第二章过程输入输出通道
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。
微型计算机控制技术
微型计算机控制系统课后题答案第一章微型计算机控制系统的概述puter在微型控制中的作用？他的信息从何处来？其输入信息有用于何处？答：1）完成数据的采集把生产过程参数采集，供人为控制和其他控制系统作用2）将生产过程参数转换为数字量，引进控制程序进行计算把控制经过转换输入计算机。
I从生产过程中来，O都作为控制命令。
2.什么是微机控制的实时性？为什么要强调微机控制的实时性？怎样才能保证微机实时控制作用？答：1）时间越短越好，不影响控制2）因为要求用微机能够在规定的时间范围内完成规定操作要使微机控制具有实时性3）在微机方面还是配备具有实时时钟和优先级中断信息处理电路，在软件方面应具备有完善的时钟管理，中断处理的程序，实时时钟和优先级中断系统这保证微机系统实时的必要性，3.微机在控制系统中的在线操作和离线操作的区别是什么?答：在线是直接交换信息离线是不直接对生产装置进行控制。
4.微机控制系统的硬件一般有哪几个主要部分组成？各部分是怎样互相联系的？其中过程通道和系统中起什么作用？他有那几种类型？答：1）生产过程，过程通道，微型计算机，人机联系设备，控制操作台。
2）各部分通道和计算机相连3）过程通道将生产过程参数转换并传输到计算机中去，将计算机的控制传输到被控对象中。
4）过程输入(模拟量，开关量)过程输出（模拟量，开关量）5..直接控制数字控制系统的硬件由哪几部分组成？他们的基本功能是什么？直接数字控制系统和监督控制系统的区别在哪里？答：1）生产过程，过程通道，计算机接口。
2）过程通道：将生产过程的参数取进来，控制程序计算，结果送给控制对象。
计算机：信息优化将模拟控制器的给定值。
借口：连接输入端与计算机3）一个直接参与控制，一个不直接参与控制。
6.微机控制系统按功能分类主要有哪几种？按使用的控制规律分类有主要有哪几种？答：1）按功能：数据采集和数据处理直接数字控制系统监督控制系统集散控制系统现场总线控制系统2）按控制规律：程序和顺序控制PID控制复杂规律控制智能控制第二章过程输入输出通道1.微型计算机的对存储器和I/O接口是如何寻址的？它们各用哪些控制信号线和地址信号线？答：1）用mov X访问外部接口和RAM 用,mov指令取RAM信号2）读、写信号线2.试用两个CD4051扩展成16路的多路开关，并说明其工作原理。
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
数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
过程通道
Computer Controlled Systems
P(t)
（ｅ） 采样描述
X(t)
调制器
X*(t)
x*(t)=p(t)x(t)
因 τ0＜＜T ，所以分析时可近似认为τ０为０，以单位脉冲序列δＴ（ｔ） 代替ｐ（ｔ）。
4.1 过程参数采样原理
单位脉冲序列：
Computer Controlled Systems
k 0 *
4.1 过程参数采样原理
Computer Controlled Systems
二、采样定理
对于角频率范围为（ max , max ）的连续信号进 行采样，当采样频率
s 2 max
时，采样器的输出信号
ｘ＊（ｔ）才能充分表征连续输入信号ｘ（ｔ），换言之，为使 采样信号ｘ＊（ｔ）的频谱能无失真地恢复连续输入信号 ｘ（ｔ）的频谱，采样周期Ｔ必须小于等于输入信号中变化 最小周期 Tmin 的１／２，即：
第二节 开关量输入通道（DI）
输入调理电路 输入调理电路有多种，通过调理电路可以将一个开关与计 算机的一位数字量对应起来。
+5V
R R R
Computer Controlled Systems
E
光电隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
继电器隔离转换 “断开” →逻辑电平“0” “闭合” →逻辑电平“1”
1、影响采样周期选择的因素 （1）系统受扰动情况（扰动和噪声比有效信号的频率高） 若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些； 对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；
Computer Controlled Systems
（2）被控系统动态特性（慢对象：汽温，信号变化慢；快对象:水位） 滞后时间大的系统，采样周期T应选大些； 对于快速系统，采样周期T应选小些； （3）控制品质指标要求（控制品质反映了系统的动作快慢） 若超调量为主要指标，采样周期T应选大些； 若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些； （一般而言，过渡过程时间长，超调则小，被调量是慢变的）
于海生---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。
微机控制技术第二章
微机控制技术第⼆章第⼆章: 过程输⼊通道与接⼝输⼊输出接⼝技术——研究微处理器和外部设备之间信息交换的技术。
外界的各种数据和信息通过输⼊设备送到微处理器，⽽微处理器将计算结果或控制信号输出外部设备，以便显⽰、打印或实现各种控制。
外部设备品种很多，有机械式的、机电式的或电⼦式的等，其原理也多种多样，各不相同。
