第4章過(guò)程輸入輸出

通道當(dāng)計(jì)算機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)量信號(hào)的輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲取被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)需要的被測(cè)信號(hào)，一般可分為開(kāi)關(guān)量和模擬量二種。所謂開(kāi)關(guān)量輸入，是指輸入信號(hào)為狀態(tài)信號(hào)，其信號(hào)電平只有二種，即高電平或低電平。對(duì)于這類(lèi)信號(hào)，只需經(jīng)放大、整形和電平轉(zhuǎn)換等處理后，即可直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于模擬量輸入，由于模擬信號(hào)的電壓或電流是連續(xù)變化信號(hào)，其信號(hào)幅度在任何時(shí)刻都有定義，因此對(duì)其進(jìn)行處理就較為復(fù)雜，在進(jìn)行小信號(hào)放大、濾波量化等處理過(guò)程中需考慮干擾信號(hào)的抑制、轉(zhuǎn)換精度及線(xiàn)性等諸多因素；而這種信號(hào)又是測(cè)控系統(tǒng)中最普通、最常碰到的輸入信號(hào)，如對(duì)溫度、濕度、壓力、流量、液位、氣體成份等信號(hào)的處理等。對(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的拾取，一般都離不開(kāi)傳感器或敏感器件，這是因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)往往是一種非電物理量，而計(jì)算機(jī)只是一個(gè)能識(shí)別和處理電信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)，因此利用傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能完成測(cè)量和控制的任務(wù)。然而，利用傳感器轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)，尤其是模擬信號(hào)，往往是小信號(hào)，需經(jīng)放大后才能進(jìn)行有效的處理。對(duì)于多路輸入情況，如多路參數(shù)巡回檢測(cè)等，則需采用多路切換技術(shù)。另外，測(cè)控系統(tǒng)要對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制，則需要開(kāi)關(guān)量及模擬量輸出。本章主要講述了傳感器、變送器、執(zhí)行器、IEEE1451智能變送器標(biāo)準(zhǔn)、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校正、A-D和D-A轉(zhuǎn)換技術(shù)及數(shù)字量輸入輸出電路等內(nèi)容。4.1傳感器傳感器的主要作用是拾取外界信息。如同人類(lèi)在從事各種作業(yè)和操作時(shí)，必須由眼睛、耳朵等五官獲取外界信息一樣，否則就無(wú)法進(jìn)行有效地工作和正確操作。傳感器是測(cè)控系統(tǒng)中不可缺少的基礎(chǔ)部件。4.1.1傳感器的定義和分類(lèi)及構(gòu)成1．傳感器的定義和分類(lèi)傳感器的通俗定義可以說(shuō)成“信息拾取的器件或裝置”。傳感器的嚴(yán)格定義是：把被測(cè)量的量值形式（如物理量、化學(xué)量、生物量等）變換為另一種與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系、且便于計(jì)量的量值形式（通常是電量）的器件或裝置。它實(shí)現(xiàn)兩種不同形式的量值之間的變換，目的是為了計(jì)量、檢測(cè)。因此，除叫傳感器（Sensor）外，也有叫換能器（Transducer）的，兩者難以明確區(qū)分。從量值變換這個(gè)觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，對(duì)每一種（物理）效應(yīng)都可在理論上或原理上構(gòu)成一類(lèi)傳感器。因此，傳感器的種類(lèi)繁多。在對(duì)非電量的測(cè)試中，有的傳感器可以同時(shí)測(cè)量多種參量，而有時(shí)對(duì)一種物理量又可用多種不同類(lèi)型的傳感器進(jìn)行測(cè)量。因此，對(duì)傳感器的分類(lèi)有很多種方法?？梢愿鶕?jù)技術(shù)和使用要求、應(yīng)用目的、測(cè)量方法、傳感材料的物性、傳感或變換原理等進(jìn)行分類(lèi)。2．傳感器的構(gòu)成傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和其它輔助件組成，有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。如圖4-1所示。圖4-1傳感器組成方框圖敏感元件是直接感受被測(cè)量（一般為非電量），并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其它量（一般為電量）的元件。敏感元件是傳感器的核心部件，它不僅拾取外界信息，還必須把變換后的量值傳輸出去。圖4-1中的信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路把傳感元件輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、加工處理，輸出有利于顯示、記錄、檢測(cè)或控制的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路或簡(jiǎn)或繁,視傳感元件的類(lèi)型而定，常見(jiàn)的電路有電橋電路、放大器、阻抗變換器等。利用傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高性能的測(cè)量或控制系統(tǒng)，必須了解傳感器的性能，根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器，并設(shè)計(jì)精確可靠的信號(hào)處理電路。1．精確度傳感器的精確度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于傳感器滿(mǎn)量程輸出的百分?jǐn)?shù)。工程技術(shù)中為簡(jiǎn)化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級(jí)概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示。如壓力傳感器的精度等級(jí)分別為0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，1.5，2.0等。傳感器設(shè)計(jì)和出廠(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，其精度等級(jí)代表的誤差指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的最大允許誤差。4.1.2傳感器的基本性能2．穩(wěn)定性（1）穩(wěn)定度：一般指時(shí)間上的穩(wěn)定性。它是由傳感器和測(cè)量?jī)x表中隨機(jī)性變動(dòng)、周期性變動(dòng)、漂移等引起示值的變化程度。（2）環(huán)境影響：室溫、大氣壓、振動(dòng)等外部環(huán)境狀態(tài)變化給予傳感器和測(cè)量?jī)x表示值的影響，以及電源電壓、頻率等儀表工作條件變化給示值的影響統(tǒng)稱(chēng)環(huán)境影響，用影響系數(shù)來(lái)表示?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。信息采集系統(tǒng)的首要部件是傳感器，且置于系統(tǒng)的最前端。在一個(gè)現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中，如果沒(méi)有傳感器，就無(wú)法監(jiān)測(cè)與控制表征生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的各種參量，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器實(shí)際上是現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域如下。1．生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量與控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)溫度、壓力、流量、位移、液位和氣體成分等參量進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的控制。4.1.3傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域2．安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)利用傳感器可對(duì)高溫、放射性污染以及粉塵彌漫等惡劣工作條件下的過(guò)程參量進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制，并可實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)?？捎糜诒O(jiān)控、防災(zāi)、防盜等方面的報(bào)警系統(tǒng)。在環(huán)境保護(hù)方面可用于對(duì)大氣與水質(zhì)污染的監(jiān)測(cè)、放射性和噪聲的測(cè)量等方面。3．自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人傳感器可提供各種反饋信息，尤其是傳感器與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，使自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)化程度大大提高。在現(xiàn)代機(jī)器人中大量使用了傳感器，其中包括力、扭矩、位移、超聲波、轉(zhuǎn)速和射線(xiàn)等許多傳感器。4．交通運(yùn)輸和資源探測(cè)傳感器可用于交通工具、道路和橋梁的管理，以保證提高運(yùn)輸?shù)男逝c防止事故的發(fā)生。還可用于陸地與海底資源探測(cè)以及空間環(huán)境、氣象等方面的測(cè)量。5．醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器利用傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)病患者的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與監(jiān)護(hù)，可進(jìn)行微量元素的測(cè)定，食品衛(wèi)生檢疫等。1.溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它與人類(lèi)生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制過(guò)程中的四大物理量（溫度、壓力、流量和物位）之一，也是人類(lèi)研究最早、檢測(cè)方法最多的物理量之一。溫度傳感器測(cè)量被測(cè)介質(zhì)溫度的方式可分為兩大類(lèi)：接觸式和非接觸式。測(cè)溫時(shí)使傳感器與被測(cè)物體直接接觸的稱(chēng)為接觸式溫度傳感器。這類(lèi)傳感器種類(lèi)較多，如熱電偶、熱電阻、PN結(jié)等。傳感器與被測(cè)物體不接觸，而是利用被測(cè)物體的熱輻射或熱對(duì)流來(lái)測(cè)量的稱(chēng)為非接觸式溫度傳感器，如紅外測(cè)溫傳感器等，它們通常用于高溫測(cè)量，如煉鐵煉鋼爐內(nèi)溫度測(cè)量。4.1.4常用傳感器2.濕度傳感器濕度是指空氣中含有濕空氣的量，通常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度來(lái)表示。但一般在工業(yè)上使用時(shí)，常用相對(duì)濕度的概念來(lái)描述空氣的含濕量。濕度傳感器常用于化纖、造紙、倉(cāng)庫(kù)、育種、機(jī)房、家電等各個(gè)領(lǐng)域，并隨著精密加工和制造技術(shù)對(duì)環(huán)境要求的提高，人們對(duì)居室環(huán)境要求的進(jìn)一步需求等而得到更廣泛的應(yīng)用。濕度測(cè)量可以選擇濕度變送器，輸出為4～20mA或RS-485數(shù)字接口。另外，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)

