第二章輸入輸出接口和通道5

第二章I/O接口技術(shù)和I/O通道解決微型計(jì)算機(jī)和外部的連接問題，使計(jì)算機(jī)和外部構(gòu)成一個(gè)整體，能正確、可靠、高效率的交換信息，這是設(shè)計(jì)一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)必須解決的基本問題。學(xué)習(xí)目的：通過本章的學(xué)習(xí)，了解接口和通道、I/O信號(hào)的種類、計(jì)算機(jī)與外部的通訊方式；了解I/O控制方式及其應(yīng)用場合，掌握中斷控制方式。學(xué)會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器、I/O端口的編址，掌握地址譯碼電路的設(shè)計(jì)方法；了解過程通道的構(gòu)成、功能、設(shè)計(jì)方法。掌握D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用方法；最后能進(jìn)行一般的I/O接口設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)要求：2

2.1 概述

2.2 I/O控制方式

2.3 I/O接口設(shè)計(jì) 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器32.1概述2.1.1接口、通道的概念及其功能2.1.2I/O信號(hào)的種類2.1.3計(jì)算機(jī)和外部通訊的方式42.1.1接口、通道的概念及其功能1.I/O接口電路

I/O接口電路是主機(jī)與外設(shè)之間交換信息的連接部件，起著橋梁和紐帶的作用。具體來講：（1）時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)—ns級(jí)，ms級(jí)設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配—CPU只能讀寫并行數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（串并、并串）和相匹配的速率和電平。（3）CPU負(fù)載能力和外設(shè)端口選擇—分擔(dān)CPU負(fù)載、分配端口具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器，可編程并行接口電路等。5

I/O通道也稱過程通道，是計(jì)算機(jī)與控制對(duì)象之間信息傳送和交換的連接通道。它的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。2.I/O通道被控對(duì)象計(jì)算機(jī)A/DD/A模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量62.1.2I/O信號(hào)的種類（8或16位并行或串行數(shù)據(jù)）1數(shù)據(jù)信息數(shù)字量模擬量開關(guān)量脈沖量2狀態(tài)信息—外設(shè)通過接口向CPU反映外設(shè)所處工作狀態(tài)的信息。3控制信息—CPU通過接口傳送給外設(shè)的信息。鍵盤、撥碼開關(guān)、編碼器等輸入的信息，通常是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或ASCII碼，8位。現(xiàn)場溫度、壓力、流量、位移等物理量，需經(jīng)轉(zhuǎn)換。開關(guān)合/開，電機(jī)起/停，閥門開/關(guān)等等。兩種狀態(tài)，用一位二進(jìn)制數(shù)表示。一個(gè)個(gè)傳送的脈沖列。脈沖個(gè)數(shù)和頻率可表示某種物理量。如檢測裝載電機(jī)軸上的脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的脈沖，獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移信息。72.1.3計(jì)算機(jī)和外部的通信方式（1）傳輸線條數(shù)n=傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)n；（2）傳送速度快、信息率高；（3）握手信號(hào)線一般是兩條（控制和狀態(tài)線）；