它们在与微机系统交换信息时，往往存在着速度不匹配、数据类型不⼀样等问题，为了解决这些问题，必须设计⼀套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，这就是所谓输⼊输出接⼝或简称接⼝。
I／O通道（过程通道）：是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
⼀、接⼝、通道及其功能(⼀)I／O接⼝电路I／O接⼝电路也简称接⼝电路。
它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件(电路)。
或是主机和外围设备之间的信息交换的桥梁。
(⼆)I／O通道I／O通道(过程通道):是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。
给计算机提供被控对象的各种物理参数的通道称为信号的输⼊通路。
传输计算机控制命令作⽤于被控对象的通道称为信号的输出通路。
反映(或作⽤于)⽣产过程⼯况的信号既有模拟量，也有数字量(或开关量),可是计算机识别数字信号。
所以输⼊和输出通路的主要功能就是实现模拟量与数字量之间的信号变换。
本章学习⽬的:解决微型计算机和外部的连接问题，使计算机和外部构成⼀个整体，能正确、可靠、⾼效率的交换信息，这是设计⼀个微机控制系统必须解决的基本问题。
⼆、I／O信号的种类外部设备与CPU之间交换信息，如图2—1所⽰，通常有三类信息。
(1)数据信息图2—1在微型机中，数据通常为8位或16位，它可以分为以下三种：1)数字量: 由键盘、光电输⼊机、卡⽚机等读⼊的信息⼀般是以⼆进制形式表⽰的数或以ASCII码表⽰的数或字符。
2)模拟量: 当微处理器⽤于实时控制时，⼤量的现场信息经过传感器把⾮电量转换成的电量以及执⾏机构所能接受的控制量。
3)开关量: 这些变量只有开和关两个状态，通常⽤⼀位⼆进制数来表⽰。
计算机控制系统：第2章 输入输出通道
3.并行接口的ADC0809
CLOCK ADDA--ADDC
START ALE
EOC OE
D0--D7
转换时间
ADC0809工作时序图
2.2.3模拟转换器
3.并行接口的ADC0809
ADC0809工作时序图 ADC0809与51单片机的接口电 路
2.2.3模拟转换器
4.应用举例
ADC0809模拟输入原理图
DI7
DI0
Rfb Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vx
WR2
CS
XFER
DAC0832
DI7 DI0 Rfb
Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vy
WR2
DAC0832和51单片机双缓冲连接
P2.0 P2.1 P2.2 P0口 WR
80C51
CS DAC0832
XFER
DI7
DI0
Rfb IouΒιβλιοθήκη 1-WR1❖ 30℃：Rt＝5.6K VAD＝5×500/(5600＋500)＝0.410(V) 对应AD值：14H
❖ 40℃：Rt＝3.8K VAD＝5×500/(3800＋500)＝0.581(V) 对应AD值：1DH
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LF398典型的电源和信号的接法
CH的数值直接影响采样时间及保持精 度，为了提高精度，就需要增加保持电 容CH的容量，但CH增大时又会使其采 样时间加长。 因此，当精度要求不高（±1%）而速 度要求较高时， CH可小至100Pf。当精 度要求高（±0.01%）时，应取CH =1000pF。当CH ≥400pF时，采样时间 tAC与CH有经验公式
1．数字量输出信号的连接
A/D转换器数字量输出引脚和8位单片微型计算机的连接方法与其内 部结构有关。
如果转换器的数据输出寄存器具有三态锁存功能，则A／D转换器的 数字量输出引脚可直接接到CPU的数据总线上，转换结束，CPU可以直 接读入数据。
对于10位以上的A／D转换器，输出数据寄存器增加了读数控制逻辑 电路，把10位以上的数据分时读出。
4．采样/保持器
A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此 在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转 换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样/保持器S/H （Sample Hold）。
如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D转换时间 较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D 转换精度内，不必再选用采样/保持器。
LF398引脚排列图
• V+、V-：正负电源电压输入引脚，输
入范围为±5V到±18V。 • OFFSET ADJ：偏置调整引脚。可用 外接电阻调整采样-保持器的偏差。 • VIN：输入引脚。 • VOUT：输出引脚。 • CH：保持电容引脚。用来外接保持电 容。 • LOGIC REF：参考逻辑电平。 • LOGIC：输入控制逻辑。
变送器输出的信号包括： ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负
