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1、第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计第5章工业控制计算机及其接口 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.1 工业控制计算机工业控制计算机 一一 工业控制计算机系统的组成工业控制计算机系统的组成 它它由由计计算算机机基基本本系系统统、人人-机机对对话话系系统统、系系统统支支持持模块、过程
2、输入输出子系统组成。模块、过程输入输出子系统组成。 工工业业控控制制计计算算机机系系统统的的软软件件包包括括适适应应工工业业控控制制的的实时系统软件、通用软件和工业控制软件等。实时系统软件、通用软件和工业控制软件等。2第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计3第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.1 工业控制计算机工业控制计算机 二二. 工业控制计算机系统的基本要求工业控制计算机系统的基本要求1.具有完善的过程输入输出功能具有完善的过程输入输出功能2.具有实时控制功
3、能具有实时控制功能 3.具有可靠性具有可靠性 4.具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有较强的环境适应性和抗干扰能力 5.具有丰富的软件具有丰富的软件4第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计三三. 工业控制计算机的分类及其应用特点工业控制计算机的分类及其应用特点1. 可编程序控制器可编程序控制器 可可编编程程控控制制器器(PC，Programmable Controller)是是一一种种以以微微处处理理器器为为基基础础的的通通用用型型自自动动控控制制装装置置，专专为为在在工工业业环环境境下下应应用用而而设设计计。由由于于最最初初研研
4、制制这这种种装装置置的的目目的的，是是为为了了解解决决生生产产设设备备的的逻逻辑辑及及开开关关量量控控制制，故故也也把把它它称称为为可可编编程程逻逻辑辑控控制制器器（PLC，Programmable Logic Controller）。PLC采采用用可可编编程程序序的的存存储储器器，在在其其内内部部存存储储执执行行逻逻辑辑运运算算、顺顺序序控控制制、计计数数和和算算术术运运算算等等操操作作指指令令，并并通通过过数数字字式式、模模拟拟式式的的输输入入和和输输出出，控控制制各种类型的机械或生产过程。各种类型的机械或生产过程。5第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一
5、体化系统设计机电一体化系统设计三三. 工业控制计算机的分类及其应用特点工业控制计算机的分类及其应用特点1. 可编程序控制器可编程序控制器 图图5-11是是PLC应应用用于于逻逻辑辑控控制制的的简简单单事事例例。输输入入信信号号是是由由按按钮钮开开关关、限限位位开开关关、继继电电器器触触点点等等提提供供的的各各种种开开关关信信号号，通通过过接接口口进进入入PLC，经经PLC处处理理后后产产生生控控制制信信号号，通通过过输输出出接接口口送送给给线线圈圈、继继电电器器、指指示示灯灯、电动机等输出装置。电动机等输出装置。6第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统
6、设计机电一体化系统设计图5-11PLC的逻辑控制电路7第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计主要特点：主要特点：1. 程序可变，柔性好。程序可变，柔性好。2. 可靠性强，适于工业环境。可靠性强，适于工业环境。3. 编程简单，使用方便。编程简单，使用方便。4. 功能完善。功能完善。5. 体积小，重量轻，易于装入机器内部。体积小，重量轻，易于装入机器内部。8第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2. 总线型工业控制计算机总线型工业控制计算机 主要特点：主要特点： 1）提高
7、设计效率，缩短设计和制造周期。）提高设计效率，缩短设计和制造周期。 2）提高系统可靠性。）提高系统可靠性。 3）便于调试和维修）便于调试和维修 。 4）能适应技术发展的需要。）能适应技术发展的需要。9第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2. 总线型工业控制计算机总线型工业控制计算机1）STD总线工业控制机总线工业控制机典典型型的的STD总总线线工工控控机机系系统统的的构构成成如如图图5-13所所示示，其其突突出出特特点点是是：模模块块化化设设计计，系系统统组组成成、修修改改和和扩扩展展方方便便；各各模模块块间间相相对对独独立立，
8、使使检检测测、调调试试、故故障障查查找找简简便便迅迅速速；有有多多种种功功能能模模板板可可供供选选用用，大大大大减减少少了了硬硬件件设设计计工工作作量量；系系统统中中可可运运行行多多种种操操作作系系统统及及系系统统开开发发的的支支持持软软件件，使使控控制制软软件件开开发发的的难度大幅降低。难度大幅降低。10第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图图5-13 用用STD总线工业控制机组成的计算机控制系统总线工业控制机组成的计算机控制系统11第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化
9、系统设计2）PC总线工业控制机IBM公司的PC总线微机最初是为个人或办公室使用而设计的，早期主要用于文字处理或一些简单的办公室事务处理。早期产品是基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。PC/AT总线的IBM兼容计算机由于价格低廉、使用灵活、软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一。12第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进（1）机械结构加固，使微机的抗震性好。（2）采用标准模板结构。（3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增
10、加系统抵抗粉尘的能力。（4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。（5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。13第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.单片机下面以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）受集成度的限制，片内存储器容量较小。2）可靠性高。3）易扩展。4）控制功能强。5）一般单片机内无监控程序或系统通用管理程序。14第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计MCS-51单片机系列该系列包括有80
11、31、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是：15第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（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。16第第5 5章
