第五章 过程输入输出通道技术

导读:第五章过程通道,为了实现对生产过程的控制,将结果以数字量的形式输出,此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量,因此在计算机和生产过程之间,这个装置称为过程输入输出通道,也叫I/O通道,5.1过程输入输出通道概述,过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成,过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用,5.1.1模拟量输入通道的一般结构,过程参数由

第五章  过程输入输出通道技术

第五章 过程通道

在计算机控制系统中,为了实现对生产过程的控制,要将对象的控制参数及运行状态按规定的方式送入计算机,计算机经过计算、处理后,将结果以数字量的形式输出,此时需将数字量变换为适合生产过程控制的量,因此在计算机和生产过程之间,必须设置完成信息的传递和变换装置,这个装置称为过程输入输出通道,也叫I/O通道。 5.1过程输入输出通道概述

过程输入输出通道由模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道组成。过程输入输出通道在微型计算机和工业生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用。 5.1.1 模拟量输入通道的一般结构

过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电压(或电流)形式后送至多路开关;在微机的控制下,由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级,进行放大、采样和A/D转换,实现过程参数的巡回检测。 5.1.2 模拟量输出通道的基本结构

多D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器除承担数字信号到模拟信号转换的任务外,还兼有信号保持作用,即把微机在 t=kT 时刻对执行机构的控制作用维持到下一个输出时刻t=(k+1)T。这是一种数字保持方式,送给D/A转换器的数字信号不变,其模拟输出信号便保持不变。

共享D/A结构的模拟量输出通道中的D/A转换器只起数字信号到模拟信号的转换作用,信号保持功能靠采样保持器完成。这是一种模拟保持方式,微机对通路i(i=1,2,...,n)的控制信号被D/A转换器转换为模拟形式后,由采样保持器将其记忆下来,并保持到下一次控制信号的到来。

多D/A形式输出速度快、工作可靠、精度高,是工业控制领域普遍

采用的形式。

5.1.3 开关量(数字量)输入通道的基本结构

开关量输入通道又称为数字量输入通道,该通道的任务是把被控对象的开关状态信号(或数字信号)送给计算机、或把双值逻辑的开关量变换为计算机能够接收的数字量送给计算机,简称DI通道。 典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成:

1.信号变换器:将生产过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。

2.整形变换电路:将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不符合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波,然后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。

3.电平变换电路:将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。

4.总线缓冲器:暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。 5.接口逻辑电路:协调各通道的同步工作,向CPU传递状态信息并控制开关量的输入、输出。

5.1.4 开关量(数字量)输出通道的基本结构

开关量(数字量)输出通道的任务是把计算机输出的数字信号(或开关信号)传送给开关型的执行机构(如继电器或指示灯等),控制它们的通、断或亮、灭,简称DO通道。其典型结构中锁存输出的主要作用是锁存CPU输出的数据或控制信号,供外部设备使用;隔离部件的作用是为防止干扰;功放的作用则是为把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。 下面分别展开说明四种过程通道的组成及应用。

5.2 模拟量输入通道 5.2.1 模拟量输入通道中的信号变换

模拟信号到数字信号的转换包含信号的采样和量化两个过程。 1.信号的采样

信号的采样过程如图2.24所示。执行采样动作的是采样器(采样开关)K,K每隔一个时间间隔T闭合一个时间τ。T称为采样周期,τ称为采样宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号y(t)通过采样器后,被变换为时间上离散的采样信号y*(t)。模拟信号到采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。

2.信号的量化

采样信号在时间轴上是离散的,但在函数轴上仍然是连续的,因为连续信号y(t)幅值上的变化,也反映在采样信号y*(t)上。所以,采样信号仍不能进入微机。微机只能接受在时间上离散、幅值上变化也不连续的数字信号。

将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程,执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把ymin~ymax 范围内变化的采样信号,变换为数字0~2n-1,其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。

5.2.2模拟量输入通道的一般结构形式

1.单路模拟量输入通道结构 结构如如图5-1所示(见教材P105)。

图5-1单路模拟量输入通道结构

2.多路模拟量输入通道结构 结构如如图5-2所示(见教材P105)。

图5-2 多路路模拟量输入通道结构

3.各个环节的作用

? 传感器,把工业现场非电量信号转换为电量信号。 ? 变送器,将传感器的信号进行转换、放大等。

? 信号调理电路,对传感器或变送器传过来的信号进行适当的处理,包括信号放大、滤波、限幅、线性化、温度补偿、隔离等方面。 ? 多路开关,主要作用是多选一,即按要求切换多路模拟信号,确保要求的某一路模拟量信号引入A/D转换器。常用的芯片有:CD4051(双向8路)、CD4052(单向差动4路)、AD7501(单向8路)、AD7506(单向16路)等。

? 可编程需放大器,主要作用是对信号进行放大,而且每一路信号具有独立的放大倍数,放大倍数由计算机程序设定。其意义在于如果现场传送过来的信号参差不齐,有的是0~1V,有的是0~5V,没有必要为每一路信号均设置单独的放大电路,只要再多路开关之后采用可编程序放大器即可。

? 采样保持器,其功能是在采样时,输出跟随输入信号的变化而变化,在保持状态时,可以保持输出信号不变。常用的芯片有:LF398。 ? A/D转换器,将模拟量信号转换为数字量信号。

? 光电隔离,是一种电气隔离,防止外部高压电源、干扰等烧毁CPU,如外部接线错误等。采用观点隔离后,A/D转换芯片的参考电源就不能使用系统内部的电源,此时可以采用外部电源作为参考电源,为了简化接线并提高参考电源的精度(参考电源的精度决定了A/D转换的精度),通常采用DC-DC电源对系统内部电源进行转换和隔离。

? A/D芯片与CPU之间的接口,包括地址线、数据线、控制线等。 5.2.3模拟量输入通道中常用的器件及电路

1.多路开关

多路开关在模拟量输入通道中的作用是实现n选一操作,即利用多路开关将n路输入依次地(或随机地)切换到后级。切换过程是在CPU控制下完成的(也可以用其它控制逻辑实现)。

微机控制系统中多采用集成电路多路开关,图5-3是常用的集成多路开关CD4051的结构原理。真值表和引脚图见教材P106页。 其它常用集成多路开关有AD7501(8通道)、AD7506(16通道)等。选择多路开关的主要因素有:通道数、通道切换时间、导通电阻、

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