最新微型计算机原理及应用第三版电子教案第14章PPT课件.ppt
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1、微型计算机原理及应用第三版微型计算机原理及应用第三版电子教案第电子教案第14章章系统中的应用由于大规模集成电路的飞速发展,计算系统中的应用由于大规模集成电路的飞速发展,计算机的微型化很快,其性能价格比也大为提高,因而机的微型化很快,其性能价格比也大为提高,因而微型计算机的应用越来越广泛。计算机在各个领域微型计算机的应用越来越广泛。计算机在各个领域中的应用,已有大量的报道,从中可知计算机的应中的应用,已有大量的报道,从中可知计算机的应用已取得显著的经济效益和社会效益。微型计算机用已取得显著的经济效益和社会效益。微型计算机不但在工农业生产方面的应用,在科研设备中也有不但在工农业生产方面的应用,在科
2、研设备中也有很普遍的应用,而且在办公自动化及家庭生活中也很普遍的应用,而且在办公自动化及家庭生活中也已逐渐得到推广和应用。已逐渐得到推广和应用。本章将就微型计算机在自动控制系统中的应用方面举本章将就微型计算机在自动控制系统中的应用方面举些实例,说明微型计算机在整个系统中处于什么位些实例,说明微型计算机在整个系统中处于什么位置,起到什么作用,能在多大程度上代替人的脑力置,起到什么作用,能在多大程度上代替人的脑力和体力劳动,使生产过程自动化的程度和产品质量和体力劳动,使生产过程自动化的程度和产品质量得到什么样的改善或提高。得到什么样的改善或提高。图图14.1(1)模拟量:模拟量:如电流、电压,它们
3、来自某些量测装置的如电流、电压,它们来自某些量测装置的传感器,模拟量就是连续的量。传感器,模拟量就是连续的量。(2)数字量:数字量:如数字式电压表或某些传感器所产生的数如数字式电压表或某些传感器所产生的数字量。字量。(3)开关量:开关量:如行程开关或限位接点接通时产生的突变如行程开关或限位接点接通时产生的突变电压。电压。(4)脉冲量:脉冲量:如脉冲发生器产生的脉冲系列如脉冲发生器产生的脉冲系列(一般为电一般为电压脉冲压脉冲)。图图14.1右边的右边的8路通道中,上面路通道中,上面4路是输入通道,下面路是输入通道,下面4路是输出通道。输入通道配有路是输出通道。输入通道配有4种传感器,就是模拟种传
4、感器,就是模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器。输出通道则可以产生相应的控制量:模拟传感器。输出通道则可以产生相应的控制量:模拟量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出。量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出。图图14.1是把各种输入是把各种输入/输出的可能性都集中在一起,因输出的可能性都集中在一起,因而看起来比较复杂。这种情况是会产生的,但不会而看起来比较复杂。这种情况是会产生的,但不会是经常遇得到的。常见的倒是这样:右边只有一个是经常遇得到的。常见的倒是这样:右边只有一个模拟量输入和一个开关量输出,左边则有一个键盘模拟量输
5、入和一个开关量输出,左边则有一个键盘(作为程序及数据输入作为程序及数据输入),一个显示器,一个显示器(监视过程监视过程)以以及一个打印机及一个打印机(用以收集数据和控制的结果用以收集数据和控制的结果)。以一。以一个单板计算机为例,左边这几种外部设备都可以装个单板计算机为例,左边这几种外部设备都可以装到和计算机内部设备在一起的一块板上。图到和计算机内部设备在一起的一块板上。图14.2就就是这样一个简单系统的示意图。是这样一个简单系统的示意图。图图14.2市场上出售的单板计算机大都将十六进制键盘市场上出售的单板计算机大都将十六进制键盘(KB)、发光二极管发光二极管(LED)显示器、针打式微型打印机
