計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

/書目一、計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)概述 -1-1.1計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)定義 -1-1.2計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)組成 -1-二、模擬量輸入通道 -2-2.1模擬量輸入通道作用 -2-2.2

模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成 -2-2.3各部分組成的作用 -3-信號(hào)變換器 -3-前置濾波器 -3-多路模擬開關(guān) -3-前置放大器 -4-采樣保持器 -5-2.3.6AD轉(zhuǎn)換電路 -6-三、模擬量輸出通道 -7-3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu) -7-3.2D/A轉(zhuǎn)換器 -7-3.2.1D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) -7-3.2.2DAC0832的工作原理 -8-四、實(shí)際仿真電路 -9-

一、計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)定義計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)(ComputerControlSystem，簡(jiǎn)稱CCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)參和限制并借助一些幫助部件和被控對(duì)象相聯(lián)系，以獲得確定限制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計(jì)算機(jī)通常指數(shù)字計(jì)算機(jī)，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)。幫助部件主要指輸入輸出接口、檢測(cè)裝置和執(zhí)行裝置等。和被控對(duì)象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進(jìn)行聯(lián)系。被控對(duì)象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機(jī)械裝置、交通工具、機(jī)器人、試驗(yàn)裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器和兒童玩具等。限制目的可以是使被控對(duì)象的狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)過程達(dá)到某種要求，也可以是達(dá)到某種最優(yōu)化目標(biāo)。和一般限制系統(tǒng)相同，計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，這時(shí)計(jì)算機(jī)要不斷采集被控對(duì)象的各種狀態(tài)信息，依據(jù)確定的限制策略處理后，輸出限制信息干脆影響被控對(duì)象。它也可以是開環(huán)的，這有兩種方式：一種是計(jì)算機(jī)只按時(shí)間依次或某種給定的規(guī)則影響被控對(duì)象；另一種是計(jì)算機(jī)將來自被控對(duì)象的信息處理后，只向操作人員供應(yīng)操作指導(dǎo)信息，然后由人工去影響被控對(duì)象。1.2計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)由限制部分和被控對(duì)象組成，其限制部分包括硬件部分和軟件部分，這不同于模擬限制器構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組成。計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計(jì)算機(jī)制造廠為用戶配套，有確定的通用性。應(yīng)用軟件是為實(shí)現(xiàn)特定限制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、限制決策程序、輸出處理程序和報(bào)警處理程序等。它們涉及被控對(duì)象的自身特征和限制策略等，由實(shí)施限制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲(chǔ)容量大和有邏輯推斷功能等特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)困難的限制方法，獲得快速精密的限制效果。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已使整個(gè)人類社會(huì)發(fā)生了可觀的變更，自然也應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中。而且，計(jì)算機(jī)所具有的信息處理實(shí)力，能夠進(jìn)一步把過程限制和生產(chǎn)管理有機(jī)的結(jié)合起來（如CIMS），從而實(shí)現(xiàn)工廠、企業(yè)的全面自動(dòng)化管理。二、模擬量輸入通道2.1模擬量輸入通道作用模擬量輸入通道的任務(wù)：實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換組成核心：A/D轉(zhuǎn)換器2.2