接口輸出的溫濕度傳感器。如SENSIRION公司生產(chǎn)的接口輸出的溫濕度傳感器SHT20、SHT7X系列等。SHT20數(shù)字溫濕度傳感器如圖4-2所示，SHT71通用型溫濕度傳感器如圖4-3所示。圖4-2SHT20數(shù)字溫濕度傳感器圖4-3SHT71通用型溫濕度傳感器3.流量傳感器流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及檢測(cè)與控制中一個(gè)很重要的參數(shù)，凡是涉及到具有流動(dòng)介質(zhì)的工藝流程，無(wú)論是氣體、液體還是固體粉料，都與流量的檢測(cè)與控制有著密切的關(guān)系。流量有兩種表示方式：一種是瞬時(shí)流量即單位時(shí)間所通過(guò)的流體容積或質(zhì)量；一種是累積流量，即在某段時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)流體的總量。檢測(cè)流量的裝置是多種多樣的。從檢測(cè)方法上說(shuō)，可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接檢測(cè)，即從流量的定義出發(fā)，同時(shí)檢測(cè)流體流過(guò)的體積（或重量）和時(shí)間；另一類(lèi)是間接檢測(cè)，即檢測(cè)與流量或流速有關(guān)的其它物理參數(shù)并算出流量值。

直接檢測(cè)可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所得數(shù)據(jù)是在某一時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)的總量。在瞬時(shí)流量不變的情況下，用這種方法可求出平均流量，但這種方法不能用來(lái)檢測(cè)瞬時(shí)流量。一般流量檢測(cè)裝置是以間接檢測(cè)為基礎(chǔ)，然后用計(jì)算方法確定被測(cè)參數(shù)與流量之間的關(guān)系數(shù)據(jù)。按流量計(jì)檢測(cè)的原理，可分為差壓流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、漩渦流量計(jì)、電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等等。由于目前使用的流量計(jì)有上百種，測(cè)量原理、方法和結(jié)構(gòu)特性各不相同，正確地予以分類(lèi)是比較困難的。一般來(lái)說(shuō)，一種測(cè)量原理是不能適用于所有情況的，必須充分地研究測(cè)量條件，根據(jù)儀表的價(jià)格、管道尺寸、被測(cè)流體的特性、被測(cè)流體的狀態(tài)（是氣體、液體或蒸汽）、流量計(jì)的測(cè)量范圍以及所要求的精確度來(lái)選擇流量計(jì)。在空氣流量的測(cè)量中，Honeywell公司現(xiàn)在已生產(chǎn)出HAF系列數(shù)字式氣流傳感器，具有多種安裝方式。Honeywell公司的ZephyrTM數(shù)字式氣流傳感器HAF系列-高準(zhǔn)確度型為在指定的滿(mǎn)量程流量范圍及溫度范圍內(nèi)讀取氣流數(shù)據(jù)提供一個(gè)數(shù)字接口。它們的絕熱加熱器和溫度感應(yīng)元件可幫助傳感器對(duì)空氣流或其他氣流做出快速響應(yīng)。Zephyr傳感器設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量空氣和其他非腐蝕性氣體的質(zhì)量流量。它們采用標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量范圍，經(jīng)過(guò)了全面校準(zhǔn)，并利用一個(gè)設(shè)計(jì)在電路板上的“專(zhuān)用集成電路”（ASIC）進(jìn)行溫度補(bǔ)償。另外，Sensirion公司也推出了SDP500系列數(shù)字式動(dòng)態(tài)測(cè)量差壓傳感器，基于CMOSens傳感器技術(shù)，將傳感器元件、信號(hào)處理和數(shù)字標(biāo)定集成于一個(gè)微芯片，具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和重復(fù)性以及較寬的量程比，能夠以超高精度，無(wú)漂移地測(cè)量空氣和非腐蝕性氣體的流量。4.熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感技術(shù)是80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型學(xué)科。熱釋電紅外線(xiàn)傳感原理是基于：任何高于絕對(duì)溫度的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射——紅外線(xiàn)，但各種不同溫度的物體所輻射的電磁能及能量隨波長(zhǎng)的分布是不同的。物體的表面溫度越高，它輻射的能量就越強(qiáng)。人體紅外輻射的光譜在7~14μm，其中心波長(zhǎng)在9~11μm附近。根據(jù)不同物體及不同溫度體發(fā)出的紅外光譜的不同，可對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測(cè)和判別，如溫度的測(cè)定、火災(zāi)的預(yù)警、不同物體的識(shí)別、活動(dòng)目標(biāo)（人）的保安和防范、防盜等。為了區(qū)分人體（37℃左右）輻射的紅外線(xiàn)和周?chē)矬w輻射的紅外線(xiàn)，特別是近紅外輻射，常在熱釋電傳感探測(cè)元件前加一紅外濾光片，以抑制人體以外的紅外輻射干擾。熱釋電紅外線(xiàn)傳感器件（PIR）有多種，但大都是由高熱電系數(shù)的鋯鈦酸鉛系陶瓷，以及鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等配合濾波鏡片窗口所組成的。利用這種傳感器件，就可以非接觸方式對(duì)物體輻射出的紅外線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，察覺(jué)紅外線(xiàn)能量的變化，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

PIR傳感器的品種較多，可按外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)成的不同及性能分類(lèi)。從封裝、外形來(lái)分，有塑封式和金屬封裝（立式的和臥式的）等。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分，有單探測(cè)元、雙元件、四元件及特殊形等。PIR傳感器的外形如圖4-4所示。

線(xiàn)波長(zhǎng)為6.5~14μm。要求器件的靈敏度高，噪聲系數(shù)低，使用溫度范圍廣。圖4-4PIR傳感器的外形圖熱釋電紅外傳感器為被動(dòng)式紅外線(xiàn)傳感技術(shù)，它是利用紅外光敏器件將活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線(xiàn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、處理對(duì)被監(jiān)控的對(duì)象實(shí)施控制。它能可靠地將運(yùn)動(dòng)著的生物體（人）和飄落的物體加以區(qū)別。同時(shí)，它還具有監(jiān)控范圍大、隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)和誤報(bào)率低等特點(diǎn)。因而，被動(dòng)式紅外技術(shù)在自動(dòng)控制、自動(dòng)門(mén)啟閉、接近開(kāi)關(guān)、自動(dòng)照明、遙控遙測(cè)等方面，特別是在保安、防火、報(bào)警方面越來(lái)越受到重視和采用。5.光電傳感器

光電傳感器的作用是將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它是一種利用光敏器件作為檢測(cè)元件的傳感器。光電傳感器對(duì)光的敏感主要是利用半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性受光照射后發(fā)生變化的原理，即利用的是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為兩類(lèi)：（1）外光電效應(yīng)：即在光線(xiàn)作用下，物體內(nèi)的電子受激逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。利用這類(lèi)效應(yīng)的傳感器主要有光電管、光電倍增管等。（2）內(nèi)光電效應(yīng)：受光照射的物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。它也可分為光電導(dǎo)效應(yīng)（即電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為自由狀態(tài)，從而引起電阻率變化）和光生伏特效應(yīng)（物體在光線(xiàn)作用下產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)）。常用的光敏元件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。光電傳感器可廣泛用于報(bào)警、轉(zhuǎn)速測(cè)量、電能計(jì)量、包裝生產(chǎn)線(xiàn)等自動(dòng)化領(lǐng)域。6.氣敏傳感器氣敏傳感器是一種檢測(cè)氣體濃度、成分并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置，可用于工廠(chǎng)和車(chē)間的各種易燃易爆或?qū)θ梭w有害氣體的檢測(cè)、工業(yè)裝置的廢氣成分檢測(cè)、一般家庭的可燃性氣體泄漏檢測(cè)等。為了適應(yīng)各種被測(cè)的氣體，氣敏傳感器的種類(lèi)很多，主要有金屬氧化物半導(dǎo)體式、接觸燃燒式、熱傳導(dǎo)式、固體電解式、伽伐尼電池式、光干涉式以及紅外線(xiàn)吸收式等。半導(dǎo)體氣敏元件是利用被測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)，其電學(xué)特性（例如電導(dǎo)率）發(fā)生變化，以此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分或氣體的濃度。半導(dǎo)體氣敏傳感器主要用于檢測(cè)低濃度的可燃性氣體和毒性氣體，如CO，

