第4章計算機(jī)與控制系統(tǒng)

華北電力大學(xué)2023年2月5日機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計第四章計算機(jī)與控制系統(tǒng)4.1概述4.2總線型工控機(jī) 4.3單片微型計算機(jī)4.4可編程控制器4.5計算機(jī)接口技術(shù)4.6電子CAD（Protel軟件）4.1概述一、微機(jī)部分的作用及機(jī)電一體化系統(tǒng)對其基本要求1.作用：

將來自傳感器的檢測信息和外部輸入命令進(jìn)行處理，并按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個機(jī)電一體化系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置見下圖。2.基本要求（1）適用性，系統(tǒng)的性能必須滿足生產(chǎn)要求；（2）可靠性，系統(tǒng)能夠無故障運(yùn)行的能力，硬件、軟件的容錯能力；（3）經(jīng)濟(jì)性，在滿足任務(wù)要求前提下，使系統(tǒng)成本盡可能低；（4）可維護(hù)性，檢測和維修方便；（5）可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)能在不做大的變動條件下很快適應(yīng)新的情況。二、機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制對象1．溫度的控制

2．位移、速度和加速度的控制

3．力的控制4．流量的控制5．液面控制6．開關(guān)量的控制三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及原理計算機(jī)控制系統(tǒng)可以看成是由控制計算機(jī)和生產(chǎn)過程兩大部分組成?？刂朴嬎銠C(jī)：指按生產(chǎn)過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計的計算機(jī)，它可以是總線型工業(yè)控制計算機(jī)，也可以是單片機(jī)等等，包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過程：包括被控工業(yè)對象、測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及原理計算機(jī)控制系統(tǒng)工作原理的三個步驟：1．實(shí)時數(shù)據(jù)采集2．實(shí)時控制決策3．實(shí)時控制輸出實(shí)時與在線的關(guān)系：實(shí)時，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機(jī)對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，控制也就失去了意義。實(shí)時的概念不能脫離具體過程，一個在線系統(tǒng)不一定是一個實(shí)時系統(tǒng)，但一個實(shí)時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。

三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及原理要依據(jù)被控對象的運(yùn)行狀態(tài)決定被控對象的變化趨勢，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。上述過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。在設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)時，必須根據(jù)控制方案、體系結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度、系統(tǒng)功能等，正確地選用工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)。三、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及原理四、控制計算機(jī)與信息處理機(jī)的區(qū)別信息處理機(jī)：主要用于科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理，其信息處理的數(shù)據(jù)多樣、運(yùn)算量大，而實(shí)時性要求低，比如大、中、小型通用計算機(jī)；個人計算機(jī)，奔騰計算機(jī)等?？刂朴嬎銠C(jī)：主要用于設(shè)備控制、過程控制和智能化儀表，比如單片機(jī)、工控機(jī)、可編程控制器等。工業(yè)控制計算機(jī)采集的數(shù)據(jù)簡單，運(yùn)算量較小，但實(shí)時性要求高，輸出形式多樣。控制計算機(jī)的主要特點(diǎn)：

1．具有完善的過程輸入/輸出功能

2．具有實(shí)時控制功能3．具有高的可靠性：低故障率（MTBF）；短的故障維修時間(MTTR）；運(yùn)行效率高4．具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力5．豐富的應(yīng)用軟件：面向結(jié)構(gòu)化、組態(tài)化發(fā)展四、控制計算機(jī)與信息處理機(jī)的區(qū)別五、控制計算機(jī)的分類根據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)軟硬件及應(yīng)用特點(diǎn)，將工業(yè)控制計算機(jī)分為：可編程序控制器（PLC）總線型工業(yè)控制計算機(jī)單片機(jī)4.2總線型工控機(jī)

工控機(jī)：工業(yè)控制計算機(jī)（IndustrialPersonalComputer，IPC）,是一種加固的增強(qiáng)型個人計算機(jī)，又叫產(chǎn)業(yè)電腦或工業(yè)電腦。在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。一、總線型工控機(jī)概述總線：計算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣、機(jī)械特性，使計算機(jī)內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機(jī)之間建立信號聯(lián)系，進(jìn)行信息傳送和通信?？偩€分內(nèi)總線和外總線。內(nèi)總線：內(nèi)部總線，是計算機(jī)內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。外總線：又稱通訊總線，用于各計算機(jī)之間通訊或計算機(jī)系統(tǒng)與外部電氣設(shè)備之間通訊。借用電子工業(yè)中已有總線標(biāo)準(zhǔn)，如RS-232C總線和IEEE-488總線等。模塊化設(shè)計：根據(jù)功能要求把控制系統(tǒng)劃分成具有一種或幾種獨(dú)立功能的硬件模塊，從內(nèi)總線入手把各功能模塊設(shè)計制造成“標(biāo)準(zhǔn)”的印制電路板插件（亦稱模塊），這些模板可以完成控制系統(tǒng)的一個或幾個功能，每塊模板的底邊都有稱為“金手指”的插腳，像搭積木一樣將硬件插件及模板插人一塊公共的稱為“底板”的電路板插槽上，組成一個模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個模板均包含了計算機(jī)I/O總線所有的信號端腳，插件之間的信息都通過底板進(jìn)行交換，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的整體功能。一、總線型工控機(jī)概述總線型工控機(jī)結(jié)構(gòu)組成IPC的技術(shù)特點(diǎn)1．采用符合“EIA”（即ElectronicIndustriesAssociation電子工業(yè)協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)的全鋼化工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。2．采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計技術(shù)，CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。3．無源底板的插槽由ISA和PCI等總線的多個插槽組成，可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。4．機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。5．為工業(yè)電源，平均無故障運(yùn)行時間達(dá)到250,000小時。

