机电一体化技术第5章计算机控制及接口技术PPT

第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 1第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 5.1 概述概述 5.2 工业控制计算机工业控制计算机5.3 计算机接口技术计算机接口技术5.4 计算机接口设计计算机接口设计5.5 D/A转换器转换器 5.6 A/D转换器转换器思考题思考题 第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 25.1 概述概述 5.1.1 计算机控制系统的组成 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图5-1所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 3图5-1 计算机控制系统的基本框图控制规律计算程序D/AA/D执行机构被控对象检测装置设定值反馈量被控量计算机第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 4 典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内存储器,磁盘驱动器,各种接口电路，以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道，以及各种显示、记录设备,运行操作台等。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 5图5-2 典型计算机控制系统的组成框图I/O接口A/D多路开关传感器及变送器工业对象计算机主机操作台I/O接口D/A多路开关执行机构I/O接口数字量输入I/O接口数字量输出主机及操作台I/O接口电路I/O通道信号检测及变送被控对象I/O接口打印机I/O接口显示终端通用外围设备第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 6 （1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）操作台是人机对话的联系纽带。（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 7（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中，模拟量I/O通道的作用是：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如010mADC）。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 8系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序，生产过程监控程序等。在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 95.1.2计算机在控制中的应用方式1.操作指导控制系统如图5-3所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 10图5-3 计算机操作指导控制系统示意图A/D多路开关传感器控制器人生产过程控制量设定值操作指导参考数据测量值操作指导计算机第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 112.直接数字控制系统直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构如图5-4所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 12图5-4 直接数字控制系统的结构生产过程检 测执 行输 入 通 道输 出 通 道接 口接 口计 算 机显 示打 印设 定 值第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 133.监督计算机控制系统 在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统的构成示意图如图5-5所示。（1）SCC+模拟调节器的控制系统。（2）SCC+DDC的控制系统。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 14图5-5监督计算机控制系统的构成示意图(a）SCC模拟调节器系统；(b）SCCDDC系统 4A/D多路开关传感器模拟调节器生产过程设定值测量值SCC计算机输入输出A/D多路开关传感器多路开关生产过程设定值测量值SCC计算机输入输出D/ADDC(a)(b)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 154.分级计算机控制系统图5-6是一个四级计算机控制系统。其中，过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 16图5-6 计算机分级控制系统过程控制级过程控制级生产过程车间管理级过程控制级过程控制级车间管理级工厂管理级企业(公司)管理级第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 175.1.3典型的机电一体化控制系统图5-7介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 18图5-7 工业炉的计算机控制 计算机燃料空气温度测量压力测量燃烧效率计算废气分析仪废气第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 192.微型计算机控制的电动机调速系统图5-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器、速度调节器和电流调节器均由计算机实现。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 20图5-8 计算机控制的双闭环系统A/D速 度调 节 器电 流调 节 器晶 闸 管 触发 器微 型 计 算 机隔 离放 大同 步电 流互 感 器A/D三相交流电给定M测 速 发 电 机第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 213.计算机数字程序控制系统 在图5-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 22图5-9 简单机床数字程序控制系统的构成框图控制台光电隔离并行I/O口驱动电路y轴步进电动机传动机构机床工作台x轴步进电动机CPURAMEPROM第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 234.