，NOx，Cl2及CH4等碳?xì)湎禋怏w，其測(cè)量范圍為幾ppm~幾千ppm。

氣敏傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域如表4-1所示。表4-1氣敏傳感器應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)合檢測(cè)氣體可用敏感元件類(lèi)型家用氣體報(bào)警碳?xì)浠衔锇雽?dǎo)體氣敏元件石油鉆井、化工廠(chǎng)、制藥廠(chǎng)、冶煉廠(chǎng)碳?xì)浠衔?、硫化氫、含硫的化合物接觸燃燒式、半導(dǎo)體式煤礦甲烷、CO、其它可燃性氣體接觸燃燒式、半導(dǎo)體式地鐵碳?xì)浠衔锝佑|燃燒式停車(chē)場(chǎng)CO半導(dǎo)體氣敏元件汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制、工業(yè)鍋爐、內(nèi)燃機(jī)控制O2、調(diào)節(jié)空/燃比半導(dǎo)體TiO2氧敏元件、電動(dòng)勢(shì)型冷藏、食品NH3接觸燃燒式火災(zāi)、事故預(yù)報(bào)煙霧、司機(jī)呼出酒精接觸燃燒式、半導(dǎo)體式7.霍爾傳感器霍爾傳感器是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種磁敏傳感器，它利用磁場(chǎng)作為媒介，可以檢測(cè)很多的物理量，如微位移、加速度、轉(zhuǎn)速、流量、角度等，也可用于制作高斯計(jì)、電流表、功率計(jì)、乘法器、接近開(kāi)關(guān)、無(wú)刷直流電機(jī)等。它可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且在很多情況下，可采用永久磁鐵來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，不需附加能源。因此，這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、電磁檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域中?；魻杺鞲衅饔谢魻栐突魻柤呻娐穬煞N類(lèi)型?；魻栐欠至⑿徒Y(jié)構(gòu)，霍爾集成電路是把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等做在一個(gè)芯片上的集成電路結(jié)構(gòu)，與前者相比，霍爾集成電路更具有微型化、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低以及負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。8.應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測(cè)量力、壓力、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一，它具有悠久的歷史，但新型應(yīng)變片仍在不斷出現(xiàn)。它是利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小變化量（機(jī)械）的理想傳感器。應(yīng)變式傳感器的原理是：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致阻值的變化。9.壓力傳感器（1）壓力傳感器從壓力計(jì)的構(gòu)造來(lái)看，常用的壓力計(jì)可分為機(jī)械式壓力計(jì)和電學(xué)式壓力傳感器兩大類(lèi)。電學(xué)式壓力傳感器的主要工作原理是：利用某種方法，將受力的彈性體的變形變換成電信號(hào)（或再加以放大等處理），從而輸出一個(gè)與壓力相對(duì)應(yīng)的電學(xué)量。電學(xué)式壓力傳感器從其工作原理來(lái)分主要有：電阻式（應(yīng)變）金屬箔、金屬絲、半導(dǎo)體式、磁式、電容式、差動(dòng)變壓器式、壓電式、表面彈性波式和光電式等多種。（2）數(shù)字式壓力傳感器GE公司已經(jīng)推出NPA系列數(shù)字式表貼壓力傳感器，該系列產(chǎn)品尺寸小巧、內(nèi)部集成了電路放大和數(shù)字化模塊，可以簡(jiǎn)化傳感器的周邊電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如：NPA-700B-001G是GE公司的一款數(shù)字式壓力傳感器，采用14引腳SOIC表貼封裝，帶有2個(gè)倒扣壓力接口，測(cè)量范圍為0.36psi~1psi（7kPa），其輸出為已校準(zhǔn)的

數(shù)字輸出，可以使用

接口很方便地將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?，完成壓力測(cè)量及數(shù)據(jù)讀取過(guò)程。Honeywell公司也可以提供

接口或SPI接口的數(shù)字式壓力傳感器。如SSC系列、HSC系列等。10.CCD圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，用來(lái)攝取平面光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)的器件，圖像傳感器必須具有兩個(gè)作用：一是具有把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的作用；二是具有將平面圖像上的像素進(jìn)行點(diǎn)陣取樣，并把這些像素按時(shí)間取出的掃描作用。由于CCD(ChargeCoupledDevices——電荷耦合器件)圖像傳感器具有尺寸小、工作電壓低（DC：7V~12V）、壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐沖擊以及電子自?huà)呙璧葍?yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了各種視頻系統(tǒng)和自動(dòng)化辦公設(shè)備的普及和微型化。加之無(wú)圖形扭折，信息容易處理的突出特點(diǎn)，非常適用于工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)和機(jī)器上的視覺(jué)系統(tǒng)，而且便于與計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)各種高速圖像處理。CCD是一種無(wú)增益器件，它具有存貯電荷的能力，因而能完成有源器件不能實(shí)現(xiàn)的功能。11.位移傳感器（1）位移傳感器的定義和分類(lèi)位移傳感器是把物體的運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電學(xué)量的一種裝置。按照運(yùn)動(dòng)方式可分為線(xiàn)位移傳感器和角位移傳感器；按被測(cè)量變換的形式可分為模擬式和數(shù)字式兩種；按材料可分為導(dǎo)電塑料式、電感式、光電式、金屬膜式、磁致伸縮式等等。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來(lái)測(cè)量，大位移通常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感器測(cè)量。常用的位移傳感器有Omega公司的LD640Series、LD650Series，KEYENCE公司的GT2-A12、GT2-P12等等。下面以直線(xiàn)式位移傳感器為例介紹位移傳感器的工作原理。（2）直線(xiàn)位移傳感器的工作原理原理直線(xiàn)位移傳感器也叫做電子尺，其作用是把直線(xiàn)機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通?？勺冸娮杌壏胖迷趥鞲衅鞯墓潭ú课?，通過(guò)滑片在滑軌上的位移來(lái)測(cè)量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，滑片和始端之間的電壓與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)度成正比。其外形如圖4-5所示。圖4-5直線(xiàn)位移傳感器外形圖（3）位移傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域生活中位移傳感器的應(yīng)用非常廣泛，火車(chē)輪緣輪緣高度、寬度、輪輞厚度等方面的檢測(cè)，在最小安裝長(zhǎng)度尺寸的應(yīng)用中配合加長(zhǎng)臂以消除安裝的非對(duì)中的不良影響，各種液罐的液位計(jì)量和控制等領(lǐng)域都離不開(kāi)位移傳感器。12.加速度傳感器（1）加速度傳感器定義及原理加速度傳感器是能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。加速度傳感器按運(yùn)動(dòng)方式可分為線(xiàn)加速度傳感器和角加速度傳感器；按材料可分為壓電式、壓阻式、電容式和伺服式。目前多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理工作的，其原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。（2）加速度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域加速度傳感器廣泛應(yīng)用于手柄振動(dòng)和搖晃、汽車(chē)制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、振動(dòng)測(cè)試與分析以及安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察等多種領(lǐng)域。13.PM2.5傳感器PM2.5傳感器采用激光散射原理。即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。微控制器采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)傅立葉變換得到時(shí)域與頻域間的關(guān)系，隨后經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜算法得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。PM2.5傳感器的工作原理方框圖如圖4-6所示。圖4-6PM2.5傳感器的工作原理方框圖4.2變送器變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中，用于對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、記錄或控制。4.2.1變送器的構(gòu)成原理1．模擬式變送器的構(gòu)成原理模擬式變送器從構(gòu)成原理上可分為測(cè)量部分、放大器和反饋部分，在放大器的輸入端還加有零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移環(huán)節(jié)。測(cè)量部分負(fù)責(zé)檢測(cè)被測(cè)參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成放大器可以接受的信號(hào)，該信號(hào)與調(diào)零信號(hào)求取代數(shù)和，再與反饋信號(hào)在放大器的輸入端進(jìn)行比較，比較的差值由放大器放大，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。2．智能式變送器的構(gòu)成原理智能式變送器由以微處理器為核心的硬件電路和由系統(tǒng)程序、功能模塊構(gòu)成的軟件兩部分組成。智能式變送器的硬件電路主要包括傳感器組件、A-D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲(chǔ)器和通信電路等部分；采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器還包括D-A轉(zhuǎn)換器。智能式變送器的軟件部分中，系統(tǒng)程序用于對(duì)硬件部分進(jìn)行管理，使變送器能完成基本功能；功能模塊則提供各種用戶(hù)需求的功能，供用戶(hù)組態(tài)時(shí)有選擇地調(diào)用。差壓變送器主要用來(lái)測(cè)量差壓、流量、液位等參數(shù)，其輸入信號(hào)為壓力接口上的壓差信號(hào)，輸出為DC0~10mA或DC4~20mA電流信號(hào)。智能式差壓變送器，其輸出為數(shù)字信號(hào)，對(duì)于采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器，輸出為FSK信號(hào)。按照檢測(cè)元件的不同，差壓變送器可分為膜盒式差壓變送器、電容式差壓變送器、擴(kuò)散硅式差壓變送器等。以橫河EJA110A型差壓變送器為例，其外形如圖4-7所示。4.2.2差壓變送器圖4-7橫河EJA110A型差壓變送器1．膜盒式差壓變送器膜盒式差壓變送器以膜盒或膜片作為檢測(cè)元件，由測(cè)量部分、杠桿系統(tǒng)、放大器和反饋機(jī)構(gòu)組成，基于力矩平衡原理來(lái)工作。被測(cè)差壓信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量部分轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸入力，與反饋力一起作用與杠桿系統(tǒng)，使杠桿產(chǎn)生微小位移，再經(jīng)過(guò)放大器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出，輸出信號(hào)通過(guò)反饋機(jī)構(gòu)再轉(zhuǎn)換成反饋力。當(dāng)輸入力與反饋力對(duì)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)變送器的輸出信號(hào)反映了被測(cè)差壓的大小。膜盒式差壓變送器的杠桿系統(tǒng)分為單杠桿、雙杠桿、矢量機(jī)構(gòu)三種，根據(jù)放大器及反饋機(jī)構(gòu)的不同分為氣動(dòng)單元組合儀表和電動(dòng)單元組合儀表，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靜壓誤差較大等缺點(diǎn)，常用型號(hào)如橫河P10Y/11DM。2．電容式差壓變送器電容式差壓變送器以電容式壓力傳感器為檢測(cè)元件，由測(cè)量部分和放大部分組成，其工作原理如下。輸入差壓信號(hào)作用于電容式壓力傳感器的中心感壓膜片，從而使感壓膜片（即可動(dòng)電極）與兩固定電極組成的差動(dòng)電容的電容量發(fā)生變化，該電容變化量由電容/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)送至放大器的輸入端，與調(diào)零信號(hào)求取代數(shù)和后，再同反饋信號(hào)比較，其差值經(jīng)放大器放大后，作為變送器的輸出。電容式差壓變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易于裝配及使用方便等特點(diǎn)。3．?dāng)U散硅式差壓變送器擴(kuò)散硅式差壓變送器以擴(kuò)散硅壓阻傳感器為檢測(cè)元件，由測(cè)量部分與放大轉(zhuǎn)換部分組成，其工作原理如下。輸入差壓信號(hào)作用于測(cè)量部分的擴(kuò)散硅壓阻傳感器，壓阻效應(yīng)使硅材料上的擴(kuò)散電阻（應(yīng)變電阻）發(fā)生變化，從而使這些電阻組成的電橋產(chǎn)生不平衡電壓信號(hào)，該信號(hào)由放大轉(zhuǎn)換部分的前置放大器放大后，與調(diào)零信號(hào)求取代數(shù)和，送入電壓-電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，作為變送器輸出。此類(lèi)差壓變送器具有低功耗，機(jī)械穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，與硅集成電路工藝有較好的兼容性。4．智能式差壓變送器智能式差壓變送器種類(lèi)較多，結(jié)構(gòu)各有差異，但總體結(jié)構(gòu)上有相似性，常用型號(hào)如HoneywellST3000、Rosemount3051C等。下面以Honeywell公司ST3000差壓變送器為例進(jìn)行介紹。ST3000差壓變送器的檢測(cè)元件采用復(fù)合型擴(kuò)散硅壓阻傳感器，在單個(gè)芯片上集成了差壓測(cè)量、溫度測(cè)量、靜壓測(cè)量三種感測(cè)元件，其工作原理如下。被測(cè)差壓作用于正、負(fù)壓側(cè)隔離膜片通過(guò)填充液傳遞到復(fù)合傳感器，使傳感器的擴(kuò)散電阻阻值產(chǎn)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致惠斯頓電橋的輸出電壓發(fā)生變化，該電壓變化與復(fù)合傳感器檢測(cè)出的環(huán)境溫度和靜壓參數(shù)經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器送入微處理器。

