第二章輸入輸出接口和通道5

第二章I/O接口技術(shù)和I/O通道解決微型計算機(jī)和外部的連接問題，使計算機(jī)和外部構(gòu)成一個整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計一個微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。學(xué)習(xí)目的：通過本章的學(xué)習(xí)，了解接口和通道、I/O信號的種類、計算機(jī)與外部的通訊方式；了解I/O控制方式及其應(yīng)用場合，掌握中斷控制方式。學(xué)會對存儲器、I/O端口的編址，掌握地址譯碼電路的設(shè)計方法；了解過程通道的構(gòu)成、功能、設(shè)計方法。掌握D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；最后能進(jìn)行一般的I/O接口設(shè)計。學(xué)習(xí)要求：2

2.1 概述

2.2 I/O控制方式

2.3 I/O接口設(shè)計 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器32.1概述2.1.1接口、通道的概念及其功能2.1.2I/O信號的種類2.1.3計算機(jī)和外部通訊的方式42.1.1接口、通道的概念及其功能1.I/O接口電路

I/O接口電路是主機(jī)與外設(shè)之間交換信息的連接部件，起著橋梁和紐帶的作用。具體來講：（1）時序配合和通信聯(lián)絡(luò)—ns級，ms級設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配—CPU只能讀寫并行數(shù)字信號數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（串并、并串）和相匹配的速率和電平。（3）CPU負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇—分擔(dān)CPU負(fù)載、分配端口具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器，可編程并行接口電路等。5

I/O通道也稱過程通道，是計算機(jī)與控制對象之間信息傳送和交換的連接通道。它的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。2.I/O通道被控對象計算機(jī)A/DD/A模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量62.1.2I/O信號的種類（8或16位并行或串行數(shù)據(jù)）1數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量脈沖量2狀態(tài)信息—外設(shè)通過接口向CPU反映外設(shè)所處工作狀態(tài)的信息。3控制信息—CPU通過接口傳送給外設(shè)的信息。鍵盤、撥碼開關(guān)、編碼器等輸入的信息，通常是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或ASCII碼，8位?，F(xiàn)場溫度、壓力、流量、位移等物理量，需經(jīng)轉(zhuǎn)換。開關(guān)合/開，電機(jī)起/停，閥門開/關(guān)等等。兩種狀態(tài)，用一位二進(jìn)制數(shù)表示。一個個傳送的脈沖列。脈沖個數(shù)和頻率可表示某種物理量。如檢測裝載電機(jī)軸上的脈沖信號發(fā)生器發(fā)出的脈沖，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移信息。72.1.3計算機(jī)和外部的通信方式（1）傳輸線條數(shù)n=傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)n；（2）傳送速度快、信息率高；（3）握手信號線一般是兩條（控制和狀態(tài)線）；

