工业控制计算机及其接口.ppt

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1、第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 1 第 5章 工业控制计算机及其接口 5.1 工业控制计算机 5.2 计算机控制接口技术 5.3 可编程控制器 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 2 5.1 工业控制计算机 一 工业控制计算机系统的组成 它由计算机基本系统 、 人 -机对话系统 、 系统支持 模块 、 过程输入输出子系统组成 。 工业控制计算机系统的软件包括适应工业控制的 实时系统软件 、 通用软件和工业控制软件等 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 3 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 4 5.1 二

2、. 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 2.具有实时控制功能 3.具有可靠性 4.具有较强的环境适应性和抗干扰能力 5.具有丰富的软件 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 5 三 . 工业控制计算机的分类及其应用特点 1. 可编程序控制器 可编程控制器 (PC， Programmable Controller)是一种 以微处理器为基础的通用型自动控制装置 ， 专为在工 业环境下应用而设计 。 由于最初研制这种装置的目的 ， 是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制 ， 故也把它 称为可编程逻辑控制器 （ PLC， Programmable Logic

3、Controller） 。 PLC采用可编程序的存储器 ， 在其内部 存储执行逻辑运算 、 顺序控制 、 计数和算术运算等操 作指令 ， 并通过数字式 、 模拟式的输入和输出 ， 控制 各种类型的机械或生产过程 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 6 三 . 工业控制计算机的分类及其应用特点 1. 可编程序控制器 图 5-11是 PLC应用于逻辑控制的简单事例 。 输入信号 是由按钮开关 、 限位开关 、 继电器触点等提供的各种 开关信号 ， 通过接口进入 PLC， 经 PLC处理后产生控 制信号 ， 通过输出接口送给线圈 、 继电器 、 指示灯 、 电动机等输出装置

4、。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 7 图 5-11 PLC的逻辑控制电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 8 主要特点： 1. 程序可变，柔性好。 2. 可靠性强，适于工业环境。 3. 编程简单，使用方便。 4. 功能完善。 5. 体积小，重量轻，易于装入机器内部。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 9 2. 总线型工业控制计算机 主要特点： 1）提高设计效率，缩短设计和制造周期。 2）提高系统可靠性。 3）便于调试和维修 。 4 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 10 2. 总线型工业控制计算机 1

5、） STD总线工业控制机 典型的 STD总线工控机系统的构成如图 5-13所示 ， 其突出 特点是：模块化设计 ， 系统组成 、 修改和扩展方便；各模块 间相对独立 ， 使检测 、 调试 、 故障查找简便迅速；有多种功 能模板可供选用 ， 大大减少了硬件设计工作量；系统中可运 行多种操作系统及系统开发的支持软件 ， 使控制软件开发的 难度大幅降低 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 11 图 5-13 用 STD总线工业控制机组成的计算机控制系统 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 12 2） PC总线工业控制机 IBM公司的 PC总线微机最初是为个

6、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 13 近几年来许多公司推出了 PC/AT总线工业控制机 ， （ 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 加系统抵抗粉尘的能力 。 （ 4） 采用电子软盘取代

7、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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 14 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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 15 MCS-51 该系列包括有 8031、 8051、 8751、 2051、 89C51等多种 机型 。 第 5章工业控制计算机

8、及其接口技术 机电一体化系统设计 16 （ 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电

9、一体化系统设计 17 表 5-1 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 18 5.2 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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 19 （ 1）解决主机 CPU和外围设备之间的时序配合和 （ 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 20 一 . 模拟量输入通道可完

10、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 21 图 5-32 模拟量输入通道的组成方框图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 22 1.输入 / 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

11、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 23 图 5-35 输入与输出通道的组成 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 24 2. 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

12、 。 (2） 多个通道共用一个 A/D转换器的形式 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 25 3. A/D 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； 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

13、程 的 1/28 1/256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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 26 2） . 量程是指所能转换的电压范围 ,如 5V、 10V等 。 3） . 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准 确度 ， 有绝对精度和相对精度两种表示法 。 4） . 转换时间是指从启动 A/D到转换结束所需的时间 。 5） . 较好的 A/D转换器的工作温度为 -4085 ， 较差的 为 070 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 27 4. 8位 A/D转换器 ADC0809 1） .电路组

14、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 28 图 5-50 ADC0808/0809的原理框图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 29 2） . ADC0808/0809 ADC0808/0809的管脚排列如图 5-51所示，其主要管脚 的功能如下： IN0 IN78

15、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 30 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

16、 。 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 31 D7 D0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（ +）

17、 =+5V， REF（ -） =-5V。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 32 图 5-51 ADC0808/0809管脚排列图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 33 5. 12位 A/D转换器 AD574 AD574是一个完整的 12位逐次逼近式带三态缓冲 器的 A/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 15 35s。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 34 1).AD574 AD574的原理框图如图 5-52所示。 AD574由模拟芯 片和数字芯

