1、8/26/2021 8/26/2021 计算机控制技术基础 8/26/2021 第一章微机控制系统概述 主要内容： 1、微机控制系统的组成 2、微机控制系统的分类 3、微机控制系统的发展概况及趋势 8/26/2021 工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正 是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。 计算机已经成为工业控制不可分割的重要部分。 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工 业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。 目的在于使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制 系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。 8/26/2021 闭环控制系统 图1-1给出了
2、按偏差进行控制的闭环控制系统框图，其特 点是需要控制对象的反馈信号。 控制器执行机构被控对象 测量元件变换发送单元 给定信号被控参数 图1-1 闭环控制系统框图 8/26/2021 开环控制系统 图1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系 统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象 工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。 特点是结构简单，性能较差。 给定信号 控制器执行机构被控对象 被控参数 图1-2 开环控制系统框图 8/26/2021 计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控 制的系统。计算机控制系统由计算机本体（包括硬件、 软件和网络结构）和受控对象两大部
3、分组成。下图是一 个典型的按偏差进行控制的计算机控制系统。 图1-1中的控制器用微型计算机来代替。 8/26/2021 几个常用术语 在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内 完成 在线与实时的关系 一个在线系统不一定是实时系统 一个实时系统必定是在线系统 8/26/2021 硬件组成 计算机：CPU、 RAM / ROM 通用外设：打印、传送数据和存贮设备 I/O接口：与外部设备进行数据交换 检测元件及执行机构：传感器、压力变换器等 运行操作台 ：显示屏、功能
4、键、数字键 8/26/2021 微机控制系统组成 8/26/2021 微机控制系统的软件组成 系统软件 提供计算机运行和管理的基本环境，如各种语言 的汇编、解释和编译软件，监控管理程序、操作系统等 应用软件 直接的控制程序，面向生产过程 8/26/2021 操作指导控制 系统 数据采集和监 视，计算机不直 接参与控制过程， 只是收集、处理 被控对象的过程 参数，由操作员 根据处理的过程 参数来实现系统 的操作。 8/26/2021 直接数字控制 （Direct Digital Control, DDC） 由微机对被控对 象的多项参数实 现检测、比较、 并按照指定的控 制规律进行控制 算法运算，
5、通过 执行机构实现对 被控对象的控制。 计算机参与闭环 控制过程。 管理命令 DDC微型机 报告 人工监管 给定值测量值 A/D 多路开关 检测元件 D/A 反多路开关 生产过程 8/26/2021 监督控制系统（Supervisory Computer Control, SCC） 给定值控制，效果取决于数学模型的精度 两种不同的结构： SCC模拟调节器 SCCDDC 8/26/2021 SCC模拟调节器 SCCDDC 8/26/2021 嵌入式系统的概念 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统的
6、特点 配有高效的中断处理能力，所以具有很强的实时多任务 任务处理能力； 配有模块化的软件存储区，具有很强的存储保护能力； 具有可扩展的处理器结构，便于开发； 具有极低的功耗，适应于高集成度、移动应用等场合； 8/26/2021 嵌入式系统一般 由嵌入式硬件和 软件组成； 硬件包括：微处 理器、存储器、 输入设备、输出 设备等； 软件包括：初始 化代码，驱动程 序、操作系统、 应用程序等； 8/26/2021 信息家电类信息家电类 移动终端类移动终端类 通信类通信类 汽车电子类汽车电子类工业控制类工业控制类 8/26/2021 工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空 航天等行业技术升级的重要基础