6．設(shè)有“看門狗”定時器，在因故障死機(jī)時，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位。7．開放性好，兼容性好，吸收PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。總線型工控機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)：提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計和制造周期。(2)提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)便于調(diào)試和維修。(4)能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需要，迅速改進(jìn)系統(tǒng)性能。

在我國機(jī)電一體化設(shè)備中，使用最多的是STD總線和PC總線工控機(jī)。二、STD總線STD總線(StandardBus)：美國Prolog公司1978年推出，1987年被批準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。STD總線主要用于以微處理機(jī)為中心的工業(yè)測控領(lǐng)域。如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、數(shù)采系統(tǒng)、儀器儀表等。STD總線采用底板總線結(jié)構(gòu)，在一塊底板上并行布置了數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和電源線。底板上安裝若干個56腳插座，56個插腳分別和底板上的56條信號線相連。母板上只有總線，沒有其他元器件。因此稱之為無源底板。其他的模板，如CPU、A/D等都可以掛接在母板上。這些掛接模板必須符合STD總線的規(guī)范，即滿足STD總線的電氣特性和機(jī)械特性。二、STD總線STD總線起先是一個面向8位微型機(jī)總線?？扇菁{各種8位通用微處理器，如8080、8085和8088等。16位微處理器出現(xiàn)后，為了仍舊能使用該總線，采用周期竊取和總線復(fù)用技術(shù)來擴(kuò)充數(shù)據(jù)線和地址線。所以STD總線是8位/16位兼容的總線，可容納的16位微處理器有8086、68000、80286等。為能和32位微處理器80386、80486、68030等兼容，又定義了TD32總線標(biāo)準(zhǔn)，并與原來8位總線的I/O模板兼容。STD總線標(biāo)準(zhǔn)對插件尺寸、插腳分配、信號定義和電氣標(biāo)準(zhǔn)等都做了規(guī)定，還規(guī)定了讀寫時序和持續(xù)時間等。二、STD總線STD總線是56條信號線的并行底板總線。56條信號線分為如下4個功能組：(1)8根雙向數(shù)據(jù)總線，引腳7～14。(2)16根地址線，引腳15～30。(3)22根控制線，引腳31～52。(4)10根電源線，引腳1-6，引腳53～56。STD總線采用小板結(jié)構(gòu)4.5in×6.5in，采用56個金手指的板邊連接器。STD總線具有以下特點(diǎn)：小板結(jié)構(gòu)：在機(jī)械強(qiáng)度、抗斷裂、抗振動、抗老化和抗干擾等方面具有優(yōu)越性。面向I/O的設(shè)計：STD總線有很強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展能力。嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化：STD總線嚴(yán)格規(guī)定了各條信號線的功能，用戶不能隨意改。嚴(yán)格的規(guī)范帶來廣泛的兼容性。高可靠性：STD總線是面向工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計。三、PC總線1．PC/XT總線早期指IBM公司于1981年創(chuàng)建的IBMPC內(nèi)部總線。其CPU是Intel公司的8088(準(zhǔn)16位CPU)，與16位CPU8086相兼容。PC/XT總線支持8位數(shù)據(jù)傳輸和20位尋址空間。特點(diǎn)：把CPU視為總線的惟一主控設(shè)備，其余外圍設(shè)備均為從屬(slave)設(shè)備，包括暫時掌管總線的DMA控制器或協(xié)處理器。在PC/XT機(jī)的底板上共有8個插槽，稱為IBMPC總線或PC/XT總線。它具有62條“金手指”引腳，包括8位雙向數(shù)據(jù)總線、20位地址總線、6根中斷請求信號線、3組DMA控制線、4根電源線以及其他控制線。2．ISA(AT)總線ISA（IndustryStandardArchitecture）是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線的簡稱。為適應(yīng)Intel80286等16位微處理器而設(shè)計。ISA(AT)總線比PC/XT總線不僅增加了數(shù)據(jù)線寬度和尋址空間，還加強(qiáng)了中斷處理和DMA傳輸能力，并且具備了一定的多主控功能。ISA(AT)總線特別適合于控制外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能模塊。由于其數(shù)據(jù)寬度為16位，工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為16MB/s，所以286、386、486型計算機(jī)大多采用ISA總線。3．EISA總線EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture:擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）：為配合32位CPU而設(shè)計的總線擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。它吸收了IBM微通道總線的精華，并且兼容ISA總線?，F(xiàn)今已被淘汰。上述總線統(tǒng)稱為PC總線。目前市場上推出的PC系列的工控機(jī)，是為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，對原商用PC機(jī)在底板、模板、電源及機(jī)箱上做了一些改進(jìn)而形成的。四、PCI總線工業(yè)PC機(jī)1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團(tuán)，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外圍部件互連專業(yè)組），簡稱PCISIG。PCI有32位和64位兩種，32位PCI有120引腳，64位有184引腳，目前常用的是32位PCI。32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s，大大高于ISA。為了解決PCI總線的瓶頸問題，出現(xiàn)了PCI–X新總線，它能通過增加計算機(jī)中央處理器與打印機(jī)、網(wǎng)卡等外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流量來提高計算機(jī)的性能。四、PCI總線工業(yè)PC機(jī)工業(yè)PC，機(jī)箱結(jié)構(gòu)是工業(yè)加固型的，采用了防塵、防振、通風(fēng)、散熱等一系列措施。內(nèi)部具有電源總線底板，有14槽、12槽、8槽、6槽、3槽等，插入一塊ALL–IN–ONE主板和顯示卡以及軟硬盤即可構(gòu)成。ALL–IN–ONE主板具有串行口、并行口（打印口）、鍵盤接口、監(jiān)視定時器(WatchdogTimer)等。機(jī)箱結(jié)構(gòu)均采用全鋼材料，具有雙冷風(fēng)扇（使機(jī)內(nèi)為正壓力）、軟硬盤驅(qū)動器保護(hù)門、空氣過濾網(wǎng)、防振壓條等，從而適用于工業(yè)環(huán)境。PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理一．微型計算機(jī)的種類

