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第10章计算机控制系统应用实例(2)

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设高精度仪用放大器构成的放大电路放大倍数为K1,则放大器的输出为

U2?K1U0 (10.7) AD转换输出量为

N?N0U2VREF (10.8)

对于12位的AD采集器,有N0=4096,VREF为参考电压。将式(10.7)和(10.8)代入式(10.5)和式(10.2),可以得到:

?Rt?N(R0?R)2K1K2ER?N(R0?R) (10.9)

t??A2B[1?1?C1NC2?N] (10.10)

式中

K2?N0UREF,C1?4B(R0?R)AR02,C2?K1K2ERR?R0

对于特定的铂热电阻,其纯度为R100/R0=1.1391时可准确测量,对应的A,B系数可以查有关的手册获得;K2为AD转换系数,与N0和VREF有关,可以准确标定;R为电桥电阻,可以选用精密电阻,保证其精度。E为电桥供电电源,K1为电压放大器的倍数,这些参数是已知的。只要测量N的值就可以精确计算被测温度值。

2、执行器设计

执行器选用交流固态继电器,它是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。固态继电器实物如图10.7所示。

固态继电器(Solid State Relays),简写成“SSR”,是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为

“无触点开关”,它问世于70年代,由于它的无触点工作特性,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。SSR按使用场合可以分为交流型和直流型两

图10.7 固态继电器

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大类,它们分别在交流或直流电源上做负载的开关。下面以本系统选用的交流型SSR为例来说明固态继电器的工作原理。

交流型SSR工作原理框图如图10.8所示,而图10.9则是一种典型的交流型SSR的原理图。

图10.8 固态继电器工作原理框图

图10.9 交流固态继电器原理图

图10.8中的部件①~④构成交流SSR的主体,从整体上看,SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D),是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号,就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”,实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系,以防止输出端对输入端的影响,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高;由于输入端的负载是发光二极管,这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用可直接与计算机输出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号,驱动开关电路④工作,但由于开关电路在不加特殊控制电路时,将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网,为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指,当加入控制信号,交流电压过零时,SSR即

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为通态;而当断开控制信号后,SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时,SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的。一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。

3、A/D、D/A 模块设计

A/D和D/A选用PCI-1711数据采集集成板卡。该板卡是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡,具有16路单端模拟量输入;12位A/D转换器,采样速率可达100KHz;每个输入通道的增益可编程;自动通道/增益扫描;卡上1K采样FIFO缓冲器;2路12位模拟量输出;16路数字量输入及16路数字量输出;可编程触发器/定时器。PCI-1711实物如图10.10所示。该板卡特点如下:

(1)即插即用功能

PCI-1711完全符合PCI规格Rev2.1标准,支持即

插即用。在安装插卡时,用户不需要设置任何跳线和DIP拨码开关。实际上,所有与总线相关的配置,比如基地址、中断,均由即插即用功能完成。

(2)灵活的输入类型和范围设定

PCI-1711有一个自动通道/增益扫描电路。在采样时,这个电路可以自己完成对多路选通开关的控制,用户可以根据每个通道不同的输入电压类型来进行相应的输入范围设定,所选择的增益值将储存在SRAM中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所需的多通道和高速采样。

(3)卡上FIFO(先入先出)存储器

PCI-1711卡上提供了FIFO(先入先出)存储器,可储存1K A/D 采样值,用户可以起用或禁用FIFO缓冲器中断请求功能。当启用FIFO中断请求功能时,用户可以进一步指定中断请求发生在1个采样产生时还是在FIFO半满时。该特性提供了连续高速的数据传输及Windows下更可靠的性能。

(4)卡上可编程计数器

PCI-1711有1个可编程计数器,可用于A/D转换时的定时触发。计数器芯片为82C54兼容的芯片,它包含了三个16位的10MHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器,用来对输入通道的事件进行计数;另外两个计数器级联成1个32位定时器,用于A/D转换时的定时触发。

