第2章 计算机测控系统中的硬件
习题与思考题
1．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？画出检测与控制原理示意图。
2．上网搜索商品化的各种传感器、数据采集卡、远程I/O模块、工业控制计算机、智能仪器、PLC的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。
3．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？ 4．如何正确安装数据采集卡？应注意什么事项？
5．工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何区别？ 6．智能仪器与传统仪器相比有哪些特点？ 7．PLC有哪些技术特点？可采用什么编程语言？
8．查阅有关文献，学习各类电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行机构的结构、工作原理等知识。
9．上网搜索商品化的电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、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。
10．试画出一种电动阀（调节阀）的驱动控制电路图，说明工作原理。 11．试画出2种直流电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。 12．试画出2种交流伺服电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。 13．试画出3种步进电机的驱动控制电路图，说明工作原理。
14．试画出1种交流型SSR控制单向交流电动机的线路示意图，说明工作原理。
解 答（部分）
3．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？
模拟量有单端和差分两种输入方式，如图1所示。
单端输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地（SG）而言只有一个输入信号端（SH），SH一般连接到运算放大器的其中一个输入端，而另一个输入端接模拟信号地。单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。
差分输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地而言有两个输入信号端，分别称之为输入信号高端（SH）和输入信号低端（SL），SH与SL分别连接到运算放大器的两个输入端，运放的实际输出取决于SH与SL的差值，故称之为差分输入或差动输入。差分输入方式每个输入可以有不同的接地参考点，并且，
由于消除了共模噪声的误差，抗干扰能力优于单端输入方式，所以差分输入的精度较高。如果模拟量信号为标准信号（如1∽5V、4∽20mA等），则可以采用单端输入方式，也可以采用差动输入方式；如果模拟量输入信号为毫伏级的小信号，一般采用差动输入方式。
SH
+ -
SH
+ -
SG SL SG
（a）单端输入 （b）差分输入
图1 模拟量的输入方式
模拟量信号的极性：
模拟量信号有单极性和双极性两种。单极性模拟量信号在整个量程范围内只有一种极性（要么为正，要么为负），双极性模拟量信号在整个量程范围内可以为正，也可以为负。例如，模拟量信号AI1的变化范围为0∽5V，模拟量信号AI2的变化范围为-2.5∽+2.5V，则信号AI1为单极性，信号AI2为双极性。
4．如何正确安装数据采集卡？应注意什么事项？
关闭计算机电源，打开机箱，将板卡正确地插到一空闲的PCI插槽中（假设安装的是PCI总线数据采集卡），如图2所示，检查无误后合上机箱。
重新开启计算机，进入Windows操作系统，首先出现“找到新的硬件向导”对话框，将板卡驱动光盘放在光驱中，选择“自动安装软件”项，点击“下一步”按钮，计算机将自动完成板卡驱动程序的安装。
安装完成后，系统自动地为PCI板卡设备分配中断和基地址，用户无需关心。
检查板卡是否安装正确：右击“我的电脑”，点击“属性”项，弹出“系统属性”对话框，选中“硬件”项，点击“设备管理器”按钮，进入“设备管理器”画面，若板卡安装成功后会在设备管理器列表中出现该板卡的设备信息。查看板卡属性“资源”选项中，可获得计算机分配给板卡的地址输入输出范围。
注意：一般板卡上多使用CMOS电路，容易因静电击穿或过流造成损坏，所以，在安装时应尽量避免用手触摸器件，特别是在干燥的季节尤为要注意。在用手持板卡之前，请先释放手上的静电（例如：通过触摸电脑机箱的金属外壳释放静电），不要接触易带静电的材料（如塑料材料），手持板卡时只能握它的边沿，应避免直接用手接触器件管脚，以免手上的静电损坏面板上的集成电路或组件。
严禁带电插拔接口卡，设置开关、跨接选择器和安装接口电缆均应在关掉电源状态下进行。
图2 板卡安装示意图
5．工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何区别？
随着生产发展的需要以及电子技术的发展，STD总线工业控制机已经不能满足工业控制的需要，因此，近几年来又兴起了工业PC机。所谓工业PC机就是在原来个人计算机的基础上进行改造，使其在系统结构及功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要。基本上可以这样讲，工业PC机一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便；另一方面在结构上又采用了STD总线工业控制机的优点，实现模块化。正因为工业PC机的这些优点，使得工业PC机发展十分迅速，大有取代STD总线工业控制机之势。只是目前工业PC机在价格上稍许偏高，但就其功能／价格比而言，仍然有其明显的优势。
