硬件设计基础.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第3章 硬件设计基础,3.1,总线技术,3.2,数字量输入输出通道,3.3,计算机控制系统常用主控制器,模拟量输入输出通道,3.4,输入输出板卡举例,3.5,计算机控制系统基本硬件结构主要包括主控机、人机接口、模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道、测量变送环节、执行机构、输入电气开关、输出电气开关、被控制对象，以及其他特殊功能扩展板卡等。因此，计算机控制系统的硬件设计主要包括：,主控机的选型；,输入,/,输出过程通道的设计；,系统各类总线形式的选择；,特殊功能板卡的设计；,执行机构的选择；,测量变送环节的选择；,接口电路的设计；,系统的抗干扰技术设计等。,图,3.1,计算机控制系统基本硬件结构,3.1,计算机控制系统常用主控制器,在计算机控制系统中，常用主控制器包括：工业控制计算机（IPC）、可编程序控制器（PLC）、智能工业调节器、数字信号处理器（DSP）、单片机（MCU）、ARM处理器等。,3.1.1,工业控制计算机,工业控制计算机即工控机（IPC：Industry Personal Computer），就是专门为工业现场而设计的计算机，是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，如图3.2所示，也叫产业电脑或工业电脑。,3.1.2,可编程序控制器,PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,a.,整体式,b.,组合式,3.1.3,智能工业调节器,智能工业调节器是一种基于数字集成技术的过程控制智能型仪表，采用专用微处理器或单片机作为调节器的核心，硬件采用电擦除存储器、开关电源、高速,A/D,转换器等设计而成，常嵌入有成熟的,PID,算法及,PID,自整定技术，从而保证智能型工业调节器具有测控精度高，抗干扰性能强，功能完备，操作简单等特点，具有广泛的适用性。,硬件多采用模块方式设计，可根据需要进行灵活配置；软件采用组态方式，可通过按键操作对仪表功能进行组态编程，以实现多种信号类型输入和多种调节、控制输出。,3.1.4,数字信号处理器,数字信号处理器（,DSP,：,Digital Signal Processor,）是进行数字信号实时处理的微处理器，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的器件，如图,3.5,所示。它可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。,DSP,处理器的品种繁多，四大,DSP,生产商主要有：,Texas Instruments,（德州仪器）公司、,Lucent Technologies,（朗讯技术）公司、,Analog Devies,（模拟设备）公司和,Motorola,（摩托罗拉）公司，其中,TI,占有最大的市场份额。,在工程应用中，,DSP,的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源，如定时器的数量、,I/O,口数量、中断数量、,DMA,通道数等。,3.1.5,单片机,单片机是典型的嵌入式微控制器（,MCU,：,Microcontroller Unit,），是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器,CPU,、随机存储器,RAM,、只读存储器,ROM,、多种,I/O,口、中断系统、定时器,/,计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。有些型号的单片机甚至还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、,A/D,转换器等功能电路等。,单片机的种类非常多，常用单片机有几下几种：,1,）,STC,单片机,5,）,PHLIPIS 51LPC,系列单片机,2,）,PIC,单片机,6,）,TI,公司单片机,3,）,EMC,单片机,4,）,ATMEL,单片机,3.1.6 ARM,处理器,ARM,（,Advanced RISC Machines,）处理器由,ARM,公司设计，采用发放许可方式，由其它公司生产。它是一个,32,位精简指令集,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,，精简指令集计算机）处理器架构，具有性能高、成本低和耗能省的特点，适用于多种领域，如嵌入式实时控制系统、消费或教育类多媒体、移动式应用设备等。,ARM,内核分为,ARM7,、,ARM9,、,ARM10,以及,StrongARM,等几类。每一类又根据各自包含的功能模块而具有多种构成。,各类,ARM,处理器流水线如图,3.7,所示。,图,3.7 ARM,处理器流水线,3.2,总线技术,所谓总线就是计算机各功能部件之间互联和传送信息的一组信号线，按照所传输的信息种类，总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。,总线按功能和规范可分为三大类型：片总线、内总线和外总线。,(1)片总线又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块的信息传输通路。