儀表信號(hào)包括電壓、電流、頻率、功率。功率因數(shù)等等，一般要求精確測(cè)量的，可以讀出等特征，儀表信號(hào)是用來(lái)測(cè)量的。

AI：模擬量輸入（電流、電壓信號(hào)）

AO：模擬量輸出（電流、電壓信號(hào)）

DI：數(shù)字量輸入（開(kāi)關(guān)量）

DO：數(shù)字量輸出（開(kāi)關(guān)量）

PI：脈沖量輸入（頻率信號(hào)）

PO：脈沖量輸出（頻率信號(hào)）

1、AI量（模擬量輸入）

AI（Analogy Input）模擬量輸入，模擬量輸入的物理量有溫度、壓力、流量等，這些物理量由相應(yīng)的傳感器感應(yīng)測(cè)得，往往經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送入控制器的模擬輸入口。

與物理量值對(duì)應(yīng)，如壓力、液位、流量、溫度等。

①電流信號(hào)    4~20mA/0~20mA   DC（直流信號(hào)）

②電壓信號(hào)    1~5V/0~5V              DC（直流信號(hào)）

③熱電阻信號(hào)   RTD    PT100等（相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、電阻變化）

④熱電偶信號(hào)   TC    J、K、S、B等 （相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)勢(shì)）

⑤電橋信號(hào)       壓力傳感器、負(fù)荷傳感器、電位器等

2、AO量（模擬量輸出）

用于信號(hào)輸出、驅(qū)動(dòng)、PID調(diào)節(jié)等

①電流信號(hào)    4~20mA/0~20mA   DC（直流信號(hào)）

②電壓信號(hào)    1~5V/0~5V              DC（直流信號(hào)）

電流信號(hào)     負(fù)載電阻越大負(fù)載越重    ﹤1K

電壓信號(hào)     負(fù)載電阻越小負(fù)載越重

3、DI/DO量（數(shù)字量輸入/輸出）

與物理狀態(tài)及控制狀態(tài)對(duì)應(yīng)。

DI：如啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、三通狀態(tài)等。

DO：如開(kāi)關(guān)信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、指示信號(hào)等。

①觸點(diǎn)信號(hào)    繼電器

②電平信號(hào)    +24V、+12V、+5V等

③集電極開(kāi)路輸出，F(xiàn)ET

4、PI/PO量（脈沖量輸入/輸出）

與物理量的瞬時(shí)值或累積值對(duì)應(yīng)，信號(hào)類型與DI/DO類似。

脈沖信號(hào)---與累積值對(duì)應(yīng)。

頻率信號(hào)---與瞬時(shí)值對(duì)應(yīng)。

脈沖信號(hào)：

脈沖當(dāng)量---單位脈沖對(duì)應(yīng)的累積值。如流量：/脈沖、 m3/8000脈沖

              累積值=脈沖數(shù)×脈沖當(dāng)量  （m3）

              瞬時(shí)值=脈沖數(shù)×脈沖當(dāng)量 / 測(cè)量時(shí)間（s）×3600  （m3/h）

此類信號(hào)測(cè)量累積值方便，測(cè)量瞬時(shí)值困難。

若脈沖頻率較小時(shí)，應(yīng)通過(guò)測(cè)量脈沖周期測(cè)量瞬時(shí)值。若脈沖頻率較大時(shí)，可通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間脈沖數(shù)測(cè)量瞬時(shí)值。

頻率信號(hào)：

瞬時(shí)值與頻率值成正比，如：0~30 m3 /h 對(duì)應(yīng) 0~5000Hz

此類信號(hào)測(cè)量瞬時(shí)值方便，測(cè)量累積值困難。測(cè)量累積值要有精確定時(shí)。        

5、累積測(cè)量時(shí)的一般問(wèn)題

精確定時(shí)問(wèn)題，始動(dòng)量問(wèn)題，余量累積問(wèn)題。

精確定時(shí)問(wèn)題：

        當(dāng)通過(guò)瞬時(shí)值計(jì)算累積值時(shí)，存在精確定時(shí)問(wèn)題。

                    Q=∑△Q     逐次累加

                △Q=V× △T

               Q總累積    △Q時(shí)間分段累積     V瞬時(shí)值     △T分段時(shí)間

         △T 需精確定時(shí)，否則將產(chǎn)生較大誤差。在編程時(shí)需考慮此問(wèn)題。

始動(dòng)量量問(wèn)題：

        當(dāng)通過(guò)瞬時(shí)值計(jì)算累積值時(shí)，存在始動(dòng)量問(wèn)題。

        由于瞬時(shí)量有波動(dòng)（干擾），造成無(wú)流量時(shí)仍有累積，因此需要有一始動(dòng)量，當(dāng)瞬時(shí)值小于此值時(shí)不累積。

