微机接口技术简

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 微机与接口技术,第一节 微处理器系统接口,一、微处理器系统接口的类型,为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件连接起来，这种连接就称微处理器系统的接口。,微处理器系统的接口可分成四种基本类型,1,、内务操作接口（数据、地址、控制三总线）,2,、用户通讯接口（,RS232,、,485,、,PS2,、,USB,）,3,、传感器接口（,ADC,、,IO,）,4,、控制接口（,DAC,、,IO,、光电耦合）,(一)内务操作接口,微处理器系统的内务操作接口是使微处理器发挥最基本的处理和控制功能所需的接口。它包括各类总线驱动器、数据锁存器及三态缓冲器等。,典型的微处理器接口,微型机算计总线,数据,控制,微处理器,地址,地址,控制,数据,总线收发器,接收器,微型机算计总线,时钟发生器,控制,驱动器,驱动器,DBE,TSC,HALT,IRQ,BA,D7D0/R/W,A15A0,数据总线使能,三态控制,暂停,中断请求,RES,复位,总线有效,读/写,数据总线,=,内务操作,接口元件,1时钟,2时钟,(二)用户通信接口,用户通信接口是指微计算机接收用户送入的信息或是向用户送出信息所需要的接口电路。,这类接口有：,RS232,RS485/422,PS2,USB,IIC,、,SPI,、,SMBUS,串行通讯的概念串行通讯：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。,串行通讯的特点是：,数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。,主要参数设置：,波特率数据位与停止位数据位：,5,位、,8,位停止位：,1,位、,1.5,位、,2,位,例：,115200,，,N,，,8,，,1,流控制,.,流控制在串行通讯中的作用 解决丢失数据的问题,.,硬件流控制 硬件流控制常用的有,RTS/CTS,（请求发送,/,清除发送）流控制和,DTR/DSR,（数据终端就绪,/,数据设置就绪）流控制,.,软件流控制 一般通过,XON/XOFF,来实现软件流控制。奇偶校验奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“,1”,的个数为奇数，如：,1 0110,，,01010 0110,，,0001,偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“,1”,的个数为偶数，如：,1 0100,，,01010 0100,，,0001.,用户显示终端,典型的用户通信按口电路,地址,控制,地址,数据,接收器,总线收发器,驱动器,接收器,接收器,地址识别器,非同步通信接口,（,ACIA）,控制逻辑,信 号,发生器,输出,输入,接地,微型计算机总线,读,写,与用户通信接口,数据,控制,微型计算机总线,总线,用户终端显示,地址,(三)传感器接口,将检测对象输入到计算机的接口电路称为传感器接口电路,。,例如，与压力传感器、温度传感器、流速指示器、测速计等测试设备相连接的接口电路就是传感器接口电路的具体例子。,一个典型的微机系统与传感器接口的电路。,由图可见，与传感器接口的电路除了仍需要内务操作接口所用的驱动器、接收器和地址译码器等电路外，还需要将模拟量转换成数字量。通常模拟量是通过传感器而得到的。,温度传感器,典型的微处理系统的传感器接口,微计算机总线,地址,数据,控制,传感器接口,接收器,接收器,驱动器,与门,缓冲器,A/D,转换器,地址识别,地址,数据,控制,+V,热敏电阻,模拟量输入,数字量输出,微计算机总线,(四)控制接口,这类接口通常与“传感器接口”同时使用。,在过程控制中，必须先由传感器向微处理器提供控制对象的状态信息，然后通过微处理器进行处理，通过控制接口来实现微处理器对控制对象的控制。,通常微处理器送出的控制信号功率很弱(为,mVA,数量级)，因此必须在控制接口中加以功率放大，才能驱动执行部件。