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1、 2015 年 秋 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目 : 计 算 机 接 口 技 术 学生所在院（系） : 航 天 学 院学生所在学科 : 控 制 科 学 与 工 程学 生 姓 名 : 学 号 : 15S004001学 生 类 别 : 学 术 型考核结果 阅 卷 人 一、计算机控制接口技术理论部分1.1 计算机控制系统组成及例子 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，如图所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。计算机控制系统基本框图在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记
2、忆等功能完成多种控制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过 A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID 运算） ，计算结果（数字信号）再经过 D/A 转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。典型的机电一体化控制系统结构可用下图来示意，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、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
3、录设备、运行操作台等。（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，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，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，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或 CRT 显示器等。（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。它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、
4、图形显示器（CRT ） 、软盘、硬盘及外存储器等。其中，采样时间要满足香农定理。 典型计算机控制系统的组成框图（4）I/O 接口与 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。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关
5、动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。（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） 。此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。系统软
6、件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。例如数字监控系统即为一种典型的计算机控制系统。数字监控系统是指通过软硬件将监控头采集到的图像处理成数字信号，传送到电脑进行处理。对于数字监控系统，根据系统
7、各部分功能的不同，我们将整个数字监控系统划分为七层 表现层、控制层、处理层、传输层、执行层、支撑层、采集层。当然，由于设备集成化越来越高，对于部分系统而言，某些设备可能会同时以多个层的身份存在于系统中。数字监控系统结构：表现层是我们最直观感受到的，它展现了整个安防监控系统的品质。如监控电视墙、监视器、高音报警喇叭、报警自动驳接电话等等都属于这一层。控制层是整个安防监控系统的核心，它是系统科技水平的最明确体现。通常我们的控制方式有两种 模拟控制和数字控制。模拟控制是早期的控制方式，其控制台通常由控制器或者模拟控制矩阵构成，适用于小型局部安防监控系统，这种控制方式成本较低，故障率较小。但对于中大型
8、安防监控系统而言，这种方式就显得操作复杂且无任何价格优势了，这时我们更为明智的选择应该是数字控制。数字控制是将工控计算机作为监控系统的控制核心，它将复杂的模拟控制操作变为简单的鼠标点击操作，将巨大的模拟控制器堆叠缩小为一个工控计算机，将复杂而数量庞大的控制电缆变为一根串行电话线。它将中远程监控变为事实、为 Internet 远程监控提供可能。但 数字控制也不是那么十全十美，控制主机的价格十分昂贵、模块浪费的情况、系统可能出现全线崩溃的危机、控制较为滞后等等问题仍然存在。处理层或许该称为音视频处理层，它将由传输层送过来的音视频信号加以分配、放大、分割等等处理，有机的将表现层与控制层加以连接。音视