握手信號(hào)線在某些芯片中是固定的，某些則是通過軟件編程指定的。（4）在短距離的傳送中常采用。1.并行通信常用并行接口電路芯片：Z-80系列的PIO和Intel系列的8255A等。8（1）按位傳送，傳輸線條數(shù)n=1；（2）傳輸線既可做數(shù)據(jù)線又可做聯(lián)絡(luò)線用；（3）每個(gè)數(shù)據(jù)都占一個(gè)固定的時(shí)間長度；2.串行通信常用串行通信接口芯片：Z-80系列的SIO和Intel系列的8251A等。外設(shè)接口計(jì)算機(jī)外設(shè)接口計(jì)算機(jī)1）全雙工方式2）半雙工方式（如同馬路上的左右人行道）（如同馬路上的東南路口、打印機(jī)）串行通信分全雙工和半雙工方式、同步和異步方式。9接收端，收到規(guī)定的同步字符后，按約定的傳輸速率，接收對(duì)方法來的信息。3）同步通信將許多字符組成一個(gè)信息組，通常稱為信息幀。通信時(shí)，在每幀信息的開始加上同步字符，接著字符一個(gè)接一個(gè)的傳輸。在沒有信息要傳送時(shí)，要添上空字符，因同步傳輸不允許有間隙。通信中兩個(gè)字符的時(shí)間間隔是不固定的，而在同一字符中的兩個(gè)相鄰代碼間的時(shí)間間隔是固定的。 異步通訊中字符一幀幀傳送，每幀字符的傳送靠起始位來同步。4）異步通信102.2I/O控制方式2.2.1程序控制方式2.2.2中斷控制方式2.2.3直接存儲(chǔ)器存取方式—DMA方式 當(dāng)有多個(gè)外設(shè)的時(shí)候，外設(shè)的速度往往不一致，從而與主機(jī)的配合要求也不一致。CPU需采用分時(shí)控制，每個(gè)外設(shè)置僅在規(guī)定時(shí)間內(nèi)得到服務(wù)。這就需要規(guī)定一個(gè)CPU控制（或調(diào)度）各個(gè)外圍設(shè)備的控制策略，稱為控制方式。112.2.1程序控制方式指CPU和外設(shè)之間的信息傳遞，是在程序控制下進(jìn)行的。1.定義1）無條件I/O方式2）查詢式I/O方式2.分類12定義：是一種最簡單的I/O控制方式。使用簡單，所需硬件、軟件都較簡單，其所有的操作是由執(zhí)行程序來完成的。1）無條件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外設(shè)始終準(zhǔn)備好，CPU直接執(zhí)行I/O指令，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。即：無條件傳送方式所需的條件就是CPU與外設(shè)能夠準(zhǔn)確同步。一般只需要數(shù)據(jù)端口。例如：主機(jī)與LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送，CPU隨時(shí)都可將要顯示的文字或圖形送至顯示屏顯示，即顯示屏被當(dāng)做什么時(shí)候都處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)。又如手動(dòng)開關(guān)（人機(jī)交換），人們把CPU當(dāng)作什么時(shí)候都準(zhǔn)備好的狀態(tài)，隨時(shí)都可以撥動(dòng)手動(dòng)開關(guān)，把開關(guān)信息傳送至CPU。13定義：是一種最簡單的I/O控制方式。使用簡單，所需硬件、軟件都較簡單，其所有的操作是由執(zhí)行程序來完成的。1）無條件I/O方式（同步方式）要求：CPU或者外設(shè)始終準(zhǔn)備好，CPU直接執(zhí)行I/O指令，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。即：無條件傳送方式所需的條件就是CPU與外設(shè)能夠準(zhǔn)確同步。一般只需要數(shù)據(jù)端口。例如：主機(jī)與LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送，CPU隨時(shí)都可將要顯示的文字或圖形送至顯示屏顯示，即顯示屏被當(dāng)做什么時(shí)候都處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)。又如手動(dòng)開關(guān)（人機(jī)交換），人們把CPU當(dāng)作什么時(shí)候都準(zhǔn)備好的狀態(tài)，隨時(shí)都可以撥動(dòng)手動(dòng)開關(guān)，把開關(guān)信息傳送至CPU。142）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時(shí)間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時(shí)工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時(shí)，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。152）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時(shí)間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時(shí)工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時(shí)，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。162）查詢I/O方式（條件傳送方式）過程：先檢查后傳送。即CPU傳送數(shù)據(jù)前，先檢查外設(shè)是否“準(zhǔn)備好”，若沒有，則繼續(xù)查詢，直至外設(shè)準(zhǔn)備好；若準(zhǔn)備好，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。特點(diǎn)：傳送數(shù)據(jù)花費(fèi)時(shí)間較長，CPU效率低，且CPU不能與外設(shè)同時(shí)工作。但其硬件接口電路簡單，程序調(diào)試方便、可靠，便于實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備操作同步。應(yīng)用場合：在CPU不太忙且傳送速度要求不高時(shí)，可以采用。一般需要數(shù)據(jù)端口和狀態(tài)端口。172）查詢I/O方式舉例例1：某微機(jī)控制系統(tǒng)采用查詢方式對(duì)1#、2#、3#設(shè)備進(jìn)行管理。讀入1#外設(shè)狀態(tài)1#請(qǐng)求服務(wù)嗎？讀入2#外設(shè)狀態(tài)2#請(qǐng)求服務(wù)嗎？讀入3#外設(shè)狀態(tài)3#請(qǐng)求服務(wù)嗎？繼續(xù)嗎？結(jié)束1#外設(shè)服務(wù)子程序2#外設(shè)服務(wù)子程序3#外設(shè)服務(wù)子程序YYYNNNNY初始化18程序如下：讀入1#外設(shè)狀態(tài)1#請(qǐng)求服務(wù)嗎？讀入2#外設(shè)狀態(tài)2#請(qǐng)求服務(wù)嗎？讀入3#外設(shè)狀態(tài)3#請(qǐng)求服務(wù)嗎？繼續(xù)嗎？結(jié)束1#外設(shè)服務(wù)子程序2#外設(shè)服務(wù)子程序3#外設(shè)服務(wù)子程序YYYNNNNY初始化MOVFLAG，0；設(shè)標(biāo)志位為0INAL，STATTESTAL，01HJZDVC2CALLCCS1DVC1：INAL，STATTESTAL，01HJZDVC3CALLCCS2DVC2：INAL，STATTESTAL，01HJZDDSCALLCCS3DVC3：CMPFLAG，1JNZDVC1……DDS：；讀入外設(shè)狀態(tài)；標(biāo)志位仍為0，；繼續(xù)19例2：用查詢式管理鍵盤輸入，若程序員在終端按每秒打入10個(gè)字符的速度計(jì)算，則計(jì)算機(jī)平均用100ms的時(shí)間完成一個(gè)字符的輸入過程，且實(shí)際上真正用來從終端讀入一個(gè)字符并送出顯示等處理的時(shí)間只需約50us，如果同時(shí)管理30臺(tái)終端，那么用于測試狀態(tài)和等待時(shí)間為：100ms-50us×30=98.5ms可見，98.5%的時(shí)間都在查詢等待中浪費(fèi)了。2）查詢I/O方式舉例課后第2、3題。202.2.2中斷控制方式特點(diǎn)：采用中斷方式傳送信息時(shí)，不需要反復(fù)查詢外設(shè)的狀態(tài)。應(yīng)用場合：該方式具有實(shí)時(shí)性，適用于CPU任務(wù)較忙，I/O設(shè)備速度不太高的系統(tǒng)中，尤其適用于實(shí)時(shí)控制和緊急事件的處理。過程：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好和CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，就通過I/O接口給CPU一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。CPU相應(yīng)接口的中斷請(qǐng)求，停止正在執(zhí)行的程序（通常成主程序），插入I/O操作程序（稱為中斷服務(wù)子程序），完成數(shù)據(jù)傳輸。課后第4、5題。212.2.3直接存儲(chǔ)器存取方式—DMA方式特點(diǎn)：中斷方式不適用于大批量數(shù)據(jù)高速傳輸：①中斷方式下，CPU需執(zhí)行IN、OUT、MOV等指令，實(shí)現(xiàn)外設(shè)和內(nèi)存之間的信息傳送，指令執(zhí)行需花費(fèi)很多時(shí)間；②每次中斷進(jìn)入或返回以及現(xiàn)場保護(hù)要發(fā)費(fèi)很多時(shí)間。DMA方式，使CPU不參加數(shù)據(jù)I/O，而由DMA控制器DMAC來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間、外設(shè)與外設(shè)之間直接快速傳送，從而減輕CPU負(fù)擔(dān)。應(yīng)用場合：DMA方式把I/O操作過程中外設(shè)與內(nèi)存交換信息的控制交給DMAC，實(shí)質(zhì)上是在硬件控制下完成數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了傳輸速率，這對(duì)大批量數(shù)據(jù)高速傳送特別有用。222.3I/O接口設(shè)計(jì)2.3.1I/O接口的編址方式2.3.2I/O接口與系統(tǒng)的連接2.3.3I/O接口的擴(kuò)展2.3.4I/O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例232.3.1I/O接口的編址方式I/O接口的編址解決的是I/O接口的尋址問題。 從存儲(chǔ)器空間劃出一部分地址空間給I/O設(shè)備，把I/O接口中的端口當(dāng)作存儲(chǔ)器單元一樣進(jìn)行訪問。 （存儲(chǔ)器映射方式）1、統(tǒng)一編址24 端口地址獨(dú)立編址，而不和存儲(chǔ)空間合在一起。 （I/O映射方式）2.獨(dú)立編址252.3.2I/O接口與系統(tǒng)的連接SIO和PIO。I/O接口與I/O通道是CPU與外設(shè)連接的橋梁。從外部連接看，接口可分為兩類：1.用來和I/O設(shè)備相連2.用來和系統(tǒng)總線相連26I/O接口芯片8255A和8251A與CPU和外設(shè)的連接關(guān)系如圖所示。272.3.3I/O接口的擴(kuò)展一般微機(jī)系統(tǒng)已具備相當(dāng)數(shù)量的通用可編程序I/O接口電路，如PIO：8255A，SIO：8251A，CTC：8253，DMAC：8237A和中斷控制器8259A等。但在控制生產(chǎn)對(duì)象過程中，接口和內(nèi)存往往還不夠用，必須擴(kuò)展I/O接口及內(nèi)存容量。包括：地址譯碼器的擴(kuò)展和負(fù)載能力的擴(kuò)展。28端口（port）是接口電路中能被CPU直接訪問的寄存器或某些特定的器件。I/O端口是CPU與I/O設(shè)備直接通信的地址。一個(gè)接口可以有幾個(gè)端口，如：數(shù)據(jù)口、命令口和狀態(tài)口。計(jì)算機(jī)給接口電路中的每個(gè)寄存器分配一個(gè)端口，訪問端口就是訪問接口電路中的寄存器。 通常所說的I/O操作是指對(duì)I/O端口的操作，而不是對(duì)I/O設(shè)備的操作。下面就74LS138展開舉例。 1.地址譯碼器的擴(kuò)展2974LS1383個(gè)使能端選擇輸入端譯碼輸出端3:8譯碼器常用地址譯碼器有2：4（四中選一）、3：8（八中選一）和4：16（十六中選一）譯碼器等。比如74LS138（3：8）譯碼器和74LS139和74LS155（雙2：4）譯碼器。30使能端的作用譯碼功能74LS138的功能表74LS13831例一使用74LS138集成譯碼器譯出8個(gè)端口地址358—35FH。由于所有A0～A9地址線都參加譯碼，所以稱為全譯碼，就是每條線對(duì)應(yīng)一個(gè)端口地址。=11，0101，1×××1101011×××=3