握手信號線在某些芯片中是固定的，某些則是通過軟件編程指定的。（4）在短距離的傳送中常采用。1.并行通信常用并行接口電路芯片：Z-80系列的PIO和Intel系列的8255A等。8（1）按位傳送，傳輸線條數(shù)n=1；（2）傳輸線既可做數(shù)據(jù)線又可做聯(lián)絡(luò)線用；（3）每個數(shù)據(jù)都占一個固定的時間長度；2.串行通信常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO和Intel系列的8251A等。外設(shè)接口計算機(jī)外設(shè)接口計算機(jī)1）全雙工方式2）半雙工方式（如同馬路上的左右人行道）（如同馬路上的東南路口、打印機(jī)）串行通信分全雙工和半雙工方式、同步和異步方式。9接收端，收到規(guī)定的同步字符后，按約定的傳輸速率，接收對方法來的信息。3）同步通信將許多字符組成一個信息組，通常稱為信息幀。通信時，在每幀信息的開始加上同步字符，接著字符一個接一個的傳輸。在沒有信息要傳送時，要添上空字符，因同步傳輸不允許有間隙。通信中兩個字符的時間間隔是不固定的，而在同一字符中的兩個相鄰代碼間的時間間隔是固定的。 異步通訊中字符一幀幀傳送，每幀字符的傳送靠起始位來同步。4）異步通信102.2I/O控制方式2.2.1程序控制方式2.2.2中斷控制方式2.2.3直接存儲器存取方式—DMA方式 當(dāng)有多個外設(shè)的時候，外設(shè)的速度往往不一致，從而與主機(jī)的配合要求也不一致。CPU需采用分時控制，每個外設(shè)置僅在規(guī)定時間內(nèi)得到服務(wù)。這就需要規(guī)定一個CPU控制（或調(diào)度）各個外圍設(shè)備的控制策略，稱為控制方式。112.2.1程序控制方式指CPU和外設(shè)之間的信息傳遞，是在程序控制下進(jìn)行的。1.定義1）無條件I/O方式2）查詢式I/O方式2.分類12定義：是一種最簡單的I/O控制方式。使用簡單，所需硬件、軟件都較簡單，其所有的操作是由執(zhí)行程序來完成的。1）無條件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外設(shè)始終準(zhǔn)備好，CPU直接執(zhí)行I/O指令，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。即：無條件傳送方式所需的條件就是CPU與外設(shè)能夠準(zhǔn)確同步。一般只需要數(shù)據(jù)端口。例如：主機(jī)與LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送，CPU隨時都可將要顯示的文字或圖形送至顯示屏顯示，即顯示屏被當(dāng)做什么時候都處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)。又如手動開關(guān)（人機(jī)交換），人們把CPU當(dāng)作什么時候都準(zhǔn)備好的狀態(tài)，隨時都可以撥動手動開關(guān)，把開關(guān)信息傳送至CPU。13定義：是一種最簡單的I/O控制方式。使用簡單，所需硬件、軟件都較簡單，其所有的操作是由執(zhí)行程序來完成的。1）無條件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外設(shè)始終準(zhǔn)備好，CPU直接執(zhí)行I/O指令，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。即：無條件傳送方式所需的條件就是CPU與外設(shè)能夠準(zhǔn)確同步。一般只需要數(shù)據(jù)端口。例如：主機(jī)與LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送，CPU隨時都可將要顯示的文字或圖形送至顯示屏顯示，即顯示屏被當(dāng)做什么時候都處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)。又如手動開關(guān)（人機(jī)交換），人們把CPU當(dāng)作什么時候都準(zhǔn)備好的狀態(tài)，隨時都可以撥動手動開關(guān)，把開關(guān)信息傳送至CPU。142）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。152）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。162）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。172）查詢I/O方式舉例例1：某微機(jī)控制系統(tǒng)采用查詢方式對1#、2#、3#設(shè)備進(jìn)行管理。讀入1#外設(shè)狀態(tài)1#請求服務(wù)嗎？讀入2#外設(shè)狀態(tài)2#請求服務(wù)嗎？讀入3#外設(shè)狀態(tài)3#請求服務(wù)嗎？繼續(xù)嗎？結(jié)束1#外設(shè)服務(wù)子程序2#外設(shè)服務(wù)子程序3#外設(shè)服務(wù)子程序YYYNNNNY初始化18程序如下：讀入1#外設(shè)狀態(tài)1#請求服務(wù)嗎？讀入2#外設(shè)狀態(tài)2#請求服務(wù)嗎？讀入3#外設(shè)狀態(tài)3#請求服務(wù)嗎？繼續(xù)嗎？結(jié)束1#外設(shè)服務(wù)子程序2#外設(shè)服務(wù)子程序3#外設(shè)服務(wù)子程序YYYNNNNY初始化MOVFLAG，0；設(shè)標(biāo)志位為0INAL，STATTESTAL，01HJZDVC2CALLCCS1DVC1：INAL，STATTESTAL，01HJZDVC3CALLCCS2DVC2：INAL，STATTESTAL，01HJZDDSCALLCCS3DVC3：CMPFLAG，1JNZDVC1……DDS：；讀入外設(shè)狀態(tài)；標(biāo)志位仍為0，；繼續(xù)19例2：用查詢式管理鍵盤輸入，若程序員在終端按每秒打入10個字符的速度計算，則計算機(jī)平均用100ms的時間完成一個字符的輸入過程，且實(shí)際上真正用來從終端讀入一個字符并送出顯示等處理的時間只需約50us，如果同時管理30臺終端，那么用于測試狀態(tài)和等待時間為：100ms-50us×30=98.5ms可見，98.5%的時間都在查詢等待中浪費(fèi)了。2）查詢I/O方式舉例課后第2、3題。202.2.2中斷控制方式特點(diǎn)：采用中斷方式傳送信息時，不需要反復(fù)查詢外設(shè)的狀態(tài)。應(yīng)用場合：該方式具有實(shí)時性，適用于CPU任務(wù)較忙，I/O設(shè)備速度不太高的系統(tǒng)中，尤其適用于實(shí)時控制和緊急事件的處理。過程：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好和CPU交換數(shù)據(jù)時，就通過I/O接口給CPU一個中斷請求信號。CPU相應(yīng)接口的中斷請求，停止正在執(zhí)行的程序（通常成主程序），插入I/O操作程序（稱為中斷服務(wù)子程序），完成數(shù)據(jù)傳輸。課后第4、5題。212.2.3直接存儲器存取方式—DMA方式特點(diǎn)：中斷方式不適用于大批量數(shù)據(jù)高速傳輸：①中斷方式下，CPU需執(zhí)行IN、OUT、MOV等指令，實(shí)現(xiàn)外設(shè)和內(nèi)存之間的信息傳送，指令執(zhí)行需花費(fèi)很多時間；②每次中斷進(jìn)入或返回以及現(xiàn)場保護(hù)要發(fā)費(fèi)很多時間。DMA方式，使CPU不參加數(shù)據(jù)I/O，而由DMA控制器DMAC來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間、外設(shè)與外設(shè)之間直接快速傳送，從而減輕CPU負(fù)擔(dān)。應(yīng)用場合：DMA方式把I/O操作過程中外設(shè)與內(nèi)存交換信息的控制交給DMAC，實(shí)質(zhì)上是在硬件控制下完成數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了傳輸速率，這對大批量數(shù)據(jù)高速傳送特別有用。222.3I/O接口設(shè)計2.3.1I/O接口的編址方式2.3.2I/O接口與系統(tǒng)的連接2.3.3I/O接口的擴(kuò)展2.3.4I/O接口設(shè)計的方法、步驟及設(shè)計舉例232.3.1I/O接口的編址方式I/O接口的編址解決的是I/O接口的尋址問題。 從存儲器空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲器單元一樣進(jìn)行訪問。 （存儲器映射方式）1、統(tǒng)一編址24 端口地址獨(dú)立編址，而不和存儲空間合在一起。 （I/O映射方式）2.獨(dú)立編址252.3.2I/O接口與系統(tǒng)的連接SIO和PIO。I/O接口與I/O通道是CPU與外設(shè)連接的橋梁。從外部連接看，接口可分為兩類：1.用來和I/O設(shè)備相連2.用來和系統(tǒng)總線相連26I/O接口芯片8255A和8251A與CPU和外設(shè)的連接關(guān)系如圖所示。272.3.3I/O接口的擴(kuò)展一般微機(jī)系統(tǒng)已具備相當(dāng)數(shù)量的通用可編程序I/O接口電路，如PIO：8255A，SIO：8251A，CTC：8253，DMAC：8237A和中斷控制器8259A等。但在控制生產(chǎn)對象過程中，接口和內(nèi)存往往還不夠用，必須擴(kuò)展I/O接口及內(nèi)存容量。包括：地址譯碼器的擴(kuò)展和負(fù)載能力的擴(kuò)展。28端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器或某些特定的器件。I/O端口是CPU與I/O設(shè)備直接通信的地址。一個接口可以有幾個端口，如：數(shù)據(jù)口、命令口和狀態(tài)口。計算機(jī)給接口電路中的每個寄存器分配一個端口，訪問端口就是訪問接口電路中的寄存器。 通常所說的I/O操作是指對I/O端口的操作，而不是對I/O設(shè)備的操作。下面就74LS138展開舉例。 1.地址譯碼器的擴(kuò)展2974LS1383個使能端選擇輸入端譯碼輸出端3:8譯碼器常用地址譯碼器有2：4（四中選一）、3：8（八中選一）和4：16（十六中選一）譯碼器等。比如74LS138（3：8）譯碼器和74LS139和74LS155（雙2：4）譯碼器。30使能端的作用譯碼功能74LS138的功能表74LS13831例一使用74LS138集成譯碼器譯出8個端口地址358—35FH。由于所有A0～A9地址線都參加譯碼，所以稱為全譯碼，就是每條線對應(yīng)一個端口地址。=11，0101，1×××1101011×××=3