包括数据总线、地址总线、控制总线、I,2,C总线、SPI总线、SCI总线等；,(2)内总线又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件之间的信息传输通路，即微机主板插槽遵循的各种标准。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等；,(3)外总线又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统之间信息传输的通路，它用于设备一级的互连，多表现为微机对外的标准接口插头，有时也称为接口标准。包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VME、STD、PC-104、Compact PCI等。,另外，按照传输数据的方式，总线又可划,分为串行总线,和,并行总线,。,串行总线用于串行通信，外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线、控制线等），数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。常见的串行总线有I2C总线、SPI总线、USB、RS-232、RS-422、RS-485等。,并行总线就是并行接口与计算机设备之间传递数据的通道，采用并行传送方式在计算机与外部设备之间进行数据传送的接口叫并行接口，它有两个主要特点：,一是同时并行传送的二进制位数就是数据宽度；,二是在计算机与外设之间采用应答式的联络信号来协调双方的数据传送操作，这种联络信号又称为握手信号。,这种通信方式传输速度快，常用于近距离通信。常见的并行总线有ISA总线、PCI总线等。,评价一种总线的性能主要注意以下几个方面参数：,1）总线时钟频率,2）总线宽度,3）总线传输速率,可以通过总线宽度和总线时钟频率来计算总线传输速率（带宽）：传输速率=总线时钟频率总线宽度/8，如某主板PCI总线宽度16位，总线频率66MHZ，总线数据传输速率=6616/8(MB/S)=132(MB/S)。,3.2.1,片总线,3.2.1.1 I,2,C,总线,I,2,C总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。,它只有两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。,I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。,开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。,结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。,应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。,3.2.1.2 SPI,总线,SPI高速同步串行口是一种标准的四线同步双向串行总线。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，很多芯片集成了这种通信协议。,SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要4根连线；用于单向传输时，也就是半双工方式时，3根线也可以。4根信号线包括：,（1）SDO（数据输出）：主设备数据输出，从设备数据输入；,（2）SDI（数据输入）：主设备数据输入，从设备数据输出；,（3）SCK（时钟）：时钟信号，由主设备产生；,（4）CS（片选）：从设备使能信号，由主设备控制。,3.2.2,内总线,3.2.2.1 ISA/EISA,总线,ISA,总线（,Industry Standard Architecture,，工业标准体系结构）又称,AT,总线，是,IBM,公司为,PC/AT,电脑而制定的总线标准，为,16,位体系结构，支持,8/16,位的,I/O,设备，最大传输率为,16MB/S,，总线频率,8MHz,，也称为,AT,标准。,ISA总线扩展插槽由两部分组成，一部分为8位基本插槽，有62引脚，正反面分别称为A列和B列；另一部分是AT机的添加部分，由36引脚组成，正反面分别称为C列和D列，它增加了8位数据线和7位地址线，不能独立工作，需和基本插槽一起使用。,图,3.9,具有,ISA,总线的,PCB,板卡及,ISA,插槽,图,3.10 ISA,插槽引脚,3.2.2.2 PCI/Compact PCI,总线,I/O总线的速度应为外设速度的3-5倍。因此，随着外设速度的提高，对总线的速度提出了更高的要求，原有的ISA和EISA已远远不能满足需要。,PCI总线从1992年创立规范至今，已成为了计算机的一种标准总线，取代了早先的ISA总线，如图3.11所示为PCI总线及系统主板上的PCI插槽。当然在PCI总线后又出现了专门用于显卡的AGP（Accelerated Graphics Port，加速图形接口）总线，以及PCI Express总线，但是PCI本身具有许多优点，如即插即用(Plug and Play)，即当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。因此PCI总线得到了非常广泛的应用。,1.PCI,总线简介,从数据宽度上看，PCI总线有32位（5V）、64位（3.3V）之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。