计算机监控技术及应用》授课教案.docx

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计算机监控技术及应用》授课教案

湖北水利水电职业技术学院

教师授课教案

课程名称：

计算机监控技术及应用2009年至2010年第2学期第1次课

班级：

08电气1－6编制日期：

2010年2月27日

教学单元（章节）：

第一章计算机控制系统概述

1．1计算机控制系统的一般概念1．2计算机控制系统组成

1。

3微型计算机控制系统分类1。

4微机控制系统发展趋势

目的要求：

1了解计算机控制系统的一般概念

2了解闭环、开环控制系统的一般形式

3了解计算机控制系统的硬件、软件组成及特点

4了解微型计算机控制系统的分类

5了解微机控制系统的发展趋势

知识要点：

1闭环控制系统框图、开环控制系统框图

2计算机控制系统基本框图、微机控制系统硬件框图

3计算机控制系统软件组成

4微机控制系统分类

技能要点：

根据实例掌握计算机控制系统的基本结构

通过实例搞清微机控制系统的硬件、软件组成及特点

教学步骤：

1对整本教材的内容进行一下总体的介绍，有一个总体把握

2通过实例讲解计算机控制系统的一般概念，理解计算机控制系统的基本框图

3具体从硬件、软件两方面分析计算机控制系统的组成及特点

教具及教学手段：

多媒体结合黑板板书课堂教学

作业布置情况：

习题1－1、1－2

课后分析与小结：

授课教师：

陈剑授课日期：

20年月日

教学内容

板书或旁注

1．1计算机控制系统的一般概念

控制系统随着控制对象、控制规律、执行机构的不同而不同。

控制系统的一般形式（基本结构）如图1－1所示。

a）闭环控制系统

b）开环控制系统

闭环：

按误差进行控制（被控参数与给定值进行比较）

开环：

不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值去控制被控对象，不能自动消除被控参数与给定值之间的误差（控制性能相对要差）

实例分析：

1、飞机的姿态控制（图1－2）

将自动控制系统中的控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统。

（图1－3）

在计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量，因此系统需要A/D及D/A转换器。

计算机控制系统的过程一般可归纳为两步：

（1）实时数据采集。

（2）实时决策控制。

2、啤酒罐计算机温度控制系统（图1－4）

通过啤酒罐计算机温度控制的多点温度控制系统，我们可知，一

般，计算机在控制系统中至少起到三个作用：

（1）实时数据处理。

（2）实时监督决策。

（3）实时控制及输出。

1．2计算机控制系统的组成

1．2．1计算机控制系统的硬件组成

计算机控制系统由计算机系统和工业对象两大部分组成，计算机系统包括硬件和软件。

硬件是指主机及其外围设备，软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。

硬件由主机、接口电路及外围设备等组成，系统可根据需要扩展其硬件。

（1）主机。

主机由CPU、存储器和I/O接口组成，是控制系统的核心。

（2）常用外围设备。

常用外围设备有输入设备、输出设备和外存储器，用来显示、打印和数据传送。

（3）I/O接口与输入/输出通道。

教学内容

板书或旁注

接口的任务是实现主机与外设的连接，外设不同，接口的形式也不一样，高速外设数据接口使用直接数据传送通道DMA，绝大多数I/O接口都是有可编程的，它们的工作方式可以通过编程设置。

通道还包括A/D和D/A转换器等。

（4）检测元件和执行器。

（5）操作台。

主要由四部分组成：

1）作用开关。

2）功能键。

3）显示器。

4）键盘。

1．2．2计算机控制系统的软件组成

软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、管理、控制、计算和自诊断等，它是微机系统的神经中枢。