微處理器從EEPROM中取出預(yù)先存入的各種補(bǔ)償數(shù)據(jù)（如差壓、溫度、靜壓特性參數(shù)和輸入輸出特性等），對(duì)這三種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后得到與被測(cè)差壓相對(duì)應(yīng)的4~20mA直流電流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，作為變送器的輸出。ST3000差壓變送器采用復(fù)合傳感器和綜合誤差自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，有效克服了擴(kuò)散硅壓阻傳感器對(duì)溫度和靜壓變化敏感以及存在非線(xiàn)性的缺點(diǎn)，提高了變送器的測(cè)量精度。溫度變送器與測(cè)溫元件配合使用來(lái)測(cè)量溫度或溫差信號(hào)，分為模擬式溫度變送器和智能式溫度變送器兩大類(lèi)。在結(jié)構(gòu)上又分為測(cè)溫元件和變送器連成整體的一體化結(jié)構(gòu)，和測(cè)溫元件另配的分體式結(jié)構(gòu)。溫度變送器的輸入信號(hào)為來(lái)自熱電偶的直流毫伏電壓信號(hào)或熱電阻的電阻信號(hào)。目前，國(guó)內(nèi)外主流變送器為DDZ-III型溫度變送器，輸出為DC4~20mA電流信號(hào)。智能式溫度變送器，其輸出為數(shù)字信號(hào)，對(duì)于采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器，輸出為FSK信號(hào)。以橫河YTA110型溫度變送器為例，其外形如圖4-8所示。4.2.3溫度變送器圖4-8橫河YTA110型溫度變送器1．典型模擬式溫度變送器典型模擬式溫度變送器由輸入部分、放大器和反饋部分組成。測(cè)溫元件一般不包括在變送器內(nèi)，而是通過(guò)接線(xiàn)端子與變送器相連，其工作原理如下。檢測(cè)元件把被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換為變送器的輸入信號(hào)，經(jīng)輸入回路變換成直流毫伏電壓信號(hào)，與調(diào)零信號(hào)的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號(hào)比較，差值送入放大器放大，得到變送器的輸出信號(hào)。模擬式溫度變送器，具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，常用型號(hào)如施耐德RMTJ40BD。2．一體化溫度變送器一體化溫度變送器由測(cè)溫元件和變送器模塊兩部分組成，由變送器模塊把測(cè)溫元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，它將變送器模塊安裝在測(cè)溫元件接線(xiàn)盒或?qū)Ｓ媒泳€(xiàn)盒內(nèi)，可以直接安裝在被測(cè)溫度的工藝設(shè)備上，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、輸出抗干擾能力強(qiáng)和便于遠(yuǎn)距離輸出等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)溫元件分為熱電偶、熱電阻兩種類(lèi)型，常用型號(hào)如上儀三廠(chǎng)SBWZ-4470。3．智能式溫度變送器智能式溫度變送器采用HART協(xié)議通信方式或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信方式，具有通用性強(qiáng)、使用靈活方便等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同分度號(hào)熱電偶、熱電阻的非線(xiàn)性補(bǔ)償，熱電阻的引線(xiàn)補(bǔ)償，熱電偶冷端補(bǔ)償，零點(diǎn)、量程自校正，以及參數(shù)超限報(bào)警、輸入輸出回路斷線(xiàn)報(bào)警等功能，其種類(lèi)較多，常用型號(hào)如橫河YTA320。4.3執(zhí)行器執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它接收來(lái)自控制器的控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成推力或位移，推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯與閥座之間的流通面積，從而調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的流量。1.執(zhí)行器及其分類(lèi)（1）執(zhí)行器的定義控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器（actuator）通常又稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)器、激勵(lì)器、調(diào)節(jié)器等，它是驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、拖動(dòng)、操縱等裝置、機(jī)構(gòu)或元器件的總稱(chēng)。4.3.1概述如把控制系統(tǒng)看作是一個(gè)信息系統(tǒng)，則傳感器完成信息獲取任務(wù)，計(jì)算機(jī)擔(dān)當(dāng)信息處理功能，執(zhí)行器完成的是信息施效。執(zhí)行器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量，如產(chǎn)生動(dòng)力、改變閥門(mén)或其他機(jī)械裝置位移、改變能量或物料輸送量。執(zhí)行器也是影響控制系統(tǒng)質(zhì)量的重要部件。（2）執(zhí)行器的分類(lèi)執(zhí)行器按組成要素可分為結(jié)構(gòu)型執(zhí)行器和物性型執(zhí)行器。結(jié)構(gòu)型執(zhí)行器也稱(chēng)構(gòu)造型執(zhí)行器，這類(lèi)執(zhí)行器是通過(guò)物體的結(jié)構(gòu)要素實(shí)現(xiàn)對(duì)目的物的驅(qū)動(dòng)和操作，并可進(jìn)一步按其采用的動(dòng)力源可分為液動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器。1）液動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)力源由液壓馬達(dá)提供，其特點(diǎn)是推力大、防爆性能好，但缺點(diǎn)是體積和重量大。2）氣動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)力源由壓縮空氣提供，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安全防爆，但控制精度低，噪聲大。3）電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)或電磁機(jī)構(gòu)提供，其特點(diǎn)是控制靈活、精度高，但有電磁干擾。物性型執(zhí)行器主要是利用物體的物性效應(yīng)（包括物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等）實(shí)現(xiàn)對(duì)目的物的驅(qū)動(dòng)與操作。例如，利用逆壓電效應(yīng)的壓電執(zhí)行器，利用靜電效應(yīng)的靜電執(zhí)行器，利用電致與磁致伸縮效應(yīng)的電與磁執(zhí)行器，利用光化學(xué)效應(yīng)的光化學(xué)執(zhí)行器，利用金屬的形狀記憶效應(yīng)的仿生執(zhí)行器等。執(zhí)行器常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有閥、泵、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和加熱裝置的功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，利用執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)控制、速度控制、角度和位置控制、力矩和扭矩控制、功率控制等。2.伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制電機(jī)是一類(lèi)用于信號(hào)檢測(cè)、變換和傳遞的小型功率電機(jī)，既可作信號(hào)元件也可作執(zhí)行元件，前者如測(cè)速電機(jī)，后者如伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。在控制系統(tǒng)中，控制電機(jī)也是電動(dòng)執(zhí)行器的重要組成部分。生產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行器的國(guó)外知名廠(chǎng)家有美國(guó)Honeywell公司、美國(guó)Emerson公司、德國(guó)EMG公司等，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家有上儀十一廠(chǎng)、川儀執(zhí)行器分公司等。以Honeywell公司HercuLine2000系列執(zhí)行器為例，其外形如圖4-9所示。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是其推動(dòng)部分，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是其調(diào)節(jié)部分。按其使用能源類(lèi)型可分為氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器和液動(dòng)執(zhí)行器三類(lèi)。圖4-9HercuLine2000系列執(zhí)行器1．電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收來(lái)自控制器的DC0~10mA或DC4~20mA電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移（輸出力矩）或直線(xiàn)位移（輸出力），去操縱閥門(mén)、擋板等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服放大器、伺服電機(jī)、位置發(fā)送器和減速器四部分組成。伺服放大器將輸入信號(hào)與位置反饋信號(hào)比較所得差值，進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)輸出軸產(chǎn)生位移，該位移通過(guò)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位置反饋信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)與位置反饋信號(hào)差值為零時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)輸出軸穩(wěn)定在與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置上。4.3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)2．氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器或閥門(mén)定位器輸出的0.02~0.1Mpa標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力和推桿直線(xiàn)位移，推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的閥芯動(dòng)作。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)輸入氣壓信號(hào)增加時(shí)，推桿向下運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為正作用；反之，當(dāng)輸入信號(hào)增加時(shí)，推桿向上運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為反作用。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有薄膜式和活塞式兩類(lèi)。其中，氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便而得到廣泛應(yīng)用；氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力大、行程長(zhǎng)，但價(jià)格較高。下面以正作用薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明其工作原理。

氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)由膜片、閥桿和平衡彈簧等組成。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)進(jìn)入薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生一個(gè)向下的推力，使閥桿下移。當(dāng)彈簧的反作用力與薄膜上產(chǎn)生的推力平衡時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)閥桿穩(wěn)定在與輸入氣壓信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也稱(chēng)為調(diào)節(jié)閥、控制閥，通常由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿等零部件組成。它是一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力（力矩）作用下，閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的阻力系數(shù)，從而對(duì)被控介質(zhì)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。4.3.3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)4.4IEEE1451智能變送器標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451是一個(gè)關(guān)于智能變送器（SmartTransducer）的接口標(biāo)準(zhǔn)系列，這一標(biāo)準(zhǔn)系列描述了一組用于智能變送器與微處理器、儀表系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)相連接的、開(kāi)放的、通用的、獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的通信接口。智能變送器可以是一種傳感器或檢測(cè)器（Sensor），也可以是一種執(zhí)行器（Actuator），或者是兩種的組合，它可以作為信息系統(tǒng)與外界聯(lián)系的一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)。但I(xiàn)EEE1451標(biāo)準(zhǔn)定義的智能變送器習(xí)慣上也被稱(chēng)為“智能傳感器”，因?yàn)樗c傳統(tǒng)意義上的傳感器或早期的智能傳感器已有所不同。4.4.1IEEE1451簡(jiǎn)介IEEE1451的目標(biāo)是定義一組變送器與系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)之間有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)的公共接口，通過(guò)這些接口可以容易地訪(fǎng)問(wèn)變送器中的數(shù)據(jù)。使智能變送器與網(wǎng)絡(luò)或其他設(shè)備的連接更為容易，使得智能變送器設(shè)計(jì)制造更為容易，這些變送器能夠融合現(xiàn)有的和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)由多個(gè)工作組來(lái)制訂不同領(lǐng)域的接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)體系由八個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)組成，如表4-2所示。包括如下內(nèi)容：（1）建立智能變送器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的軟件模型，包括構(gòu)件與通信模型。（2）定義網(wǎng)絡(luò)化智能變送器的硬件模型，其中包括網(wǎng)絡(luò)適配器（NCAP）、智能變送器（STIM）及兩者間的硬件接口模型。（3）定義網(wǎng)絡(luò)適配器用來(lái)封裝不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)傳輸模式及總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。（4）定義智能變送器電子數(shù)據(jù)表格（TEDS）及其數(shù)據(jù)格式。4.4.2IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)綜述表4-2IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)體系協(xié)議名稱(chēng)與描述IEEE1451.0智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)適配器信息模型IEEE1451.2變送器微處理器通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451.3分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式IEEE1451.4混合模式通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451.5無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451.6CAN開(kāi)放式協(xié)議變送器網(wǎng)絡(luò)接口IEEE1451.7RFID通信協(xié)議與TEDS格式IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)所針對(duì)的協(xié)議內(nèi)容不同可以劃分為軟件和硬件的接口兩部分。軟件接口部分定義了一系列使智能變送器能夠無(wú)差別接入不同網(wǎng)絡(luò)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。同時(shí)還定義了IEEE1451各子標(biāo)準(zhǔn)之間通用交互的命令集及電子數(shù)據(jù)表格式，大大加強(qiáng)了IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)簇之間的互操作性。軟件接口部分主要由IEEE1451.1標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1451.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。硬件接口部分是由標(biāo)準(zhǔn)簇中其余的子標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，如IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了一種10線(xiàn)制的硬件通信接口，IEEE1451.4定義了數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)可以同時(shí)傳輸?shù)幕旌辖涌?。IEEE1451是一個(gè)關(guān)于智能變送器接口規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)簇，它定義了一系列為使智能變送器可以無(wú)差別地連接到測(cè)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放、通用、獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)簇所有接口結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。4.4.3IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖4-10IEEE1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)4.5量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校正在接到一個(gè)具體的測(cè)控任務(wù)后，需根據(jù)被測(cè)控對(duì)象選擇合適的傳感器，從而完成非電物理量到電量的轉(zhuǎn)換，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的量，如電流、電壓等，往往信號(hào)幅度很小，很難直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此，需對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行幅度處理和完成阻抗匹配、波形變換、噪聲的抑制等要求，而這些工作需要放大器完成。模擬量輸入信號(hào)主要有以下兩類(lèi)：第一類(lèi)為傳感器輸出的信號(hào)，如：（1）電壓信號(hào)：一般為mV信號(hào)，如熱電偶（TC）的輸出或電橋輸出。4.5.1模擬量輸入信號(hào)類(lèi)型（2）電阻信號(hào)：?jiǎn)挝粸棣?，如熱電阻（RTD）信號(hào)，通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)。（3）電流信號(hào)：一般為μA信號(hào)，如電流型集成溫度傳感器AD590的輸出信號(hào)，通過(guò)取樣電阻轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)。對(duì)于以上這些信號(hào)往往不能直接送A-D轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾盘?hào)的幅值太小，需經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，如0~5V，1~5V，0~10V，－5V~+5V等，送往A-D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。有些雙積分A-D轉(zhuǎn)換器的輸入為－200mV~+200mV或－2V~+2V，有些A-D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有程控增益放大器（PGA），可直接接受mV信號(hào)。第二類(lèi)為變送器輸出的信號(hào)，如：（1）電流信號(hào)：0~10mA（0~1.5kΩ負(fù)載）或4~20mA（0~500Ω負(fù)載）。（2）電壓信號(hào)：0~5V或1~5V等。電流信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)精密取樣電阻就可以變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，送往A-D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，這類(lèi)信號(hào)一般不需要放大處理。由于傳感器所提供的信號(hào)變化范圍很寬（從微伏到伏），特別是在多回路檢測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)各回路的參數(shù)信號(hào)不一樣時(shí)，必須提供各種量程的放大器，才能保證送到計(jì)算機(jī)的信號(hào)一致（如0~5V）。在模擬系統(tǒng)中，為了放大不同的信號(hào)，需要使用不同倍數(shù)的放大器。而在電動(dòng)單位組合儀表中，常常使用各種類(lèi)型的變送器，如溫度變送器、差壓變送器、位移變送器等。但是，這種變送器造價(jià)比較貴，系統(tǒng)也比較復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為了減少硬件設(shè)備，已經(jīng)研制出可編程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier），簡(jiǎn)稱(chēng)PGA。它是一種通用性很強(qiáng)的放大器，其放大倍數(shù)可根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制。采用這種放大器，可通過(guò)程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A-D轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)量程信號(hào)達(dá)到均一化，因而大大提高測(cè)量精度。這就是量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。4.5.2量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)誤差是指在相同條件下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，誤差的數(shù)值(包括大小、符號(hào))保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。這種誤差的特點(diǎn)是，在一定的測(cè)量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的，產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。因此，原則上講，系統(tǒng)誤差是可以通過(guò)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)途徑來(lái)確定并加以校正的。在系統(tǒng)的測(cè)量輸入通道中，一般均存在零點(diǎn)偏移和漂移，產(chǎn)生放大電路的增益誤差及器件參數(shù)的不穩(wěn)定等現(xiàn)象，它們會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這些誤差都屬于系統(tǒng)誤差。有時(shí)必須對(duì)這些系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。下面介紹一種實(shí)用的自動(dòng)校正方法。4.5.3系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校正