工业机器人图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计算机，就没有现代的工业机器人。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 24图5-10 智能机器人的一般结构中央计算机摄 像多 关 节手 臂图 像处 理 机控 制计 算 机行 走机 构控 制计 算 机话 筒扬 声 器语 言识 别 机语 言合 成 器显 示 器显 示计 算 机知 识 库第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 255.2 工业控制计算机工业控制计算机 5.2.1工业控制计算机的特点及要求1.实时性2.高可靠性 3.硬件配置的可装配可扩充性4.可维护性 第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 26下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。1.MCS-48单片机系列MCS-48系列是8位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、8035等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是：（1）8位CPU，工作频率为16MHz。（2）64BRAM数据存储器，1KB程序存储器。（3）5V电源，40引脚双列直插式封装。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 27（4）6MHz工作频率时机器周期为2.5s，所有指令的执行为12个机器周期。（5）有96条指令，其中大部分为单字节指令。（6）8字节堆栈，单级中断，两个中断源。（7）两个工作寄存器区。（8）一个8位定时/计数器。2.MCS-51单片机系列该系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是：第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 28（1）8位CPU，工作频率为112MHz。（2）128BRAM数据存储器，4KBROM程序存储器。（3）5V电源，40引脚双列直插式封装。（4）12MHz工作频率时机器周期为1s，所有指令的执行为14个机器周期。（5）外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。（6）2级中断，5个中断源。（7）21个专用寄存器，有位寻址功能。（8）两个16位定时/计数器，1个全双工串行通信口。（9）4组8位I/O口。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 293.MCS-96单片机系列MCS-96系列是16位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，其在硬件和指令系统的设计上较8位机有很多不同之处。MCS-96单片机系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多种机型。其主要特点是：（1）16位CPU，工作频率为612MHz。（2）232BRAM数据存储器，8KBROM程序存储器。（3）有48和68两种引脚，多种封装形式。（4）高速I/O接口，能测量和产生高分辨率的脉冲（12MHz时是2s），6条专用I/O，两条可编程I/O。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 30（5）外部可分别扩展64KB数据存储器和程序存储器。（6）可编程8级优先中断，21个中断源。（7）脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号。（8）两个16位定时/计数器，4个16位软件定时器。（9）5组8位I/O口。（10）10位A/D转换器，可接收4路或8路的模拟量输入。（11）6.25s的16位乘16位和32位除16位指令。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 31 （12）运行时可对EPROM编程，ROM/EPROM的内容可加密。（13）全双工串行通信口及专门的波特率发生器。另外一种16位的单片机是8098单片机，其内部结构和性能与8096完全一样，但其外部数据总线却只有8位，因此是准16位单片机。由于8098减少了I/O线，其外形结构简化，芯片的制造成本降低，因此应用非常广泛。MCS-98单片机系列主要有8398、8798等几种机型。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 32图5-11是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各种开关信号，通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 33图5-11 PLC的逻辑控制电路控制单元可编程控制器按钮开关限位开关继电器触点灯泡电磁线圈继电器线圈控制电路电压第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 341.PC的组成原理PC实际上是一个专用计算机，它的结构和组成与通用微机的基本相同，主要包括CPU、存储器、接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PC的各主要部分。（1）CPU。图5-12中，在同步扫描周期内，除I/O扫描之外，还有服务程序、通信窗口、内部执行程序等。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 35图5-12 PC的扫描工作机制内部执行程序(自诊断)通信窗口服务程序逻辑方程求解I/O扫描启动第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 36（2）存储器。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。（3）接口模块。PLC模块包括如下几种类型：数字量I/O模块。数字量I/O模块完成数字量信号的输入/输出，一般可替代继电器逻辑控制。模拟量I/O模块。专用和智能接口模块。编程器。外部设备。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 372.PC的性能特点（1）存储器：可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM。（2）数字量输入/输出端子：具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数的多少是决定PC的控制规模的主要参数。（3）计数器和定时器：在PC的逻辑顺序控制中，可替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计数继电器。（4）标志（软继电器）：在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分标志具有保持作用。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 38（5）平均扫描时间：指扫描用户程序的时间，决定了PC的控制响应速度。（6）诊断：由通电检查和故障指示的软件完成。（7）通信接口：一般采用RS232接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。（8）编程语言：一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立控制系统流程图和顺序功能图等语言。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 39除上述一般特性外，高性能的PC还具有下列特性：（1）数据传送和矩阵处理功能：可以满足工厂管理的需要。（2）PID调节功能：备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制的要求。（3）远程I/O功能：使输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和系统成本。（4）图形显示功能：借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。方便操作者监控系统的运行。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 40（5）冗余控制：控制系统设计中备有一台同样的PC系统，并处于待机状态，当原系统出现故障时，系统会自动切换，使待机的PC投入运行，从而提高控制的可靠性。（6）网络功能：通过数据通道与其他数台PC连接或与管理计算机连接，以构成控制网络，实现大规模的生产管理系统。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 413.PC的结构特点PC的结构分成单元式和模块式两种。（1）单元式。（2）模块。5.2.4 总线工控机1.STD总线工业控制机典型的STD总线工控机系统的构成如图5-13所示，其突出特点是：模块化设计，系统组成、修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制软件开发的难度大幅降低。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 42图5-13 用STD总线工业控制机组成的计算机控制系统第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 43下面分别介绍各种模板的特点。（1）数字量I/O模板。图5-14是一种典型的数字量I/O模板的电路原理框图。（2）模拟量I/O模板。图5-15所示是一种光电隔离型A/D模板的结构示意图，D/A模板的结构与之类似。在模板选用时主要需考虑系统中信号的最高频率、电平范围、信号数量等参数及系统对信号的转换速度、精度及分辨率等要求，以既满足控制系统需要又不造成过大的浪费为原则。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 44图5-14 数字量I/O模板的原理框图数据缓冲器D0D7输入口地址输出口地址RESETSTD总线接口逻辑I/O功能逻辑I/O电气接口板选地址数据总线板地址译码IORQIOEXPA2A 7输入缓冲器8输入调理电路来自外围设备输入口译码RDA0A 1输出口译码WRA0A 1输出锁存器8输出驱动电路去外围设备第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 45图5-15 光电隔离型A/D模板的结构示意图A/D转换部分光电隔离STD总线接口第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 46 （3）信号调理模板。图5-16是信号调理模板的应用实例。信号调理模板应根据传感器与执行机构的要求来匹配，并应充分考虑信号的信噪比、放大增益的可调范围、零点的调整方法、滤波的通带增益和阻带衰减率等参数。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 47图5-16 信号调理模板的应用实例输入模块输入模块输出模块输出模块传感器工业对象执行机构模拟子系统A/DD/A计算机热电偶、热电阻mVV，420 mA420 mA05 V5 V模块插件架05 V5 V420 mA第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 48（4）CPU模板。（5）存储器模板。（6）其他特殊功能模板。2.PC总线工业控制机IBM公司的PC总线微机最初是为个人或办公室使用而设计的，早期主要用于文字处理或一些简单的办公室事务处理。早期产品是基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。PC/AT总线的IBM兼容计算机由于价格低廉、使用灵活、软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 49近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进（1）机械结构加固，使微机的抗震性好。（2）采用标准模板结构。（3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。（4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。（5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。表5-1给出了三种常用的工业控制计算机的性能比较关系。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 50表5-1 三种常用工业控制计算机的性能比较 第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 515.3 计算机接口技术计算机接口技术 5.3.1 接口、通道及其功能1.I/O接口电路I/O接口电路简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路的主要作用如下：第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 52（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。