计算机控制第七章1

计算机控制系统Computer Control System

哈尔滨工业大学(威海) 控制科学与工程系

第七章 计算机控制系统的实现技术§7.1 硬件组成与输入输出接口 §7.2 计算机控制系统的软件设计 §7.3 量化效应分析 §7.4 采样频率的选取 §7.5 抗干扰与可靠性技术

第七章 计算机控制系统的实现技术§7.1 硬件组成与输入输出接口 §7.2 计算机控制系统的软件设计 §7.3 量化效应分析 §7.4 采样频率的选取 §7.5 抗干扰与可靠性技术

§7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成

§7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成对控制用计算机系统的硬件要求 1. 对计算机主机的要求– 实时处理能力 – 比较完善的中断系统 – 对指令系统的要求 – 对内存的要求

2. 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 – 有足够的精度和分辨率 – 应有足够的变换速度

§7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成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实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出 功能强等

4. 方便的人机联系显示屏 、各种功能键 、输入数据功能键等

5. 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——平均无故障间隔时间。

§7.1 硬件组成与输入输出接口一、计算机控制系统的基本组成对控制用计算机的选择 1. 运算速度2. 计算机字长– 量化误差 – 应与A/D的字长相协调 X max lg( N 1) n N – 信号的动态范围 lg 2 X min – 与采样周期T的关系 – 若T减小，但又希望量化误差保持不变，则所需的 计算机的字长就要相应增加

– 影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统、 硬件支持

§7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道1. D/A的主要指标① 精度——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。

② 分辨率——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 位数来表示。 ③ 转换时间——最小有效位常以LSB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 输出模拟信号达到满刻度值LSB时所需要的时间。

§7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道2. D/A的选择原则① 在性能上必须满足D/A转换的技术要求 ② 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 ③ 对于D/A转换器字长n的选择，可以由其后的执行机构 的动态范围来选定

umax uR n 2 1执行机构 最大输入 执行

机构的 死区电压

umax n lg 1 / lg 2 uR

§7.1 硬件组成与输入输出接口二、计算机控制系统的模拟输出通道3. 多路D/A输出时的实现方式

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道1. A/D的主要指标(1) 精度——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。

(2) 分辨率——指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能 力。即设A/D转换器的位数为n,则A/D转换器的分辨率 为 D 1 /(2 n 1) D 1/ 2n (3) 转换时间——从A/D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。(4) 量程 ——指测量的模拟量的变化范围。 单极性(如0-10V)和双极性(例如-5V-+5V)

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道2. A/D的选择(1) A/D输出的方式、对启动信号的要求、A/D的转换精 度和转换时间、稳定性及抗干扰能力等

(2) A/D转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传 感器的精度高一个数量级；A/D转换器的转换速率还与 系统的频带有关 (3) 根据输入模拟信号的动态范围可选择A/D转换器位 模入信号 数n模入信号 的最大值

umax umin n 2 1

的最小值

umax n lg 1 / lg 2 umin

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式(1) 查询方式 由CPU执行I/O指令启动并完成。每次传送数据之前， 要先输入A/D转换器状态，经过查询符合条件后才可以进 行数据的I/O。 应用灵活，但在读写数据端口指令之前需要重复执 行多次查询状态的指令，当外设速度比较慢时，会造成 CPU效率的大大降低。

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式(2) 中断方式 可以省掉重复繁琐的查询，并可及时响应外设的要

求。在这种方式下，CPU和外设基本上实现了并行工作 由于增加了中断管理功能，所以对应的接口电路和 程序要比查询方式复杂。

§7.1 硬件组成与输入输出接口三、计算机控制系统的模拟输入通道3. CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式(3) DMA方式

在高速数据采集系统中，不仅要选用高速A/D转换电路， 而且传送转换结果也要求非常及时迅速，可以考虑选用 DMA方式