第2章  计算机控制系统中的硬件

硬件是计算机控制系统的躯体，是完成控制任务的物质基础，硬件质量的好坏直接决定了控制系统的工作性能。

计算机控制系统的硬件部分主要由计算机主机、传感器、信号调理器、输入/输出装置、驱动电路、执行机构、人机设备和通信接口等部分组成，

一、工控机

工业控制计算机（IPC），简称工控机，是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机。它最初是在商用的计算机基础上进行改装，加固并用于工业生产过程控制的计算机，现在已经形成为一种专用的计算机系列。

这里介绍的工控机主要是指PC总线工业控制机，所以，这里将基于工控机的计算机监控系统简称PCs。PCs与其它类型的计算机监控系统相比，具有构成简单、价格低、软件种类丰富、开放性好以及可扩充性好的特点。

因此，PCs在中、小型的计算机监控系统中（特别是小型计算机监控系统中）占有很大的比例，并且具有良好的发展前景。

（一）IPC的基本组成

一个典型的工控机主要由以下几个部分组成。

1、加固型的工业机箱

由于工控机应用于环境比较恶劣的工业现场，因此，必须采取各种加固措施。具体措施包括：采用全钢结构标准机箱，机箱上带有滤网、减振和加固压条装置；配备多个冷却风扇，并使机箱内保持空气正压。这样，在机械振动较大、粉尘较多以及温度较高的环境中仍能正常使用。图2-11为某公司生产的工控机机箱。

2、工业电源

工控机通常采用特殊设计的高可靠性电源装置。除了能适应较宽幅度电压变化外，还具有抗浪涌电压以及过电压过电流保护措施，同时，还要求有很好的电磁兼容性。图2-12为某公司生产的工业电源。

图2-11 工控机机箱示意图                     图2-12 工业电源示意图

3、一体化主板

主板是工控机的核心部件，它所采用的元器件都经过严格筛选，并满足工业标准。现在的工控主板所使用的CPU大都采用Pentium系列芯片，也有采用其它厂家的芯片。

所谓一体化主板，是指在主板上集成了通信接口（RS-232、RJ-45等）、外设接口（IDE、FDD、键盘、鼠标）、RAM插槽（168线、72线），有的还有显示器接口（CRT、LCD等），如图2-13所示。主板一般采用标准总线，如ISA、PCI、Compact PCI等。

除此之外，还有一种单板计算机主板，在这种主板上，除集成了以上功能外，还有I/O接口，可以方便地构成嵌入式系统。

图2-13 一体化主板示意图

4、无源母板

现在按总线标准生产的工控机，基本上采用无源母板结构。在母板上只提供了总线通道，一块母板上有10~20个插槽，除了一个用于插主板，另一个用于插显示板外（如果主板上没有显示器接口），其它的插槽可以供用户插各种I/O模板。这样用户就可以灵活地构成自己的计算机监控系统。

通过采用无源母板结构，主板可以垂直安放，大大地减少了灰尘的积累以及振动的影响。图2-14为某公司生产的无源母板，图2-15为某公司一体化主板与母板安装示意图。

图2-16是研华工控机主机主要部件的安装示意图。

图2-14 无源母板示意图                    图2-15 一体化主板与母板安装示意图

5、其它部件

1）光驱。由于主板上已经有了光盘驱动器接口，用户可以根据自己的需要配置光盘驱动器。

2）硬盘。由于主板上已经有了硬盘驱动器接口，用户可以根据自己的需要配置硬盘驱动器。对于振动比较大的地方，也可以使用电子盘来取代硬盘。

3）键盘。可以使用一般的标准键盘，为了防尘也可以使用薄膜键盘。

4）显示器。可以使用一般的阴极射线管显示器，也可以使用液晶显示器，必要时还可以使用触摸屏。

图2-16 工控机主机安装示意图

（二） IPC的基本特点

工控机由于其自身的特点，在过程监控、数据采集等方面得到广泛应用。与其它类型的计算机监控系统的主计算机相比，工控机具有以下特点。

1、可靠性高

工控机通常会使用在工业控制现场，用于监控不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检修。如果发生故障，可能会产生严重的工程事故甚至人身事故，后果不堪设想。

因此，生产厂家在生产时都做了特别处理，如印制电路板合理布线，元器件老化筛选，采用工业电源、密封机箱正压送风、带有“看门狗”系统支持板等，极大地提高了可靠性。

当然，由于现在的通用计算机的可靠性也相当高，如果监控系统对可靠性的要求不是特别高，也可以考虑使用普通的商用计算机，可以更进一步地降低成本。

2、实时性好

工控机对生产过程进行实时监控，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时作出响应，并能实时地进行报警和处理。为此工控机需配有实时多任务操作系统。

