永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——位置反饋及邏輯控制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)位置反饋及邏輯控制研究學(xué)生姓名：楊洋 學(xué) 號：5專業(yè)班級：08測控1班 學(xué) 部：信息科學(xué)與技術(shù)部指導(dǎo)教師：田晴 講師 2012年5月23日專心-專注-專業(yè)摘 要隨著電力電子、電機(jī)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速理論以及新型智能控制理論研究的不斷深入，永磁同步電機(jī)因具有體積小、重量輕、運(yùn)行可靠、能量轉(zhuǎn)換效率高、調(diào)速范圍寬、動靜態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、機(jī)器人、航空航天等高科技伺服領(lǐng)域中。因此，研究基于永磁同步

2、電機(jī)的伺服系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1。本文首先對伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展概述做了簡要的介紹，明確了永磁同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究背景與意義。然后在分析了永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了永磁同步電動機(jī)的矢量控制策略，重點(diǎn)分析介紹了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)里邊的位置反饋及邏輯控制。最后本文用protel軟件制圖并對其進(jìn)行仿真，完成了對這個(gè)系統(tǒng)里位置反饋及邏輯控制的研究。關(guān)鍵詞 永磁同步電機(jī)；位置反饋；邏輯控制；Protel軟件AbstractWith the development of power electronics，the motor manufacturing technology and

3、the progress of theories of AC speed regulation system and novel control strategies，the Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)is widely used in electromechanical integration，robot and aviation territoryBecause of its good characteristics of small size light weight，reliable operation，hi。gh energy c

4、onversion efficiency，high speed wide range and good static and dynamic behavior ,etcTherefore ,studying PMSM Servo System is quite significantThis thesis introduces the general development situation of PMSM Servo System firstly,in which the background and significance are indicatedBased on analysis

5、of the structure of the PMSM，the mathematics models are set up at three coordinatesThe vector controlmethod of PMSM is analyzed in detail，introduced, focuses on the analysis of servo system of permanent magnet synchronous motor position feedback and control logic. Finally, by using the Protel softwa

6、re, mapping and its simulation, completed on the position feedback and logic control research.Keywords PMSM ；Position feedback; logic control； Protel Software目 錄第1章 緒論1.1 永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究的背景和意義由于永磁電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低，易于散熱及維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著新型的永磁材料的出現(xiàn)，永磁材料價(jià)格的下降以及材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)

7、中，永磁同步電動機(jī)引起了眾多研究與開發(fā)人員的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬廣。當(dāng)前，永磁電機(jī)在軍事上的應(yīng)用是占絕對優(yōu)勢的，幾乎取代所有電磁電機(jī)。永磁電機(jī)在工、農(nóng)、商、建筑、醫(yī)藥、旅游、金融業(yè)以及日常生活中的應(yīng)用也越來越廣2。 用在伺服系統(tǒng)領(lǐng)域的永磁電動機(jī)，按照電動機(jī)反電動勢波形的不同分為兩類：正弦波的永磁同步電動機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM)和梯形波的無刷直流電動機(jī)(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)。由于這兩種電機(jī)的感應(yīng)電動勢波形分別為正弦波和方波，因此它們也被成為永磁無刷交流電動機(jī)和永磁無刷直流電動機(jī)。它們的共同點(diǎn)是定

8、子電流的通斷受轉(zhuǎn)子位置傳感器控制，不同之處在于二者的磁場分布和反電動勢波形。二者的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：(1)在同樣體積的條件下，PMSM比BLDCM重量要小15，材料利用率高；(2)PMSM通常采用矢量控制，控制算法復(fù)雜，控制器成本高，而BLDC控制方法和控制器結(jié)構(gòu)簡單；(3)PMSM必須使用高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器，而BLDCM轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低；(4)PMSM電流連續(xù)，鐵心中附加損耗較小，而BLDCM定子磁場非連續(xù)旋轉(zhuǎn)，造成鐵心附加損耗增加；(5)PMSM只要保證各個(gè)向量均為正弦波，就可以消除轉(zhuǎn)矩脈動，然而BLDCM不可能完全消除轉(zhuǎn)矩脈動。PMSM最大的優(yōu)勢在于它的轉(zhuǎn)子位置檢測通常

