第4章：微机控制系统及接口设计课件.ppt

1、4.1 微机控制系统微机控制系统4.2 微机应用系统的输入微机应用系统的输入/输出控制的可靠输出控制的可靠性设计性设计4.3 常用检测传感器的性能特点、选用及常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口其微机接口微机控制系统的设计主要包括：微机控制系统的设计主要包括：选用微机选用微机 设计接口设计接口 选用控制形式选用控制形式 动作控制方式等动作控制方式等1、专用与通用的抉择、专用与通用的抉择专用适合于大批量生产的机电一体化专用适合于大批量生产的机电一体化产品；产品；通用控制系统适合于多品种、中小批通用控制系统适合于多品种、中小批量生产的机电一体化产品；量生产的机电一体化产品；如果要求具有机械与

2、电子有如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，必须选用专机结合的紧凑结构，必须选用专用控制系统；用控制系统；1）就是选用适当的通用）就是选用适当的通用IC芯片来芯片来组成控制系统组成控制系统2）重新设计制作专用集成电路）重新设计制作专用集成电路1）合理选择主控制微机机型）合理选择主控制微机机型2）设计接口）设计接口3）编制应用软件）编制应用软件实质上是通过接口设计和软件编制来使实质上是通过接口设计和软件编制来使通通用微机专用化用微机专用化的问题。的问题。由由经济性经济性和和可靠性可靠性的标准权衡决定。的标准权衡决定。必须使用分立元件组成硬件必须使用分立元件组成硬件时，最好采用时，最好采用软件

3、软件；1、确定系统整体控制方案、确定系统整体控制方案1）从系统构成上考虑是否采用开）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制；环控制或闭环控制；3 3）考虑系统是否有特殊控制要求）考虑系统是否有特殊控制要求及采取的措施是什么？及采取的措施是什么？5）初步估算其成本。）初步估算其成本。6）画出系统组成的初步框图）画出系统组成的初步框图 建立系统的数学模型，确定建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。进行控制。v控制速度控制速度v控制精度控制精度v系统稳定性系统稳定性 力力发发生生故故障障时时紧紧急急处处理理能能控控制制能能力力系系统统正正常

4、常运运行行时时的的实实时时实实时时中中断断（1）对微型计算机的要求）对微型计算机的要求1）较完善的中断系统）较完善的中断系统必须具有实时中断能力必须具有实时中断能力 ）只只读读存存储储器器（）随随机机存存储储器器（存存储储器器ROMRAM 存放数控程序及中间运算结果。存放数控程序及中间运算结果。)()88(2186:)886264NVRAMRAMkRAMkRAMRAMMOSRAM非非易易失失性性动动态态（：静静态态型型双双极极型型存放系统程序。存放系统程序。ROMROMROM可可擦擦除除可可编编程程可可编编程程掩掩膜膜型型 EPROM 紫外光可擦除紫外光可擦除 E2PROM 电可擦除电可擦除

5、KEPROM 带键保护带键保护2716（2k8)27128(16k8)完备的输入输出通道包括：完备的输入输出通道包括：1）开关量输入）开关量输入/输出通道输出通道2）模拟量输入）模拟量输入/输出通道输出通道3）直接数据通道）直接数据通道1）字长）字长2）速度）速度3）指令）指令 数据的精度数据的精度 寻址的能力寻址的能力 指令的数目指令的数目 执行操作的时间执行操作的时间 通常的顺序控制、程序控制可选用通常的顺序控制、程序控制可选用 1 位微处理器位微处理器 对计算量小、计算精度和速度对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用要求不高的系统可选用 4 位机；位机；对计算精度要求较高、处对计

6、算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用理速度较快的系统可选用 8 位位机机 对计算精度要求高、处理对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用速度快的系统可选用 16 位以位以上的微机。上的微机。速度的选择可根据被控对象而定速度的选择可根据被控对象而定对于同一算法、同一精度要求时：对于同一算法、同一精度要求时：执行速度较快执行速度较快字长短字长短对指令的要求是：系统要有有较丰富的对指令的要求是：系统要有有较丰富的 逻辑判断指令逻辑判断指令 外围设备控制指令外围设备控制指令 单片机单片机 单板机单板机 可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）总线型工业控制计算机总线型工业控制计算机 微机微机 成本

