第二章输入输出
计算机控制系统4第三章 (2)
②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
APQP各阶段关键输入输出
APQP各阶段关键输⼊输出APQP五⼤阶段⼀计划和确定项⽬输⼊顾客的呼声：市场研究，保修记录和质量信息，⼩组经验业务计划/营销战略：务计划可将限制性要求施加给⼩组（诸如进度、成本、投资、产品定位、研究与开发（R&D）资源）⽽影响其执⾏⽅向。
营销战略将确定⽬标顾客、主要的销售点和主要的竞争者。
产品/过程基准数据：识别合适的基准；了解你⽬前状况和基准之间产⽣差距的原因；制定缩⼩与基准差距、符合基准或超过基准的计划。
产品/过程设想：设想产品具有某些特性\某种设计和过程概论。
产品可靠性研究：这⼀类型的数据考虑了在⼀规定时间内零件修理和更换的频率,以及长期可⾏性/耐久性试验的结果。
顾客输⼊：产品的后续顾客可提供与他们的需要和期望有关的有价值信息。
输出（作为第⼆章的输⼊）设计⽬标：顾客的呼声转化为初步和可度量的设计⽬标。
可靠性和质量⽬标：⽆安全问题和可维修性，质量⽬标如零件/百万（PPM）、缺陷⽔平或废品降低率。
产品和过程特殊特性的初始清单：与FMEA分析紧密相关产品保证计划：将设计⽬标转化为设计要求；概述项⽬要求；确定可靠性、耐久性和分配⽬标和/或要求；评定新技术、复杂性、材料、应⽤、环境、包装、服务和制造要求或其它任何会给项⽬带来风险的因素；进⾏失效模式分析（FMEA ）（参见附录 H ）；制定初始⼯程标准要求。
管理者⽀持：包括项⽬时间,资源的策划及⽀持产能的⼈员策划（通过表明已满⾜所有的策划要求和/或关注问题已写⼊⽂件列⼊解决的⽬标来保持管理者的⽀持,包括项⽬时间、资源策划及⽀持产能的⼈员策划。
⼆产品设计和开发⼀个可⾏的设计应能满⾜⽣产量、⼯期和⼯程要求的能⼒，并满⾜质量、可靠性、投资成本、重量、单件成本和进度⽬标等。
在这⼀过程阶段，要进⾏初始可⾏性分析，以评定在制造过程中可能发⽣的潜在问题。
输⼊（源于第⼀章的输出）· 设计⽬标；· 可靠性和质量⽬标；· 初始材料清单；· 初始过程流程图；· 产品和过程特殊特性的初始清单；· 产品保证计划；· 管理者⽀持。
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
三C语言程序设计简单的输入和输出
5.x=1.234560e+02, x=1.23e+02, x=123.456001
6.:how are you:
7.: how are you:
8.:
how:
9.:how
:
功能： 格式：
格式输入函数scanf
scanf该(格函式数控可制按,地指址定表的列)格 式格式输控入制多：与个p不rin同tf的类格型式控的制数含 据址义输的相出表，参同表列并数。列，将所：可是以输指由是入定若地数的干 址个 ，据地或地存址字址入单符组地元串成 。
1.输11.系出23统数.46自据△动宽△ 指△度, 定为12数m3.4，据56输宽00出度1n，位整小数数部，分n全+1部位小数 1.四输输舍出出五数，入据小；宽数实度部际为分小m输数，出位输6＜出位n。，位则小左数端，填n+01占位位小。数
2四.单舍精五度入数；的实有际效小位数数位为＜7n位，；则双左精端度填数0占用位%。lf输 出时，有效位数为16位，小数位为6位。
printf("a=%-4d, a=%04d\n", a, a);
printf("2. a=%o, a=%04o,", a, a);
printf("a=%x, a=0x%x\n", a, a);
printf("3. b=%ld, b=%8ld\n", b, b);
printf("4. x=%f, x=%.2f", x, x);
存储
c格式符
功能： 用来输出一个字符。 格式： ％其一值个c 在字0符%-2，5m5内可c 的用整c或数d，输可出用。c或d输出。
cinh=ta'arc';=c6=5';a'; printf("%c,%d3c"",c,c,c,c);); Aa,, 9△675△a 注：上行的%c和c的意义不同。
模拟量输入输出通道dq
▲量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当 量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可 不予考虑。
36
★ 计算机控制系统的简化结构图
采样
计算机