9、使用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，可更精確地獲得瞬間轉(zhuǎn)子位置信息。因而，憑借PMSM的控制精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性等控制性能都比BLDCM系統(tǒng)好，故其應(yīng)用更廣泛，主要用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電梯控制等高性能驅(qū)動領(lǐng)域?？梢灶A(yù)料，隨著永磁材料和電動機(jī)轉(zhuǎn)子制造價(jià)格的降低，以及驅(qū)動系統(tǒng)理論和實(shí)踐應(yīng)用的不斷完善和提高，永磁同步電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)將會得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，在某些場合會逐漸取代現(xiàn)有的普通繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)。數(shù)字控制器D/A矢量控制器永磁同步電機(jī)及其負(fù)數(shù)碼盤信號處理板光電編碼器工控機(jī)指令電機(jī)系統(tǒng)輸出正是基于上述分析，本文以永磁同步電機(jī)伺服控制為研究對象，在剖析系統(tǒng)特點(diǎn)及控制要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合智

10、能控制理論，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，圍繞控制策略問題進(jìn)行分析和研究，并作了一些理論上的探討、分析、設(shè)計(jì)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對所提出的控制策略及對應(yīng)算法進(jìn)行驗(yàn)證。通過應(yīng)用先進(jìn)的智能控制策略改進(jìn)改進(jìn)傳統(tǒng)控制器性能來提高永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的伺服性能，為發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)提供有益的技術(shù)資料，并為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。圖1.1 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外現(xiàn)狀永磁同步電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用近年來正在成為電機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國外基于永磁同步電動機(jī)的伺服系統(tǒng)的研究開始較早，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美國的AE公司、科爾摩根公司，德國的西門子公司，法國的E

11、BC公司，韓國三星公司等早在20世紀(jì)80年代就不斷推出交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品，伺服驅(qū)動市場幾乎是外國公司一統(tǒng)天下的局面。1.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀而國內(nèi)在這方面起步較晚，但生產(chǎn)和應(yīng)用規(guī)模也在快速增長。目前我國的華中科技大學(xué)、北京機(jī)床研究所、中科院沈陽自動化研究所等廠家單位開始研究并推出交流伺服系統(tǒng)，打破了外國公司完全壟斷的格局，并且我國自主研制的永磁同步電動機(jī)伺服產(chǎn)品已經(jīng)在自動化、家電、電子信息產(chǎn)業(yè)、航空航天和現(xiàn)代軍事裝備等領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用3。1.3碼盤1.3.1碼盤簡介碼盤 encoding disk 測量角位移的數(shù)字編碼器。它具有分辨能力強(qiáng)、測量精度高和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，是測量軸轉(zhuǎn)角位置的一種最常用的位移

12、傳感器。碼盤分為絕對式編碼器和增量編碼器兩種，前者能直接給出與角位置相對應(yīng)的數(shù)字碼；后者利用計(jì)算系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)碼盤產(chǎn)生的脈沖增量針對某個(gè)基準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行加減以求得角位移。編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備4。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將

13、采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。 從接近開關(guān)、光電開關(guān)到旋轉(zhuǎn)編碼器工業(yè)控制中的定位，接近開關(guān)、光電開關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟了，而且很好用?？墒牵S著工控的不斷發(fā)展，又有了新的要求，這樣，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)就突出了：信息化：除了定位，控制室還可知道其具體位置；柔性化：定位可以在控制室柔性調(diào)整；現(xiàn)場安裝的方便和

14、安全、長壽：拳頭大小的一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，可以測量從幾個(gè)到幾十幾百米的距離，n個(gè)工位，只要解決一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的安全安裝問題，可以避免諸多接近開關(guān)、光電開關(guān)在現(xiàn)場機(jī)械安裝麻煩，容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由于是光電碼盤，無機(jī)械損耗，只要安裝位置準(zhǔn)確，其使用壽命往往很長。多功能化：除了定位，還可以遠(yuǎn)傳當(dāng)前位置，換算運(yùn)動速度，對于變頻器，步進(jìn)電機(jī)等的應(yīng)用尤為重要。經(jīng)濟(jì)化：對于多個(gè)控制工位，只需一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，以及更主要的安裝、維護(hù)、損耗成本降低，使用壽命增長，其經(jīng)濟(jì)化逐漸突顯出來。如上所述優(yōu)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于各種工控場合。 從增量式編碼器到絕對式編碼器旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以

15、轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法6。比如，打印機(jī)掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。這樣的方法