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8-FA0A1A2A3A4A5A6A7A9A8AEN74LS0074LS1174LS138OROR358H359H35AH35BH35CH35DH35EH35FHA9A8A7A6A5A4A3A2A1A032例二采用8位的Z80CPU微機(jī)控制系統(tǒng)，按控制要求擴(kuò)展一個(gè)并行接口芯片PIO、一個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器CTC、一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808和一個(gè)8位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。指定他們的地址分別是40H~43H、44H~47H、58H和5CH。解答步驟：1.了解用到的芯片引腳分布及其工作原理—Z80CPU、并行接口芯片PIO、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器CTC、8位ADC0808、8位DAC0832；2.分析各芯片地址分配情況；3.連線。33例二個(gè)芯片主要引腳：34例二地址分配情況：PIO：40~43H CTC：44~47HADC0808：58H DAC0832：5CHY0Y1Y6Y735例二連線圖：74LS02—四2輸入或非門74LS32—四2輸入或門74LS32362.負(fù)載能力的擴(kuò)展①應(yīng)用總線收發(fā)器提高總線驅(qū)動(dòng)能力；典型總線收發(fā)器為Intel系列芯片8286。解決方法：②應(yīng)用接口芯片常用的芯片有：74LS244(單向三態(tài)門)、74LS373、74LS273（三態(tài)輸出鎖存器）、74LS245(三態(tài)輸出八總線收發(fā)器)。37微機(jī)系統(tǒng)中，通常采用兩種不同工藝制造的器件，即TTL器件和MOS器件。它們之間級(jí)連使用，邏輯電平一致（“1”電平≥1.8~3.8V，”0”電平≤0.8~0.3V），但功耗和驅(qū)動(dòng)能力有差別。下表列出了TTL和MOS器件的I/O電流。TTL=Transistor-TransistorLogic晶體管-晶體管邏輯(電路)MOS=Metal-Oxide-Semiconductor金屬-氧化物半導(dǎo)體CMOS=ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體注：MOS器件的輸入電流小，驅(qū)動(dòng)能力也差。一個(gè)MOS器件只能帶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)74XXX器件（約-1.6mA）或四個(gè)74LSXXX器件（-0.4mA），但它可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)左右的MOS器件。通常，同類器件帶8~10個(gè)沒有問題，若超過了就要加驅(qū)動(dòng)器。382.3.4I/O接口設(shè)計(jì)的方法、步驟及設(shè)計(jì)舉例首先：了解外設(shè)或被控設(shè)備與CPU之間信息交換要求；（聯(lián)絡(luò)信號(hào)、I/O數(shù)據(jù)格式、I/O線數(shù)量、最短響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間估算、I/O控制方式等）其次：考慮軟硬件功能分配；（速度、成本、特性、設(shè)計(jì)難以程度等）再次：進(jìn)行I/O端口數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)流向安排和端口地址號(hào)分配第四：I/O接口硬件電路的擴(kuò)展設(shè)計(jì)； （包括擴(kuò)展方案選擇、地址譯碼器擴(kuò)展和負(fù)載能力擴(kuò)展等）第五：I/O接口控制軟件設(shè)計(jì)。最后：軟硬件聯(lián)調(diào)。 接口設(shè)計(jì)的任務(wù)包括確定各外圍設(shè)備的控制方式，接口硬件電路設(shè)計(jì)和接口控制軟件設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)步驟如下：舉例如下:39例三采用8088CPU的某微機(jī)系統(tǒng)，要求：1）有8組8位的數(shù)字量和開關(guān)量由外部輸入，2）有8組8位的控制和顯示數(shù)據(jù)輸出到外部，3）指定8個(gè)輸入端口地址號(hào)為E8H~EFH，4）指定8個(gè)輸出端口地址號(hào)為F0H~F7H，5）所有I/O信息交換均可采用無條件傳送方式。試按此要求為該微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)I/O接口電路。解題思路按照題目要求，總的設(shè)計(jì)思路可簡單列為：因此，只須確定傳送方式和緩沖器、鎖存器的類型即可，具體步驟如下：401）要求的I/O端口都是固定單方向的，且為無條件傳送，無需聯(lián)絡(luò)信號(hào)，選用普通的緩沖器和譯碼器；2）8組8位的數(shù)字量輸入，8組8位的數(shù)顯示數(shù)據(jù)輸出，對(duì)應(yīng)采用8個(gè)74LS244（同相輸出雙四總線緩沖器）和8個(gè)74LS273（8D鎖存器）芯片，譯碼器采用2個(gè)74LS138；3）譯碼器地址線的確定，題目要求：8個(gè)輸入端口地址號(hào)為E8H~EFH，8個(gè)輸出端口地址為F0H～F7H：A7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H4）連線具體解題過程：41接線圖808874LS13874LS24474LS1174LS3274LS13874LS32NOT數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出74LS273IOWIORNOTA7A6A5A4A3A2A1A011101XXX11110XXXE8H~EFHF0H~F7H42例四在8086最小模式系統(tǒng)中，采用8255A作為連接打印機(jī)的接口，若指定分給8255A的A、B、C和控制端口號(hào)分別為FFF8H、FFFAH、FFFCH和FFFEH，試設(shè)計(jì)接口電路和有關(guān)的軟件。解題步驟：第一步、了解設(shè)計(jì)中所涉及到的芯片；8086（最小模式）、并行接口芯片8255、打印機(jī)端口第二步、仔細(xì)分析題意；第三步、連線。43分析題意 CPU與打印機(jī)的聯(lián)絡(luò)既可以用程序控制方式，也可以用中斷方式，這里以程序控制方式來設(shè)計(jì)。設(shè)定8255A的A端口工作于方式0，輸出方式，向打印機(jī)傳送字符數(shù)據(jù)。B端口不用。C端口用于傳送狀態(tài)和控制信息，也工作于方式0，分配PC2做狀態(tài)線來接收打印機(jī)的忙狀態(tài)信號(hào)。分配PC6作為控制信號(hào)，由它產(chǎn)生和輸出一個(gè)負(fù)脈沖作為數(shù)據(jù)選通信號(hào)，將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)打入打印機(jī)緩沖器。1.8255A與打印機(jī)端口的連接442、8086與8255A的連接 8086的MN/MX端接+5V，表示其工作于最小模式。因8255A只用8位數(shù)據(jù)線，用8086的低8位數(shù)據(jù)線與之相連即可。選用3片正電平觸發(fā)的八D觸發(fā)器74LS373作為地址鎖存器，鎖存地址信號(hào)AD0~AD19信號(hào)。其中A2、A1經(jīng)鎖存器后，直接加到8255A的A1、A0端；A3~A15及BHE接到地址譯碼器74LS138上。45接線圖8255A74LS138A0~A19D0~D7A3~A15接譯碼器A15A6A3A4A5A1A2A074LS133BHEM/IO8086RDWR322974LS373STBD0~D73片462I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計(jì) 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器472.4 I/O通道

工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(shù)一般都是連續(xù)變化的模擬量，而微型計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，因此數(shù)據(jù)在進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)之前，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換。由于大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能接收模擬量，為了控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，經(jīng)微型計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)需經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換。