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8-FA0A1A2A3A4A5A6A7A9A8AEN74LS0074LS1174LS138OROR358H359H35AH35BH35CH35DH35EH35FHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A032例二采用8位的Z80CPU微機(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求擴(kuò)展一個并行接口芯片PIO、一個計數(shù)器/定時器CTC、一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808和一個8位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。指定他們的地址分別是40H~43H、44H~47H、58H和5CH。解答步驟：1.了解用到的芯片引腳分布及其工作原理—Z80CPU、并行接口芯片PIO、計數(shù)器/定時器CTC、8位ADC0808、8位DAC0832；2.分析各芯片地址分配情況；3.連線。33例二個芯片主要引腳：34例二地址分配情況：PIO：40~43H CTC：44~47HADC0808：58H DAC0832：5CHY0Y1Y6Y735例二連線圖：74LS02—四2輸入或非門74LS32—四2輸入或門74LS32362.負(fù)載能力的擴(kuò)展①應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動能力；典型總線收發(fā)器為Intel系列芯片8286。解決方法：②應(yīng)用接口芯片常用的芯片有：74LS244(單向三態(tài)門)、74LS373、74LS273（三態(tài)輸出鎖存器）、74LS245(三態(tài)輸出八總線收發(fā)器)。37微機(jī)系統(tǒng)中，通常采用兩種不同工藝制造的器件，即TTL器件和MOS器件。它們之間級連使用，邏輯電平一致（“1”電平≥1.8~3.8V，”0”電平≤0.8~0.3V），但功耗和驅(qū)動能力有差別。下表列出了TTL和MOS器件的I/O電流。TTL=Transistor-TransistorLogic晶體管-晶體管邏輯(電路)MOS=Metal-Oxide-Semiconductor金屬-氧化物半導(dǎo)體CMOS=ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體注：MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動能力也差。一個MOS器件只能帶一個標(biāo)準(zhǔn)74XXX器件（約-1.6mA）或四個74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驅(qū)動10個左右的MOS器件。通常，同類器件帶8~10個沒有問題，若超過了就要加驅(qū)動器。382.3.4I/O接口設(shè)計的方法、步驟及設(shè)計舉例首先：了解外設(shè)或被控設(shè)備與CPU之間信息交換要求；（聯(lián)絡(luò)信號、I/O數(shù)據(jù)格式、I/O線數(shù)量、最短響應(yīng)時間和服務(wù)時間估算、I/O控制方式等）其次：考慮軟硬件功能分配；（速度、成本、特性、設(shè)計難以程度等）再次：進(jìn)行I/O端口數(shù)量統(tǒng)計、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號分配第四：I/O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計； （包括擴(kuò)展方案選擇、地址譯碼器擴(kuò)展和負(fù)載能力擴(kuò)展等）第五：I/O接口控制軟件設(shè)計。最后：軟硬件聯(lián)調(diào)。 接口設(shè)計的任務(wù)包括確定各外圍設(shè)備的控制方式，接口硬件電路設(shè)計和接口控制軟件設(shè)計。具體設(shè)計步驟如下：舉例如下:39例三采用8088CPU的某微機(jī)系統(tǒng)，要求：1）有8組8位的數(shù)字量和開關(guān)量由外部輸入，2）有8組8位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部，3）指定8個輸入端口地址號為E8H~EFH，4）指定8個輸出端口地址號為F0H~F7H，5）所有I/O信息交換均可采用無條件傳送方式。試按此要求為該微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計I/O接口電路。解題思路按照題目要求，總的設(shè)計思路可簡單列為：因此，只須確定傳送方式和緩沖器、鎖存器的類型即可，具體步驟如下：401）要求的I/O端口都是固定單方向的，且為無條件傳送，無需聯(lián)絡(luò)信號，選用普通的緩沖器和譯碼器；2）8組8位的數(shù)字量輸入，8組8位的數(shù)顯示數(shù)據(jù)輸出，對應(yīng)采用8個74LS244（同相輸出雙四總線緩沖器）和8個74LS273（8D鎖存器）芯片，譯碼器采用2個74LS138；3）譯碼器地址線的確定，題目要求：8個輸入端口地址號為E8H~EFH，8個輸出端口地址為F0H～F7H：A7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H4）連線具體解題過程：41接線圖808874LS13874LS24474LS1174LS3274LS13874LS32NOT數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出74LS273IOWIORNOTA7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H42例四在8086最小模式系統(tǒng)中，采用8255A作為連接打印機(jī)的接口，若指定分給8255A的A、B、C和控制端口號分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH，試設(shè)計接口電路和有關(guān)的軟件。解題步驟：第一步、了解設(shè)計中所涉及到的芯片；8086（最小模式）、并行接口芯片8255、打印機(jī)端口第二步、仔細(xì)分析題意；第三步、連線。43分析題意 CPU與打印機(jī)的聯(lián)絡(luò)既可以用程序控制方式，也可以用中斷方式，這里以程序控制方式來設(shè)計。設(shè)定8255A的A端口工作于方式0，輸出方式，向打印機(jī)傳送字符數(shù)據(jù)。B端口不用。C端口用于傳送狀態(tài)和控制信息，也工作于方式0，分配PC2做狀態(tài)線來接收打印機(jī)的忙狀態(tài)信號。分配PC6作為控制信號，由它產(chǎn)生和輸出一個負(fù)脈沖作為數(shù)據(jù)選通信號，將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)打入打印機(jī)緩沖器。1.8255A與打印機(jī)端口的連接442、8086與8255A的連接 8086的MN/MX端接+5V，表示其工作于最小模式。因8255A只用8位數(shù)據(jù)線，用8086的低8位數(shù)據(jù)線與之相連即可。選用3片正電平觸發(fā)的八D觸發(fā)器74LS373作為地址鎖存器，鎖存地址信號AD0~AD19信號。其中A2、A1經(jīng)鎖存器后，直接加到8255A的A1、A0端；A3~A15及BHE接到地址譯碼器74LS138上。45接線圖8255A74LS138A0~A19D0~D7A3~A15接譯碼器A15A6A3A4A5A1A2A074LS133BHEM/IO8086RDWR322974LS373STBD0~D73片462I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器472.4 I/O通道

工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(shù)一般都是連續(xù)變化的模擬量，而微型計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，因此數(shù)據(jù)在進(jìn)入微型計算機(jī)之前，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換。由于大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能接收模擬量，為了控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，經(jīng)微型計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)需經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換。

I/O通道也稱過程通道，是計算機(jī)與控制對象之間信息傳送和交換的連接通道。它的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。由于微型計算機(jī)的速度很快，而模擬量的變化速度一般比較慢，因此往往用一臺計算機(jī)采樣或控制多個參數(shù)。這樣，參數(shù)需被分時的進(jìn)行采樣和控制。本節(jié)主要介紹多路開關(guān)、采樣與量化。482.4 I/O通道2.4.1I/O通道的組成2.4.2模擬量輸入通道2.4.3采樣與量化492.4.1I/O通道的組成CPUI/O接口電路工業(yè)對象A/D轉(zhuǎn)換器放大器采樣器D/A轉(zhuǎn)換器輸出保持功率放大數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出傳感器執(zhí)行部件模擬量輸出通道模擬量輸入通道數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸入通道502.4.2模擬量輸入通道CPUI/O接口電路工業(yè)對象A/D采樣保持和放大器采樣單元信號處理1信號處理2信號處理n控制電路包括：標(biāo)度變換器(變送器)、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。又稱：多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)。CD4051等。從保證模擬信號采樣精確度分析。信號大小匹配511）信號處理裝置 標(biāo)度變換器是把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測模擬信號變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號：一般為0~10mA或4~20mA的電流信號，或0~±5V的電壓信號。標(biāo)度變換器在生產(chǎn)現(xiàn)場，由于各種干擾源的存在，所采集的模擬信號可能夾雜著干擾信號。通常被測參量的信號頻率比較低（1Hz以下），會夾雜許多高于1Hz的干擾信號成分（如50Hz的電源干擾）。濾波電路522）采樣單元（多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)） 把已變換成統(tǒng)一電壓信號的測量信號按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。即：在多路模擬量輸入的情況下，只用一個A/D轉(zhuǎn)換器。借助采樣單元，實(shí)現(xiàn)CPU對各路模擬量分時采樣的目的。 采樣單元由開關(guān)矩陣（模擬開關(guān)）和邏輯控制電路（保證速度和次序）組成。 模擬量多路開關(guān)實(shí)際上就是CMOS傳輸門。產(chǎn)品種類很多，如：CD4051（8選1模擬開關(guān)）、CD4052（雙2選1模擬開關(guān)）、CD4067（16通道模擬開關(guān)）。53CD4051CD4051引腳圖CD4051真值表CD4051原理圖54CD4051應(yīng)用舉例當(dāng)采樣通道多至16路時，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片（如CD4067、AD7506、MAX306等），也可以將2個8路4051并聯(lián)起來，組成1個單端的16路開關(guān)。為了提高抗共模干擾能力，可用差動輸入方式。