6、显示器、针打式微型打印机(PR)和输入和输入/输出输出(I/O)接口器件装在一起。这样在设计接口器件装在一起。这样在设计应用上就十分方便,设计者只需挑选合适的应用上就十分方便,设计者只需挑选合适的A/D变变换器即可。换器即可。图图14.1和图和图14.2两图中都有接口电路出现,而且在图两图中都有接口电路出现,而且在图14.1中每个外围设备和每个外部设备都要用到接口中每个外围设备和每个外部设备都要用到接口电路。对于外部设备来说,每种设备都有专用的接电路。对于外部设备来说,每种设备都有专用的接口电路。对于外围设备来说,因用户对象较多样化,口电路。对于外围设备来说,因用户对象较多样化,所以常用一些通
7、用的接口器件。在单板计算机上,所以常用一些通用的接口器件。在单板计算机上,键盘、显示器和打印机都比较简单,用法较固定,键盘、显示器和打印机都比较简单,用法较固定,所以它们和内部总线的连接不用外加接口装置,而所以它们和内部总线的连接不用外加接口装置,而在板上的印刷电路上加以解决。因此显得简单紧凑。在板上的印刷电路上加以解决。因此显得简单紧凑。单板计算机上一般都带有适于外围通道用的输入单板计算机上一般都带有适于外围通道用的输入/输输出接口,接口技术也是搞计算机应用者的一个重要出接口,接口技术也是搞计算机应用者的一个重要课题。一般讲计算机应用的书都会有这方面的章节。课题。一般讲计算机应用的书都会有这
8、方面的章节。本书限于篇幅,就不多加介绍了,下面具体系统中本书限于篇幅,就不多加介绍了,下面具体系统中遇到具体接口时再略加说明。遇到具体接口时再略加说明。14.3 微型计算机在开环控制系统中的应用微型计算机在开环控制系统中的应用一般程序控制一般程序控制(或顺序控制或顺序控制)是控制装置发出一系列控是控制装置发出一系列控制命令,使执行机构服从其控制而作出相应的操制命令,使执行机构服从其控制而作出相应的操作。但是执行的效果如何,不返回去与控制命令作。但是执行的效果如何,不返回去与控制命令相核对。这就是只有前馈的信息而无反馈的信息,相核对。这就是只有前馈的信息而无反馈的信息,不能形成一个闭环信息系统,
9、故称为开环系统。不能形成一个闭环信息系统,故称为开环系统。在开环系统中采用微型计算机的优点是可以用软件在开环系统中采用微型计算机的优点是可以用软件方法来改变控制程序。即一旦硬件针对一台机器方法来改变控制程序。即一旦硬件针对一台机器设计好了以后,若要改变工作的程序,只要重编设计好了以后,若要改变工作的程序,只要重编控制程序,一般也只需改编控制程序中的若干条控制程序,一般也只需改编控制程序中的若干条指令即可。指令即可。下面就以交通管理为例简要介绍一下开环控制系统下面就以交通管理为例简要介绍一下开环控制系统的微机控制方法。这里说的交通管理是指十字路的微机控制方法。这里说的交通管理是指十字路口的交通灯
10、控制,这种灯光控制的要求可归结为:口的交通灯控制,这种灯光控制的要求可归结为:(1)纵向纵向(A向向)与横向与横向(B向向)的交通灯定时的交通灯定时60秒交换红秒交换红绿色一次。绿色一次。(2)灯光有灯光有3种颜色:红、黄、绿种颜色:红、黄、绿(图图14.3中的中的R,O,G)。每次交换时要求在黄色灯停留。每次交换时要求在黄色灯停留3秒钟。秒钟。(3)一路在一路在60秒内过车完后超过秒内过车完后超过6秒,无车继续过时,秒,无车继续过时,如另一路有车在等待,则自动提前交换灯色。交换如另一路有车在等待,则自动提前交换灯色。交换过程也得先在黄灯处停留过程也得先在黄灯处停留3秒。秒。(4)在紧急车辆在
