计算机控制系统(清华大学出版社)课件系统组建实现

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1、7.1 硬件组成及输入输出接口硬件组成及输入输出接口7.2 系统测试信号的处理系统测试信号的处理7.3 计算机控制系统的实时软件设计计算机控制系统的实时软件设计7.4 控制算法的编排实现控制算法的编排实现7.5 量化效应分析量化效应分析7.6 采样频率的选取采样频率的选取7.7 计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术12图图7-1 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的基本组成7.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求对控制用计算机系统的硬件要求1. 对计算机主机的要求对计算机主机的要求 实时处理能力实时处理能力 比较完善的中断系统比较完善的中断系统 对指令系统的

2、要求对指令系统的要求 对内存的要求对内存的要求 2. 对过程输入输出通道的要求对过程输入输出通道的要求 有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的精度和分辨率有足够的精度和分辨率 应有足够的变换速度应有足够的变换速度 37.1.1 对控制用计算机系统的硬件要求对控制用计算机系统的硬件要求3. 对应用软件系统的要求对应用软件系统的要求 实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等输入输出功能强等4. 方便的人方便的人机联系机联系 显示屏显示屏 、各种功能键、各种功能键 、输入数据功能键等、输入数据功能键

3、等5. 系统的可靠性和可维护性系统的可靠性和可维护性可靠性指系统无故障运行能力，指标可靠性指系统无故障运行能力，指标平平均无故障间隔时间。均无故障间隔时间。 47.1.2 对控制用计算机的选择对控制用计算机的选择1. 运算速度运算速度影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、硬件支持硬件支持2. 计算机字长计算机字长影响因素：影响因素：量化误差量化误差应与应与A/D的字长相协调的字长相协调 信号的动态范围信号的动态范围 与采样周期与采样周期T的关系的关系若若T减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的计算机减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的

4、计算机的字长就要相应增加。的字长就要相应增加。57.1.3 计算机控制系统的模拟输出通道计算机控制系统的模拟输出通道1.D/A 转换器工作原理转换器工作原理数字量转换为模拟量或电流量的装置。数字量转换为模拟量或电流量的装置。2. D/A转换器的主要性能转换器的主要性能常用的主要指标：常用的主要指标： 精度精度精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。的程度。 分辨率分辨率分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的位数来表时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字

5、量的位数来表示。示。 转换时间转换时间最小有效位常以最小有效位常以LSB表示，故转换时间定义为表示，故转换时间定义为D/A转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟转换器中的输入代码有满刻度值的变化时，其输出模拟信号达到满刻度值信号达到满刻度值 LSB时所需要的时间。时所需要的时间。 输出电平输出电平电压型：电压型：5 10V，24 30V；电流输出型：；电流输出型：20mA，3A等。等。 输入代码形式输入代码形式D/A转换器单极性输出时，有二进制码、转换器单极性输出时，有二进制码、BCD码。当双极性输出时，有符号码。当双极性输出时，有符号+数值码，偏移二进制码数值码，偏移二进制码等。等

6、。6123. D/A转换器选择的原则转换器选择的原则 集成集成D/A转换器的输入方式：转换器的输入方式：不带缓冲寄存器（如不带缓冲寄存器（如8位的位的DAC0808）带缓冲寄存器（如带缓冲寄存器（如8位的位的DAC0832、12位的位的DAC1208等）。等）。选择选择D/A转换芯片转换芯片主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足必须满足D/A转换的技术要求，在结构和应用上满转换的技术要求，在结构和应用上满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。对于对于D/A转换器字长转换器字长n的选择，可以由

7、其后的的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定：执行机构的动态范围来选定：7max21Rnuu执行机构的执行机构的死区电压死区电压 执行机构执行机构最大输入最大输入 4. 多路多路D/A输出时的实现方式输出时的实现方式8图图7-2 模拟量输出通道的两种实现结构图模拟量输出通道的两种实现结构图5. D/A的二进制码制与极性的二进制码制与极性(1)单极性二进制编码单极性二进制编码9(2)双极性二进制编码双极性二进制编码 有符号的二进制可以用有符号的二进制可以用原码原码、补码补码、反码反码和和偏移二进制偏移二进制码码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需来表示。为了把双极性的信号表示成数

8、字代码，就需要增加一位要增加一位“符号位符号位”。增加一个符号位可以使量程增。增加一个符号位可以使量程增加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制数的关系如表数的关系如表7-1所示。所示。 注意：注意： 计算机内信号的编码可能与计算机内信号的编码可能与D/A输入信号的编码不完输入信号的编码不完全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为D/A转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需要将计算得到的码制进行相应的转换后，方可作为要将计算得到的码制进行相应

9、的转换后，方可作为D/A的输入信号。的输入信号。12(1,2, )niiiNain7.1.4 计算机控制系统的模拟输入通道计算机控制系统的模拟输入通道1.采样保持器采样保持器孔径时间孔径时间实际的采样过程需要的时间。实际的采样过程需要的时间。为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，然后将采得的模拟电压保持，供然后将采得的模拟电压保持，供A/D

10、转换电路进行转换。转换电路进行转换。10图图7-4 模拟量输入通道一般结构图模拟量输入通道一般结构图图图7-5 采样保持器原理图采样保持器原理图2. A/D 转换器转换器工作原理工作原理 工作原理工作原理:将将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。信号的装置。11图图7-7 双斜积分式双斜积分式A/D转换器转换器 图图7-6 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 3. A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标(1) 精度精度指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。与理论模拟

11、量输入接近的程度。(2) 分辨率分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。即设力。即设A/D转换器的位数为转换器的位数为n，则，则A/D转换器的分辨转换器的分辨率为率为(3) 转换时间转换时间从从A/D转换的启动信号加入时起，到获转换的启动信号加入时起，到获得数字输出信号为止，所需的时间。得数字输出信号为止，所需的时间。(4) 量程量程 指测量的模拟量的变化范围。指测量的模拟量的变化范围。一般有单极性（如一般有单极性（如0 10V、0 20V）和）和双极性（例如双极性（例如-5V +5V、-10V +10V）两种。）两种。12nD2/1) 12/(1nD