ZOH
被控对象
检测
37
2.1.2 多路开关
在微型计算机测量及控制系统中,往往需对 多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计 算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某 一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通 过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进 入微型计算机。
1 计算机控制系统信号变换结构图
E
A
B 采样
C 量化
编码
D 计算机
F 解码 G
保持
H
检测
I 被控对象
2 系统中信号形式的分类
连续信号（或模拟信号） 时间及幅值上均连续
的信号，如图中的 A、I 处的信号
数字信号
时间上离散、幅值上采用二进制编
码的信号，如图中的D、F 处的信号 33
▲采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，如
（0000）
（1000）
-1
-1/8
+1/8
1001
1111
0111
-2
1110
0110
-3
-3/8
+3/8
1011
1101
0101
-4
-4/8
+4/8
1100
1100
0100
-5
-5/8
+5/8
1101
1011
0011
-6
测控系统原理与设计21_输入
图中五个部件的噪声可以视做采集电路内部五个不相关的噪声源， 它们本身的等效输入噪声分别为： 、 VIN 3 0 V 9 V VIN 1 0.085V 、VIN 1 0.085VVIN 2 、 (可忽略不计)
VIN 4 7 V VIN 5 177 V
五个部件的放大倍数分别为：
●数字可编程控制增益：PGA202的增益倍数为 1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4， 8
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●增益误差：G<1000 0.05％～0.15％， G=1000 0.08％～0.1％； ●非线性失真：G=1000 0.02％～0.06％。 ●快速建立时间：2μs。 ●快速压摆率：20V/μs ●共模抑制比：80～94dB。 ●频率响应：G<1000 1MHz；G=1000 250kHz。 ●电源供电范围：±6～±18V。
在测控系统中，一台微机往往要同时测量 几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是 多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通 道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集 中采集式和分散采集式。
一、输入通道的分类
集中采集式之分时采集结构：
传感器 传感器 调理电路 调理电路 模 拟 多 路 切 换 开 关 采集电路
的传感器。
对传感器的主要技术要求
• 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围 与被测量实际变化范围相一致。 • 符合整机对传感器精度（通常为系统精度的十倍）和速度 的要求； • 满足被测介质和使用环境的要求（如耐高温、耐高压、防 腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电 或耗电少等）； • 满足可靠性和可维护性的要求。
传感器 传感器
调理电路 调理电路
信息输入输出规章制度
信息输入输出规章制度第一章总则第一条为了加强信息的管理和保护，保障信息安全，依法合规开展信息处理工作，特制定本规章。
第二条本规章适用于单位内所有信息的输入输出工作，包括但不限于电子邮件、短信、文件传输等形式的信息输入输出。
第三条信息输入输出规章制度是信息管理的重要组成部分，对于保障信息资产安全、维护信息系统正常运行与管理具有重要意义。
第四条本规章以信息安全为导向，遵循法律法规，维护公民权益，并规范信息输入输出行为。
第二章信息输入第五条信息输入必须符合国家法律法规和业务规定，禁止传播暴力、淫秽、恐怖、违法信息。
第六条信息输入应当采用安全可靠的方法，避免个人信息泄露，加密传输敏感信息。