载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。
对于较小的电压信号: 需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标 准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再 经滤波后才能送入A/D转换器。 而对于电流信号:
CD4051--单端、双向8路模拟开关
选中通道
INH C B A
号
00 0 0
0
00 0 1
1
00 1 0
2
00 1 1
3
01 0 0
4
VDD为正电源，VEE为负电源，
VSS为地，要求VDD+|VEE|≤18V。 0 1 0 1
5
01 1 0
6
01 1 1
7
1×××
无
两个CD4051扩展成16通道的多路模拟开关
LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与 LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采 样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗 为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源 范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。
在采样期间，不启动A/D转换器，一旦进入保持期间，立即启动A/D 转换器，从而保证A/D转换的模拟输入电压恒定，提高了A/D转换的精 度。
（2）常用的采样/保持器
常用的采样/保持器集成电路有AD582、AD583、AD585、AD346、 THS-0025、LF198/298/398等。下面以LF398为例，介绍集成电路S/H的 工作原理，其他的S/H的原理与其大致相同。
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样时间，单位为s。
2.2.2 A/D转换器接口逻辑设计要点
A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必 不可少的器件。常用的A／D转换器从转换原理上可分为逐次逼近型、计数 比较型和双积分型。从分辨率上可分为8位、12位、16位等；
模拟量输入通道的一般组成框图
1．信号调理电路
信号调理电路主要对来自现场的多路模拟信号进行小信号放大、 滤波、隔离、电平转换、阻抗匹配、非线性补偿和电流/电压转换等。
传感器输出的信号包括： ① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。
应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转 换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。
无源I/V（电流/电压）变换电路 有源I/V（电流/电压）变换电路
2．多路模拟开关
当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次 地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分 时控制。 ➢ 目前采用CMOS工艺的多路开关应用最为广泛。 ➢ 多路模拟开关参数：通道数、开关电阻、漏电流、输入电压等 ➢ 它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组 成及工作原理基本相同。
第2章 过程输入输出通道
▪2.1 信号的采样与恢复 ▪2.2 模拟量输入通道 ▪2.3 模拟量输出通道 ▪2.4 数字量输入输出通道
计算机控制系统的基本组成
2.2 模拟量输入通道
▪2.2.1 模拟量输入通道的一般组成 ▪2.2.2 模拟量输入通道 ▪2.2.3 典型A／D转换器与微机的接口设计
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
（1）采样/保持器的工作原理
S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成。
当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过 电阻R向电容C快速充电，输出电压随着输入信号变化。
当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，由于电容C此 时无放电回路，在理想情况下输出电压的值等于电容C上的电压值。
对于内部不包含读数据控制逻辑电路的A／D转换器，应增设三态门 对转换后数据进行锁存，以便控制10位以上的数据分两次进行读取。
16通道的多路模拟开关真值表：
A3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
输入状态
A2
A1 A0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
111ຫໍສະໝຸດ 0111
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
选中通道号
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15