计算机控制系统过程通道设计方法
第2章 计算机控制系统过程
通道设计方法
教学提示：计算机控制系统要实现控制的目的和要求，首先必须解决控制系统的信息
来源和经控制器处理后的信息输出问题，也就是说要解决控制系统的输入/输出通道(又称为
过程通道)的问题。它们在计算机控制系统设计中占有非常重要的地位，起着关键性的作用。
根据信号的形式，可以把过程通道分为两类：数字量过程通道和模拟量过程通道。它们在
计算机控制系统中实现外部设备和控制计算机之间的数据交换。
教学要求：通过本章的学习，要求掌握数字量和模拟量过程通道的基本结构，并能完
成模拟量过程通道和数字量过程通道的设计。
2.1 数字量过程通道的设计方法
在工业控制中，有一些信号可以通过二进制的逻辑形式“0 ”和“1”来表示，如电动
机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯的亮和灭等。这一类信号就是数字信号(准
确地说应该是开关量，这里把开关量和数字量统称数字量) ，数字量过程通道主要完成对这
类信号的处理。数字量过程通道分为数字量输入通道和数字量输出通道两类通道形式。
2.1.1 数字量输入通道设计方法
数字量输入(DI，Digital Input)通道，主要用于将生产过程中的数字信号转换成计算机
能接受的形式。
设计数字量输入通道时，应注意两个问题：一是输入电平的形式，二是要使通道抗噪
声。由于数字量输入电平一般与计算机的接口电平不同，需要进行电平转换；并且要求过
程噪声应该抑制在正常范围之内，防止噪声引发误动作。电平转换和噪声抑制过程称为信
号调理。
数字量输入通道的框图如图 2.1 所示。图中包含了数字量输入常见的三种形态：外部
的开关信号及逻辑电平信号(如电源开关、限位开关、接触器和继电器的辅助触点等) ；数
字脉冲信号(如脉冲电能表等) ；系统设置开关(如单片机的地址设置开关等) 。
通常情况下，上述三种形态经过不同的调理电路，通过三态缓冲器/ 总线驱动器，如
74240(八反相三态缓冲器/ 总线驱动器) 、74241(八同相三态缓冲器/ 总线驱动器) 、74243( 四
同相三态缓冲器/总线驱动器) 、74244(八同相三态缓冲器/总线驱动器)等，最终为计算机识
别，因此输入调理电路设计的好坏将直接影响系统的性能。在某些特殊情况下，为了提高
计算机控制系统的实时性，还可以将某些开关信号通过调理电路后，直接作为系统的中断
请求信号。
·18 · 计算机控制系统
图 2.1 数字量输入通道的框图
1. 外部的开关信号及逻辑电平信号调理电路
1) 直接分压
数字量的电压信号一般大于计算机的接口电平，因此可以采用分压的方式对数字量的
电压信号进行衰减。图2.2 所示是直接分压原理图。
直接分压方式在实际中应用较少，原因是开
关信号系统与计算机系统在电气上没有进行隔
离，开关信号系统的电气噪声容易窜入计算机系
统，从而可能导致系统不稳定甚至损坏的情况。
因此，在设计中很少采用这种方式。
2) 光电耦合技术
为了实现计算机系统与外部电气系统的隔
离，同时基于成本的考虑，通常情况下在设计数
图 2.2 直接分压原理图
字量输入调理电路时，常使用光耦合器(Optical
Coupler，简称光耦)完成设计。使用光耦的好处除了实现电气隔离外，还可以使电压不同
的子系统信号之间相互兼容，另外可防止电气噪声或其他尖峰电压从接口电路传到另一
个电路。
在一些数字量较少的计算机控制系统中，还可以采用专用的集成接口芯片来实现电气
隔离，如 Motorola 的多路开关检测接口芯片 MC33993 。它能检测多达22 个开关触点的闭
合与断开。其开关状态(通或断)能通过串行外围接口(SPI，Serial Peripheral Interface)传送到
计算机。通常用于工业控制场合，其电源电压为 5.5～26V ，开关输入电压范围为-14V 到
电源电压，详细的资料见相关的数据手册。
来自外部的开关信号及逻辑电平信号不外乎三种电压形式：空接点(不带电压，一般来
自继