7、 8/26/2021 阿富汗参加反恐作战的阿富汗参加反恐作战的“赫赫 耳墨斯耳墨斯”价值价值4 4万美元，可携带万美元，可携带2 2 架摄像机，发挥了很好作用。架摄像机，发挥了很好作用。 8/26/2021 基于Win CE的移动机器人平台 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 分布式控制系统（Distributed Control System, DCS） 分散控制，集中管理 装置控制级（DDC级） 车间监督级（SCC级） 工厂集中控制级（MIS） 企业管理级（MIS） 三层结构模式：操作站控制站现场仪表 8/26/2021 企业级 经营管理计算机 工厂级 集中控制计算
8、机 车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC） 装置控制级 （DDC） 装置控制级 （DDC） 装置控制级 （DDC） 工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D 至其它工厂至其它工厂 装置控制级 （DDC） 8/26/2021 现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS ） 新一代分布式控制结构 以“工作站现场总线仪表”的二层结构完成DCS三 层结构的功能 可以降低成本，提高可靠性，实现真正的开放式互 连系统结构 8/26/2021 8/26/2021 系统的特征： 系统中的各个部件之间采用数字信号传输。 系统中的各个单元多为带有CPU的智能单元，具有
9、极强 的单元处理能力。 系统中的具有较强的互换性，不同厂家、品牌的单元 均可互换。 系统的标准是全开放式的。 系统的数字传输可使用多种传输介质、不同的网络拓 扑结构。 8/26/2021 微机控制系统的发展概况及趋势 微机的分类 1、单片机：集成度高，功能强；结构合理，存储量大，速 度快；抗干扰能力强；指令丰富。 2、PLC： 抗干扰能力强 适应性好； 编程直观、简单；组 合灵活，接口功能强，安装容易。 3、工业PC：在个人计算机上作了改进，但性能较个人计算 机差一些。 选用原则 1、对于小型控制系统，智能化仪表等采用嵌入式系统。 2、新产品或者用量大的场合采用嵌入式系统。 3、中等规模，要求
10、开发速度快，用PLC等。 4、大型工业控制系统用工业PC或者DCS系统 8/26/2021 第二章 模拟量输入/输出接口技术 主要内容： 1、多路开关及采样-保持器 2、模拟量输出通道接口技术 3、模拟量输入通道接口技术 8/26/2021 过程通道：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。（AI、AO、DI、DO） 8/26/2021 数字量输入（DI）通道： 把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或 中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算 机(检测通道) 输 入 调 理 电 路 输 入 缓 冲 器 地址译码器 生 产 过 程 P C 总 线 8/26/2021
11、 数字量输出（DO）通道： 把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、 脉冲信号或开关信号(控制通道,电磁阀)。 输 出 驱 动 器 输 出 锁 存 器 地址译码器 生 产 过 程 P C 总 线 8/26/2021 模拟量输入（AI）通道： 把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温 度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA)变换成二进制的 数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道) 模拟量输出（AO）通道： 把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相 应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀) 8/26/2021 信号转换中的采样、量化和编码 计算机控制系统，
12、就必须首先解决模拟量数 字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下3个问 题： 采样（Sample） 量化（Quantity） 编码（Coding） 8/26/2021 当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个 器件 理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。 要求切换速度快。 两大类： 机械触点式, 干簧继电器, 机械振子继电器 电子开关式, 晶体管开关,集成电路开关, 场效 应管 8/26/2021 选择要求 机械触点式, 干簧继电器 接触电阻小, 断开电阻大; 寿命长106107; 工作频率 400Hz; 小信号中速度(10400点/s) 电子开关式 工作频率高达1000点/s,