16、對有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開機(jī)找零（開機(jī)后就要知道準(zhǔn)確位置），于是就有了絕對編碼器的出現(xiàn)。絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響7。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)

17、，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）8。從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器旋轉(zhuǎn)單圈絕對式編碼器，以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時(shí)，編碼又

18、回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。如果要測量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度9。多圈式絕對

19、編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝使用：絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機(jī)械裝置安裝等多種形式。高速端安裝：安裝于動力馬達(dá)轉(zhuǎn)軸端（或齒輪連接），此方法優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，由于多圈編碼器有4096圈，馬達(dá)轉(zhuǎn)動圈數(shù)在此量程范圍內(nèi)，可充分用足量程而提高分辨率，缺點(diǎn)是運(yùn)動物體通過減速齒輪后，來回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向高精度控制定位，例如軋鋼的輥縫控制。另外編碼器直接安裝于高速端，馬達(dá)抖動須較小，不然易損壞編碼器10。低速端安裝：安裝于減速齒輪后，如卷揚(yáng)鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端，此方法已無齒輪來回程間隙，測

20、量較直接，精度較高，此方法一般測量長距離定位，例如各種提升設(shè)備，送料小車定位等。光學(xué)編碼器功能特點(diǎn) 采用光電感應(yīng)技術(shù) 表面貼裝無引腳封裝 提供兩通道數(shù)字信號輸出 計(jì)數(shù)頻率：0100 KHz 電源電壓DC5.0V、512V、1224V 工作溫度：-10到70oC 編碼分辨率：180 LPI 符合RoHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向11。圖1.2 碼盤

21、的實(shí)物圖1.3.2增量式編碼器增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型) 工作原理: 由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。 由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相

22、在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。 編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些12。 分辨率編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000線。 信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱

23、A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。 信號連接編碼器的脈沖信號一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測速。 A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測速。 A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。 A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對稱負(fù)信號的連接，電流對于電纜貢獻(xiàn)的電磁場為0，衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。 對于TTL的帶有對稱負(fù)信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)150米。 對于HTL的帶有對稱負(fù)信號

24、輸出的編碼器，信號傳輸距離可達(dá)300米。編碼器常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器，增量式光電編碼器的組成如圖1.3所示，由帶聚光鏡的發(fā)光二極管(LED)、光欄板、光電碼盤、光敏元件及信號處理電路組成。其中，光電碼盤是在一塊玻璃圓盤上鍍上一層不透光的金屬薄膜，然后在上面制成圓周等距的透光和不透光相間的條紋構(gòu)成的，光欄板上具有和光電碼盤相同的透光條紋。光電碼盤也可由不銹鋼薄片制成。當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線通過光欄板和光電碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光敏元件接收。光敏元件將光電信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。輸出的電脈沖信號通常為A相、B相、Z相三相信號。信號形式如圖1.4所示光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時(shí)A、B兩相

25、脈沖相差90度相位角，根據(jù)A相或B相脈沖的數(shù)目可測出被測軸的角位移，脈沖的頻率可測出被測軸的轉(zhuǎn)速。根據(jù)A相、B相信號的相位關(guān)系可測出被測軸的轉(zhuǎn)動方向。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)否則為反轉(zhuǎn)。后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。Z線為零脈沖線光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖。被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號，被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)數(shù)信號13。圖1.3增量式光電編碼器的組成圖1.4電脈沖信號形式增量式碼盤的規(guī)格及分辨率：規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從 36線/ 轉(zhuǎn) 到10萬線 /轉(zhuǎn) 都有；選擇：伺服系統(tǒng)要求的分

26、辨率； 考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為 n 線/轉(zhuǎn)14。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置，當(dāng)編碼器不動或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動，當(dāng)來電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點(diǎn)，開機(jī)找零等方法15。比如，打印機(jī)掃描儀的定

27、位就是用的增量式編碼器原理，每次開機(jī)，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點(diǎn)，然后才工作。增量式編碼器特點(diǎn)： 增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辨率時(shí)，可利用 90 度相位差的 A、B 兩路信號進(jìn)行倍頻或更換高分辨率編碼器。1.3.3絕對式編碼器絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣，在編碼器

