實時控制輸出實時控制輸出有兩個方面的內容，一是被控對象參數處于可調節(jié)范圍，微機將決策結果 (新的控制量值)及時送至執(zhí)行機構調整被控對象的被控參數；二是在決策環(huán)節(jié)分析出被控對象參數達到或超過安全極限值，這時候應在最短的時間內啟動報警裝置，即進行實時報警。系統的實時報警除了來自被控對象的辨析結果外，系統設備出現異常情況，微機也應能及時發(fā)出聲光報警信號，并自動地或由人工進行必要的處

11、理。數據采樣、運算決策、輸出控制三個階段占用時間之和滿足實時性要求，則該系統具有實時性。而系統是否滿足實時性，最終是體現在不影響系統的控制正確性。運算決策在三個階段中占用時間最長，因此，要縮短控制的延時，應從合理選擇控制算法、優(yōu)化控制程序、選用運算速度較高的微機等方面加以解決。此外， 在微機硬件方面應具備實時時鐘和優(yōu)先級中斷信息處理電路；在軟件方面應具備完善時鐘管理、中斷處理程序。實時時鐘和優(yōu)先級中斷系統是保證微機控制系統實時性的必要條件。4. 工作方式特征微機用兩種方式與通道、被控對象結合組成微機控制系統，一種是在線工作方式，另一種是離線工作方式。在線工作方式：又稱 “聯機” 工作方式。微機

12、在控制系統中直接參與控制或交換信息，而不通過其它中間記錄介質，如磁盤、U盤、光盤、磁帶等。離線工作方式：又稱“脫機”工作方式。微機不直接參與對被控對象的控制，或不直接與被控對象交換信息，而僅是將有關控制信息記錄或打印出來，再由人來聯系，按 照微機提供的信息完成相應的控制操作。離線工作方式元實時性可談。要使系統具有實時性，微機必須按在線方式工作。但在線不一定就具有實時性。比如微機水溫測試系統與微機水溫測試控制系統，前者微機可以在線也可以離線，后者微機必須在線。對于前者，微機在線也不一定要具有實時性，因為微機僅采集水溫，不調節(jié)水溫，從而對采集時間不需進行嚴格要求；微機離線工作時， 微機根據其它水溫

13、記錄裝置提供的數據進行分析，得出控制參數，然后由人依據微機提供的控制參數來實施調節(jié)水溫。對于后者，由于存在自動控制目標，微機必須對水溫的變化作精確采集，及時調節(jié)，因此微機不但要在線，而且微機水溫測試控制系統一定要具有實時性，否則達不到控制目標。1.1.2 微機控制系統硬件組成被控對象千差萬別，控制任務和控制要求隨被控對象的不同而不同，即便是同一個被控對象也可提出多種多樣的控制任務或控制要求，因此， 微機控制系統的具體組成是因事而變的。盡管如此，根據微機控制系統的結構特征，不同任務的微機控制系統有著相同的抽象結構。圖 1.1.2 所示是具有一定綜合性的微機控制系統硬件結構示意圖，它不但包括了模擬

14、信息的輸入輸出過程通道，還含有開關量輸入輸出通道、操作控制臺與接口、微機I O設備與接口等，因而更具一般性。由圖1.2 可知微機控制系統的硬件體系由工業(yè)生產過程（ 也可以是非工業(yè)生產過程，如家庭的溫度、濕度測控） 、 過程通道、接口、主機、操作控制臺、微機I 0 設備等組成。1. 工業(yè)生產過程工業(yè)生產過程是指在生產現場把原材料變成成品或半成品，或通過原材料獲得某些所需參數的工作規(guī)范。這種工作規(guī)范包括工藝流程、參與設備、人員數量與作用、結果指標等。被控對象來源于工業(yè)生產過程。在工業(yè)生產過程中，被控對象可以是一個，也可以是多個。如數控鉆床的被控對象主要是鉆頭的定位，而煉鋼過程的被控對象包括爐溫、