13、体积小,寿命长.缺点导通电阻大, 小信号测量精度受影响 选择考虑因数: 通路多少;电平高低;单端/差动输入方式?; 寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精 度 8/26/2021 功能 在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状 态时，能使输出值不变。一般用在同步系统中或转换速 度较慢的输入通道中。 最简单的采样/保持器是由开关和电容组成 RK Vx C Vout . 8/26/2021 输入输出特性 8/26/2021 CD4051是8通道双 向多路开关。其 引脚结构如右图 所示。 8/26/2021 引脚图中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可 以译出8
14、种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。当INH=1时， 通道断开；当INH=0时，通道接通。改变图中 IN/OUT07及OUT/IN的 传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如表所示。 8/26/2021 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的 多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的 多路开关的方法如图所示。 8/26/2021 随着大规模集成电路的发展，已生产出各种各样的采样/ 保持器。如用于一般目的有AD582、AD583、LF198/398等； 用于高速的有THS-0025、THS-0060、THC-0030、THC- 1500等；用于高分辨率的有SHA1144、A
15、DC1130等。 多路开关及采样保持器的应用设计应用系统时，使用这 类电路的要求。 采样速度的要求：在模拟信号变化较平缓，采样速度较 快时，可以不使用采样-保持电路。 采样精度的要求；在采样精度要求不是太高，并且模拟 信号变化不是太快时，可以不使用采样-保持电路。 8/26/2021 8/26/2021 D/A转换器的原理 转换原理可以归纳为“按权展开，然后相 加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码 网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络 和T型电阻网络。 8/26/2021 8/26/2021 E为基准电压 为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控
16、制 相应位为“0”，开关接地 相应位为“1”，开关接E 为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大， 电阻越大(电流越小)，以保证一定权的数字信号产生相 应的模拟电流 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态 对电流求和 41 SS R n 2 8/26/2021 设输入数字量为D，采用定点二进制小数编码，D可表示 为： 当 时开关接基准电压E，相应支路产生的电流为 当 时，开关接地，相应支路中没有电流。 因此，各支路电流可以表示为： 这里： 12 12 1 2222 n ni ni i Daaaa 1 i a 2 i i i E II R 0 i a 2 i ii II a 2IE
17、R 8/26/2021 运算放大器输出的模拟电压为： 可见，D/A转换器的输出电压 U 随着输入数 字量 D的增加而增加。 11 12 12 2 2 (222) nn i ififf ii n fn UIRI aRI RD E Raaa R 8/26/2021 8/26/2021 从节点a, b, c, d向右向上看，其等效电阻均为2R 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”， 开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地。 流经各切换开关的支路电流分别为 ， ， ， 各支路电流在运算放大器的虚地相加 1 2 REF I 1 4 REF I 1 16 REF I 1 8 REF
18、I 8/26/2021 运算放大器的满度输出为 这里满度输出电压(流)比基准电压(流)少了1/16， 是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译 码错误 对 n 位D/A转换器而言，其输出电压为 111115 () 2481616 FSREFREF UIRIR 12 12 (222) n REFn UIRaaa 8/26/2021 多路模拟量输出通道的结构形式 主要取决于输出保持器的构成方式 输出保持器的作用：在新的控制信号到来 之前，使本次控制信号维持不变 两种基本结构形式： 一个通路设置一个D/A转换器 多个通路共用一个D/A转换器 8/26/2021 电流输出型, 主要特点： 可与各种微