7、高低成本高低 程序编制难易程序编制难易 扩充输入扩充输入/输出接口是否方便等输出接口是否方便等 价格低，体积小，便于现场价格低，体积小，便于现场应用和维护管理应用和维护管理 内存小，接口电路小内存小，接口电路小 使用机器语言编程使用机器语言编程 受集成度限制，片内存储器容量受集成度限制，片内存储器容量较小；较小；可靠性高；可靠性高；易扩展易扩展；控制功能强；控制功能强；有固定的开发软件有固定的开发软件特点：特点：控制程序可变，具有很好的柔性；控制程序可变，具有很好的柔性；可靠性强、适用于工业环境；可靠性强、适用于工业环境；编程简单，使用方便；编程简单，使用方便；功能完善功能完善 体积小、重量轻

8、、易于装入机器内部体积小、重量轻、易于装入机器内部特点：特点：提高设计效率，缩短设计和制造周期提高设计效率，缩短设计和制造周期 提高了系统的可靠性；提高了系统的可靠性；便于调试和维修；便于调试和维修；能适应技术发展的需要，迅速改进系能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能统的性能 ISA总线总线 VESA 总线总线 PCI总线总线 AGP标准标准 STD总线总线 ISA（industrial standard architecture）总线标准是总线标准是IBM 公司公司1984年为推出年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以机而建立的系统总线标准，所以也叫也叫AT总线。它是对总线。它是

9、对XT总线的扩展，总线的扩展，以适应以适应8/16位数据总线要求。位数据总线要求。VESA（video electronics standard association）总线是）总线是 1992年由年由60家家附件卡制造商联合推出的一种基于附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的的32位局部总线，简称位局部总线，简称为为VL(VESA local bus)总线。总线。PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一。总线是当前最流行的总线之一。它支持它支持33MHZ的时钟频率，定义了的时钟频率，定义了32位数位数据总线，且可扩展为据

10、总线，且可扩展为64位。位。PCI总线主板插槽的体积比原总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽总线插槽还小，其功能比还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为支持突发读写操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。，可同时支持多组外围设备。随着随着90年代年代Pentium系列微处理器的系列微处理器的出现，要求的总线频率都在出现，要求的总线频率都在66MHz或或者者66MHz以上，由于以上，由于PCI总线的频率总线的频率只有只有33MHz，这样就成了超高速系统，这样就成了超高速系统的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，的一个传送瓶颈，为

11、了解决这个问题，而推出了而推出了AGP（Accelerated Graphics Port）标准。）标准。STD总线是美国总线是美国PRO-LOG公司公司1978年年推出的一种工业控制微型机的标准系统推出的一种工业控制微型机的标准系统总线。总线。STD总线采用小板结构，高度模块化，总线采用小板结构，高度模块化，是一种以小尺寸插板结合是一种以小尺寸插板结合LSI技术建立技术建立了一种以功能模块的方法来进行面向控了一种以功能模块的方法来进行面向控制的系统设计。制的系统设计。STD它被国际标准化会它被国际标准化会议定名为议定名为IEEE961。具有丰富的系统软件具有丰富的系统软件 编程、调试方便编程

12、、调试方便 系统内存大系统内存大 数据输入输出速度快数据输入输出速度快 成本较高，抗干扰能力差成本较高，抗干扰能力差依据：依据：整体方案初框图整体方案初框图 设计要求设计要求 微机类型微机类型 硬件与软件功能的分配与协调硬件与软件功能的分配与协调 接口设计接口设计 通道设计通道设计 操作控制台设计操作控制台设计 可靠性设计等问题。可靠性设计等问题。硬件与软件功能的分配与硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标协调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；进行权衡；首先要合理地使用已有的接口首先要合理地使用已有的接口 其次当通用接口不够时应进行接其次当通用接口不够时应进行接口的扩展；口的扩展；