12、工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计表5-1三种常用工业控制计算机的性能比较17第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.2 计算机控制接口技术计算机控制接口技术 I/O接口电路简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路的主要作用如下：18第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问
13、题。（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。19第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计一.信息采集接口模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是共用运算放大器和A/D转换器的结构形式，其组成方框图如图5-32所示。20第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-32模拟量输入通道的组成方框图21
14、第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计1.输入/输出通道在微机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入微机。微机经过运算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道。该连接通道被称为输入与输出通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道，其组成如图5-35所示。22第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统
15、设计图5-35输入与输出通道的组成23第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2.模拟量输入通道模拟量输入通道一般由信号处理装置、多路转换器、采样保持和A/D转换器等组成。模拟量输入通道有以下两种基本结构形式。（1）一个通道设置一个A/D转换器的形式。(2）多个通道共用一个A/D转换器的形式。24第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.A/D转换器的主要技术参数A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数来分类，包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；
16、10位的AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D转换器的主要技术参数如下：1）.分辨率分辨率通常用转换后数字量的位数表示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/281/256的增量作出反应。分辨率是指能使转换后数字量变化为1的最小模拟输入量。25第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）.量程量程是指所能转换的电压范围,如5V、10V等。3）.转换精度转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有
17、绝对精度和相对精度两种表示法。4）.转换时间转换时间是指从启动A/D到转换结束所需的时间。5）.工作温度范围较好的A/D转换器的工作温度为-4085，较差的为070。26第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计4.8位A/D转换器ADC08091）.电路组成及转换原理ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路转换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。ADC0809无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。27第第5 5章工业控制计算
18、机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-50ADC0808/0809的原理框图28第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）.ADC0808/0809的外引脚功能ADC0808/0809的管脚排列如图5-51所示，其主要管脚的功能如下：IN0IN78个模拟量输入端。START启动A/D转换器，当START为高电平时，开始A/D转换。EOC转换结束信号。当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束。此信号可作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号。29第第5 5章工业控制
19、计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计OE输出允许信号。如果此信号被选中，则允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。CLOCK时钟信号。ALE地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器。ADDA、ADDB、ADDC通道号地址选择端，C为最高位，A为最低位。当C、B、A为全零（000）时，选中IN0通道接入；为001时，选中IN1通道接入；为111时，选中IN7通道接入。30第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计D7D0
20、数字量输出端。UREF（+）、REF（-）参考电压输入端，分别接+、-极性的参考电压，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。在模拟量为单极性输入时,UREF（+）5V，REF（-）0V;当模拟量为双极性输入时，UREF（+）=+5V，REF（-）=-5V。31第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-51ADC0808/0809管脚排列图32第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.12位A/D转换器AD574AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/
21、D转换器，它可以直接与8位或16位微型机总线进行接口。AD574的分辨率为12位，转换时间为1535s。33第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计1).AD574的电路组成AD574的原理框图如图5-52所示。AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。34第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-52AD574原理框图35第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2)AD574的引脚功能说明AD574各个型