改良的PCI系统PCI-X最高可以达到64bit、133MHz，这样就可以得到超过1GB/s的数据传输速率。,PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理。桥就是一个总线转换器和控制器，习惯上将与CPU连接的芯片称为北桥，与I/O设备连接的芯片称为南桥，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM等设备提供了连接接口。基于PCI总线的系统基本构架如图3.12所示。,图,3.12,基于,PCI,总线的系统基本构架,2.Compact PCI,总线简介,Compact PCI总线简称CPCI，又称紧凑型PCI，是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术。采用CPCI总线的板卡如图3.14所示。它是国际PICMG（PCI工业计算机制造商联盟）协会于1994年提出来的一种总线接口标准。Compact PCI所具有的开放性、高可靠性、可热插拔特性，使该技术除了可以广泛应用在通信、网络、计算机外，同时，也适用于实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等需要高速运算的领域，以及智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化的极高可靠度、可长期使用的应用领域。,3.2.2.3 PC/104,和,PC/104PLUS,总线,1.PC/104,总线,PC/104总线是嵌入式PC机所用的小型化的总线标准，是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。有两个总线插头，共有104个引脚。PC/104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT(ISA)相对应。本质上就是尺寸缩小为3.8英寸、3.9英寸的ISA总线板卡。,图,3.15,基于,PC/104,总线的板卡,2.PC/104PLUS,总线,PC/104PLUS总线与PCI总线相对应，采用单列三排120个管脚。有效信号线和控制线与PCI总线完全兼容，可以连接高速外接设备，包括了PCI规范2.1版要求的所有信号。为了向下兼容，PC104PLUS保持了PC104的所有特性。,图,3.15,基于,PC/104plus,总线的板卡,3.2.3,外总线,3.2.3.1 STD,总线,STD总线属外总线，是美国普洛公司于1978年推出，适用于工业控制机的特点和要求而设计的56根线的总线，如图3.16所示。采用公共母板结构，板上安装若干个插座，插座对应引脚都是连到同一根总线信号线上，总线信号符合STD规范，各功能模块（如CPU模块、存储器模块、图形显示模块、A/D模块、D/A模块、开关量I/O模块等）都按标准尺寸制作，可插入任意插座，从而组建成不同规模的计算机系统。,图,3.16,采用,STD,总线的板卡,3.2.3.2 IEEE-488,总线,IEEE-488总线是并行总线接口标准，使用24芯连接器，其中有：8条双向数据线、3条字节传送控制线、5条接口管理线及8条地线。如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它是按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备，可以采用串行或星形方式连接。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。,3.2.3.3,串行外部总线,串行通信又分为同步和异步两种通信方式。,所谓同步通信，是指数据传送是以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步。同步串行通信的特点可以概括为：,（1）以数据块为单位传送信息；,（2）在一个数据块（信息帧）内，字符与字符间无间隔；,（3）接收时钟与发送时钟严格同步。,同步串行通信的数据格式如图：,异步通信是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。简单的说就是：字符间异步，字符内部各位同步。其特点可以概括为：,（1）以字符为单位传送信息。,（2）相邻两字符间的间隔是任意长。,（3）因为一个字符中的比特位长度有限，所以需要的接收时钟和发送时钟只要相近就可以。,异步串行通信的数据格式如图3.19所示，每个字符（每帧信息）由4个部分组成：1位起始位，规定为低电0；5-8位数据位，即要传送的有效信息；1位奇偶校验位；1-2位停止位，规定为高电平1。,根据数据传送方式，串行总线又分为以下三种方式：,单工方式：只允许数据按固定的方向传输。,半双工方式：采用同一根数据传输线，允许数据分时在两个方向传输，但不能同时进行双向传送。,全双工方式：允许数据同时双向传送。,另外，串行数据传输的线路通常有,平衡方式,和,不平衡方式,之分。所谓平衡方式就是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路，而不通过地线，接收器是用双端差动方式接收信号的。而不平衡方式采用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器用单线接收信号。,1.RS-232,总线,RS-232是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。