《微型计算机控制技术》.ppt
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1、计算机控制技术计算机控制技术 硬件设计硬件设计:输入输出接口与过程通道设计输入输出接口与过程通道设计 接口:接口是计算机与外部设备(部件与部件之间)交接口:接口是计算机与外部设备(部件与部件之间)交换信息的桥梁,它包括输入接口和输出接口。换信息的桥梁,它包括输入接口和输出接口。接口技术:接口技术是研究计算机与外部设备之间如何接口技术:接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。交换信息的技术。过程通道:过程通道是在计算机和生产过程之间设置的过程通道:过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道,它包括模拟量输入通道、模拟信息传送和转换的连接通道,它包括模拟量输入通道
2、、模拟量输出通道、数字量量输出通道、数字量(开关量开关量)输入通道、数字量输入通道、数字量(开关量开关量)输输出通道。出通道。AI/AOAI/AO、DI/DO.DI/DO.第第erer章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术 计算机控制技术计算机控制技术2.1 2.1 总线扩展技术总线扩展技术2.1.1 2.1.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地址分配 1.I/O1.I/O端口及端口及I/OI/O操作操作 (1 1)数据端口)数据端口(data port):CPU(data port):CPU与外设之间数据缓冲。与外设之间数据缓冲。(2 2
3、)状态端口)状态端口(state port):(state port):外设状态,外设状态,ready;busy;ready;busy;errorerror等。等。(3 3)命令端口)命令端口(command port):(command port):命令字、控制字。命令字、控制字。2.I/O2.I/O端口编址方式端口编址方式 (1 1)统一编址)统一编址(M map I/O)(M map I/O):I/OI/O端口与存储单元统一编址。端口与存储单元统一编址。优点指令集无需优点指令集无需I/OI/O指令;缺点地址长、译码复杂,速度慢。指令;缺点地址长、译码复杂,速度慢。(2 2)独立编址)独立
4、编址(I/O map)(I/O map):单独:单独I/OI/O编址,专门编址,专门I/OI/O指令。指令。优点指令长度短,译码简单,速度快;缺点功能不强。优点指令长度短,译码简单,速度快;缺点功能不强。计算机控制技术计算机控制技术2.1.2 I/O2.1.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术1.I/O1.I/O1.I/O1.I/O端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号译码电路不仅与地址信号有关,而且与控制信号有关。译码电路不仅与地址信号有关,而且与控制信号有关。地址与控制信号组合,产生片选和端口选择信号。地址与控制信号组合,产生片选和端口选择信
5、号。ISAISA总线中,使用总线中,使用A0A0A9 A9、IOWIOW、IOR IOR 等信号组合。等信号组合。地址译码方法:地址信号与控制信号组合形成端口地址译码方法:地址信号与控制信号组合形成端口I/OI/O地址。地址。地址高位与控制信号组合形成片选地址;地址高位与控制信号组合形成片选地址;地址低位形成片内寻址。地址低位形成片内寻址。计算机控制技术计算机控制技术2.I/O2.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 (1 1)固定地址译码)固定地址译码译码要求:译码要求:3A0H3A0H3A7H3A7H,选,选3 38 8译码器。译码器。A A0 0A A2 2 信号信
6、号000000111111组合成:组合成:0 07 7。CPUCPU控制总线控制总线AEN=0AEN=0A A9 9 A A8 8 A A7 7 A A6 6 A A5 5 A A4 4 A A3 3 A A2 2 A A1 1 A A0 0 1 11 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 X X X X X X计算机控制技术计算机控制技术 (2 2)开关选择译码)开关选择译码数据比较器数据比较器74LS68874LS688,P P7 7P P0 0等于等于Q Q7 7Q Q0 0时,输出端低电平时,输出端低电平(有效),(有效),P P7 7P P0 0接地址线,接地址线,Q Q7 7