执行部件可以是控制用的步进电机、控制阀门开闭的线圈、发光二极管、灯泡等。,以微处理器为基础的机械控制器,ROM,与,RAM,CPU,传感器接口,控制接口,用户通讯接口,电源开关,40,字符显示,位置控制电机,液压控制器,总线,金属位置测距器,压力位置转动编码器,这类接口必须解决以下两个问题：,1)功率放大问题。,即将低电压弱电流信号放大到可以驱动控制对象执行元件所需的电压与电流值。,2)数模转换问题。,如果执行元件是用模拟量控制，则必须，将微处理器送出的数字量信息转换为模拟量信息，才能实现对执行元件的控制。,3接口电路设计时注意的几个问题,1)电源的分布,首先应当合理地选择整个系统是共用一个中央稳压电源还是每一块印制电路板各 用单独的电源。采用中央电源的优点是较省电，并且由于各块印制电 路板无单独电源，从而使其温度不 致太高，缺点是可靠性差，电源一旦出故障，整个系统就不能工作。采用分散的一块电路板配一个稳压电源，其优点是可靠性显著提高，缺点是各板工作温升较高，稳压电源元件较多。为了消除输入与输出端可能出现的寄生振荡，还要求并联容量大小不一的钽电容。图是这两种电源方案的示意图。,稳压电源,地,+5V,电路板,1,电路板,2,0.05V,0.10V,4.9V,4.95V,电压,4.8V,电压,4.9V,接线电阻,地,稳压器,稳压器,散热,散热,电压,5V,电压,5V,0.1V,0.05V,5.1V,7.95V,7.9V,+8V,地,非稳压电源,中央稳压电源,一板一稳压电源,干扰渠道示意图,整流电源,接口,控制器,IO,辐射干扰,供电干扰,接地干扰,强电干扰,辐射干扰,驱动器,检测器,三、接口电路的抗干扰,2接口电路的抗干扰措施,在控制器与驱动器之间的接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。,对于这种干扰，首先是采取,吸收,的方式，抑制其产生，然后采取,隔离,的方法，阻断其传导。,(1)强电干扰吸收电路 在电感负载断开时，会产生过电压，,强电干扰,阻容抗干扰电路,R,R,R,R,R,M,3,R,C,W,C,C,通,断,U,L,E,t,U,L,=L,*di/dt,通,断,t,U,L,E,S,W,U,W,对于强电干扰，除用,RC,电路外，还采用二极管和稳压二极管来吸收过电压。,强电干扰吸收电路,VD,VD,VD,W,W,VD,W,VD,W,W,(2)驱动接口的隔离,为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器，通常采用光电隔离。,驱动接口的隔离措施,12V,K,3K,3K,5.1K,10K,51pF,51pF,VLC,(3)变送接口的隔离,对于由检测器传来的模拟信号，通常采用差动运算放大器来隔离干扰，其原理如图所示。,检测器,输入信号,差动式运算放大器抗干扰原理,输出信号,U,R,U,R,1,R,2,R,3,U,U,干扰,模拟信号抗干扰接口电路,+,-,检测器,010mA,05V,05V,+6V,-5V,VD,C,1,V,0,A/D,R,8,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,R,7,330,270,130k,51k,130k,130k,1k,10k,10F,远距离数字信号抗干扰接口电路,+,-,检测器,VD,V,i,+5v,VLC,TTL,CTC,或,PIO,V,0,&,R,1,R,2,10k,270,R,3,3k,R,4,2k,近距离抗干扰电路,对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用图所示抗干扰电路。由,R1,和,C1,组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过,RC,滤波器后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加一级斯密特电路来整形。,&,&,CTC,或,PIO,R,1,R,2,R,3,2k,1k,V,i,V,0,TTL,斯密特电路,3接地系统的抗干扰措施,防止从接地系统传来的干扰，主要方法是,切断接地环路,，通常采用下述措施：,(1)单点接地,由于接地点远离而形成的环路，可采用图,a,所示单点接地的方法来切断。