計算機控制系統過程通道設計方法
第2章 計算機控制系統過程
通道設計方法
教學提示：計算機控制系統要實作控制的目的和要求，首先必須解決控制系統的資訊
來源和經控制器處理後的資訊輸出問題，也就是說要解決控制系統的輸入/輸出通道(又稱為
過程通道)的問題。它們在計算機控制系統設計中占有非常重要的地位，起着關鍵性的作用。
根據信号的形式，可以把過程通道分為兩類：數字量過程通道和模拟量過程通道。它們在
計算機控制系統中實作外部裝置和控制計算機之間的資料交換。
教學要求：通過本章的學習，要求掌握數字量和模拟量過程通道的基本結構，并能完
成模拟量過程通道和數字量過程通道的設計。
2.1 數字量過程通道的設計方法
在工業控制中，有一些信号可以通過二進制的邏輯形式“0 ”和“1”來表示，如電動
機的啟動和停止，繼電器的吸合與釋放，訓示燈的亮和滅等。這一類信号就是數字信号(準
确地說應該是開關量，這裡把開關量和數字量統稱數字量) ，數字量過程通道主要完成對這
類信号的處理。數字量過程通道分為數字量輸入通道和數字量輸出通道兩類通道形式。
2.1.1 數字量輸入通道設計方法
數字量輸入(DI，Digital Input)通道，主要用于将生産過程中的數字信号轉換成計算機
能接受的形式。
設計數字量輸入通道時，應注意兩個問題：一是輸入電平的形式，二是要使通道抗噪
聲。由于數字量輸入電平一般與計算機的接口電平不同，需要進行電平轉換；并且要求過
程噪聲應該抑制在正常範圍之内，防止噪聲引發誤動作。電平轉換和噪聲抑制過程稱為信
号調理。
數字量輸入通道的框圖如圖 2.1 所示。圖中包含了數字量輸入常見的三種形态：外部
的開關信号及邏輯電平信号(如電源開關、限位開關、接觸器和繼電器的輔助觸點等) ；數
字脈沖信号(如脈沖電能表等) ；系統設定開關(如單片機的位址設定開關等) 。
通常情況下，上述三種形态經過不同的調理電路，通過三态緩沖器/ 總線驅動器，如
74240(八反相三态緩沖器/ 總線驅動器) 、74241(八同相三态緩沖器/ 總線驅動器) 、74243( 四
同相三态緩沖器/總線驅動器) 、74244(八同相三态緩沖器/總線驅動器)等，最終為計算機識
别，是以輸入調理電路設計的好壞将直接影響系統的性能。在某些特殊情況下，為了提高
計算機控制系統的實時性，還可以将某些開關信号通過調理電路後，直接作為系統的中斷
請求信号。
·18 · 計算機控制系統
圖 2.1 數字量輸入通道的框圖
1. 外部的開關信号及邏輯電平信号調理電路
1) 直接分壓
數字量的電壓信号一般大于計算機的接口電平，是以可以采用分壓的方式對數字量的
電壓信号進行衰減。圖2.2 所示是直接分壓原理圖。
直接分壓方式在實際中應用較少，原因是開
關信号系統與計算機系統在電氣上沒有進行隔
離，開關信号系統的電氣噪聲容易竄入計算機系
統，進而可能導緻系統不穩定甚至損壞的情況。
是以，在設計中很少采用這種方式。
2) 光電耦合技術
為了實作計算機系統與外部電氣系統的隔
離，同時基于成本的考慮，通常情況下在設計數
圖 2.2 直接分壓原理圖
字量輸入調理電路時，常使用光耦合器(Optical
Coupler，簡稱光耦)完成設計。使用光耦的好處除了實作電氣隔離外，還可以使電壓不同
的子系統信号之間互相相容，另外可防止電氣噪聲或其他尖峰電壓從接口電路傳到另一
個電路。
在一些數字量較少的計算機控制系統中，還可以采用專用的內建接口晶片來實作電氣
隔離，如 Motorola 的多路開關檢測接口晶片 MC33993 。它能檢測多達22 個開關觸點的閉
合與斷開。其開關狀态(通或斷)能通過串行外圍接口(SPI，Serial Peripheral Interface)傳送到
計算機。通常用于工業控制場合，其電源電壓為 5.5～26V ，開關輸入電壓範圍為-14V 到
電源電壓，詳細的資料見相關的資料手冊。
來自外部的開關信号及邏輯電平信号不外乎三種電壓形式：空接點(不帶電壓，一般來
自繼