2.I/O通道I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 53应当指出，I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）之间信息交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率地交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起了。例如，目前大多数大规模集成A/D转换器芯片，除了完成A/D转换，起模拟量输入通道的作用外，其转换后的数字量可保存在片内具有三态输出的输出锁存器中；同时，具有通信联络及I/O控制的有关信号端，可以直接挂到主机的数据总线及控制总线上去，这样，A/D转换器也就同时起到了输入接口的作用。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 545.3.2 I/O信号的种类在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。1.数据信息数据信息是主机和外围设备交换的基本信息，通常是8位或16位的数据，它可以用并行格式传送，也可以用串行格式传送。数据信息又可以分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 55（1）数字量。（2）模拟量。（3）开关量。（4）脉冲量。2.状态信息状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息，可作为两者交换信息的联络信号。3.控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的信息。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 565.3.3计算机和外部的通信方式计算机和外部交换信息又称为通信（communication）,按数据传送方式可分为并行通信和串行通信两种基本方式。1.并行通信并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。其优点是传送速度快、信息率高，并且通常只需提供两条控制和状态线，就能完成CPU和接口及设备之间的协调和应答，实现异步传输。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 572.串行通信串行通信是指数据按位进行传送。串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。（1）全双工方式。（2）半双工方式。（3）同步通信。（4）异步通信。标准的异步通信格式如图5-17所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 58图5-17 标准的异步通信数据格式1到0跳变作为新字符的开始最低位最高位起始位58个字符位可选的 奇偶校验位1,1.5或2位停止位字符之间的间隔第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 595.3.4 I/O控制方式通常采用的有三种I/O控制方式：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式。在进行微机控制系统设计时，可按不同要求来选择各外围设备的控制方式。1.程序控制方式程序控制I/O方式是指CPU和外围设备之间的信息传送是在程序控制下进行的。它又可分为无条件I/O方式和查询式I/O方式。（1）无条件I/O方式。无条件传送方式的工作原理如图5-18所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 60图5-18 无条件传送方式I/O接口的电路原理图端口译码&输出锁存器(74LS273)输入缓冲器(74LS244)数据总线输出数据至外围设备自外围设备输入数据LS327441LS327441WR地址总线IOM/RD第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 61（2）查询式I/O方式。查询式I/O方式也称为条件传送方式。按查询式I/O方式传送信息时，CPU和外围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端口。查询式I/O接口电路的原理框图如图5-19所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 62图5-19 查询式I/O方式接口电路的原理框图端 口译 码器&输 出 锁 存 器(74LS273)输 入 缓 冲 器(74LS244)数 据 总 线输 出 数 据输 入 数 据LS327441LS327441WR地 址总 线IOM/RD三 态 缓 冲 器(74LS245)外 围 设 备 状 态&LS327441第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 63 查询式I/O方式是微机控制系统中经常采用的方式。假设某微机控制系统中采用查询式对1、2、3三个外围设备进行I/O管理，其查询和I/O处理的简化程序流程图如图5-20所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 64图5-20 查询式I/O处理简化程序流程图初始化读入1#外围设备状态1#请求服务吗？读入2#外围设备状态2#请求服务吗？读入3#外围设备状态3#请求服务吗？继续吗？结束1#外围设备服务(I/O处理)子程序2#外围设备服务(I/O处理)子程序3#外围设备服务(I/O处理)子程序YNYNYNYN第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 65从原理上看，查询式比无条件传送方式可靠，接口电路简单，不占用中断输入线，而且查询程序也简单，易于设计调试。但是在查询式I/O方式下，CPU要不断地读取状态字和检测状态字，不管那个外围设备是否有服务请求，都必须一一查询，许多次的重复查询可能都是无用的，而又占去了CPU的时间，效率较低。I/O方式的选择必须符合实时控制的要求。对于查询式I/O方式，满足实时控制要求的使用条件是：“所有外围设备的服务时间的总和必须小于或等于任一外围设备的最短响应时间”。这里所说的服务时间，是指某台外围设备服务子程序的执行时间。