4、PCI系统总线

PCI (Peripheral Component Interconnect)总线是一种高性能局部总线,是为了满

图10.10 PCI-1711板卡

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足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理,以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中,采用PCI总线来进行数据传输,可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。从1992年创立规范到如今,PCI总线已成为了计算机的一种标准总线。总线构成的标准系统结构如图10.11所示,其特点表现在:

(1)数据总线32位,可扩充到64位。 (2)可进行突发(burst)式传输。

(3)总线操作与处理器--存储器子系统操作并行。

(4)总线时钟频率33MHz或66MHz,最高传输率可达528MB/S。 (5)中央集中式总线仲裁。

(6)全自动配置资源分配:PCI卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息,可实现即插即用(PNP)。

(7)PCI总线规范独立于微处理器,通用性好。 (8)PCI设备可以完全作为主控设备控制总线。

(9)PCI总线引线:高密度接插件,分基本插座(32位)及扩充插座(64位)。

图10.11 典型PCI总线构成

不同于ISA总线,PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是,一方面可以节省接插件的管脚数,另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时,由一个PCI设备做发起者(主控,Initiator或Master),而另一个PCI设备做目标(从设备,Target或Slave)。总线上的所有时序的产生与控制,都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输,这就要求有一个仲裁机构(Arbiter),来决定谁有权力拿到总线的主控权。

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当PCI总线进行操作时,发起者(Master)先置REQ#,当得到仲裁器(Arbiter)的许可时(GNT#),会将FRAME#置低,并在AD总线上放置Slave地址,同时C/BE#放置命令信号,说明接下来的传输类型。所有PCI总线上设备都需对此地址译码,被选中的设备要置DEVSEL#以声明自己被选中。然后当IRDY#与TRDY#都置低时,可以传输数据。当Master数据传输结束前,将FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输,并在传完数据后放开IRDY#以释放总线控制权。

这里我们可以看出,PCI总线的传输是很高效的,发出一组地址后,理想状态下可以连续发数据,峰值速率为132MB/s。实际上,目前流行的33M@32bit北桥芯片一般可以做到100MB/s的连续传输

PCI总线可以实现即插即用的功能。所谓即插即用,是指当板卡插入系统时,系统会自动对板卡所需资源进行分配,如基地址、中断号等,并自动寻找相应的驱动程序。而不象旧的ISA板卡,需要进行复杂的手动配置。

在PCI板卡中,有一组寄存器,叫\配置空间\(Configuration Space),用来存放基地址与内存地址,以及中断等信息。以内存地址为例。当上电时,板卡从ROM里读取固定的值放到寄存器中,对应内存的地方放置的是需要分配的内存字节数等信息。操作系统要根据这个信息分配内存,并在分配成功后在相应的寄存器中填入内存的起始地址,这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对于中断的分配也与此类似。

PCI总线可以实现中断共享。ISA卡的一个重要局限在于中断是独占的,而我们知道计算机的中断号只有16个,系统又用掉了一些,这样当有多块ISA卡要用中断时就会有问题了。

PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上,采用电平触发的办法:中断信号在系统一侧用电阻接高,而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。这样不管有几块板产生中断,中断信号都是低;而只有当所有板卡的中断都得到处理后,中断信号才会回复高电平。

软件上,采用中断链的方法:假设系统启动时,发现板卡A用了中断7,就会将中断7对应的内存区指向A卡对应的中断服务程序入口ISR_A;然后系统发现板卡B也用中断7,这时就会将中断7对应的内存区指向ISR_B,同时将ISR_B的结束指向ISR_A。以此类推,就会形成一个中断链。而当有中断发生时,系统跳转到中断7对应的内存,也就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B卡的中断,如果是,要处理,并将板卡上的拉低电路放开;如果不是,则呼叫ISR_A。这样就完成了中断的共享。

通过以上讨论,我们不难看出,PCI总线有着极大的优势,而近年来的应用情况也证实了这一点。

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