(1)按組裝形式分類

按組裝形式可將微型計算機(jī)分為單片機(jī)、單板機(jī)和微機(jī)系統(tǒng)等。

1)單片機(jī)（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(jī)(SCM-SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機(jī)。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96系列等。4.3單片微型計算機(jī)單片機(jī)的設(shè)計充分考慮了機(jī)械的控制需要，它獨(dú)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(qiáng)的運(yùn)算功能，因而它不但是一種高效能的過程控制機(jī)，同時也是有效的數(shù)據(jù)處理機(jī)。隨著單片機(jī)性能的提高和功能的增強(qiáng)，使單片機(jī)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(jī)已廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動化產(chǎn)品、機(jī)器人等的機(jī)電一體化。上至航天器、下至兒童玩具，均是單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)。單片機(jī)程序設(shè)計語言： 機(jī)器語言匯編語言高級語言單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

單片機(jī)雖然功能很強(qiáng)，但它卻無法獨(dú)立完成程序錄入、查錯、改錯和程序固化等功能，必需借助于開發(fā)工具(仿真器、編程器等)才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。利用獨(dú)立型仿真器開發(fā)：這種仿真器不需要依賴PC機(jī)就能獨(dú)立完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的在線仿真，便于在現(xiàn)場對應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)試和修改。利用非獨(dú)立型仿真器開發(fā)：這種開發(fā)方式要由PC機(jī)和仿真器共同實(shí)現(xiàn)。仿真器與PC機(jī)之間以串行通訊方式連接，利用PC機(jī)配置的組合軟件完成開發(fā)任務(wù)。有些仿真器上還有固化插座，能夠?qū)㈤_發(fā)調(diào)試后的用戶程序?qū)懭氪鎯ζ餍酒?。與前一種相比，這種開發(fā)方式在現(xiàn)場參數(shù)的修改和調(diào)試方面不夠方便。不使用仿真器開發(fā)：新型單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)可以不使用仿真器，而是直接將單片機(jī)安裝到印刷線路板上，利用PC機(jī)完成應(yīng)用程序的編輯、匯編和模擬運(yùn)行，最后將目標(biāo)程序串行下載到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。將微型計算機(jī)的基本體系CPU、一定容量的ROM和RAM、輸入／輸出端口(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(jī)叫做單板微型計算機(jī)，簡稱單板機(jī)。例如TP801是以8位微處理器(如Z80)為核心組裝的8位單板機(jī)，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(jī)。

2)單板機(jī)在單板機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化成本低，在機(jī)械設(shè)備的簡易數(shù)控、檢測設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人的控制等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)需要，將微型計算機(jī)、ROM、RAM、I/O接口電路、電源等組裝在不同的印制電路板上，然后組裝在一個機(jī)箱內(nèi)，再配上鍵盤、CRT顯示器、打印機(jī)、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(jī)系統(tǒng)。如IBM-PC(如：PⅡ、PⅢ、PⅣ等)。由PC機(jī)組成的控制系統(tǒng)可充分利用PC機(jī)原有的系統(tǒng)資源，但由于PC機(jī)本來是用作辦公自動化的，所以對操作環(huán)境有一定的限制，因此，普通PC多用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或其他環(huán)境較好的場合。當(dāng)用在工業(yè)現(xiàn)場時，對于各種干擾、振動及環(huán)境等要采取防范措施或采用工業(yè)PC機(jī)。

3)微型計算機(jī)系統(tǒng)普通PC機(jī)：

工業(yè)PC機(jī)為了改進(jìn)普通PC機(jī)在工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性，出現(xiàn)了工業(yè)PC機(jī)。工業(yè)PC機(jī)是結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固，元器件經(jīng)過嚴(yán)格篩選、接插件結(jié)合部經(jīng)過強(qiáng)化設(shè)計、有良好抗干擾性、工作可靠性并保留了普通PC機(jī)的總線及接口標(biāo)準(zhǔn)以及其他優(yōu)點(diǎn)的微機(jī)。通常工業(yè)PC也配有種類齊全的PC總線接口模板，包括：數(shù)字量I/O板，A/D板，D/A板，定時器/計數(shù)器板、專用控制板、通信板以及存儲器板等，為設(shè)計微機(jī)系統(tǒng)提供了極大的方便。用工業(yè)PC組成控制系統(tǒng)的過程就是選用或設(shè)計相應(yīng)接口模板，并開發(fā)控制軟件的過程。

由于工業(yè)PC選用的元器件檔次較高，結(jié)構(gòu)經(jīng)過強(qiáng)化處理，所以組成的系統(tǒng)性能也較高，但相應(yīng)的成本也高，宜用于需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理、可靠性要求高的大型工業(yè)控制系統(tǒng)。4)可編控制器PLC可編控制器（PLC）是在繼電器邏輯控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用微處理器技術(shù)發(fā)展起來的有邏輯運(yùn)算、計時/計數(shù)、算術(shù)運(yùn)算、模擬量調(diào)節(jié)、操作顯示等功能的新型工業(yè)控制器。它結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠，可以取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)等，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制中。