7、Q Q0 0接逻辑选择开关。接逻辑选择开关。地址线地址线A A1515A A1010 和和A A9 9A A4 4确定板卡基地址,确定板卡基地址,A A3 3A A1 1确定卡内端口确定卡内端口地址基地址,如地址基地址,如Q Q7 7Q Q0 0接地,则有效地址:接地,则有效地址:A A9 9 A A8 8 A A7 7 A A6 6 A A5 5 A A4 4 A A3 3 A A2 2 A A1 1 A A0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 X X X X(NA)X X X X(NA)板卡地址:板卡地址:03ExH03ExHA A3 3 A A2 2 A A1 1 A
8、A0 0 端口地址端口地址 0 0 0 X(NA)03E0H Y0 0 0 X(NA)03E0H Y0 0 0 0 1 X 03E2H Y0 0 1 X 03E2H Y1 11 1 1 X 03EEH Y1 1 1 X 03EEH Y7 7计算机控制技术计算机控制技术2.1.3 2.1.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展1.1.板选译码与板内译码板选译码与板内译码2.2.总线驱动及逻辑控制总线驱动及逻辑控制3.3.端口及其读写控制端口及其读写控制计算机控制技术计算机控制技术2.2 2.2 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.2.1 2.2.1 数字量输入输
9、出接口技术数字量输入输出接口技术 1.1.数字量输入接口数字量输入接口 2.2.数字量输出接口数字量输出接口 汇编:汇编:MOV DX,220H MOV AL,8FHMOV DX,220H MOV AL,8FH IN AL,DX MOV DX,221H IN AL,DX MOV DX,221H OUT DX,AL OUT DX,ALC C语言:语言:a=inportb(0 x220)outportb(0 x221,0 x8f)a=inportb(0 x220)outportb(0 x221,0 x8f)计算机控制技术计算机控制技术2.2.2 2.2.2 数字量输入通道数字量输入通道1.1.数字
10、量输入通道的结构数字量输入通道的结构2.2.2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电路 (1)(1)(1)(1)小功率输入调理电路小功率输入调理电路小功率输入调理电路小功率输入调理电路 目的:把开关目的:把开关S S的状态转化成二进制状态。的状态转化成二进制状态。原理:闭合原理:闭合S S时,时,C C放电,反相器反相为放电,反相器反相为1 1;断开断开S S时,时,C C充电,反相器反相为充电,反相器反相为0 0。问题:利用什么原理消除了抖动?问题:利用什么原理消除了抖动?问题:利用什么原理消除了抖动?问题:利用什么原理消除了抖动?RSRS触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开
11、关两次反跳电路 原理:原理:当当S S在上时,输出上为在上时,输出上为1 1,下为,下为0 0。当当S S按下时,因为键的机械特性,使按下时,因为键的机械特性,使按键因抖动而产生瞬间不闭合,造成按键因抖动而产生瞬间不闭合,造成R-SR-S触触发器输入为双发器输入为双1 1,故状态不改变。,故状态不改变。计算机控制技术计算机控制技术2.2.2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理电路 (2)(2)(2)(2)大功率输入调理电路大功率输入调理电路大功率输入调理电路大功率输入调理电路当当从从电电磁磁离离合合等等大大功功率率器器件件的的接接点点输输入入信信号号时时,为为了了使使接接点点工工
12、作作可可靠靠,接接点点两两端端至至少少要要加加24V24V以以上上的的直直流流电电压压(因因为为直直流流电电平平的的响响应应快快,不不易易产产生生干干扰扰)。但但是是这这种种电电路路,由由于于所所带带电电压压高高,所所以以高高压压与与低低压压之之间间,用用光光电电耦耦合合器器进进行行隔离。隔离。“光光电电隔隔离离”:通通常常使使用用一一个个光光耦耦将将电电子子信信号号转转换换为为光光信信号号,在在另另一一边边再再将将光信号转换回电子信号。如此,这两个电路就可以互相的隔离。光信号转换回电子信号。如此,这两个电路就可以互相的隔离。原理:当原理:当S S 闭合时,光电二极管导通,发光使晶体管导通,经
13、反相闭合时,光电二极管导通,发光使晶体管导通,经反相器反相为器反相为1 1。当当S S断开时,光电二极管不导通,晶体管不导通,经反相器反相断开时,光电二极管不导通,晶体管不导通,经反相器反相输出为输出为0 0。其中,用其中,用R1R2R1R2进行分压,进行分压,c1c1进行滤波。进行滤波。计算机控制技术计算机控制技术2.2.3 2.2.3 数字量输出通道数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构2.2.输出驱动电路输出驱动电路 (1)(1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路数字量输出通道主要由输出锁存器、输出数字量
