微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口技術(shù)課件

第4章

微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì)

4.1概述

4.2微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路4.3微機(jī)控制系統(tǒng)的種類與選擇4.4微機(jī)控制系統(tǒng)的接口及通道設(shè)計(jì)4.5微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)4.6可編程控制器(PLC)的原理與應(yīng)用4.7常用檢測(cè)傳感器的選用思考題典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖4.1概述

一、微機(jī)控制系統(tǒng)的組成（1）由中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等功能，并通過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。（2）操作臺(tái)是人—機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。（3）通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。（4）I/O接口與I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中，模擬量I/O通道的作用是：一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。（5）傳感器的主要功能是將被檢測(cè)的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如熱電偶把溫度變成電壓信號(hào)，壓力傳感器把壓力變成電信號(hào)等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如0~10mA/DC）。二、專用與通用的選擇三、硬件與軟件的權(quán)衡專用控制系統(tǒng)：選用適當(dāng)?shù)男酒孕薪M建控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定功能；通用控制系統(tǒng)：選用通用微機(jī)，通過(guò)接口設(shè)計(jì)和軟件編制實(shí)現(xiàn)特定功能。（通用微機(jī)專用化）軟件：易于修改，可靠性高，占用CPU資源；分立元件：需要焊接，可靠性差；

專用芯片：可靠性高，速度快，成本低硬件4.2微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路一、整體控制方案的確定二、控制算法的確定三、微型計(jì)算機(jī)的選擇四、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)五、軟件設(shè)計(jì)1、接口設(shè)計(jì)2、通道設(shè)計(jì)3、操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)4.3微機(jī)控制系統(tǒng)的種類與選擇一、“微機(jī)”的含義微處理機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)二、微機(jī)的種類1、按組裝形式分類單片機(jī)、單板機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)、PLC2、按CPU位數(shù)分類4位、8位、16位、32位、64位3、按用途分類控制用、數(shù)據(jù)處理用

PC/AT總線工業(yè)控制機(jī)，一般是對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn)： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)加固，使微機(jī)的抗震性好。 （2）采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。 （3）加上帶過(guò)濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。 （4）采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。 （5）根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn)，常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（如UNIX）。三、微機(jī)的選擇常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較4.4微機(jī)控制系統(tǒng)的接口及通道設(shè)計(jì)

一、接口、通道及其功能

1、I/O接口電路

I/O接口電路簡(jiǎn)稱接口電路，它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件（電路）。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下：（1）解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。 （2）解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。 （3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題。2、I/O通道

I/O通道也稱為過(guò)程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。

典型的I/O接口與外部的連接

接口芯片與CPU之間必要的連接信號(hào)有下列4類：（1）數(shù)據(jù)信號(hào)D0～D7。

（2）讀/寫控制信號(hào)。

（3）片選信號(hào)CS和地址線A１、A0。（4）時(shí)鐘、復(fù)位、中斷控制、聯(lián)絡(luò)信號(hào)等控制信號(hào)。

I/O接口和I/O通道都是為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備（包括被控對(duì)象）之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機(jī)和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片，除了完成A/D轉(zhuǎn)換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時(shí)，具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號(hào)端，可以直接掛到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉(zhuǎn)換器也就同時(shí)起到了輸入接口的作用。8255A與CPU和外設(shè)的連接輸入與輸出通道的組成二、數(shù)字量I/O接口1、數(shù)字量輸入接口：三態(tài)門緩沖器74LS244生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)1生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)n門1門n生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)1生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)n1x1END11xnENDn1A11A21A81Y11Y21Y8CSIOR74LS244ENPC總線生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的輸入時(shí)可利用多個(gè)74LS24474LS138管腳圖2、數(shù)字量輸出接口：輸出鎖存器74LS273Q1CPD1RDQ2CPD2RDQnCPDnRDD1D2D8Q1Q2Q8CSIOW74LS273PC總線生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)RSTCLK二、數(shù)字量I/O通道

為保證數(shù)字量輸入/輸出的順利進(jìn)行而增加的附加電路與數(shù)字量輸入/輸出接口一起構(gòu)成數(shù)字量I/O通道。例：輸入調(diào)理電路（消除開關(guān)抖動(dòng)）&&KR3R4+5VRSQQR=0S=1R=1S=0R=1S=1Q=0Q=1Q不變輸入調(diào)理電路