PLC一般使用8位或16位微處理器，大型PLC也有32位微處理器。(2)按微處理機(jī)位數(shù)分類

按微處理機(jī)位數(shù)可將微型計算機(jī)分為位片、4位、8位、16位、32位和64位等機(jī)種。所謂位數(shù)是指微處理機(jī)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(jī)目前多做成單片機(jī)。即把微處理機(jī)、1~2KB的ROM、64~128KB的RAM、I/O接口做在一個芯片上，主要用于單機(jī)控制、儀器儀表、家用電器、游戲機(jī)等中。

8位機(jī)有單片和多片之分，主要用于控制和計算。

16位機(jī)功能更強(qiáng)、性能更好，用于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng),可以使小型機(jī)微型化。

32位和64位機(jī)是比小型機(jī)更有競爭力的產(chǎn)品。人們把這些產(chǎn)品稱為超級微機(jī)。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。

按用途分類可以將微型計算機(jī)分為控制用和數(shù)據(jù)處理用微型計算機(jī)。對單片機(jī)來說：可分為通用型和專用型。

通用型單片機(jī)，即通常所說的各種系列的單片機(jī)。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，因此通用型單片機(jī)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(jī)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(jī)。為滿足某一領(lǐng)域應(yīng)用的特殊要求而開發(fā)的單片機(jī)，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（4）微機(jī)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(jī)程序所使用的語言，是人機(jī)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(jī)器語言”(MachineLanguage)、“匯編語言”(AssemblyLanguage)、“高級語言”(HighLevelLanguage)。

2)操作系統(tǒng)所謂操作系統(tǒng)(OS-OperatingSystem)，就是計算機(jī)系統(tǒng)的管理程序庫。它是用于提高計算機(jī)利用率、方便用戶使用計算機(jī)及提高計算機(jī)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(jī)的接口，用戶通過它而使用計算機(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)積累的程序非常豐富，而且可以通用。而在機(jī)械控制領(lǐng)域，由于被控對象(產(chǎn)品)的特殊性較強(qiáng)，其程序庫的形成較難。但是，隨著微型計算機(jī)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。（5）微機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及選用要點(diǎn)

微型計算機(jī)的基本特點(diǎn)是小型化、超小型化，具有一般計算機(jī)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(jī)構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)具有以下效果：①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；②多功能化-利用了微機(jī)以信息處理能力、控制能力為代表的智能；③通用性增大-容易用軟件更改和擴(kuò)展設(shè)計；④提高了可靠性-用LSI技術(shù)減少了元器件、焊點(diǎn)及接續(xù)點(diǎn)數(shù)量，增加了用軟件進(jìn)行檢測的功能；⑤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；⑥經(jīng)濟(jì)效果好-降低了零件費(fèi)、裝配成本、電源能耗，通過硬件標(biāo)準(zhǔn)化易于實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)；進(jìn)一步降低成本；⑦產(chǎn)品(或系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)化-硬件易于標(biāo)準(zhǔn)化；⑧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(yùn)用故障自診斷功能。

微機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，如：（1）工業(yè)控制和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化。（2）交通與能源設(shè)備的機(jī)電一體化。（3）家用電器的機(jī)電一體化。（4）商用產(chǎn)品機(jī)電一體化。（5）儀器、儀表機(jī)電一體化。（6）辦公自動化設(shè)備的機(jī)電一體化。（7）信息處理自動化設(shè)備。（8）導(dǎo)航與控制。1.應(yīng)用領(lǐng)域

不同領(lǐng)域可選用不同品種、不同檔次的微機(jī)。一般的工業(yè)控制設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、交通與能源管理等可使用8位或16位微機(jī)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)與被控對象分離時，可使用單板機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)；微機(jī)裝在產(chǎn)品內(nèi)時(如家用電器、計算器等)可采用4位或8位單片機(jī)。復(fù)雜實(shí)時控制及過程控制(如智能機(jī)器人、導(dǎo)航系統(tǒng)等),主要使用16位與32位微機(jī)?？傊?，4位機(jī)常用于較簡單、規(guī)模較小的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，16位與32位機(jī)及64位機(jī)主要用于較復(fù)雜的大系統(tǒng)，8位機(jī)則用于中等規(guī)模的系統(tǒng)。

2.選用要點(diǎn)二、單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其最小應(yīng)用系統(tǒng)1、單片機(jī)概述單片微機(jī)是單片微型計算機(jī)SCMC（SingleChipMicroComputer）的譯名簡稱，常簡稱為單片機(jī)。由于主要面向控制，也叫微控制器（Micro-ControllerUnit—MCU），嵌入到專用系統(tǒng)中就叫嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）它包括中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串行口和并行I/O等等。除了工業(yè)控制領(lǐng)域，單片微機(jī)在家用電器、電子玩具、通信、高級音響、圖形處理、語言設(shè)備、機(jī)器人、計算機(jī)等各個領(lǐng)域迅速發(fā)展。目前單片微機(jī)的世界年產(chǎn)量已達(dá)100億片，而在中國大陸地區(qū)單片微機(jī)的年應(yīng)用量已達(dá)6億片左右。由此可見單片微機(jī)的廣泛用途和發(fā)展前景！

1970年微型計算機(jī)研制成功之后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展又出現(xiàn)了單片微機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)：8051單片微機(jī)是美國INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列單片微機(jī)的第一個成員，MCS是INTEL公司的注冊商標(biāo)。凡INTEL公司生產(chǎn)的以8051為核心單元的其它派生單片微機(jī)都可稱為MCS-51系列單片機(jī)（8位機(jī)），有時簡稱為51系列。INTEL公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機(jī)，當(dāng)然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求。

