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1、测控系统硬件电路设计一、摘要：为完成测控系统中力矩、角度、电压和电流等I/O信号的采集、显示和分析，先 选择合适型号的主控计算机，外围板I/O板卡，多路开关，传感器及变送器设计 出了计算机控制系统的硬件电路，最后通过对采集的信号进行分析验证硬件电路 图的合理性。二、信号采集的原理框图：三、测控系统的技术要求某测控系统的I/O信号及技术指标如下表所示序号信号名称数量信号范围分辨率信号类型1力矩4-5050N.m0.3%AI(100Ks/s)2.角度2-30301 PI(300 度/s)3电压2-10+10V12位AO （隔离）4电流401A0.5%AI(100Ks/s)设计计算机控制系统，以完成
2、对上表所示的物理量采集、显示和分析 四、硬件选型1、主控计算机：它是整个计算机控制系统的核心。主机由CPUO1、存储器等构成。它通过由 过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自 动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式 通过输出通道，及时发出控制命令，实现良好的人机联系。目前采用的主机有 PC机及工业PC机（IPC）等。根据此次控制的要求控制的要求我们选择的主控计算机的类型为：945芯片全长 卡PentiumD双核工控机FSB-945GC主要配置：CPU：支持 LGA775封装 In tel Celeron D、Pe ntium 4、
3、Pen tium D、CoreDuo及Core2 Duo处理器芯片组：Intel 945G+ICH7系统内存：支持双通道533/667MHZ DDR2内存，最大支持4G 以太网：板载1个千兆网络接口，In tel 82574L芯片BIOS支持：4M可擦写Flash Rom用户可方便升级硬盘接口： 4个 SATA II接口、1 个 IDE UltraDMA-100/66/33接口CompactFlash： Type II CF 卡接口扩展接口：可扩充4个32位标准PCI插槽和8个ISA插槽看门狗功能：1255秒，可编程电源：ATX / AT主板尺寸：338.2mmx121.9mm （长/宽）输入
4、/输出通用串行总线：6个USB 2.0串口： 2个串口并口： 1个并口，支持SPP/EPP/ECP模式2、传感器与变送器：传感器的作用是把非电物理量（如温度、压力、速度等）转换成电压或电流 信号。例如，使用热电偶可以获得随着温度变化而变化的电压信号；转速传感器 可以把转速转换为电脉冲信号。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号（如4s20mA、25V等），这种 信号调理电路称为变送器。在工业控制领域，常常将传感器与变送器做成一体，统称为变送器。变送器 输出的标准信号一般送往智能仪表或计算机系统。测控系统中需要对力矩，角度，电压和电流进行采集，选用的传感器和变送器分 别为：CYT-301静止型
5、扭矩传感器：CYT-301静止型扭矩传感器适于静态或者旋转角 度小于360度的扭矩检测主要技术参数：量 程 0土 1N.m100KN.m可选供电电源 5-15VDC（标准10V DC）或24VDC输出信号 1mv/v、4-20mA、0-5V、1-5V（系统选择）、5-15kHz （可选） 精 度 0.1%FS、0.25%FS、0.5%FS美国光电旋转编码器：通过输出脉冲数及脉冲的宽度可实现角度的测量， 最高每转输出脉冲达30000个755A系列电参数主要技术参数：输入电压5VDC-28VDC （最小 4.75VDC，最大 28VDC）当操作温100摄氏度时为5-24VDC输入电流最大无负载电流
6、为100mA波动 在5VDC时，为峰-峰值得2%输出电流对上拉电阻和集电极开路，最大漏电流为100mA;推拉输出及线驱动为 50mA.类型在正交输出中，当转轴顺时针转动时，A通道的方波领先B通道电路 NPN集电极开路；NPN上拉电阻：推拉输出极高电压5VDC-28VDC线驱动（在5VDC时，符合RS422标准） 基准脉冲每转一周输出一次脉冲电压：A1单路直流电压高精度变送器LF-DV11-54A1-0.2/010V 表示010V输入量程、420 mA输出、24V供电、A1外型的单路直流电压三隔 离变送器输入范围：01000V内可选 如075mV, 0300V等精度等级：0.2%.F.S电流：A
7、41直流电流变送器：将被测直流电流隔离转换成按线性比例输出的单路 标准直流电压或直流电流；主要技术参数：输入范围：05A内可选 如420mA, 0100mA等精度等级：0.2%.F.S隔离耐压：输入/输出/外壳间AC2.0KV/min*1mA绝缘电阻：N20MQ（DC500V）冲击电压：5KV（峰值），1.2/50uS响应时间：300mS3、多路转换器：多路转换器是用来切换模拟电压信号的关键元件，可将各个输入信号依次地 或随机的连接到公用放大器或A/D转换器上，理想的多路开关其开路电阻为无 穷大，其接通时导通导通电阻为零。在测量时需要对十二路信号进行控制，在期间选择时选用了 16路的多路选 择