55采樣保持當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間（孔徑時間）。為了保證輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個轉(zhuǎn)換過程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號能夠跟隨模擬量變化，需用采樣-保持器（Sample/Hold，簡寫為S/H）。3）采樣保持和放大器56孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。t0t1tA/DU0t10位的A/D轉(zhuǎn)換器，如果要求轉(zhuǎn)換精度在0.1%，孔徑時間為10us，則允許轉(zhuǎn)換的正弦模擬信號的最大頻率為：因此，如被采樣模擬信號的變化頻率相對于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度來說是較高，為保證轉(zhuǎn)換精度，需在A/D轉(zhuǎn)換器之前加采樣保持電路。57 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，已生產(chǎn)出各種各樣的采樣/保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等；用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。下面是LF198的原理圖和典型應(yīng)用。常用的采樣/保持器58 由采樣單元或采樣保持器輸出的被測電壓信號通常是0~40mV的弱信號，而A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入電壓一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此須經(jīng)放大器，從而提高輸出電平，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。數(shù)據(jù)放大器592.4.3采樣與量化采樣過程：用采樣開關(guān)將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。采樣信號f*(t)：是時間上離散，幅值上連續(xù)的脈沖信號，其為離散模擬信號。1）采樣過程60采樣信號f*(t)能完全或近似地反映被采樣信號f(t)的所有變化和特征嗎？香農(nóng)(Shannon)定理告訴我們：如果隨時間變化的模擬信號的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率fS≥2fmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。實(shí)際使用中，常取fS≥(4～10)fmax，過程慣量越大，倍數(shù)可取得越大。612）量化過程量化過程：采樣信號不能直接進(jìn)入數(shù)字計算機(jī)。采樣信號經(jīng)量化后成為數(shù)字信號的過程稱為量化過程。數(shù)字信號和采樣信號的差別：前者的幅值是斷續(xù)的，后者的幅值是連續(xù)的。若原始信號f(t)幅值有微小變化，只要這個變化不超過量化單位，則量化后的數(shù)字信號可以不變。所以，量化過程可以視為“數(shù)值分層”的過程。數(shù)字計算機(jī)中的信號是以二進(jìn)制數(shù)的代碼來表示的，任何值只能表示成二進(jìn)制數(shù)的整數(shù)倍。量化單位q是A/D轉(zhuǎn)換器最低位二進(jìn)制位（LSB）所代表的物理量。62在量化過程中，采樣值和量化值的對應(yīng)關(guān)系如下。632I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.5D/A轉(zhuǎn)換器2.5.1并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理2.5.2D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.5.38位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器按工作方式分并行和串行兩種。并行D/A轉(zhuǎn)換器又可分成電流相加型和電壓相加型。本節(jié)主要介紹電流相加型并行D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理、典型電路及其與CPU的連接。652.5.1并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器主要由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器兩部分組成（還有位切換開關(guān)和基準(zhǔn)電壓）。電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉(zhuǎn)換（一般用T型電阻網(wǎng)絡(luò)）；運(yùn)算放大器完成模擬電流相加并變?yōu)槟M電壓輸出。

數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位構(gòu)成的，每個數(shù)位都代表一定的權(quán)。為了把其轉(zhuǎn)換成模擬量，必須把每一位上的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，再把代表各位的模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量就是與數(shù)字量成正比的模擬量，實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。66由T型電阻網(wǎng)絡(luò)介紹D/A轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D1=1、D2=…Dn=0時,等效電路如下圖a)和b)，此時IL＝I/267當(dāng)D1=1、D2=…Dn=0時,IL＝I/2；當(dāng)D2=1、D1=…Dn=0時,等效電路如圖c)，此時IL=I/4;……由T型電阻網(wǎng)絡(luò)介紹D/A轉(zhuǎn)換原理68根據(jù)疊加原理，寫出流經(jīng)負(fù)載電路的電流IL的表達(dá)式：692.5.2D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1）分辨率：是指當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時，輸出模擬量變化的大小。它反映了計算機(jī)數(shù)字量輸出對執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對于一個N位的D/A轉(zhuǎn)換器其分辨率為：2）轉(zhuǎn)換時間：指數(shù)字量輸入到轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定為止所需的時間。例如：對于滿刻度值5.12V，單極性輸出，8位、12位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率分別為70性能指標(biāo)3）精度：指D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位。例如：±1/2LSB，若是8位轉(zhuǎn)換，則精度是±（1/2）×（1/256）滿度=±1/512滿度。

4）線性誤差：在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。這個誤差用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示。一般為0.01％～0.8％。數(shù)字量輸入模擬量輸出理想特性實(shí)際滿刻度線性誤差712.5.38位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號，控制從輸入寄存器到DAC寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送；ILE：數(shù)據(jù)輸入鎖存允許，高電平有效；72單極性電壓輸出電路雙極性電壓輸出電路73DAC0832有兩個寄存器，即8位輸入寄存器和8位DAC寄存器，由于內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)輸入寄存器，0832的8位數(shù)據(jù)線可直接和CPU的數(shù)據(jù)總線相連。CPU分配給DAC0832兩個端口地址：8位輸入寄存器328H8位DAC寄存器329H；A0決定哪個寄存器對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存；數(shù)據(jù)要通過DAC0832需兩次鎖存。輸出模擬電流信號由運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號，由AOUT得到。DAC0832接口電路舉例74利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、鋸齒波等，以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。這些復(fù)合波形利用標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備是很難產(chǎn)生的。下面是利用DAC0832在產(chǎn)生鋸齒波的程序段：DATA SEGMENT ;定義數(shù)據(jù)段 CRT DB'DISPLAYATOOTHEDWAVEFORM.',0DH,0AH DB 'PRESSANYKEYRETURNTODOS.',0DH,0AH,'$';屏幕顯示提示信息DATA ENDSSTACKSEGMENTSTACK ;定義棧段STADB50DUP(?)TOPEQULENGTHSTASTACKENDSCODESEGMENT ;定義代碼段 ASSUMECS:CODE,DS:DATA,SS:STACK,ES:DATA START: MOVAX,DATA ;初始化數(shù)據(jù)段寄存器 MOVDS,AX MOVAX,STACK ;初始化棧段寄存器 MOVSS,AX MOVAX,TOP MOVSP,AX ;堆棧偏移地址送棧指針寄存器 MOVDX,OFFSETCRT MOVAH,09H INT21H ;顯示提示信息 75 LOP1: MOVCX,0FFFH ;循環(huán)次數(shù)送CX MOVDX,328H ;輸入寄存器端口地址328H MOVAL,00H ;初始數(shù)據(jù)00H LOP2: OUTDX,AL ;數(shù)據(jù)送入輸入寄存器 MOVDX,329H ;寄存器口地址329H OUTDX,AL ;數(shù)據(jù)送入寄存器端口 DECDX ;恢復(fù)輸入寄存器端口地址 ADDAL,10H ;修改輸出信息 CMPAL,00H ;判斷數(shù)據(jù)是否大于256 JNZLOP2 ;沒有超過256，繼續(xù)循環(huán) LOOPLOP2 ;CX內(nèi)容不為零，轉(zhuǎn)LOP2 MOVAH,01H INT21H ;接收鍵入字符 CMP AL,'Q' ;鍵入字符是“Q”嗎？ JNZ LOP1 ;不是，繼續(xù)產(chǎn)生鋸齒波 MOVAX,4C00H INT21H ;返回DOSCODEENDS ENDSTART762I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.6.1分類2.6.2主要技術(shù)參數(shù)2.6.3ADC0809及其接口電路本章小結(jié)782.6.1分類