11、紧急车辆(如消防车、救护车等如消防车、救护车等)通过时,四边通过时,四边街口均显红灯,以便只许紧急车辆通过。其他车辆街口均显红灯,以便只许紧急车辆通过。其他车辆暂停行驶。紧急车辆过后自动恢复原来的灯色标志。暂停行驶。紧急车辆过后自动恢复原来的灯色标志。还可以提出更多的要求。不过,上述还可以提出更多的要求。不过,上述4点基本要求已点基本要求已足以说明交通灯控制问题对计算机提出的方式是什足以说明交通灯控制问题对计算机提出的方式是什么。这种控制方式具有如下的特点:么。这种控制方式具有如下的特点:(1)这是一个开环控制系统,即无反馈的程序控制。这是一个开环控制系统,即无反馈的程序控制。(2)开关量输入
12、和开关量输出。图开关量输入和开关量输出。图14.3中的车辆检测中的车辆检测传感器传感器(A1,A2及及B1,B2)是光电开关式的,所以送是光电开关式的,所以送入计算机的信息是开关量。计算机控制交通灯的通入计算机的信息是开关量。计算机控制交通灯的通断是通过继电器的,所以也是开关量输出。断是通过继电器的,所以也是开关量输出。图图14.3(3)有有中中断断响响应应功功能能。即即一一路路的的车车辆辆能能够够申申请请另另一一路路中中断断其其绿绿灯灯而而让让其其通通行行。不不过过这这是是有有条条件件的的,即即必必须是被请求的一路已有须是被请求的一路已有6秒钟无车通过,才会响应。秒钟无车通过,才会响应。(4
13、)有有非非屏屏蔽蔽中中断断响响应应功功能能。当当图图14.3中中的的紧紧急急车车辆辆检检测测传传感感器器(J)检检测测到到有有紧紧急急车车辆辆要要通通过过时时,立立即即发发出出紧紧急急中中断断信信号号(也也是是开开关关量量)。这这种种中中断断请请求求不不必必等等到到被被请请求求的的一一路路已已无无车车通通过过,而而是是无无条条件件地地停停止止其其车车辆辆通通过过。这这就就叫叫做做非非屏屏蔽蔽中中断断。这这是是最最高高优优先先级的中断形式。级的中断形式。图图14.4是是这这种种系系统统的的计计算算机机控控制制硬硬件件结结构构示示意意图图。其其中各部分的内容及功能分述如下:中各部分的内容及功能分述
14、如下:图图14.4微型计算机微型计算机这是和图这是和图14.2相似的单板计算机,它相似的单板计算机,它具有下列最基本的组件:具有下列最基本的组件:CPU微处理器。是执行程序,接受输入信号并发微处理器。是执行程序,接受输入信号并发出控制信号的指挥中心。出控制信号的指挥中心。ROM只读存储器。其中存放着协调整个单板机只读存储器。其中存放着协调整个单板机内各个组件之间的运行的监控程序内各个组件之间的运行的监控程序它是由计算它是由计算机厂编制的。机厂编制的。RAM随机存储器。其中的程序是由用户编制的,随机存储器。其中的程序是由用户编制的,故称为用户程序。这个程序是根据交通灯控制的需故称为用户程序。这个
15、程序是根据交通灯控制的需要而由设计者要而由设计者(用户用户)制定的。制定的。LED发光二极管显示器。在编制程序时,此显示发光二极管显示器。在编制程序时,此显示器可帮助程序员观察到存储器中所存的内容是否符器可帮助程序员观察到存储器中所存的内容是否符合所编程序的要求,也可显示控制过程。合所编程序的要求,也可显示控制过程。KB十六进制键盘。用以输入用户程序到十六进制键盘。用以输入用户程序到RAM中中去,也可用以修改程序。去,也可用以修改程序。PIO并行输入并行输入/输出接口。这种接口一般有两个口输出接口。这种接口一般有两个口子,称为子,称为PA口及口及PB口,每个口子有口,每个口子有8个并行引出线个