13、选用功能接口板选用功能接口板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 控制要求控制要求 能够得到何种元件能够得到何种元件 扩展接口的方便程度扩展接口的方便程度 p 硬件工作量小硬件工作量小p 可靠性高可靠性高缺点：缺点：p 价格较贵价格较贵一般只用来组成较大的系统一般只用来组成较大的系统如：如：u8255：三个：三个8位并行口位并行口u8243：四个：四个4位并行口位并行口u8251：串行口：串行口u8279：专用键盘显示控制芯片：专用键盘显示控制芯片适用于适用于 组成较小的控制系统。组成较小的控制系统。可设计任意要求的接口，价可设计任意要求的接

14、口，价格低，但可靠性差。格低，但可靠性差。如：如：74LS138：三：三-八译码器八译码器 74LS373：八位锁存器：八位锁存器 74LS244：三态缓冲器等：三态缓冲器等如何扩展接口；如何扩展接口；如何安排通过各接口电路如何安排通过各接口电路I/O端的端的输入输入/输出信号，选定各信号输入输出信号，选定各信号输入/输输出时采用何种控制方式。出时采用何种控制方式。包括：包括：通道类型通道类型 通道组成通道组成 通道芯片的选择通道芯片的选择 开关量输入开关量输入/输出通道输出通道 模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道 数字量输入数字量输入/输出通道输出通道输输入入口口输入输入波形波形R:R:

15、上拉电阻上拉电阻OFF:OFF:高电平高电平ON:ON:低电平低电平功率驱动等功率驱动等输入通道输入通道 输出通道输出通道电平转换电路电平转换电路去抖动电路去抖动电路抗干扰电路等抗干扰电路等输输入入口口输入输入波形波形R:R:上拉电阻上拉电阻OFF:OFF:高电平高电平ON:ON:低电平低电平开关输入电路波形开关输入电路波形开关：开关：OFFOFF开关：开关：ONON开关：开关：OFFOFF开关：开关：ONON无抖动无抖动时间时间高电平高电平低电平低电平有抖动有抖动发生抖动的时间发生抖动的时间10ms10ms以下以下8255光电隔离电路光电隔离电路A相放大相放大A相放大相放大A相放大相放大步进

16、步进电机电机环形分配器环形分配器进给进给方向方向光电隔离电路光电隔离电路定时器定时器PA0PA1PA2PB微微机机I/O光电隔离电路光电隔离电路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路步进电机步进电机输入通道：输入通道：信号处理装置信号处理装置 采样单元采样单元 采样保持器采样保持器 A/D转换等转换等输出通道：输出通道：D/A转换转换 放大器等放大器等ADC9080通过通过8255A与与CPU连接连接模拟量模拟量 操作控制台主要是为现场操操作控制台主要是为现场操作人员使用的作人员使用的1）有一组或几组数据输入键）有一组或几组数据输入键2）有一组或几组功能键或转换开关

17、）有一组或几组功能键或转换开关4）有）有“急停急停”按钮，按钮，对于对于比较小的控制系统比较小的控制系统，可通过重新设计一个键盘管理程可通过重新设计一个键盘管理程序将原系统所带的输入键盘进行序将原系统所带的输入键盘进行改造。改造。实用性实用性 可靠性好可靠性好 操作方便操作方便 成本高成本高 要占用输入要占用输入/输出接口输出接口 缺乏必要的数字显示和状态显示缺乏必要的数字显示和状态显示软件的设计主要是应用软件的设计；软件的设计主要是应用软件的设计；l实时性实时性l针对性针对性l灵活性灵活性l通用性通用性1）模块化程序设计）模块化程序设计2）结构化程序设计）结构化程序设计调试的步骤是：调试的步

