1、1,第四章 微機控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計,第一節(jié) 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡 第二節(jié) 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 第三節(jié) 微機控制系統(tǒng)的構(gòu)成與種類 第四節(jié) 微機控制系統(tǒng)的軟件與程序設(shè)計語言 第五節(jié) 微機應(yīng)用領(lǐng)域及其選用要點 第六節(jié) 8086/8088CPU的硬件結(jié)構(gòu)特點 第七節(jié) Z80CPU的硬件結(jié)構(gòu)特點、存儲器及輸入輸出擴(kuò)展接口 第八節(jié) 單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點及其最小應(yīng)用系統(tǒng) 第九節(jié) 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路 第十節(jié) 微機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出控制的可靠性設(shè)計 第十一節(jié) 可編程邏輯控制器(PLC)的構(gòu)成及應(yīng)用舉例 習(xí)題與思考題,2,不同產(chǎn)品所需要的控制功能、控制形式和動作控制方式也不盡相同。

2、控制系統(tǒng)的設(shè)計是綜合運用各種知識的過程。由于采用微機作為機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器，因此，其控制系統(tǒng)的設(shè)計就是選用微機、設(shè)計接口、控制形式和動作控制方式的問題。這不僅需要微機控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計等方面的知識，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識。通常由機電一體化系統(tǒng)設(shè)計人員首先提出總的設(shè)計要求，然后由各專業(yè)人員通力協(xié)作。,第一節(jié) 專用與通用的抉擇、 硬件與軟件的權(quán)衡,3,專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。在開發(fā)新產(chǎn)品時，如果要求具有機械與電子有機結(jié)合的緊湊結(jié)構(gòu)，也只有專用控制系統(tǒng)才能做到。專用控制系統(tǒng)的設(shè)計問題，實際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐C芯片來組成控制系統(tǒng)，以便與執(zhí)行元件和檢

3、測傳感器相匹配，或重新設(shè)計制作專用集成電路，把整個控制系統(tǒng)集成在一塊或幾塊芯片上。 對于多品種、中小批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品來說，由于還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要是合理選擇主控制微機機型，設(shè)計與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口，并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件的問題。這實質(zhì)上就是通過接口設(shè)計和軟件編制來使通用微機專用化的問題。,1. 專用與通用的抉擇,4,2.硬件與軟件的權(quán)衡 無論是采用通用控制系統(tǒng)還是專用控制系統(tǒng)，都存在硬件和軟件的權(quán)衡問題。有些功能，例如運算與判斷處理等，卻適宜用軟件來實現(xiàn)。而在其余大多數(shù)情況下，對于

4、某種功能來說，既可用硬件來實現(xiàn)，又可用軟件來實現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。在用分立元件組成硬件的情況下，就可以考慮是否采用軟件，能采用通用的LSI芯片來組成所需的電路的情況下，則最好采用硬件。這是因為與采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并且易于修改，所以采用軟件更為可靠。而在利用LSI芯片組成電路時，不僅價廉，而且可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利。,5,第二節(jié) 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路,1確定系統(tǒng)整體控制方案 首先應(yīng)了解被控對象的控制要求，構(gòu)思微機控制系統(tǒng)的整體方案。通常，先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，

5、當(dāng)采用閉環(huán)控制時，應(yīng)考慮采用何種檢測傳感元件，檢測精度要求如何。其次考慮執(zhí)行元件采用何種方式，是電動、氣動還是液動，比較其方案的優(yōu)缺點，擇優(yōu)而選。第三要考慮是否有特殊控制要求，對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取哪些措施。第四是考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。最后應(yīng)初步估算其成本。通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附以說明，以此作為下一步設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。,6,2確定控制算法,對任何一個具體微機控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合或設(shè)計，首先應(yīng)建立該系統(tǒng)的

6、數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法。所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它反映了系統(tǒng)輸入內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系。這些關(guān)系式為計算機進(jìn)行運算處理提供了依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法。所謂計算機控制，就是按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。,7,每個控制系統(tǒng)都有一個特定的控制規(guī)律，因此，每個控制系統(tǒng)都有一套與此控制規(guī)律相對應(yīng)的控制算法。由于控制系統(tǒng)種類繁多，控制算法也是很多的，隨著控制理論和計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制算法更是越來越多。例如，機床控制中常使用的逐點比較法的控制算法和數(shù)字積分法的控制算法；直接數(shù)字控制系統(tǒng)中常用

7、的PID調(diào)節(jié)的控制算法；位置數(shù)字伺服系統(tǒng)中常用的實現(xiàn)最少拍控制的控制算法；另外，還有各種最優(yōu)控制的控制算法、隨機控制和自適應(yīng)控制的控制算法。在系統(tǒng)設(shè)計時，按所設(shè)計的具體控制對象和不同的控制性能指標(biāo)要求，以及所選用的微機的處理能力選定一種控制算法。在選擇控制算法時，應(yīng)注意控制算法對系統(tǒng)的性能指標(biāo)有直接影響，因此，應(yīng)考慮所選定的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,就是說，應(yīng)根據(jù)不同的控制對象、不同的控制指標(biāo)要求選擇不同的控制算法。,8,當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時，控制算法也比較復(fù)雜，整個控制系統(tǒng)的實現(xiàn)就比較困難，為設(shè)計、調(diào)試方便，可將控制算法作某些合理的簡化，忽略某些因素的影響(如非線性

8、、小延時、小慣性等)，在取得初步控制成果后，再逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。,9,3選擇微型計算機,對于給定的任務(wù)，選擇微機的方案不是唯一的，從控制的角度出發(fā)，微機應(yīng)能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的I/O通道和實時時鐘等要求。,10,（1） 較完善的中斷系統(tǒng) 微型計算機控制系統(tǒng)必須具有實時控制性能。 實時控制包含兩個意思： 一是系統(tǒng)正常運行時的實時控制能力； 二是在發(fā)生故障時緊急處理的能力。,11,（2） 足夠的存儲容量 由于微型計算機內(nèi)存容量有限，當(dāng)內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，有時還應(yīng)配備適當(dāng)?shù)耐獯鎯ζ鳎鐔伟鍣C通常都配盒式磁帶機，用于在調(diào)試階