,(2)并联接地,由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可用如图,b,所示并联接地的方法来切断。,抗干扰接地系统,a),单点接地系统,b）,并联接地系统,传感器,屏蔽层,变送借口,整流电源,CRT,控制器,打印机,接口,(3)光电隔离,对于用长线传输的数字信号，可用光耦合器来切断接地环路。图为控制器与主机分离的控制系统，采用双重光电隔离来切断多点接地环路的例子。图中1、2、3表示不同的接地点。采取这种措施，不仅能消除公用接地线及其引进的干扰，而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题，因此可用普通导线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输。,接地线要有足够的截面积，以免电阻过大影响接地电位。,光电隔离接地系统,I/O,I/O,D/A,A/D,1,1,2,2,3,3,3,驱动器,检测器,主机,控制器,光信号,光信号,传输长线,四、接口电路的应用,(一)数字输入输出接口电路,1开关量输入接口电路,图为较简单的接口转换电路，当其中一个触点(如,K1),闭合，光耦合件的发光二极管电路导通，二极管发光照射光敏三极管，使其也导通，输出高电平；反之输出低电平。,光电耦合的接口转换电路,+24V,K,1,K,2,VLC,+5V,R,2,输出,V,0,R,输出,V,0,+5V,R,2,R,3,R,4,C,R,1,VT,开关输入电路中最大的问题是防止接点的抖动，因为一般接点均有抖动，且由闭合变断开时的抖动现象比断开变闭合时显著。为了防止抖动，除上述电路中用,RC,电路以外，还可采用施密特电路或,RS,触发器。图示出了,RS,触发器的消振原理和波形图。,RS,触发器消振原理,Q,Q,RS,触发器,R S,+5,V,S,R,Q,2开关量输出的接口电路,开关量输出电路是将计算机输出的,TTL,电平转换为控制继电器、指示灯等所需的开关状态信号，并由此去控制有接点或无接点开关的开闭。这种电路一般采用光电耦合电路加功率晶体管驱动电路，或采用隔离变压器电路加功率晶体管驱动电路。,采用隔离变压器的驱动电路,来自,CPU,K,&,Vi,+24,V,V,CC,Y1,CP,采用光耦合器的驱动电路,K,R,2,R,1,V,i,VLC,VT,+12V,+24V,+5V,+12V,V,i,R,1,R,2,R,3,R,4,GD,K,固体电子继电器,电磁式继电器的优点是结构简单，且额定电压高，额定电流大，但易磨损和接触不良，且开关动作的速度相对较慢。固体电子继电器没有活动部件和触点，也就是无磨损和接触不良等问题，开关时间也很短。,8255,1,压电式蜂鸣器（,273-060,）,红,黑,NC,TIL11,或,4N25,PA,1,7404,+5V,+5V+9V,1,2,3,4,5,6,(二)模拟输入输出接口电路,1,DA,转换器与,CPU,的接口及程序设计,DA,转换器与,CPU,连接的方式有多种。有用锁存器连接，有用可编程接口8255或,PIO,连接。到底采用哪种方法由,DA,转换器的结构形式及系统的要求确定。,输入电路的程序设计首先要考虑模拟、数字输入输出电路与微机之间信息交换采用的方式。,1,、无条件传输,2,、查询方式。,3,、中断方式。,4,、,DMA,方式,作业,1,简述接口电路的类型。,2,接口电路中的干扰源有哪些？各采取哪些措施进行抗干扰？,第二节 单片微型计算机,一、概述,(一)单片机的特点,单片微型计算机简称为单片机，即在一块芯片上集成了,CPU、RAM、ROM、,定时计数器和多种,IO。,单片机可看成一个不带外围设备的微型计算机，它具有体积小、功能强、价格便宜等优点，被广泛用于机电一体化产品和机电一体化系统中。,单片机结构上采用数据存储空间与程序存储空间相互分离的结构。它的功能是通用的，可以像一般的微处理器广泛应用在各个方面。单片机上的,RAM,作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器用。单片机主要有以