Intel公司的MCS-51單片微機(jī)，和以8051為核心單元的世界許多公司生產(chǎn)的單片微機(jī)，比如PHILIPS(飛利浦公司)的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西門子公司)的SAB80512等、AMD(先進(jìn)微器件公司)的8053等、ATMEL（愛特梅爾公司）的89C51等統(tǒng)稱為80C51系列單片微機(jī)。2、MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

MCS-51系列單片機(jī)包括805l、8751和8031三種產(chǎn)品，其硬件設(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(jī)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。

數(shù)據(jù)存儲器——

RAM（RandomAccessMemory）程序存儲器——

ROM（ReadOnlyMemory）閃速存儲器——

FlashMemoryEPROM——

ErazibleProgrammableROMEEPROM/E2PROM——

ElectricalErasableProgrammableROM(如winbond公司W(wǎng)27C系列)靜態(tài)存儲器SRAM——

StaticRAM(6管)

動態(tài)存儲器DRAM——

DynamicRAM(4,3,1管)按字節(jié)尋址：每個字節(jié)(8個位)占一個地址按位尋址：有的存儲器每一個位就有一個地址單片機(jī)的存儲器紫外線擦除，如2716(2Kx8位)、2732(4Kx8位)、2764(8Kx8位)、27128(16Kx8位)、27256(32Kx8位)、27512(64Kx8位)等MCS-51單片機(jī)基本特性8位的CPU，片內(nèi)有振蕩器和時鐘電路,工作頻率為

1～12MHz片內(nèi)有128/256字節(jié)RAM片內(nèi)有0K/4K/8K字節(jié)程序存儲器ROM可尋址片外64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM可尋址片外64K字節(jié)程序存儲器ROM片內(nèi)21/26個特殊功能寄存器（SFR）4個8位的并行I/O口（PIO）1個全雙工串行口（SIO/UART）2/3個16位定時器/計數(shù)器（TIMER/COUNTER）可處理5/6個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級內(nèi)置1個布爾處理器和1個布爾累加器（Cy）MCS-51指令集含111條指令(254個代碼)MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MCS-51系列單片機(jī)的引腳及功能3．MCS-51系列單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)及其擴(kuò)展（1）．8051/8751最小應(yīng)用系統(tǒng)8051/8751是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，用這種芯片構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。（2）．8031最小應(yīng)用系統(tǒng)8031是片內(nèi)無程序存儲器的單片機(jī)芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)在片外擴(kuò)展EPROM。右圖為用8031外接程序存儲器構(gòu)成的最小系統(tǒng)。（4）、MCS-51系列單片機(jī)存儲空間與存儲器擴(kuò)展

（5）、MCS-51系列單片機(jī)I/O擴(kuò)展

（6）、實(shí)現(xiàn)片選（譯碼）方法以上內(nèi)容請同學(xué)們復(fù)習(xí)所學(xué)過的《單片微機(jī)原理》相關(guān)章節(jié)。4.4可編程控制器

可編程控制器PLC(ProgrammableLogicalController)：20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置，是繼電器邏輯控制技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)。具有體積小，功能強(qiáng)、程序設(shè)計簡單、靈活通用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?？删幊绦蚩刂破靼延嬎銠C(jī)的功能完善、通用、靈活、智能等特點(diǎn)與繼電器控制的簡單、直觀、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，可以取代傳統(tǒng)的繼電接觸器順序控制，而且具備繼電接觸控制所不具備的優(yōu)點(diǎn)，其高可靠性特別適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，因此在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。詳細(xì)內(nèi)容請復(fù)習(xí)“機(jī)電傳動控制”相關(guān)章節(jié)。4.5計算機(jī)接口技術(shù)輸入/輸出(I/O)接口電路：簡稱接口電路，是主機(jī)和外圍設(shè)備（包括被控對象）之間交換信息的連接部件（電路），功能是保證主機(jī)和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。接口電路的主要作用如下：1）解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。2）解決CPU和外圍設(shè)備之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。3）解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題。典型的I/O接口與外部的連接圖4.5計算機(jī)接口技術(shù)外部信息:數(shù)字量和模擬量數(shù)字量(Digital):離散的、不連續(xù)的，可以是多位，每一位只能為0或1，可經(jīng)由數(shù)字量接口被計算機(jī)直接識別；模擬量(Analogue):隨時間連續(xù)變化的，如溫度、壓力、速度、流量等。不能被計算機(jī)直接識別，但可以通過傳感器變換為相對應(yīng)的電量，如電壓或電流等模擬量。在通過模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的數(shù)字量。I/O通道:也稱過程通道。是計算機(jī)和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。輸入與輸出通道的組成圖4.5.1數(shù)字量輸入輸出通道

4.5.1.1數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)

1.數(shù)字量輸入接口

對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，往往要收集生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)信息，再給出控制量，因此，可用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息，如圖所示。經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號CS，當(dāng)在執(zhí)行IN指令周期時，產(chǎn)生IOR信號，則被測的狀態(tài)信息可通過三態(tài)門送到PC總線工業(yè)控制機(jī)的數(shù)據(jù)總線，然后裝入AL寄存器，設(shè)片選端口地址為port，可用如下指令來完成取數(shù)

MOVDX，portINAL，DX 三態(tài)門緩沖器74LS244用來隔離輸入和輸出線路，在兩者之間起緩沖作用。2、數(shù)字量輸出接口片選端口地址為port完成數(shù)據(jù)輸出控制的指令為：MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL74LS273有8個通道可輸出8個開關(guān)狀態(tài)并可驅(qū)動8個輸出裝置

