計算機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄一、計算機控制系統(tǒng)概述- 1 -1.1計算機控制系統(tǒng)定義- 1 -1.2計算機控制系統(tǒng)組成- 1 -二、模擬量輸入通道- 2 -2.1模擬量輸入通道作用- 2 -2.2模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成- 2 -2.3各部分組成的作用- 3 -信號變換器- 3 -前置濾波器- 3 -多路模擬開關(guān)- 3 -前置放大器- 4 -采樣保持器- 5 -2.3.6 AD轉(zhuǎn)換電路- 6 -三、模擬量輸出通道- 7 -3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)- 7 -3.2 D/A轉(zhuǎn)換器- 7 -3.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點- 7 -3.2.2 DAC0832的工作原理- 8 -四、實際仿真電路- 9 -一、

2、計算機控制系統(tǒng)概述1.1計算機控制系統(tǒng)定義計算機控制系統(tǒng)(Computer Control System，簡稱CCS)是應(yīng)用計算機參與控制并借助一些輔助部件與被控對象相聯(lián)系，以獲得一定控制目的而構(gòu)成的系統(tǒng)。這里的計算機通常指數(shù)字計算機，可以有各種規(guī)模，如從微型到大型的通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執(zhí)行裝置等。與被控對象的聯(lián)系和部件間的聯(lián)系，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數(shù)字信號進行聯(lián)系；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯(lián)系。被控對象的范圍很廣，包括各行各業(yè)的生產(chǎn)過程、機械裝置、交通工具、機器人、實驗裝置、儀器儀表、家庭生活設(shè)施、家用電器

3、和兒童玩具等。控制目的可以是使被控對象的狀態(tài)或運動過程達到某種要求，也可以是達到某種最優(yōu)化目標。與一般控制系統(tǒng)相同，計算機控制系統(tǒng)可以是閉環(huán)的，這時計算機要不斷采集被控對象的各種狀態(tài)信息，按照一定的控制策略處理后，輸出控制信息直接影響被控對象。它也可以是開環(huán)的，這有兩種方式：一種是計算機只按時間順序或某種給定的規(guī)則影響被控對象；另一種是計算機將來自被控對象的信息處理后，只向操作人員提供操作指導(dǎo)信息，然后由人工去影響被控對象。1.2計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分和軟件部分，這不同于模擬控制器構(gòu)成的系統(tǒng)只由硬件組成。計算機控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件和

4、應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語言處理程序和服務(wù)性程序等，它們通常由計算機制造廠為用戶配套，有一定的通用性。應(yīng)用軟件是為實現(xiàn)特定控制目的而編制的專用程序，如數(shù)據(jù)采集程序、控制決策程序、輸出處理程序和報警處理程序等。它們涉及被控對象的自身特征和控制策略等，由實施控制系統(tǒng)的專業(yè)人員自行編制。 計算機控制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲容量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。計算機技術(shù)的發(fā)展已使整個人類社會發(fā)生了可觀的變化，自然也應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中。而且，計算機所具有的信息處理能力，能夠進一步把過程控制和生產(chǎn)管理有機的結(jié)合起來（如CIMS）

5、，從而實現(xiàn)工廠、企業(yè)的全面自動化管理。二、模擬量輸入通道2.1模擬量輸入通道作用模擬量輸入通道的任務(wù)：實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 組成核心：A/D轉(zhuǎn)換器2.2模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成模擬量輸入通道一般由I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持 器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯等組成。 過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電流(或電壓) 形式后，再送至多路開關(guān)；在微機的控制下，由多路開關(guān)將各 個過程參數(shù)依次地切換到后級，進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)過 程參數(shù)的巡回檢測模擬量輸入通道的任務(wù)是把從系統(tǒng)中檢測到的模擬 信號，變成二進制數(shù)字信號，經(jīng)接口送往計算機。 傳感器：它是一種檢測裝置，能感受到被測量的信 息

6、，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為 電信號或其他所需形式的輸出。是將生產(chǎn)過程工藝參 數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，大多數(shù)傳感器的輸出是直流 電壓(或電流)信號。為了避免低電平模擬信號傳輸帶來的麻煩，經(jīng)常要 將測量元件的輸出信號經(jīng)變送器變送，如溫度變送器、 壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的 電信號變成 0 10mA。然后經(jīng)過 模擬量輸入通道來處理。2.3各部分組成的作用2.3.1信號變換器把各種非電模擬信號變換為A/D轉(zhuǎn)換器能夠接受的電信號，如電流信號、電壓信號等，還可以根據(jù)需要對這些輸出信號值的變化范圍進行規(guī)范化，以便A/D轉(zhuǎn)換器處理。例如，電流信號幅度的標準變化范圍可以是01