整个系统的动作都是在软件指挥下协调工作的。

以功能来区分，可分：

系统软件、应用软件和数据库等。

（图1－6）

1．2．3微型计算机控制系统的特点

1．可靠性高2．实时性强

微机的实时性主要包括四方面内容：

（1）实时数据采集。

（2）实时决策运算。

（3）实时控制。

（4）实时报警。

3．环境适应性强。

4．良好的可维护性。

5．人机联系方便。

6．较完善的输入/输出通道。

1．3微型计算机控制系统的分类

微型计算机与其所控制的生产过程有密切关系，根据生产过程的复杂程度可采用不同的控制系统。

从应用的特点和控制的目标出发，将微型计算机控制系统分为以下几类。

1．操作指导控制系统（图1－7）

2．直接数字控制系统（DDC系统）（图1－8）

3．监督控制系统（SCC系统）（图1－9）

4．集散控制系统（DCS系统）（图1－10）

5．现场总线控制系统（FCS）（图1－11）

1．4微型计算机控制系统的发展趋势

随着企业生产规模的逐渐扩大，对生产过程的自动化程度要求越来越高，系统控制在向着更加复杂、可靠性及精确性要求更高的方向发展。

这就要求我们有更加先进的控制系统与之相适应。

当前微机控制系统的发展，也促进了控制理论的发展。

当然自动控制理论又反过来推动计算机控制系统的应用和发展，为促进工业生产自动化水平的不断提高，为计算机控制提供更新的理论基础。

湖北水利水电职业技术学院

教师授课教案

课程名称：

计算机监控技术及应用2009年至2010年第2学期第2次课

班级：

08电气1－6编制日期：

2010年2月27日

教学单元（章节）：

第二章计算机控制系统的接口技术

2．1模拟量输入/输出通道2。

2开关量输入/输出通道

目的要求：

1了解模拟量输入、输出通道的一般结构

2了解比较典型的A/D及D/A转换器的工作原理及其与CPU的接口

3了解开关量I/O通道的一般结构

4了解开关量信号的输入、输出电路

知识要点：

1ADC0809芯片、DAC0832芯片

2开关量输入信号的调理

3开关量输出驱动电路

技能要点：

搞清楚模拟量信号输入微机及从微机输出的基本结构并能理解接口电路中各芯片的作用

掌握开关量信号怎样实现与CPU的输入、输出连接

教学步骤：

1介绍模拟量信号与微机之间输入、输出的基本结构。

2分析A/D及D/A转换器的工作原理及与CPU的接口电路。

3介绍开关量信号I/O通道的一般结构

教具及教学手段：

多媒体结合黑板板书课堂教学

作业布置情况：

课后分析与小结：

授课教师：

陈剑授课日期：

20年月日

教学内容

板书或旁注

2．1模拟量输入通道

2．3．1模拟量输入通道的一般结构

1．单路模拟量输入通道的一般结构

传感器——信号调理电路——S/H——A/D——微型计算机

（1）传感器部分。

检测非电量物理量，并转换成相应的电信号。

（2）调理电路部分。

对信号做适当处理，使之成为适合A/D转换的电压信号。

包括变换、滤波、放大、隔离以及线性化等。

（3）采样/保持器（S/H）。

保证模拟量信号的转换精度。

（4）A/D转换器。

2．多路模拟量输入通道的一般结构（如图2－9所示）

多路开关的作用是把多路输入的模拟量分时地送入A/D，即完成多到一的转换。

2．3．2A/D转换器及其与CPU的接口

A/D转换器按位分：

8位ADC0809、10位AD75702、12位AD574。

按变换原理分有：

逐次比较式ADC0809、双积分式5G14433、量化反馈式和并行式等。

1．ADC0809芯片简介

2．ADC0809与8031的接口

2．1模拟量输出通道

2．4．1模拟量输出通道的一般结构

1．单路模拟量输出通道的一般结构

微型计算机——寄存器——D/A转换器——放大变换器——执行机构

（1）寄存器。

用于保存计算机输出的数字量。

（2）D/A转换器。

核心部件，将数字量转换为模拟量。

转换后的模拟量有电压和电流两种类型。

（3）放大/变换电路。

当输出信号无法直接驱动执行机构时，需要进行适当的放大或变换。

2．多路模拟量输出通道的一般结构

保持方式两种：

数字量保持和模拟量保持。

对应的电路结构有两种形式：

（1）各通道自备D/A转换器形式。

（2）各通道共用D/A转换器形式。

教学内容

板书或旁注

2．4．2D/A转换器及其与CPU的接口

D/A转换器常用的有：

8位的DAC0800系列、DAC0830系列；10位的DAC1020系列、ADC7520系列；12位的DAC1208系列、AD1230系列、AD7521系列等。

2．2开关量输入/输出通道

开关量信号的电气接口形式多种多样，如TTL电平、CMOS电平、非标准电平、开关或继电器的触电等，这些电平一般都不能直接用来驱动外部设备，况且工业现场还存在着电磁、振动、温度和湿度等各种干扰与影响。