19、处理器直接接口 输入为8位二进制码， 所有引脚(20个)与TTL兼容 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式 电流稳定时间1 S，满量程误差为1LSB 5V15V单一电源，低功耗20 mW 参考电压为10V10V 8/26/2021 内部结构 8/26/2021 引脚结构： 20引脚，双列直插式 封装 数 字 量 输 入 线 D7D0（8条） 控制线（5条） 输 出 线 （ 3 条 ） Iout1,Iout2,Rf 电源线（4条） 8/26/2021 引脚功能说明： 输入信号D7D0 输出信号IOUT1，且IOUT1 IOUT2为常量，Rfb为反馈信 号输入端，反馈电阻在片内 控制信号：
20、 为允许输入锁存信号， 和 分别为输入寄存器和DAC寄存器的写信号， 为传送 控制信号， 为片选信号 电源信号：VCC为主电源，VREF为基准电压，AGND和 DGND分别为模拟地和数字地 1 WR 2 WRLE I XFER CS 8/26/2021 因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了 取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器， Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接 法如下图所示： - + OA . Vout Rf Iout1 Iout2 8/26/2021 单极性输出方式 8/26/2021 双极性输出方式 1 1 1 ()2(2) (1) 22 outREF ou
21、tREFoutREF n VVD VRVVV RR 8/26/2021 运算放大器OA2的作用是将运算放大器OA的单 向输出转变为双向输出，用图形表示如下： V Vout +VREF -VREF 00HFFH80H B 8/26/2021 数正基准富基准 符号-数值码2的补码偏移2进制码 +7+7/8-7/8011101111111 +6+6/8-6/8011001101110 +5+5/8-5/8010101011101 +4+4/8-4/8010001001100 +3+3/8-3/8001100111011 +2+2/8-2/8001000101010 +1+1/8-1/80001000
22、11001 +0+0-0000000001000 -0-0+01000（0000）（1000） -1-1/8+1/8100111110111 -2-2/8+2/8101011100110 -3-3/8+3/8101111010101 -4-4/8+4/8110011000100 -5-5/8+5/8110110110011 -6-6/8+6/8111010100010 -7-7/8+7/8111110010001 -8-8/8+8/810000000 8/26/2021 单缓冲方式 DAC0832的两个寄存器中有一个处于直通方式，而另 一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时锁存。 8/26
23、/2021 DAC0832采用的是单缓冲单极性的接线方 式，它的选通地址为7FFFH 实现D/A转换的程序如下： MOV DPTR，#7FFFH；输入0832口地址 MOV A，#data；读取数据 MOVX DPTR，A ；执行D/A转换 SJMP $ 8/26/2021 双缓冲方式 8/26/2021 双缓冲方式 DAC0832采用的是双缓冲双极性的接线方式，输入寄 存器的地址为FEH，DAC寄存器的地址为FFH 实现D/A转换的程序如下： MOVDPTR，#0FDFFH；建立地址指针 MOVX DPTR ， A；转换数据送输入寄存器 INCDPH ；产生DAC寄存器地址 MOVX DPT
24、R ，A；数据送入DAC寄存器并进行D/A转换 SJMP $ 8/26/2021 常用A/D转换方式： 逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较） ADC0809（8位），AD574（12位） 双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 计数比较式：转换速度慢，抗扰性差，较少采用 8/26/2021 8/26/2021 采用对分搜索原理来实现A/D转换 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比较器、 时序及控制逻辑等部分组成 工作过程：逐次把设定在SAR中的数字量所对应的D/A转 换器输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比 较