9、频分配器、音视频放大器、视频分割器、音视频切换器等等设备都属于这一层。传输层相当于安防监控系统的血脉。在小型安防监控系统中，我们最常见的传输层设备是视频线、音频线，对于中远程监控系统而言，我们常使用的是射频线、微波，对于远程监控而言，我们通常使用 Internet 这一廉价载体。值得一提的是，新出现的传输层介质 网线/光纤。大多数人在数字 安防监控上存在一个误区，他们认为控制层使用的数字控制的安防监控系统就是数字安防监控系统了，其实不然。纯数字安防监控系统的传输介质一定是网线或光纤。信号从采集层出来时，就已经调制成数字信号了，数字信号已趋成熟的网络上跑，理论上是无衰减的，这就保证远程监控图像的
10、无损失显示，这是模拟传输无法比拟的。当然，高性能的回报也需要高成本的投入，这是纯数字安防监控系统无法普及最重要的原因之一。执行层是我们控制指令的命令对象，在某些时候，它和我们后面所说的支撑层、采集层不太好截然分开，我们认为受控对象即为执行层设备。比如：云台、镜头、解码器、球等等。支撑层是用于后端设备的支撑，保护和支撑采集层、执行层设备。它包括支架、防护罩等等辅助设备。采集层是整个安防监控系统品质好坏的关键因素，也是系统成本开销最大的地方。它包括镜头、摄像机、报警传感器等等。数字化监控系统具有计算机控制的网络化、数字化、广域化、智能化等典型优点。1.2 D/A 转换器及 A/D 转换器工作原理D
11、/A 转换器是将数字量转换成模拟量的装置。目前常用的 D/A 转换器是将数字量转换成电压或电流的形式，被转换的方式可分为并行转换和串行转换，前者因为各位代码都同时送到转换器相应位的输入端，转换时间只取决于转换器中的电压或电流的建立时间及求和时间（一般为微秒级） ，所以转换速度快，应用较多。D/A 转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件，为了了解它的工作原理，先分析一下图所示的 R2R 梯形电阻解码网络的原理电路。在图中，整个电路由若干个相同的支电路组成，每个支电路有两个电阻和一个开关，开关 S-i 是按二进“位”进行控制的。当该位为“1”时，开关将加权电阻与 IOUT1 输
12、出端接通；该位为“0”时，开关与 IOUT2 接通。R2R 梯形电阻解码网络原理图由于 IOUT2 接地，I OUT1 为虚地，所以VEF（5-2）流过每个加权电阻的电流依次为 RVIEFnR/2/1 （5-3）IREFn/1由于 Ioutl 端输出的总电流是置 “1”各位加权电流的总和， IOUT2 端输出的总电流是置“0”各位加权电流的总和，所以当 D/A 转换器输入为全“1”时，IOUT1 和 IOUT2 分别为（5-4）nREFVOUT 2/2/)/(1 IOUT20当运算放大器的反馈电阻 Rfb 等于反相端输入电阻R 时，其输出模拟电压UOUT1=- IOUT1Rfb=-VREF(1
13、/21+1/22+1/2n) （5-5）对于任意二进制码，其输出模拟电压为UOUT=-VREF(a1/21+a2/22+an/2n) （5-6）式中，a i=1 或 ai =0，由上式便可得到相应的模拟量输出。A/D 转换器的工作原理A/D 转换是指通过一定的电路将模拟量转变为数字量。实现 A/D 转换的方法比较多，常见的有计数法、双积分法和逐次逼近法。由于逐次逼近式 A/D 转换具有速度快，分辨率高等优点，而且采用该法的 ADC 芯片成本较低，因此获得了广泛的应用。下面仅以逐次逼近式 A/D 转换器为例，说明 A/D 转换器的工作原理。逐次逼近式 A/D 转换器的原理如图所示。它由逐次逼近寄
14、存器、 D/A 转换器、比较器和缓冲寄存器等组成。当启动信号由高电乎变为低电平时，逐次逼近寄存器清 0，这时，D/A 转换器输出电压 V0 也为 0，当启动信号变为高电平时，转换开始，同时，逐次逼近寄存器进行计数。逐次逼近式 A/D 转换 逐次逼近寄存器工作时与普通计数器不同，它不是从低位往高位逐一进行计数和进位，而是从最高位开始，通过设置试探值来进行计数。具体讲，在第一个时钟脉冲到来时，控制电路把最高位送到逐次逼近寄存器，使它的输出为10000000，这个输出数字一出现，D/A 转换器的输出电压 Vo 就成为满量程值的 128/255。这时，若 V0Vi 则作为比较器的运算放大器的输出就成为
15、低电平，控制电路据此清除逐次逼近寄存器中的最高位；若 V0V i，则比较器输出高电平，控制电路使最高位的 1 保留下来。若最高位被保留下来，则逐次逼近寄存器的内容为 10000000，下一个时钟脉冲使次低位 D6 为 1。于是，逐次逼近寄存器的值为 11000000，D/A 转换器的输出电压 V0 到达满量程值的 192/255。此后，若 V0Vi，则比较器输出为低电平，从而使次高位域复位；若 V0Vi，则比较器输出为高电平，从而保留次高位为 1重复上述过程，经过 N 次比较以后，逐次逼近寄存器中得到的值就是转换后的数值。转换结束以后，控制电路送出一个低电平作为结束信号，这个信号的下降沿将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，从而得到数字量输出。目前，绝大多数 A/D 转换器都采用逐次逼近的方法。1.3 可编程序控制器（PLC）可编程控制器（PLC）：是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并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。可编程控