8、器CD4067数字控制模拟开关：具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译 码的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。主要技术参数CD4067是16通道开关，有四个二进制输入端A0A3和控制端C,输入的 任意一个组合可选择一路开关。C = 1时，关闭所有的通道。电源电压范围3V15V输入电压范围0VVDD4、外围I/O板卡应用IPC对工业现场进行控制，首先要采集各种被测量，计算机对这些被测 量进行一系列处理后，将结果数据输出。计算机输出的数字量还必须转换成可对 生产过程进行控制的量。因此，构成一个工业控制系统，除了 IPC主机外，还需 要配备各种用途的I/O接口产品，即I/O板
9、卡。各种板卡是不能直接由计算机 主机控制的，必须由“I/O”接口来传送相应的信息和命令。I/O接口是主机和板 卡、外围设备进行信息交换的纽带。系统中选择的I/O板卡为PCI-1710PCI-1710 : 100KS/s，12位多功能数据采集卡包含五种最常用的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能5、PCI总线 电缆采用PCL-10168型，是两端针型接口的68芯SCSI-II电缆， 主要技术参数：1. 16路单端或8路差分模拟量输入，或组合方式输入；2. 12位A/D转换器，采样数率可达100KHz；3. 每个通道的增益可编程；4. 单端或差分
10、输入自由组合；5. 卡上4K采样FIFO缓冲器；6. 2路12位模拟量输出；7. 16路数字量输入及16路数字量输出；8. 可编程触发器/定时器；9. 板卡ID10. PCI总线数据传输四、硬件原理图(见附页)五、物理量的显示和分析计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成模拟信号，还要转化为操作人 员比较熟悉的工程值，被测对象的各种数据量纲和AD转化的输入值不一样，这 些参数经传感器和AD转换后得到的一系列数码，并不一定等于原来带有一定量 纲的参数值，仅仅对应参数值的大小，必须把它转换成带有量纲的值后进行运算 和显示，或打印输出。由于力矩，变送器，电流 的参考值与AD转换的结果之间呈线性关系可
11、运用以下公式进行变换：Y = (Y - Y )(X - N )/(N - N ) + Ymaxminminmaxminmin其中Y表示参数量值，Y max表示参数量程最大值，Y min表示参数量程最小值，N max表示Y max对应的AD转换后的输入值，N表示min对应的AD转换后 的输入值。但对于角度测量时选用的是光电编码器输出的量为脉冲数，通过PCI-1710采集 到的码值为脉冲数，参考值与AD转换的结果之间呈非线性关系标度转换时需用脉冲数X 360/ N ,N表示光电编码器可以输出的脉冲数。对于力矩当量值为 q= bo -(- 50)/212-1 = 0.244 N/M电压的当量值为：q
12、0 -(- 10兀212 -1 =0.0048V电流的当量值为：q=1/212 -1 =0.244mA角度的当量值为：q=360/30000=0.012度在被采样的过程被测参数经A/D转换成数字量，及输出的数字量经D/A转换成 模拟量时均会产生量化误差土 1/2q，但在测控系统中采用12位的AD/DA转换器， 使量化误差足够小，可认为数字信号近似于采样信号。六、设计总结：通过这次测控系统硬件电路的设计，基本上掌握的器件的选型及查找方法，对如何通过硬件设计合适的电路实现对信号的米集、显示和分析有了明确的认识。在 设计的过程中遇到了较多的问题，但通过小组合作共同分析，并对比较疑惑的问 题向老师请教
13、，在解决问题的过程中不仅学习了更多的知识，而且增加了分析解 决问题的能力。七、主要参考文献1、微型计算机控制技术（第二版）清华大学出版社2、数据采集相关资料；3、Labwindows 或 Labview 相关教程；4、计算机测控系统设计与应用电压变送器接线图?： OUT: OUT : Power d ； Power-)F out(:Power (+ ； Power（二） -）!一0一 o-_l:-gl:8-:l:7二PowerA1单路直流电压高精度变送器 电流的o*-*(-OUT Power -(+ Power+1 F out ： ) F out? Power 1) PowerIN ()Load )Powe i（一）电压、电流输出* （二）频率输出： 二a制妇2DmA输出