25、时从SAR中的最高位开始，逐次确定各数码位是“1” 还是“0”，最后，SAR中的内容就是与输入的模拟电压 对应的二进制数字代码 8/26/2021 以4位A/D转换器为例，说明其逐次逼近过程的原理： LSB所代表的信号电压为0.25v(满量程,4/24)，模拟输 入电压为1.8v 这里误差为0.05v。SAR位数越多，越逼近 ，但转换 时间也越长 3 3 2 2 21 1 21 0 :1,(1000),2 *0.252 , :1,(0100),2 *0.251 , :1,(0110),22 *0.2515 , :1,(0111),22*0.251.75 , fxf fxf fxf fxf DV
26、v VV DVv VV DVv VV DVv VV 0 一清除 二保留 三（ ）.保留 四（ 2）保留 x V 8/26/2021 8/26/2021 工作原理: 固定时间 T 内对模拟输入电压 积分 对基准电源反向积分，直到电容放电完毕，记录反 向积分时间 T1 模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个时 间值之比 应用于信号变化慢, 输入速度低,精度要求高,干扰 重 x V 8/26/2021 分辨率 能对转换结果发生影响的最小输入量，通 常用数字量的位数来表示(如: 8位或 1/28=0.4%,LSB,) 分辨率越高，转换时对输入模拟信号的变 化反应就越灵敏 量程(与/全一值区别, L
27、SB) 所能转换的电压范围 8/26/2021 精度 转换后所得结果相对于实际值的准确度 有绝对精度和相对精度之分 常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位， 用百分比表示相对精度 转换时间 积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级(1200) 8/26/2021 输出逻辑电平 多数与TTL电平配合(电平规范,0-2.2v) 应注意是否要对数据进行锁存等 工作温度 较好的; 差的 对基准电源的要求 电源精度 40 85 0 70 8/26/2021 分辨率：同A/D 稳定时间 输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到 稳定（离终值 1/2LSB）所需的时间,ns 或ms 输出电平 不同型号其输出电平相
28、差很大,510v; 2430v或 者20mA,3A 输入编码：二进制码、BCD码、双极性时的各种码等 8/26/2021 大多数转换器都要进行调零和增益校准 一般先调零，然后校准增益，这样零点调节 和增益调整之间就不会相互影响。 调整步骤：首先在“开关均关闭”的状态下 调零，然后再在“开关均导通”的状态下进行增 益校准 8/26/2021 D/A转换器的调整 调零： 设置一定的代码(全零)，使开关均关闭，然后调节调 零电路，直至输出信号为零或落入适当的读数 （ 1/10LSB范围内 ）为止 增益校准： 设置一定的代码(全1) ，使开关均导通，然后调节增 益校准电路，直至输出信号读数与满度值减去
29、一个LSB 之差小于1/10LSB为止 8/26/2021 A/D转换器的调整 调零：将输入电压精确地置于使“开关均关闭” 的输入状态对应的输入值高于1/2LSB的电平上，然后调 节调零电路，使转换器恰好切换到最低位导通的状态 增益校准：将输入电压精确地置于使“开关均 导通”的输出状态对应的输入值低3/2LSB的电平上 ，然 后调节增益校准电路，使输出位于最后一位恰好变成导 通之处 8/26/2021 满度10V,量程010V; 12bitA/D; LSB=10/212=2.44mV, 全1值=9.9976, LSB/2=1.22mV, A/D跃变点=全1值-LSB/2=9.9963V 8/2
30、6/2021 增益校准: 当输入电压为:全1值-LSB/2=9.9963V 时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从 111111111110变成111111111111 调零: 输入电压为LSB/2=1.22mV时, 调节校准电 路使最后一位恰好导通, 读数从0000000000000 变成000000000001 8/26/2021 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 转换时间100us, 总的不可调误差为1LSB 可直接与微机相连，不需另加接口逻辑 输入、输出引脚电平与TTL电路兼容 当模拟电压范围为05v时可使用单一的5v电源 一般不需要调零和增益校准 8/26/2021
31、 ADC0809引脚结构： 采用双列直插式封装，共 有28条引脚 8条模拟量输入通道 地址输入和控制线4条 数字量输出及控制线 11条 电源线及其他：5条 8/26/2021 是转换后的二进制输出端，它们受输出允许信号 OE的控制：OE0， 呈高阻态；OE1， 输出转换后的数据 A、B、C是三个采样地址输入端，它们的8种组 合用来选择8个模拟量输入通道 中 的一个通道并进行转换 07 DD 07 ININ 8/26/2021 输入通道选通地址表 8/26/2021 ALE是地址锁存选通信号，该信号上升沿把地址 状态选通入地址锁存器。也可以作为开始转换的 启动信号 START为启动转换脉冲输入端