18、片两部分组成。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 35 图 5-52 AD574原理框图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 36 2) AD574 AD574各个型号都采用 28引脚双列直插式封装 ， 引脚图如图 5-53所示 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 37 图 5-53 AD574引脚图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 38 AD574 DB0 DB1112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

19、（ +13.5 +16.5V） 。 UEE负电源 -15V（ -13.5 -16.5V） 。 AGND、 DGND模拟和数字地 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 39 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 。 CE 1， CS 0， R/C 0时 ， 转换开始 ， 启动负脉 冲为 400ns。 CE 1， CS 0， R/C 1时 ， 允许读数据 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 40 CE 1、 CS 0、 R/C 0、 A0 0时 ， 启动 12位转换

20、 CE 1、 CS 0、 R/C 0、 A0 1时 ， 启动 8位转换 CE 1、 CS 0、 R/C 1、 A0 0时 ， 读取转换后的高 8位数 CE 1、 CS 0、 R/C 1、 A0 1时 ， 读取转换后的低 4位数 据 （ 低 4位 +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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 41 STS转换状态信号 。 转换开始 STS 1,转换结束 STS 0。 10VI

21、N模拟信号输入 。 单极性 0 10V， 双极性 5V。 20VIN模拟信号输入 。 单极性 0 20V， 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 极性输入电路分别如图 5-54、 图 5-55所示 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 42 表 5-3 AD574真值表 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 43 图 5-54 AD574单极性输入电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 44 图 5-55 A

22、D574双极性输入电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 45 6. A/D转换器与系统的连接及举例 1） . 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 IN0 IN7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

23、性电压 ， 输入模拟电压的极性不同 ,其输入电路也 不同 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 46 2） . A/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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 47 3） . 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 。

24、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） 程序查询方式 。 （ 2） 中断方式 。 （ 3） 固定的延迟程序方式 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 48 图 5-56 ADC0808/0809与 8086CPU的连接原理图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 49 图 5-57 AD574与 8031的接口电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 50 二 模拟量输出接口 1. D/A D/A转换器是把输入的数字量转换为与

25、输入量成比例 的模拟信号的器件 。 D/A转换通道的结构形式 （ 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 51 2. D A （ 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 , （ 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

26、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 最低位具有的权值就是它的分辨率 。 N2 满刻度值分辨率 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 52 （ 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 5 10V。 也有一些高压输出型 ， 输出电 平为 24 30V。 还有一些电流输出型 ， 低的为 20m

27、A， 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 53 （ 5） 温度范围 。 较好的 D/A转换器的工作温度范 围为 -40 85 ， 较差的为 0 70 。 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 DAC0832 DAC0832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

28、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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 54 图 5-41 DAC0832内部结构图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 55 图 5-42 DAC0832引脚图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 56 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

29、， 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 57 5-42 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

30、， 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 58 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。 DI7 DI08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

31、的 差 ， 即 IOUT1 +IOUT2=常数 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 59 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 60 UCC芯片供电电压 ， 范围为 +5+15V， 最佳工作状 态是 +15V。

32、 AGND模拟量地 ， 即模拟电路接地端 。 DGND数字量地 。 DAC0832 （ 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 DI7 DI0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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 61 （ 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

33、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有效 ， 启动 D/A转换 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 62 （ 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 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

34、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端口 ， 把输入寄存器内容写入 DAC寄存器 ， 实现 D/A转换 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 63 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 。

35、 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 64 图 5-43 DAC0832与有 8位数据总线的微机的连接图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 65 （ 1）

36、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 ， （ 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的输出电路要作相应的变化 。 图 5-46就是 DAC082双极性输出电路实例 。 1 1 2 R RiRU O U T 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 66 图 5

37、-45 (a)反相输出； (b)同相输出 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 67 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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 68 图 5-46 双极性输出电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 69 三 . 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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体

38、化系统设计 70 图 5-37 (a）电平转换及滤波器； (b (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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 71 图 5-37 (a）电平转换及滤波器； (b (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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 72 四 . 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 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体

39、化系统设计 73 图 5-38 一种使用步进电动机串行 D/A转换电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 74 图 5-39 (a） TTL电平输出（ PC900为高速光电隔离电路）； 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 75 图 5-39 (b）晶体管开关输出； 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 76 图 5-39 (c）继电器输出 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 77 五 . 开关型功率接口 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

40、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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 78 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R

41、9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : ( a ) ( b) ( c ) ( d) ( e ) 图 5-40 几种光电耦合器示意图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 79 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S

42、I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : U cc U c u 0 R 2 R 1 1 74 L S 0 4 控制信号 1 控制信号 U cc u 0光 隔 R 2 R 1 干扰 干扰 图 5-42 不正确的隔离 图 5-41 正确的隔离 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 80 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

43、。 （ 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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 81 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E

44、S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : 1 控制信号 R 1 + 5V R L 22 0V A C R 2 2C T 52 图 5-42 控制计算机与单向晶闸管接口电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 82 （ 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