通常以9个引脚(DB9)或是25个引脚(DB25)的形态出现，一般计算机上会有两组RS232接口，分别称为COM1和COM2。,DB25的串口用到的管脚一般只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，一般是DB9的接口，DB9所用到的管脚是2（TXD）、3（RXD）、5（GND）。因此也把RS232接口叫做DB9。,RS232接口及在Proteus软件中的电路符号如图3.20所示。,图,3.20 RS232,接口及在,Proteus,软件中的电路符号,RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信，其收发端的数据信号都是相对于地信号的，所以其共模抑制能力差；再加上双绞线的分布电容，如RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，当采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m，若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。且其只支持点对点通信，不能实现联网功能。若要进行联网，需通过一个RS-232/RS-485转换器将RS232总线转换成RS-485总线来实现。,图,3.21 RS-232/RS-485,转换器,RS-232,对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在,TXD,和,RXD,上逻辑,1,为,-3V,-15V,；逻辑,0,为,+3,15V,；在,RTS,、,CTS,、,DSR,、,DTR,和,DCD,等控制线上，信号有效（接通，,ON,状态，正电压）为,+3V,+15V,，信号无效（断开，,OFF,状态，负电压,),为,-3V,-15V,。,综上所述，,RS-232,的特点有以下几个方面：,（,1,）传输速率较低；,（,2,）传输距离有限；,（,3,）抗噪声干扰性弱；,（,4,）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与,TTL,电平不兼容故需使用电平转换电路方能与,TTL,电路连接；,（,5,）使用线路少，成本低。,2.RS-422,总线,RS-422,总线由,RS-232,发展而来，为改进,RS-232,通信距离短、传输速度低的缺点。,RS-422,总线采用四线制，采取平衡传输方式（差分传输方式），将传输速率提高到,10Mbit/s,，并允许在一条平衡总线上连接最多,10,个接收器，是一种单机发送、多机接收的平衡传输规范。,（,1,）支持点对多的双向通信，可实现一个主设备与多个从设备通信，但从设备之间不能通信（全双工）；,（,2,）传输距离长，最大距离,1000,多米；,（,3,）抗干扰能力强。,图,3.22 RS-422,四线接口,3.RS-485,总线,由于,RS-485,是从,RS-422,基础上发展而来的，所以,RS-485,许多电气规定与,RS-422,相仿，如都采用平衡传输方式，都需要在传输线上连接终接电阻等。,RS-485,可以采用二线与四线方式。二线制可实现真正的多点双向通信，在发送端增加了使能控制，属于半双工方式通信，,RS-488,两线接口如图,3.23,所示；采用四线连接时，与,RS-422,一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（,Master,）设备，其余为从设备，但它比,RS-422,有所改进，总线上最多都可接到,32,个设备。,图,3.23 RS-488,两线接口,RS-485,的主要特点包括：,（,1,）支持了多点到多点的通信；,（,2,）采用了半双工工作方式；,（,3,）具有抑制共模干扰的能力；,（,4,）传输距离远。,4.,通用串行总线,USB,该总线是一种连接外围设备的机外总线，最多可连接,127,个设备，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便。,USB,采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为外部设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，,USB,以全速,12Mbps,的传输数据；对于低速外设，,USB,则以,1.5Mbps,的传输速率来传输数据。,USB,总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。,USB,电缆如图,3.24,所示。,图,3.24 USB,电缆,3.3,数字量输入输出通道,数字信号主要包括电平式信号和触点式信号，它们以二进制的逻辑,“,1,”,、,“,0,”,或高电平、低电平出现。基本的输入输出数字量包括：,开关的闭合与断开；,指示灯的亮与灭；,继电器或接触器的吸合与释放；,电动机的供电与断电；,电磁阀等阀门的打开与闭合；,晶闸管的通与断；,仪器仪表的,BCD,码等。,把数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块板卡上,就称为,DI,板卡或,DO,板卡，也可统称为数字量,I/O,板卡。图,3.25,即为含有,DI,通道和,DO,通道的,PC,总线数字量,I/O,板卡的结构框图。