數(shù)字量輸出接口4.5.1.1數(shù)字量I/O接口

4.5.1.2數(shù)字量輸入通道

2.輸入調(diào)理電路

數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道的基本功能就是接受外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號。這些狀態(tài)信號的形式可能是電壓、電流、開關(guān)的觸點(diǎn),因此引起瞬時高壓、過電壓、接觸抖動等現(xiàn)象.為了將外部1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成,如圖所示。開關(guān)量信號輸入到計算機(jī),必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠接收的邏輯信號,這些功能稱為信號調(diào)理。4.5.1.2數(shù)字量輸入通道(1)小功率輸入調(diào)理電路下圖所示為從開關(guān)、繼電器等接點(diǎn)輸入信號的電路。它將接點(diǎn)的接通和斷開動作,轉(zhuǎn)換成TTL電平信號與計算機(jī)相連。為了清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號,一般都應(yīng)加入有較長時間常數(shù)的積分電路來消除這種振蕩。圖(a)為一種簡單的、采用積分電路消除開關(guān)抖動的方法。圖(b)所示為R-S觸發(fā)器消除開關(guān)兩次反跳的方法。(2)大功率輸入調(diào)理電路 在大功率系統(tǒng)中,需要從電磁離合等大功率器件的接點(diǎn)輸入信號。這種情況下,為了使接點(diǎn)工作可靠,接點(diǎn)兩端至少要加24V以上的直流電壓。因?yàn)橹绷麟娖降捻憫?yīng)快,不易產(chǎn)生干擾,電路又簡單,因而被廣泛采用。 但由于所帶電壓高,所以高壓與低壓之間,用光電藕合器進(jìn)行隔離,如圖所示。4.5.1.2數(shù)字量輸入通道1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu) 數(shù)字量的通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。2.輸出驅(qū)動電路(1)小功率直流驅(qū)動電路①功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路

因負(fù)載呈電感性,所以輸出必須加裝克服反電勢的保護(hù)二極管D,J為繼電器的線圈。4.5.1.3數(shù)字量輸出通道②達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路 MC1416是達(dá)林頓陣列驅(qū)動器,它內(nèi)含7個達(dá)林頓復(fù)合管,每個復(fù)合管的電流都在500mA以上,截止時承受100V電壓。為了防止MC1416組件反向擊穿,可使用內(nèi)部保護(hù)二極管。4.5.1.3數(shù)字量輸出通道(2)大功率交流驅(qū)動電路

固態(tài)繼電器(SSR)是一種四端有源器件。輸入輸出之間采用光電藕合器進(jìn)行隔離。零交叉電路可使交流電壓變化到零伏附近時讓電路接通,從而減少干擾。電路接通以后,由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號。4.5.1.3數(shù)字量輸出通道4.5.2模擬量輸入輸出接口與過程通道一、模擬量輸入接口（ADC）A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）:將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，是模擬系統(tǒng)和計算機(jī)之間的接口。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式:逐次逼近式和雙斜積分式，前者轉(zhuǎn)換時間短(幾ms～幾百μs)，但抗干擾能力較差；后者轉(zhuǎn)換時間長(幾十毫秒～幾百毫秒)，抗干擾能力較強(qiáng)。在信號變化緩慢現(xiàn)場干擾嚴(yán)重場合，宜采用后者。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器:ADC0809(8位分辨率)，AD574(12位分辨率)等；常用的雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器:3位半(相當(dāng)于2進(jìn)制11位分辨率)的MCl4433，4位半(相當(dāng)于2進(jìn)制14位分辨率)的ICL7135等一、模擬量輸入接口（ADC）A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo):轉(zhuǎn)換時間:指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需時間。分辨率:

用數(shù)字量位數(shù)n(字長)來表示，如8位、12位、16位等。分辨率為n位表示它能對滿量程輸入的l/2n的增量作出反映，即數(shù)字量的最低有效位(LSB)對應(yīng)于滿量程輸入的1/（2n-1）。若n＝8，滿量程輸入為5.12V，則LSB對應(yīng)于模擬電壓5.12V（/2n-1）＝20mV。線性誤差:理想轉(zhuǎn)換特性(量化特性)應(yīng)該是線性的，但實(shí)際轉(zhuǎn)換特征并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。線性誤差常用LSB的分?jǐn)?shù)表示，如1/2LSB或±1LSB.一、模擬量輸入接口（ADC）量程:所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如-5V～+5V，0～10V，0～5V等對基準(zhǔn)電源的要求:基準(zhǔn)電源的精度對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響。故在設(shè)計時，應(yīng)考慮是否要外接精密基準(zhǔn)電源。

例：一個8位D/AC，對應(yīng)0~10V的模擬信號，若傳感器采樣得電壓值為2v，則反映到計算機(jī)中的數(shù)字量為：D=2/（10/255）=51=00110011B=33H顯然，D/AC的位數(shù)越高，能夠分辨的單位模擬信號就越小。8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為100μs左右，線性誤差±1/2LSB，采用28腳雙立直插式封裝。ADC0809由8通道模擬開關(guān)、通道選擇邏輯（地址鎖存與譯碼）、8位A/D轉(zhuǎn)換器及三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。ADC0809與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口:二、模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù):把從系統(tǒng)中檢測到的模擬信號變成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)接口送往計算機(jī)。傳感器是將生產(chǎn)過程工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，大多數(shù)傳感器輸出是直流電壓(或電流)信號，也有一些傳感器把電阻值、電容值、電感值變化作為輸出量。為了避免低電平模擬信號傳輸帶來的麻煩，經(jīng)常要將測量元件的輸出信號經(jīng)變送器變送，如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的電信號變成0～10mA或4～20mA的統(tǒng)一信號，然后經(jīng)過模擬量輸入通道來處理。1．模擬量輸入通道的組成模擬量輸入通道:由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯等組成。過程參數(shù)由傳感元件和變送器測量并轉(zhuǎn)換為電流(或電壓)形式后，再送至多路開關(guān)；在計算機(jī)的控制下，由多路開關(guān)將各個過程參數(shù)依次地切換到后級，進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測。1．模擬量輸入通道的組成I/V變換:把0～10mA或4～20mA經(jīng)過I/V變換變成0～5V或1～5V電壓信號。多路轉(zhuǎn)換器：又稱多路開關(guān)，是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件?？蓪⒏鱾€輸入信號依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。常用的多路開關(guān)：CD405l(或MCl4051)、AD7501、LFl3508等。1．模擬量輸入通道的組成采樣保持器：為提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持電路的采樣器。A/D轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換過程(即采樣信號的量化過程)需要的時間。在A/D轉(zhuǎn)換期間，如果輸入信號變化較大，就會引起轉(zhuǎn)換誤差。所以，一般情況下采樣信號都不直接送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還需加保持器作信號保持。保持器把t＝kT時刻的采樣值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。T為采樣周期，k＝0，1，2…為采樣序號。常用的集成采樣保持器：