32、，其上跳变复位转 换器，下降沿启动转换。它可由程序或外部设备 产生。当START与EOC端短接时，实现自动连续 转换 8/26/2021 EOC为转换结束信号，从START信号上升沿开始经8个时 钟周期后由高电平变为低电平（正脉冲）。该信号也可 作为中断请求信号 CLK为时钟信号输入端，最高可达1280kHz REF(+) 和REF()为基准电压输入端，它们决定了输入 模拟电压的最大值和最小值。通常REF(+)和电源Vcc一起 接基准电压，REF()接地端GND 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 第三章 人机交互接口技术 主要内容： 1、键盘接口技术* 2、LED显示
33、接口技术* 3、LCD显示接口技术 8/26/2021 编码键盘 自动识别按下的键，并产生相应的代码，将代码传 送给CPU。 非编码键盘 由软件来确定按键，并计算键值。 在一般的微机控制系统中多采用非编码键盘。 重击和连击的处理： 可由程序设计者决定。 8/26/2021 由于机械触点的弹性作用，按键在闭合和断开的瞬间， 伴随一连串的抖动。抖动的时间为10ms到20ms之间。 为了一次按键动作只确认一次，要采取消抖措施。 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 使用MAX6818芯片，如下图。 8/26/2021 采用硬件消抖，N个按键需要N个消抖电路，按 键多时，不再适合
34、。 当检测到第一次有键按下时，用软件延时10ms 到20ms,然后再检测键的按下情况，如果检测到 按下，则认为此键按下。否则认为键没有按下。 8/26/2021 在单片机控制系统或智能仪器中使用较少按键，一 般采用以下的接口方式： 独立式按键接口 特点：每个按键占一条输入线，各键互不影响。 操作方式：一般采用中断或者查询方式来识别按键。 硬件电路如下图： 掌握程序处理这种按键的流程，包括：按键端口状 态输入，按键去抖动，按键识别，按键功能处理等几步 8/26/2021 8/26/2021 其原理是：由行列线组成系统键盘的操作线，在行列线 的交叉点上设置按键。 列线Y轮流输出低电平,由行线X读入
35、,若有键按下,则相应 的行线电平为低 8/26/2021 程控扫描法是最常用的矩阵键盘接入方法，如下图。 其中，8255的PA口处在输入方式下，作为状态输入端口。 PC口处在输出方式下，作为扫描端口。 注意：按键的程控扫描过程； 按键的去抖动，采用延时的办法； 按键的有效状态判断； 8/26/2021 8/26/2021 这是微机控制系统中常用的矩阵键盘输入的方法。 这种方式的特点是：按键输入的效率高及时性 好、CPU开支少。其原理图如下所示。 8/26/2021 键盘锁定技术：常用设置加锁状态位。如下图。 8/26/2021 在微机控制系统中，一般通过设置上挡键来区分 多功能按键的各项功能。
36、 8/26/2021 LED的结构和显示原理参考教材内容。 注意掌握： 数码管的分类：共阴极、共阳极的工作特点； 数码管的工作电流要求、发光特点； 数码管显示字形与代码的关系，P87表格； 数码管的工作方式：动态显示、静态显示方式； 8/26/2021 这种方式是微机控制系统中最为常用的方式。 并行接口动态显示电路设计： 掌握好动态扫描的要求以及CPU在程序处理时扫描的过程， 其中重点是： 扫描位数和扫描周期的确定； 每一位数码管显示时间与不显示时间的比例要求； 显示内容的更新； 8/26/2021 8/26/2021 与动态显示方式的比较：CPU负担轻、显示亮度高。 并行接口静态显示电路的原
37、理图如下。 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 使用74LS49将BCD码转换为显示段码驱动LED显示。 8/26/2021 主要内容： 1 报警程序设计 2 开关量输出接口技术* 3 微机温度控制系统输出控制举例* 4 电动机、步进电机控制接口技术 8/26/2021 用途 提醒操作人员注意，或采取紧急措施 方法 把计算机采集的数据经计算机进行数据处理、与该参 数的上下限值进行比较，高于上限或者低于下限则报警。 常用报警方式 光报警报警灯及驱动方式 声报警蜂鸣器及驱动方式 语音报警 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 软件报警程序设计 由程序实
38、现对报警状态的判断及报警输出。例如： 在锅炉自动控制系统中，需要检测：汽包水位高度、炉 膛温度、蒸汽压力参数。 对以上检测的参数分别设置上、下限报警值。 在报警程序中首先需要对检测的各项参数值与对应 的上、下限报警值比较。然后，依据比较的结果设置报 警状态并输出。 系统图如下： 8/26/2021 8/26/2021 报警程序 整个系统设 计三个报警参数， 水位上、下限， 炉膛上下限、蒸 汽压力下限。设 置报警单元 ALARM，另有 四个位寻址的标 志位。 8/26/2021 优点： 与软件报警方式相比较，硬件报警方式更加 灵敏、快捷，程序的处理过程更为简便。 不足： 硬件报警方式的费用开支略