,图,3.25,数字量,I/O,板卡的结构框图,3.3.1,数字量输入通道,数字量输入通道是把外界生产过程的开关状态信号或数字信号送至计算机进行处理，简称,DI(Digital Input),通道。主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成，如图,3.26,所示。,图,3.26,数字量输入通道组成,3.3.1.1,地址译码电路,在计算机控制系统中，所有的,I/O,端口或存储设备都以地址来相互区分，根据访问,I/O,端口或存储器指令中的地址信息，地址译码电路产生相应的寻址信号，以选中对应的,I/O,端口或存储器。这些地址称为,I/O,端口地址或存储器地址。通常一个,I/O,端口包含数据端口、命令端口和状态端口。,端口地址的设置方法一般有两种：统一编址和独立编址。,地址译码通常采用全译码电路、部分译码电路、线选译码电路等不同的方式。,如图,3.27,所示数字量输入接口电路中，左侧为,ISA,总线，包括地址总线、数据总线、命令总线等；,74HCT688,（八位数据比较器）为板地址译码电路，采用了开关选择译码方法，用于选通输入数据缓冲器,74HCT244,和译码器,74HCT138,；,74HCT138,为板内,I/O,端口地址译码电路，它根据地址总线所送来的地址信号,A2,A0,，对应选中,Y7,Y0,，从而进行端口的选择。,例如：当,CPU,执行读命令时，如果地址信号,A2,A0,为,000,，则,Y0,低电平有效，端口,1,被选中，进而数据（,ID0,ID7,）从端口,1,输入；在读信号和,BS,信号（由地址,A9,A4,所确定）作用下，选通输入数据缓冲器,74244,，经,244,将数字信号送至系统数据总线，完成一次数字量输入的操作。,图,3.27,数字量输入接口,3.3.1.2,输入缓冲器,输入缓冲器的作用是将外部端口送来的数据暂时存放，以配合处理器读取，对高速工作的,CPU,与慢速工作的外设起协调和缓冲作用，以实现数据传送的同步。由于缓冲器接在数据总线上，故必须具有三态输出功能。,例如图,3.27,所示数字量输入接口电路中八同相三态缓冲器线驱动器,74HCT244,可用来隔离输入和输出线路，起到数据缓冲作用；三态输出四总线缓冲器,74LS125,可对读、写信号进行缓冲。,另外，,I/O,缓冲功能也可以用可编程接口芯片如,8255A,构成，或者用,74LS240,、,74LS 244,、,74LS 373,、,74LS 273,等芯片实现。,3.3.1.3,输入调理电路,输入调理电路主要针对外部输入计算机的状态信号可能是电压、电流、开关的触点状态等，容易引起瞬时高压、过高压、接触抖动等现象，因此，这些信号输入到计算机中之前，需经过转换、保护、滤波、隔离等措施，将其转变成计算机能正确接收的逻辑信号，这些功能即称为信号调理。典型的开关量输入信号调理电路如图,3.28,所示。,(a),直流输入电路图,3.28,典型开关量输入信号调理电路,(b),交流输入电路,图,3.28,典型开关量输入信号调理电路,3.3.2,数字量输出通道,数字量输出通道是把计算机或微处理器送出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件，如指示灯、继电器等，控制它们的闭合、断开、亮灭等，简称,DO,通道。,DO,通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如图,3.30,所示。,3.3.2.1,输出锁存器,当对生产过程进行控制时，输出的控制信号需要进行保持，因此，需进行输出数据的锁存。锁存器可以在有锁存信号时将输入的状态保存到输出，直到下一个锁存信号。锁存器的最主要作用是缓存，其次完成高速的控制与慢速的外设不同步的问题，再其次是解决驱动的问题。例如图,3.31,所示为由,74273,作为输出锁存器的数字量输出接口电路。,3.3.2.2,输出驱动电路,数字量输出通道的任务是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数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件组成不同的输出驱动通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。,1.,三极管输出驱动电路,图,3.32,功率三极管输出驱动继电器,对于低压、小电流的开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。当驱动电流只有十几,mA,或几十,mA,时，只需采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路。,当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是由多组两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时也适用于计算机控制系统中的多路负荷。如图,3.33,为达林顿阵列,ULN2003A,，其电流增益高（大于,1000,），带负载能力强（输出电流大于,500mA,）。,图,3.33 ULN2003A,达林顿阵列,图,3.34,为达林顿阵列驱动大功率继电器的其中一路驱动电路,图,3.34,达林顿阵列输出驱动继电器,2.,晶闸管驱动电路,晶闸管又称可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、随动系统等工业控制领域应用广泛。