輸入緩沖器1

地址譯碼器CSCS生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量1…數(shù)字量n

輸出鎖存器1

輸出驅(qū)動(dòng)電路被控對(duì)象1…被控對(duì)象nCSCS總線四、模擬量I/O接口數(shù)字量：離散的，不連續(xù)的，可以是多位，每一位只能為0或1，可經(jīng)由數(shù)字量接口被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別；(Digital)模擬量：隨時(shí)間連續(xù)變化的，如溫度、壓力、速度、流量……，不能被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，但可以通過(guò)傳感器變換為相對(duì)應(yīng)的電量，如電壓或電流。(Analogue)計(jì)算機(jī)被控對(duì)象DtoAAtoDA/D、D/A基本思路：把數(shù)字量與離散化的模擬量對(duì)應(yīng)起來(lái)oooooooolooooooooloooooollllllll…0v10v(10/255)v(20/255)v…例：一個(gè)8位的D/AC，對(duì)應(yīng)0~10V的模擬信號(hào)，若傳感器采樣得電壓值為2v，則反映到計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量為？D=2/（10/255）=51=00110011B=33H顯然，D/AC的位數(shù)越高，能夠分辨的單位模擬信號(hào)就越小。D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與輸入量成比例的模擬信號(hào)的器件。1、模擬量輸出接口：D/A轉(zhuǎn)換器（1）D/A轉(zhuǎn)換原理T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)原理圖…ΣID3D2D1D0（2）D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

a）分辨率

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率表示當(dāng)輸入的數(shù)字量最低有效位發(fā)生變化時(shí)，輸出模擬量變化的大小。它反映了D/AC對(duì)輸入量微小變化的敏感程度。對(duì)于一個(gè)n位的D/A轉(zhuǎn)換器,其分辨率為：

b）穩(wěn)定時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿度值的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間，一般為幾十納秒到幾微秒。

c）輸出電平不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為5～10V。也有一些高壓輸出型，輸出電平為24～30V。還有一些電流輸出型，低的為20mA，高的可達(dá)3A。

d）輸入編碼一般二進(jìn)制編碼比較通用，也有BCD等其他專用編碼形式芯片。其他類型編碼可在D/A轉(zhuǎn)換前用CPU進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制編碼。

e）溫度范圍較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為-40～85℃，較差的為0～70℃?？砂从?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使用環(huán)境查器件手冊(cè)選擇合適的器件類型。

（3）D/A轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)電路8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器,能完成從數(shù)字量輸入到模擬量（以電流形式）輸出的轉(zhuǎn)換。其主要參數(shù)如下：分辨率為1/256，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，基準(zhǔn)電壓為+10～-10V，芯片供電電源為+5～+15V（最佳工作狀態(tài)為+15v），功耗為20mW。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入端選通控制邏輯標(biāo)準(zhǔn)參考電源接入端，可接(-10v~+10v)數(shù)字電路電源(+5v~+15v)模擬地?cái)?shù)字地反饋電阻電流輸出端DAC0832外部放大器接線圖-+DAC0832引腳圖

因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，所以DAC0832可以工作在雙緩沖器方式下，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)，可以采集下一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣可以有效地提高轉(zhuǎn)換速度。DAC0832有以下三種不同的工作方式：（1）直通方式

當(dāng)ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7～DI0輸入端，立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量。例如在構(gòu)成波形發(fā)生器的場(chǎng)合，即用到這種方式，把要產(chǎn)生基本波形的存在ROM中的數(shù)據(jù)，連續(xù)取出送到DAC去轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。（2）單緩沖方式

只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將WR2和XFER都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，CS接端口地址譯碼信號(hào)，WR1

接CPU系統(tǒng)總線的IO/W，這樣便可以通過(guò)一條OUT指令選中該端口，使CS和WR1有效，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。（3）雙緩沖方式

主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉(zhuǎn)換：其一，需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣可以做到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入同時(shí)進(jìn)行，因此轉(zhuǎn)換速度較高。為此，可將ILE接高電平，WR1和WR2均接CPU的IO/W，CS和XFER分別接兩個(gè)不同的I/O地址譯碼信號(hào)。執(zhí)行OUT指令時(shí)，WR1和WR2均變?yōu)榈碗娖?。這樣，可先執(zhí)行一條OUT指令，選中CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)的連接圖

