《计算机控制技术及其应用》 第4章 控制系统中的计算机及其接口技术 思考题与习题 指导信息
第4章 控制系统中的计算机及其接口技术
1. 工业控制计算机有哪些要求？基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机有何不同？
[指导信息]: 参见4.1.1 工业控制计算机的特点和结构。
对工业控制计算机的要求主要体现在其所具有特点：适应性、可靠性、实时性、扩展性等方面。 基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机不同之处是前者在机械结构、元器件选用和电源配置等方面比普通PC机的可靠性更高。
2. 工业控制中的嵌入式系统可选择哪些设计模式？
[指导信息]: 4.1.2 嵌入式系统与单片机。
嵌入式系统的设计通常与其架构有关，通常有基于片上系统 (SoC:System on Chip)、系统级封装 (SiP:System-in-a-Package)、模块级系统(SOB:System-on-Board)的设计模式。 3. 通过查阅资料，了解目前常见的8位和32位微控制器的特点和性能指标。
[指导信息]: 建议利用网络资源查阅有关资料。
提示：可查阅有关微控制器厂商的网站，了解目前常见微控制器的特点和性能指标。 4. 通过查阅资料，了解某种工业控制计算机产品的构成、性能指标和适用场合。
[指导信息]: 利用网络资源查阅有关资料。
提示：可查阅某工业控制计算机厂商的网站，了解某种产品的构成、性能指标和适用场合。 5. 接口数据传输中有哪些定时和协调信号？
[指导信息]: 参见4.2.1 接口与总线。
定时信号有：CPU或DMA控制发出的读(Read)或写(Write)信号，来实现CPU或存储器与外设之间的数据传输。
协调信号有请求(REQ)和应答(ACK)或选通(Strobe)和就绪(Ready)。 6. 接口技术中有哪些数据传输的方式？各有什么特点？
[指导信息]: 参见4.2.1 接口与总线。
根据定时和协调的不同要求，数据传输的实现有直接传输、程序查询、定时查询、中断传输和DMA等几种方式。特点请参见4.2.1 接口与总线。 7. 接口与总线有哪些分类？
[指导信息]: 参见4.2.1 接口与总线。
按接口所连接的功能部件来分，有过程通道接口、人机交互接口、存储设备接口和通信接口。按接口的数据传输特征进行分类，有并行接口和串行接口；按接口和总线连接部件的技术特征可分为芯片级总线、板级总线(也称系统总线)和通信总线(也称外部总线)。 8. RS-232C和RS-485各有什么特点？
[指导信息]: 参见4.2.3 串行接口。
提示：可通过传输方式、传输速率、传输距离、信号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面
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《计算机控制技术及其应用》 第4章 控制系统中的计算机及其接口技术 思考题与习题 指导信息
来比较。
9. IC总线和SPI总线各有什么特点？
[指导信息]: 参见4.2.3 串行接口。
提示：可通过总线结构、时序、传输速率、传输距离、适用场合等方面来比较。 10. 简述Infranet、Intranet、Internet之间的关系。
[指导信息]: 参见4.2.4 现场总线。
FCS中，形成最底层的控制网称为Infranet。Infranet的网络连接现场节点包括控制现场的传感器、执行器以及人机接口HMI(如安全监控器)等。Infranet可与企业内部网Intranet相连，实现企业内部管理、财务、办公及人事等的信息化。Intranet再与全球信息网Internet相连，实现企业之间的信息交流。最终可构成一个完整的企业网络三级体系结构。 11. 简述现场总线的技术特征.