,晶闸管常用于高电压大电流的负载，因此不适宜与,CPU,直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。图,3.35,为经光耦隔离的双向晶闸管驱动电路，当,CPU,数据线,Di,输出,“,1,”,时，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备,RL,。图中电流方向为,Proteus,软件仿真时所显示瞬时方向。,图,3.35,经光耦隔离的双向晶闸管驱动电路,3.,固态继电器驱动电路,固态继电器（,SSR,）是由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的无触点开关，能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它用隔离器件实现控制端与负载端的隔离；其输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载的作用。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用。,图,3.36,固态继电器结构原理图,图,3.37,固态继电器驱动电路,3.4,模拟量输入输出通道,模拟量输入、输出通道是计算机与控制对象之间的重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。其主要功能是将生产过程中被测模拟量经传感器（或变送器）测量、信号调理、放大、采样保持，再经,A/D,转换器转换成数字量，并通过适当的接口送入控制计算机。同样，控制计算机处理后的数据需通过相应的接口和,D/A,转换器转换成模拟量，再经放大驱动电路输出，送执行机构完成一定的控制任务。,把,A/D,转换器及其相关接口电路称为模拟量输入通道，又称为,A/D,通道或,AI,通道。,把,D/A,转换器及相应的接口称为模拟量输出通道，又称为,D/A,通道或,AO,通道。,图,3.38,模拟量输入输出通道结构图,3.4.1,模拟量输入通道,模拟量输入通道主要将被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号，并经相应接口送计算机处理。主要包括传感器（或变送器）、信号调理电路、多路选择开关、前置放大电路、采样保持器、,A/D,转换器、输入接口等六部分。该通道的核心是模,/,数转换器即,A/D,转换器，如图,3.38,所示。,3.4.1.1,信号调理,模拟量输入通道的信号调理电路是传感器和,A/D,转换器之间的桥梁，主要完成信号的转换、保护、滤波、线性化、隔离等。,1.,信号的转换,信号的转换包括信号标度变换及信号形式的变换：,标度变换是把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号，如：,0,10mA,信号、,4,20mA,信号或,0,5V,信号，标度变换器一般包含在变送器中；,信号形式的变换是指对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，它们的输出信号常为,0,10mA,或,4,20mA,的电流信号，可采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，即,0,5V,信号。,（,1,）无源,I/V,变换,无源,I/V,变换电路,图,3.39 I/V,变换电路,（,2,）有源,I/V,变换,(b),有源,I/V,变换电路,图,3.39 I/V,变换电路,（,3,）专用,I/V,转换集成电路,RCV420,是一种精密的专用,I/V,转换器，它能将,4-20mA,的环路电流变换成,0-5V,的电压输出，是目前最佳的,I/V,转换电路方案，具有可靠的性能和较低的成本，有商用级,(0-70),和工业级,(-25,+85),可供选择。,RCV420,的内部电路主要由精密运算放大器、电阻网络和,10V,基准电源组成，基本应用电路如图,3.40,所示。,图,3.40 RCV420,的基本应用电路,RCV420,可与,XTR101/102/103,（充当变送器）等器件结合使用，完成远距离的测温。即,XTR101,将热电偶信号变送成,4,20mA,的电流输出，经远距离传输后，由,I/V,变换器,RCV420,将其变换成,0,5V,的电压信号，该信号可直接与,A/D,转换器及智能仪表连接构成远距离测温系统。,2.,保护,当从生产现场取得传感器信号或其他模拟信号时，如果信号线漏电，或是出现浪涌噪声电压，以及前级设备出现故障，都可能在输入端出现过高电压而损坏设备，因此在输入端可加入保护电路，进行过电压保护、过电流保护、防静电保护等。,3.,滤波,滤波电路主要用于滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。可采用有源滤波器或无源滤波器。,4.,线性化处理,有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路；软件上可采用分段线性化数字处理的办法来解决。,5.,模拟信号的隔离,数字信号的隔离用光电耦合器就可以了，模拟信号的隔离比较复杂，可以转换成数字信号后再采取光电隔离，并把供电采用,DC/DC,隔离；也可以用隔离放大器如,BB,公司的,ISO,系列；还可以通过高频转换，用变压器隔离，如工业用温度变送器，信号隔离器等。