前向通道与数据采集.ppt

前向通道与数据采集 wangshigang@ 引言 在计算机控制系统中,被控对象运行的状态信息需要通过传感器转换为电信号才能输入给计算机 计算机处理后的信息也需转换为合适的电信号输出到执行器,由执行器对被控对象实施控制作用 在计算机控制系统中能实现被控对象与计算机之间信号传递和交换的装置称之为过程通道。 过程通道解决两类基本问题: 将外部传感器信号转换成计算机能接受的数字信号 将计算机输出的数字信号转换为外部执行器能接受的信号。 过程通道可分为输入通道和输出通道 习惯上输入通道又称为前向通道,主要用于采集来自传感器的各种数据 输出通道又称后向通道,主要用于驱动各种执行器 根据处理信号类型的不同,输入通道可分为： 数字量输入通道 模拟量输入通道 根据处理信号类型的不同,输出通道可分为： 数字量输出通道 模拟量输出通道 本章主要介绍前向通道即输入通道的内容,有关后向通道即输出通道的内容将在下一章介绍。 前向通道是计算机了解被控对象的基本途径,其中用于参量转换的传感器、信号处理电路和计算机接口等部分为本章介绍的重点。 7.1 微机控制系统中的前向通道 7.1.1 前向通道组成和特点 要对生产过程实现自动控制,就必须对它的运行状态进行检测。 生产过程中的开关信号、脉冲信号、数字编码信号等,可通过数字量输入通道输入计算机。 生产过程中还有许多信号(诸如压力、流量、温度、液面高度等)是随时间连续变化的模拟信号,由传感器和变送器把它们转换为模拟的电流或电压信号,这些信号需通过模拟量输入通道转换为数字信号,才能送入计算机。 不同的信号有着各自的特征和处理要求见表 以处理数字信号为主的前向通道结构如图所示 感应开关、机械式行程开关产生的信号经电平转换电路变为接口电路能接收的开关信号(通常为TTL电平) 转速传感器产生的信号经整形成为边沿较好的脉冲信号,利用计数器记录接收的脉冲数 V/F(电压/频率)转换器输出的是频率信号,可经计数器或直接送接口电路 角度编码器输出的数字信号需经相位鉴别和锁存后,再送往计算机。 传感器输出的数字信号通常需要经光电隔离后送往计算机接口电路。 许多智能化传感器有串行数字输出功能可经隔离电路送往串行接口; 具有现场总线的传感器,已将过程通道的功能集成在内部,因此,可直接与现场总线相连。 以处理模拟信号为主的前向通道结构示意如图 热敏电阻通过电桥将电阻阻值的变化量转换为电压信号：热电偶把温度信号转换为电信号输出。这些信号经放大、线性化处理、A/D转换后送入计算机接口电路。 大电流信号需要分流衰减 大电压信号需要分压衰减 高速信号需要采样/保持后,才能进行A/D转换; 对输出电流信号的传感器,需要将电流信号转换为电压信号,才能进行A/D转换; 为防止现场对计算机系统的干扰,在前向通道中,通常还要有光电或变压器隔离措施。 7.1.2 传感器与变送器 1. 传感器的组成 按国家标准GB7665-87传感器通用术语对传感器下的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信号输出。 敏感元件是能够灵敏地感受被测变量，并作出响应的元件。 例 如 弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变，形变程度就是对压力高低的响应，因此,弹性膜盒是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。 为了获得被测变量的精确数值,不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏,还希望它不受或少受环境因素的影响。 敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性的正比或反比关系,当然最便于应用。即使是非线性关系,只要这种关系不随时间而变化,也可以满足使用的基本要求 由于电信号便于远传和处理,所以在控制系统中使用的传感器输出是电量的形式,如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。 2. 传感器的分类 常见的传感器分类方法有三种： 按传感器检测的物理量分类 按传感器工作原理分类 按传感器输出信号的性质分类 按传感器所检测的物理量分类有： 位移、角度、转速、温度、压力、流量、物位、气体成份、电量等传感器。 按传感器工作原理分类 ： 电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 按传感器输出信号的类型分类有： 输出为开关信号的开关型传感器、输出为模拟信号的模拟型传感器、输出为脉冲、频率或数字编码的传感器。 在控制系统中，输出信号为开关信号、脉冲信号和数字量的传感器对计算机处理比较方便 输出为模拟量的传感器，希望有规范的信号标准。 一种做法是制定传感器的标准，前者典型的例子是热电阻和热电