最短响应时间是指某台设备相邻两次请求服务的最短间隔时间。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 662.中断控制I/O方式为了提高CPU的效率和使系统具有良好的实时性，可以采用中断控制I/O方式。在中断传送时的接口电路如图5-21所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 67图5-21 中断传送方式的接口电路&地址译码器地址总线A0A7三态缓冲器锁存器&装置中断允许输入装置三态缓冲器MIO/RD去数据总线DBINTRDQ5V数据选通中断矢量去数据总线DBINTA(中断响应信号)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 68微机控制系统中，可能设计有多个中断源，且多个中断源可能同时提出中断请求。多重中断处理必须注意如下四个问题：（1）保存现场和恢复现场。（2）正确判断中断源。（3）实时响应。（4）按优先权顺序处理。3.直接存储器存取（DMA）方式 利用中断方式进行数据传送，可以大大提高CPU的利用率。但在中断方式下，仍必须通过CPU执行程序来完成数据的传送。每进行一次数据传送，就要执行一次中断过程，其中保护和恢复断点、保护和恢复寄存器内容的操作与数据传送没有直接关系，但会花费掉CPU的不少时间。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 69DMA的工作流程如图5-22所示。实现上述操作的DMA控制器的硬件框图如图5-23所示。图5-24是8237A的内部编程结构和外部连接。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 70图5-22 DMA的工作流程图HLDA发存储器地址传送数据传送结束否?DMA结束修改地址指针YN第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 71图5-23 DMA控制器框图数 据端 口状 态/控 制端 口DMA控 制 器地 址 寄 存 器计 数 器控 制/状 态 寄 存 器数 据缓 冲寄 存 器DMA请 求触 发 器CPU存 储器输 入 设 备DMA请 求DMA响 应HLDAHOLD第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 72图5-24 8237A的内部编程结构和外部连接HRQHLDACLKAENHOLDHLDA时钟使CPU地址锁存无效1STB锁存器EN地址译码ADSTBDB0DB7CSA3A0A7A4控制寄存器状态寄存器模式寄存器地址寄存器字节计数器IORIOWMEMRMEMWREADYRESETDREQ0DACK0DREQ1DACK1DREQ2DACK2DREQ3DACK30 V5 V(通道1、2、3)8237AA7A0A15A8/IOM数据总线通道0第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 735.3.5 I/O接口的编址方式1.I/O接口独立编址方式这种编址方式是将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，互不影响，并设有专门的输入指令（IN）和输出指令（OUT）来完成I/O操作。8086微处理器的I/O接口也是属于独立编址方式的。它允许有256个8位的I/O端口，两个编号相邻的8位端口可以组合成一个16位端口。8086输入/输出指令可以分为两大类。一类是直接的输入/输出指令，如INAL，55H；OUT70H，AX。另一类是间接的输入输出指令，如INAX，DX；OUTDX，AL。在执行间接输入/输出指令前，必须在DX寄存器中先设置好访问端口号。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 742.I/O接口与存储器统一编址方式统一编址方式不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间，它把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号；也不设专门的输入/输出指令，所有传送和访问存储器的指令都可用来对I/O接口操作。M6800和6502微处理器以及Intel51系列的51、96系列单片机都采用I/O接口与存储器统一编址方式。两种编址方式有各自的优缺点。I/O接口的编址方式是由所选定的微处理器决定的，接口设计时应按所选定的处理器规定的编址方式来设计I/O接口地址译码器。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 755.4 计算机接口设计计算机接口设计5.4.1 I/O接口与系统的连接计算机接口是CPU和外围设备之间的连接界面。典型的I/O接口和外部的连接如图5-25所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 76图5-25 典型的I/O接口与外部的连接数据输入寄存器数据输出寄存器控制寄存器状态寄存器常用外围设备或被控设备数据线控制线状态线读/写复位时钟地址译码控制片选寄存器选择I/O接口电路数据总线数据总线I/O存储器选择信 号控制总线地址总线中断请求中断回答第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 77图5-26、图5-27和图5-28中，分别画出了典型的I/O接口芯片Z80PIO、8255A和8251A与CPU和外围设备的连接关系。由图5-26、图5-27和图5-28可见，接口芯片与CPU之间必要的连接信号有下列4类：（1）数据信号D0D7。（2）读/写控制信号 。（3）片选信号CS和地址线A、A0。（4）时钟、复位、中断控制、联络信号等控制信号。)(IOWIORWRRD、或、第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 78图5-26 Z80PIO与CPU和外设的连接D0D7PA0PA71MRDIORQAB/DC/CE译码器NT1Z80PIOPB0PB7外围设备ASTBARDY端口A端口BBRDYA1IEOBSTBA0IORQRD1M1数据总线D0D7Z80CPUA0A7INTIEI第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 79图5-27 8255A与CPU和外设的连接D0D7PA0PA7WRCS译码器PC0PC7外围设备端口A端口CA1A0RD数据总线D0D78086主机RESETRDWRRESET地址线IOM/IOM/PB0PB7端口B8255A第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 80图5-28 8251A与CPU和外设的连接译码D0D7CSCSDC/RDWRRDWRTxRDYTxERxRDYSYNDETRESET8086外围设备DTRDSRRTSCTSTxDRxD计数器/定时器D0D7CLKIOM/DC/8251AA1TxCRxC第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 815.4.2 I/O接口扩展1.