28、的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器可直接將被測角度用數(shù)字代碼表示出來，且每一個(gè)角度位置均有對應(yīng)的測量代碼，因此這種測量方式即使斷電，只要再通電就能讀岀被測軸的角度位置，即具有斷電記憶力功能。絕對式光電碼盤與接觸式碼盤結(jié)構(gòu)相似，只是其中的黑白

29、區(qū)域不表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光區(qū)和不透光區(qū)。其中黑的區(qū)域指不透光區(qū)，用“0”；白的區(qū)域指透光區(qū)，用“1”表示。如此，在任意角度都有“1”和“0”組成的二進(jìn)制代碼。另外，在每一碼道上都有一組光敏元件，這樣，不論碼盤轉(zhuǎn)到哪一角度位置，與之對應(yīng)的各光敏元件受光的輸出為“1”，不受光的輸出為“0”，由此組成n 位二進(jìn)制編碼。圖1.5碼道光電碼盤示意圖絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù) n 有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從 4道到 18道都有；選擇伺服系統(tǒng)要求的分辨率；考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格 n 道由于絕對編碼器在定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已

30、經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。絕對型編碼器因其高精度，輸出位數(shù)較多，如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，對于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來諸多不便和降低可靠性，因此，絕對編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產(chǎn)的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。編碼器生產(chǎn)廠家運(yùn)用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。絕對式編碼器較增

31、量式具有許多優(yōu)點(diǎn)：角度坐標(biāo)值從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累積進(jìn)程中的誤計(jì)數(shù)；編碼器本身具有機(jī)械式存儲功能，即使因停電或其它原因造成坐標(biāo)值清除，通電后，仍可找到原絕對坐標(biāo)位置絕對式光電軸角編碼器的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡化了安裝調(diào)試難度。多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中15。1.4本文主要研究內(nèi)容本課題主要研究的是Heidenhain RCN619絕對式編碼器的ISA總線接口電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，主要研究內(nèi)容包括：(1

32、) 分析了RCN 619的數(shù)據(jù)讀取方式，在此基礎(chǔ)上指定了接口電路的總體方案。首先80C198首先發(fā)送一個(gè)讀數(shù)指令，經(jīng)差動編碼后，送至RCN 619的時(shí)鐘端；然后碼盤開始以差動格雷碼的形式返回?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)串行和并行轉(zhuǎn)換后，送至80C198；在單片機(jī)內(nèi)部完成自然二進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，送至74LS373的鎖存器中；應(yīng)用程序經(jīng)計(jì)算機(jī)的地址總線發(fā)出讀數(shù)指令后，分別選通鎖存器，將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入給應(yīng)用程序。(2) 對計(jì)算機(jī)ISA總線接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括地址總線和數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)讀取的機(jī)制，80C198數(shù)據(jù)至74LS373鎖存器。(3) 對80C198和碼盤頭部之間的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括，時(shí)鐘信號電路，

33、差動轉(zhuǎn)換電路，并行轉(zhuǎn)換電路以及碼制轉(zhuǎn)換軟件。(4) 結(jié)合winio庫，編制了計(jì)算機(jī)讀取Heidenhain RCN619碼盤頭部信號的程序，結(jié)果表明，接口電路設(shè)計(jì)正確。第2章 Heidenhain RCN 619 碼盤接口電路的設(shè)計(jì)方案2.1 Heidenhain RCN 619碼盤簡介圖2.1 Heidenhain RCN 619碼盤如圖2.1為Heidenhain RCN 619碼盤實(shí)際圖，碼盤詳細(xì)介紹如下可知碼盤為單圈絕對式編碼器，支持19位輸出，額定電壓為5V，格雷碼輸出。其主要引腳的工作方式：1腳接+5V，10腳接地，8腳接正時(shí)鐘，9腳接負(fù)時(shí)鐘，14、17腳接差動信號。本次設(shè)計(jì)時(shí)鐘發(fā)

34、射19個(gè)脈沖信號，一個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射一位脈沖數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，其中半個(gè)時(shí)鐘周期T1>=0.45s，高電平轉(zhuǎn)換為低電平的時(shí)間T2<=0.4s。2.2接口電路總體方案設(shè)計(jì)在以往的碼盤測角系統(tǒng)中,往往有一套單獨(dú)的信號處理單元，從碼盤頭部輸出的信號，都要先經(jīng)過它的預(yù)處理，才能為主控計(jì)算機(jī)所使用。而主控計(jì)算機(jī)還需要有一套數(shù)字量輸入設(shè)備來讀入此數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)處理和傳輸方式，一方面增加了成本，同時(shí)也增添了故障點(diǎn)，另一方面也不能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的總線優(yōu)勢。在本轉(zhuǎn)臺的碼盤信號處理電路的設(shè)計(jì)中，我們把碼盤信號處理電路集中在了一塊接口板上，然后利用計(jì)算機(jī)上的ISA總線來讀入碼盤數(shù)據(jù)。