1）逐位逼近式

2）雙積分式

3）計數(shù)器式1）逐位逼近式80再對下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D2

1，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO

12再進(jìn)入比較器，與VIN

9比較，因VIN

VO，則使D2

0；當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下，首先使寄存器的最高位D3

1，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO

8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；最后一位D0

1-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO

9，再與VIN

9比較，因VIN

VO，保留D0

1。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。再下一位D1位也是如此，D1

1即1010，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO=10，再與VIN

9比較，因VIN

VO，則使D1

0；81例：四位A/D轉(zhuǎn)換器，滿刻度值為5V，現(xiàn)若輸入3.5V模擬電壓，試分析其逐次逼近的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)最高位置1時，對應(yīng)轉(zhuǎn)換模擬電壓值為量化單位課后第11題。822）雙積分式83轉(zhuǎn)換原理：在轉(zhuǎn)換開始信號控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時間T內(nèi)對積分器上的電容C充電（正向積分），時間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時電容C開始放電（反向積分），同時計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時就輸出信號，由控制邏輯停止計數(shù)器的計數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這時計數(shù)器所記的脈沖個數(shù)正比于放電時間。放電時間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時間長，計數(shù)器的計數(shù)值越大。因此，計數(shù)器計數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。應(yīng)用場合：信號變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉(zhuǎn)換精度要求較高和現(xiàn)場干擾較嚴(yán)重的情況下。優(yōu)點(diǎn)：消除干擾和電源噪聲能力強(qiáng)，精度高；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。84分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。若分辨率為n，則：1）分辨率分辨率=滿量程/2n

2.6.2主要技術(shù)參數(shù)85相對精度用相對于滿量程的百分比來表示。2）轉(zhuǎn)換精度-轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對精度和相對精度來表示。絕對精度，常用數(shù)字量的位數(shù)表示，±LSB/2。最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)來表示，1LSB=VREF/2n。例如，對于一個8位0~5V的A/D轉(zhuǎn)換器，求其分辨率、絕對誤差和相對百分誤差。分辨率為：絕對誤差為：相對誤差為：86A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為微秒級，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。3）轉(zhuǎn)換時間課后第12題。872.6.3ADC0809及其接口電路