18、骤是：硬件调试硬件调试软件调试软件调试系统调试系统调试 元器件的筛选及老化元器件的筛选及老化 印制电路板的制作印制电路板的制作 元器件的焊接和试验元器件的焊接和试验 连续考机运行连续考机运行 各模块的分别调试各模块的分别调试 固化到固化到EPROM中中 整机模拟实验整机模拟实验 现场实验现场实验1、能够可靠地传动控制信息，并能、能够可靠地传动控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；够输入有关运动机构的状态信息；2、能够进行相应的信息转换，、能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入以满足微机对输入/输出信息输出信息的转换要求；的转换要求；3、应具有较强的阻断干扰信、应具有较强的阻断干扰信号进

19、入微机控制系统的能力，号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。以提高系统的可靠性。1、光电隔离电路原理、光电隔离电路原理1输入信号输入信号（来自微机）（来自微机）输出输出（去执行系统）（去执行系统）VC +5V +12VG（1）可将输入与输出两部分电）可将输入与输出两部分电路的地线分开，各自使用一套电路的地线分开，各自使用一套电源供电；源供电；（3）提高驱动能力。）提高驱动能力。输入输入输出输出123管脚管脚3主要主要用于温度补用于温度补偿及检测等。偿及检测等。适用于输入信号频率在适用于输入信号频率在100KHz以下的系统以下的系统1）普通型）普通型 适用于输入信号频率在适用于输入信号频

20、率在100KHz以以上，但负载较小的系统。上，但负载较小的系统。输入输入输出输出12+-可直接驱动频率较低的负载可直接驱动频率较低的负载输入输入输出输出12+-常用于大功率的隔离驱动场合常用于大功率的隔离驱动场合输入输入输出输出12+-3 将微机与前向、后向通道以及其将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。有效地防止干扰信号进入微机。其它其它I/O设备设备多通道多通道地地 址址选选 择择光电耦合光电耦合光电耦合光电耦合地址选择地址选择后向接口后向接口光电耦合光电耦合D/A或或执行机构执行机构CPU前向接口前向接口光

21、电耦合光电耦合A/D光电耦合的基本配置光电耦合的基本配置输出输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输入接口光电耦合输入接口输出输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输出接口光电耦合输出接口+12VT8255（8155）PA.3R1+5VR28255、8155与光电耦合器的输出接口与光电耦合器的输出接口+12VTR1R41、弱电转强电电路、弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制系微机应用系统中的微机发出的控制系统一般要经过功率放大后，才能驱动各类统一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件。执行元件。G功放电路功放电路继电器继电器G功放电路功放电路继电器继电器G功放电路功放电路继

22、电器继电器G功放电路功放电路直流电磁铁直流电磁铁交流接触器交流接触器AC电机电机AC电机电机电磁铁电磁铁来来自自微微机机开开关关量量功率较大功率较大功率较小功率较小微微机机I/O光电隔离电路光电隔离电路A相功放电路相功放电路B相功放电路相功放电路C相功放电路相功放电路步进电机步进电机采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成应用在驱动元件为步进电动机的系统中。应用在驱动元件为步进电动机的系统中。微机微机D/A功放及速度控制功放及速度控制直流伺服电机直流伺服电机位置反馈位置反馈速度反馈速度反馈直流伺服电机的控制回路直流伺服电机的控制回路D/A信号信号放大

23、器放大器电液电液伺服阀伺服阀液压液压执行元件执行元件来来自自微微机机的的数数字字量量电液转换控制回路电液转换控制回路8255光电隔离电路光电隔离电路A相放大相放大A相放大相放大A相放大相放大步进步进电机电机简易数控步进电机的控制通道组成简易数控步进电机的控制通道组成环形分配器环形分配器进给进给方向方向光电隔离电路光电隔离电路定时器定时器PA0PA1PA2PB机电一体化系统中的检测传感器机电一体化系统中的检测传感器1、分类、分类1）按作用分）按作用分 激激光光测测距距机机无无线线电电接接受受机机纯纯工工程程性性传传感感器器听听觉觉传传感感器器等等压压觉觉传传感感器器与与人人体体感感官官对对应应传