9、段暫存程序和數(shù)據(jù)。單板機可配備28KB以上的只讀存儲器，監(jiān)控程序及調(diào)試成功的應(yīng)用程序都寫入只讀存儲器，實現(xiàn)軟件固化。,12,（3） 完備的輸入輸出通道 和實時時鐘 輸入輸出通道是外部過程和主機交換信息的通道。根據(jù)控制系統(tǒng)不同，有的要求有開關(guān)量輸入輸出通道，有的要求有模擬量輸入輸出通道，有的則同時要求有開關(guān)量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道。對于需要實現(xiàn)外部設(shè)備和內(nèi)存之間快速、批量交換信息的，還應(yīng)有直接數(shù)據(jù)通道。,13,選擇微型計算機除應(yīng)滿足上述幾點要求外，從不同的被控制對象角度而言，還應(yīng)考慮幾個特殊要求:,1)字長 微處理器的字長定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長直接影響數(shù)據(jù)的精度、尋址的能力、指

10、令的數(shù)目和執(zhí)行操作的時間。,14,2）速度 速度的選擇與字長的選擇可一并考慮。對于同一算法、同一精度要求，當(dāng)機器的字長短時，就要采用多字節(jié)運算，完成計算和控制的時間就會增長。為保證實時控制，就必須選用執(zhí)行速度快的機器。同理，當(dāng)機器的字長足夠保證精度要求時，不必用多字節(jié)運算，完成計算和控制的時間就短，可選用執(zhí)行速度較慢的機器。,15,3)指令 一般說來，指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令就多，這樣會使程序量減少，處理速度加快。對于控制系統(tǒng)來說，尤其要求較豐富的邏輯判斷指令和外圍設(shè)備控制指令，通常8位微處理器都具有足夠的指令種類和數(shù)量，一般能夠滿足控制要求。,16,選擇微機時，還應(yīng)考慮成本高低、程序

11、編制難易 以及擴(kuò)充輸入輸出接口是否方便等因素，從而確定 是選用單片機、單板機，還是選用微型計算機系統(tǒng)。 單片機:價格低、體積小,但需要開發(fā)系統(tǒng)對其軟硬件進(jìn)行開發(fā)。 單板機:價格較低、體積較小，但內(nèi)存容量較小，接口電路少 微型計算機系統(tǒng):微型計算機系統(tǒng)有豐富的系統(tǒng)軟件，可用 高級語言、匯編語言編程，程序編制和調(diào)試都很方便。 但成本較高，當(dāng)用來控制一個小系統(tǒng)時，往往不能充 分利用系統(tǒng)機的全部功能，抗干擾能力差。,17,4）系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計主要是對系統(tǒng)控制方案進(jìn)行具體實施步驟的設(shè)計，其主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設(shè)計要求及所選用的微機類型。通過設(shè)計要畫出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。 一個正在運

12、行的完整的微型計算機控制系統(tǒng)，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時地、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時進(jìn)行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。設(shè)計中主要考慮硬件與軟件功能的分配與協(xié)調(diào)、接口設(shè)計、通道設(shè)計、操作控制臺設(shè)計、可靠性設(shè)計等問題。其中硬件與軟件功能的分配與協(xié)調(diào)要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行權(quán)衡，可靠性問題主要是制定可靠性設(shè)計方案，采取可行的可靠性措施。,18, 接口設(shè)計 接口設(shè)計包括兩個方面的內(nèi)容： 一是擴(kuò)展接口； 二是安排通過各接口電路輸入輸出端的輸入輸出信號，選定各信號輸入輸出時采用何種控制方式

13、。如果要采用程序中斷方式，就要考慮中斷申請輸入、中斷優(yōu)先級排隊等問題。若要采用直接存儲器存取方式，則要增加直接存儲器存取(DMA)控制器作為輔助電路加到接口上。,19, 通道設(shè)計 輸入輸出通道是計算機與被控對象相互交換信息的部件。每個控制系統(tǒng)都要有輸入輸出通道。一個系統(tǒng)中可能要有開關(guān)量的輸入輸出通道、數(shù)字量的輸入輸出通道或模擬量的輸入輸出通道。在總體設(shè)計中就應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么通道，每個通道由幾部分組成，各部分選用什么樣元器件等。,20,開關(guān)量、數(shù)字量的輸入輸出比較簡單。開關(guān)量輸入要解決電平轉(zhuǎn)換、去抖動及抗干擾等問題。開關(guān)量輸出要解決功率驅(qū)動問題等。開關(guān)量和數(shù)字量的輸入輸出都要通過前面設(shè)計的

14、接口電路。 模擬量輸入輸出通道比較復(fù)雜。模擬量輸入通道主要由信號處理裝置(標(biāo)度變換、濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換、線性化處理等)、采樣單元、采樣保持器和放大器、AD轉(zhuǎn)換器等組成。模擬量輸出通道主要由DA轉(zhuǎn)換器、放大器等組成。,21, 操作控制臺設(shè)計 微型計算機控制系統(tǒng)必須便于人機聯(lián)系。通常都要設(shè)計一個現(xiàn)場操作人員使用的控制臺，這個控制臺一般都不能用微機所帶的鍵盤代替，因為現(xiàn)場操作人員不了解計算機的硬件和軟件，假若操作失誤可能發(fā)生事故，所以一般要單獨設(shè)計一個操作員控制臺。,22,5） 軟件設(shè)計 微機控制系統(tǒng)的軟件主要分兩大類，即系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，