1）ADC0809芯片介紹

2）ADC0809應(yīng)用舉例881）ADC0809芯片介紹8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；分辨率為VFS/28≈VFS0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V；標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時間為100s采用28腳雙立直插式封裝89IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。上升沿時鎖存3位通道選擇信號。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時，地址譯碼。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換信號，輸入，高電平有效。上升沿時將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時啟動A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號，輸入，高電平有效。該信號用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部時鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。各引腳功能如下：90ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時序轉(zhuǎn)換過程如下：首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動A/D轉(zhuǎn)換，即在時鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時，如果對輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。912）應(yīng)用舉例1指定8路模擬電壓輸入端口地址為78H~7FH，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò)，采用74LS138作輸入通道地址譯碼器，要求畫出ADC0809與8086的連接原理電路圖。92分析：ADC0809數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門，故可以直接接到CPU數(shù)據(jù)總線上；8路模擬電壓輸入地址為78H~7FH，則低3位地址線A2~A0分別接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的采樣地址輸入端C、B、A上，用于選通8路輸入通路中的一路；用一條輸出指令即可啟動某一通路開始轉(zhuǎn)換，即使ADC0809的START和ALE端得到一個啟動正脈沖信號；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809從EOC端發(fā)出一個正脈沖信號，通過中斷程序控制器8259A向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。指定8路模擬電壓輸入端口地址為78H~7FH，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號以中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò)，采用74LS138作輸入通道地址譯碼器，要求畫出ADC0809與8086的連接原理電路圖。93例2將一個由電位器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換成微機(jī)所能接受的數(shù)字量信號，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入微機(jī)內(nèi)存中，并顯示在屏幕上。采樣點(diǎn)取256個。需要轉(zhuǎn)換的模擬量靠電位器旋轉(zhuǎn)得到,模擬量電壓范圍:0~5V，由IN0口輸入；ALE與START相聯(lián)，以便鎖存通道地址同時開始A/D采樣轉(zhuǎn)換；ADC0809時鐘頻率范圍為10~1280kHz，用500kHz，由8MHz經(jīng)74LS393分頻得到；ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC產(chǎn)生中斷請求信號使CPU讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。程序略。94本章小結(jié)模擬量輸入通道是計算機(jī)測控系統(tǒng)、智能測量儀表以及以微處理器為基礎(chǔ)組成的各種產(chǎn)品的重要組成部分。本章按照系統(tǒng)內(nèi)信號的流向，依次介紹模擬量輸入通道的各個組成部分－信號調(diào)理、多路模擬開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路與A/D轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)原理與功能作用，其中有些環(huán)節(jié)可以根據(jù)實(shí)際需要來選擇取舍。比如輸入信號已是電壓信號且滿足A/D轉(zhuǎn)換量程要求，那就不必再用I/V轉(zhuǎn)換和前置放大器；又如輸入信號變化緩慢而A/D轉(zhuǎn)換時間足夠短，能滿足A/D轉(zhuǎn)換精度，也就不必用采樣保持器；當(dāng)可以利用A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的多路模擬開關(guān)時，也可不用外部的多路模擬開關(guān)。但無論如何，其核心器件－A/D轉(zhuǎn)換器是不能缺少的。952I/O接口技術(shù)和I／O通道1、何謂I/O接口？在計算機(jī)控制系統(tǒng)中為什么要有I/O接口電路？2、一個微處理機(jī)（CPU）采用程序控制查詢方式時，管理50個鍵盤顯示終端，要求將各終端打入的任一個字符在顯示器上立即顯示出來。已知CPU查詢每個終端并完成每一字符的接收和處理時間需200us，若程序員以每秒打10個字符的速度同時連續(xù)打入字符，問CPU能否按要求，可靠的管理全部50個終端？又問CPU最多能管理多少個這種終端？4、某微機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)有1#、2#、3#三個外圍設(shè)備，由一個CPU進(jìn)行管理，已知個外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間和服務(wù)時間分別是：C1=5ms、S1=300us,C2=8ms、S2=1.3ms,C3=1ms、S3=400us,問若采用查詢方式是否能可靠管理這三個外圍設(shè)備？為什么？若不行的話，試提出改進(jìn)方案？966、某8086最大模式系統(tǒng)中，需擴(kuò)展8255A、8253和DAC0832芯片各一片。采用74LS138作譯碼器，若已指定分配給各芯片的地址范圍是： 8255A：FFE0H、FFE2H、FFE4H、FFE6H 8253：FFE1H、FFE3H、FFE5H、FFE7H DAC0832：FFF0H設(shè)計接口擴(kuò)展的地址譯碼電路（可根據(jù)需要增加必要的的邏輯電路芯片）。9、模擬輸入通道中為什么要加采樣保持器？采樣保持器的組成及要求是什么？12、用ADC0808測量某罐溫度，其溫度波動范圍30～50℃，線性溫度變送器輸出0～5V，試求測量該溫度的分辨率和精度。972、解：CPU查詢每個終端并完成每個字符的接收和處理的時間為200us，程序員打印字符的速度為100ms/個，同時管理50個終端，設(shè)能同時管理的終端個數(shù)為n，則984、解：所以，中斷查詢式也不能可靠管理這三個外設(shè)。建議采用中斷嵌套。要求實(shí)時控制三個外設(shè)，外設(shè)最短響應(yīng)時間和服務(wù)時間為：C1=5ms、C2=8ms、C3=1ms,S1=0.3ms,S2=1.3ms、S3=0.4ms查詢I/O方式滿足實(shí)時控制要求的使用條件：“所有外設(shè)的服務(wù)時間的總和必須小于或等于任意外設(shè)的最短響應(yīng)時間?！敝袛嗫刂栖浖樵兎绞剑喊凑兆疃添憫?yīng)時間由小到大的順序排序，判斷是否滿足下列條件，中斷嵌套：進(jìn)入各外設(shè)的中斷的服務(wù)程序后允許清除中斷允許標(biāo)志IF。99實(shí)時的概念所謂“實(shí)時”是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機(jī)對輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時間內(nèi)做出反應(yīng)或進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，控制也就失去了意義。實(shí)時的概念不能脫離具體過程。如煉鋼爐的控制溫度，延遲1s，仍然認(rèn)為是實(shí)時的。而一個炮火控制系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)狀態(tài)量變化時，一般必須在幾毫秒或幾十毫秒內(nèi)及時控制，否則就不能擊中目標(biāo)了。實(shí)時性的指標(biāo)，涉及到如下一系列的時間延遲：一次儀表的延遲，過程量輸入的延遲，計算和邏輯判斷的延遲，控制量輸出的延遲，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t等等。一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實(shí)時系統(tǒng)，但一個實(shí)時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。例如，一個只用于數(shù)據(jù)采集的微型機(jī)系統(tǒng)是在線系統(tǒng)，但它不一定是實(shí)時系統(tǒng)，而計算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)，則必定是一個在線系統(tǒng)。100ADC0808：8位AD轉(zhuǎn)換器溫度波動范圍30～50℃：在其工作范圍內(nèi)溫度變送器輸出0～5V12、分析題意：分辨率和精度計算：10174LS1386、地址分配情況：Y0Y1Y410282558253808674LS138DA083274LS2074LS1174LS20A1A2A1A274LS3274LS3229WR28IO32RD28IORWRRWWW1033數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計3.1引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計方法，掌握基本的離散化設(shè)計方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對系統(tǒng)的影響。1043.1引言模擬調(diào)節(jié)器：模擬控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制器是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)。數(shù)字控制器：數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是數(shù)字控制器?？刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象變換發(fā)送單元測量元件給定信號被控參數(shù)圖1-1閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制過程：通過模擬量輸入通道對控制參數(shù)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，處理結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，以達(dá)到期望的結(jié)果。105 在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)執(zhí)行按某種算法編寫的程序，實(shí)現(xiàn)對被控制對象的控制和調(diào)節(jié)，被稱為數(shù)字控制器。圖1-3計算機(jī)控制系統(tǒng)框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對象被控參數(shù)微處理器微型計算機(jī)給定信號106 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，由被控對象、A/D、微機(jī)、D/A構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是模擬量，所以該系統(tǒng)可以看成是一個連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)?？梢杂美献儞Q來進(jìn)行分析。Gp(S)C(S)D(S)R(S)＋－圖3-1作為連續(xù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖3-2作為離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Gp(S)C(S)D(z)R(S)＋－H(S)G(S) 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，由微機(jī)、D/A、被控對象、A/D構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是數(shù)字量，所以該系統(tǒng)具有離散系統(tǒng)的特性，可以用Z變換來進(jìn)行分析。執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對象被控參數(shù)微處理器微型計算機(jī)給定信號107 當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率足夠高時，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變換的模擬系統(tǒng)，可以忽略采樣開關(guān)和保持器，將整個系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，從而用s域的方法設(shè)計校正裝置D(s)，再使用s域到z域的離散化方法求得離散傳遞函數(shù)D(z)。 根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計模擬調(diào)節(jié)器，然后，按照一定的對應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價的數(shù)字控制器，從而確定計算機(jī)的控制算法。思路：步驟：圖3-1用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計，然后將設(shè)計結(jié)果變成數(shù)字計算機(jī)的控制算法的方法，稱為模擬化的設(shè)計方法。1083.2離散化方法3.2.1差分變換法3.2.2零階保持器法3.2.3雙線性變換法109為了強(qiáng)調(diào)序列，而不是作為時間的變量，不再寫T，k代表采樣序列數(shù)。3.2.1差分變換法模擬調(diào)節(jié)器用微分方程形式表示時，其導(dǎo)數(shù)可用差分近似。差分變化法步驟如下： 1）將原始的連續(xù)校正裝置傳遞函數(shù)D(s)轉(zhuǎn)換成微分方程； 2）用差分方程近似微分方程。（采用后向差分）一階后向差分法：二階后向差分法：110例3-1求慣性環(huán)節(jié) 的差分方程。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述 微分方程，得整理得：111例3-2求環(huán)節(jié) 的差分方程。（練習(xí)）第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用二階向后差分法，并以采樣周期T離散上述 微分方程，得整理得：1123.2.2零階保持器法零階保持器法，又稱階躍響應(yīng)不變法。其基本思想是： 離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列，必須與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等，即：其中，H(s)也就是為零階保持器，T為采樣周期。113D（S）e（t）u（t）D（S）e（t）u（t）D(z)=Z[H(s)D(s)]E（z）U（z）連續(xù)系統(tǒng)帶采樣和零階保持等效離散系統(tǒng)為什么？114例3-3用零階保持器法求慣性環(huán)節(jié)的差分方程。解：1153.2.3雙線性變換法雙線性變化法，又稱Tustin變換法。它是將s域函數(shù)與z域函數(shù)進(jìn)行變換的一種近似方法。由z變換定義結(jié)論：如果已知連續(xù)傳遞函數(shù)D(s)，則可以計算D(z)。116例3-4已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 用雙線性變換法求D(z)，采樣周期T=1s。由解：1173數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計3.1