15、配料計量、加料傳送等。被控對象的信息通過在生產現場的適當位置安設相應的傳感器獲得。2. 過程通道過程通道包括模擬輸入、輸出通道，開關量輸入、輸出通道。過程通道處于工業(yè)生產過程與主機接口之間，擔負著生產過程與主機交換信息的任務。當被控對象為模擬對象時， 由變送器將被控對象的能量存在形式轉變?yōu)椴蓸友b置所能接收的電能形式，然后由采樣裝置規(guī)范成A D 轉換器所能接收的電量，最后由A D 轉換器變成微機能夠接收的數據送接口。如果被控參數是非電物理量，則變送器為傳感器；如果被控參數為電量，則變送器或為放大器，或為衰減器。工業(yè)生產過程的被控參數以連續(xù)變化的非電物理量居多。如果執(zhí)行機構需要連續(xù)的模擬量操縱，則

16、微機輸出的數字控制量必須進行D A轉換；當用一個DA轉換器為多個控制點提供控制信號時要設置保持器。當工業(yè)生產過程有數字數據信號或數字狀態(tài)信號要送主機時，可通過開關輸入通道傳送；主機有數字數據信號或數字控制信號等要送工業(yè)生產過程時，可通過開關輸出通道傳送。3. 接口接口是主機與過程通道連接的數字中介裝置。主機通過接口可連接不同類型、不同數量的通道，也可連接各種外設以及操作控制臺等。接口種類主要分為并行、串行兩大I O輸出控制信號配合時，對應的端口稱為輸出端口；與主機的I 0 輸入控制信號配合時，對應的端口稱為輸入端口。同一個端口地址與不同的I O按迄今已出現的接口硬件CPU圖 1.1.2 微機控

17、制系統硬件的組成圖4. 主機主機采用微型計算機，是微機控制系統的標志性內容。主機由CPU、 ROM、 RAM及ROM，系統啟動后，通過輸入通道從生并由控制程序進行處理、分析、 運算、決策等得出相應的控制信又經輸出通道把控制信息回送生產過程，進而調節(jié)被控參數，使之達到并維持預計控制程序是依據控制算法，結合主機的指令系統和通道端口地址而設計的，不但在工業(yè)生產過程中，處于在線的主機又稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機或工5. 操作控制臺操作控制臺是人與微機控制系統交換信息的中介設備，對于工業(yè)生產過程的微機控I O 設備擺放在控制臺上或周圍，這樣一來，在也當系統出現故障報警時，操作人員可在控制臺上及控

18、制參數、試驗參數等進行修改和調整等。就一般而(1) 顯示顯示范圍應盡量涵蓋工業(yè)生產過程中各重要環(huán)節(jié)、過程通道各關鍵部位、輔助及供CRT、 LCD顯示器LED、 LCD數碼管等；如果希望脫機分析數據，可配置打(2) 操作在操作臺除了微機鍵盤外，還應配有相應的可直接操作控制系統的開關、按鈕、 扳遇到緊急情況可在操作臺直接強制處理，或在控制臺可對系統相關部分進行直接(3) 數據保存如果微機控制系統的數據量大，控制臺可增設光盤刻錄機、磁帶機、u 盤口、移動(4) 遠程信息交換隨著計算機網絡技術的普及，對微機控制系統實行聯網管理的技術漸趨成熟，因此，2.2 模擬量輸入通道2.2.1 模擬量輸入通道的結構

19、模擬量輸入通道的任務是對過程量( 即模擬量) 進行變換、放大、 采樣和模數轉換，2.2.1 所變送器.接口 邏輯 電路I/V 變 換系統總線模擬量輸入通道圖 2.2.1 模擬量輸入通道結構2.2.1 可見， 模擬量輸入通道一般由I/V 變換， 多路轉換器、采樣保持器、A/D 轉換器、接口及控制邏輯等組成。模擬量輸入通道各部分作用說明如下：1. 傳感器將過程量轉換為電信號。2. 放大電路 對微弱的電信號進行放大。3. 多路轉換開關將多路模擬信號按要求分時輸出。4. 采樣保持 對模擬信號進行采樣，在模一數轉換期間對采樣信號進行保持。5. A D轉換即模數轉換，將模擬信號轉換為二進制數字量。6. 控