3、环境适应能力强

工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统也常受大负荷设备起停的干扰，其接“地”系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求工控机具有很强的环境适应能力，如对温度、湿度变化范围要求高；要有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。

4、小板结构，模块化设计，完善的I/O通道

小板结构机械强度好，抗断裂和抗振能力强；模块化设计是指每个模板功能单一，如CPU板、存储器板、A-D转换板、D-A转换板、开关量I/O板等，便于对系统故障的诊断与维护，也便于用户的选用，方便了冗余配置。

对于生产过程控制，需要有大量的输入、输出通道，工控机总线是面向I/O设计的，有着很强的扩展功能，非常便于系统扩展。

5、系统开放性好

工控机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，便于系统扩充、软件的可移植和互换。除了软件具有很强的开放性外，硬件的开放性和可替换性也很好。无论是主机还是配套的各种I/O模板和通信模块（网卡）都是按照一定的标准生产的，在市场上很容易购买到所需的产品。由于开放性比较好，在进行系统集成时就比较容易。

6、性能价格比高

由于工控机主要用于监控，除了对实时性的要求较高外，一般的数据处理量不是很大。因此，与商用计算机和家用计算机相比，配置可以适当降低。

各类高性能的I/O板卡作为成熟的工业化产品与IPC配套使用，使用户能在短时间内像搭积木一样很快构成所需的控制系统，投入实际运行，创造了很好的效益。

由于工控机具有上述特点，既能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行，因此应用极为广泛。

（三）PCs的构成

图2-17所示为基于工控机的计算机监控系统（PCs）的硬件构成框图。

1）主机。包括机箱、主板、母板、电源、存储器等，它是工业控制计算机的核心。

2）内部总线和外部总线。内部总线是工业控制计算机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用的内部总线有ISA总线和PCI总线。外部总线是工业控制计算机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。常用的外部总线有RS-232C和IEEE-488通信总线。

图2-17  PCs的硬件构成

3）人-机接口。人-机接口是人与计算机交流的一种外设。它由标准的PC键盘、显示器和打印机等组成。

4）系统支持板。工业控制机的系统支持板主要包括如下部分。

监控定时器（俗称“看门狗”电路）。它的主要作用是当系统因干扰或软件出现异常时，可以使系统自动恢复运行，从而提高系统的可靠性。

保护重要数据的后备存储器。这些存储器通常采用带有后备电池的SRAM、E2PROM。它能在系统断电后保证数据不丢失，用于在系统出现异常以及电源断电等故障后保存重要数据。

实时日历时钟。它主要是用于工业控制计算机自动记录某个控制的发生时间。

5） 磁盘系统。磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的硬磁盘。

6） 通信接口。通信接口是工业控制计算机和其它计算机或智能外设的接口，常用的接口有RS-232C和IEEE-488接口。

7） 输入输出通道。输入输出通道是工业控制计算机和生产过程之间的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入（AI）通道、模拟量输出（AO）通道、数字量（或开关量）输入（DI）通道、数字量（或开关量）输出（DO）通道等。

8） 远程数据采集模块。由于大部分的I/O接口都在工控机的机箱内，这对于一些需要远程监视或控制的物理参量来说，如果通过长导线将信号直接送到控制室，则会存在干扰和信号衰减等问题。为了解决这些问题，可以就地将模拟信号转换为数字信号，然后再用现场总线或其它的串行通信总线进行传输，为此需要有远程数据采集模块。

二、传感器

传感器是一种将各种被测非电信号转换成可用电信号的测量装置或元件。

应当指出，这里所谓的“可用信号”是指便于传输、处理、显示、记录和控制的信号。当今只有电信号满足上述要求，因此，可把传感器狭义地定义为：把非电信号转换成电信号输出的装置。

（一）传感器的地位

现代信息技术的三大支柱是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。

在一个现代控制系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。传感器是现代控制技术的基础。

传感器的应用领域主要包括如下几个方面。

1）生产过程的测量与控制。在工农业生产过程中，对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等参量进行检测，从而实现对工作状态的控制。

2）报警与环境保护。传感器可对高温、放射性污染以及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量与控制，可用于监控、防灾、防盗等方面的报警系统。在环境保护方面可用于对大气与水质污染的监测、放射性与噪声的测量等方面。

3）自动化设备和机器人。传感器可提供各种反馈信息，尤其是传感器与计算机的结合，使生产设备的自动化程度大大提高。现代机器人中大量使用了传感器，其中包括力、扭矩、位移、超声波、转速和射线等传感器。