I/O通道也稱過程通道，是計(jì)算機(jī)與控制對(duì)象之間信息傳送和交換的連接通道。它的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。由于微型計(jì)算機(jī)的速度很快，而模擬量的變化速度一般比較慢，因此往往用一臺(tái)計(jì)算機(jī)采樣或控制多個(gè)參數(shù)。這樣，參數(shù)需被分時(shí)的進(jìn)行采樣和控制。本節(jié)主要介紹多路開關(guān)、采樣與量化。482.4 I/O通道2.4.1I/O通道的組成2.4.2模擬量輸入通道2.4.3采樣與量化492.4.1I/O通道的組成CPUI/O接口電路工業(yè)對(duì)象A/D轉(zhuǎn)換器放大器采樣器D/A轉(zhuǎn)換器輸出保持功率放大數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出傳感器執(zhí)行部件模擬量輸出通道模擬量輸入通道數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸入通道502.4.2模擬量輸入通道CPUI/O接口電路工業(yè)對(duì)象A/D采樣保持和放大器采樣單元信號(hào)處理1信號(hào)處理2信號(hào)處理n控制電路包括：標(biāo)度變換器(變送器)、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。又稱：多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)。CD4051等。從保證模擬信號(hào)采樣精確度分析。信號(hào)大小匹配511）信號(hào)處理裝置 標(biāo)度變換器是把經(jīng)由各種傳感器所得到的不同種類和不同電平的被測模擬信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：一般為0~10mA或4~20mA的電流信號(hào)，或0~±5V的電壓信號(hào)。標(biāo)度變換器在生產(chǎn)現(xiàn)場，由于各種干擾源的存在，所采集的模擬信號(hào)可能夾雜著干擾信號(hào)。通常被測參量的信號(hào)頻率比較低（1Hz以下），會(huì)夾雜許多高于1Hz的干擾信號(hào)成分（如50Hz的電源干擾）。濾波電路522）采樣單元（多路轉(zhuǎn)換器或多路切換開關(guān)） 把已變換成統(tǒng)一電壓信號(hào)的測量信號(hào)按序或隨機(jī)的接到采樣保持器或直接接到數(shù)據(jù)放大器上。即：在多路模擬量輸入的情況下，只用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。借助采樣單元，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)各路模擬量分時(shí)采樣的目的。 采樣單元由開關(guān)矩陣（模擬開關(guān)）和邏輯控制電路（保證速度和次序）組成。 模擬量多路開關(guān)實(shí)際上就是CMOS傳輸門。產(chǎn)品種類很多，如：CD4051（8選1模擬開關(guān)）、CD4052（雙2選1模擬開關(guān)）、CD4067（16通道模擬開關(guān)）。53CD4051CD4051引腳圖CD4051真值表CD4051原理圖54CD4051應(yīng)用舉例當(dāng)采樣通道多至16路時(shí)，可直接選用16路模擬開關(guān)的芯片（如CD4067、AD7506、MAX306等），也可以將2個(gè)8路4051并聯(lián)起來，組成1個(gè)單端的16路開關(guān)。為了提高抗共模干擾能力，可用差動(dòng)輸入方式。

55采樣保持當(dāng)某一通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間（孔徑時(shí)間）。為了保證輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中保持不變，但轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)能夠跟隨模擬量變化，需用采樣-保持器（Sample/Hold，簡寫為S/H）。3）采樣保持和放大器56孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。t0t1tA/DU0t10位的A/D轉(zhuǎn)換器，如果要求轉(zhuǎn)換精度在0.1%，孔徑時(shí)間為10us，則允許轉(zhuǎn)換的正弦模擬信號(hào)的最大頻率為：因此，如被采樣模擬信號(hào)的變化頻率相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度來說是較高，為保證轉(zhuǎn)換精度，需在A/D轉(zhuǎn)換器之前加采樣保持電路。57 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，已生產(chǎn)出各種各樣的采樣/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、ADC1130等。下面是LF198的原理圖和典型應(yīng)用。常用的采樣/保持器58 由采樣單元或采樣保持器輸出的被測電壓信號(hào)通常是0~40mV的弱信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器要求輸入電壓一般都是0~+5V、0~+10V、±5V、±10V。因此須經(jīng)放大器，從而提高輸出電平，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。數(shù)據(jù)放大器592.4.3采樣與量化采樣過程：用采樣開關(guān)將模擬信號(hào)按一定時(shí)間間隔抽樣成離散模擬信號(hào)的過程。采樣信號(hào)f*(t)：是時(shí)間上離散，幅值上連續(xù)的脈沖信號(hào)，其為離散模擬信號(hào)。1）采樣過程60采樣信號(hào)f*(t)能完全或近似地反映被采樣信號(hào)f(t)的所有變化和特征嗎？香農(nóng)(Shannon)定理告訴我們：如果隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)的最高頻率為fmax，只要按照采樣頻率fS≥2fmax進(jìn)行采樣，那么取出的樣品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢復(fù))f(t)。實(shí)際使用中，常取fS≥(4～10)fmax，過程慣量越大，倍數(shù)可取得越大。612）量化過程量化過程：采樣信號(hào)不能直接進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)。采樣信號(hào)經(jīng)量化后成為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化過程。數(shù)字信號(hào)和采樣信號(hào)的差別：前者的幅值是斷續(xù)的，后者的幅值是連續(xù)的。若原始信號(hào)f(t)幅值有微小變化，只要這個(gè)變化不超過量化單位，則量化后的數(shù)字信號(hào)可以不變。所以，量化過程可以視為“數(shù)值分層”的過程。數(shù)字計(jì)算機(jī)中的信號(hào)是以二進(jìn)制數(shù)的代碼來表示的，任何值只能表示成二進(jìn)制數(shù)的整數(shù)倍。量化單位q是A/D轉(zhuǎn)換器最低位二進(jìn)制位（LSB）所代表的物理量。62在量化過程中，采樣值和量化值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。632I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計(jì) 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.5D/A轉(zhuǎn)換器2.5.1并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理2.5.2D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.5.38位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器按工作方式分并行和串行兩種。并行D/A轉(zhuǎn)換器又可分成電流相加型和電壓相加型。本節(jié)主要介紹電流相加型并行D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理、典型電路及其與CPU的連接。652.5.1并行D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理 D/A轉(zhuǎn)換器主要由電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器兩部分組成（還有位切換開關(guān)和基準(zhǔn)電壓）。電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量往模擬電流的轉(zhuǎn)換（一般用T型電阻網(wǎng)絡(luò)）；運(yùn)算放大器完成模擬電流相加并變?yōu)槟M電壓輸出。

數(shù)字量是由一位一位的數(shù)位構(gòu)成的，每個(gè)數(shù)位都代表一定的權(quán)。為了把其轉(zhuǎn)換成模擬量，必須把每一位上的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，再把代表各位的模擬量相加，這樣，得到的總的模擬量就是與數(shù)字量成正比的模擬量，實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。66由T型電阻網(wǎng)絡(luò)介紹D/A轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D1=1、D2=…Dn=0時(shí),等效電路如下圖a)和b)，此時(shí)IL＝I/267當(dāng)D1=1、D2=…Dn=0時(shí),IL＝I/2；當(dāng)D2=1、D1=…Dn=0時(shí),等效電路如圖c)，此時(shí)IL=I/4;……由T型電阻網(wǎng)絡(luò)介紹D/A轉(zhuǎn)換原理68根據(jù)疊加原理，寫出流經(jīng)負(fù)載電路的電流IL的表達(dá)式：692.5.2D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)1）分辨率：是指當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。它反映了計(jì)算機(jī)數(shù)字量輸出對(duì)執(zhí)行部件控制的靈敏程度。對(duì)于一個(gè)N位的D/A轉(zhuǎn)換器其分辨率為：2）轉(zhuǎn)換時(shí)間：指數(shù)字量輸入到轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。例如：對(duì)于滿刻度值5.12V，單極性輸出，8位、12位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率分別為70性能指標(biāo)3）精度：指D/A實(shí)際輸出與理論值之間的誤差，一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位。例如：±1/2LSB，若是8位轉(zhuǎn)換，則精度是±（1/2）×（1/256）滿度=±1/512滿度。