20、制器 實現通道各環(huán)節(jié)在邏輯和時序上的協調。2.2.2 I/V 變換變送器輸出的信號為0 10mA 或 4 20mA 的統一信號，需要經過I/V 變換變成電壓信號才能處理。對于電動單元組合儀表，DDZ II 型的輸出信號標準為010mA, 而DDZ 型和DDZ S 系列的輸出信號標準為4 20mA，因此針對以上情況我們來討論 I/V 變換的實現方法。1 . 無源I/V 變換無源 I/V 變換主要是利用無源器件電阻來實現，并加濾波和輸出限幅等保護措施，如圖 2.2.2 所示。D 5V圖 2.2.2 無源 I/V 變換電路對于0 10mA 的輸入信號，可取R1=100 ,R2=500 ，且R2為精密

21、電阻，這樣當輸入的 I 為 0 10mA 電流時， 輸出的 V 為 0 5V， 對于4 20mA 輸入信號，可取 R1=100 ,R2=250 ，且 R2為精密電阻，這樣當輸入的I 為 4 20mA 時，輸出的V 為1 5V。2 .有源I/V 變換有源 I/V 變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成，如圖2.2.3 所示。R2圖 2.2.3 有源 I/V 變換利用同相放大電路，把電阻R1 上產生的輸入電壓變成標準的輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數為A 1RR43若取R3=100k ,R4=150k ， R1=200 ,則 0 10mA 輸入對應于05V 的電壓輸出。若取R3=100k ,

22、R4=25k ， R1=200 ，則4 20mA輸入對應于1 5V的電壓輸出。2.2.3 多路轉換器多路轉換器又稱多路開關，多路開關是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。利用多路開關可將輸入信號依次德或隨機地連接到公用放大器或A/D 轉換器上。為了提高過程參數地測量精度，對多路開關提出了較高地要求。理想地多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外。還希望切換速度快、噪音小、壽命長。工作可靠。常用的多路開關有CD4051(或 MC14051)、 AD7501 、 LF13508 等。2.2.4 信號的采樣、量化及常用的采樣保持器1 .信號的采樣信號的采樣過程如圖2.2.4 所示。執(zhí)行采

23、樣動作的是采樣器(采樣開關)K， K 每隔一個時間間隔T 閉合一個時間 。 T 稱為采樣周期， 稱為采樣寬度。時間和幅值上均連續(xù)的模擬信號y(t ) 通過采樣器后，被變換為時間上離散的采樣信號y*(t) 。 模擬信號到采樣信號的變換過程稱為采樣過程或離散過程。圖 2.2.4 信號的采樣過程采樣信號y*（t） 是否能如實地反映模擬信號y（t）的所有變化與特征呢？采樣定時指出：如果模擬信號（包括噪聲干擾在內）頻譜的最高頻率fmax，只要按照采樣頻率f 2 fmax，進行采樣，那么采樣信號y*（t） 就能惟一地復現y（ t） 。采樣定理給出了y*（t）惟一復現y（t） 所必須地最低采樣頻率。實際應用

24、中，常取f（510） fmax。2 .信號的量化采樣信號在時間軸上是離散的，但在函數軸上仍然是連續(xù)的，因為連續(xù)信號y（t）幅值上的變化，也反映在采樣信號y*（t） 上。所以，采樣信號仍不能進入微機。微機只能接受在時間上離散、幅值上變化也不連續(xù)的數字信號。所謂量化，就是采用一組數碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數字信號。將采樣信號轉換為數字信號的過程稱為量化過程。執(zhí)行量化動作的裝置是 A/D 轉換器。字長為n 的 A/D 轉換器把ymin ymax范圍內變化的采樣信號，變換為數字信號0 2n1 ，其最低有效位（LSB ）所對應的模擬量q 稱為量化單位。ymaxymin2n 1