22、号都采用28引脚双列直插式封装，引脚图如图5-53所示。36第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-53AD574引脚图37第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计AD574各主要管脚的功能如下：DB0DB1112位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。ULOGIC逻辑电源+5V（+4.5+5.5V）。UCC正电源+15V（+13.5+16.5V）。UEE负电源-15V（-13.5-16.5V）。AGND、DGND模拟和数字地。38第第5 5章工业控制计算机及其接口
23、技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计CE片允许信号，高电平有效。在简单应用中固定接高电平。CS片选择信号，低电平有效。R/C读/转换信号。CE1，CS0，R/C0时，转换开始，启动负脉冲为400ns。CE1，CS0，R/C1时，允许读数据。39第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计CE1、CS0、R/C0、A00时，启动12位转换CE1、CS0、R/C0、A01时，启动8位转换CE1、CS0、R/C1、A00时，读取转换后的高8位数据CE1、CS0、R/C1、A01时，读取转换后的低4位数据（低4位
24、+0000）;12/8输 出 数 据 形 式 选 择 信 号 。 12/8端 接PIN1（VLoGIc）时，数据按12位形式输出。12/8端接PIN15（DGND）时，数据按双8位形式输出。40第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计STS转换状态信号。转换开始STS1,转换结束STS0。10VIN模拟信号输入。单极性010V，双极性5V。20VIN模拟信号输入。单极性020V，双极性10V。REFIN参考电压输入。REFOUT参考电压输出。BIPOFF双极性偏置。AD574的真值表如表5-3所示。单极性输入电路和双极性输入电路分别
25、如图5-54、图5-55所示。41第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计表5-3AD574真值表42第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-54AD574单极性输入电路43第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-55AD574双极性输入电路44第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计6.A/D转换器与系统的连接及举例1）.输入模拟电压的
26、连接A/D转换器的输入模拟电压可以是单端输入也可以是双端输入。ADC0808/0809可以从IN0IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时UREF（+）5V、UREF（-）0V，也可以接成双极性输入，这时UREF（+）和UREF（-）应分别接+、-极性的参 考 电 压 。 AD574是 单 端 输 入 模 拟 电 压 ， 在10VIN和20VIN中任一端和AGND之间，可输入单极性电压或双极性电压，输入模拟电压的极性不同,其输入电路也不同。45第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）.数据输出和系统总线的连接A/
27、D转换器的数据输出有两种方式。一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出线可以直接挂到系统数据总线上去。另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门，如AD570就是这种芯片。46第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计3）.转换结束信号及转换数据的读取A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号也有两种：电平信号和脉冲信号。CPU检测到转换结束信号后,即可读取转换后的数据。CPU一般可以采用以下3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取：（1
28、）程序查询方式。（2）中断方式。（3）固定的延迟程序方式。47第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-56ADC0808/0809与8086CPU的连接原理图48第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-57AD574与8031的接口电路49第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计二模拟量输出接口1.D/A转换器的工作原理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。D/A转换通道
29、的结构形式（1）一个通道设置一个D/A转换器的形式。(2）多个通道共用一个D/A转换器的形式。通过多路模拟开关选择通路。50第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2.DA转换器的主要参数（1）分辨率。D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化了1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机的数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器,其分辨率为（5-7）分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应。所以，N位二进制数最低位具有的
30、权值就是它的分辨率。51第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2）稳定时间。稳定时间是指D/A转换器中代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定（一般指稳定到与1/2最低位的值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。（3）输出电平。不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为510V。也有一些高压输出型，输出电平为2430V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。（4）输入编码。一般二进制编码比较通用，也有BCD等其他专用编码形式芯片。其他类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。