地址译码器的扩展扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口（寄存器）的编址和选址问题。每个通用接口部件都包含一组寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口。74LS138的管脚图如图5-29所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 82图5-29 74LS138管脚图1EA1B2C32E7Y地45678VCC74LS1381615141312111090Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y选择允许输出译码输出E3第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 83例5-1 此例采用8位的Z80CPU的微机控制系统，按控制要求扩展一个并行接口芯片PIO、一个计数器定时器（CTC）、一个8位的A/D转换器（ADC0808）和一个8位的D/A转换器（DAC0832）。若指定它们的地址分别为40H43H、44H47H、58H和5CH，那么可以设计出如图5-30所示的地址译码电路。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 84图5-30 I/O接口地址译码扩展11111DAC08 32CSADC0808STARTOEALECS0CS1CTCCEIORQRD1MPIOCEIORQRD1M111A6A7A5G12AG2BGA4A3CBAA2A1A0AB/DC/0Y1Y6Y7Y32LS7441RDIORQ1MWRZ80CPU32LS742102LS742132LS744132LS742174LS138第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 85图5-30中，独立编址方式的片选信号只利用地址总线的低8位（A0A7）译出，为了区别是访问存储器还是访问I/O接口，IORQ信号是必须用的。同时,为了控制数据流向也要使用读（RD）、写（WR）信号。但是Z80PIO和Z80CTC芯片有些特殊，没有WR信号引脚，它是利用IORQ、RD和Mi三个信号通过内部逻辑电路的组合而得到读、写、复位、中断响应等控制信号的。2.负载能力的扩展扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时要挂到CPU的数据总线上，各芯片的地址也都要挂到CPU的地址线上，控制线也一样要挂到CPU的控制总线上。由表5-2可见，MOS器件的输入电流小，驱动能力也差。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 86表5-2 TTL和MOS器件的输入/输出电流 第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 87从图5-31中可以看到，8286具有两组对称的数据引线，A7A0为输入数据线，B7B0为输出数据线。当然，由于在收发器中数据是双向传输的，因此实际上输入线和输出线也可以交换。用T表示的引脚信号就是用来控制数据传输方向的。当T1时，就使A7A0为输入线；当T0时，则使B7B0为输入线。在系统中，T端和CPU的DT/R端相连，DT/R为数据收发信号。当CPU进行数据输出时，DT/为高电平，于是数据流由A7A0进入，从B7B0送出；当CPU进行数据输入时，DT/R为低电平，于是数据流由B7B0进入，而从A7A0送出。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 88图5-31 8286收发器和8088的连接8286A0A1A2A3A4A5A6A7OEAD0AD1AD2AD3AD4AD6AD7B0B1B2B3B4B5B6B7TDEN数据总线RDT/8088AD5第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 895.4.3模拟量的采样与处理模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是公用运算放大器和A/D转换器的结构形式，其组成方框图如图5-32所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 90图5-32 模拟量输入通道的组成方框图信 号 处 理 装 置 1信 号 处 理 装 置 2信 号 处 理 装 置n工业装置采样单元采 样 保 持和 放 大 器控 制 电 路A/DI/O接口电路CPU第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 911.信号处理装置信号处理装置一般包括敏感元件、传感器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。2.采样单元采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把多个已变换成统一电压信号（040mV）的测量信号按序或随机地接到采样保持器或直接接到数据放大器上。3.计算机采样与量化模拟信号的计算机数据采集过程需要解决用离散数据表示连续信号的精度问题。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 92模拟信号转换为数字信号的过程。（1）采样过程。如图5-33所示。(2）量化过程。量化过程（简称量化）就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号的过程，如图5-34所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 93图5-33采样过程(a）模拟信号；(b）离散模拟信号543210tf(t)/Vf(t)(a)f*(t)/V54321f*(2T)f*(3T)0T2T3T 4T5T 6T7Tt(b)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 94图5-34量化过程(a）离散模拟信号；(b）数字信号f*(t)/V246810120T2T3T 4T5T 6T7Tt(a)f(nT)数 字24680101010010001001101110110T2T3T 4T5T 6T7T10010111t(b)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 95量化单位q是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设fmax和fmin分别为转换信号的最大值和最小值，i为转换后二进制数的位数，则量化单位为（5-1）例如，模拟信号fmax16V、fmin0，取i4，则q1V，量化误差最大值emax0.5V。