4）交通运输和资源探测。传感器可用于交通工具、道路和桥梁的管理，以保证运输的效率并防止事故的发生。还可用于陆地与海洋资源探测以及空间环境、气象等方面的监测。

5）医疗卫生和家用电器。利用传感器可实现对患者的自动监测与监护，可进行微量元素的测定、食品卫生检疫等。

（二）常用的传感器

1、电阻式传感器

电阻式传感器种类繁多，应用广泛。它的基本原理是将被测非电信号的变化转换成电阻的变化。导电材料的电阻不仅与材料的类型、尺寸有关，还与温度、湿度和变形等因素有关。不同导电材料，对同一非电物理量的敏感程度不同，甚至差别很大。因此，利用某种导电材料的电阻对某一非电物理量具有较强的敏感特性，就可制成测量该物理量的电阻式传感器。

常用的电阻传感器有电位器式、电阻应变式、热敏电阻、气敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。利用电阻传感器可以测量应变、力、位移、荷重、加速度、压力、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度等。图2-1是电阻应变式荷重传感器产品图。

2、电容式传感器

电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由测量电路转换为电压、电流或频率的变化，以达到检测的目的。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电信号，均可用电容式传感器进行电测变换。

根据变换原理的不同，电容式传感器有变极距型、变面积型、变介质型3种。该类传感器不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量，还能测量压力、液位、物位、成分含量等热工量。图2-2是电容式差压变送器产品图。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等一系列优点，在机电控制系统中占有十分重要的地位。

图2-1 电阻应变式荷重传感器产品图          图2-2 电容式差压变送器产品图

3、电感式传感器

电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电信号测量的一种装置。电感式传感器一般分为自感式、互感式和电涡流式3大类。习惯上将自感式传感器称为电感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常被称为差动变压器式传感器。

电感式传感器能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制领域中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应速度较慢，不宜于快速动态测量。图2-3是电感式传感器产品图。

图2-3 电感式传感器（差动式和电涡流式）产品图

4、压电式传感器

压电式传感器利用某些电介质材料具有压电效应而制成。当有些电介质材料在一定方向上受到外力（压力或拉力）作用而变形时，在其表面上会产生电荷；当外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为压电效应。

压电材料常使用晶体材料，但自然界中多数晶体压电效应太微弱，没有实用价值，只有石英晶体和人工制造的压电陶瓷具有良好的压电效应。压电传感器主要用来测量力、加速度、振动等动态物理量。图2-4是压电式力和加速度传感器产品图。

图2-4  压电式力和加速度传感器产品图

5、光电式传感器

光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。光电效应大致可分为如下3类。

第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面，利用这种效应做成的器件有真空光电管、光电倍增管等；第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变，这类器件包括各类半导体光敏电阻；第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势，这类器件包括光电池、光敏二极管和光敏晶体管等。

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，进行光电转换，并加以某种形式的放大和控制从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件，如图2-5所示。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。

图2-5 光电开关

6、热电式传感器

热电式传感器主要用来检测温度变化。主要包括热电偶传感器和热电阻传感器。

热电偶传感器的测温原理是热电效应。常用的热电偶有铂铑10-铂（分度号为S）、镍铬-镍硅（分度号为K）、镍铬-铜镍（分度号为E）等，因为K型热电偶稳定性好，价格便宜，因而在工业上广泛应用。图2-6是热电偶传感器产品图。

图2-6 热电偶传感器产品图

热电阻传感器测温基于热电阻现象，即导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的现象。利用物质的这一特性制成的温度传感器有金属热电阻传感器（简称热电阻）和半导体热电阻传感器（简称热敏电阻）。

在工业上使用最多的热电阻是铂电阻和铜电阻，常用的分度号是Pt100和Cu50。

7、数字式传感器

机电控制系统对检测技术提出了数字化、高精度、高效率和高可靠性等一系列要求。数字式传感器能满足这种要求。它具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机械工业的生产、自动测量以及机电控制系统中得到广泛的应用。常用的数字式传感器有光栅式、码盘式、磁栅式和感应同步器等。图2-7是数字式传感器产品图。

图2-7 数字式传感器产品图

（三）传感器的选用

现代传感器的原理与结构千差万别，即便对于相同种类的测量对象也可采用不同工作原理的传感器，如何根据具体的测量条件、使用条件以及传感器的性能指标合理地选用传感器是进行某个物理量测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的好坏，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 可以从以下几个方面来选用传感器。

1、传感器的类型

要进行一个具体的测量工作前，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有基于不同测量原理的传感器可供选用，哪一种传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口；价格能否承受；购买还是自行研制等。在考虑了上述问题之后，就能确定选用何种类型的传感器，然后才考虑传感器的具体性能指标。