31、52第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（5）温度范围。较好的D/A转换器的工作温度范围为-4085，较差的为070。可按计算机控制系统使用环境查器件手册选择合适的器件类型。3.8位D/A转换器DAC0832DAC0832是双列直插式8位D/A转换器,能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。图5-41和图5-42分别为DAC0832的内部结构图和引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位（满度量程的1/256），转换时间为1s，基准电压为+10-10V，供电电源为+5+15V，功耗为20mW，与TTL电平兼容。53第第5
32、5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-41DAC0832内部结构图54第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-42DAC0832引脚图55第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计从图5-41中可见，在DAC0832中有两级锁存器；第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式
33、下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出。56第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5-42中各引脚的功能定义如下：CS片选信号，它和允许输入锁存信号ILE合起来决定WR1是否起作用。ILE允许锁存信号。WR1写信号1，它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS、ILE同时有效。57第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统
34、设计机电一体化系统设计WR2写信号2，它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号XFER必须有效。XFER传送控制信号，用来控制WR2。DI7DI08位数据输入端，DI7为最高位。IOUT1模拟电流输出端，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2模拟电流输出端，IOUT2为一个常数与IOUT1的差，即IOUT1+IOUT2=常数。58第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计Rfb反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，Rfb端可以直
35、接接到外部运算放大器的输出端，这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。UREF参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接负电压，范围为+10-10V。外部标准电压通过UREF与T形电阻网络相连。59第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计UCC芯片供电电压，范围为+5+15V，最佳工作状态是+15V。AGND模拟量地，即模拟电路接地端。DGND数字量地。DAC0832有以下三种不同的工作方式：（1）直通方式。当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI
36、7DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器上被转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合，就要用到这种方式，即把要产生基本波形的存在ROM中的数据，连续取出送到DAC去转换成电压信号。60第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2）单缓冲方式。只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将WR2和XFER都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码信号，WR1接CPU系统总线的IO/W，这样便可以通过一条OUT指令选中该端口，使CS和WR1有
37、效，启动D/A转换。61第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（3）双缓冲方式。主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的D/A转换：其一，需在程序的控制下，先把转换的数据传入输入寄存器，然后在某个时刻再启动D/A转换。这样可以做到数据转换与数据输入同时进行，因此转换速度较高。为此，可将ILE接高电平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分别接两个不同的I/O地址译码信号。执行OUT指令时，WR1和WR2均变为低电平。这样，可先执行一条OUT指令，选中CS端口，把数据写入输入寄存器；再执行第二条OUT指令，选中XFER端
38、口，把输入寄存器内容写入DAC寄存器，实现D/A转换。62第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-43是DAC0832工作于双缓冲方式下，与有8位数据总线的微机相连的逻辑图。其中，CS的口地址为320H，XFER的口地址为321H。当CPU执行第一条OUT指令时，选中CS端口，选通输入寄存器，将累加器中的数据传入输入寄存器。再执行第二条OUT指令，选中XFER端口，把输入寄存器的内容写入DAC寄存器，并启动转换。执行第二条OUT指令时，累加器中的数据为多少是无关紧要的，主要目的是使XFER有效。63第第5 5章工业控制计算机及
39、其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-43DAC0832与有8位数据总线的微机的连接图64第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1）单极性输出电路。单极性输出电路如图5-45所示。D/A芯片输出电流i经输出电路转换成单极性的电压输出。图5-45(a)为反相输出电路，其输出电压为UOUT=-iR（5-8）图5-45(b)是同相输出电路，其输出电压为（5-9）（2）双极性输出。在某些微机控制系统中，要求D/A的输出电压是双极性的，例如要求输出-5+5V电压。在这种情况下，D/A的输出电路要作
40、相应的变化。图5-46就是DAC082双极性输出电路实例。65第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-45单极性输出电路(a)反相输出；(b)同相输出66第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计由电路各参数计算可得最后的输出电压表达式为UOUT=-2U1-UREF设U1为0-5V，选取UREF为+5V，则UOUT=(010)V-5V=-5+5V。67第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-46双极性