45、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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 83 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd

46、 bD r a w n B y : ( a ) + 5v + 5v ( b) 22 0V A C 22 0V A C VT VT 6 4 4 6 33 0 2k R 1 R 2 Z fz C 0.2 F 1 M O C 3 02 1 1 2 15 0 43 74 07 15 0 33 0 R fz R 1 M O C 3 02 1 1 221 74 07 控制信号 控制信号 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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 84 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i

47、t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : C 22 0V A C 负载 VT 6 4 C 1 R 1 R 2 R 3 1k R 51 0.1 F 1 0 2 3 C O M 图 5-44 双向晶闸管保护电路 第 5章工业控制计算机

48、及其接口技术 机电一体化系统设计 85 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 26 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : C 22 0V A C 负载 VT 6 R 1 R 2 R 3 33

49、0 R 39 0.1 F 1 6 0 3 C O M 控制信号 2 74 07 U cc 18 0 图 5-45 MOC3061双向晶闸管触发电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 86 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

50、时间等。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 87 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : + 5v U 4 1 1 VD V R

51、 5 U K C CC 22 0 V 继电器 K 1- 1 90 13 2 T I L 1 17 1 74 06 控制信号 1k 1k 图 5-46 继电器接口电路 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 88 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

52、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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 89 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P

53、L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : 4 3 1 1 VD R LR R 2直流电源 S 整形 放大 电路 2 直流电源 + 负载 图 5-47 直流型 SSR原理图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 90 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S

54、 I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : D C - S S R 3 4 1 2 VD R 1 控制信号 D C - S S R 3 4 1 2 VD R 1 控制信号 D C - S S R 3 4 1 2 VD R 1 控制信号 + 5V + 27 V A B C 3 2 1 图 5-48 步进电动机控制原理图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 91 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um

55、 be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : 4 3 1 1 R L R R R C2 S 过 零 电 2 交流电源 负载 + _ 路 图 5-49 交流过零型 SSR原理图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 92 1 2 3 4

56、5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : 3 A C - S S R 4 1 2 P R C P R M 3 A C - S S R 4 1 2 P R C P R M

57、 11 控制信号 74 04 U cc R R 1 2 C A B 22 0 V 图 5-51 用交流型 SSR控制交流电动机原理图 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 93 t t t t t t O UAC O O O O O 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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 94 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， 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

58、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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 95 图 5-52 大功率场效应管表示符号 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 -J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E

59、 S D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : G D S 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 96 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A T i t l e N um be r R e vi s i onS i z e B D a t e : 27 - J a n- 20 1 0 S h e e t of F i l e : D : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X

60、 P L O R E R 9 9 S E E X A M P L E S M yD e s i gn .dd bD r a w n B y : R A 6A 6 VD R p C p R A 6A 6 VD R p C p R A 6A 6 VD R p C p I R F 6 40 R 1 U cc U c I R F 6 40 I R F 6 40 R 2 R 3 74 06 控制信号 74 06 控制信号 74 06 控制信号 4N 2 5 4N 2 5 4N 2 5 + 27 V 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 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化

61、系统设计 97 5.3可编程控制器 一 . PLC的组成及工作原理 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 98 5.3可编程控制器 一. PLC的组成及工作原理 1 硬件组成 (1)CPU模块 (2)存储器 (3)I/O接口模块 1)智能 I O接口模块 2)外设通讯接口模块 3)开关量 I O接口 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 99 一. PLC的组成及工作原理 2编程器 编程器是供用户开发 、 调试和监视 PLC工作的必备工 具 。 它与 PLC上的专用接口相连 ， 主要完成：向 PLC输入 用户控制程序；在线监视 PLC的运行；控制 PLC运行

62、 、 暂 停和复位；将 PLCRAM中的用户程序固化写入 E2PROM或 转存到磁盘或存储盒上等功能 。 PLC编程器有便携式和 CRT智能式两种 。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 100 一. PLC的组成及工作原理 3 PLC的工作过程 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 101 二 、 PLC控制系统设计 1 PLC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 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 输出装置的规格、型号。 3)合理选择 PLC类型及规模。 4)编制输入、输出接点的现场编号与

63、PLC内部地址编号 的对照表。 5)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。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 102 二 、 PLC控制系统设计 6)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 PLC。 8)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。 9)进行 PLC控制系统硬件的安装连线，设计 PLC外围电 路，将外围控制装置与 PLC输入输出端连接起来。 10)对整个系统进行在线调试。 11)正式投入使用。 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 103 二、 PLC控制系统设计 2 PLC的选用 正确地选用 PLC对于保证整个系统的技术经济性能指 标起着重要的作用。 PLC的选用主要包括 PLC容量估算、 PLC功能选择和 I O模块选择。 (1)PLC的容量估算 1)估算输入、输出点数 2)估算存储量 第 5章工业控制计算机及其接口技术 机电一体化系统设计 104 二