39、大于软件报警方 式。 8/26/2021 8/26/2021 这是一种更为实用的报警方式，对报警上、下限 分别设立有一定宽度的回差带，如下图。 8/26/2021 在微机控制系统中，经常用到开关量的输出。 为使CPU系统可靠运行，经常在开关量的输入/输出通道 中使用隔离技术，最常用的隔离方式：光电隔离器件。 光电隔离器件的原理如下图，掌握其工作原理，注意其 传输单向性以及使用要求输入输出端电源分离。 8/26/2021 掌握继电器的工作原理。 在微机控制系统中常用的继电器输出电路如 下图所示。 8/26/2021 继电器在工作过程中，易产生火花并对系统导致 干扰、触点易氧化。另外，其工作频率较
40、低。 固态继电器（SSR）使用晶体管或可控硅代替机 械触点，因此又称为无触点继电器。 其特点有：体积小、无噪声、开关速度快、无开 关次数限制、可靠性好。 固态继电器分为：直流型和交流型固态继电器。 8/26/2021 其工作原理如下图所示。输入端可使用晶体管直 接驱动。这种SSR可用在直流负载的场合。 8/26/2021 其工作原理如下图，分为过零型和随机型两类。 输入端可使用晶体管直接驱动。注意：对过零型 交流SSR而言，当触发信号有效且负载电源过零 时，输出端才可导通。对随机型交流SSR而言， 只要触发信号有效，输出即可导通。 8/26/2021 设电机在恒定电压下的转速为Vmax，控制信
41、号的 占空比D= t /（其中t代表通电时间，代表 脉冲周期），则电机的的转速和控制信号的关系 可用如下公式表示： V=VmaxD 8/26/2021 调速方法： 改变电机定子绕组电压的通断电时间， 1、软件延时法 求出占空比D，再根据周期T，分别给电机通电N个单位时 间， 然后再断电 2、计数法当单位延时个数求出之后，将其作为给定值， 在通电过程，对单位时间计数，并比较，直到计数值与 给定值相等，使电机断电。 ; 0 2 t t N ; 0 1 t t N 8/26/2021 8/26/2021 8/26/2021 02H：PA1=0， 2#=1，SW4通； 1#高阻； PA0=0， 4#=
42、0， SW2不通， 3#=1通， SW1 通；电机正传； 01H：电机正传 00H：电机正传 03H：电机刹车 8/26/2021 8/26/2021 空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90电角度 的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组.当定子励磁绕组外接频率 为 的恒压交流电源 ，励磁绕组中有电流 流过，在直轴（即 轴） 上产生以频率 脉振的磁通 。 在转子不动时，脉振磁通 在空心杯转子中感应出变压器电势（空 心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时 的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组），产生的磁场 与励磁电源同频率的脉振磁场 ，也为 轴，都与处于 轴
43、的输出绕 组无磁通交链，在转子转动时，转子切割直轴磁通 ，在杯型转子 中感应产生旋转电势 ，其大小正比于转子转速 n，并以励磁磁场 的脉振频率 交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势 在 杯型转子中产生交流短路电流 ，其大小正比于 ，其频率为 f的交变 频率 ，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么电流 所产生的脉振磁通 的大小正比于 ，在空间位置上与输出绕组的轴线（ 轴）一致，因 此转子脉振磁场 与输出绕组相交链而产生感应电势 ，据上分析有: 8/26/2021 输出绕组感应产生的电势 实际就是交流异步测 速发电机输出的空载电压 ，其大小正比 . 8/26/2021 8/26/2021 在
44、步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式， 称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角 . 在实践中一般采用转子齿数很多、定子磁极上带 有小齿的反应式结构，转子齿距与定子齿距相同， 转子齿数根据步距角的要求初步决定，但准确的 转子齿数还要满足自动错位的条件。 8/26/2021 第五章 总线接口技术 主要内容： 1、 串行通信基本概念 2、串行通信标准总线（RS-232/485） 3、其他总线介绍 8/26/2021 异步通信 异步传送的特点是数据在线路上的传送不连续。在传送时, 数据是以一个字符为单位（数据帧）进行传送的。它用 一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。 异步传送的字符格式如