圖4-11全自動(dòng)校準(zhǔn)電路4.6采樣和模擬開(kāi)關(guān)1．信號(hào)類(lèi)型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)的具體變換與傳輸過(guò)程如圖4-12所示。4.6.1信號(hào)和采樣定理圖4-12計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)變換與傳輸過(guò)程模擬信號(hào)——時(shí)間上、幅值上都連續(xù)的信號(hào)，如圖4-12中的e(t)、u(t)。離散模擬信號(hào)——時(shí)間上離散，幅值上連續(xù)的信號(hào)，如圖4-12中的e*(t)、u*(t)。數(shù)字信號(hào)——時(shí)間上離散，幅值也離散的信號(hào)，計(jì)算機(jī)中常用二進(jìn)制表示，如圖4-12中的e(kT)、u(kT)。采樣——將模擬信號(hào)抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。量化——采用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制數(shù)碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。從圖4-12可以清楚地看出計(jì)算機(jī)獲取信號(hào)的過(guò)程是由A-D轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。從模擬信號(hào)e(t)到離散模擬信號(hào)e*(t)的過(guò)程就是采樣，其中T是采樣周期。顯然合理地選擇采樣周期是必要的，T過(guò)大會(huì)損失信息，T過(guò)小會(huì)使計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)過(guò)重，即存儲(chǔ)于運(yùn)算的數(shù)據(jù)過(guò)多。A-D轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是一個(gè)量化的過(guò)程。D-A轉(zhuǎn)換的過(guò)程則是將數(shù)字信號(hào)解碼為模擬離散信號(hào)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)時(shí)間的模擬信號(hào)的過(guò)程。計(jì)算機(jī)引入控制系統(tǒng)之后，由于其運(yùn)算速度快，精度高，存儲(chǔ)容量大，以及它強(qiáng)大的運(yùn)算功能和可編程性，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以采用不同的復(fù)雜控制算法同時(shí)控制多個(gè)被控對(duì)象或控制量，可以實(shí)現(xiàn)許多連續(xù)控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。由于控制規(guī)律是用軟件實(shí)現(xiàn)的，修改一個(gè)控制規(guī)律，無(wú)論復(fù)雜還是簡(jiǎn)單，只需修改軟件即可，一般不需變動(dòng)硬件進(jìn)行在線(xiàn)修改，使系統(tǒng)具有很大的靈活性和適應(yīng)性。2．采樣過(guò)程的數(shù)學(xué)描述離散系統(tǒng)的采樣形式有：（1）周期采樣，就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即=常量（T）（k=0,1,2,……）。T為采樣周期。

a)模擬信號(hào)b)離散模擬信號(hào)圖4-13模擬信號(hào)采樣示意圖模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣變成了時(shí)間上離散的采樣信號(hào)（頻域中表現(xiàn)為無(wú)窮多個(gè)周期頻譜），經(jīng)過(guò)低通濾波和A-D變成了數(shù)字上也離散的數(shù)字信號(hào)。相反地，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D-A變成了數(shù)值上連續(xù)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)低通的保持作用，僅保留基頻濾去高頻變成了時(shí)間上也連續(xù)的模擬信號(hào)，從而完成了信號(hào)恢復(fù)過(guò)程。由于D-A的輸出信號(hào)只是幅值上連續(xù)而時(shí)間上離散的離散模擬信號(hào)，所以時(shí)間上還需要做連續(xù)化處理的保持作用。保持器就是把離散模擬信號(hào)通過(guò)時(shí)域中的保持效應(yīng)變成時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)。2.6.2采樣/保持器在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量和控制中，經(jīng)常需要有多路和多參數(shù)的采集和控制，如果每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持、A-D等環(huán)節(jié)，不僅成本比單路成倍增加，而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件、阻容元件參數(shù)特性不一致，對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來(lái)很大困難；并且對(duì)于多路巡檢如128路信號(hào)采集情況，每路單獨(dú)采用一個(gè)回路幾乎是不可能的。因此，除特殊情況下采用多路獨(dú)立的放大、A-D和D-A外，通常采用公共的采樣/保持及A-D轉(zhuǎn)換電路，而要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，往往采用多路模擬開(kāi)關(guān)。1.CD4051CD4051為單端8通道低價(jià)格模擬開(kāi)關(guān)，引腳如圖4-14所示。2.6.3模擬開(kāi)關(guān)圖4-14CD4051引腳圖其中INH為禁止端，當(dāng)INH為高電平時(shí)，八個(gè)通道全部禁止；當(dāng)INH為低電平時(shí)，由A、B、C決定選通的通道，COM為公共端。VDD為正電源，VEE為負(fù)電源，VSS為地，要求VDD+|VEE|≤18V。例如，采用CD4051模擬開(kāi)關(guān)切換0~5V電壓信號(hào)時(shí)，電源可選取為：VDD=+12V，VEE=－5V，VSS=0V。CD4051可以完成1變8或8變1的工作。2.MAX354MAX354是MAXIM公司生產(chǎn)的8選1多路模擬開(kāi)關(guān)，引腳如圖4-15所示。圖4-15MAX354引腳圖MAX354的最大接通電阻為350Ω，具有超壓關(guān)斷功能，低輸入漏電流，最大為0.5nA，無(wú)上電順序，輸入和TTL、CMOS電平兼容。另外美國(guó)ADI公司的ADG508F與MAX354引腳完全兼容。3.CD4052CD4052為低成本差動(dòng)4通道模擬開(kāi)關(guān)，引腳如圖4-16所示。其中X、Y分別為X組和Y組的公共端。圖4-16CD4052引腳圖4.MAX355MAX355是MAXIM公司生產(chǎn)的差動(dòng)4通道模擬開(kāi)關(guān)，引腳如圖4-17所示。圖4-17MAX355引腳圖其中COMA、COMB分別為A組和B組的公共端。MAX355除為差動(dòng)4通道外，其它性能參數(shù)與MAX354相同。另外，美國(guó)ADI公司的ADG509F與MAX355引腳完全兼容。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往有多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)多路模擬量輸入通道，下面以32通道模擬量輸入電路為例介紹其設(shè)計(jì)方法。1．硬件電路32通道模擬量輸入電路如圖4-18所示。在圖4-18中，采用74HC273八D鎖存器，74HC138譯碼器，CD4051模擬開(kāi)關(guān)擴(kuò)展了32路模擬量輸入通道AIN0~AIN31。2．通道控制字32路模擬量輸入的通道控制字如圖4-19所示。4.6.432通道模擬量輸入電路設(shè)計(jì)實(shí)例圖4-1832通道模擬量輸入電路圖4-19通道控制字4.7模擬量輸入通道模擬量輸入通道根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式。模擬量輸入通道的組成如圖4-20所示。圖4-20模擬量輸入通道的組成從圖4-20可看出，模擬量輸入通道一般由信號(hào)處理、模擬開(kāi)關(guān)、放大器、采樣—保持器和A-D轉(zhuǎn)換器組成。根據(jù)需要，信號(hào)處理可選擇的內(nèi)容包括小信號(hào)放大、信號(hào)濾波、信號(hào)衰減、阻抗匹配、電平變換、非線(xiàn)性補(bǔ)償、電流/電壓轉(zhuǎn)換等。4.822位Σ-Δ型A-D轉(zhuǎn)換器ADS1213ADS1213為具有22位高精度的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，它包括一個(gè)增益可編程的放大器（PGA）、一個(gè)二階的Σ-Δ調(diào)制器、一個(gè)程控的數(shù)字濾波器以及一個(gè)片內(nèi)微控制器等。通過(guò)微控制器，可對(duì)內(nèi)部增益、轉(zhuǎn)換通道、基準(zhǔn)電源等進(jìn)行設(shè)置。ADS1213具有4個(gè)差分輸入通道，適合直接與傳感器或小電壓信號(hào)相連，可應(yīng)用于智能儀表、血液分析儀、智能變送器，壓力傳感器等。它包括一個(gè)靈活的異步串行接口，該接口與SPI接口兼容，可靈活的配置成多種接口模式。ADS1213提供多種校準(zhǔn)模式，并允許用戶(hù)讀取片內(nèi)校準(zhǔn)寄存器。ADS1213具有24引腳DIP、SOIC封裝及28引腳SSOP多種封裝，引腳如圖4-21所示。4.8.1ADS1213的引腳介紹圖4-21ADS1213引腳圖ADS1213引腳介紹如下：

：通道3的反相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的負(fù)輸入端。

：通道2的同相輸入端。可編程增益模擬輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的正輸入端。

：通道2的反相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的負(fù)輸入端。

：通道1的同相輸入端。可編程增益模擬輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的正輸入端。

：通道1的反相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的負(fù)輸入端。AGND：模擬電路的地基準(zhǔn)點(diǎn)。VBIAS：偏置電壓輸出端。此引腳輸出偏置電壓，大約為1.33倍的參考輸入電壓，一般情況下為3.3V，用以擴(kuò)展模擬量的輸入范圍，由命令寄存器（CMR）的BIAS位控制引腳是否輸出。