4）線性誤差：在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差。這個(gè)誤差用最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)來表示。一般為0.01％～0.8％。數(shù)字量輸入模擬量輸出理想特性實(shí)際滿刻度線性誤差712.5.38位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，控制從輸入寄存器到DAC寄存器的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送；ILE：數(shù)據(jù)輸入鎖存允許，高電平有效；72單極性電壓輸出電路雙極性電壓輸出電路73DAC0832有兩個(gè)寄存器，即8位輸入寄存器和8位DAC寄存器，由于內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)輸入寄存器，0832的8位數(shù)據(jù)線可直接和CPU的數(shù)據(jù)總線相連。CPU分配給DAC0832兩個(gè)端口地址：8位輸入寄存器328H8位DAC寄存器329H；A0決定哪個(gè)寄存器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存；數(shù)據(jù)要通過DAC0832需兩次鎖存。輸出模擬電流信號(hào)由運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)，由AOUT得到。DAC0832接口電路舉例74利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、鋸齒波等，以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。這些復(fù)合波形利用標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備是很難產(chǎn)生的。下面是利用DAC0832在產(chǎn)生鋸齒波的程序段：DATA SEGMENT ;定義數(shù)據(jù)段 CRT DB'DISPLAYATOOTHEDWAVEFORM.',0DH,0AH DB 'PRESSANYKEYRETURNTODOS.',0DH,0AH,'$';屏幕顯示提示信息DATA ENDSSTACKSEGMENTSTACK ;定義棧段STADB50DUP(?)TOPEQULENGTHSTASTACKENDSCODESEGMENT ;定義代碼段 ASSUMECS:CODE,DS:DATA,SS:STACK,ES:DATA START: MOVAX,DATA ;初始化數(shù)據(jù)段寄存器 MOVDS,AX MOVAX,STACK ;初始化棧段寄存器 MOVSS,AX MOVAX,TOP MOVSP,AX ;堆棧偏移地址送棧指針寄存器 MOVDX,OFFSETCRT MOVAH,09H INT21H ;顯示提示信息 75 LOP1: MOVCX,0FFFH ;循環(huán)次數(shù)送CX MOVDX,328H ;輸入寄存器端口地址328H MOVAL,00H ;初始數(shù)據(jù)00H LOP2: OUTDX,AL ;數(shù)據(jù)送入輸入寄存器 MOVDX,329H ;寄存器口地址329H OUTDX,AL ;數(shù)據(jù)送入寄存器端口 DECDX ;恢復(fù)輸入寄存器端口地址 ADDAL,10H ;修改輸出信息 CMPAL,00H ;判斷數(shù)據(jù)是否大于256 JNZLOP2 ;沒有超過256，繼續(xù)循環(huán) LOOPLOP2 ;CX內(nèi)容不為零，轉(zhuǎn)LOP2 MOVAH,01H INT21H ;接收鍵入字符 CMP AL,'Q' ;鍵入字符是“Q”嗎？ JNZ LOP1 ;不是，繼續(xù)產(chǎn)生鋸齒波 MOVAX,4C00H INT21H ;返回DOSCODEENDS ENDSTART762I/O接口技術(shù)和I/O通道 2.1 概述 2.2 I/O控制方式 2.3 I/O接口設(shè)計(jì) 2.4 I/O通道 2.5 D/A轉(zhuǎn)換器 2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.6A/D轉(zhuǎn)換器2.6.1分類2.6.2主要技術(shù)參數(shù)2.6.3ADC0809及其接口電路本章小結(jié)782.6.1分類

1）逐位逼近式

2）雙積分式

3）計(jì)數(shù)器式1）逐位逼近式80再對(duì)下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D2

1，與上一位D3位一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為VO

12再進(jìn)入比較器，與VIN

9比較，因VIN

VO，則使D2

0；當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)在控制邏輯作用下，首先使寄存器的最高位D3

1，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓即VO

8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換的模擬量VIN=9進(jìn)行比較，控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)VIN

VO，則保留D3=1；最后一位D0

1-即1001經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO

9，再與VIN

9比較，因VIN

VO，保留D0

1。比較完畢，寄存器中的數(shù)字量1001即為模擬量9的轉(zhuǎn)換結(jié)果，存在輸出鎖存器中等待輸出。再下一位D1位也是如此，D1

1即1010，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為VO=10，再與VIN

9比較，因VIN

VO，則使D1

0；81例：四位A/D轉(zhuǎn)換器，滿刻度值為5V，現(xiàn)若輸入3.5V模擬電壓，試分析其逐次逼近的轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)最高位置1時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換模擬電壓值為量化單位課后第11題。822）雙積分式83轉(zhuǎn)換原理：在轉(zhuǎn)換開始信號(hào)控制下，開關(guān)接通模擬輸入端，輸入的模擬電壓VIN在固定時(shí)間T內(nèi)對(duì)積分器上的電容C充電（正向積分），時(shí)間一到，控制邏輯將開關(guān)切換到與VIN極性相反的基準(zhǔn)電源上，此時(shí)電容C開始放電（反向積分），同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)比較器判定電容C放電完畢時(shí)就輸出信號(hào)，由控制邏輯停止計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，并發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器所記的脈沖個(gè)數(shù)正比于放電時(shí)間。放電時(shí)間T1或T2又正比于輸入電壓VIN，即輸入電壓大，則放電時(shí)間長，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。因此，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的大小反映了輸入電壓VIN在固定積分時(shí)間T內(nèi)的平均值。此種A/D轉(zhuǎn)換器的常用品種有輸出為3位半BCD碼（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)）的ICL7107、MC14433、輸出為4位半BCD碼的ICL7135等。應(yīng)用場合：信號(hào)變化緩慢、模擬量輸入速率要求較低，轉(zhuǎn)換精度要求較高和現(xiàn)場干擾較嚴(yán)重的情況下。優(yōu)點(diǎn)：消除干擾和電源噪聲能力強(qiáng)，精度高；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。84分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。若分辨率為n，則：1）分辨率分辨率=滿量程/2n

2.6.2主要技術(shù)參數(shù)85相對(duì)精度用相對(duì)于滿量程的百分比來表示。2）轉(zhuǎn)換精度-轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以用絕對(duì)精度和相對(duì)精度來表示。絕對(duì)精度，常用數(shù)字量的位數(shù)表示，±LSB/2。最低有效值的位數(shù)LSB（LeastSignificantBit)來表示，1LSB=VREF/2n。例如，對(duì)于一個(gè)8位0~5V的A/D轉(zhuǎn)換器，求其分辨率、絕對(duì)誤差和相對(duì)百分誤差。分辨率為：絕對(duì)誤差為：相對(duì)誤差為：86A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。如逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級(jí)，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。3）轉(zhuǎn)換時(shí)間課后第12題。872.6.3ADC0809及其接口電路