35、這種方式，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。RCN619 碼盤頭部輸出為差動形式的19位串行輸出格雷碼。采用差動方式是為了提高在傳輸過程中的抗干擾性，串行方式則是為了減少碼盤頭部和信號處理板之間的連線，選擇格雷碼則是為了減少碼盤在計(jì)數(shù)過程中發(fā)生翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。針對該碼盤頭部信號輸出特點(diǎn)，我們首先要完成讀取此19位串行碼，并且把它轉(zhuǎn)換為并行輸出的二進(jìn)制碼。我們是選擇了一個(gè)80C198單片機(jī)來完成這個(gè)工作的。首先，要為單片機(jī)設(shè)置一個(gè)定時(shí)時(shí)鐘，以便單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的按照這個(gè)所設(shè)定的時(shí)鐘周期循環(huán)的工作。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，單片機(jī)先向碼盤頭部發(fā)出19條讀取數(shù)據(jù)的指令，并把所取得的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在串行輸入，并行輸

36、出的數(shù)據(jù)寄存器74LS175上，然后，單片機(jī)再讀入此19位并行數(shù)據(jù)，并在其內(nèi)部按照格雷碼和二進(jìn)制碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在輸出到數(shù)據(jù)鎖存寄存器74LS373上。數(shù)據(jù)鎖存寄存器74LS373輸出的數(shù)據(jù)通過74LS245連到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，然后，通過對地址總線上的地址進(jìn)行譯碼，來選通所讀的數(shù)據(jù)。這樣，計(jì)算機(jī)就讀80C198單片機(jī)74LS17574LS16474LS175碼盤頭部74LS37374LS24574LS13874LS688數(shù)據(jù)總線地址總線讀數(shù)指令差動讀數(shù)指令并行格雷碼串行格雷碼差動格雷碼并行二進(jìn)制碼數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)選通地址選通地址輸入地址輸入到了碼盤頭部的輸出信號。該信號處理電

37、路的示意圖如圖2.2所示2.2碼盤數(shù)據(jù)信號處理結(jié)構(gòu)圖2.3 ISA總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系（Industry Standard Architecture，通常簡稱ISA）是IBM PC兼容機(jī)上的一種總線。ISA 是 Industry Standard Architecture 的縮寫 ISA插槽是基于ISA總線（Industrial Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線）的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為黑色，比PCI接口插槽要長些，位于主板的最下端。其工作頻率為8MHz左右，為16位插槽，最大傳輸率16MB/sec，可插接顯卡，聲卡，網(wǎng)卡已及所謂的多功能接口卡等擴(kuò)展插卡。其缺點(diǎn)是C

38、PU資源占用太高，數(shù)據(jù)傳輸帶寬太小，是已經(jīng)被淘汰的插槽接口16。ISA在1981年誕生，并作為IBM PC的8位系統(tǒng)，1983年，ISA被升級作為XT總線體系。后來16位的ISA總線在1984年發(fā)布。由于ISA設(shè)計(jì)出來的目的是為了連接擴(kuò)展卡和主板，因此ISA的協(xié)議同樣允許總線控制，盡管只有前16MB的內(nèi)存可以直接訪問。8位的ISA總線頻率為4.77MHz，而16位的工作在8MHz。ISA接口同樣出現(xiàn)在一些非IBM PC（包括兼容機(jī)）上，比如短命的AT&T的Hobbit還有后來基于PowerPC的BeBox17。圖2.3一塊有5條16位ISA槽和1條8位ISA槽的主板1987年，IBM試