25、量化過程實際上是一個用q 去度量采樣值幅值高低的小數歸整過程，如同人們用單位長度（比如毫米）去度量人的身高一樣。由于量化過程是一個小數歸整過程，因而存在量化誤差，量化誤差為±1/2q。例如，q 20mV 時，量化誤差為±10mA， 0.990 1.009V 范圍內的采樣值，其量化結果是相同的，都是數字50。在 A/D 轉換器的字長n 足夠長時，整量化誤差足夠小，可以認為數字信號近似于采樣信號。在這種假設下，數字系統便可沿用采樣系統理論分析、設計。3 . 采樣保持器（ 1 ）孔徑時間和孔徑誤差在模擬量輸入通道中，A/D 轉換器將模擬信號轉換成數字量總需要一定的時間，完成一次A

26、/D 轉換所需的時間稱之為孔徑時間。對于隨時間變化的模擬信號來說，孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉換誤差，即為孔徑誤差。例如圖2.14 所示的正弦模擬信號，如果從t0時刻開始進行A/D 轉換。但轉換結束時已為t1，模擬信號已發(fā)生 u 的變化。因此，對于一定的轉換時間，最大的誤差可能發(fā)生在信號過0 的時刻。因為此時的du/dt 最大，孔徑時間tA/D 一定，所以此時 u為最大。令U=U msin tdUU m 2cos t U m 2 cos t dtf 為信號頻率。Um2 f式中， U m 為正弦模擬信號的幅值； 在坐標原點上Ut取 t t A/D，則得原點處轉換的不確定電壓誤差為U U

27、m 2 ftA/ D誤差的百分數U 1002 ftA/D 100 Um由此可知，對于一定的轉換時間tA/D ，誤差的百分數和信號頻率成正比。為了確保A/D 轉換精度，使它不低于0.1，不得不限制信號的頻率范圍。一個 10 位的 A/D 轉換器（量化精度.01 ） ，孔徑時間10 s，如果要求轉換誤差在轉換精度內，則允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率為f. 62 16Hz210 106 102S為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持電路的采樣器，即采樣保持器。（ 2）采樣保持原理A/D 轉換過程（即采樣信號的量化過程）需要時間，這個時間稱為A/D

28、轉換時間。2.3 模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務是把微型機輸出的數字量變換成模擬量，這個任務主要由數模轉換器來完成的，對于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的功能。2.3.1 模擬量輸出邏輯的結構在許多場合要求具有多路模擬量輸出通道。對于多路模擬量輸出通道的結構形式，主要取決于輸出保持器的結構方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來前，使本次控制信號維持不變。保持器一般有數字保持和模擬保持兩種方案，這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結構形式。1. 獨立數模轉換器的形式圖 2.3.1 是這種形式的結構圖。在這種形式中，CPU和通道之間通過獨立的接口緩沖器傳送信

29、息，因此這是數字保持的方案。它的優(yōu)點是轉換速度快、工作可靠，每條輸出通路相互獨立，不會由于某一路D A故障而影響其它通路的工作。但使用了較多的D A轉換器，因而成本較高，隨著大規(guī)模集成電路技術發(fā)展，成本將不成問題。圖 2.3.1 獨立 D/A轉換器結構形式2共用數模轉換器的形式這種形式的原理框圖如圖2.3.2 所示。因為共用一個數模轉換器，故它必須在PU控制下分時工作。即依次把D A轉換器轉換成的模擬電壓（或電流 ），通過多路模擬開關傳送給輸出保持器，這種結構節(jié)省了D A轉換器，但因為分時工作，只適用于通道數量多且速率要求不高的場合。由于需要多路轉換器，且要求輸出采樣保持器的保C持時間與采樣時

30、間之比很大，因而其可靠性較差。2.3.2 公用 D/A轉換器結構2.3.2 V/I 變換在工業(yè)控制系統中，常常以電流方式傳輸信號。因為電流信號適合于長距離傳輸，傳輸輸中信號衰減小，抗干擾能力強。因此。 大量的常規(guī)工業(yè)儀表是以電流方式互相配接。按儀器儀表標準，DDZ- 系列儀表各單元之間的聯絡信號為0 10mA，而DDZ-系列儀表各單元之間的聯絡信號為4 20mA。 一般 D/A 轉換器的輸出信號有的是電壓方式，有的是電流方式，但是電流幅度大都在微安數量級。因此，D/A轉換器的輸出常常需要配接V/I 轉換器。常用的 V/I 轉換器可以分為兩種，一種為負載電源方式，另一種為負載共地方式，分別如圖2