1）ADC0809芯片介紹

2）ADC0809應(yīng)用舉例881）ADC0809芯片介紹8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器；分辨率為VFS/28≈VFS0.39%模擬電壓轉(zhuǎn)換范圍是0-+5V；標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s采用28腳雙立直插式封裝89IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。允許模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。上升沿時(shí)鎖存3位通道選擇信號(hào)。A、B、C：3位地址線即模擬量通道選擇線。ALE為高電平時(shí)，地址譯碼。START：啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，輸入，高電平有效。上升沿時(shí)將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。該信號(hào)用來打開三態(tài)輸出緩沖器，將A/D轉(zhuǎn)換得到的8位數(shù)字量送到數(shù)據(jù)總線上。D0～D7：8位數(shù)字量輸出。D0為最低位，D7為最高位。由于有三態(tài)輸出鎖存，可與主機(jī)數(shù)據(jù)總線直接相連。CLOCK：外部時(shí)鐘脈沖輸入端。當(dāng)脈沖頻率為640kHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。VR+，VR-：基準(zhǔn)電壓源正、負(fù)端。取決于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，通常VR+=5VDC，VR-=0VDC。Vcc：工作電源，5VDC。GND：電源地。各引腳功能如下：90ADC0809的內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)序轉(zhuǎn)換過程如下：首先ALE的上升沿將地址代碼鎖存、譯碼后選通模擬開關(guān)中的某一路，使該路模擬量進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器中。同時(shí)START的上升沿將轉(zhuǎn)換器內(nèi)部清零，下降沿起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即在時(shí)鐘的作用下，逐位逼近過程開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC即變?yōu)榈碗娖?。?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC恢復(fù)高電平，此時(shí)，如果對(duì)輸出允許OE輸入一高電平命令，則可讀出數(shù)據(jù)。912）應(yīng)用舉例1指定8路模擬電壓輸入端口地址為78H~7FH，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)以中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò)，采用74LS138作輸入通道地址譯碼器，要求畫出ADC0809與8086的連接原理電路圖。92分析：ADC0809數(shù)據(jù)輸出帶三態(tài)輸出門，故可以直接接到CPU數(shù)據(jù)總線上；8路模擬電壓輸入地址為78H~7FH，則低3位地址線A2~A0分別接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的采樣地址輸入端C、B、A上，用于選通8路輸入通路中的一路；用一條輸出指令即可啟動(dòng)某一通路開始轉(zhuǎn)換，即使ADC0809的START和ALE端得到一個(gè)啟動(dòng)正脈沖信號(hào)；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809從EOC端發(fā)出一個(gè)正脈沖信號(hào)，通過中斷程序控制器8259A向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。指定8路模擬電壓輸入端口地址為78H~7FH，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)以中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò)，采用74LS138作輸入通道地址譯碼器，要求畫出ADC0809與8086的連接原理電路圖。93例2將一個(gè)由電位器產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成微機(jī)所能接受的數(shù)字量信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入微機(jī)內(nèi)存中，并顯示在屏幕上。采樣點(diǎn)取256個(gè)。需要轉(zhuǎn)換的模擬量靠電位器旋轉(zhuǎn)得到,模擬量電壓范圍:0~5V，由IN0口輸入；ALE與START相聯(lián)，以便鎖存通道地址同時(shí)開始A/D采樣轉(zhuǎn)換；ADC0809時(shí)鐘頻率范圍為10~1280kHz，用500kHz，由8MHz經(jīng)74LS393分頻得到；ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)使CPU讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。程序略。94本章小結(jié)模擬量輸入通道是計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、智能測量儀表以及以微處理器為基礎(chǔ)組成的各種產(chǎn)品的重要組成部分。本章按照系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的流向，依次介紹模擬量輸入通道的各個(gè)組成部分－信號(hào)調(diào)理、多路模擬開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路與A/D轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)原理與功能作用，其中有些環(huán)節(jié)可以根據(jù)實(shí)際需要來選擇取舍。比如輸入信號(hào)已是電壓信號(hào)且滿足A/D轉(zhuǎn)換量程要求，那就不必再用I/V轉(zhuǎn)換和前置放大器；又如輸入信號(hào)變化緩慢而A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短，能滿足A/D轉(zhuǎn)換精度，也就不必用采樣保持器；當(dāng)可以利用A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的多路模擬開關(guān)時(shí)，也可不用外部的多路模擬開關(guān)。但無論如何，其核心器件－A/D轉(zhuǎn)換器是不能缺少的。952I/O接口技術(shù)和I／O通道1、何謂I/O接口？在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中為什么要有I/O接口電路？2、一個(gè)微處理機(jī)（CPU）采用程序控制查詢方式時(shí)，管理50個(gè)鍵盤顯示終端，要求將各終端打入的任一個(gè)字符在顯示器上立即顯示出來。已知CPU查詢每個(gè)終端并完成每一字符的接收和處理時(shí)間需200us，若程序員以每秒打10個(gè)字符的速度同時(shí)連續(xù)打入字符，問CPU能否按要求，可靠的管理全部50個(gè)終端？又問CPU最多能管理多少個(gè)這種終端？4、某微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)有1#、2#、3#三個(gè)外圍設(shè)備，由一個(gè)CPU進(jìn)行管理，已知個(gè)外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間分別是：C1=5ms、S1=300us,C2=8ms、S2=1.3ms,C3=1ms、S3=400us,問若采用查詢方式是否能可靠管理這三個(gè)外圍設(shè)備？為什么？若不行的話，試提出改進(jìn)方案？966、某8086最大模式系統(tǒng)中，需擴(kuò)展8255A、8253和DAC0832芯片各一片。采用74LS138作譯碼器，若已指定分配給各芯片的地址范圍是： 8255A：FFE0H、FFE2H、FFE4H、FFE6H 8253：FFE1H、FFE3H、FFE5H、FFE7H DAC0832：FFF0H設(shè)計(jì)接口擴(kuò)展的地址譯碼電路（可根據(jù)需要增加必要的的邏輯電路芯片）。9、模擬輸入通道中為什么要加采樣保持器？采樣保持器的組成及要求是什么？12、用ADC0808測量某罐溫度，其溫度波動(dòng)范圍30～50℃，線性溫度變送器輸出0～5V，試求測量該溫度的分辨率和精度。972、解：CPU查詢每個(gè)終端并完成每個(gè)字符的接收和處理的時(shí)間為200us，程序員打印字符的速度為100ms/個(gè)，同時(shí)管理50個(gè)終端，設(shè)能同時(shí)管理的終端個(gè)數(shù)為n，則984、解：所以，中斷查詢式也不能可靠管理這三個(gè)外設(shè)。建議采用中斷嵌套。要求實(shí)時(shí)控制三個(gè)外設(shè)，外設(shè)最短響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)時(shí)間為：C1=5ms、C2=8ms、C3=1ms,S1=0.3ms,S2=1.3ms、S3=0.4ms查詢I/O方式滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件：“所有外設(shè)的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任意外設(shè)的最短響應(yīng)時(shí)間。”中斷控制軟件查詢方式：按照最短響應(yīng)時(shí)間由小到大的順序排序，判斷是否滿足下列條件，中斷嵌套：進(jìn)入各外設(shè)的中斷的服務(wù)程序后允許清除中斷允許標(biāo)志IF。99實(shí)時(shí)的概念所謂“實(shí)時(shí)”是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)或進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程。如煉鋼爐的控制溫度，延遲1s，仍然認(rèn)為是實(shí)時(shí)的。而一個(gè)炮火控制系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)狀態(tài)量變化時(shí)，一般必須在幾毫秒或幾十毫秒內(nèi)及時(shí)控制，否則就不能擊中目標(biāo)了。實(shí)時(shí)性的指標(biāo)，涉及到如下一系列的時(shí)間延遲：一次儀表的延遲，過程量輸入的延遲，計(jì)算和邏輯判斷的延遲，控制量輸出的延遲，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t等等。一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。例如，一個(gè)只用于數(shù)據(jù)采集的微型機(jī)系統(tǒng)是在線系統(tǒng)，但它不一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)，則必定是一個(gè)在線系統(tǒng)。100ADC0808：8位AD轉(zhuǎn)換器溫度波動(dòng)范圍30～50℃：在其工作范圍內(nèi)溫度變送器輸出0～5V12、分析題意：分辨率和精度計(jì)算：10174LS1386、地址分配情況：Y0Y1Y410282558253808674LS138DA083274LS2074LS1174LS20A1A2A1A274LS3274LS3229WR28IO32RD28IORWRRWWW1033數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)3.1引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計(jì)方法，掌握基本的離散化設(shè)計(jì)方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計(jì)方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。1043.1引言模擬調(diào)節(jié)器：模擬控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制器是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)。數(shù)字控制器：數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是數(shù)字控制器?？刂破鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象變換發(fā)送單元測量元件給定信號(hào)被控參數(shù)圖1-1閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖控制過程：通過模擬量輸入通道對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，處理結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，以達(dá)到期望的結(jié)果。105 在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)執(zhí)行按某種算法編寫的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的控制和調(diào)節(jié)，被稱為數(shù)字控制器。圖1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對(duì)象被控參數(shù)微處理器微型計(jì)算機(jī)給定信號(hào)106 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由被控對(duì)象、A/D、微機(jī)、D/A構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是模擬量，所以該系統(tǒng)可以看成是一個(gè)連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)?？梢杂美献儞Q來進(jìn)行分析。Gp(S)C(S)D(S)R(S)＋－圖3-1作為連續(xù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖3-2作為離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Gp(S)C(S)D(z)R(S)＋－H(S)G(S) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由微機(jī)、D/A、被控對(duì)象、A/D構(gòu)成的組合體的輸入和輸出都是數(shù)字量，所以該系統(tǒng)具有離散系統(tǒng)的特性，可以用Z變換來進(jìn)行分析。執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器被控對(duì)象被控參數(shù)微處理器微型計(jì)算機(jī)給定信號(hào)107 當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率足夠高時(shí)，采樣系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變換的模擬系統(tǒng)，可以忽略采樣開關(guān)和保持器，將整個(gè)系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，從而用s域的方法設(shè)計(jì)校正裝置D(s)，再使用s域到z域的離散化方法求得離散傳遞函數(shù)D(z)。 根據(jù)系統(tǒng)已有的連續(xù)模型，按連續(xù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)模擬調(diào)節(jié)器，然后，按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系將模擬調(diào)節(jié)器離散化，得到等價(jià)的數(shù)字控制器，從而確定計(jì)算機(jī)的控制算法。思路：步驟：圖3-1用連續(xù)系統(tǒng)的理論來進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)結(jié)果變成數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制算法的方法，稱為模擬化的設(shè)計(jì)方法。1083.2離散化方法3.2.1差分變換法3.2.2零階保持器法3.2.3雙線性變換法109為了強(qiáng)調(diào)序列，而不是作為時(shí)間的變量，不再寫T，k代表采樣序列數(shù)。3.2.1差分變換法模擬調(diào)節(jié)器用微分方程形式表示時(shí)，其導(dǎo)數(shù)可用差分近似。差分變化法步驟如下： 1）將原始的連續(xù)校正裝置傳遞函數(shù)D(s)轉(zhuǎn)換成微分方程； 2）用差分方程近似微分方程。（采用后向差分）一階后向差分法：二階后向差分法：110例3-1求慣性環(huán)節(jié) 的差分方程。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述 微分方程，得整理得：111例3-2求環(huán)節(jié) 的差分方程。（練習(xí)）第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用二階向后差分法，并以采樣周期T離散上述 微分方程，得整理得：1123.2.2零階保持器法零階保持器法，又稱階躍響應(yīng)不變法。其基本思想是： 離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列，必須與模擬調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)的采樣值相等，即：其中，H(s)也就是為零階保持器，T為采樣周期。113D（S）e（t）u（t）D（S）e（t）u（t）D(z)=Z[H(s)D(s)]E（z）U（z）連續(xù)系統(tǒng)帶采樣和零階保持等效離散系統(tǒng)為什么？114例3-3用零階保持器法求慣性環(huán)節(jié)的差分方程。解：1153.2.3雙線性變換法雙線性變化法，又稱Tustin變換法。它是將s域函數(shù)與z域函數(shù)進(jìn)行變換的一種近似方法。由z變換定義結(jié)論：如果已知連續(xù)傳遞函數(shù)D(s)，則可以計(jì)算D(z)。116例3-4已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 用雙線性變換法求D(z)，采樣周期T=1s。由解：1173數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)3.1