2、灵敏度

通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高，被测量变化时所对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的，如果被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3、精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度指标常与经济性联系在一起，精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器即可，而不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

4、线性度

线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都希望输出量与输入量之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必加入线性化环节；此外，当线性的传感器作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分析得到简化。

实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看成线性的，这会给测量带来极大的方便。

5、稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。通常在不指明影响量时，它反映的是传感器不受时间变化影响的能力。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。

影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须有较强的环境适应能力。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6、频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，我们希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）来确定所需传感器的频率响应特性，以免产生过大的误差。

总之，应从传感器的基本工作原理出发，所选择的传感器最好既能满足使用性能要求又价格低廉。

三、数据采集卡

为了满足PC机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集卡（或I/O板卡）。用户只要把这类板卡插入计算机主板上相应的I/O（ISA或PCI）扩展槽中，就可以迅速、方便地构成一个数据采集系统，既节省大量的硬件研制时间和投资，又可以充分利用PC的软、硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法、系统设计以及程序编制等进行研究。

在各种计算机控制系统中，PC插卡式是最基本的构成形式。

（一）数据采集卡的功能

    一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

1、模拟输入

模拟输入是采集卡最基本的功能之一，它将一个模拟信号转换为数字信号。该项功能一般通过多路开关、放大器、采样保持电路以及A-D转换器来实现。A-D转换器的性能和参数直接影响着模拟量输入的质量，要根据实际需要的精度选择合适的A-D转换器。

2、模拟输出

模拟输出通常为采集系统提供激励。输出信号受D-A转换器的参数建立时间、转换率、分辨率等因素影响。参数建立时间和转换率则决定了输出信号幅值改变的快慢。参数建立时间短，转换率高的D-A转换器就可以提供一个较高频率的信号。

3、数字I/O

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设进行通信等。它的重要参数包括：数字接口路数、接收（发送）频率、驱动能力等。

如果用输出去驱动电动机、灯、开关等，就不必用较高的数据转换率。路数要与控制对象配合。需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流，但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。

4、计数/计时器

许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括3个重要信号：门限信号、计数信号和输出信号。门限信号实际上是触发信号（使计数器工作或不工作）；计数信号也是信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出信号是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率。

（二）数据采集卡的类型

基于PC总线的板卡是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。

按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A-D卡)、模拟量输出板卡(D-A卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。

其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。

根据总线的不同，可分为PCI板卡和ISA板卡。各种类型板卡依据其所处理的数据不同，都有相应的评价指标，现在较为流行的板卡大都是基于PCI总线设计的。

数据采集卡的性能优劣对整个系统举足轻重。选购时不仅要考虑其价格，更要综合考虑，比较其质量、软件支持能力、后续开发和服务能力。

表3-1列出了部分数据采集卡的种类和用途，板卡详细的信息资料请查询相关公司的宣传资料。

表2-1  数据采集卡的种类和用途

还有其它一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与PC配合使用，使系统的构成十分容易。

值得一提的是智能接口板卡。在多任务实时控制系统中，为了提高实时性，要求模拟量板卡具有更高的采集速度，通信板卡具有更高的通信速度。当然可以采用多种办法来提高采集和通信速度，但在实时性要求特别高的场合，则需要采用所谓智能接口板卡。某智能CAN接口板卡产品图如图2-8所示。

所谓“智能”就是增加了CPU或控制器的I/O板卡，使I/O板卡与CPU具有一定的并行性。例如，除了PC主机从智能模拟量板卡读取结果时是串行操作外，模拟量的采集和PC主机处理其它事件是同时进行的。

图2-8  某智能CAN接口板卡产品图

（三）数据采集卡的选择

要建立一个数据采集与控制系统，数据采集卡的选择至关重要。

在挑选数据采集卡时，用户主要考虑的是根据需求选取适当的总线形式，适当的采样速率，适当的模拟输入、模拟输出通道数量，适当的数字输入、输出通道数量等。并根据操作系统以及数据采集的需求选择适当的软件。主要选择依据如下。

1、通道的类型及个数

根据测试任务选择满足要求的通道数，选择具有足够的模拟量输入与输出通道数、足够的数字量输入与输出通道数的数据采集卡。

2、最高采样速度

数据采集卡的最高采样速度决定了能够处理信号的最高频率。

根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的2倍或2倍以上，即fs≥2fmax，采集到的数据才可以有效地复现出原始的采集信号。工程上一般选择fs=（5～10）fmax。一般的过程通道板卡的采样速率可以达到30~100kHz。快速A-D卡可达到1000kHz或更高的采样速率。