：片選信號(hào)。用于選擇ADS1213的低電平有效邏輯輸入端。

：串行輸出數(shù)據(jù)的同步控制端。當(dāng)為低電平時(shí)，芯片不進(jìn)行操作；當(dāng)為高點(diǎn)平時(shí)，調(diào)制器復(fù)位。XIN：系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端。XOUT：系統(tǒng)時(shí)鐘輸出端。DGND：數(shù)字電路的地基準(zhǔn)。DVDD：數(shù)字供電電壓。SCLK：串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂茣r(shí)鐘。外部串行時(shí)鐘加至此輸入端以存取來(lái)自ADS1213的串行數(shù)據(jù)。SDIO：串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。SDIO不僅可作為串行數(shù)據(jù)輸入端，還可作為串行數(shù)據(jù)的輸出端，引腳功能由命令寄存器（CMR）的SDL位進(jìn)行設(shè)置。SDOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。當(dāng)SDIO作為串行數(shù)據(jù)輸出引腳時(shí)，SDOUT處于高阻狀態(tài)；當(dāng)SDIO只作為串行數(shù)據(jù)輸入引腳時(shí)，SDOUT用于串行數(shù)據(jù)輸出。

：數(shù)據(jù)狀態(tài)線(xiàn)。當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，表示ADS1213數(shù)據(jù)寄存器（DOR）內(nèi)有新的數(shù)據(jù)可供讀取，全部數(shù)據(jù)讀取完成時(shí)，引腳將返回高電平。MODE：SCLK控制輸入端。該引腳置為高電平時(shí)，芯片處于主站模式，在這種模式下，SCLK引腳配置為輸出端；該引腳置為低電平時(shí)，芯片處于從站模式，允許主控制器設(shè)置串行時(shí)鐘頻率和串行數(shù)據(jù)傳輸速度。AVDD：模擬供電電壓。REFOUT：基準(zhǔn)電壓輸出端。REFIN：基準(zhǔn)電壓輸入端。

：通道4的同相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的正輸入端。

：通道4的反相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的負(fù)輸入端。

：通道3的同相輸入端?？删幊淘鲆婺M輸入端。與一起使用，用作差分模擬輸入對(duì)的正輸入端。4.8.2ADS1213的片內(nèi)寄存器芯片內(nèi)部的一切操作大多是由片內(nèi)的微控制器控制的，該控制器主要包括一個(gè)算術(shù)邏輯單元（ALU）及一個(gè)寄存器的緩沖區(qū)。在上電后，芯片首先進(jìn)行自校準(zhǔn)，而后以340Hz的速率輸出數(shù)據(jù)。在寄存器緩沖區(qū)內(nèi)，一共有5個(gè)片內(nèi)寄存器如表4-3所示。表4-3ADS1213的片內(nèi)寄存器英文簡(jiǎn)稱(chēng)名稱(chēng)大小INSR指令寄存器8位DOR數(shù)據(jù)輸出寄存器24位CMR命令寄存器32位OCR零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器24位FCR滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)寄存器24位1．模擬輸入范圍ADS1213包含4組差分輸入引腳，由命令寄存器的CH0~CH1位進(jìn)行模擬輸入端的配置，一般情況下，輸入電壓范圍為0~+5V。2．輸入采樣頻率ADS1213的外部晶振頻率，可在0.5~2MHz之間選取，它的調(diào)制器工作頻率、轉(zhuǎn)換速率、數(shù)據(jù)輸出頻率都會(huì)隨之變化。3．基準(zhǔn)電壓ADS1213有一個(gè)2.5V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，當(dāng)使用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)，可在2~3V之間選取。4.8.3ADS1213的應(yīng)用特性ADS1213的串行接口包含5個(gè)信號(hào)：、、SCLK、SDIO和SDOUT。該串行接口十分靈活，可配置成兩線(xiàn)制，三線(xiàn)制或多線(xiàn)制。1．硬件電路設(shè)計(jì)ADS1213具有一個(gè)適應(yīng)能力很強(qiáng)的串行接口，可以用多種方式與微控制器連接。引腳的連接方式可以是兩線(xiàn)制的，也可以是三線(xiàn)制的或多線(xiàn)制的，可以根據(jù)需要設(shè)置。芯片的工作狀態(tài)可以由硬件查詢(xún)，還可以通過(guò)軟件查詢(xún)。ADS1213與STM32F103的接口電路如圖4-22所示。4.8.4ADS1213與STM32F103的接口圖4-22ADS1213與STM32F103的接口電路2．程序設(shè)計(jì)①寫(xiě)指令寄存器，設(shè)置操作模式，操作地址和操作字節(jié)數(shù)。②寫(xiě)命令寄存器，設(shè)置偏置電壓、基準(zhǔn)電壓、數(shù)據(jù)輸出格式、串行引腳、通道選擇、增益大小等。③輪詢(xún)輸出。④從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)。循環(huán)執(zhí)行最后兩步，直至取得所需的數(shù)據(jù)數(shù)。4.9模擬量輸出通道模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)，它們的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。這個(gè)任務(wù)主要是由D-A轉(zhuǎn)換器來(lái)完成的。對(duì)該通道的要求，除了可靠性高、滿(mǎn)足一定的精度要求外，輸出還必須具有保持的功能，以保證被控制對(duì)象可靠地工作。當(dāng)模擬量輸出通道為單路時(shí)，其組成較為簡(jiǎn)單，但在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常采用多路模擬量輸出通道。多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式，主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來(lái)之前，使本次控制信號(hào)維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。1．一個(gè)通道設(shè)置一片D-A轉(zhuǎn)換器在這種結(jié)構(gòu)形式下，微處理器和通路之間通過(guò)獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D-A轉(zhuǎn)換器有故障，也不會(huì)影響其它通道的工作。缺點(diǎn)是使用了較多的D-A轉(zhuǎn)換器。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)缺點(diǎn)正在逐步得到克服，這種方案較易實(shí)現(xiàn)。一個(gè)通道設(shè)置一片D-A轉(zhuǎn)換器的形式，如圖4-23所示。圖4-23一個(gè)通道設(shè)置一片D-A轉(zhuǎn)換器2．多個(gè)通道共用一片D-A轉(zhuǎn)換器由于共用一片D-A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即依次把D-A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)傳送給輸出采樣—保持器。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了D-A轉(zhuǎn)換器，但因?yàn)榉謺r(shí)工作，只適用于通路數(shù)量多且速率要求不高的場(chǎng)合。它還要用多路模擬開(kāi)關(guān)，且要求輸出采樣—保持器的保持時(shí)間與采樣時(shí)間之比較大，這種方案工作可靠性較差。共用D-A轉(zhuǎn)換器的形式如圖4-24所示。圖4-24共用D-A轉(zhuǎn)換器4.1012/16位4mA~20mA串行輸入D-A

轉(zhuǎn)換器AD5410/AD5420AD5410/AD5420是低成本、精密、完全集成的12/16位轉(zhuǎn)換器，提供可編程電流源輸出，輸出電流范圍可編程設(shè)置為4mA~20mA、0mA~20mA或者0mA~24mA。該器件的串行接口十分靈活，可與SPI、等接口兼容，該串口可在三線(xiàn)制模式下工作，減少了所需的數(shù)字隔離電路。該器件包含一個(gè)確保在已知狀態(tài)下的上電復(fù)位功能，以及一個(gè)將輸出設(shè)定為所選電流范圍低端的異步清零功能。該器件可方便的應(yīng)用于過(guò)程控制、PLC和HART網(wǎng)絡(luò)中。AD5410和AD5420具有24引腳TSSOP和40引腳LFCSP兩種封裝，TSSOP封裝的引腳如圖4-25所示。4.10.1AD5410/AD5420的引腳介紹圖4-25AD5410/AD5420引腳圖AD5410/AD5420引腳介紹如下：GND：電源基準(zhǔn)端。此類(lèi)引腳必須接地。DVCC：數(shù)字電源引腳。電壓范圍從2.7V至5.5V。