工业PC机与个人计算机相比，其差别在于：
(1) 取消了PC中的母板，将原来的大母板变成通用的底板总线插座系统； (2) 将母板分成几块PC插件，如CPU板、存储器板等； (3) 把原PC电源改造成工业电源； (4) 采用密封机箱，并内部正压送风； (5) 配以相应的工业应用软件。
工业PC与个人PC之间的差别如图3所示。
图3 工业PC与个人PC之间的差别
6．智能仪器与传统仪器相比有哪些特点？
智能仪器与传统仪器相比较，主要有以下几个特点：
1）仪表的功能强
由于仪器内部含有微处理器，它具有数据的处理和存储功能，在丰富的、功能强大的软件的支持下，仪器的功能较常规的仪器大为增强。例如常规的频率计数器，能够测量频率、周期等参数，带有微处理器和A/D转换器的通用计数器还能测量电压、相位、上升时间、占空比、漂移及比率等多种电参数；又如传统的数字多用表只能测量交流与直流电压、电流及电阻，而带有微处理器的数字多用表，除此之外，还能测量被测量的最大/最小、极限、统计等多种参数。仪器如果配上适当的传感器，还可测量温度、压力等非电参数。
2）仪器的性能好
智能仪器中通过微处理器的数据存储和运算处理，能很容易地实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，以提高测量精度。智能仪器中，对随机误差通常用求平均值的方法来克服，对系统误差，则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。
在智能仪器中，很大一部分设计是软件设计，其设计与研制时间较短，硬件本身的一些缺陷或弱点可用软件方法克服，从而提高仪器的性能价格比。
3）智能仪器的自动化程度高
常规仪器面板上的开关和旋钮均被键盘所代替。仪器操作人员要做的工作仅是按键，省却了烦琐的人工调节。智能仪器通常都能自动选择量程、自动校准，有的还能自动调整测试点，这样既方便了操作，又提高了测试精度。
4）使用维护简单、可靠性高
智能仪器通常还具有很强的自测试和自诊断功能，有的还具有一定的容错功能，从而大大提高了仪器工作的可靠性，给仪器的使用和维护带来很大方便。
仪器中采用微处理器后能实现“硬件软化”，使许多硬件逻辑都可用软件取代。例如，传统数字电压表的数字电路通常采用了大量的计数器、寄存器、译码显示电路及复杂的控制电路，而在智能仪器中，只要速度跟得上，这些电路都可用软件取代。显然，这可使仪器降低成本、减小体积、降低功耗和提高可靠性。
智能仪器均采用面板显示，除了用简单的LED指示灯外，多用七段LED显示器来显示十进制数字和其他字符，有的用点阵式LED或CRT显示器来显示各种字符，面板显示字迹清晰、直观。
仪器仪表的发展阶段：
回顾电子仪器的发展历程，我们可以发现，从仪器使用的器件来看大致经历了三个阶段，即真空管时代、晶体管时代、集成电路时代。若从仪器的工作原理来看，又可以分为以下几个阶段：
第一代，模拟式电子仪器（又称指针式仪器）。这一代仪器应用和处理的信号均为模拟量，如指针式电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器，均为典型的模拟式仪器。这一代仪器的特点是：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。
第二代，数字式电子仪器，如数字电压表、数字式测温仪、数字频率计等。它们的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号并进行测量，测量结果以数字形式输出显示。数字式电子仪器与第一代模拟式电子仪器相比，具有精度高、速度快、读数清晰、直观的特点。其结果既能以数字形式输出显示，还可以通过打印机打印输出。此外，由于数字信号便于远距离传输，因此数字式电子仪器适用于遥测遥控。
第三代，智能型仪器。这一代仪器是计算机科学、通信技术、微电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传统电子仪器相结合的产物。智能型仪器的主要特征是仪器内部含有微处理器（或单片机），它具有数据存储、运算和逻辑判断的能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可实现自动校正、自动补偿、自寻故障，以及远距离传输数据，遥测遥控等功能，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作。也就是说，这种仪器具备了一定的智能，故称为智能仪器。
智能仪器是一类新型的、内部装有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是由传统的电子仪器发展而来的，但在结构和内涵上已经发生了本质的变化。
智能仪器并不是传统仪器与微处理器的简单组合，而是一种经过综合考虑后的重新设计，它体现了仪器仪表与微处理器一体化的思想。传统观念上的仪器仪表是将大量的分立元件、中小规模集成电路用硬接线的方式连接起来，其所有功能全是由硬件实现的。由于这是采用硬接线，因此一旦电路定型，这部分器件就只能用于某一专门的用途，如果需要增加功能，就需另外增添器件，修改电路或重新设计，而且，仪器要求的功能越多，所需的器件数就越多，设计和制造既费时、费工，又容易出错。
智能仪器的出现，可以很好地解决这一问题。带有微处理器的智能仪器实质上是一种硬件和软件相结合的设计，并且充分利用了软件技术的强大功能。它把仪器的主要功能集中存放在程序存储器ROM中，因而，当需要增加功能时，不需要全面改变硬件设计，而只要修改存放在ROM中的软件内容就可以很方便地改变仪器的功能。这种结构与功能的灵活性使得智能仪器在各个领域得到了广泛的应用。由此可见，微处理器的应用使得仪器仪表的结构、性能以及应用领域发生了巨大的变革。
智能仪器在结构上体现了微处理器、仪器的一体化，硬件、软件的相互融合。由于硬件减少，仪器的