14、输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成驱动电路、输出口地址译码电路等组成 。数字量输出通道中,关键是数字量输出通道中,关键是驱动驱动,因为从锁存,因为从锁存器中出来的是器中出来的是TTL电平,驱动能力有限,所以电平,驱动能力有限,所以要加上驱动电路。要加上驱动电路。继电器包括线圈和触点。继电器包括线圈和触点。因负载呈因负载呈电感性电感性,所,所以输出必须加装以输出必须加装克服反电势克服反电势的的保护二极管保护二极管D,J为继电器的线圈。为继电器的线圈。VD的作用为的作用为续流续流作用,通过作用,通过VD放掉放掉J上所带上所带的电荷,防止的电荷,防止反向击穿反向击穿。R
15、的作用是限流电阻。的作用是限流电阻。作用过程:当作用过程:当TTL电平为电平为1时,晶体管截止,时,晶体管截止,J不吸合不吸合;当当TTL电平为电平为0时,晶体管导通,时,晶体管导通,J吸合吸合 计算机控制技术计算机控制技术(1)(1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路MC1416达林顿晶体管达林顿晶体管DTDT(Dar1ington TransistorDar1ington Transistor)亦称)亦称复合晶体管复合晶体管。它采用复。它采用复合过接方式,将两只或更多只晶体管的合过接方式,将两只或更多只晶体管的集电极连在一起集电极
16、连在一起,而将第一只晶体,而将第一只晶体管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极,依次级连而成,最后引出管的发射极直接耦合到第二只晶体管的基极,依次级连而成,最后引出E E、B B、C C三个电极。三个电极。计算机控制技术计算机控制技术2.2.2.2.输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (2)(2)(2)(2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路 固态继电器(固态继电器(固态继电器(固态继电器(SSRSSRSSRSSR)SSRSSR是一种无触点通断电子开关,是一种有源器件,其中两个端子为输入控制端,是一种无触点通断电子开关,是一种有源器件,其中两
17、个端子为输入控制端,另外两个为输出受控端,为实现输入与输出之间的电气隔离,器件中采用了高另外两个为输出受控端,为实现输入与输出之间的电气隔离,器件中采用了高耐压的专用光电耦合器。耐压的专用光电耦合器。SSRSSR作交流开关,相当于有一个触点,左边是作交流开关,相当于有一个触点,左边是TTLTTL电平,在电平,在05V05V之间:当之间:当TTLTTL电电平为高时,触点闭合;当平为高时,触点闭合;当TTLTTL电平为低时,触点断开。当用计算机来控制电磁电平为低时,触点断开。当用计算机来控制电磁阀时,用固态继电器。阀时,用固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号,减少干扰。零交叉电路在交流
18、电过零时产生触发信号,减少干扰。计算机控制技术计算机控制技术2.2.4 2.2.4 数字(开关)量输入数字(开关)量输入/输出通道模板举例输出通道模板举例研华研华PCL-730PCL-730板卡组成框图板卡组成框图A0-A9A0-A9地址总线;地址总线;D0-D7D0-D7数据总线;数据总线;IOWIOW、IORIOR构成读写控制。构成读写控制。RESETRESET复位。复位。IDI0-IDI15IDI0-IDI15构成构成1616路开关量输入,路开关量输入,IDO0-IDO15IDO0-IDO15构成构成1616路开关量输出。路开关量输出。计算机控制技术计算机控制技术程序设计举例程序设计举例
19、(基地址设为基地址设为220H)220H):PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下:语言程序如下:outportb(0 x220outportb(0 x220,Ox55)Ox55);/奇数通道输出低电平,低奇数通道输出低电平,低8 8位。位。outportb(Ox221outportb(Ox221,0 x55)0 x55);/奇数通道输出低电平,高奇数通道输出低电平,高8 8位。位。inportb(Ox220)inportb(Ox220);/输入通道输入通道0707的电平状态。的电平状态。