引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計方法，掌握基本的離散化設(shè)計方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對系統(tǒng)的影響。1183.3PID數(shù)字控制算法3.3.1幾個概念3.3.2PID算法及其數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)3.3.3PID算法程序設(shè)計1193.3.1幾個概念 在連續(xù)生產(chǎn)控制過程中，常采用比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）進(jìn)行控制的方式。1、PID控制方式：2、PID算法的數(shù)字化：其實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程轉(zhuǎn)換成為離散形式的PID差分方程。120由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。因此，只要偏差出現(xiàn)，就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點(diǎn)。比例調(diào)節(jié)器的特性曲線，如圖3-2所示。3、比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：調(diào)節(jié)器輸出信號調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)節(jié)器偏差信號（＝給定量與輸出量之差）圖3-2比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性曲線e(t)t1t0u(t)tKPt01214、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器 所謂積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。積分方程為：調(diào)節(jié)器積分時間TI是積分時間常數(shù)，表示積分速度的大小，TI越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分作用的響應(yīng)特性曲線，如圖3-3所示。圖3-3積分作用響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0122若將比例和積分兩種作用結(jié)合起來，就構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)規(guī)律為：輸出特性曲線如圖3-4所示：圖3-4PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0123μ電氣式的PI調(diào)節(jié)器由圖得，124近似的電氣式的PI調(diào)節(jié)器1255、比例微分（PD）調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)器的微分方程為：微分作用響應(yīng)曲線如圖3-5所示。調(diào)節(jié)器微分時間圖3-5微分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖3-6所示。圖3-6PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0∞e(t)1t0u(t)t0∞126μ電氣式的PD調(diào)節(jié)器由圖得，127近似的電氣式的PD調(diào)節(jié)器1286、PID調(diào)節(jié)器——為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，把比例、微分、積分三者結(jié)合起來調(diào)節(jié)器輸出信號調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)節(jié)器偏差信號（＝給定量與輸出量之差）調(diào)節(jié)器積分時間調(diào)節(jié)器微分時間式（3-1）圖3-7PID調(diào)節(jié)器對階躍響應(yīng)曲線129電氣式的PID調(diào)節(jié)器μ近似的電氣式的PID調(diào)節(jié)器1303.3.2PID算法及其數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)2、離散化連續(xù)的時間離散化積分用累加求和近似微分用一階后向差分近似 其中，T為采樣周期；e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時刻的偏差值；k為采樣序號，k=0、1、2、…。式（3-4）式（3-3）式（3-2）1、在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法是以模擬式描述的，式（3-1）1313、將式（3-2）至式（3-4）代入式（3-1）得離散的PID表達(dá)式，式（3-5）PID位置式控制算式（微分系數(shù)）（積分系數(shù)）式（3-6）式（3-7）－PID增量式控制算式式（3-8）1323.3.3PID算法程序設(shè)計1、PID位置式控制算法(遞推形式)取給定值、反饋值形成偏差取a0、e(k)做乘法取a1、e(k－1)做乘法取a2、e(k－2)做乘法作a2e(k－2)減a1e(k－1)作［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)a0a1a2作｛［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)｝＋u(k-1)輸出u(k)數(shù)據(jù)傳送：u(k)→u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k-1)→e(k-2)→e(k)→e(k-1)位置式PID控制算法程序框圖1332、增量式PID控制算法輸入并采樣r(k)、c(k)計算偏差e(k)=r(k)-c(k)計算△u(k)=a0e(k)-a1e(k－1)+a2e(k－2)存△u(k)以備輸出參數(shù)序號e(k-1)→e(k-2)調(diào)整e(k)→e(k-1)增量式PID控制算法程序框圖a0a1a2入口結(jié)束134（1）位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去誤差的累加值，因此，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差。而增量式PID只需計算增量，計算誤差或精度不足時對控制量的計算影響較小。（2）控制從手動切換到自動時，位置式PID算法必須先將計算機(jī)的輸出值置為原始閥門開時，才能保證無沖擊切換。若采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。增量式PID算法只需保持當(dāng)前時刻以前三個時刻的誤差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：1353數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計3.1

引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計方法，掌握基本的離散化設(shè)計方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對系統(tǒng)的影響。1363.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計舉例