LF398、AD582等當(dāng)被測信號變化緩慢時，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間足夠短，可以不加采樣保持器。三、模擬量輸出接口（DAC）D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）:將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的組件或裝置，它的模擬量輸出(電流或電壓)與參考電壓和二進(jìn)制數(shù)成比例。常用的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率有8位、10位、12位等，通常都帶有兩級緩沖寄存器。主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、建立時間、線性誤差等。分辨率

通常用D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示。分辨率為n位，表示D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的最低有效位LSB與滿量程輸出的l/2n相對應(yīng)。建立時間

輸入數(shù)字信號的變化量是滿量程時，輸出模擬信號達(dá)到離終值±1/2LSB所需的時間，為幾μs。8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832四、模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，以便驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制目的。模擬量輸出通道由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I變換等組成。模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式:主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號來到之前，使本次控制信號維持不變。保持器:

數(shù)字保持方案和模擬保持方案。模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式（1）一個通路設(shè)置一個D/A轉(zhuǎn)換器的形式在這種結(jié)構(gòu)形式下，微處理器和通路之間通過獨(dú)立的接口緩沖器傳送信息，這是一種數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器有故障，也不會影響其它通路工作。缺點(diǎn)是使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器。但隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，這個缺點(diǎn)正在逐步得到克服，這種方案較易實(shí)現(xiàn)。模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式（2）多個通路共享一個D/A轉(zhuǎn)換器的形式因?yàn)楣蚕硪粋€D/A轉(zhuǎn)換器，故它必須在微型機(jī)控制下分時工作。即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓(或電流)，通過多路模擬開關(guān)傳送給輸出采樣保持器。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器，但因?yàn)榉謺r工作，只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合。它還要用多路開關(guān)，且要求輸出采樣保持器的保持時間與采樣時間之比較大。這種方案的可靠性較差。4.6數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路(補(bǔ)充）

一、數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用LED(發(fā)光二極管，LightEmittingDiode

)、CRT（陰極射線管CathodeRayTube）顯示器和LCD(液晶顯示器，LiquidCrystalDisplay

)等作為顯示器件。其中LED和LCD成本低、配置靈活、與單片機(jī)接口方便，應(yīng)用廣泛。

1、LED顯示器

LED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(diǎn)或一個筆劃發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。這種筆劃式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量少，但控制簡單、使用方便。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。共陽極共陰極通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，故也稱之為八段顯示塊。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(diǎn)。七段顯示塊與單片機(jī)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。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(bǔ)數(shù)，二者之和為FFH。

如：3FH:001111113F7FH：011111117F

七段LED的段選碼

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。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)：每一位都需要一個8位輸出口控制，用于顯示位數(shù)較少（僅一、二位）的場合；較小的電流能得到較高的亮度，可以由8255的輸出口直接驅(qū)動。

（2）.動態(tài)顯示

動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)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(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)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(shí)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(稱為掃描口或位選口

)?？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)。用于顯示位數(shù)稍多的場合，需編寫掃描程序。

8位共陰極顯示器和8155的接口邏輯如下圖所示：動態(tài)掃描程序流程圖2．LCD顯示器液晶顯示器（LCD）是一種功耗極低的顯示器件，它廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中，它不僅省電，而且能夠顯示大量的信息，如文字、曲線、圖形等，其顯示界面較之?dāng)?shù)碼管有了質(zhì)的提高。近年來，液晶顯示技術(shù)發(fā)展很快，LCD顯示器已經(jīng)成為僅次于顯像管的第二大顯示產(chǎn)業(yè)。LCD顯示器由于類型、用途不同，其性能、結(jié)構(gòu)不可能完全相同，但其基本形態(tài)和結(jié)構(gòu)卻是大同小異。實(shí)驗(yàn)二：八段數(shù)碼管顯示一、實(shí)驗(yàn)要求利用實(shí)驗(yàn)儀提供的顯示電路，動態(tài)顯示一行數(shù)據(jù).二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈹?shù)碼管動態(tài)顯示的原理。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境1．偉福單片機(jī)實(shí)驗(yàn)儀2．配套PC機(jī)及開發(fā)系統(tǒng)Lab2000仿真軟件四、實(shí)驗(yàn)線路及連線位選通信號

(0x002H)

段碼輸出(0x004H)地址總線

實(shí)驗(yàn)儀提供了6位8段碼LED顯示電路，只要按地址輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)對顯示器的控制。顯示共有6位，用動態(tài)方式顯示。8位段碼、6位位碼是由兩片74LS374輸出。位碼經(jīng)MC1413或ULN2003倒相驅(qū)動后，選擇相應(yīng)顯示位。