DAC0832工作于雙緩沖方式下，與有8位數(shù)據(jù)總線的微機(jī)相連的邏輯圖。其中，CS的口地址為320H，XFER的口地址為321H。當(dāng)CPU執(zhí)行第一條OUT指令時(shí)，選中CS端口，選通輸入寄存器，將累加器中的數(shù)據(jù)傳入輸入寄存器。再執(zhí)行第二條OUT指令，選中XFER端口，把輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。執(zhí)行第二條OUT指令時(shí)，累加器中的數(shù)據(jù)為多少是無(wú)關(guān)緊要的，主要目的是使XFER有效。

其二，在需要同步進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時(shí)刻把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別打入各DAC的輸入寄存器，然后由一個(gè)轉(zhuǎn)換命令同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換。例如，可用3片DAC0832構(gòu)成的3路DAC系統(tǒng)。圖中，WR1和WR2接CPU的寫信號(hào)WR，3個(gè)DAC的CS引腳各由一個(gè)片選信號(hào)控制，3個(gè)XFER信號(hào)連在一起，接到第4個(gè)片選信號(hào)上。ILE可以根據(jù)需要來(lái)控制，一般接高電平，保持選通狀態(tài)。它也可以由CPU形成的一個(gè)禁止信號(hào)來(lái)控制，該信號(hào)為低電平時(shí)，禁止將數(shù)據(jù)寫入DAC寄存器。這樣，可在禁止信號(hào)為高電平時(shí)，先用3條輸出指令選擇3個(gè)端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使XFER變低，同時(shí)選通3個(gè)D/A的DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。用DAC0832構(gòu)成的3路DAC系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器是把輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為與輸入量相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的器件。2、模擬量輸入接口：A/D轉(zhuǎn)換器（1）A/D轉(zhuǎn)換原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖（2）A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)與D/AC的技術(shù)參數(shù)基本相同（3）D/A轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)電路

ADC0809是一種帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8位多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、8位三態(tài)緩沖器以及與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近法。在A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256R分壓器（D/A轉(zhuǎn)換器），以及一個(gè)逐次逼近的寄存器。八路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)單邊的模擬信號(hào)。8位A/D轉(zhuǎn)換器A/DC0809轉(zhuǎn)換開始信號(hào)，可用CS+寫信號(hào)組合產(chǎn)生通知CPU用IN指令取數(shù)OE輸出允許信號(hào)由IN指令產(chǎn)生ADC0809引腳圖通道地址碼，對(duì)IN0~IN7進(jìn)行選通ADC0809的主要管腳的功能如下：IN0～I(xiàn)N7——8個(gè)模擬量輸入端。START——啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)START為高電平時(shí)，開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢之后，發(fā)出一個(gè)正脈沖，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。此信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的檢測(cè)信號(hào)或中斷申請(qǐng)信號(hào)。OE——輸出允許信號(hào)。如果此信號(hào)被選中，則允許從A/D轉(zhuǎn)換器的鎖存器中讀取數(shù)字量。CLOCK——時(shí)鐘信號(hào)。ALE——地址鎖存允許，高電平有效。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器。ADDA、ADDB、ADDC——通道號(hào)地址選擇端，當(dāng)C、B、A為全零（000）時(shí)，選中IN0通道接入；為001時(shí)，選中IN1通道接入；為111時(shí)，選中IN7通道接入。D7～D0——數(shù)字量輸出端。UREF（+）、ＵREF（-）——參考電壓輸入端，分別接+、-極性的參考電壓，用來(lái)提供D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻的標(biāo)準(zhǔn)電平。在模擬量為單極性輸入時(shí),UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V;當(dāng)模擬量為雙極性輸入時(shí)，UREF（+）=+5V，ＵREF（-）=-5V。

ADC0809與8086CPU的連接由于ADC0808/0809的數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門，故可直接接到CPU數(shù)據(jù)總線上。按上圖所示接線，74LS138譯碼出的地址范圍正好是78H~7FH。低3位地址線A2~A0直接接到ADC0809的采樣地址輸入端C、B、A上，用于選通8路輸入通路中的其中一路。那么用一條輸出指令即可啟動(dòng)某一通路開始轉(zhuǎn)換（使ADC0809的START端和ALE端得到一個(gè)啟動(dòng)正脈沖信號(hào)）五、模擬量I/O通道模擬量輸入通道的組成方框圖1、模擬量輸入通道