39、圖以他們所擁有的“微通道體系架構(gòu)體系”（Micro Channel Architecture，簡稱MCA）取代ISA，并重新取得對計(jì)算機(jī)架構(gòu)和市場上的控制權(quán)。MCA總線比ISA更先進(jìn)，但并不兼容ISA。為了繼續(xù)控制架構(gòu)上和市場上的控制權(quán)，電腦生產(chǎn)商以“延伸工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)”（Extended Industry Standard Architecture，簡稱EISA），以及后來的“VESA本地總線”（VESA Local Bus，簡稱VLB）做出還擊。事實(shí)上，由于組成VESA組織的生產(chǎn)商已經(jīng)有能力生產(chǎn)MCA設(shè)備，所以最初VESA打算在VLB中利用MCA的一些部分。EISA和VLB都兼容ISA標(biāo)

40、準(zhǔn)的擴(kuò)展18?；贗SA的計(jì)算機(jī)的用戶不得不了解一些關(guān)于硬件的特殊知識來升級硬件系統(tǒng)。在那個(gè)時(shí)候，支持“即插即用”（Plug-n-Play）技術(shù)的設(shè)備非常罕有。用戶在添加新設(shè)備的時(shí)候不得不配置2到3個(gè)項(xiàng)目，比如IRQ（中斷請求）、I/O地址（輸出輸入地址）、DMA信道，才能正常使用新設(shè)備。MCA架構(gòu)會幫用戶完成這些設(shè)定，而后來的PCI總線實(shí)際上整合了MCA的這些想法（盡管PCI更多特點(diǎn)是直接繼承自EISA）。這個(gè)配置上的缺點(diǎn)最終導(dǎo)致了“ISA即插即用”系統(tǒng)的誕生。通過對硬件的一些改造，使硬件、系統(tǒng)BIOS和操作系統(tǒng)自動處理這些繁瑣的細(xì)節(jié)。但實(shí)際上，ISA即插即用的缺陷卻成為了一個(gè)令人頭痛的問題

41、，而且沒有得到廣泛的支持直到ISA結(jié)束其使命。PCI是第一個(gè)在物理層上整合了ISA、MCA、EISA優(yōu)點(diǎn)的擴(kuò)展接口，并且它的出現(xiàn)直接地?cái)D壓了ISA在主板上的地位。起初，主板上依然是ISA占主流地位，但已經(jīng)出現(xiàn)了PCI槽了。到了20世紀(jì)90年代中葉，兩種插槽已經(jīng)在主板上平分秋色了，而ISA插槽很快就在消費(fèi)PC市場上成為了少數(shù)派。微軟的PC 97規(guī)范更勸說ISA插槽應(yīng)該完全被除去，盡管當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)架構(gòu)依然需要ISA存在于一些內(nèi)部發(fā)育不良的管線去操作軟驅(qū)、串口、等等。ISA接口在隨后的幾年里依然存在，甚至看見AGP接口的誕生，之后遺留在主板上的ISA接口也退出歷史了19。值得注意的是，PCI插槽反轉(zhuǎn)的

42、話與ISA是很相似的PCI卡本來是顛倒插入的，允許ISA和PCI連接器在主板上擠在一起。兩個(gè)連接器一次只有一個(gè)連接器能正常工作，但這已慮及更大的適應(yīng)性。ISA 是8/16bit 的系統(tǒng)總線，最大傳輸速率僅為8MB/s ，但允許多個(gè)CPU 共享系統(tǒng)資源。由于兼容性好，它在上個(gè)世紀(jì)80年代是最廣泛采用的系統(tǒng)總線，不過它的弱點(diǎn)也是顯而易見的，比如傳輸速率過低、CPU占用率高、占用硬件中斷資源等。后來在PC98 規(guī)范中，就開始放棄了ISA 總線，而Intel 從i810 芯片組開始，也不再提供對ISA 接口的支持20。系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息,地址信息,控制信息,因此,系統(tǒng)總線包含有三種不同功

43、能的總線,即數(shù)據(jù)總線DB(Data Bus),地址總線AB(Address Bus)和控制總線CB(Control Bus).數(shù)據(jù)總線：據(jù)總線DB（DataBus）用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即它既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或輸入輸出接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常與微處理的字長相一致。例如Intel8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息，因此，在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅

44、是真正意義上的數(shù)據(jù)。地址總線：地址總線地址總線AB是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或IO端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機(jī)的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為 21664KB，16位微型機(jī)的地址總線為20位，其可尋址空間為2201MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)?？刂瓶偩€：英文名稱：ControlBus，簡稱：CB。控制總線主要用來傳送控制信號和時(shí)序信號。控制信號中，有的是微處理器送往存儲器和輸入輸出設(shè)備接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是