15、通常這些軟件一般不需用戶設(shè)計，對用戶來說，基本上只須了解其大致原理和使用方法就行了。而應(yīng)用軟件都要由用戶自行編寫，所以軟件設(shè)計主要是應(yīng)用軟件設(shè)計。,23,應(yīng)用軟件的設(shè)計方法有兩種，即 模塊化程序 結(jié)構(gòu)化程序 程序模塊化設(shè)計方法 在進(jìn)行軟件設(shè)計時，通常把整個程序分成若干部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是能完成一定功能、相對獨立的程序段。這種程序設(shè)計方法就叫做模塊程序設(shè)計法。,24, 程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，給程序設(shè)計施加了一定的約束，它限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類型和操作順序，因此能編寫出操作順序分明、便于查找錯誤和糾正錯誤的程序常用的結(jié)構(gòu)有直線順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)

16、結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)。其特點是程序本身易于用程序框圖描述，易于構(gòu)成模塊，操作順序易于跟蹤，便于查找錯誤和測試。,25, 系統(tǒng)調(diào)試 微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成以后，要對整個系統(tǒng)進(jìn)行 調(diào)試。 調(diào)試步驟為硬件調(diào)試 軟件調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試。 硬件調(diào)試包括對元器件的篩選及老化、印制電路板制作、元器件的焊接及試驗，安裝完畢后要經(jīng)過連續(xù)考機運行；軟件調(diào)試主要是指在微機上把各模塊分別進(jìn)行調(diào)試，使其正確無誤，然后固化在EPROM中；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要是指把硬件與軟件組合起來，進(jìn)行模擬實驗，正確無誤后進(jìn)行現(xiàn)場試驗，直至正常運行為止。,26,第三節(jié)微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成及種類,1微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成 人們常用“微機”這個術(shù)語。該術(shù)語是三個

17、概念的統(tǒng)稱，即微處理機(微處理器)、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的統(tǒng)稱。 微處理機(Microprocessor)簡稱CPU。它是一個大規(guī)模集成電路(LSI)器件或超大規(guī)模集成電路(VLSI)器件，器件中有數(shù)據(jù)通道、多個寄存器、控制邏輯和運算邏輯部件，有的器件還含有時鐘電路，為器件的工作提供定時信號。控制邏輯可以是組合邏輯，也可以是微程序的存儲邏輯，可以執(zhí)行機器語言描述的系統(tǒng)指令，是完成計算機對信息的處理與控制等的中央處理功能的器件，并非是完整的計算機。,27,微型計算機(Microcomputer)簡稱MC。它是以微處理機(CPU)為中心，加上只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、輸

18、入輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其他支持邏輯電路組成的計算機。 上述微處理機、微型計算機都是從硬件角度定義的，而計算機的使用離不開軟件支持。一般將配有系統(tǒng)軟件、外圍設(shè)備、系統(tǒng)總線接口的微型計算機稱為微型計算機系統(tǒng)(Microcomputer system)，簡稱MCS。,28,CPU、MC與MCS的關(guān)系,29,微型計算機的基本硬件構(gòu)成,一般由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線相連；主存儲器又叫內(nèi)部存儲器，目前這些存儲器均是大規(guī)模集成電路(LSI)，主要有RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory），通常ROM存儲固定程序和數(shù)據(jù)，而輸入輸出數(shù)據(jù)和作業(yè)領(lǐng)域的數(shù)

19、據(jù)由RAM存儲。輸入輸出裝置主要執(zhí)行數(shù)據(jù)和程序的輸入輸出，以及用于控制時輸入檢測傳感元件的信息和輸出控制執(zhí)行元件的信息。輔助存儲裝置可作為存儲器使用；操作面板或鍵盤也屬于輸入裝置，如下圖所示。,30,微機的基本構(gòu)成,31,2微型計算機的種類,(1)按組裝形式分類 按組裝形式可將微型計算機分為單片機、單板機和微機系統(tǒng)等。 1)單片機（如下圖所示） 在一塊集成電路芯片(LSI)上裝有CPU、ROM、RAM以及輸入輸出端口電路，該芯片就稱為單片微型計算機(SCM-Single Chip Microcomputer)簡稱單片機。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96列等。,32,單片機的設(shè)

20、計充分考慮了機械的控制需要，它獨有的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和輸入輸出(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又稱為微控制器(Microcontroller)。同時，它與通用微處理器一樣，具有很強的運算功能，因而它不但是一種高效能的過程控制機，同時也是有效的數(shù)據(jù)處理機。隨著單片機性能的提高和功能的增強，使單片機的應(yīng)用打破了原來認(rèn)為只能用于簡單的小系統(tǒng)的概念。目前，單片機已廣泛應(yīng)用于家用電器、機電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動化產(chǎn)品、機器人等的機電一體化。上至航天器、下至兒童玩具，均是單片機的應(yīng)用領(lǐng)域。,33,2)單板機（如下圖所示） 將微型計算機的基本體系CPU、一定容量的ROM和RAM、輸入輸出端口(

21、I/O電路)以及一些輔助電路分別做成LSI芯片，并將它們配置在一塊印制電路板上，用電纜線和外部設(shè)備直接連接起來，這樣的計算機叫做單板微型計算機，簡稱單板機。例如TP801是以8位微處理器(如Z80)為核心組裝的8位單板機，SDK-86是以16位微處理器（Intel8086/8088)為中央處理器組裝的16位單板機。,34,在單板機的印制電路板上裝有一個十六進(jìn)制的小鍵盤和數(shù)字顯示器,可完成一些簡單的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。用單板機實現(xiàn)機電產(chǎn)品的機電一體化成本低，在機械設(shè)備的簡易數(shù)控、檢測設(shè)備、工業(yè)機器人的控制等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。,35,根據(jù)需要，將微型計算機、ROM、RAM、I/O接口電路、電源等

22、組裝在不同的印制電路板上，然后組裝在一個機箱內(nèi)，再配上鍵盤、CRT顯示器、打印機、硬盤和軟盤驅(qū)動器等多種外圍設(shè)備和足夠的系統(tǒng)軟件,就構(gòu)成了一個完整的微機系統(tǒng)。如國內(nèi)使用的IBM-PC(如：P、P 、P等)；CROMEMCO公司的System、等都是多板微型計算機系統(tǒng)。,3) 微型計算機系統(tǒng),36,37,38,按微處理機位數(shù)可將微型計算機分為位片、4位、8位、16位、32位和64位等機種。所謂位數(shù)是指微處理機并行處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即可同時傳送數(shù)據(jù)的總線寬度。 4位機目前多做成單片機。即把微處理機、12KB的ROM、64128KB的RAM、I/O接口做在一個芯片上，主要用于單機控制、儀器儀表、家用電