7、0mA、420mA等；電壓信號幅度的標準變化范圍可以是040mA、05V、-55V、-1010V等。前置濾波器考慮到通道輸入信號本身可能含有噪聲，或者在傳輸過程中受到了干擾的影響，可在模擬量輸入通道采樣及A/D轉(zhuǎn)換前加前置硬件濾波電路，以濾除輸入模擬信號中可能混有的高頻干擾。由圖2-1可以看出，信號變換器及前置濾波器兩個環(huán)節(jié)，可以根據(jù)每一路模擬信號的實際情況靈活設(shè)置。2.3.3多路模擬開關(guān)構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)，是計算機控制系統(tǒng)較之于模擬控制系統(tǒng)的獨特優(yōu)點。在計算機控制系統(tǒng)中，往往是十幾路或幾十路模擬信號共用一只A/D轉(zhuǎn)換器，可以降低通道及系統(tǒng)的成本，提高A/D轉(zhuǎn)換器的利用率，這種情況下，必須利用

8、多路模擬開關(guān)輪流切換各路被測控的模擬信號。本設(shè)計采用的多路模擬開關(guān)CD4051，是一種集成電路芯片，其結(jié)構(gòu)及邏輯框圖如圖2-2所示。CD4051是具有16個引腳的集成電路芯片，如圖2-2所示，S7S0是8路模擬信號的輸入引腳，Sm是1路模擬信號的輸出引腳，/EN是芯片選擇信號輸入引腳，只有向其輸入低電平時，整個芯片才能工作，C、B、A接收3路地址信號，用以選擇8路模擬信號中的1路，芯片有2個電源引腳VDD和VEE，分別接+15V和-15V電源，還有一個接地引腳GND。需要特別注意的是，CD4051是允許雙向使用的，即既可用于選擇8路模擬信號中的1路輸入，也可以為1路模擬信號，從8個輸出通路中選

9、擇1路輸出，一次，它也可以應(yīng)用在模擬量輸出通道中。2.3.4前置放大器用于計算機控制系統(tǒng)中的放大器，與一般測量系統(tǒng)中的放大器相比，在高增益、高穩(wěn)定性極強共模抑制比等方面的性能要求，沒有什么差別，所不同是的是，由于一般情況下，前置放大器可能會多路輸入共用，所以希望放大器的增益，可由計算機通過編程設(shè)置或改變，以適應(yīng)各路信號變化范圍的要求，如圖2-3所示.2.3.5采樣保持器模擬量輸入通道的核心功能，就是對輸入的模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換。在輸入模擬量值確定的情況下，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量也是確定的，但當A/D轉(zhuǎn)換器接收的模擬量隨時間變化，稱為模擬輸入信號，且變化很快時，則在A/D轉(zhuǎn)換的過程中，被轉(zhuǎn)換的

10、信號量值就是不確定的，這種不確定性，會引起一定的孔徑誤差，為了減小孔徑誤差的影響，可在A/D轉(zhuǎn)換之前，利用采樣保持電路構(gòu)成采樣保持器對輸入模擬信號進行采樣、保持操作。 采樣保持器通常由保持電容、采樣開關(guān)及輸入、輸出緩沖放大器組成，保持電容上Ch上的電壓，即為采樣保持器的輸出電壓，輸入、輸出緩沖放大器的共同特點是，輸入電阻很大而輸出電阻很小。例如，LF398是常用的單片采樣保持器集成電路芯片，其原理如圖2-4所示。2.3.6 AD轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計采用8位AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，

11、可以和單片機直接接口。圖2.6 AD0809原理圖由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。三、模擬量輸出通道3.1模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)3.2 D/A轉(zhuǎn)換器3.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的結(jié)構(gòu)特點DAC0832是一種8位的D/A轉(zhuǎn)換器芯片，有兩路差動電流信號輸出，其數(shù)字量輸入端具有雙重緩沖功能，可由用戶按雙緩沖、單緩沖及直通方式進行線路連接，實

12、現(xiàn)數(shù)字量的輸入控制，特別是用于要求幾個模擬量同時輸出的場合，與微處理器的接口非常方便。DAC0832的規(guī)格與參數(shù)如下：分辨率為8位；轉(zhuǎn)換時間約1us；輸入電平符合TTL電平標準；功耗為20mW。圖 8.2.1是集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖8.2.2是其引腳圖。其內(nèi)部包括一個8位輸入寄存器、一個8位DAC寄存器、一個8位D/A變換器和有關(guān)控制邏輯電路組成。其中的8位D/A變換器是如圖8.1.1所示的R-2R T形電阻網(wǎng)絡(luò)式的。這種D/A變換器在改變基準電壓VREF的極性后輸出極性也改變。所有輸入均與TTL電平兼容。3.2.2 DAC0832的工作原理四、實際仿真電路根據(jù)題目要求設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)電路圖（proteus仿真）如下：五、學(xué)習心得本設(shè)計由于網(wǎng)上沒有相應(yīng)的設(shè)計