45、其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復(fù)位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。實(shí)際上控制總線的具體情況主要取決于CPU21。表2-1 8位ISA總線引腳功能 元件面 焊接面引腳號信號名說明引腳號信號名說明A1輸入I/O 校驗(yàn)B1GND地A2D7數(shù)據(jù)信號，雙向B2RESETDR復(fù)位A3D6數(shù)據(jù)信號，雙向B3+5V電源A4D5數(shù)據(jù)信號，雙向B4IRQ2中斷請求2，輸入A5D4數(shù)據(jù)信號，雙向B55V電源A6D3數(shù)據(jù)信號，雙向B6IRQ2DMA通道2，輸入A7D2數(shù)據(jù)信號，雙向B7-12V電源-

46、12VA8D1數(shù)據(jù)信號，雙向B8A9D0數(shù)據(jù)信號，雙向B9+12V電源+12VA10輸入I/O 準(zhǔn)備好B10GND地A11AEN輸出，地址允許B11存儲器寫，輸出A12A19地址信號，雙向B12存儲器讀，輸出A13A18地址信號，雙向B13接口寫，雙向A14A17地址信號，雙向B14接口讀，雙向A15A16地址信號，雙向B153DMA通道3響應(yīng)，輸出A16A15地址信號，雙向B16DRQ3DMA通道3請求，輸入A17A14地址信號，雙向B171DMA通道1響應(yīng)，輸出A18A13地址信號，雙向B18DRQ 1DMA通道1請求，輸入A19A12地址信號，雙向B190DMA通道0響應(yīng)，輸出A20A1

47、1地址信號，雙向B20CLK系統(tǒng)時(shí)鐘，輸出A21A10地址信號，雙向B21IRQ7中斷請求，輸入A22A9地址信號，雙向B22IRQ6中斷請求，輸入A23A8地址信號，雙向B23IRQ5中斷請求，輸入A24A7地址信號，雙向B24IRQ4中斷請求，輸入A25A6地址信號，雙向B25IRQ3中斷請求，輸入A26A5地址信號，雙向B262DMA通道2響應(yīng)，輸出A27A4地址信號，雙向B27T/C計(jì)數(shù)終點(diǎn)信號，輸出A28A3地址信號，雙向B28ALE地址鎖存信號，輸出A29A2地址信號，雙向B295V電源5VA30A1地址信號，雙向B30OSC振蕩信號，輸出A31A0地址信號，雙向B31GND地根據(jù)

48、上述對ISA總線的介紹和分析，并且這次的設(shè)計(jì)是直接將數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)上，所以我采用ISA總線。2.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了Heidenhain RCN 619 碼盤、碼盤電路設(shè)計(jì)及ISA總線。有設(shè)計(jì)方案可知，從單片機(jī)80c198發(fā)出脈沖信號，經(jīng)過74LS175轉(zhuǎn)換成差動指令，傳入碼盤頭部，碼盤編碼，輸出一個(gè)差動格雷碼信號，經(jīng)過74LS175轉(zhuǎn)換成串行格雷碼，在經(jīng)過74LS164轉(zhuǎn)換成并行格雷碼傳入單片機(jī)。第3章 計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì)3.1地址總線接口設(shè)計(jì)3.1.1地址總線 地址總線AB是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或IO端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地

49、址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機(jī)的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為21664KB，16位微型機(jī)的地址總線為20位，其可尋址空間為2201MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)。雙口RAM7134rd Addch Addrl cs wt DB74HC57474HC574cikl GAL20V8 cikoPC總線IOR IOWAB圖3.1地址總線地址總線的寬度，隨可的內(nèi)存元件大小而變，決定有多少的內(nèi)存可以被存取。(1)總線的帶寬（總線數(shù)據(jù)傳輸速率） 總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線密切相

50、關(guān)的兩個(gè)因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關(guān)系：總線的帶寬總線的工作頻率*總線的位寬/8(2)總線的位寬總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，或數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，即32位、64位等總線寬度的概念?？偩€的位寬越寬，每秒鐘數(shù)據(jù)傳輸率越大，總線的帶寬越寬。(3)總線的工作頻率總線的工作時(shí)鐘頻率以MHZ為單位，工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬越寬22。3.1.2 74ls138譯碼器內(nèi)部電路邏輯圖功能表簡單應(yīng)用74LS138 為3 線8 線譯碼器，共有 54/74S138和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式，其74LS138工作原理如下： 當(dāng)一個(gè)選通端（G1）為高電平