第七条信息输入应当注明来源，确保信息真实性和准确性。
第八条信息输入必须按照规定的流程和程序操作，确保信息的安全和完整性。
第九条信息输入的设备和系统应当保持安全状态，避免遭受恶意攻击。
第十条信息输入应当审核和审批，确保信息的正确性和完整性。
第十一条对于重要信息的输入，应当采用双重审批机制，确保信息的准确性和安全性。
第三章信息输出第十二条信息输出必须符合国家法律法规和业务规定，禁止传播虚假、误导、侵犯他人权益的信息。
第十三条信息输出应当保证信息的完整性和真实性，禁止篡改和捏造信息。
第十四条信息输出应当采用安全可靠的方式，避免信息泄露和被篡改。
第十五条信息输出必须经过审核和审批，确保输出信息的准确性和安全性。
第十六条信息输出应当注明来源和出处，避免侵犯知识产权和引起纠纷。
第十七条对于重要信息的输出，应当采用加密传输等方式，保证信息的安全和保密性。
第十八条信息输出的通道和设备应当保持安全状态，避免遭受黑客攻击和恶意篡改。
第四章工作流程第十九条信息输入输出工作应当建立规范的流程和程序，确保信息的安全和完整性。
第二十条信息输入输出工作应当设立专人负责，明确责任和权限。
第二十一条信息输入输出工作应当加强内部培训和指导，提高员工信息安全意识。
第2章 常用输入输出函数
说明： • 对unsigned型变量所需要的数据，可以用%u， %d或%o，%x格式输入。 • 可以指定输入数据所占的列数，系统自动按它截 取所需数据。例2-16 • 输入数据时不能规定精度(%m.nf)。 • 如果在%后有一个“*”附加说明符，表示跳过 它指定的列数。例2-18 • 在输入数据时，空格、 “回车”、“跳格” （Tab）键或遇非法输入，认为该数据结束。 例2-20
2.2 printf函数
• printf函数（格式输出函数）的作用是向系 统隐含指定的输出设备（显示器）输出若干 个任意类型的数据 。 • printf函数的一般格式为： printf（格式控制，输出表列）； 例： printf(”%d,%c\n”,i,c)；
• printf函数的参数包括两部分： (1)“格式控制”是用双引号括起来的字符串，也 称“转换控制字符串”，它包括两种信息。 ① 格式说明。格式说明由“％”和格式字符组 成，如％ｄ、％ｆ等。它的作用是将输出的数据 转换为指定的格式输出。 ② 普通字符或转义字符。即需要原样输出的字 符。 (2) “输出表列”是需要输出的一些数据，可以是 常量、变量或表达式。
例 无符号数据的输出。 #include<stdio.h> void main() { unsigned int a=65535;int b=-2; printf(“a=%d,%o,%x,%u\n”,a,a,a,a); printf(“b=%d,%o,%x,%u\n”,b,b,b,b); }
说明： • 除了X，E，G外，其他各式字符必须用小写。 • 可以在printf函数中的“格式控制”字符串中包含转 义字符。 • 一个格式说明必须以“%”开头，以9个格式字符之 一为结束，中间可以插入附加格式字符。 • 想输出%，则应该在格式控制字符串中用连续两个% 表示 • 例如：
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对传感器的主要技术要求
输出为电量； 符合整机对传感器精度（通常为系统精度的十倍） 和速度的要求； 满足被测介质和使用环境的要求（如耐高温、耐高 压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质 量轻和不耗电或耗电少等）； 满足可靠性和可维护性的要求。
1)大信号传感器 2）数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成， 也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或 模拟电压输入经 V/F转换等，因此，数字量传感 器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗 干扰能力强、便于远距离传送等优点。 3）集成传感器 4）光纤传感器
数 字 输 出
输出地址 捕捉时间
通道指令 S ≥ tAC H ≥ tS S/H指令 指令
EOC
逻辑控制
通道指令
启动转换 tc EOC
保持建立时间
T
开始转换 不加采样保持器、加采样保持器的最高频率计算见 不加采样保持器、加采样保持器的最高频率计算见P22