16、并行引出线作为输入和输出端线。作为输入和输出端线。PA口引出线的编号为口引出线的编号为PA0,PA1,PA2,PA3,PA4,PA5,PA6,PA7。PB口引出线的编号为口引出线的编号为PB0,PB1,PB2,PB3,PB4,PB5,PB6,PB7。PA和和PB可以分别指定为输入或输出,可以分别指定为输入或输出,PA和和PB的各的各条引出线也可以分别指定为输入或输出。条引出线也可以分别指定为输入或输出。因此,这种因此,这种PIO称为可编程序的。称为可编程序的。REL为继电器板。其中有为继电器板。其中有6个继电器以提高个继电器以提高PA的的6条输出线的功率,以便去控制条输出线的功率,以便去控制A
17、向及向及B向的交通灯。向的交通灯。RA,OA,GA为为A向两个街口的交通灯,红、黄、绿向两个街口的交通灯,红、黄、绿3色各有两个灯。色各有两个灯。RB,OB,GB为为B向两个街口的交通灯,也是向两个街口的交通灯,也是3色各有色各有两个灯。两个灯。GB为门电路板。其中装有两个或门,这实际上为门电路板。其中装有两个或门,这实际上是一个门电路组件。其各个与门的输入输出关系为:是一个门电路组件。其各个与门的输入输出关系为:A1+A2AB1+B2BA1及及A2为放在为放在A向两个街口的检测器,只要其中一个向两个街口的检测器,只要其中一个为为1(有车要通过有车要通过),则,则A1,即通知计算机,即通知计算
18、机A向有车向有车要求通过。要求通过。B1与与B2是放在是放在B向两个街口的检测器,其作用和上述向两个街口的检测器,其作用和上述是相同的。是相同的。由图由图14.4可见,可见,PA口的口的PA0,PA1,PA2,PA3,PA4及及PA5是作为输出的,而是作为输出的,而PA6及及PA7是作为输入的。是作为输入的。J是是4个紧急车辆检测器的公共入口。即个紧急车辆检测器的公共入口。即4个控制个控制器的输出端并联一起,接至此处。器的输出端并联一起,接至此处。NM1为为CPU的一的一个非屏蔽中断输入端,低电位个非屏蔽中断输入端,低电位(即在即在J0时时)有效有效(表表示有紧急车辆要通过示有紧急车辆要通过)
19、。通过。通过NM1端而将此信息送端而将此信息送入入CPU,从而使,从而使RAM中正在进行的程序中断,中正在进行的程序中断,而跳转至让紧急车辆通过的中断服务子程序。当车辆而跳转至让紧急车辆通过的中断服务子程序。当车辆过后,过后,J恢复为恢复为1,则经由,则经由PB7的输入线而使程序恢的输入线而使程序恢复到原来的主程序上去。复到原来的主程序上去。这个系统的工作过程是:这个系统的工作过程是:开始时设开始时设A向通行向通行(GA即即A向的绿灯亮向的绿灯亮),B向不通向不通(RB即即B向的红灯亮向的红灯亮)。这样通行。这样通行60秒后自动转为秒后自动转为B向通向通行行(GB绿灯亮绿灯亮)A向不通向不通(
20、RA红灯亮红灯亮)。这是两个方向。这是两个方向都很频繁通车的情况。都很频繁通车的情况。如在如在GA(绿灯绿灯)及及RB(红灯红灯)亮时,亮时,A向并未有车辆通行,向并未有车辆通行,等待等待6秒之后,如秒之后,如B向有车辆在等待通过,则通过向有车辆在等待通过,则通过B1或或B2而使程序跳转,其结果是使灯光自动按次序改而使程序跳转,其结果是使灯光自动按次序改变:变:GA及及RB灭;灭;OA及及OB亮亮(3秒秒);RA及及GB亮,同时亮,同时OA及及OB灭。灭。从此时起从此时起B向车辆可以通行,向车辆可以通行,60秒钟后又自动转为秒钟后又自动转为A向车辆通行的程序。如无论哪个方向正在通行时,向车辆通