因此，在开关量输入/输出通道中需采取各种缓冲、放大、隔离与驱动等措施。

2．2．1开关量I/O通道的一般结构

开关量输入/输出通道通常由CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口三部分组成。

1．CPU接口逻辑

这部分电路一般由数据总线缓冲器/驱动器、输入/输出地址译码器、读写控制等组成，主要完成开关量输入/输出通道的选通和关闭等控制信号的传输。

2．输入缓冲器和输出锁存器

输入缓冲器：

缓冲或选通外部输入信号。

输出锁存器：

锁存CPU的输出数据，在未刷新前保持稳定以供外部设备的使用。

输入缓冲器和输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

3．I/O电气接口

开关量输入/输出电气接口的功能主要有滤波、电平转换、隔离和功率驱动等。

教学内容

板书或旁注

2．2．2开关量输入信号的调理

1．信号转换电路

（1）电压或电流转换电路。

（图2－18a）

（2）开关触点型信号输入电路。

（图2－18b）

2．RC滤波电路

3．保护电路

为了防止因过电压、瞬时尖峰或反极性信号损坏接口电路，在开关量输入电路中，应采用适当的保护措施。

（图2－19、图2－20）

4．触点抖动的消除

采用RS触发器消除抖动。

5．光电隔离技术及常用器件

为了提高系统抗干扰能力，需将控制对象和微机部分在电气上隔离开来。

2．2．3开关量输出驱动电路

在微机控制系统中，执行机构通常需要大电压（电流）来控制，而微机系统输出的开关量大部分为TTL（或MOS）电平，这种电平一般不能直接驱动执行机构，需要另外设计驱动电路。

1．功率驱动电路

常用于驱动功率继电器、电磁开关等功率装置，一般要求具有50～500mA的驱动能力。

（1）功率三极管驱动。

（图2－23a）

（2）达林顿管驱动。

（图2－23b）

2．固态继电器输出接口技术

固态继电器（SSR）是一种无触点功率型电子开关。

它利用光电隔离技术实现控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。

湖北水利水电职业技术学院

教师授课教案

课程名称：

计算机监控技术及应用2009年至2010年第1学期第3次课

班级：

08电气1－6编制日期：

2010年2月27日

教学单元（章节）：

第三章计算机串行通信接口技术

3．1串行通信基础3．2常见的串行通信接口

目的要求：

1了解串行通信的一些基本概念

2了解RS-232C这种广泛使用的串行通信总线标准以及RS-232C的使用

3了解其他常见的几种串行通信接口及通信方式

知识要点：

1串行通信的数据传送方式2波特率3信号的调制和解调

4RS-232C5RS-423A接口6RS-422A接口7RS-485接口

技能要点：

1理解串行通信的数据传送方式，学会RS-232C总线标准的使用

2了解不同串行通信接口在通信接线方式上的区别

教学步骤：

1首先了解串行通信的基础知识；

2介绍RS-232C总线标准及其使用方法

3介绍常见的串行通信接口

4分析接口的通信原理和方式

教具及教学手段：

多媒体结合黑板板书课堂教学

作业布置情况：

课后分析与小结：

授课教师：

陈剑授课日期：

20年月日

教学内容

板书或旁注

3．1串行通信基础

3．1．1串行通信常用术语

1．通信方式

并行通信通过并口来实现，数据的各位同时传送。

串行通信是通过串口来实现，数据逐位顺序传送。

2．串行通信的方式

（1）异步通信。

异步通信方式是按字符传送的，用1个起始位“0”表示字符的开始，用停止位“1”表示字符的结束构成一帧。

如图3－1所示。

根据约定，用奇偶校验位将所传字符中为“1”的位数据凑成奇数个或偶数个。

也可以约定不要奇偶检验位。

优点：

数据传送的可靠性高；

缺点：

通信效率比较低。

异步通信是字符间异步，字符内部各位间同步。

每个字符出现在数据流中的相对时间是随机的，接收端预先并不知道，而每个字符一经开始发送，收/发双方则以预先固定的时钟频率传送各位。

异步通信时，CPU与外设必须统一字符格式和波特率。

用奇偶校验位将所传字符中位“1”的位数据凑成奇数个或偶数个，也可以约定不要奇偶校验，即取消奇偶校验位。

（2）同步通信

是按数据块传送的，把传送的n个数据字节字符顺序地连接起来，组成数据块，在数据块的前面加上特殊的同步字符，作为数据块的起始符号，在数据块后面加上校验字符，用于校验通信中的错误。