iffq2minmax第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 965.4.4输入/输出通道 在微机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入微机。微机经过运算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道。该连接通道被称为输入与输出通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道，其组成如图5-35所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 97图5-35 输入与输出通道的组成工业对象执行机构保持器扫描装置检测元件采样器D/A转换器A/D转换器数字量输出数字量输入I/O接口电路现场运行操作台中央处理器CPU第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 981.模拟量输入通道模拟量输入通道一般由信号处理装置、多路转换器、采样保持和A/D转换器等组成。模拟量输出通道有以下两种基本结构形式。（1）一个通道设置一个D/A转换器的形式。这种形式是指在微机和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案，如图5-36所示。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 99图5-36 一个通路一个D/A转换器D/A转 换 器D/A转 换 器I/O接口电路微机通 路 1通 路 n第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 100(2）多个通道共用一个D/A转换器的形式。3.数字量输入通道随输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。（1）编码信号。（2）脉冲列。（3）开关信号。图5-37画出了几种微机系统中常用的电平转换、滤波、去抖动及光电隔离和继电器隔离电路。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 101图5-37开关量输入电路；(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路1S5V5.1 kLS0474610.1 FSK24 V1S5V5.1 kLS0474610.1 FKKS(b)(a)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 102图5-37开关量输入电路；(a）电平转换及滤波器；(b）继电器隔离及电平转换电路；(c）消除开关二次反跳触发器电路；(d）光电隔离及电平转换电路&S5 V5.1 k5.1 k74LS00S11 kLS0474615 VS4TLP5214115S24 V211.5 k(d)(c)16第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 1034.数字量输出通道数字量输出通道输出的数字信号有三类：二进制编码数字、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。具体电路可参阅图5-38。图5-39画出了几种开关量输出的具体电路。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 104图5-38 一种使用步进电动机串行D/A转换电路D0D7CLK2gate2OUT2CLK1gate1OUT1CLK0gate0OUT0&11门控方向YB013ABC环形分配器CP1光电隔离电路11驱动电路x轴步进电动机RDWRA0A1CSD0D7CLK2gate2OUT2CLK1gate1OUT1CLK0gate0OUT0&11门控方向YB013ABC环形分配器CP1光电隔离电路11驱动电路y轴步进电动机R/DWRA0A1CS系统总线地址译码5 V5 V5 V1 k35 V1 k3LS047461LS047461分频器(74LS93)时钟脉冲1182538253第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 105图5-39开关量输出电路(a）TTL电平输出（PC900为高速光电隔离电路）；11 kLS047461输出21360 6 45PC9001输出端口i位输出LS047461(a)5 V第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 106图5-39开关量输出电路(b）晶体管开关输出；1 k输 出 5 V360 TLP5211输 出 端 口i位 输 出LS047461(b)390 5.1 k第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 107图5-39开关量输出电路(c）继电器输出DZ144MC141316DZ144159PA0PA1PA6128255A8(c)16 V驱动电路24 V第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 1085.5 D/A转换器转换器 5.5.1并行D/A转换器的工作原理D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。为了了解它的工作原理，先分析一下图5-40所示的R-2R梯形电阻解码网络的原理电路。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 109图5-40R-2R梯形电阻解码网络原理图UOUTRbIOUT1IOUT2BIT1(LSB)2R2R2RR2RR2RRUREFBIT2S nS(n 1)S 2S 1“1”“0”BIT(n 1)BITn(MSB)A第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 110在图中，整个电路由若干个相同的支电路组成，每个支电路有两个电阻和一个开关，开关S-i是按二进“位”进行控制的。当该位为“1”时，开关将加权电阻与IOUT1输出端接通；当该位为“0”时，开关与IOUT2接通。