：故障提醒引腳。當(dāng)檢測(cè)到IOUT與GND之間開(kāi)路或者檢測(cè)到過(guò)溫時(shí)，該引腳置為低電平，引腳為開(kāi)漏輸出。CLEAR：異步清零引腳。高電平有效，置位該引腳時(shí)，輸出電流設(shè)為0mA或4mA的初始值。LATCH：鎖存引腳。該引腳對(duì)正邊沿敏感，在信號(hào)的上升沿并行將輸入移位寄存器數(shù)據(jù)載入相關(guān)寄存器。SCLK：串行時(shí)鐘輸入引腳。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿逐個(gè)輸入移位寄存器，工作時(shí)鐘速度最高可達(dá)30MHz。SDIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿逐個(gè)輸入。SDO：串行數(shù)據(jù)輸出引腳。數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿逐個(gè)輸出。RSET：可選外部電阻連接引腳?？梢詫⒁粋€(gè)高精度、低溫漂的15kΩ的電阻連接到該引腳與GND之間，構(gòu)成器件內(nèi)部電路的一部分，以改善器件的整體性能。REFOUT：內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源輸出引腳。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，引腳輸出電壓為5V，誤差為±5mV，典型溫度漂移為1.8ppm/℃。REFIN：外部基準(zhǔn)電壓輸入引腳。針對(duì)額定性能，外部輸入基準(zhǔn)電壓應(yīng)為5V±50mV。DVCCSELECT：數(shù)字電源選擇引腳。當(dāng)該引腳接GND時(shí)，內(nèi)部電源禁用，必須將外部電源接到DVCC引腳，不連接該引腳時(shí)，內(nèi)部電源使能。NC：非連接引腳。R3SENSE：輸出電流反饋引腳。在該引腳與BOOST引腳之間測(cè)得的電壓與輸出電流成正比，可以用于監(jiān)控和反饋輸出電流特性，但不能從該引腳引出電流用于其他電路。IOUT：電流輸出引腳。BOOST：可選外部晶體管連接引腳。增加一個(gè)外部增強(qiáng)晶體管，連接外部晶體管可減小片內(nèi)輸出晶體管的電流，降低AD5410/AD5420的功耗。CAP1：可選輸出濾波電容的連接引腳。可在該引腳與AVDD之間放置電容，這些電容會(huì)在電流輸出電路上形成一個(gè)濾波器，可降低帶寬和輸出電流的壓擺率。CAP2：可選輸出濾波電容的連接引腳。此引腳功能與CAP1引腳功能相同。AVDD：正模擬電源引腳。電壓范圍從10.8V至40V。EPAD：裸露焊盤(pán)。接地基準(zhǔn)連接。建議將裸露焊盤(pán)與一個(gè)銅片形成散熱連接。器件的輸入移位寄存器為24位寬度。在串行時(shí)鐘輸入SLCK的控制下，數(shù)據(jù)作為24位字以MSB優(yōu)先的方式在SCLK上升沿逐個(gè)載入器件。輸入移位寄存器由高8位的地址字節(jié)和低16位的數(shù)據(jù)字節(jié)組成。在LATCH的上升沿，輸入移位寄存器中存在的數(shù)據(jù)被鎖存。不同的地址字節(jié)對(duì)應(yīng)的功能如表4-4所示。4.10.2AD5410/AD5420的片內(nèi)寄存器表4-4地址字節(jié)功能地址字節(jié)功能00000000無(wú)操作（NOP）00000001數(shù)據(jù)寄存器00000010按讀取地址回讀01010101控制寄存器01010110復(fù)位寄存器讀寄存器值時(shí)，首先寫(xiě)入讀操作命令，24個(gè)數(shù)據(jù)的高8位為讀命令字節(jié)（0x02），最后兩位為要讀取的寄存器的代碼：00為狀態(tài)寄存器、01為數(shù)據(jù)寄存器、10為控制寄存器，然后，在寫(xiě)入一個(gè)NOP條件（0x00），要讀取的寄存器的數(shù)據(jù)就會(huì)在SDO線(xiàn)上輸出。1．故障報(bào)警AD5410/AD5420配有一個(gè)引腳，它為開(kāi)漏輸出，并允許多個(gè)器件一起連接到一個(gè)上拉電阻以進(jìn)行全局故障檢測(cè)。當(dāng)存在開(kāi)環(huán)電路、電源電壓不足或器件內(nèi)核溫度超過(guò)約150℃時(shí)，都會(huì)使引腳強(qiáng)制有效。該引腳可與狀態(tài)寄存器的IOUT故障位和過(guò)溫位一同使用，以告知用戶(hù)何種故障條件導(dǎo)致引腳置位。2．內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源AD5410/AD5420內(nèi)置一個(gè)集成+5V基準(zhǔn)電壓源，溫度漂移系數(shù)最大值為10ppm/℃。4.10.3AD5410/AD5420的應(yīng)用特性3．?dāng)?shù)字電源DVCC引腳默認(rèn)采用2.7V至5.5V電源供電。但是，也可以將內(nèi)部4.5V電源經(jīng)由DVCCSELECT引腳輸出到DVCC引腳，以用作系統(tǒng)中其它器件的數(shù)字電源，這樣做的好處是數(shù)字電源不必跨越隔離柵。使DVCCSELECT引腳處于未連接狀態(tài)，便可使能內(nèi)部電源，若要禁用內(nèi)部電源，DVCCSELECT應(yīng)連接到GND。DVCC可以提供最高5mA的電流。4．外部電流設(shè)置電阻AD5410/AD5420內(nèi)部的V/I轉(zhuǎn)換電路如圖4-26所示，RSET是一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)電阻，構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換電路的一部分，輸出電流在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性取決于RSET值的穩(wěn)定性。AD5410/AD5420的RSET引腳與地之間可以連接一個(gè)15kΩ外部精密低漂移電阻，以改善器件的整體性能，通過(guò)控制寄存器選擇是否啟用外部電阻。圖4-26AD5410/AD5420V/I內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路AD5410/AD5420通過(guò)多功能三線(xiàn)制串行接口進(jìn)行控制，能夠以最高30MHz的時(shí)鐘速率工作。串行接口即可配合連續(xù)SCLK工作，也可配合非連續(xù)SCLK工作，要使用連續(xù)SCLK源，必須在輸入正確數(shù)量的數(shù)據(jù)位之后，將LATCH置為高電平。輸入數(shù)據(jù)字MSB的SCLK第一個(gè)上升沿標(biāo)志著寫(xiě)入周期的開(kāi)始，LATCH變?yōu)楦唠娖街埃仨殞⒄?4個(gè)上升時(shí)鐘沿施加于SCLK。如果LATCH在第24個(gè)SCLK上升沿之前或之后變?yōu)楦唠娖剑瑒t寫(xiě)入的數(shù)據(jù)無(wú)效。4.10.4AD5410/AD5420的數(shù)字接口1．硬件電路設(shè)計(jì)AD5410/AD5420具有一個(gè)三線(xiàn)制的串行接口，可方便的與STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，連接電路如圖4-27所示，其中BOOST、RSET、DVCCSELECT引腳懸空，不連接。4.10.5AD5410/AD5420與STM32F103的接口圖4-27AD5410/AD5420與STM32F103的連接電路圖2．外部增強(qiáng)功能外部增強(qiáng)晶體管連接電路如圖4-28所示，使用外部增強(qiáng)功能可減少片內(nèi)輸出晶體管中的電流，從而降低AD5410/AD5420的功耗。外部晶體管可以使用擊穿電壓大于40V的分立NPN型晶體管。外部增強(qiáng)功能使得AD5410/AD5420能夠工作在電源電壓、負(fù)載電流和溫度范圍的極值條件下。增強(qiáng)晶體管還可以減小溫度所引起的漂移量，使片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源的溫度漂移降至最小。圖4-28AD5410/AD5420外部增強(qiáng)功能電路圖3．程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)步驟如下：（1）通過(guò)控制寄存器進(jìn)行軟件復(fù)位。（2）寫(xiě)控制寄存器。設(shè)置是否啟用外部電流設(shè)置電阻、是否啟用數(shù)字壓擺率控制、是否啟用菊花鏈模式、電流輸出范圍，并使能輸出。（3）寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器。設(shè)置要輸出的電流大小。（4）不再需要電流輸出時(shí)，寫(xiě)控制寄存器，關(guān)閉輸出功能。4.11數(shù)字量輸入輸出通道光電耦合器，又稱(chēng)光電隔離器，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用的器件，它能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間隔離。光電耦合器的輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏三極管。當(dāng)發(fā)光二極管中通過(guò)一定值的電流時(shí)發(fā)出一定的光，被光敏三極管接收，使其導(dǎo)通，而當(dāng)該電流撤去時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，三極管截止，利用這種特性即可達(dá)到開(kāi)關(guān)控制的目的。不同的光電隔離器，其特性參數(shù)也有所不同。光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是：能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使傳輸通道上的信噪比大大提高。4.11.1光電耦合器1．一般隔離用光電耦合器（1）TLP521-1/TLP521-2/TLP521-4該系列產(chǎn)品為T(mén)oshiba公司推出的光電耦合器。（2）PS2501-1/PC817PS2501-1為NEC公司的產(chǎn)品，PC817為Sharp公司的產(chǎn)品。（3）4N254N25為MOTOROLA公司的產(chǎn)品。4N25光電耦合器有基極引線(xiàn)，可以不用，也可以通過(guò)幾百kΩ以上的電阻，再并聯(lián)一個(gè)幾十pF的小電容接到地上。2．AC交流用光電耦合器該類(lèi)產(chǎn)品如NEC公司的PS2505-1，Toshiba公司的TLP620。

輸入端為反相并聯(lián)的發(fā)光二極管，可以實(shí)現(xiàn)交流檢測(cè)。3．高速光電耦合器（1）6N137系列Agilent公司的6N137系列高速光電耦合器包括6N137、HCPL-2601/2611，HCPL-0600/0601/0611。該系列光電耦合器為高CMR，高速TTL兼容的光電耦合器，傳輸速度為10MBd。主要應(yīng)用于：線(xiàn)接收器隔離；計(jì)算機(jī)外圍接口；微處理器系統(tǒng)接口；A-D、D-A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字隔離；開(kāi)關(guān)電源；儀器輸入輸出隔離；取代脈沖變壓器；高速邏輯系統(tǒng)的隔離。6N137，HCPL-2601/2