模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成模擬量輸入通道一般由I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及限制邏輯等組成。過程參數(shù)由傳感元件和變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換為電流(或電壓)形式后，再送至多路開關(guān)；在微機(jī)的限制下，由多路開關(guān)將各個(gè)過程參數(shù)依次地切換到后級(jí)，進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測(cè)模擬量輸入通道的任務(wù)是把從系統(tǒng)中檢測(cè)到的模擬信號(hào)，變成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口送往計(jì)算機(jī)。傳感器：它是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按確定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的輸出。是將生產(chǎn)過程工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，大多數(shù)傳感器的輸出是直流電壓(或電流)信號(hào)。為了避開低電平模擬信號(hào)傳輸帶來的麻煩，經(jīng)常要將測(cè)量元件的輸出信號(hào)經(jīng)變送器變送，如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的電信號(hào)變成0～10mA。然后經(jīng)過模擬量輸入通道來處理。2.3各部分組成的作用2.3.1信號(hào)變換器把各種非電模擬信號(hào)變換為A/D轉(zhuǎn)換器能夠接受的電信號(hào)，如電流信號(hào)、電壓信號(hào)等，還可以依據(jù)須要對(duì)這些輸出信號(hào)值的變更范圍進(jìn)行規(guī)范化，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。例如，電流信號(hào)幅度的標(biāo)準(zhǔn)變更范圍可以是0~10mA、4~20mA等；電壓信號(hào)幅度的標(biāo)準(zhǔn)變更范圍可以是0~40mA、0~5V、-5~5V、-10~10V等。前置濾波器考慮到通道輸入信號(hào)本身可能含有噪聲，或者在傳輸過程中受到了干擾的影響，可在模擬量輸入通道采樣及A/D轉(zhuǎn)換前加前置硬件濾波電路，以濾除輸入模擬信號(hào)中可能混有的高頻干擾。由圖2-1可以看出，信號(hào)變換器及前置濾波器兩個(gè)環(huán)節(jié)，可以依據(jù)每一路模擬信號(hào)的實(shí)際狀況靈敏設(shè)置。2.3.3多路模擬開關(guān)構(gòu)成多回路限制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)較之于模擬限制系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)中，往往是十幾路或幾十路模擬信號(hào)共用一只A/D轉(zhuǎn)換器，可以降低通道及系統(tǒng)的成本，提高A/D轉(zhuǎn)換器的利用率，這種狀況下，必需利用多路模擬開關(guān)輪番切換各路被測(cè)控的模擬信號(hào)。本設(shè)計(jì)接受的多路模擬開關(guān)CD4051，是一種集成電路芯片，其結(jié)構(gòu)及邏輯框圖如圖2-2所示。CD4051是具有16個(gè)引腳的集成電路芯片，如圖2-2所示，S7~S0是8路模擬信號(hào)的輸入引腳，Sm是1路模擬信號(hào)的輸出引腳，/EN是芯片選擇信號(hào)輸入引腳，只有向其輸入低電平常，整個(gè)芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信號(hào)，用以選擇8路模擬信號(hào)中的1路，芯片有2個(gè)電源引腳VDD和VEE，分別接+15V和-15V電源，還有一個(gè)接地引腳GND。須要特殊留意的是，CD4051是允許雙向運(yùn)用的，即既可用于選擇8路模擬信號(hào)中的1路輸入，也可以為1路模擬信號(hào)，從8個(gè)輸出通路中選擇1路輸出，一次，它也可以應(yīng)用在模擬量輸出通道中。2.3.4前置放大器用于計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)中的放大器，和一般測(cè)量系統(tǒng)中的放大器相比，在高增益、高穩(wěn)定性極強(qiáng)共模抑制比等方面的性能要求，沒有什么差別，所不同是的是，由于一般狀況下，前置放大器可能會(huì)多路輸入共用，所以希望放大器的增益，可由計(jì)算機(jī)通過編程設(shè)置或變更，以適應(yīng)各路信號(hào)變更范圍的要求，如圖2-3所示.2.3.5采樣保持器模擬量輸入通道的核心功能，就是對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在輸入模擬量值確定的狀況下，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量也是確定的，但當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器接收的模擬量隨時(shí)間變更，稱為模擬輸入信號(hào)，且變更很快時(shí)，則在A/D轉(zhuǎn)換的過程中，被轉(zhuǎn)換的信號(hào)量值就是不確定的，這種不確定性，會(huì)引起確定的孔徑誤差，為了減小孔徑誤差的影響，可在A/D轉(zhuǎn)換之前，利用采樣保持電路構(gòu)成采樣保持器對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持操作。采樣保持器通常由保持電容、采樣開關(guān)及輸入、輸出緩沖放大器組成，保持電容上Ch上的電壓，即為采樣保持器的輸出電壓，輸入、輸出緩沖放大器的共同特點(diǎn)是，輸入電阻很大而輸出電阻很小。例如，LF398是常用的單片采樣保持器集成電路芯片，其原理如圖2-4所示。2.3.6AD轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)接受8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的限制邏輯的CMOS組件。它是逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)干脆接口。圖2.6AD0809原理圖由上圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存和譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平常，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。三、模擬量輸出通道3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)3.2D/A轉(zhuǎn)換器3.2.1D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)DAC0832是一種8位的D/A轉(zhuǎn)換器芯片，有兩路差動(dòng)電流信號(hào)輸出，其數(shù)字量輸入端具有雙重緩沖功能，可由用戶按雙緩沖、單緩沖及直通方式進(jìn)行線路連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸入限制，特殊是用于要求幾個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合，和微處理器的接口特殊便利。DAC0832的規(guī)格和參數(shù)如下：①辨別率為8位；②轉(zhuǎn)換時(shí)間約1us；③輸入電平符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)；④功耗為20mW。圖8.2.1是集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖8.2.2是其引腳圖。其內(nèi)部包括一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器、一個(gè)8位D/A變換器和有關(guān)限制邏輯電路組成。其中的8位D/A變換器是如圖8.1.1所示的R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)式的。這種D/A變換器在變更基準(zhǔn)電壓VREF的極性后輸出極性也變更。全部輸入均和TTL電平兼容。3.2.2DAC0832的工作原理

四、實(shí)際