引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計(jì)方法，掌握基本的離散化設(shè)計(jì)方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計(jì)方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。1183.3PID數(shù)字控制算法3.3.1幾個(gè)概念3.3.2PID算法及其數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)3.3.3PID算法程序設(shè)計(jì)1193.3.1幾個(gè)概念 在連續(xù)生產(chǎn)控制過程中，常采用比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Derivative）進(jìn)行控制的方式。1、PID控制方式：2、PID算法的數(shù)字化：其實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程轉(zhuǎn)換成為離散形式的PID差分方程。120由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。因此，只要偏差出現(xiàn)，就能及時(shí)地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)。比例調(diào)節(jié)器的特性曲線，如圖3-2所示。3、比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)節(jié)器偏差信號(hào)（＝給定量與輸出量之差）圖3-2比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性曲線e(t)t1t0u(t)tKPt01214、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器 所謂積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用。積分方程為：調(diào)節(jié)器積分時(shí)間TI是積分時(shí)間常數(shù)，表示積分速度的大小，TI越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分作用的響應(yīng)特性曲線，如圖3-3所示。圖3-3積分作用響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0122若將比例和積分兩種作用結(jié)合起來，就構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)規(guī)律為：輸出特性曲線如圖3-4所示：圖3-4PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0123μ電氣式的PI調(diào)節(jié)器由圖得，124近似的電氣式的PI調(diào)節(jié)器1255、比例微分（PD）調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)器的微分方程為：微分作用響應(yīng)曲線如圖3-5所示。調(diào)節(jié)器微分時(shí)間圖3-5微分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖3-6所示。圖3-6PD調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線e(t)t1t0u(t)tt0∞e(t)1t0u(t)t0∞126μ電氣式的PD調(diào)節(jié)器由圖得，127近似的電氣式的PD調(diào)節(jié)器1286、PID調(diào)節(jié)器——為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，把比例、微分、積分三者結(jié)合起來調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)節(jié)器偏差信號(hào)（＝給定量與輸出量之差）調(diào)節(jié)器積分時(shí)間調(diào)節(jié)器微分時(shí)間式（3-1）圖3-7PID調(diào)節(jié)器對(duì)階躍響應(yīng)曲線129電氣式的PID調(diào)節(jié)器μ近似的電氣式的PID調(diào)節(jié)器1303.3.2PID算法及其數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)2、離散化連續(xù)的時(shí)間離散化積分用累加求和近似微分用一階后向差分近似 其中，T為采樣周期；e(k)為系統(tǒng)第k次采樣時(shí)刻的偏差值；k為采樣序號(hào)，k=0、1、2、…。式（3-4）式（3-3）式（3-2）1、在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID控制算法是以模擬式描述的，式（3-1）1313、將式（3-2）至式（3-4）代入式（3-1）得離散的PID表達(dá)式，式（3-5）PID位置式控制算式（微分系數(shù)）（積分系數(shù)）式（3-6）式（3-7）－PID增量式控制算式式（3-8）1323.3.3PID算法程序設(shè)計(jì)1、PID位置式控制算法(遞推形式)取給定值、反饋值形成偏差取a0、e(k)做乘法取a1、e(k－1)做乘法取a2、e(k－2)做乘法作a2e(k－2)減a1e(k－1)作［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)a0a1a2作｛［a2e(k－2)－a1e(k－1)］＋a0e(k)｝＋u(k-1)輸出u(k)數(shù)據(jù)傳送：u(k)→u(k-1)數(shù)據(jù)傳送：e(k-1)→e(k-2)→e(k)→e(k-1)位置式PID控制算法程序框圖1332、增量式PID控制算法輸入并采樣r(k)、c(k)計(jì)算偏差e(k)=r(k)-c(k)計(jì)算△u(k)=a0e(k)-a1e(k－1)+a2e(k－2)存△u(k)以備輸出參數(shù)序號(hào)e(k-1)→e(k-2)調(diào)整e(k)→e(k-1)增量式PID控制算法程序框圖a0a1a2入口結(jié)束134（1）位置式PID算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去誤差的累加值，因此，容易產(chǎn)生較大的累積計(jì)算誤差。而增量式PID只需計(jì)算增量，計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。（2）控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，位置式PID算法必須先將計(jì)算機(jī)的輸出值置為原始閥門開時(shí)，才能保證無沖擊切換。若采用增量算法，與原始值無關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。增量式PID算法只需保持當(dāng)前時(shí)刻以前三個(gè)時(shí)刻的誤差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：1353數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)3.1