3、总线标准

数据采集卡有PXI、PCI、ISA等多种类型，一般是将板卡直接安装在计算机的标准总线插槽中。需根据计算机上的总线类型和数量选择相应的采集卡。

4、其它

如果模拟信号是低电压信号，用户就要考虑选择采集卡时需要高增益。如果信号的灵敏度比较低，则需要高的分辨率。同时还要注意最小可测的电压值和最大输入电压值，采集系统对同步和触发是否有要求等。

数据采集卡的性能优劣对整个系统举足轻重。选购时不仅要考虑其价格，更要综合考虑各种因素，比较其质量、软件支持能力、后续开发和服务能力等。

四、执行机构及驱动

在计算机控制系统中，必须将经过采集、转换、处理的被控参量（或状态）与给定值（或事先安排好的动作顺序）进行比较，然后根据偏差来控制相关输出部件，达到自动调节被控量（或状态）的目的。

例如，在机床加工工业中，经常控制电动机的正、反转及其转速，以完成进刀、退刀及走刀的任务；在雷达天线位置跟踪系统中，需要控制伺服阀油缸的位置；在各种温湿度控制系统中，经常需要控制阀门的开闭和开度，以控制液体和气体的流量；在机器人控制系统中，经常要控制各关节上伺服电动机的转动方向和速度；在程控交换系统和配料过程控制系统中，经常要控制继电器、接触器，以满足各种动作的需要等。

所有这些伺服电动机、电动机、阀门、继电器、接触器等输出部件，统称为执行机构，也称为执行装置或执行器。

执行机构的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。

（一） 执行机构的种类

执行机构有各种各样的形式，按所需能量的形式可分为气动执行机构、电动执行机构和液压执行机构。常用的执行机构为气动和电动两种类型。

1、气动执行机构

以压缩空气为动力的执行机构称为气动执行机构。气动执行机构主要分为薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。

由于气动执行机构结构简单，价格低，输出推力大，防火防爆，动作可靠，维修方便，适用于防火、防爆场合，因此广泛应用在化工、炼油生产中，在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量使用。某气动执行机构如图2-18所示。

气动执行机构与计算机的连接极为方便，只要将电信号经电气转换器转换成标准的气压信号之后，即可与气动执行机构配套使用。

2、电动执行机构

电动执行机构是工程上应用最多、使用最方便的一种执行器，特点是体积小、种类多、使用方便。下面简单介绍几种常用的电动执行机构。

图2-18  气动执行机构产品图

1）电磁式继电器

它是一种用小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件，主要由线圈、铁心、衔铁和触点四部分组成。

继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点断开，从而使外部高电压或大电流与微机隔离。

电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，也可以是交流的，电压规格也有很多种。输出触点的电流、电压也有很多种规格。电磁式继电器的线圈、触点可以使用各自独立的电源，两者之间相互绝缘，耐压可达千伏以上。

它还有很大的电流放大作用，因此，电磁式继电器是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。

它的不足是机械式触点动作时间较慢，在开关瞬间触点容易产生火花，引起干扰，减短使用寿命。图2-19示为某型号电磁式继电器。

2）固态继电器

固态继电器简称SSR（Solid State Relay），它利用电子技术实现了控制电路与负载电路之间的电隔离和信号耦合，虽然没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它实际上是一种带光耦合器的无触点开关。

由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠、寿命长等优点，因此,在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁式继电器之势。图2-20所示为某型号固态继电器。

根据结构形式的不同，固态继电器分为直流型固态继电器和交流型固态继电器两种。

3）电磁阀

电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体，如图2-21所示。其广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。

电磁阀由线圈、固定铁心、可动铁心和阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁心受弹簧作用与固定铁心脱离，阀门处于关闭状态；当线圈通电时，可动铁心克服弹簧力的作用而与固定铁心吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体的流动，再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动。

图2-19 电磁式继电器          图2-20 固态继电器          图2-21 电磁阀  

电磁阀通常是处于关闭状态的，通电时才开启，以避免电磁铁长时间通电而发热烧毁。但也有例外，当电磁阀用于紧急切断时，则必须使其平常开启，通电时关闭。这种紧急切断用的电磁阀,结构与普通电磁阀不同，使用时必须采取一些特殊措施。

电磁阀有交流和直流之分。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁阀工作可靠，但需专门的直流电源，电压分12 V、24 V和48V三个等级。

4）调节阀

调节阀是用电动机带动执行机构连续动作以控制开度大小的阀门，又称为电动阀，如图2-22所示。由于电动机行程可完成直线行程也可完成旋转的角度行程，所以有可以带动直线移动的调节阀如直通单座阀、直通双座阀、三通阀、隔膜阀、角形阀等，也有可以带动叶片旋转阀芯的蝶形阀。