余量累積問(wèn)題：

       每次進(jìn)行累積計(jì)算時(shí)，由于累積精度問(wèn)題，可能使較小的部分累積不上，造成累積誤差。

每次應(yīng)把上次余量累加到本次△Q上，再累加有效部分。

6、儀表接線

二線制、三線制、四線制。

1、電流信號(hào)→電壓信號(hào)   

F1  100mA  可恢復(fù)保險(xiǎn)（過(guò)流保護(hù)）

D1          瞬變管（過(guò)壓保護(hù)）

R1  250Ω   （變換電阻）

R2  10KΩ   （濾波電阻）

C1  1μf/50V （濾波電容）

2、熱電偶信號(hào)→4~20mA ：

兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn)溫度不同時(shí)，則會(huì)在其回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流（熱電動(dòng)勢(shì)）。

與熱電阻比較，熱電偶測(cè)量范圍寬，但線性差，需冷端補(bǔ)償。

冷端補(bǔ)償方法：電路補(bǔ)償，軟件補(bǔ)償。

線性化：線性化電路，通過(guò)查分度表軟件線性化。 

3、mV信號(hào)（電橋信號(hào)）→ 4~20mA：

激勵(lì)方法：

電壓激勵(lì)  恒呀壓源，負(fù)荷傳感器（10V）

電流激勵(lì)  恒流源

差動(dòng)輸出：差動(dòng)輸出，高阻輸入，一般為mV信號(hào)

5根接線：2激勵(lì)，2信號(hào)，1屏蔽。

4、mV信號(hào)（電位器信號(hào)）→4~20mA ：

AI不帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)，在DCS或PLC中僅用于顯示；

AI-E不帶冗余的來(lái)自電氣的模擬信號(hào)，在DCS或PLC中僅用于顯示；

AI(R)帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)，在DCS或PLC中用于控制或聯(lián)鎖；

AI-E(R)帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)，在DCS或PLC中用于控制或聯(lián)鎖；

TC不帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的熱偶信號(hào)，在DCS或PLC中僅用于顯示；

TC(R)帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的熱偶信號(hào)，在DCS或PLC中用于控制或聯(lián)鎖；

RTD不帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的熱電阻信號(hào)，在DCS或PLC中僅用于顯示；

RTD(R)帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的熱電阻信號(hào)，在DCS或PLC中用于控制或聯(lián)鎖；

AO(R)帶冗余的控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)信號(hào)，AO輸出通常都是冗余的；

AO-E(R)帶冗余的控制電氣信號(hào)，如控制變頻器的頻率，AO輸出通常都是冗余的；

PL應(yīng)為PI，不帶冗余的脈沖信號(hào)，不具備冗余功能，主要采集流量計(jì)的脈沖信號(hào)，脈沖數(shù)通常從100~1000，最好采用1000，保證測(cè)量準(zhǔn)確；

還有DI、DI-E、DO、DO-E不帶冗余的來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的離散(開(kāi)關(guān)閥的限位開(kāi)關(guān)、各種流量、液位、壓力開(kāi)關(guān))信號(hào)；

DI-E、DO、DO-E不帶冗余的來(lái)自電氣的離散(電機(jī)的運(yùn)行、停止、故障)信號(hào)；

DO、DO-E不帶冗余的控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥(打開(kāi)、關(guān)閉)或其他機(jī)構(gòu)信號(hào)；

DO-E不帶冗余的控制電氣的離散(電機(jī)的啟動(dòng)、停止)信號(hào)；

通常DI、DI-E、DO、DO-E均不帶冗余，也可以根據(jù)工藝要求帶冗余功能，但有些系統(tǒng)DI、DO是不支持冗余功能的。

這里的模擬信號(hào)是指電壓和電流信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)的處理技術(shù)主要包括模擬量的選通、模擬量的放大、信號(hào)濾波、電流電壓的轉(zhuǎn)換、V/F轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換等。 

1．模擬通道選通 

　　單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有時(shí)需要進(jìn)行多路和多參數(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、濾波、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外，通常采用公共的采樣／保持及A／D轉(zhuǎn)換電路(有時(shí)甚至可將某些放大電路共用)，利用多路模擬開(kāi)關(guān)，可以方便實(shí)現(xiàn)共用。 