41、输出电路68第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计三.数字量输入通道随输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。图5-37画出了几种微机系统中常用的电平转换、滤波、去抖动及光电隔离和继电器隔离电路。69第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-37开关量输入电路；(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路70第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体
42、化系统设计机电一体化系统设计图5-37开关量输入电路；(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路71第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计四.数字量输出通道数字量输出通道输出的数字信号有三类：二进制编码数字、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。具体电路可参阅图5-38。图5-39画出了几种开关量输出的具体电路。72第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-38一种使用步进电动机串行D/A转换
43、电路73第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-39开关量输出电路(a）TTL电平输出（PC900为高速光电隔离电路）；74第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-39开关量输出电路(b）晶体管开关输出；75第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-39开关量输出电路(c）继电器输出76第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计五.开关
44、型功率接口1.光电隔离技术图5-40所示为几种主要的光电耦合器示意图。需要注意，光电耦合器的输入.输出端两个电源必须单独供电，如图5-41所示。否则，如果使用同一电源（或共地的两个电源），外部干扰信号可能通过电源串到系统中来，如图5-42所示，这样就失去了隔离的意义。77第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-40几种光电耦合器示意图78第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-42不正确的隔离图5-41正确的隔离79第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业
45、控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计2.晶闸管接口晶闸管是一种大功率电器元件，也称可控硅。它具有体积小.效率高.寿命长等优点，在计算机自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。（1）单向晶闸管接口单向晶闸管又称可控硅整流器，其最大特点是有截止和导通两个稳定状态（开关作用），同时又具有单向导电的整流作用。图5-43是控制计算机控制单向晶闸管实现220V交流开关的例子。80第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-42控制计算机与单向晶闸管接口电路81第第5 5章工业控制计算机及其接
46、口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2）双向晶闸管驱动接口双向晶闸管在结构上可看成是两个单向并联构成的，这种结构使其在应用特性与单向晶闸管不同。第一，它在触发后是交流双向导通；第二，在门极中所加的触发信号不论是正还是负都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管一般用作过零开关，对交流回路进行功率控制。图5-43为双向晶闸管与控制计算机的接口电路。82第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-43双向晶闸管与控制计算机的接口电路（a）阻抗负载(b)电感负载83第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业
47、控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-44双向晶闸管保护电路84第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-45MOC3061双向晶闸管触发电路85第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计3.继电器输出接口由于继电器是通过改变金属触点的位置，使动触点与定触点闭合或分开，所以具有接触电阻小，流过电流大及耐高压等优点，但在动作可靠性上不及晶闸管。不同的继电器，其线圈驱动电流的大小，以及带动负载的能力不同，选用时应该考虑下列因素：1）继电器额定工作电
48、压（或电流）2）接点负荷3）接点的数量或种类（常闭或常开）4）继电器的体积，封装形式，工作环境，接点吸合或释放时间等。86第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-46继电器接口电路87第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计4.固态继电器接口固态继电器简称SSR。它是用晶体管或晶闸管代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关，根据结构形式，固态继电器可分为直流型固态继电器和交流型固态继电器。由于固态
49、继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动和回跳，开关速度快，工作可靠等优点。在微型计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。以下是几种典型的固态继电器原理电路图。88第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-47直流型SSR原理图89第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-48步进电动机控制原理图90第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化
50、系统设计图5-49交流过零型SSR原理图91第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-51用交流型SSR控制交流电动机原理图92第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计ttttttOUACOOOOO输入信号过零型负载电流过零型输出电压移相型负载电流移相型输出电压图5-52交流SSR输出波形图93第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.大功率场效应管开关接口在开关量输出控制中，除了前面介绍的固态继电器以外