31、.3.3 （ a）和（b）所示。+V圖 2.3.3 V/I 轉換電路a）負載共電源方式；（ b）負載共地方式對于負載共電源方式的V/I 轉換電路圖端電位基本相等，即ViVf, 可得a） ，由于運算放大器輸入負載與輸入正I0 IfVfRfViRf在圖 （b）所示負載共地方式的V/I 轉換電路中，Vi 為輸入電壓，I 0為輸出電流，Rf為電流反饋采樣電阻，RS為限流電阻，RL為負載電阻。Rf采集到的電流信號以電壓形式加到運算放大器的輸入端，而且極性與輸入電壓信號反相。所以， 這是一個電流并聯負反饋電路。由于運算放大器的輸入阻抗很高，流入運算放大器輸入端的電流可以忽略。在R2Rf 條件下，流經R2

32、的電流與I 0相比也可以忽略。由于運算放大器正負輸入端電位近似R1R1R2相等，可得Vi(I0RL Vi)R1I0(RfRL)R1 R2化簡得I 0 ViR2R1Rf例如， 如果取R1100k ，R220k ，Rf100， 則當Vi在 05V時，I 0為 010mA。使用圖（b）電路時，需要注意以下幾點：（ 1 ）電路中各電阻應當選用精密電阻，以保證足夠得V/I 轉換精度。（ 2） V/I 轉換器的零位可以由運算放大器的調零端實現。如果采用沒有調零端的運算放大器，就必須附加額外的高零電路。（ 3）正電源V 的取值必須滿足V（R f+RL）XI omax,I omax為 I 0的最大值。（ 4）

33、 如果需要改變輸入電壓范圍，只需改變R2/R1的數值就可以實現。如果需要將單極性輸入改變?yōu)殡p極性輸入，則需要在運算放大器輸入端附加偏置電壓。3.2 模擬數據采集技術模擬數據采集系統實現對現場模擬量的采集和處理，其性能的好壞主要取決于它的速度和精度。特別是工業(yè)生產過程中的數據采集系統，往往要求在保證精度的條件下具有在線實時有效的多路處理功能。3.2.1 模擬數據采集電路從傳感器開始到CPU為止的電路構成模擬數據采集電路，它將需要的現場參數轉換成計算機能夠識別的數字量進入到CPU。 雖然由于信號的多樣性，電路結構亦有所不同，但是基本的框架趨勢相似的。多路采樣開關、采樣/ 保持器（S/H） 、 A/

34、D 轉換器等構成了DAS的數據輸入通道。多路模擬輸入信號經過多路開關依次接通并按順序輸入，在經過放大和濾波后被采樣保持器采樣并保持，使輸入到A/D 轉換器的模擬量在保持時間內恒定，以保證 A/D 轉換的準確性，A/D 轉換器轉換后的數字量可經數據緩沖器送入數據總線（DB） ，微機從數據總線獲得轉換的數據并進行處理。圖 3.2.1 為具體的電路實例。它實現單片機對8 路模擬量進行數據采集。對于變化頻率不超過100Hz電壓范圍0 10V的 8路模擬信號可以進行連續(xù)巡回檢測，分辨率為5mV，采樣間隔不低于1s時，可以進行數字濾波處理。圖 3.2.1 8 路模擬電壓自動巡回數據采集電路3.2.3模擬量

35、數據采集的預處理方法由于工業(yè)控制對象的工作環(huán)境一般比較惡劣，干擾源較多，模擬量經A D轉換后，由計算機采集到的數字量還要作適當的處理后才能使用。數據采集系統對采集數據的處理包括輸入數據的有效性檢查、數字濾波。1. 有效性檢查為避免測量元件、變送器的故障或信號線路的開路，使計算機采集到真實的數據，通常都要對輸入數據進行有效性檢查，這是保證系統可靠性的措施之一。在系統設計時總是使被測量的模擬信號處于某個標準電壓或電流范圍內，如果測量儀表或信號傳送線路出現故障，其信號便會達到以至超過信號標準的上下限值，計算機便可發(fā)出報警，顯示故障通道號，提醒維修人員進行處理。有效性檢查程序框圖如圖3.2.7 所示，