控制规程分两类：

面向字符型和面向位型。

1．面向字符型

单同步：

在数据块前先传送一个同步字符SYNC；

双同步：

安排两个同步字符；

外同步：

不含同步字符，而是用一条专用控制线来传送同步字符，以实现收发双方的同步操作，任何一帧信息都一两个字节的循环控制码CRC结束。

（《微机原理》）

3．波特率

串行通信中每秒传送的数据位数。

位周期：

每一个数据位的宽度，它等于传送波特率的倒数。

教学内容

板书或旁注

4．半双工和全双工（参看《微机原理》）

一般说来，通过串行接口直接发送的串行数据在其基本不产生信号畸变和失真的条件所能传送的最大距离取决于传输速率和传输线的电气性能。

5．信号的调制和解调

为避免信号发生畸变，常常采用调制和解调技术。

MODEM为调制解调器，兼有调制器和解调器的功能。

《微机原理》

调制方法：

调频（FM）、调幅（AM）、调相（PM）

6．通用异步接收器/发送器（UART）

既能实现由并行到串行输出，又能实现由串行到并行输入。

7．串行通信的校验方法

（1）奇偶校验主要用于对一个字符的传送过程进行校验。

（2）循环冗余校验用于对一个数据块进行校验，在发送数据时按一定的规则进行发送。

8．串行通信传送规程控制

3．1．2RS-232C

1．RS-232C标准

美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总线标准，是DEC和DTE间传输串行数据的接口总线。

RS-232C最大的传输距离为15m，最高传输速度约每秒20kbit，信号的逻辑“0”电平为＋3～＋15V，逻辑“1”电平为－3～－15V。

2．RS-232C电平与TTL电平的转换

如图3－3所示，分立元件电平转换线路。

如图3－4所示，集成电路电平转换器MC1488。

3．1．3RS-232C的使用

教学内容

板书或旁注

3．2其他常见的串行通信接口

RS-232C是采用单端发送、单端接收的。

即发送方的TXD端与接受方的RXD端相连，发送方和接收方的地线是连接地一起，如图3－9所示。

RS-232C不能用于较强干扰信号的场合，传送的距离限制在15m以内，另外传送的速度也不高。

一条线路中只能有一个发送器和一个接收器。

3．3．1RS-423A接口

RS-423A采用了单端发送、双端接收的传送方式，如图3－10所示。

它利用差分接收器替代RS-232C的单端接收器，很好地克服了RS-232C抗干扰能力差的不足，它可以比RS-232C传送得更远、更快。

当传送速度小于100bit/s时，它可以传送90m，当速度小于1kbit/s时，它可以传送1200m。

RS-423A接口规定：

信号“1”是+4V~+6V，信号“0”是－4V~－6V。

一条线路中可以最多有10个接收器，但是只能有一个单端发送器。

3．3．2RS-422A接口

RS-422A接口是采用双端发送双端接受的传送方式的，如图3－11所示。

它的抗干扰能力比RS-423A更强。

当传送速度小于90kbit/s时，它可以传送1200m远，当传送距离小于15m时，它传送的速率可以达到10Mbit/s。

在RS-422A接口的线路中，也是一条线路中可以最多有10个接收器，但是只能有一个发送器。

对于MC3487和MC3486，相当于两个单端驱动器。

输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。

于是当一条表示逻辑“1”时，另一条表示逻辑“0”。

3．3．3RS-485接口

RS-484接口也是采用双端发送双端接收的传送方式的，它与RS-422A接口是兼容的，但是它的线路中可以有多个发送器，一个发送器可以驱动多个负载设备，在传送的两端都要配备平衡电阻。

利用RS-485接口，可以在传输中实现多个发送器和多个接收器公用一条线路。

RS-485接口最大的优点是抗干扰能力强、传送速度快，传送距离远。

当传送速度小于100kbit/s时，它可以传送1200m远，当传送距离小于15m时，它传送的速率可以达到10Mbit/s。