51、，还可以用大功率场效应管开关量输出控制元件。由于场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在计算机开关量输出控制中也常作为开关元件使用。利用大功率场效应管可以实现步进电动机控制。其原理图如5-53所示。94第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-52大功率场效应管表示符号95第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计图5-53采用大功率场效应管的步进电动机控制电路原理图96第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业
52、控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.3可编程控制器可编程控制器 一一. PLC的组成及工作原理的组成及工作原理97第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计5.3可编程控制器可编程控制器 一一.PLC的组成及工作原理的组成及工作原理二二. 1硬件组成硬件组成三三. (1)CPU模块模块四四. (2)存储器存储器 五五. (3)I/O接口模块接口模块六六. 1)智能智能IO接口模块接口模块 七七. 2)外设通讯接口模块外设通讯接口模块 八八. 3)开关量开关量IO接口接口 98第第5 5章工业控制计算机及其接口
53、技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计一一.PLC的组成及工作原理的组成及工作原理2编程器编程器 编编程程器器是是供供用用户户开开发发、调调试试和和监监视视PLC工工作作的的必必备备工工具具。它它与与PLC上上的的专专用用接接口口相相连连，主主要要完完成成：向向PLC输输入入用用户户控控制制程程序序；在在线线监监视视PLC的的运运行行；控控制制PLC运运行行、暂暂停停和和复复位位；将将PLCRAM中中的的用用户户程程序序固固化化写写入入E2PROM或或转存到磁盘或存储盒上等功能。转存到磁盘或存储盒上等功能。 PLC编程器有便携式和编程器有便携式和CRT智能式两种。
54、智能式两种。 99第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计一一.PLC的组成及工作原理的组成及工作原理3PLC的工作过程的工作过程 100第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、二、PLC控制系统设计控制系统设计1PLC控制系统设计步骤控制系统设计步骤 1)首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺过程，画首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺过程，画出工艺流程。出工艺流程。 2)确定输人、输出的类型、点数，正确选择输入装置及确定输人、输出的类型、点数，正确选择输入装置及
55、输出装置的规格、型号。输出装置的规格、型号。 3)合理选择合理选择PLC类型及规模。类型及规模。 4)编制输入、输出接点的现场编号与编制输入、输出接点的现场编号与PLC内部地址编号内部地址编号的对照表。的对照表。 5)根据工艺流程、结合输入输出编号对照表，画出根据工艺流程、结合输入输出编号对照表，画出PLC控制的梯形图。控制的梯形图。101第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、二、PLC控制系统设计控制系统设计 6)按照梯形图编写用户控制程序。按照梯形图编写用户控制程序。 7)用编程器将用户控制程序送人用编程器将用户控制程序送
56、人PLC。 8)进行系统模拟调试，检查和修改程序的语法及控制逻进行系统模拟调试，检查和修改程序的语法及控制逻辑、控制参数。辑、控制参数。 9)进行进行PLC控制系统硬件的安装连线，设计控制系统硬件的安装连线，设计PLC外围电外围电路，将外围控制装置与路，将外围控制装置与PLC输入输出端连接起来。输入输出端连接起来。 10)对整个系统进行在线调试。对整个系统进行在线调试。 11)正式投入使用。正式投入使用。102第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、二、PLC控制系统设计控制系统设计2PLC的选用的选用 正确地选用正确地选用PL
57、C对于保证整个系统的技术经济性能指对于保证整个系统的技术经济性能指标起着重要的作用。标起着重要的作用。PLC的选用主要包括的选用主要包括PLC容量估算、容量估算、PLC功能选择和功能选择和IO模块选择。模块选择。(1)PLC的容量估算的容量估算 1)估算输入、输出点数估算输入、输出点数 2)估算存储量估算存储量 103第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计二、二、PLC控制系统设计控制系统设计 2PLC的选用的选用 (2)PLC的功能选择的功能选择 (3)选择选择IO模块模块 1)输入模块的选择输入模块的选择 2)输出模块的选择输
58、出模块的选择 3)智能智能IO接口的选择接口的选择 4)通信接口的选择通信接口的选择 104第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计三、三、PLC外电路设计的一般原则外电路设计的一般原则 1系统配套电器的选用原则系统配套电器的选用原则 2中间继电器的配置原则中间继电器的配置原则 3熔断器的使用原则熔断器的使用原则 4输入输出联锁触点的接入方法输入输出联锁触点的接入方法 5限位开关接入方法限位开关接入方法 6设备接地方法设备接地方法 105第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系
59、统设计四、四、PLC控制系统设计举例控制系统设计举例有有一一搬搬运运工工件件的的机机械械手手，其其操操作作是是将将工工件件从从左左工工作作台台搬到工作台。搬到工作台。 106第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计四、四、PLC控制系统设计举例控制系统设计举例有有一一搬搬运运工工件件的的机机械械手手，其其操操作作是是将将工工件件从从左左工工作作台台搬到工作台。搬到工作台。 107第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计四、四、PLC控制系统设计举例控制系统设计举例1初始化
60、程序初始化程序 2手动方式程序手动方式程序 3回原点方式程序回原点方式程序 4自动方式自动方式 108第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计四、四、PLC控制系统设计举例控制系统设计举例109第第5 5章工业控制计算机及其接口技术章工业控制计算机及其接口技术机电一体化系统设计机电一体化系统设计作业作业 1何谓I/O接口？计算机控制过程中为什么需要I/O接口？2试举例说明几种工业控制计算机的应用领域。3若12位A/D转换器的参考电压是2.5V，试求出其采样量化单位q。若输入信号为1V，问转换后的输出数据值是多少。4用 ADC0809测 量 某 环 境 温 度 ， 其 温 度 范 围 为3050，线性温度变送器输出05V，试求测量该温度环境的分辨率和精度。110