由前面电路可知，完成一个通道的转换所需时间为：
传感器的选用将影响输入通道的具体组成。 下面是传感器输出为模拟量时的输入通道。
修正 与 变换 微 机 微 机
传感器
小电压 小电流 大电压
小信号放大
滤波
A/D
传感器 传感器
大电流
V/F I/V
光电 耦合
传感器输出为频率量或开关量时的输入通道。
频率量 输出 开关量 输出
传感器
放大整形
光电隔离
计算机
传感器
2. 滤波器
为隔离电路的零点漂移，通常用隔直电容的方 法，如图所示。
隔直电容与电压跟随器的等效电阻组成 一个高通滤波器，其截止频率为： 一个高通滤波器，其截止频率为：
1 fL = 2π R i C
隔直电容 电压跟随器
+
调理电路
A
—
采集电路
R很大，f很低 很大， 很低 很大
测控系统中根据需要还可能设置其他的滤波 此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定。 器，此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定。
4. 多路测量通道的串音问题
在多路数据采集系统中，常用模拟多路开关(MUX)实现各通 道间切换。理想情况下，当一路开关接通时应只有一路信号被 接通，其余各路都是关断的。但实际情况并非如此，由于模拟 开关出现的关断电阻Roff不是无穷大，因而被关断的信号也会出 现在负载上。
Vi1
~
Vi2
Ri1 Ri2
整形
光电隔离
计算机
三、信号调理电路的参数设计和选择
在一般测量系统中信号调理的任务较复杂， 除了实现物理信号向电信号的转换、小信号 放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化 处理、温度补偿、误差修正和量程切换等， 这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信 号调理电路。
VN = ( N − 1)Vi
通常： 通常：
(Ri + Ron) << RL <<
Ri + Roff N −2
，
(2Ri + Ron ) << Roff
VIN =
后级电路 K VIN
V0S V0N’
电路噪声
总输出噪声折算到前置放大器输入端为：
VON′ ′= ′ )2 + (VIN )2 VIN = (VIN0 K0 K K0
若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹没 ），有前置放大器为使输入信号不 （ VIS=VIN ），有前置放大器为使输入信号不 被噪声淹没， 被噪声淹没，应VIS>VIN’，即VI N>VIN’ ，
一、输入通道的分类
集中采集式之分时采集结构：
传感器 传感器 调理电路 调理电路 模 拟 多 路 切 换 开 关 采集电路 采样/保持器
电路简单，成本低， 电路简单，成本低， 但不能获得各路信号 同一时刻的值， 同一时刻的值，适于 低速采样系统中。 中、低速采样系统中。
A/D 转换器
微 机
传感器
调理电路
V i min
整理，得： 整理， 令：
V i max V i max 20 lg 20 lg V i min V i min m≥ ≈ 20 lg 2 6
Vi max L1 = 20 lg Vi min
L1 ∴ m ≥ 6
也可以根据数据采集系统的误差要求来确 定A/D转换器的位数，通常A/D转换器的精度 应是系统精度的十倍左右。
信号调理的内容： 小信号放大 硬件完成， 硬件完成，信号调理电路的重点 滤波 零点校正 线性化 温度补偿 软件完成 阻带宽度较 误差修正 小的带阻滤 典型信号调理 量程切换 波器
电路的组成
传感器信号
前置放大
低通
陷波
高通
至采集电路
1. 前置放大器
多数传感器输出信号都比较小，必须选用前 置放大器进行放大。 判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行 放大的依据是什么？ 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最 前端？ 前置放大器的放大倍数应该多大？
二、传感器的选用