,3.4.1.2,多路选择,计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片,CD4051,（双向、单端、,8,路）、,CD4052,（单向、双端、,4,路）、,AD7506,（单向、单端、,16,路）等。,双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；,单向，则只能完成多到一的切换。,双端，是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。,下面以常用的,CD4051,为例，其结构原理如图,3.41,所示：,CD4051,由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。,图,3.41 CD4051,原理图,当采样通道多至,16,路时，可直接选用,16,路模拟开关的芯片，也可以将,2,个,8,路,4051,并联起来，组成,1,个单端的,16,路开关。图,3.42,给出了两个,CD4051,扩展为,116,路模拟开关的电路。,图,3.42 16,路模拟开关电路,3.4.1.3,前置放大,前置放大是将输入的模拟小信号放大到,A/D,转换的量程范围之内，如,0,5VDC,。对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。而在实际工程中，来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，单个运放电路的差动输入难以起到很好的抑制作用，因此,A/D,通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图,3.43,所示。,图,3.43,经典测量放大器电路,这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如,AD521/522,、,INA102,等。,在,A/D,转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，却都要放大到,A/D,转换器的同一量程范围，因此，测量放大器的增益也需要不同，具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程增益放大器（,PGA,）。其放大倍数可以根据需要用程序进行控制，采用这种放大器，可使,A/D,转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。可编程增益放大器有两种：组合,PGA,和集成,PGA,。,集成,PGA,电路的种类很多，如美国微芯（,Microchip,）公司生产的,MCP6S21,、,MCP6S22,、,MCP6S26,、,MCP6S28,系列，美国模拟仪器公司（,Analog Devices,）生产的,AD8321,、,AD526,等，都属于可编程增益放大器。下面是以,AD526,为例说明这种电路的原理及应用。,可编程放大器,AD526,是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是,l,、,2,、,4,、,8,、,16,五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和,TTL,数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。其典型应用电路如图,3.44,和图,3.45,所示。,图,3.44 AD526,的透明工作模式图,3.45 AD526,的锁存工作模式,由图,3.44,和图,3.45,可见，,AD526,有两种工作模式，,CLK=0,为透明工作模式：当,B,为高电平，,CS,和,CLK,为,0,，输入模拟信号在,A2,、,A1,、,A0,到来时，增益立即响应，但不被保存；,CLK=1,为锁存工作模式：当,CLK,变为,1,时，增益码被锁存到内部寄存器中，直到,CLK,从,1,回到,0,。,3.4.1.4,采样保持,由于,A/D,转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证,A/D,转换的精度，需要应用采样保持电路。,但如果输入信号变化很慢，如温度信号；或者,A/D,转换时间较短，使得在,A/D,转换期间输入信号变化很小，并在允许的,A/D,转换精度内，就不必再选用采样保持器。,1.,采样的基本原理,图,3.46,连续模拟信号的采样,2.,采样频率,/,周期的选取,香农定理指出：为了使采样信号,y*(t),能完全复现原信号,y(t),，采样频率,f,至少要为原信号最高有效频率,f,max,的,2,倍，即,f,2,f,max,。采样定理给出了,y*(t),唯一地复现,y(t),所必需的最低采样频率。但在实际应用中，常取,f,（,5-10,）,f,max,。,另外采样周期的选取还需遵循以下的一般原则：,（,1,）系统受扰动情况：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；,（,2,）被控系统动态特性：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：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。,（,4,）控制回路的数量：控制回路较多的系统，要考虑到能够处理完各回路所需时间来确定采样