24、传感感器器外外部部信信息息传传感感器器温温度度传传感感器器等等力力传传感感器器速速度度传传感感器器内内部部信信息息传传感感器器 ）代代码码型型（编编码码器器、磁磁尺尺计计数数器器）计计数数型型（二二值值数数字字型型电电感感、电电阻阻型型电电压压、电电流流型型电电阻阻型型模模拟拟型型接接近近开开关关）非非接接触触型型（光光电电开开关关、触触开开关关）接接触触型型（微微动动开开关关、接接开开关关型型 湿湿度度传传感感器器等等温温度度传传感感器器力力和和力力矩矩传传感感器器速速度度和和加加速速度度传传感感器器位位移移、位位置置传传感感器器1）体积小、重量轻，对整机的适）体积小、重量轻，对整机的适应性

25、好应性好2）精度和灵敏度高、响应快、稳）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高定性好、信噪比高4）便于与计算机联接）便于与计算机联接5）不易受被测对象性的影响，也不影响）不易受被测对象性的影响，也不影响外部环境；外部环境；7）现场处理简单、操作性好）现场处理简单、操作性好8）价格便宜）价格便宜1、静态特性、静态特性 1）量程量程 2）线性范围）线性范围 3）线性度）线性度5）精确度）精确度6）分辨率）分辨率7）迟滞）迟滞8）稳定性）稳定性 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 包括产品的应用环境、使用条件包括产品的应用环境、使用条件和维护条件和维护条件1）根据使用要求选择传感器）根据使用要求

26、选择传感器 根据实际的需要和可能，在确根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求。放宽对次要性能指标的要求。1）平均技术）平均技术2）差动技术）差动技术3）稳定性技术）稳定性技术4）屏蔽技术和隔离）屏蔽技术和隔离生生产产过过程程信号源信号源传传感感器器电信号电信号信信号号处处理理模拟信号模拟信号采采样样-保保持持采样信号采样信号A/D转转换换计算机计算机数字信号数字信号数据采集通道的一般组成数据采集通道的一般组成（1）模拟量接口方式）模拟量接口方式（2）开关量接口方式）开关量接口方式（3）数字量接口方式）数字量接口方式接口方式

27、接口方式基基 本本 方方 法法 模拟量接模拟量接口方式口方式传感器输出信号传感器输出信号放大放大采样保持采样保持模拟模拟多路开关多路开关 A/D转换转换 I/O接口接口微机微机开关量接开关量接口方式口方式开关型传感器输出二值式信号开关型传感器输出二值式信号三态缓冲三态缓冲器器微机微机数字量接数字量接口方式口方式数字型传感器输出数字量数字型传感器输出数字量计数器计数器 三态三态缓冲器缓冲器微机微机 单通道直接型单通道直接型 多通道一般型多通道一般型 多通道同步型多通道同步型 多通道并行输入型多通道并行输入型生生产产过过程程计计算算机机信号信号源源传传感感器器电信电信号号信信号号处处理理模拟模拟信

28、号信号采采样样-保保持持采样采样信号信号A/D转转换换数字数字信号信号信号信号源源传传感感器器电信电信号号信信号号处处理理模拟模拟信号信号采采样样-保保持持采样采样信号信号A/D转转换换数字数字信号信号最简单的形式，应用范围窄。最简单的形式，应用范围窄。生生产产过过程程传传感感器器传传感感器器多多路路开开关关A/D转换转换计计算算机机.采样采样/保持保持p节省硬件成本，但转换速度更慢节省硬件成本，但转换速度更慢p常用于分时采样、分时转换的计算常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。机控制系统中。生生产产过过程程传传感感器器采样采样-保持保持传传感感器器采样采样-保持保持多多路路开开关关A/D转换转换计计算算机机.结构节省硬件，但转换速度结构节省硬件，但转换速度比较慢，且误差增加；比较慢，且误差增加；多用于转换速度、精度要求多用于转换速度、精度要求不高，须同时采集、分时转不高，须同时采集、分时转换的控制系统。换的控制系统。生生产产过过程程计计算算机机传传感感器器信信号号处处理理采采样样-保保持持A/D转转换换多多路路开开关关