由于IOUT2接地，IOUT1为虚地，所以有 RUIREF(5-2)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 111流过每个加权电阻的电流依次为 RUIREFn211RUIREFn 1221RUIREFn121.(5-3)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 112由于Iout1端输出的总电流是置“1”的各位加权电流的总和，IOUT2端输出的总电流是置“0”的各位加权电流的总和，因此当D/A转换器输入为全“1”时，IOUT1和IOUT2分别为0)21.2121(121OUTnREFOUTIRUI(5-4)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 113当运算放大器的反馈电阻Rfb等于反相端输入电阻R时，其输出模拟电压为对于任意二进制码，其输出模拟电压为式中，ai=1或ai=0。由上式便可得到相应的模拟量输出。)21.2121(2111nREFfbOUTOUTURIU（5-5)2.22(2211nnREFOUTaaaUU（5-6)第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 1145.5.2 DA转换器的主要参数（1）分辨率。D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化了1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机的数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N位的D/A转换器,其分辨率为（5-7）分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位，表示它可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应。所以，N位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。N2满刻度值分辨率 第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 115（2）稳定时间。稳定时间是指D/A转换器中代码有满刻度值的变化时，其输出达到稳定（一般指稳定到与1/2最低位的值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。（3）输出电平。不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为510V。也有一些高压输出型，输出电平为2430V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。（4）输入编码。一般二进制编码比较通用，也有BCD等其他专用编码形式芯片。其他类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 116（5）温度范围。较好的D/A转换器的工作温度范围为-4085，较差的为070。可按计算机控制系统使用环境查器件手册选择合适的器件类型。5.5.3 8位D/A转换器DAC0832DAC0832是双列直插式8位D/A转换器,能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。图5-41和图5-42分别为DAC0832的内部结构图和引脚图。其主要参数如下：分辨率为8位（满度量程的1/256），转换时间为1s，基准电压为+10-10V，供电电源为+5+15V，功耗为20mW，与TTL电平兼容。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 117图5-41 DAC0832内部结构图8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器&UREFIOUT2IOUT1RfbAGNDUCCDGND2LE1LED7D0ILECS1WR2WRXFER第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 118图5-42 DAC0832引脚图12345678910CS1WRUCCILEDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2201918171615141312112WRXFERAGNDDI3DI2DI1DI0UREFRfbDGND第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 119从图5-41中可见，在DAC0832中有两级锁存器；第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出。图5-41中，当ILE为高电平、CS和WR1为低电平时，LE1为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当WR1由低电平变高时，LE1成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样，输入寄存器的输出端不再随外部数据的变化而变化。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 120对第二级锁存器来说，XFER和WR2同时为低电平时，LE2为高电平，这时，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化。此后，当WR2由低电平变高时，LE2变为低电平，于是，将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。图5-42中各引脚的功能定义如下：CS片选信号，它和允许输入锁存信号ILE合起来决定WR1是否起作用。ILE允许锁存信号。WR1写信号1，它作为第一级锁存信号将输入数据锁存到输入寄存器中，WR1必须和CS、ILE同时有效。第第5章章 计算机控制及接口技术计算机控制及接口技术 121WR2写信号2，它将锁存在输入寄存器中的数据送到8位DAC寄存器中进行锁存，此时，传送控制信号XFER必须有效。XFER传送控制信号，用来控制WR2。DI7DI08位数据输入端，DI7为最高位。IOUT1模拟电流输出端，当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大；当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2模拟电流输出端，IOUT2为一个常数与IOUT1的差，即IOU