　　在選擇多路模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)： 

　　（1）通道數(shù)量 

　　通道數(shù)量對(duì)切換開(kāi)關(guān)傳輸被測(cè)信號(hào)的精度和切換速度有直接的影響，因?yàn)橥ǖ罃?shù)目越多，寄生電容和泄漏電流通常也越大。平常使用的模擬開(kāi)關(guān)，在選通其中一路時(shí)，其它各路并沒(méi)有真正斷開(kāi)，只是處于高阻狀態(tài)，仍存在漏電流，對(duì)導(dǎo)通的信號(hào)產(chǎn)生影響；通道越多，漏電流越大，通道間的干擾也越多。 

　　（2）泄漏電流 

　　在設(shè)計(jì)電路時(shí)，泄漏電流越小越好。采集過(guò)程中，信號(hào)本身就非常微弱，如果信號(hào)源內(nèi)阻很大，泄漏電流對(duì)精度的影響會(huì)非常大。 

　　（3）切換速度 

　　在選擇模擬開(kāi)關(guān)時(shí)，要綜合考慮每路信號(hào)的采樣速率、A/D的轉(zhuǎn)換速率，因?yàn)樗鼈儧Q定了對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的切換速度的要求。 

　?。?）開(kāi)關(guān)電阻 

　　理想狀態(tài)的多路開(kāi)關(guān)其導(dǎo)通電阻為零，而斷開(kāi)電阻為無(wú)窮大，而實(shí)際的模擬開(kāi)關(guān)無(wú)法到這個(gè)要求，因此需考慮其開(kāi)關(guān)電阻，尤其當(dāng)與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)，應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻足夠低的多路開(kāi)關(guān)。 

　　（5）參數(shù)的漂移性及每路電阻的一致性 

　?。?）器件的封裝 

　　常用的模擬開(kāi)關(guān)有DIP和SO兩種封裝，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇。 

2．信號(hào)濾波 

　　從傳感器或其它接收設(shè)備獲得的電信號(hào)，由于傳輸過(guò)程中的各種噪聲干擾，工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，前段電路本身的影響，往往會(huì)有多種頻率成分的噪聲信號(hào)，嚴(yán)重情況下，這種噪聲信號(hào)甚至?xí)蜎](méi)有效輸入信號(hào)，致使測(cè)試無(wú)法正常進(jìn)行。為了減少噪聲信號(hào)對(duì)測(cè)控過(guò)程的影響，需采取濾波措施，濾除干擾噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比(S／N)。 

　　過(guò)去常用模擬濾波電路實(shí)現(xiàn)濾波，模擬濾波的技術(shù)較為成熟。模擬濾波可分為有源濾波和無(wú)源濾波。設(shè)計(jì)有源濾波器，首先根據(jù)所要求的幅頻特性，尋找可實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)進(jìn)行逼近設(shè)計(jì)。常用的逼近函數(shù)有：波待瓦茲（Butterworth)函數(shù)、切比雪夫(Chebyshev)函數(shù)，貝塞爾(Besel)函數(shù)等，然后計(jì)算電路參數(shù)，完成設(shè)計(jì)。 

　　但是模擬濾波電路復(fù)雜，不僅增加了設(shè)計(jì)成本，而且還增加系統(tǒng)的功耗，降低了系統(tǒng)可靠性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多的場(chǎng)合都應(yīng)用數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在的手機(jī)、PDA等智能設(shè)備，大多采用數(shù)字濾波技術(shù)。它作為軟件無(wú)線電的一個(gè)處理單元，有非常廣闊的發(fā)展前景。但是，單片機(jī)的處理能力有限，只能完成比較簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波。 

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中，首先在設(shè)計(jì)硬件是對(duì)信號(hào)采取抗干擾措施，然后在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除干擾的處理，以進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾，使采集到的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映現(xiàn)場(chǎng)的情況。下面介紹的幾種工控中常用的數(shù)字濾波技術(shù)。 

　　（1）死區(qū)處理 

　　從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)往往會(huì)在一定的范圍內(nèi)不斷的波動(dòng)，或者說(shuō)有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號(hào)上，這種情況往往出現(xiàn)在應(yīng)用工控板卡的場(chǎng)合，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動(dòng)，難以穩(wěn)定。這種情況可以采取死區(qū)處理，把波動(dòng)的值進(jìn)行死區(qū)處理，只有當(dāng)變化超出某值時(shí)才認(rèn)為該值發(fā)生了變化。比如編程時(shí)可以先對(duì)數(shù)據(jù)除以10，然后取整，去掉波動(dòng)項(xiàng)。 

　?。?）算術(shù)平均值法 

　　公式為YK =(XK1+XK2+XK3+…+XKN)/N，在一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)間點(diǎn)取樣，然后求其平均值，這種方法可以有效的消除周期性的干擾。同樣，這種方法還可以推廣成為連續(xù)幾個(gè)周期進(jìn)行平均。 