23、器、游戲機等中。 8位機有單片和多片之分，主要用于控制和計算。 16位機功能更強、性能更好，用于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng),可以使小型 機微型化。 32位和64位機是比小型機更有競爭力的產(chǎn)品。人們把這些產(chǎn)品稱為 超級微機。它具有面向高級語言的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有支持高級調(diào)度、調(diào)試以及 開發(fā)系統(tǒng)用的專用指令，大大提高了軟件的生產(chǎn)效率。,(2)按微處理機位數(shù)分類,39,按用途分類可以將微型計算機分為控制用和數(shù)據(jù)處理用微型計算機。對單片機來說：可分為通用型和專用型。 通用型單片機，即通常所說的各種系列的單片機。它可把開發(fā)的資源(如ROM、I/O接口等)全部提供給用戶，用戶可根據(jù)自己應(yīng)用上的需要來設(shè)計接口和編制程序，

24、因此通用型單片機可作為系統(tǒng)或產(chǎn)品的微控制器，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。 專用單片機或稱專用微控制器，是專門為某一應(yīng)用領(lǐng)域或某一特定產(chǎn)品而開發(fā)的一類單片機。為滿足某一領(lǐng)域應(yīng)用的特殊要求而開發(fā)的單片機，其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或指令系統(tǒng)都是特殊設(shè)計(甚至內(nèi)部已固化好程序)。,(3)按用途分類,40,第四節(jié) 微機軟件與程序設(shè)計語言,軟件是比程序意義更廣的一個概念，內(nèi)含極其豐富。 1)程序設(shè)計語言 程序設(shè)計語言是編寫計算機程序所使用的語言，是人機對話的工具。目前使用的程序設(shè)計語言大致有三大類，即“機器語言”(Machine Language)、“匯編語言”(Assembly Language)、“高級語言”(High

25、 Level Language)。 2)操作系統(tǒng) 所謂操作系統(tǒng)(OS-Operating System)，就是計算機系統(tǒng)的管理程序庫。它是用于提高計算機利用率、方便用戶使用計算機及提高計算機響應(yīng)速度而配備的一種軟件 。操作系統(tǒng)可以看成是用戶與計算機的接口，用戶通過它而使用計算機。它屬于在數(shù)據(jù)處理監(jiān)控程序控制之下工作的一組基本程序，或者是用于計算機管理程序操作及處理操作的一組服務(wù)程序集合。 3)程序庫 計算機的可用程序和子程序的集合就是程序庫(或軟件包)。目前，微型計算機積累的程序非常豐富，而且可以通用。而在機械控制領(lǐng)域，由于被控對象(產(chǎn)品)的特殊性較強，其程序庫的形成較難。但是，隨著微型計算機

26、的普及與應(yīng)用，其應(yīng)用程序?qū)⒉粩嘭S富，也將會形成各式各樣的程序庫。,41,第五節(jié) 微機的應(yīng)用領(lǐng)域及選用要點,微型計算機的基本特點是小型化、超小型化，具有一般計算機的信息處理、計測、控制和記憶功能，價格低廉，且可靠性高、耗電少，故用微機構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)具有以下效果：小型化-應(yīng)用LSI技術(shù)減少了元件數(shù)量，簡化了裝配，縮小了體積；多功能化-利用了微機以信息處理能力、控制能力為代表的智能；通用性增大-容易用軟件更改和擴(kuò)展設(shè)計；提高了可靠性-用LSI技術(shù)減少了元器件、焊點及接續(xù)點數(shù)量，增加了用軟件進(jìn)行檢測的功能；提高了設(shè)計效率-將硬件標(biāo)準(zhǔn)化用軟件適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格的變化，能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；經(jīng)濟(jì)

27、效果好-降低了零件費、裝配成本、電源能耗，通過硬件標(biāo)準(zhǔn)化易于實現(xiàn)大量生產(chǎn)；進(jìn)一步降低成本；產(chǎn)品(或系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)化-硬件易于標(biāo)準(zhǔn)化；提高了維修保養(yǎng)性能-產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化使維修保養(yǎng)人員易于掌握維修保養(yǎng)規(guī)則，易于運用故障自診斷功能。,42,1. 應(yīng)用領(lǐng)域 微機的應(yīng)用范圍十分廣泛，下面僅列舉一些典型應(yīng)用領(lǐng)域。 （1）工業(yè)控制和機電產(chǎn)品的機電一體化。 （2）交通與能源設(shè)備的機電一體化。 （3）家用電器的機電一體化。 （4）商用產(chǎn)品機電一體化。 （5）儀器、儀表機電一體化。 （6）辦公自動化設(shè)備的機電一體化。 （7）信息處理自動化設(shè)備。 （8）導(dǎo)航與控制。,43,2. 選用要點 不同領(lǐng)域可選用不同品種、不同檔次

28、的微機。生產(chǎn)系統(tǒng)自動化、機床自動化、數(shù)控機床一般應(yīng)用8位或16位微機系統(tǒng)，特別是控制系統(tǒng)與被控對象分離時，可使用單板機、多板機微機系統(tǒng)。像家用電器、商用產(chǎn)品，計算機一般裝在產(chǎn)品內(nèi)，故應(yīng)采用單片機或微處理器。然而，這類產(chǎn)品處理速度不高、處理數(shù)據(jù)量不大、處理過程又不太復(fù)雜，故主要采用4位或8位微機。 在要求很高的實時控制及復(fù)雜的過程控制、高速運算及大量數(shù)據(jù)處理等場合，如智能機器人、導(dǎo)航系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)應(yīng)主要使用16位與32位微機。對一般的工業(yè)控制設(shè)備及機電產(chǎn)品、汽車機電一體化控制、智能儀表、計算機外設(shè)控制、磅秤自動化、交通與能源管理等，多采用8位機。換句話說，4位機常用于較簡單、規(guī)模較小的系統(tǒng)(