根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件，通过改变阀芯的行程可改变调节阀的阻力系数，从而达到控制流量的目的。

5） 伺服电动机

伺服电动机也称为执行电动机，是控制系统中应用十分广泛的一类执行元件，如图2-23所示。它可以将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出。在信号到来之前，转子静止不动；信号到来之后，转子立即转动；信号消失之后，转子又能即时自行停转。由于这种“伺服”性能，因而将这种控制性能较好、功率不大的电动机称做伺服电动机。

伺服电动机有直流和交流两大类。直流伺服电动机的输出功率常为1～600W，往往用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的功率较小，一般为0.1～100W，用于功率较小的控制系统。

6） 步进电动机

步进电动机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制元件之一，它是一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的执行器，如图2-24所示。

步进电动机按其运动方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机，前者每输入一个电脉冲转换成一定的角位移，后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线位移。由此可见，步进电动机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受电压、负载及环境条件变化的影响，与一般电动机相比能够提供较高精度的位移和速度控制。

图2-22 电动阀            图2-23 伺服电动机              图2-24 步进电动机

此外，步进电动机还有快速起停的显著特点，并能直接接收来自计算机的数字信号，而不需经过D-A转换，使用十分方便，所以在定位场合中得到了广泛的应用。如在数控线切割机床上用于带动丝杠，控制工作台运动；在绘图仪、打印机、光学仪器中用于定位绘图笔、打印头、光学镜头等。

（二）执行机构的驱动

就接口技术而言，执行装置的接口与一般输出设备的接口没什么两样，主要差别在于，要想驱动它们，必须具有较大的输出功率，这就要求接口不仅能与微机的TTL、CMOS等器件连接，而且能向执行装置提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作。

另一方面，由于各种执行装置的动作原理不尽相同，有的用电动，有的用气动或液压，因此如何使微机输出的信号与之匹配，也是执行装置接口必须解决的重要问题。

在各种执行装置的接口中，为了实现与执行装置的功率配合，一般都要在微机输出口（包括数据总线及I/O接口）与执行装置之间增加一级驱动器。

下面介绍电磁继电器、固态继电器、晶闸管、电磁阀、伺服电动机、步进电动机等的驱动控制方法。

1、电磁继电器的驱动控制方法

电磁继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，可以通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。

继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。

虽然继电器本身带有一定的隔离作用，但在与微型机接口时通常还是采用光隔离器进行隔离，常用的接口驱动电路如图2-25所示。

图2-25 继电器输出驱动电路

当开关量PC0输出为高电平时，经反相驱动器7404变为低电平，使光耦隔离器的光敏二极管发光，从而使光敏晶体管导通，同时使晶体管VT9013导通，因而使继电器KM的线圈通电，继电器常开触点KM闭合，使交流220V电源接通，从而驱动大型负荷设备；反之，当PC0输出低电压时，使KM断开。

图2-25中电阻R1为限流电阻，二极管VD的作用是保护晶体管VT9013。当继电器KM吸合时，二极管VD截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管VT9013已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。此电压的极性为上负下正，正端接在晶体管的集电极上。当感应电压与VC之和大于晶体管VT9013的集电结反向电压时，晶体管VT9013有可能损坏。加入二极管VD后，继电器线圈产生的感应电流由二极管VD流过，因此，不会产生很高的感应电压，因而使晶体管VT9013得到保护。

2、固态继电器的驱动控制方法

在继电器控制中，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰；对于交流高压等场合，触点还容易氧化，因而影响系统的可靠性。所以随着微机控制技术的发展，人们又研究出一种新型的输出控制器件—固态继电器（SSR）。

直流SSR主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机控制，直流步进电动机控制和直流电磁阀控制等。交流型SSR采用双向晶闸管作为开关器件，用于交流大功率驱动场合，如交流电动机控制、交流电磁阀控制等。

图2-26为一种常用的直流固态继电器驱动电路，当数据线Di输出数字“0”即低电平时，经7406反相变为高电平，使NPN型晶体管导通，SSR输入端得电，则输出端接通大型交流负荷设备RL。

图2-26 固态继电器输出驱动电路

3、电磁阀的驱动控制方法

由于电磁阀也是由线圈的通断电来控制的，其工作原理与继电器基本相同，都是带动活动芯运动，故其与微机的接口与继电器相同，也是由光隔离器及开关电路等来控制的。

对于交流电磁阀，由于线圈要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。

图2-27为交流电磁阀接口电路图。交流电磁阀线圈由双向晶闸管VT驱动。VT的选择要满足：额定工作电流为交流电磁阀线圈工作电流的2～3倍；额定工作电压为交流电磁阀线圈电压的2～3倍。对于中小尺寸交流220V工作电压的交流电磁阀，可以选择3A、600V的双向晶闸管。