3.4.1PID控制參數(shù)對控制性能的影響

3.4.2采樣周期的選擇原則

3.4.3PID歸一參數(shù)整定法

3.4.4二階工程設(shè)計法

3.4.5PID數(shù)字控制器設(shè)計舉例本節(jié)主要介紹：1373.4.1PID控制參數(shù)對控制性能的影響 動態(tài)時，若KP太小，系統(tǒng)動作緩慢。增加KP，可提高系統(tǒng)動作的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度。但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時間加長，且當(dāng)KP太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。 穩(wěn)態(tài)時，隨著比例控制KP的加大，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。1、比例系數(shù)KPe(t)t1t0u(t)tKPt0138 動態(tài)時，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩；太大，對系統(tǒng)的影響將削弱。 穩(wěn)態(tài)時，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度。但TI值太大時，因積分控制作用的削弱，反而不能減少穩(wěn)態(tài)誤差。2、積分時間TIe(t)t1t0u(t)tt0139 微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減少、調(diào)節(jié)時間縮短、允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減少，提高控制精度等。 TD值偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長； TD值偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長； 只有TD值合適時，才可以得到比較滿意的過渡過程。3、微分時間TDe(t)t1t0u(t)tt0∞140例3-5在單輸入輸出計算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析KP對系統(tǒng)性能的影響及KP的選擇方法。系統(tǒng)廣義對象的Z傳遞函數(shù)解：數(shù)字控制器則141系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的穩(wěn)態(tài)值當(dāng)KP=1時，y(∞)=0.835，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.165。當(dāng)KP=2時，y(∞)=0.901，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.09。當(dāng)KP=5時，y(∞)=0.9621，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.038。當(dāng)KP增大時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減少。一般情況下，比例系數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)KV的要求來確定的。142例3-6在單輸入輸出計算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析積分作用及參數(shù)的選擇。采用數(shù)字PI控制器由例3-5，廣義對象的z傳遞函數(shù)為解：為了確定積分系數(shù)KI，可以使用積分控制增加的零點(diǎn)抵消極點(diǎn)（z=0.905）系統(tǒng)的開環(huán)Z傳遞函數(shù)143假設(shè)放大倍數(shù)KP已經(jīng)由靜態(tài)速度誤差系數(shù)確定，若選定KP=1，則由上式可得KI≈0.105，數(shù)字調(diào)節(jié)器的z傳遞函數(shù)為系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的z變換因此，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。由此可見系統(tǒng)加積分校正以后，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，提高了控制精度。系統(tǒng)采用數(shù)字PI控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是，由輸出響應(yīng)曲線可以看到，系統(tǒng)的超調(diào)量達(dá)到45%，而且調(diào)節(jié)時間很長。為了改善動態(tài)性能還必須引入微分校正，即采用數(shù)字PID控制。系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的穩(wěn)態(tài)值144例3-7在單輸入輸出計算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析微分作用及參數(shù)的選擇。采用數(shù)字PID控制器由例3-5，廣義對象的z傳遞函數(shù)為解：假設(shè)KP=1，并要求D(z)的兩個零點(diǎn)抵消G(z)的兩個極點(diǎn)z=0.905和z=0.819，則PID數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)145系統(tǒng)的開環(huán)Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的z變換146系統(tǒng)在單位階躍輸入時，輸出量的穩(wěn)態(tài)值系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。所以，系統(tǒng)在PID控制時，由于積分的控制作用，對于單位階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差也為零。由于微分控制作用，系統(tǒng)的動態(tài)的特性也得到很大改善，調(diào)節(jié)時間ts縮短，超調(diào)量δp減少。1473.4.2采樣周期的選擇原則1、滿足采樣定理的要求香農(nóng)（Shannon）采樣定理：采樣角頻率ωs≥ωmax（ωmax是被采樣信號的最高角頻率）。采樣周期T選擇原則如下：（T為采樣周期）對隨動系統(tǒng)來說，有經(jīng)驗(yàn)公式：（ωc為開環(huán)截止頻率）148干擾頻率越高，則采樣頻率最好越高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。2、從系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，T小些好。3、根據(jù)被控對象特性，快速系統(tǒng)的T應(yīng)取?。环粗?，T可取大些。4、根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作慣性大時，T應(yīng)取大些。否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。5、從計算機(jī)的工作量及每個調(diào)節(jié)回路的計算成本來看，T應(yīng)取大些。T大，對每一個控制回路的計算控制工作量相對減小，可以增加控制的回路數(shù)。6、從計算機(jī)能精確執(zhí)行控制算式來看，T應(yīng)取大些。因?yàn)橛嬎銠C(jī)字長有限，T過小，偏差值可能很小，甚至為零，調(diào)節(jié)作用微弱，各微分、積分作用不明顯。149常見被測參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)：1503.4.3PID歸一參數(shù)整定法PID增量算式：a0a1a2z變換:參數(shù)整定實(shí)際就是確定T、KP、TI和TD。人為假定約束條件。如：（Ts—純比例控制時的臨界振蕩周期）1513.4.4二階工程設(shè)計法二階系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種系統(tǒng)，實(shí)際的許多高階系統(tǒng)可以化簡為二階系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計。二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式是：設(shè)Φ0(s)為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)1523.4.5舉例用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的方法，設(shè)計一個軋機(jī)位置控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。解題步驟：一、建立軋機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型給定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字PIDD/A轉(zhuǎn)換器功率放大器電液伺服閥液壓缸A/D轉(zhuǎn)換器電壓放大器差動變壓器微型計算機(jī)153二、畫出軋機(jī)系統(tǒng)的原理框圖154三、計算數(shù)字控制器算式不考慮D(s)，考慮影響系統(tǒng)動態(tài)特性的主要環(huán)節(jié)和參數(shù)，并簡化，得到簡化的軋機(jī)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為μ為放大器增益；RC為電液伺服閥線圈電阻；rP為放大器電阻；ωa為伺服閥線圈銜鐵回路的轉(zhuǎn)折頻率；KSV為放大系數(shù)；Kq為液壓缸流量增益；Ah為液壓缸柱塞面積；ω2為負(fù)載剛度與阻尼系數(shù)；ωr為彈簧和負(fù)載的串聯(lián)剛度與阻尼系數(shù)之比；Th為差動變壓器時間常數(shù)。155整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)從快速性和穩(wěn)定性角度看，要實(shí)現(xiàn)動態(tài)校正，該軋機(jī)系統(tǒng)需具有二階最佳設(shè)計的基本形式，形如：156為了使調(diào)節(jié)器能抵消軋機(jī)系統(tǒng)中較大的時間常數(shù)Ts1，令τ＝Ts1，則比較式1和式3，得到157采用差分離散法1584、某連續(xù)控制系統(tǒng)的校正裝置的傳遞函數(shù)為使用一階差分法和脈沖傳遞函數(shù)發(fā)求該裝置的遞推輸出序列（設(shè)輸入為e(t)，輸出為u(t)）。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述微分方程，得整理得：一階差分法作業(yè)159脈沖傳遞函數(shù)法1606、已知被控對象由三個慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)的形式為使用二階工程計算法設(shè)計數(shù)字控制器，并求出PID數(shù)字控制器的控制算式（已知）整個系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Φ0(s)為解：由二階工程法知二階品質(zhì)最佳的開環(huán)傳遞函數(shù)為比較上兩式，D(s)應(yīng)為如下形式，即為PID調(diào)節(jié)器為了使調(diào)節(jié)器能抵消系統(tǒng)中較大的時間常數(shù)Ts1、Ts2，可選擇KPTITD1617、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為現(xiàn)用數(shù)字PID算法來實(shí)現(xiàn)它，試分別寫出其相應(yīng)的位置型和增量型PID算法輸出表達(dá)式。設(shè)采樣周期T=1S。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述微分方程，得整理得：1627、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為現(xiàn)用數(shù)字PID算法來實(shí)現(xiàn)它，試分別寫出其相應(yīng)的位置型和增量型PID算法輸出表達(dá)式。設(shè)采樣周期T=1S。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，計算位置型PID表達(dá)式第三步，計算增量型PID表達(dá)式1634

數(shù)字控制器的直接設(shè)計掌握最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計和最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計方法。掌握數(shù)字控制直接設(shè)計的概念和步驟；本章要求：4.1概述4.2最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計4.3最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計4.4純滯后對象的控制算法—大林算法作業(yè)

主要內(nèi)容4.1概述第3章中討論了數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法，它立足于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計，并在計算機(jī)上采用數(shù)字模擬的方法來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)：將設(shè)計者所熟悉的各種連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法和經(jīng)驗(yàn)移植到數(shù)字計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，達(dá)到滿意的控制效果。缺點(diǎn)：采樣周期T較大、對控制的質(zhì)量要求較高、用一臺計算機(jī)實(shí)現(xiàn)多回路控制時，很難滿足要求。從被控對象的特性出發(fā)，直接根據(jù)采樣系統(tǒng)理論來設(shè)計數(shù)字控制器。又稱為離散設(shè)計法。把計算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)變換