51、，另兩個(gè)選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 74LS138的作用:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器圖3.2 74LS138的引腳圖用與非門組成的3線-8線譯碼器74LS138如圖3.3圖3.3 74LS138的引腳表3-1 3線-8線譯碼器74LS138的功能表無論從邏輯圖還是功能表我們都可以看到74LS138的八個(gè)輸出管腳，任何時(shí)刻要么全為高電平1芯片處于不工作狀

52、態(tài)，要么只有一個(gè)為低電平0，其余7個(gè)輸出管腳全為高電平1。如果出現(xiàn)兩個(gè)輸出管腳在同一個(gè)時(shí)間為0的情況，說明該芯片已經(jīng)損壞。當(dāng)附加控制門的輸出為高電平（S1）時(shí)，可由邏輯圖寫出圖3.4 74ls138邏輯圖由上式可以看出，在同一個(gè)時(shí)間又是這三個(gè)變量的全部最小項(xiàng)的譯碼輸出，所以也把這種譯碼器叫做最小項(xiàng)譯碼器。74LS138有三個(gè)附加的控制端、和。當(dāng)、時(shí)，輸出為高電平（S1），譯碼器處于工作狀態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平，如表3.3.5所示。這三個(gè)控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起來以擴(kuò)展譯碼器的功能3.1.3 74LS688的引腳圖及功能可對兩個(gè)8位字

53、碼進(jìn)行逐位比較并且指示它們是否相等；當(dāng)P=Q輸出端為低電平時(shí)表示兩個(gè)8位字完全相等；G允許端可用來實(shí)現(xiàn)幾塊電路之間的級聯(lián)，從而允許比較大于8位的字碼；688為圖騰柱方式輸出。表3-2 74LS688的引腳說明表3-3 74LS688的引腳功能表圖3.5 74LS688的引腳圖 圖3.6 74LS688的內(nèi)部電路3.1.4地址總線的設(shè)計(jì)我的 ISA 板卡采用撥碼來設(shè)置 ISA 的基地址。 地址線 A9A0 中，一般情況的A0A2 參與卡上上的 I/O譯碼，而 A8A3 參與基地址的選擇。A9 恒定要求為 1。即地址范圍為 0x2000x3EF。當(dāng)卡上的地址較多時(shí)可能參與卡上 I/O譯碼的地址線要

54、增加，基地址選擇的地址線減少。這樣用戶通過范圍和基地址選擇跳線來配合完成基地址的設(shè)置。BASEADDRESS 這個(gè)撥碼開關(guān)用來選擇基地址的具體數(shù)值。具體來說就是選擇A8A3（或者少幾位）地址信號線到底是 1 還是 0。撥碼開關(guān)撥到 ON一端該位地址位為 1，撥碼開關(guān)撥到 OFF 一端該位地址位為 0。A9 恒為 1。我們以 PCL-818HD 為例。該卡 A9A4 參與基地址的選擇。A0A3 參與卡上的 I/O譯碼。A9 參與基地址的選擇所以地址范圍為 0x0000x3【23】。表3-4 基地址選擇表基地址十六進(jìn)制基地址二進(jìn)制A9A8A7A6A5A4A3A2A021021FOFFONON ON

55、 ON ON OFF0000 到1111 變化，參與I/O譯碼圖3.7 地址總線設(shè)計(jì)圖3.2數(shù)據(jù)總線的接口設(shè)計(jì)3.2.1數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB用于傳送數(shù)據(jù)信息.數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線,即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O接口等其它部件,也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU.數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo),通常與微處理的字長相一致.例如Intel 8086微處理器字長16位,其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位.需要指出的是,數(shù)據(jù)的含義是廣義的,它可以是真正的數(shù)據(jù),也可以指令代碼或狀態(tài)信息,有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息,因此,在實(shí)際工作中,數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)24。(1)總線的帶寬（總線數(shù)據(jù)傳輸速率） 總線的帶寬指的是單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每鈔鐘傳送MB的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線密切相關(guān)的兩個(gè)因素是總線的位寬和總線的工作頻率，它們之間的關(guān)系：總線的帶寬總線的工作頻率*總線的位寬/8。(2)總線的位寬總線的位寬指的是總線能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位