29、或產(chǎn)品)，16位與32位機及64位機主要用于較復(fù)雜的大系統(tǒng)，8位機則用于中等規(guī)模的系統(tǒng)。由于單片機的迅速發(fā)展，它的功能更強，性能更完善，逐漸滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的要求，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不但用于簡單小系統(tǒng)，而且不斷被復(fù)雜大系統(tǒng)所采用。,44,第六節(jié) 8086/8088微機的硬件結(jié)構(gòu)特點,在PC系列微機中，應(yīng)用較廣泛的是Intel公司的86系列。而8086/8088是Intel系列的16位/準(zhǔn)16位微機是86系列微機（包括Pentium和PentiumPro高性能奔騰）發(fā)展的基礎(chǔ)。8086與8088的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，都由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器、專用和通用寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、定時器控制電

30、路等組成。,一、8086/8088CPU的主要結(jié)構(gòu)特點 （1） 8086/8088的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部的運算器、寄存器及內(nèi)部數(shù)據(jù)總線都為16位，其外部數(shù)據(jù)總線則不同：8086為16位、8088為8位。因此，8086可以一次從存儲器中讀一個字，而8088一次只能從存儲器中讀一個字節(jié)。 （2） 指令系統(tǒng)功能強。8086有100多條指令，能完成數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運算(包括乘法除法)、循環(huán)移位、字符串操作、控制傳送和處理器管理等工作。算術(shù)運算可以按字或字節(jié)帶符號或無符號、二進(jìn)制或十進(jìn)制的方式進(jìn)行運算。,45,（3） 多種尋址方式適用于高級語言中的數(shù)組和記錄等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 （4） 20位地址線。尋址范圍可達(dá)

31、1048576字節(jié)(即1MB字節(jié))的存儲空間。 （5） 16位I/O端口地址線。可尋址64K端口地址。 （6） 中斷功能強。可處理內(nèi)部軟件中斷和外部中斷請求，中斷源允許達(dá)256個。 （7） 具有管理DMA操作和多處理器工作的能力。,46,二、 8086/8088CPU的最大與 最小工作模式,47,最大工作模式是相對于最小模式而言的。其特征是系統(tǒng)中可以包括兩個或多個微處理器，即允許多個處理器一起工作，系統(tǒng)的控制信號由總線控制器提供。在80868088最大工作模式系統(tǒng)中，主處理器為80868088，其他處理器稱為協(xié)處理器，與80868088配合的協(xié)處理器有兩個，一個是數(shù)值協(xié)處理器8087，一個是輸

32、入輸出協(xié)處理器8089。 8087是一種專用于數(shù)值運算的處理器，能實現(xiàn)多種類型的數(shù)值操作，比如高精度的整數(shù)和浮點運算，也可以進(jìn)行超越函數(shù)(如三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù))的計算。通常情況下，由于這些運算是用軟件方法來完成的，占用CPU很多運行時間，而8087是用硬件方法實現(xiàn)這些運算的，所以，在系統(tǒng)中加入8087后，會大幅度地提高系統(tǒng)的數(shù)值運算速度。 8089有一套專門用于輸入/輸出操作的指令系統(tǒng)，它可以直接為輸入/輸出設(shè)備服務(wù)，使80869088不再承擔(dān)這類工作。所以，在系統(tǒng)中加入8089后，會明顯提高主處理器的效率，尤其是在輸入/輸出頻繁的場合。,48,三、 8086/8088引腳,（ 具體的8086

33、/8088CPU各引腳功能定義請看講義）,49,50,四、 8086CPU最小、最大工作模式系統(tǒng)的典型配置 1 . 8086CPU最小工作模式系統(tǒng)的典型配置,51,52,53,2. 8086CPU最大工作模式系統(tǒng)的典型配置,54,55,56,第七節(jié) Z80CPU的結(jié)構(gòu)特點及存儲器、輸入輸出擴(kuò)展接口,一、 Z80CPU的 結(jié)構(gòu)特點 Z80 CPU是一個具有40條引腳、雙列直插式結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成電路(LSI)芯片。它的引腳配置如右圖所示。圖中箭頭的方向表示該信號是輸出還是輸入。Z80 CPU的引腳功能如右圖：,57,58,59,60,二、總線驅(qū)動器,61,62,63,三、存儲器,微機控制系統(tǒng)中使用

34、的存儲器的分類如下圖所示。按其功能可分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩大類。,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,四、輸入輸出接口,74,1. PPI8255芯片使用簡介 PPI(Programmable Peripheral Interface)8255芯片具有可按照程序指定進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入或輸出的三個獨立的端口A、B、C，每個端口都是8位，其引腳配置見下圖所示。 通常，A或B端口為輸入、輸出數(shù)據(jù)端口；而C端口作為控制或狀態(tài)信息的端口。它在“狀態(tài)”字控制下，可以分成兩個4位的端口，每個端口均有鎖存器，分別與A端口或B端口配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)

35、信號輸入端口。 PPl8255芯片的工作方式是通過CPU的控制字來指定的。在PPI內(nèi)有控制寄存器，接受來自CPU輸出的控制字。端口C是按照控制字來實現(xiàn)每一位的“復(fù)位”與“置位”控制的。,75,76,77,78,IORQ RD WR RD WR 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1,79,80,2. I/O尋址方法,81,82,83,84,85,五、Z80CPU的存儲器及I/O口擴(kuò)展舉例,86,87,第八節(jié) 單片機的結(jié)構(gòu)特點 及其最小應(yīng)用系統(tǒng),88,一、MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)特點 MCS-51系列單片機包括805l、8751和8031三種產(chǎn)品，其硬

