物联网控制期末复习2：第三章-物联网控制系统的过程通道设计

第三章概述

过程通道是计算机与被控对象交换信息的桥梁，分为输出通道与输入通道。输出通道与输入通道通常又分为模拟和数字两大类。

模拟量输出通道

计算机控制系统的模拟量输出通道将计算机产生的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，以实现对被控对象的控制。

多D/A结构优点：转换速度快，工作可靠，可实现故障隔离，当多个通道要求同时输出指令时，这种方案较为有利。缺点：如输出通道数多时，将使用较多D/A，成本提高，但随大规模集成电路的发展，这个缺点逐渐得到克服。

共享D/A结构：结构复杂，可靠性差，设计也比较复杂。

D/A转换器工作原理

作用：将数字量转换为电压量或电流量的装置，可以表示为

主要性能：精度

反映了实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。

主要性能：分辨率

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。

模拟量输入通道

模拟量输入通道的任务就是将检测得到的模拟信号转换为二进制数字信号经接口送入计算机。模拟量输入通道通常有下述两种结构形式。

单通道的模拟量输入

多路巡回模拟量输入

为了能用一套检测装置来实现多点检测，计算机系统中一般采用多线巡回检测装置，对各传感器分时进行采样，故需要一个多路模拟开关，轮流将各传感器输出模拟信号切换到A/D转换器。这种完成从多路到一路的转换开关，称为多路转换开关。

输入信号的调整

直流电压信号： 若被检测的直流电压信号的大小为A/D转换器范围内的电压，则最简单的可行方案是直接采用满足精度要求的A/D转换器。反之，就要设计相应的调理电路（如分压、放大等），将这些信号转换成A/D所能接受的电压形式，再直接使用A/D转换器。值得注意的一点是:用于数据采集的放大器要求高输入阻抗、高共模抑制比及低温漂。只用一级放大器一般很难满足多方面的指标，实际应用中常将多个放大器组合起来使用。

多路转换器

就是把多个信号来源共用一个模拟量通道输入计算机。

对多路转换器的要求是 转换精度 和 传输速度。为此要求其开路电阻应尽量大（理想值为无穷大），接通时导通电阻尽量小（理想值为零），为减少导通对信号传输精度的影响，要求其后的负载阻抗足够大。

A/D转换器

A/D转换器完成一次A/D转换需要一定时间（称为孔径时间），同时为了保证模拟信号发生的变化引起的误差，需要引入 采样保持器。一种有效减少转换误差的方法就是在采样开关之后加入零阶保持器。

常用的转换方式有 逐次逼近式 和 双斜积分式 两种。逐次逼近式A/D转换器转换速度快，多用于高速数据采集。它的缺点是抗干扰的能力较差。

A/D转换器性能指标

精度。这是指对应一个给定数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度，通常亦用绝对精度和相对精度表示。实际上对应于同一个数字量，其模拟输入是一个范围，因此，对应一个已知数字量的输入模拟量，定义为模拟量输入范围的中间值。

分辨率。A/D转换器的分辨率是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力.利用它可以决定使输出数码增加（或减少）1位所需要的输入信号最小变化量。国内外A/D芯片多为8位、10位、14位、16位，若再提高位数，不但价格贵，而且难以实现。

转换时间。设A/D转换器已经处于就绪状态，从A/D转换的启动信号加入时起。到获得数字输出信号（与输入信号对应之值）为止，所需的时间称为A/D转换时间。该时间的倒数称为转换速率。A/D的转换速率与A/D的位数有关，一般来说，A/D的位数越多，则相应的转换速率就越慢。

CPU和A/D转换电路之间的I/O控制方式

1、查询方式： 查询方式的传送是由CPU执行I/O指令启动并完成的，每次传送数据之前，要先输入A/D 转换器的状态，经过查询符合条件后才可以进行数据的I/O。

2、中断方式：当要求一旦数据转换完成就及时输入数据，或CPU同时要处理很多工作的情况下，应采用中断方式。

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，为此可以考虑选用DMA方式。

数字量输入输出通道

数字输入输出通道又称为开关量输入输出通道，数字输入通道的功能是将那些来自现场的断续变化的两态信号进行适当的处理，转化为计算机可以接受的数字信号。数字输出通道的任务是根据计算机输出的数字信号去控制接点的通、断或数字式执行器的启、停等。数字量输入输出通道主要由I/O缓冲和I/O电气两部分构成。

开关量输出通道的一个重要的组成为功率驱动。开关量输出的驱动电路很多，常用的有：大/小功率晶体管、晶闸管、达林顿阵列驱动器、固态继电器等。其中的固态继电器由于无触点，比电磁继电器可靠性高、寿命长、速度快，对外界干扰小，被广泛应用于工业控制领域。