光隔离器MOC3041的作用是触发双向晶闸管VT以及隔离微机和电磁阀系统。光隔离器的输入端接7407，由8255的PC0控制。当PC0输出为低电平时，双向晶闸管VT导通，电磁阀吸合；PC0输出高电平时，双向晶闸管VT关断，电磁阀释放。MOC3041内部带有过零电路，因此双向晶闸管VT工作在过零触发方式。

图2-27 交流电磁阀驱动电路

4、步进电动机的驱动控制方法

典型的步进电动机控制系统如图2-28所示。步进电动机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。

图2-28 步进电动机控制系统的组成

步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电动机，并进行正、反转控制。

功率放大器的作用是把控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电动机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器电路复杂、成本高，因而限制了它的应用。

如果采用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器，则问题将大大简化。这不仅简化了电路，降低了成本，而且可靠性也大为提高。

特别是采用微机控制，更可以根据系统的需要灵活改变步进电动机的控制方案，使用起来很方便。典型的微机控制步进电动机系统原理图如图5-57所示。

图2-29 用微机控制步进电动机系统原理图

图2-28与图2-29相比，主要区别在于用微机代替了步进控制器。因此，微机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电动机的脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。

五、信息传输介质

传输介质是指数据通信中用来传递信号的媒体。由于不同介质的物理和电气特性不同，它们的传输速率和传输距离也就不同。

计算机控制系统数据通信中常采用两大类：有线传输介质和无线传输介质。

（一）有线传输介质

1、双绞线电缆

双绞线电缆（简称双绞线）是将一对或一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中而形成的一种传输介质。导线一般是铜质的，也有用铜包着钢的，这样可使导线具有一定强度。双绞线以其价格低廉而广泛地应用于计算机控制的底层现场连线，同时，也是目前局域网中最常用到的一种布线材料。

为了降低信号的受干扰程度（使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小），电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，每根导线加绝缘层并用色标来标记，双绞线也因此而得名。

1）非屏蔽双绞线

    非屏蔽双绞线由多对双绞线与一个塑料外套构成，如图2-30所示。双绞线利用增加缠绕密度，使用高质量绝缘材料等手段，极大地改善了传输品质，一般用于速度较高的网络。

2）屏蔽双绞线

在非屏蔽双绞线的导线与外塑料套管之间增加一层铝箔，就构成屏蔽双绞线，如图2-31所示。因此，屏蔽双绞线的价格比非屏蔽双绞线贵，介于同轴电缆与光缆之间。

双绞线一般用于星形网的布线连接，两端安装有RJ-45头（水晶头），连接工作站或现场控制器的网卡和集线器，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器。双绞线的另一种使用方法是利用其链接多个现场控制或检测单元。

图2-30 非屏蔽双绞线                               图2-31  屏蔽双绞线

2、同轴电缆

    同轴电缆是计算机控制系统主干传输线路或局域网中使用得非常广泛的一种传输介质。其最里层（中心）是一根单芯铜导线或一股铜导线；第二层是泡沫塑料，起绝缘作用；

第三层是网状的导体或导电铝箔，用以屏蔽电磁干扰和辐射；最外层是绝缘塑料套，如图2-32所示。这种结构的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号。

根据传输频带的不同，同轴电缆可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型。按直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆两种。粗缆适用于比较大的局域网的布线，它的布线距离较长，可靠性较好，安装时采用特殊的装置，不需切断电缆，两端头装有终端器。用粗缆组建局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，而且造价太高，同时细缆近年来的发展较快，所以计算机局域网中一般如无特殊要求都使用细缆组网。细缆一般以总线型结构在网络中出现。细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不甚方便，一旦一个用户出故障，便会影响其它用户的正常工作。

当频率较高时，同轴电缆的抗干扰性优于双绞线。同轴电缆的安装费用介于双绞线与光导纤维之间。

3、扁平电缆

扁平电缆由嵌入扁平绝缘层中的多根导线构成。如图2-33所示。

扁平电缆比多股双绞线更便宜，更灵活。扁平电缆最适合用在需要一个单一连接器类型的直接连接中。在许多设备必须连到一条单一电缆上时，接插件使这条电缆很容易地变为一条总线使用。