36、件設(shè)計簡單靈活。 8051片內(nèi)有4KB的ROM。用戶將已開發(fā)好的程序交給芯片制造廠商，在制造芯片時用掩膜工序?qū)⒂脩舫绦驅(qū)懭隦OM。顯然用戶本身是無法將自己的程序?qū)懭?051芯片的。程序一經(jīng)寫入片內(nèi)ROM，用戶也無法改變程序。所以8051用在批量較大(1000片以上)時，經(jīng)濟(jì)上才合算。 8751片內(nèi)有4KB的EPROM。用戶可以用高壓脈沖將用戶程序?qū)懭肫瑑?nèi)EPROM。所以當(dāng)用戶的程序不長時使用這種芯片可簡化電路，也可以作為開發(fā)系統(tǒng)片內(nèi)8051ROM單片機的代用芯片。由于EPROM可通過照射紫外光線抹去原有程序進(jìn)行改寫，所以這類芯片也可用于程序的開發(fā)工作。 8031芯片內(nèi)無ROM或EPROM，使用

37、時必須配置外部的程序存儲器EPROM。如不使用805l或8751芯片片內(nèi)的ROM或EPROM即可將其作為8031芯片使用。這三種引腳相容的產(chǎn)品均可尋址64KB的外部程序存儲器和64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器。 下圖為MCS-51系列單片機的引腳及功能。,89,90,91,92,93,94,二MCS-5l系列單片機的最小應(yīng)用系統(tǒng)及其擴(kuò)展,95,96,97,98,99,100,101,102,第九節(jié) 數(shù)字顯示器及鏈盤的接口電路,一、數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用LED(發(fā)光二極管)、CRT顯示器和LCD(液晶顯示器)等作為顯示器件。其中LED和LCD成本低、配置靈活、與單片機接口

38、方便，故應(yīng)用廣泛。 數(shù)碼顯示器是單片機應(yīng)用產(chǎn)品中常用的廉價輸出設(shè)備。它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用七段顯示器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡單、使用方便。,103,通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，故也有人稱之為八段顯示塊。其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”。一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。七段顯示塊與單片機接口非常容易。只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。

39、8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陽極與共陰極的段選碼互為補數(shù)。,104,顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法： 1. 靜態(tài)顯示 就是當(dāng)顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。例如七段顯示器的a、b、c、d、e、f導(dǎo)通，g截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要一個8位輸出口控制，三位顯示器的接口邏輯如下圖所示。,105,2. 動態(tài)顯示 動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器(掃描)。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實

40、現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示；若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位并行口(稱為掃描口)?？刂聘魑伙@示器所顯示的字形也需一個共用的8位口(稱為段數(shù)據(jù)口)。8位共陰極顯示器和8155的接口邏輯如下圖所示。,106,107,DSEG： DB 3FH， 06H， 5BH， 4FH， 66H， “0” “1” “2” “3” “4” 6DH， 7DH， 07H， 7FH， 6FH， 77H， “5” “6” “7” “8” “9” “A” 7CH， 39H， 5EH， 79H， 71H “B” “C” “D” “E” “F”,108,如： 3FH: 0 0 1 1 1 1 1 1 3

41、F 7FH： 0 1 1 1 1 1 1 1 7 F,109,二、鍵盤、顯示器的接口電路,110,111,1. 鍵盤工作原理 行列式鍵盤電路原理如下圖所示，按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別 連接到按鍵開關(guān)的兩端。當(dāng)行線通過上拉電阻接+5V時，被嵌位在高電平狀態(tài)。鍵 盤中有無按鍵按下是由列線送入全掃描字、行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。其方法是： 給列線的所有I/O線均置成低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有鍵 按下，總會有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為l。,112,113,例如： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 0 1 1 1 7 7

42、H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 1 0 1 1 7 B H,114,2. 鍵盤工作方式 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作的一個內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤掃描，即既保證不失時機地響應(yīng)鍵操作，又不過多占用CPU時間。 因此，要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的忙、閑情況，選擇好鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式有編程掃描方式、定時掃描方式和中斷掃描方式三種。這里僅簡單介紹一下編程掃描方式。 編程掃描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空閑，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。 下面以下圖的8155擴(kuò)

43、展I/O口組成的行列式鍵盤為例，介紹編程掃描工作方式的工作過程與鍵盤掃描子程序流程。在該鍵盤中，鍵值與鍵號相一致，依次排列為03l，共32個鍵，由1個8位口和1個4位口組成48的行列式鍵盤。在鍵盤掃描子程序中完成下述幾個功能：,115,116,（1）判斷鍵盤上有無鍵按下。其方法為：PA口輸出全掃描字00H，讀PC口狀態(tài)，PC0PC3為全l，則鍵盤無鍵按下，若不全為1，則有鍵按下。 （2）去鍵的機械抖動影響。其方法為，在判斷有鍵按下后，軟件延時一段時間再判斷鍵盤狀態(tài)，如果仍為有鍵按下狀態(tài)，則認(rèn)為有一個確定的鍵按下，否則按鍵抖動處理。,117,例 如： FEXE： “0”鍵 PA7 PA6 PA5

44、 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 1 0 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0 FDXE： “1”鍵 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 0 1 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0,118,（3） 求按下鍵的鍵號。按照行列式鍵盤工作原理，在“8155擴(kuò)展I/O口組成的行列式鍵盤”的圖中32個鍵的鍵值應(yīng)對應(yīng)作如下分布(PA、PC口為二進(jìn)制碼，X為任意值)： FEXE FDXE FBXE F7XE EFXE DFXE BF

45、XE 7FXE FEXD FDXD FBXD F7XD EFXD DFXD BFXD 7FXD FEXB FDXB FBXB F7XB EFXB DFXB BFXB 7FXB FEX7 FDX7 FBX7 F7X7 EFX7 DFX7 BFX7 7FX7 其相對應(yīng)的鍵號如圖中所示。這種順序排列的鍵號按照行首鍵 號與列號相加的辦法處理，每行的行首鍵號依次為：0，8，16， 24，列首依列線順序為07。在上述鍵值中，從零電平對應(yīng)的位 可以找出行首鍵號與相應(yīng)的列號。,119,（4）鍵閉合一次僅進(jìn)行一次功能操作其方法為，等待鍵釋放以后再將鍵號送入累加器A中。 右圖為鍵掃描子程序框圖。編程掃描工作方式只