[指导信息]: 参见4.2.4 现场总线。
现场总线的主要技术特征有：(1). 数字计算和数字通信；(2). 互操作性和互换性；(3). 传输介质的多样化；(4). 适应性和可靠性等。
12. 画出IC总线上主器件对地址为1010110的从器件写入2字节5BH和87H的时序。
[指导信息]: 参见4.2.3 串行接口。 提示：参考图 4 28 I2C总线的传输数据格式。 13. 画出SPI总线上主器件向从器件写入A5H的时序。
[指导信息]: 参见4.2.3 串行接口。
提示：图 4 30 SPI总线的四种时钟工作方式和图 4 31 SPI总线传输数据实例。 14. 控制系统中对人机交互有哪些要求？
[指导信息]: 参见4.3.1 人机交互及其要求。
主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括确定性、关联性、层次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壮性、安全性等要素。 15. 通过查阅资料，有哪些嵌入式操作系统？
[指导信息]: 参见4.4.1 系统软件。 提示：利用网络资源，查阅相关资料。
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《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息
第5章 计算机控制系统中的过程通道
1. 简述传感器与变送器的异同。
[指导信息]: 参见5.1.1 传感器和变送器。
变送器(Transmitter)是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。变送器有较强的信号处理能力、能输出标准信号信号。
2. 变送器输出的信号通常为多少？变送器与输入通道的连接方式有哪些？请给出连接示意图。
[指导信息]: 参见5.1.1 传感器和变送器。
通用的标准信号为直流电流4～20mA或直流电压1～5V等。另外，对智能变送器还能输出规范的数字信号。变送器信号的传输连接方式通常有四线制、三线制和两线制传输。连接示意图见图5-1。 3. IEEE1451标准所指的变换器(Transducer)、检测器(Sensor)和执行器(Actuator)之间是什么关系？
[指导信息]: 参见5.1.2 IEEE 1451智能变换器标准。
要点：智能变换器(Transducer)可以是一种传感器或检测器(Sensor)，也可以是一种执行器(Actuator)，或者是两种的组合，它可以作为信息系统与外界联系的一个信息节点。 4. 试比较伺服电机和步进电机的各自特点。
[指导信息]: 参见5.1.4 伺服电机和步进电机。
提示：可通过结构和工作原理、控制精度、矩频特性、过载能力、成本等方面比较。伺服电机及其构成的伺服系统，特别是交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，在控制性能要求不是很高的场合可选用步进电机，而对控制精度不高，成本更低的场合，可选择伺服电机及其简单的开环控制驱动器。 5. 简述在控制系统中变频器和电动执行器的作用。
[指导信息]: 5.1.5 变频器与电动执行器。
变频器主要用于实现电机的变速运行。电动执行器(也称电动力执行机构)接受来自调节器、工控机、DCS、计算机等仪表系统的控制信号，变成位移推力或转角力矩，完成调节的机械动作。变频器和电动执行器在控制系统中完成信息施效的作用。 6. 简述控制系统中信号的类型和处理的要求。
[指导信息]: 参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。 提示：可参考表 5 2 信号类型和处理要求。 7. 什么是信号调理？输入通道中的信号调理包括哪些？
[指导信息]: 参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。
信号调理(Signal Conditioning)是指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。 数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。
模拟量输入通道的调理内容有：电流-电压信号转换、电阻-电压信号转换、电压放大以及隔离等，调理后的信号通常为一定大小的电压信号，然后由A/D转换器变为数字信号。 8. 什么是格雷(Gray)码？它有哪些特点？
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《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息
[指导信息]: 5.2.2 数字量信号处理方式。
格雷(Gray)码特点是数值上大小相邻的编码，在逻辑上也相邻。逻辑上相邻的编码仅有1位不同，这样可保证按数值大小递增递减变化时，输出逻辑上相邻的编码，不会出现多于1位的码同时变化，这样可避免由于编码递增或递减变化时造成的干扰。 9. 画出电阻-电压信号转换电路示意图。
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 可参考图 5-22 电流-电压信号转换。
10. A/D转换器有哪些性能指标？
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。
主要性能指标有(1). 接口特性(Interfacing)；(2). 量程(Range) ；(3). 分辨率(Resolution) ；(4). 误差和精度(Error&Accuracy);(5). 转换速率(Conversion Rate);(6). A/D转换的方法。 11. A/D转换的方法有哪些？各有什么特点？
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 提示：参考表 5-5 各种A/D转换方法比较。
12. 某水箱水位正常工作时的变化范围为 0cm～100cm，经压力变送器变换为1～5V标准电压信号后送至8位A/D转换器ADC0831，其输入量程为0～5V。当水箱水位的高度为25cm时，ADC0831 的转换结果约为多少？
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式和5.1.1 传感器和变送器。
提示：先求当水箱水位的高度为25cm时，压力变送器输出的电压信号（2V），然后转换为ADC0831 的输出结果（2V/5V*255）。
13. 已知某A/D转换器的分辨率为12位bit，转换时间为10μs，误差为±1LSB。在没有采样保持的情况下，为保证数据精度，则输入信号的频率最高为多少？若采用了采样保持器后，理论上输入信号的频率最高可为多少？
[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。
对tA/D＝10μs的12位ADC芯片，为保证其量化精度：1/4096，则输入信号允许的最大频率为：
f?1/40961/4096??4Hz
2??tA/D2??10?10?61tA/D＝100kHz。
理论上输入信号的频率最高可为最大采样频率fsMAX?- 5-2 -