45、下页图所示。 数据帧结构：由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4 个部分组成。 8/26/2021 8/26/2021 在异步传送中,每一个字符都要用起始位和停止位作为字 符开始和结束的标志,占用了一定的时间。为了提高传送 速度,有时就去掉这些标志,而采用同步传送,即1次传送1 组数据。在这1组数据的开始处要用同步字符SYN来加以 指示,如图示： 8/26/2021 在串行通信接口设计时，要涉及的内容有：确定串行总 线标准、选择接口控制方法、选择电平转换芯片等。 在设计与选择串行标准总线时要重点解决： 通信的可靠性，必须保证在串行通信过程中数据的 正确性； 通信速度及通信距离； 抗干扰能力：为
46、提高抗干扰能力，可在传输通路中 采用光电隔离技术、光缆传输方式等。 8/26/2021 RS-232-C是使用最早、最多的异步串行通信总线。在 1962年由美国电子工业协会公布。 RS-232-C主要用来定义传送设备之间接口的电气特性。 （1）RS-232-C的电气特性 其数据线采用负逻辑电平： 逻辑1：-3V-15V 逻辑0：+3V+15V 其控制线采用正逻辑。 8/26/2021 在使用中，采用1488、1489进行电平转换。如下图。 1488：将TTL电平转换为232电平； 1489：将232电平转换为TTL电平； 8/26/2021 RS-232-C的机械特性及引脚 因为是一种电气规范
47、，所以，必须按照定义的引脚含 义、引脚位置来使用RS-232-C 。 8/26/2021 RS-232-C的连接 在一般的应用中，常常采用下图的连结方 式三线连接 8/26/2021 RS-232的缺陷：传送速度慢、传送距离不远、在接口处 不同信号容易干扰等。提出改进型：RS-485。 RS-485概念 标准最初于83年制订并发布，命名为TIA/EIA-485-A。通 常称为RS-485，RS-485由RS-422发展而来，后者是为弥 补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、 速率低的缺点，RS-485定义了一种平衡通信接口，将传 输速率提高到10Mbps传输距离延长到40
48、00英尺，速率低 于100kbps时，允许在一条平衡线上连接最多32个接收器。 8/26/2021 RS-485是一种单机发送多机接收的单向平衡传输规范。为扩展应用 范围随后又为其增加了多点双向通信能力即允许多个发送器连接到 同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩 展了总线共模范围。 RS-485接口定义 RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器 的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和通信协议。RS-485标准 定义了一个基于一对平衡线的多点双向半双工通信链路，是一种极 为经济并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围 的通信平台。 8/26/
49、2021 RS-485接口的主要特点如下： 传输方式：差分 传输介质：双绞线 标准节点数：32 共模电压最大、最小值：+12V；-7V 差分输入范围：-7V+7V 接收器输入灵敏度：200mV 接收器输入阻抗：12k 最大传输速率：10Mbps 最大电缆长度：4000英尺 8/26/2021 RS-485和RS-422比较 422是全双工方式而485只能用在半双工方式。 422需要两对信号线而485只需要一对信号线。 485更适合多站互联，可在一个发送端外接32个接收端，如下图。 8/26/2021 常用芯片介绍 用在系统中时，RS-485端口也需要电平转换，常用 的芯片有：MAX485、MA
50、X487、MAX481半双工、MAX488全 双工等。 如下图，每个芯片内包含一路发送器和一路接收器。 注意他们的引线含义。 8/26/2021 常用电路连接 可分为点对点半双工、全双工用法。如下图。 8/26/2021 1：N点半双工用法，如下图。 8/26/2021 2：N全双工用法，如下图。 8/26/2021 由于RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接 收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单 机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦 听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其 它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双 工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的 要求。如果在时