因为通常扁平电缆比多股导线电缆柔软，所以扁平电缆可放在地下并且穿过其它压缩的空间。在个人计算机内部，扁平电缆用于连接盘驱动器和它们的控制器。通常扁平电缆不屏蔽，但也有屏蔽类型电缆。包在塑料层内的屏蔽类型扁平电缆，它看上去与多股导线电缆相同。

4、电力线

采用电力线作为传输介质可以大大地降低成本。特别是近年来在智能小区、智能楼宇中普遍采用了远程抄表技术，如果能够采用电力线作为传输介质直接将传输电能的交流电网作为传输网络，就能大大降低成本和缩短工时。利用频带传输技术就可以实现电力线作为传输介质的数据传输。由于交流电网的干扰比较多，载波的频率一般选择在100～300kHz。同时，也是由于交流电网的干扰比较多，在要求大数据量、高可靠性的应用场合一般不使用这种传输介质。另外，在采用电力线作为传输介质时，一般都将传输距离限制在同一个电力变压器的供电范围内，而且发送和接受设备最好均连接在同一相电源线上。

5、光导纤维

光缆是由一组光纤组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。光纤与电导体构成的传输媒体最基本的差别是，它的传输信息是光束，而非电气信号。因此，光纤传输的信号不受电磁的干扰。

与传统电缆相比，光纤具有体积小、重量轻、损耗小、便于铺设、传输距离长的优点。由于光纤传输损耗低，所以其中继距离达到几十千米至上百千米，而传统的电传输线中继距离仅为几千米。

光纤具有抗干扰性好、保密性强、使用安全等特点。它是非金属介质材料，具有很强的抗电磁干扰能力，这是传统的电通信所无法比拟的。光纤具有抗高温和耐腐蚀的性能，可以抵御恶劣的工作环境。

光纤由单根玻璃光纤、紧靠纤芯的包层以及塑料保护涂层组成，如图2-34所示。为使用光纤传输信号，光纤两端必须配有光发射机和接收机。光发射机执行从光信号到电信号的转换，实现电光转换的通常是发光二极管（LED）或注入式激光二极管；实现光电转换的是光电二极管或光电三极管。

光纤具有单向传输性，因此要实现双向通信，光纤必须是成对地使用，一根用于输出，另一根用于输入。

上述几种传输介质，双绞线价格便宜，对低通信容量的局域网来说，双绞线的性能价格比是最好的。楼宇内的网络线就可以使用双绞线，与同轴电缆比，双绞线的带宽受到限制。同轴电缆的价格介于双绞线与光缆之间，当通信容量较大且需要连接较多设备时，选择同轴电缆较为合适。光纤与双绞线和同轴电缆相比，其优点有：频带宽、速度高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低。因此，对于高质量、高速度或者是要求长距离传输的数据通信网，光纤是非常合适的传输介质。随着技术的发展和成本的降低，光纤在局域网中将得到更加广泛的应用。

（二）无线传输介质

无线传输介质是指电磁波、微波、红外线、激光等，数据的传输通过大气进行，而无须敷设有形介质（双绞线、光缆等）。

微波传输是沿直线传播的，而地球表面是球面；同时，微波在空气中传播时，其能量有可能被气体分子谐振，也有可能被大气中的雨或雾所吸收。另外，微波传播还会受大气折射的影响。所以，微波在地面上的传播距离有限，其传播距离与天线的高度有关，天线越高，传输距离越远。当超过一定距离后，就需要用中继站来接力。红外线传输和激光传输与微波传输一样，都是沿直线传播的，都需要发送方和接收方之间有一条视线通路，有时称这三者为视线介质。这三种技术对环境气候（如雨、雾及雷电）较敏感，相比之下，微波对一般雨、雾的敏感程度要低些。

图2-35是利用红外线传输与反射原理制成的红外测温传感器。图2-36是利用电磁波反射制成的雷达测速装置。

图2-35  红外光电测温                      图2-36 公路雷达测速

传输介质的选择主要取决于以下几个因素：网络拓扑结构、通信的容量、可靠性要求、架设的环境、所能承受的价格等。

习题与思考题

3-1  查阅文献资料，了解PCI-1710HG数据采集卡的软硬件安装及配置方法。

3-2  查阅文献资料，了解USB4711数据采集模块软硬件安装及配置方法。

3-3  查阅文献资料，了解ADAM4000系列远程I/O模块软硬件安装及配置方法。

3-4  试列举出5个你所了解的自动测量与控制装置中使用的传感器或变送器（不同种类），它们在系统中起什么作用？

3-5  上网搜索各种商品化的温度、压力、物位、流量、振动、位移、加速度等传感器的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。

3-6 上网搜索商品化的电磁式继电器、固态继电器、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行器（机构）的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。