46、有在CPU空閑時才調(diào)用鍵盤掃描子程序。因此，在應(yīng)用系統(tǒng)軟件方案設(shè)計時，應(yīng)考慮這種鍵盤掃描子程序的編程調(diào)用應(yīng)能滿足鍵盤響應(yīng)要求。,120,第十節(jié) 微機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出控制的可靠性設(shè)計,微機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出是通過硬件電路和軟件共同完成的。對其硬件電路的要求是： 能夠可靠地傳遞控制信息，并能夠輸入有關(guān)運動機構(gòu)的狀態(tài)信息； 能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足微機對輸入輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換，并行數(shù)字量轉(zhuǎn)換成串行電脈沖、電平的轉(zhuǎn)換與匹配，電量與非電量之間的轉(zhuǎn)換，弱電與強電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等；應(yīng)具有較強的阻斷干擾信號進(jìn)入微機控制系統(tǒng)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。,121,1.光電隔離電

47、路 為了防止強電干擾以及其他干擾信號通過I/O控制電路進(jìn)入計算機，影響其工作，通常的辦法是首先采用濾波吸收，抑制干擾信號的產(chǎn)生，然后采用光電隔離的辦法，使微機與強電部件不共地，阻斷干擾信號的傳導(dǎo)。光電隔離電路主要由光電耦合器的光電轉(zhuǎn)換元件組成，如下圖所示.,一、光電隔離電路設(shè)計,122,控制輸出時，從上圖a可知，微機輸出的控制信號經(jīng)74LS04非門反相后，加到光電耦合器G的發(fā)光二極管正端。當(dāng)控制信號為高電平時，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏晶體管集電極上的電源電壓。當(dāng)控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通

48、并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出端的電平幾乎等于零。同樣的道理，可將光電耦合器用于信息的輸入，如上圖b所示。當(dāng)然，光電耦合器還有其他連接方式，以實現(xiàn)不同要求的電平或極性轉(zhuǎn)換。,123,光電隔離電路的作用主要有以下幾個方面：,（1）可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。這樣信息通過光電轉(zhuǎn)換，單向傳遞，又由于光電耦合器輸入與輸出端之間絕緣電阻非常大(一般為10111013)，寄生電容很小(一般為0.52pF)，因此，干擾信號很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。 （2）可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如上圖a所示電路，通過光電耦合器可以很方便地把微機的輸出信號

49、變?yōu)?2V。 （3）提高驅(qū)動能力。隔離驅(qū)動用光電耦合器件，如達(dá)林頓晶體管輸出和晶閘管輸出型光電耦合器件，不但具有隔離功能，而且還具有較強的驅(qū)動負(fù)載能力。微機輸出信號通過這種光電耦合器件后，就能直接驅(qū)動負(fù)載。,124,通常使用的光電耦合器如下圖所示。圖a為普通型信號隔離用光電耦合器件，以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端。這種器件一般用在100kHz以下的頻率信號。如果光敏晶體管的基極有引出線則可用于溫度補償、檢測等。圖b為高速型光電耦合器件的結(jié)構(gòu)形式，與普通型的不同處在于其輸出部分采用光敏晶體管和高速開關(guān)管組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有較高的響應(yīng)速度。圖c為達(dá)林頓管輸出光電耦合器件，其輸出部分以光敏晶

50、體管和放大晶體管構(gòu)成達(dá)林頓管輸出。具有達(dá)林頓晶體管輸出的一切特性，可直接用于驅(qū)動較低頻率的負(fù)載。圖d為晶閘管輸出型光電耦合器件。輸出部分為光控晶閘管，光控晶閘管有單向、雙向兩種形式。這種光電耦合器常 用在大功率的隔離驅(qū)動場合。,125,2. 光電耦合隔離電路應(yīng)用 采用光電耦合器可以將微機與前向、后向通道以及其他相關(guān)部分切斷與電路的聯(lián)系，從而有效地防止干擾信號進(jìn)入微機，其基本配置如下圖所示。,126,127,8155、8255輸出口的放出及吸入電流均較大，故可直接用高電平來推動晶體管驅(qū)動發(fā)光二極管。由于 8155、8255在上電復(fù)位時，端口初置為輸入狀態(tài)，即高阻抗?fàn)顟B(tài)，為不使開機輸出額外的信息，

51、晶體管基極應(yīng)拉成低電平，如下圖a 所示。 如要輸出較大電流以驅(qū)動輸出設(shè)備，如繼電器、電磁離合器等，則應(yīng)接成達(dá)林頓型，如 下圖b 所示。為了進(jìn)一步提高普通型光耦合器的光耦合速度，可采用下圖c電路。 在較惡劣環(huán)境中的前向通道，為了減少通道及電源的干擾，V/F轉(zhuǎn)換器 (LM331)的頻率輸出可采用光耦合器隔離方法，使V/F轉(zhuǎn)換器與微機無電路聯(lián)系，如下一頁圖a 、b 所示。,128,VT,129,二、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 1.弱電轉(zhuǎn)強電電路 微機應(yīng)用系統(tǒng)中的微機發(fā)出的控制信號一般要經(jīng)過功率放大后，才能驅(qū)動各類執(zhí)行元件，如下圖所示的幾種電路。圖a表示微機輸出的開關(guān)量信號通過功率放大后，能夠驅(qū)動有關(guān)小功率的直