21、行的程序。如无论哪个方向正在通行时,突然来了紧急车辆,不论其方向是否与正在通行的突然来了紧急车辆,不论其方向是否与正在通行的方向相同,则通过方向相同,则通过J(J0)至使程序跳转至让紧急车至使程序跳转至让紧急车辆通行的子程序而使辆通行的子程序而使RA及及RB都亮,此时没有黄灯都亮,此时没有黄灯过渡时期,以便禁止一般车辆继续通行。此时子程过渡时期,以便禁止一般车辆继续通行。此时子程序所达到的灯光控制效果为:如本来序所达到的灯光控制效果为:如本来GA是亮的,则是亮的,则GA由亮转灭,然后由亮转灭,然后RA亮。而原来就是亮红灯亮。而原来就是亮红灯(RB)的的B向,其红灯向,其红灯RB仍不变。在仍不变
22、。在A向和向和B向的红灯全亮向的红灯全亮时,紧急车辆可以不受交通灯的管制而可随意通行。时,紧急车辆可以不受交通灯的管制而可随意通行。这个系统的主程序及子程序的设计因所这个系统的主程序及子程序的设计因所用的计算机的型号而不同。作为一般介绍,这里只用的计算机的型号而不同。作为一般介绍,这里只介绍其控制流程图。介绍其控制流程图。根据上述的控制过程的灯色配置,可以将灯色状态归根据上述的控制过程的灯色配置,可以将灯色状态归纳成纳成4个模式个模式(PAD)。根据上面讨论的交通规则要求,可设计出如图根据上面讨论的交通规则要求,可设计出如图14.5的的流程图流程图(即方框图即方框图)。略作解释如下:。略作解释
23、如下:图图14.5程序开始后,即对程序开始后,即对A向向(纵向纵向)进行测试,如进行测试,如A1为真,为真,即即A向有车要求通过,则程序转至向有车要求通过,则程序转至CHK1端而直接端而直接输出灯色模式输出灯色模式ZA。否则输出灯色模式。否则输出灯色模式ZB(CHK2端端)。如如A向及向及B向均无车时,则对向均无车时,则对CHK0及及CHK2进行循环进行循环测试,同时维持原来的某一输出状态不变。在循环测试,同时维持原来的某一输出状态不变。在循环测试过程中,测试某一方向有车,如测试过程中,测试某一方向有车,如A向有车,向有车,A1是真,其控制流程为图中的左半部,则控制过是真,其控制流程为图中的左
24、半部,则控制过程如下:先检查该程如下:先检查该A向原来是否已处于放行状态向原来是否已处于放行状态(PADZA?)。如。如PADZA则在则在A向转为绿灯之前,向转为绿灯之前,必须经黄灯的过渡。所以要用必须经黄灯的过渡。所以要用ZC子程序和子程序和3秒子程秒子程序,然后调用序,然后调用ZA子程序。如果子程序。如果PADZA,则说明,则说明该该A向已处于放行状态,不需经过向已处于放行状态,不需经过ZC这个子程序,这个子程序,而直接由而直接由CHK1处进入输出处进入输出ZA的方框的方框(即即PADZA,而,而且已经是且已经是)并等到并等到60秒子程序进行完毕后再去进行循环秒子程序进行完毕后再去进行循环
25、检查。当检出检查。当检出B1为真,即为真,即B向有车时,其控制流程为向有车时,其控制流程为图图14.5中的右半部,其过程和左半部完全一样。中的右半部,其过程和左半部完全一样。在图在图14.5中的中的60秒子程序方框旁的箭头附注秒子程序方框旁的箭头附注A0(或或B0)的意义是:在的意义是:在A向无车时,就转入进行循环测试。为此,向无车时,就转入进行循环测试。为此,必须每隔若干秒必须每隔若干秒(一般为零点几秒一般为零点几秒)测试一次测试一次A或或B是否是否为为0。如。如A向向(或或B向向)始终有车,则始终有车,则PADZA(或或PADZB),要延续至满,要延续至满60秒再转入循环测试程序。秒再转入
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