實(shí)驗(yàn)儀中8位段碼輸出地址為0X004H，位碼輸出地址為0X002H。此處X是由KEY/LEDCS決定，參見地址譯碼。做鍵盤和LED實(shí)驗(yàn)時，需將KEY/LEDCS接到相應(yīng)的地址譯碼上,以便用相應(yīng)的地址來訪問。例如，將KEY/LEDCS接到CS0上，則段碼地址為08004H，位碼地址為08002H。附：地址譯碼插孔CS008000H～08FFFHCS109000H～09FFFHCS20A000H～0AFFFHCS30B000H～0BFFFHCS40C000H～0CFFFHCS50D000H～0DFFFHCS60E000H～0EFFFHCS70F000H～0FFFFH附：LED電平顯示電路實(shí)驗(yàn)儀上裝有8只發(fā)光二極管及相應(yīng)驅(qū)動電路。見上圖，L0～

L7為相應(yīng)發(fā)光二極管驅(qū)動信號輸入端，該輸入端為高電壓電平“1”時發(fā)光二極管點(diǎn)亮。我們可以通過P1口對其直接進(jìn)行控制，點(diǎn)亮或者熄滅發(fā)光二極管。鍵盤及LED顯示電路

實(shí)驗(yàn)儀的LED顯示電路和鍵盤電路如圖。顯示控制的位碼由74HC374輸出，經(jīng)MC1413反向驅(qū)動后，做LED的位選通信號。位選通信號也可做為鍵盤列掃描碼，鍵盤掃描的行數(shù)據(jù)從74HC245讀回，374輸出的列掃描碼經(jīng)245讀入后，用來判斷是否有鍵被按下，以及按下的是什么鍵。如果沒有鍵按下，由于上拉電阻的作用，經(jīng)245讀回的值為高，如果有鍵按下，374輸出的低電平經(jīng)過按鍵被接到245的端口上，這樣從245讀回的數(shù)據(jù)就會有低位，根據(jù)374輸出的列信號和245讀回的行信號，就可以判斷哪個鍵被按下。LED顯示的段碼由另一個74HC374輸出。

七段數(shù)碼管的字型代碼表如下表：

顯示字形gfedcba段碼001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fhA111011177hb11111007chC011100139hd10111105ehE111100179hF111000171h附：程序框圖二、鍵盤接口電路

鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個重要輸入設(shè)備，用于輸入數(shù)據(jù)、干預(yù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；1．按鍵輸入原理

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路及專一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入數(shù)據(jù)的。當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。對于一組鍵或一個鍵盤，總有一個接口電路與CPU相連。CPU可以采用查詢或中斷方式了解有無將鍵輸入，并檢查是哪一個鍵按下，將該鍵號送入累加器ACC，然后通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完后再返回主程序。2．單片機(jī)上的按鍵單片機(jī)系統(tǒng)中最常見的是觸點(diǎn)式開關(guān)按鍵，這些按鍵的連接方式，可分為獨(dú)立式按鍵和行列式鍵盤。觸點(diǎn)式按鍵在按下或釋放時，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點(diǎn)機(jī)械抖動，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來。其抖動過程如圖所示，抖動時間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms。在觸點(diǎn)抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認(rèn)為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點(diǎn)機(jī)械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施。這一點(diǎn)可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時，采用軟件去抖。在硬件上可采用在鍵輸出端加R-S觸發(fā)器(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成去抖動電路。軟件上采取的措施是：在檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右（具體時間應(yīng)視所使用的按鍵進(jìn)行調(diào)整）的延時程序后，再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，若仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵處于閉合狀態(tài)。同理，在檢測到該鍵釋放后，也應(yīng)采用相同的步驟進(jìn)行確認(rèn)，從而可消除抖動的影響。3．獨(dú)立式按鍵當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)中只需要幾個功能鍵時，可采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路，其特點(diǎn)是每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖所示。其軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認(rèn)該I/O口線所對應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。4、行列式鍵盤接口電路

單片機(jī)系統(tǒng)中，若使用按鍵較多時，通常采用行列式鍵盤(也稱為矩陣式鍵盤)。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。例如用2×2的行、列可構(gòu)成4個鍵的鍵盤，4×4的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省I/O口線。

1）行列式鍵盤工作原理:

行列式鍵盤的按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上。行線通過上拉電阻接到+5V上。當(dāng)無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時，行、列線將導(dǎo)通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而，行列式鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來作適當(dāng)處理，才能確定有無按鍵按下，及按鍵的位置。

2）按鍵的識別:識別按鍵的方法很多，最常見的方法是掃描法。由列線送入全“0”掃描字、行線讀入行線狀態(tài)來判斷。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1。（全掃描，確定行）鍵盤中哪一個鍵按下由列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下之鍵不在此列。如果不全為1，則所按下的鍵必在此列。而且是在與電平為“0”的行線相交點(diǎn)上的那個鍵。（逐列掃描，確定列）3）鍵盤的編碼

例如：

D7D6D5D4D3D2D1D0

01110111

77HD7D6D5D4D3D2D1D001111011

7BH

對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號。

4）鍵盤掃描方式

單片機(jī)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(xiàng)工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤掃描，即既保證不失時機(jī)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。

a)編程掃描工作方式: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。下面以上圖8155擴(kuò)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0~31，共32個鍵，由1個8位口和1個4位口組成4×8的行列式鍵盤。在鍵盤掃描子程序中完成下述幾個功能：

（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)，PC0~PC3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(jī)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。（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個鍵的鍵值對應(yīng)作如下分布(PA、PC口為二進(jìn)制碼，X為任意值)：FEXEFDXEFBXEF7XEEFXEDFXEBFXE7FXEFEXDF