计算机控制及接口技术

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1、第5章 计算机控制及接口技术 第5章 计算机控制及接口技术 5.1 概述 5.2 工业控制计算机5.3 计算机接口技术5.4 计算机接口设计5.5 D/A转换器 5.6 A/D转换器思考题 第5章 计算机控制及接口技术 5.1 概述 5.1.1 计算机控制系统的组成 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现， 就组成了一个典型的计算机控制系统， 如 图5-1所示。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-1 计算机控制系统的基本框图第5章 计算机控制及接口技术 典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,

2、内存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-2 典型计算机控制系统的组成框图第5章 计算机控制及接口技术 （1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊 地协调工作。（2）操作台是人机对话的联系纽带。（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。第5章 计算机控制及接口技术 （4）I/O接

3、口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥 梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模 拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中，模拟量I/O通道的作用是：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参 数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输 出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以 实现对生产过程的控制。（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感 器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到 的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（ 如010mADC）。 第5章 计算机控制及接口技术 系统软件

4、是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序， 生产过程监控程序等。在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 第5章 计算机控制及接口技术 5.1.2计算机在控制中的应用方式1.操作指导控制系统如图5-3所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生

5、产对象。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-3 计算机操作指导控制系统示意图第5章 计算机控制及接口技术 2.直接数字控制系统直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构 如图5-4所示。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-4 直接数字控制系统的结构第5章 计算机控制及接口技术 3.监督计算机控制系统在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按 照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接 传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由

6、模拟调节 器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一 种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监 督计算机控制系统的构成示意图如图5-5所示。（1）SCC+模拟调节器的控制系统。（2）SCC+DDC的控制系统。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-5监督计算机控制系统的构成示意图 (a）SCC模拟调节器系统；(b）SCCDDC系统 4第5章 计算机控制及接口技术 4.分级计算机控制系统图5-6是一个四级计算机控制系统。其中，过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产计划、备

7、品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计 划，进行企业(公司)经营方向的决策等。第5章 计算机控制及接口技术 图5-6 计算机分级控制系统第5章 计算机控制及接口技术 5.1.3典型的机电一体化控制系统图5-7介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃 烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。 第5章 计算机控制及接口技术 图5-7 工业炉的计算机控制 第5章 计算机控制及接口技术 2.微型计算机控制的电动机调速系统图5-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器、速度调节器和电流调节器 均由计算机实现。第5章 计算机控制及

8、接口技术 图5-8 计算机控制的双闭环系统第5章 计算机控制及接口技术 3.计算机数字程序控制系统 在图5-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程 序等控制程序的执行等。第5章 计算机控制及接口技术 图5-9 简单机床数字程序控制系统的构成框图第5章 计算机控制及接口技术 4.工业机器人图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没

9、有计算机，就 没有现代的工业机器人。第5章 计算机控制及接口技术 图5-10 智能机器人的一般结构第5章 计算机控制及接口技术 5.2 工业控制计算机 5.2.1工业控制计算机的特点及要求1.实时性2.高可靠性 3.硬件配置的可装配可扩充性4.可维护性 第5章 计算机控制及接口技术 下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。1.MCS-48单片机系列MCS-48系列是8位的单片机，根据存储器的配置 不同，该系列包括有8048、8049、8021、8035等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使 用。其主要特点是：（1）8位CPU，工作频率为16MHz。（2

10、）64BRAM数据存储器，1KB程序存储器。（3）5V电源，40引脚双列直插式封装。第5章 计算机控制及接口技术 （4）6MHz工作频率时机器周期为2.5s，所有指令的执行为12个机器周期。（5）有96条指令，其中大部分为单字节指令。（6）8字节堆栈，单级中断，两个中断源。（7）两个工作寄存器区。（8）一个8位定时/计数器。2.MCS-51单片机系列该系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是：第5章 计算机控制及接口技术 （1）8位CPU，工作频率为112MHz。（2）128BRAM数据存储器，4KBROM程序存储器。 （3）5V电源，40引脚双列直

11、插式封装。（4）12MHz工作频率时机器周期为1s，所有指令的执行为14个机器周期。（5）外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。（6）2级中断，5个中断源。（7）21个专用寄存器，有位寻址功能。（8）两个16位定时/计数器，1个全双工串行通信口。（9）4组8位I/O口。第5章 计算机控制及接口技术 3.MCS-96单片机系列MCS-96系列是16位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，其在硬件和指令系统的设计上较8位机有很多不同之处。MCS-96单片机系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多种机型。其主要特点是：（1）16位CPU，工作频率为612MHz。

12、（2）232BRAM数据存储器，8KBROM程序存储器。（3）有48和68两种引脚，多种封装形式。（4）高速I/O接口，能测量和产生高分辨率的脉冲（12MHz时是2s），6条专用I/O，两条可编程I/O。第5章 计算机控制及接口技术 （5）外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。（6）可编程8级优先中断，21个中断源。（7）脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号。（8）两个16位定时/计数器，4个16位软件定时器。（9）5组8位I/O口。（10）10位A/D转换器，可接收4路或8路的模拟量输入。（11）6.25s的16位乘16位和32位除16位指令。 第5章 计算机控制及接口技

13、术 （12）运行时可对EPROM编程，ROM/EPROM的内容可加密。（13）全双工串行通信口及专门的波特率发生器。 另外一种16位的单片机是8098单片机，其内部结构和性能与8096完全一样，但其外部数据总线却只有8位，因此是准16位单片机。由于8098减少了I/O线，其外形结构简化，芯片的制造成本降低，因此应用非常 广泛。MCS-98单片机系列主要有8398、8798等几种机型。第5章 计算机控制及接口技术 图5-11是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各 种开关信号，通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、

14、指示灯、电 动机等输出装置。第5章 计算机控制及接口技术 图5-11 PLC的逻辑控制电路第5章 计算机控制及接口技术 1.PC的组成原理PC实际上是一个专用计算机，它的结构和组成与通用微机的基本相同，主要包括CPU、存储器、接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PC的各主要部分。（1）CPU。 图5-12中，在同步扫描周期内，除I/O扫描之外，还有服务程序、通信窗口、内部执行程序等。第5章 计算机控制及接口技术 图5-12 PC的扫描工作机制第5章 计算机控制及接口技术 （2）存储器。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 （3）接口模块。PLC模块包括如下几种类型：数字量I/O模块。数

15、字量I/O模块完成数字量信号 的输入/输出，一般可替代继电器逻辑控制。模拟量I/O模块。专用和智能接口模块。编程器。外部设备。 第5章 计算机控制及接口技术 2.PC的性能特点（1）存储器：可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM。（2）数字量输入/输出端子：具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数的多少是决定PC的控制规模的主要参数。（3）计数器和定时器：在PC的逻辑顺序控制中，可替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计数继电器。（4）标志（软继电器）：在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分标志具有保持作用。 第5章 计算机控制及接口技术 （5）平均扫描时间：指扫描

16、用户程序的时间，决定了PC的控制响应速度。（6）诊断：由通电检查和故障指示的软件完成。（7）通信接口：一般采用RS232接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。（8）编程语言：一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立控制系统流程图 和顺序功能图等语言。第5章 计算机控制及接口技术 除上述一般特性外，高性能的PC还具有下列特性：（1）数据传送和矩阵处理功能：可以满足工厂管理的需要。 （2）PID调节功能：备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制的要求。（3）远程I/O功能：使输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和系统成本。（4）图形显示功能：借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。方便操作者监控 系统的运行。第5章 计算机控制及接口技术 （5）冗余控制：控制系统设计中备有一台同样的PC系