传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定 整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感 器，首先要明确所设计的测试系统需要什么传感器— —系统对传感器的技术要求；其次要了解现有传感器 厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和 价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高 的传感器。
放大器前置的原因1：使输入的小信号不被电路噪声 所淹没。 在无输入信号时，电路的输出为噪声。 在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放 大倍数为K 则噪声折算到输入端即为等效输入噪声V 大倍数为K，则噪声折算到输入端即为等效输入噪声VIN
VON K VIS 前置放大器 Ko VIN0
等效电路噪声 信号输入 信号输出
V IN > V IN 0
2
V IN 2 +( ) K0
1 K 02
即前置电 路必须是 放大器
解得： 解得：
V IN 0 < V IN 1 −
∴ K0 > 1
放大器前置的原因2 放大器前置的原因2： 防止滤波器的噪声被放大器放大。 防止滤波器的噪声被放大器放大。 放大器前置时， 放大器前置时，电 路的等效输入噪声为： 路的等效输入噪声为：
VIN = (VIN0K) + (VIN1 ×1)
2 2
放大器 ×K VIN0 VINI
滤波器 ×1
V0N
K
=
VIN1 2 2 VIN0 + ( ) K
滤波器 ×1 VINI
放大器后置时， 放大器后置时，电路 的等效输入噪声为： 的等效输入噪声为：
2 2
放大器 ×K VIN0
V0N’
′ = (VIN1K) +(VIN0K) = V 2 +V 2 VIN IN0 IN1 K
A/D 转换器
微 机
控制 逻辑
分散式采集结构
采样/ 保持器 采样/ 保持器
电路较复杂， 电路较复杂，成本较 高。适于对速度要求 较高的采样系统中。 较高的采样系统中。
传感器 传感器
调理电路 调理电路
A/D 转换器 A/D 转换器
计 算 机
传感器
调理电路
采样/ 保持器 采集电路
A/D 转换器 控制逻辑
第二章 输入/输出通道
天津工业大学 测控技术与仪器
第二章 测控系统的输入/输出通道
本章内容： 模拟输入通道 模拟输出通道 开关量输入/输出通道 单元电路的级联设计
测控通道
第一节 模拟输入通道
模拟输入通道是指被测量与微机之间的通 道，它一般由以下部分组成：
传感器 调理电路 采集电路 微机
在测控系统中， 在测控系统中，一台微机往往要同时测量 几个被测量， 几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是 多路的。按照各路输入个，输入通道可分为集 中采集式和分散采集式。 中采集式和分散采集式。
控制 逻辑
集中采集式之多路同步采集结构：
电路较复杂， 电路较复杂，时间偏 斜误差小于分时采样 系统。适于中、 系统。适于中、低速 采样系统中。 采样系统中。
传感器 传感器
调理电路 调理电路
采样/ 保持器 采样/ 保持器
传感器
调理电路
采样/ 保持器
模 拟 多 路 切 换 开 关
采集电路 采样/ 保持器
设信号中幅度最大（Vs） 的频率分量的频率为f=fh， 干扰中幅度最大（Vn） 的频率分量的频率为 f=fS-fh，去混低通滤波 器的幅频特性为k(f)， f=fh时，k(f)=kS=1 f=fS-fh时，k(f)=kn P13-15：去混淆滤波 20lgk(f)
0
B
0
fh fS/2 fS -fh
fS
Ron Roff
VN
~
Vin
~
Rin
Roff
RL
这种由于模拟开关关断不彻底 模拟开关关断不彻底造成的在负 模拟开关关断不彻底 载上的泄露电压(VN)，称为串音。由前面 的电路可得：
( Ri + Ron ) // RL // Ri + Roff Ri + Roff N −2 Ri + Roff + ( Ri + Ron ) // RL // N −2
∵K >1
∴VIN < VIN
′
放大器前置有 利于减少噪声！ 利于减少噪声！
信号调理通道中常用的放大器
在智能仪器的信号调理通道中，针对被 放大信号的特点，并结合数据采集电路的现 场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大 器、程控增益放大器以及隔离放大器等。
取R6 = R4 , R5 = R3
R4 V0 = − (Vi1 − Vi 2 ) R3