　　（3）中值濾波法 

　　這種方法的原理是將采集到的若干個(gè)周期的變量值進(jìn)行排序，然后取排好順序的值得中間的值，這種方法可以有效的防止受到突發(fā)性脈沖干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)入。在實(shí)際使用時(shí)，排序的周期的數(shù)量要選擇適當(dāng)，如果選擇過(guò)小，可能起不到去除干擾的作用，選擇的數(shù)量過(guò)大，會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過(guò)大，造成系統(tǒng)性能變差。 

　　（4）低通濾波法 

　　公式為YK =Q*XK+(1-Q)*YK-1 截止頻率為f=K/2πT。這種濾波方式相當(dāng)于使采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)一次低通濾波器。來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)往往是4~20mA信號(hào)，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)信號(hào)的帶寬，合理選擇Q值。 

　　（5）滑動(dòng)濾波法 

　　滑動(dòng)濾波法是由一階低通濾波法推廣而來(lái)的。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)一般都是平滑的，不會(huì)出現(xiàn)突變，如果接收到的信號(hào)有突變，那么很可能就是干擾?；瑒?dòng)濾波法就是基于這個(gè)原理，把所有的突變都視為干擾，并且通過(guò)平滑去掉干擾。應(yīng)用這種方法，只能處理平滑信號(hào)，并且不同的場(chǎng)合，數(shù)據(jù)處理過(guò)程也要做相應(yīng)調(diào)整。滑動(dòng)濾波法的公式是：Yn=Q1Xn+Q2Xn-1+Q3Xn-2，其中Q1 + Q2+ Q3 =1且Q1 >Q2> Q3。 

　　在實(shí)際使用時(shí)，常常需要結(jié)合多種方法，以其它濾波的效果。比如在中值濾波法中，加入平均值濾波，借以提高濾波的性能。 

3．電流電壓的轉(zhuǎn)換 

　　電壓信號(hào)可以經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)然后采集，但是電流不能直接由Ａ/Ｄ 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用中，先將電流轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電流／電壓轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛。 

　　電流／電壓轉(zhuǎn)換最簡(jiǎn)單的方法是在被測(cè)電路中串入精密電阻，通過(guò)直接采集電阻兩端的電壓來(lái)獲得電流。A/D器件只能轉(zhuǎn)換一定范圍的電壓信號(hào)，所以在電流／電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要選擇合適阻值的精密電阻。如果電流的動(dòng)態(tài)范圍較多，還必須在后端加入放大器進(jìn)行二次處理。經(jīng)過(guò)多次處理，會(huì)損失測(cè)量的精度。 

　　現(xiàn)在有很多電流／電壓轉(zhuǎn)換芯片，其響應(yīng)時(shí)間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想，且能適應(yīng)大范圍大電流的測(cè)量。 

4．電壓頻率的轉(zhuǎn)換 

　　頻率接口有以下特點(diǎn)： 

　　(1)接口簡(jiǎn)單、占用硬件資源少。頻率信號(hào)通過(guò)任一根I／O口線或作為中斷源及計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入系統(tǒng)。 

　　(2)抗干擾性能好。V／F轉(zhuǎn)換本身是一個(gè)積分過(guò)程，且用V／F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，就是頻率計(jì)數(shù)過(guò)程，相當(dāng)于在計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行積分，因而有較強(qiáng)的抗干擾能力。另外可采用光電耦合連接V／F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的通道，實(shí)現(xiàn)隔離。 

　　(3)便于遠(yuǎn)距離傳輸?？赏ㄟ^(guò)調(diào)制進(jìn)行無(wú)線傳輸或光傳輸。 

　　由于以上這些特點(diǎn)，V／F轉(zhuǎn)換器適用于一些非快速而需進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)腁／D轉(zhuǎn)換過(guò)程。利用V／F變換，還可以減化電路、降低成本、提高性價(jià)比。 

5．A/D轉(zhuǎn)換 

　　A/D轉(zhuǎn)換是指將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號(hào)的過(guò)程。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器近年也呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢(shì)。人類數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了A/D轉(zhuǎn)換器不斷變革，現(xiàn)在，在通信產(chǎn)品、消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)醫(yī)療儀器乃至軍工產(chǎn)品中無(wú)一不顯現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的身影，可以說(shuō)，A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為人類實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。自1973年第一只集成A/D轉(zhuǎn)換器問(wèn)世至今，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在加工工藝、精度、采樣速率上都有長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換器的精度可達(dá)26位，采樣速度可達(dá)1GSPS，今后的A/D轉(zhuǎn)換器將向超高速、超高精度、集成化、單片化發(fā)展。不管怎么發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換的原理和作用都是不變的。

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