物聯(lián)網(wǎng)控制期末復(fù)習(xí)2：第三章-物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的過(guò)程通道設(shè)計(jì)

第三章概述

過(guò)程通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象交換信息的橋梁，分為輸出通道與輸入通道。輸出通道與輸入通道通常又分為模擬和數(shù)字兩大類。

模擬量輸出通道

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量輸出通道將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（電壓或電流）作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

多D/A結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，可實(shí)現(xiàn)故障隔離，當(dāng)多個(gè)通道要求同時(shí)輸出指令時(shí)，這種方案較為有利。缺點(diǎn)：如輸出通道數(shù)多時(shí)，將使用較多D/A，成本提高，但隨大規(guī)模集成電路的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)逐漸得到克服。

共享D/A結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。

D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

作用：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓量或電流量的裝置，可以表示為

主要性能：精度

反映了實(shí)際輸出與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號(hào)接近的程度。

主要性能：分辨率

定義為當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)輸出模擬量的變化量。

模擬量輸入通道

模擬量輸入通道的任務(wù)就是將檢測(cè)得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)經(jīng)接口送入計(jì)算機(jī)。模擬量輸入通道通常有下述兩種結(jié)構(gòu)形式。

單通道的模擬量輸入

多路巡回模擬量輸入

為了能用一套檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般采用多線巡回檢測(cè)裝置，對(duì)各傳感器分時(shí)進(jìn)行采樣，故需要一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)，輪流將各傳感器輸出模擬信號(hào)切換到A/D轉(zhuǎn)換器。這種完成從多路到一路的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，稱為多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。

輸入信號(hào)的調(diào)整

直流電壓信號(hào)： 若被檢測(cè)的直流電壓信號(hào)的大小為A/D轉(zhuǎn)換器范圍內(nèi)的電壓，則最簡(jiǎn)單的可行方案是直接采用滿足精度要求的A/D轉(zhuǎn)換器。反之，就要設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路（如分壓、放大等），將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D所能接受的電壓形式，再直接使用A/D轉(zhuǎn)換器。值得注意的一點(diǎn)是:用于數(shù)據(jù)采集的放大器要求高輸入阻抗、高共模抑制比及低溫漂。只用一級(jí)放大器一般很難滿足多方面的指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中常將多個(gè)放大器組合起來(lái)使用。

多路轉(zhuǎn)換器

就是把多個(gè)信號(hào)來(lái)源共用一個(gè)模擬量通道輸入計(jì)算機(jī)。

對(duì)多路轉(zhuǎn)換器的要求是 轉(zhuǎn)換精度 和 傳輸速度。為此要求其開(kāi)路電阻應(yīng)盡量大（理想值為無(wú)窮大），接通時(shí)導(dǎo)通電阻盡量?。ɡ硐胫禐榱悖?，為減少導(dǎo)通對(duì)信號(hào)傳輸精度的影響，要求其后的負(fù)載阻抗足夠大。

A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間（稱為孔徑時(shí)間），同時(shí)為了保證模擬信號(hào)發(fā)生的變化引起的誤差，需要引入 采樣保持器。一種有效減少轉(zhuǎn)換誤差的方法就是在采樣開(kāi)關(guān)之后加入零階保持器。

常用的轉(zhuǎn)換方式有 逐次逼近式 和 雙斜積分式 兩種。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，多用于高速數(shù)據(jù)采集。它的缺點(diǎn)是抗干擾的能力較差。

A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)

精度。這是指對(duì)應(yīng)一個(gè)給定數(shù)字量的實(shí)際模擬量輸入與理論模擬量輸入接近的程度，通常亦用絕對(duì)精度和相對(duì)精度表示。實(shí)際上對(duì)應(yīng)于同一個(gè)數(shù)字量，其模擬輸入是一個(gè)范圍，因此，對(duì)應(yīng)一個(gè)已知數(shù)字量的輸入模擬量，定義為模擬量輸入范圍的中間值。

分辨率。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸出數(shù)字量對(duì)輸入模擬量變化的分辨能力.利用它可以決定使輸出數(shù)碼增加（或減少）1位所需要的輸入信號(hào)最小變化量。國(guó)內(nèi)外A/D芯片多為8位、10位、14位、16位，若再提高位數(shù)，不但價(jià)格貴，而且難以實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)換時(shí)間。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)處于就緒狀態(tài)，從A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)加入時(shí)起。到獲得數(shù)字輸出信號(hào)（與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)之值）為止，所需的時(shí)間稱為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。該時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。A/D的轉(zhuǎn)換速率與A/D的位數(shù)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，A/D的位數(shù)越多，則相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越慢。

CPU和A/D轉(zhuǎn)換電路之間的I/O控制方式

1、查詢方式： 查詢方式的傳送是由CPU執(zhí)行I/O指令啟動(dòng)并完成的，每次傳送數(shù)據(jù)之前，要先輸入A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)查詢符合條件后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的I/O。

2、中斷方式：當(dāng)要求一旦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成就及時(shí)輸入數(shù)據(jù)，或CPU同時(shí)要處理很多工作的情況下，應(yīng)采用中斷方式。

3、DMA方式：在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不僅要選用高速A/D轉(zhuǎn)換電路，而且傳送轉(zhuǎn)換結(jié)果也要求非常及時(shí)迅速，為此可以考慮選用DMA方式。

數(shù)字量輸入輸出通道

數(shù)字輸入輸出通道又稱為開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道，數(shù)字輸入通道的功能是將那些來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的斷續(xù)變化的兩態(tài)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚D(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字輸出通道的任務(wù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)去控制接點(diǎn)的通、斷或數(shù)字式執(zhí)行器的啟、停等。數(shù)字量輸入輸出通道主要由I/O緩沖和I/O電氣兩部分構(gòu)成。

開(kāi)關(guān)量輸出通道的一個(gè)重要的組成為功率驅(qū)動(dòng)。開(kāi)關(guān)量輸出的驅(qū)動(dòng)電路很多，常用的有：大/小功率晶體管、晶閘管、達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)繼電器等。其中的固態(tài)繼電器由于無(wú)觸點(diǎn)，比電磁繼電器可靠性高、壽命長(zhǎng)、速度快，對(duì)外界干擾小，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

IoT 硬件開(kāi)發(fā)

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