52、流電磁鐵YA，如果是交流電磁鐵，或大功率的直流電磁鐵，就需使用繼電器K作進(jìn)一步的功率放大，如圖b所示。利用繼電器K也可以驅(qū)動小功率的交流電動機，如圖c所示。對于大功率的交流電動機，還需增加交流接觸器KM才能驅(qū)動，如圖d所示。,130,2. 數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換 在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用微機很容易實現(xiàn)數(shù)字脈沖的轉(zhuǎn)換工作。事實上，只要CPU定時地向某個I/O端口的某一二進(jìn)制位輸出高低電平相間的邏輯信號，就可產(chǎn)生一個脈沖序列。步進(jìn)電動機控制經(jīng)常用到數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換，例如下圖所示的三相步進(jìn)電動機驅(qū)動接口電路。該電路中電動機的每相驅(qū)動電路都單獨有光隔離和放大電路，并連接到微機并行輸出端口的一個二進(jìn)制位上。脈沖信號經(jīng)光隔離

53、電路耦合、各相放大電路放大后，控制步進(jìn)電動機按照一定方向轉(zhuǎn)動。,131,3. 數(shù)模(D/A)、模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換 微機應(yīng)用系統(tǒng)I/O控制回路中，還常用到D/A、A/D轉(zhuǎn)換。例如下圖所示的采用直流伺服電動機的控制回路中，就增加了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)?？刂戚敵鰰r，微機每次都將運算后得到的以數(shù)字形式的控制參數(shù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號仍為弱電信號，還需經(jīng)過線性功率放大電路放大，然后控制電動機運行。機械系統(tǒng)的位置反饋信號可以是數(shù)字量信號，也可能是模擬量信號，視測量傳感元件不同而異.若位置反饋量是模擬量,則在位置反饋回路中應(yīng)設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。在位置信號進(jìn)入微機前，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作。,1

54、32,4. 電量轉(zhuǎn)非電量 I/O控制回路中還有一種電量到非電量的轉(zhuǎn)換。例如，開關(guān)量的電液轉(zhuǎn)換元件是電磁閥， 在電液伺服控制電路中，需要數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換后的模擬信號，而且，也要經(jīng)過適當(dāng)放大后，才能驅(qū)動電液伺服閥中的電磁元件。這種控制的流程框圖如下圖所示。,133,第十一節(jié) 可編程序邏輯控制器(PLC)構(gòu) 成及應(yīng)用舉例,一、 PLC的構(gòu)成及工作原理 可編程序控制器(PLC)是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲器儲存用戶設(shè)計的程序指令，這些指令用來實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)及算術(shù)運算和通過數(shù)字或模擬輸入輸出來控制各種機電一體化系統(tǒng)。由于它具有程序可變、抗干擾能力強、可靠

55、性高、功能強、體積小、耗電低，特別是易于編程、使用操作方便、便于維修、價格低廉等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。,134,PLC實質(zhì)上是一臺面向用戶的專用數(shù)字控制計算機。下圖為PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖，PLC通過輸入輸出接口與被控對象工作機相連接。控制系統(tǒng)的具體要求，通過編程器預(yù)先把程序?qū)懭氲酱鎯ζ髦?，然后?zhí)行此程序，完成控制任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)或被控對象改變時，只需相應(yīng)變化輸入輸出接口與被控對象的連線，重新編程，即可形成一個新的控制系統(tǒng)。,135,PLC的設(shè)計者向用戶提供了簡單明了、易學(xué)、易記的匯編語言，幾乎所有的PLC都把用邏輯梯形圖進(jìn)行編程的簡易助記符作為第一語言。這種語言由一組含義明確、功能強、為數(shù)不多

56、的指令組成，每條指令由助記符表示。 PLC主要是利用邏輯運算以實現(xiàn)各種開關(guān)量的控制。首先掃描輸入量(如繼電器觸點、限位開關(guān)、按鈕等)，然后把這些輸入量與程序規(guī)定的條件相比較，從而使輸出接通或斷開。實際上，PLC的執(zhí)行過程就是順序程序的執(zhí)行過程，也就是按照一定的順序從梯形圖的第一張執(zhí)行到最后一張，然后再次從第一張開始執(zhí)行(見右圖)。,136,順序程序是根據(jù)梯形圖所表達(dá)的順序過程用PLC指令編寫的程序，順序程序存儲在PLC控制板的EPROM中。它是由PLC編程器寫入EPROM中的。PLC編程器是編制順序程序不可缺少的輔助工具。它可以用來輸入順序程序、測試或修改順序程序以及把順序程序?qū)懭隕PROM中

57、。順序程序的編制流程如下圖所示。,137,下表為某可編程邏輯控制器（PLC）的基本指令。,138,二、 PLC的應(yīng)用舉例 某工廠有一零件加工自動線，其中第二工位的頭道工序是鉆孔，工序的動作過程如下：起動后，夾緊裝置動作，延時10s后，控制冷卻油的電磁閥吸合。與此同時，鉆頭快進(jìn)，當(dāng)接近工件時，限位開關(guān)S1動作，鉆頭開始工進(jìn)，鉆削到預(yù)定深度時，限位開關(guān)S2閉合，鉆頭快速退回?；氐皆粫rS3動作，鉆頭停止移動，鉆削工序結(jié)束?？刹捎肞LC控制上述鉆削工序的鉆削過程。為了使初次接觸PLC的人員了解PLC的應(yīng)用概況，現(xiàn)分以下幾個步驟進(jìn)行分析：,139,（1）輸入信號：起動、停止信號：限位開關(guān)S1、S2、S3信號。輸出信號：夾緊裝置夾緊信號、控制冷卻油信號、快進(jìn)信號、工進(jìn)信號、快退信號、停止結(jié)束信號。 （2）按實際加工工藝要求繪制加工過程流程圖，如右圖所示。,140,（3）根據(jù)流程圖畫出邏輯控制電路(見下圖)。這里用有觸點繼電器邏輯控制圖是為了對準(zhǔn)備采用PLC取代繼電器邏輯控制裝置的人員提供一個分析實例。,141,（4）對應(yīng)于上述邏輯控制圖 繪制PLC梯形圖。首先將外部輸 入信號連接到 PLC的輸入口的接 線端，即與PLC的輸入繼電器線圈連 接，通常將這些輸入信號源畫在梯 形圖的左邊。再將P