36、圖中d表示讀入數據，Pmax和Pmin分別為系統測量的上下限值，M1和M2為設定的標志，反映的是上限溢出還是下限溢出以及通道編號。圖 3.2.7 有效性檢查程序框圖2. 數字濾波數字濾波就是通過一定的計算機程序減少干擾信號在有用信號中的比重，故實際上是一種程序濾波。數字濾波能夠克服模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下優(yōu)點：。 由于數字濾波是用程序實現的，因而不需要增加硬件設備，可以多個輸入通道 “共用”一個濾波程序。由于數字濾波不需要硬件設備，因而可靠性高，穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。數字濾波能對頻率很低( 如O 01 Hz) 的干擾信號實現濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而

37、且通過改寫數字濾波程序或改變數字濾波參數，可以實現不同的濾波方法，這比改變模擬濾波器的硬件要靈活、方便。常用的數字濾波方法有多種，它們各有不同的特點，現介紹如下。(1) 限幅濾波限幅濾波的方法是考慮到被測參數在兩次采樣時間間隔內，一般最大變化的增量z 總是在一定的范圍內，如果前后兩次采樣的實際增量xkxk 1 x， 則認為是正常xk , xkxk 1 x;yk;xk 1, xkxk 1 x(2) 限速濾波限速濾波的方法也是先設定前后兩次采樣的最大允許增量3.2.1 )x， 用本次采樣xk相對上次采樣的增量xk 進行比較，若xk x ，則認為本次采樣有效；否則再重新采樣一次，得xk 1 ；如果

38、xk xk 1 x，則表明xk 1 接近 xk ， xk 是可信的，用最近ykxk 1 , xk 1xkx;(再次采樣) xk 1 xk, xk 1 xk2xk , xkxk 1 x.x;3.2.2 )一個采樣xk 1 作濾波輸出；相反，就以xk 1 和xk 算術平均值作為濾波輸出。即：27這一方法既保證了采樣的實時性，也考慮到采樣值變化的連續(xù)性。上述兩種方法統稱為程序判斷濾波，對抑制帶有隨機性的干擾較為有效，但涉及x 值如何確定的問題。對不同的對象特性，使用不同的采樣周期、系統不同的給定輸入形式 (階躍、等速或加速) ，都影響到x值的選擇；往往需要經過大量的觀測和實驗才能確定。(3) 算術平

39、均濾波算術平均濾波就是連續(xù)采樣n 次，把 n 次采樣結果的算術平均值作為本次濾波器的輸出。即：(3.2.3)yk 1 nxkini1式中：yk 本次濾波輸出；xki第 i 個采樣值(i=1 ， 2， , ， n)。此種濾波方法主要適用于壓力、流量等信號的平滑加工，這類信號的特點是信號往往在某一數值范圍附近作上下波動，即干擾是周期性的。算術平均濾波對信號的平滑程度取決于平均次數n 的選擇， 隨著平均次數挖的增大，平滑度高，而靈敏度降低。通常，流量n=12，壓力n=4。但應視不同的具體系統和采用不同的采樣周期作適當的增減。算術平均濾波對周期性干擾有良好的抑制作用，對脈沖性干擾的抑制不夠理想。(4)

40、 加權平均濾波在算術平均濾波中，對于n 次采樣所得的采樣值，在其結果中所占比重是均等的，加權因子均是1 n。但有時為了突出最近幾次采樣值在平均值中的比重，往往對不同時刻的采樣值賦以不同的加權因子。即：(3.2.3)nyki xii1其中， o i 1 且 i =1。i1這種方法稱為加權平均( 或滑動平均) 濾波方法。它適用于系統純延遲時間常數較大而采樣周期較短的情況。加權因子的選取可根據具體情況決定，一般是愈新的采樣值賦以較大的比重，以迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度。(5) 中值濾波中值濾波是對某一被測參數連續(xù)采樣3 次， 取采樣值居中者作為濾波器的輸出。即：yk =mid( xk1 , xk2 , xk3)MCS-51單片機實現的子程序如下：pus