20、inportb(Ox221)inportb(Ox221);/输入通道输入通道815815的电平状态。的电平状态。汇编语言程序如下:汇编语言程序如下:MOV DXMOV DX,220H220HMOV ALMOV AL,55H55HOUT DXOUT DX,ALALMOV DXMOV DX,221H221H OUT DXOUT DX,ALALMOV DXMOV DX,220H220HIN ALIN AL,DX DX MOV AHMOV AH,ALALMOV DXMOV DX,221H221HIN ALIN AL,DXDX计算机控制技术计算机控制技术2.3 2.3 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入
21、接口与过程通道2.3.1 2.3.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成模模拟拟量量输输入入通通道道的的任任务务是是把把模模拟拟信信号号,变变成成二二进进制制数数字字信信号号,经经接接口口送送往计算机。往计算机。传传感感器器是是将将工工艺艺参参数数转转换换为为电电参参数数的的装装置置,大大多多数数传传感感器器的的输输出出是是直直流电压流电压(或电流或电流)信号。信号。为为了了避避免免低低电电平平模模拟拟信信号号传传输输带带来来的的麻麻烦烦,经经常常要要将将测测量量元元件件的的输输出出信信号号经经变变送送器器变变送送,如如温温度度变变送送器器、压压力力变变送送器器、流流量量变变送送器器等等
22、,将将温温度度、压压力力、流流量量的的电电信信号号变变成成0 010mA10mA或或4 420mA20mA的的统统一一信信号号,然然后后经过模拟量输入通道来处理。经过模拟量输入通道来处理。计算机控制技术计算机控制技术2.3.2 2.3.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换1.1.信号调理电路信号调理电路 信号调理电路:信号调理电路:主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法,将非电量和非标准的电信滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法,将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。号转换成标准的电信号。(1 1)非电信号
23、的检测)非电信号的检测不平衡电桥不平衡电桥热敏电阻三线制接线图热敏电阻测量电桥电路计算机控制技术计算机控制技术(2 2)信号放大电路)信号放大电路 1)1)基于基于ILC7650ILC7650的前置放大电路的前置放大电路ILC7650的前置放大电路第一级差分放大电路第一级差分放大电路 ,输入电流,输入电流3535A,输入电阻输入电阻1012,输出输出电压:电压:-4.85+4.95V,K=1500。第二级跟随器。第二级跟随器。计算机控制技术计算机控制技术2 2)AD526AD526可编程仪用放大器可编程仪用放大器 AD526 AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器,是可通过
24、软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器,器件本身所提供的增益是器件本身所提供的增益是xlxl、x2x2、x4x4、x8x8、x16x16等五挡。等五挡。AD526AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。(可以在透明与锁存两种模式下工作。(P36P36表表2-22-2状态表)状态表)透明模式是透明模式是1313脚脚CLKCLK端接地。端接地。锁存模式是锁存模式是CLKCLK内逻辑信号提供。内逻辑信号提供。计算机控制技术计算机控制技术2.I/V2.I/V变换变换变送器输出的信号为变送器输出的信号为0 010mA10mA或或4 420mA20mA的统一信号,需要经过的统一信号,需要经过I/VI/
25、V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表,变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表,DDZ-DDZ-型的输出信号标准为型的输出信号标准为0 010mA,10mA,而而DDZDDZ型和型和DDZSDDZS系列的输出系列的输出信号标准为信号标准为4 420mA20mA。(1 1)无源)无源I/VI/V变换变换问题:为什么我们经常用到的标准信号是电流信号?问题:为什么我们经常用到的标准信号是电流信号?I/VI/V变换的基本思想:电流变换的基本思想:电流 变换电路中各部分的作用:变换电路中各部分的作用:R1:R1:限流电阻限流电阻 VD:VD:将电压钳制在将电压钳制在5V+0.3V5
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