引言3.2離散化方法3.3PID數(shù)字控制算法3.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)舉例作業(yè)本章要求： 了解數(shù)字控制器的概念和設(shè)計(jì)方法，掌握基本的離散化設(shè)計(jì)方法差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法；掌握數(shù)字PID算法及其設(shè)計(jì)方法；了解數(shù)字PID控制器的改進(jìn)算法和它們的程序?qū)崿F(xiàn)方法。掌握數(shù)字PID整定的含義和整定方法，以及各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。1363.4PID參數(shù)調(diào)整和設(shè)計(jì)舉例

3.4.1PID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響

3.4.2采樣周期的選擇原則

3.4.3PID歸一參數(shù)整定法

3.4.4二階工程設(shè)計(jì)法

3.4.5PID數(shù)字控制器設(shè)計(jì)舉例本節(jié)主要介紹：1373.4.1PID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響 動(dòng)態(tài)時(shí)，若KP太小，系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。增加KP，可提高系統(tǒng)動(dòng)作的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度。但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時(shí)間加長，且當(dāng)KP太大時(shí)，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，隨著比例控制KP的加大，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。1、比例系數(shù)KPe(t)t1t0u(t)tKPt0138 動(dòng)態(tài)時(shí)，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩；太大，對(duì)系統(tǒng)的影響將削弱。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度。但TI值太大時(shí)，因積分控制作用的削弱，反而不能減少穩(wěn)態(tài)誤差。2、積分時(shí)間TIe(t)t1t0u(t)tt0139 微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短、允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減少，提高控制精度等。 TD值偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長； TD值偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長； 只有TD值合適時(shí)，才可以得到比較滿意的過渡過程。3、微分時(shí)間TDe(t)t1t0u(t)tt0∞140例3-5在單輸入輸出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析KP對(duì)系統(tǒng)性能的影響及KP的選擇方法。系統(tǒng)廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)解：數(shù)字控制器則141系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的穩(wěn)態(tài)值當(dāng)KP=1時(shí)，y(∞)=0.835，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.165。當(dāng)KP=2時(shí)，y(∞)=0.901，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.09。當(dāng)KP=5時(shí)，y(∞)=0.9621，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0.038。當(dāng)KP增大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減少。一般情況下，比例系數(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)KV的要求來確定的。142例3-6在單輸入輸出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析積分作用及參數(shù)的選擇。采用數(shù)字PI控制器由例3-5，廣義對(duì)象的z傳遞函數(shù)為解：為了確定積分系數(shù)KI，可以使用積分控制增加的零點(diǎn)抵消極點(diǎn)（z=0.905）系統(tǒng)的開環(huán)Z傳遞函數(shù)143假設(shè)放大倍數(shù)KP已經(jīng)由靜態(tài)速度誤差系數(shù)確定，若選定KP=1，則由上式可得KI≈0.105，數(shù)字調(diào)節(jié)器的z傳遞函數(shù)為系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的z變換因此，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。由此可見系統(tǒng)加積分校正以后，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，提高了控制精度。系統(tǒng)采用數(shù)字PI控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是，由輸出響應(yīng)曲線可以看到，系統(tǒng)的超調(diào)量達(dá)到45%，而且調(diào)節(jié)時(shí)間很長。為了改善動(dòng)態(tài)性能還必須引入微分校正，即采用數(shù)字PID控制。系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的穩(wěn)態(tài)值144例3-7在單輸入輸出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，試分析微分作用及參數(shù)的選擇。采用數(shù)字PID控制器由例3-5，廣義對(duì)象的z傳遞函數(shù)為解：假設(shè)KP=1，并要求D(z)的兩個(gè)零點(diǎn)抵消G(z)的兩個(gè)極點(diǎn)z=0.905和z=0.819，則PID數(shù)字控制器的Z傳遞函數(shù)145系統(tǒng)的開環(huán)Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的z變換146系統(tǒng)在單位階躍輸入時(shí)，輸出量的穩(wěn)態(tài)值系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。所以，系統(tǒng)在PID控制時(shí)，由于積分的控制作用，對(duì)于單位階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差也為零。由于微分控制作用，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的特性也得到很大改善，調(diào)節(jié)時(shí)間ts縮短，超調(diào)量δp減少。1473.4.2采樣周期的選擇原則1、滿足采樣定理的要求香農(nóng)（Shannon）采樣定理：采樣角頻率ωs≥ωmax（ωmax是被采樣信號(hào)的最高角頻率）。采樣周期T選擇原則如下：（T為采樣周期）對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)來說，有經(jīng)驗(yàn)公式：（ωc為開環(huán)截止頻率）148干擾頻率越高，則采樣頻率最好越高，以便實(shí)現(xiàn)快速跟隨和快速抑制干擾。2、從系統(tǒng)的隨動(dòng)和抗干擾的性能來看，T小些好。3、根據(jù)被控對(duì)象特性，快速系統(tǒng)的T應(yīng)取??；反之，T可取大些。4、根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作慣性大時(shí)，T應(yīng)取大些。否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)控制器輸出值的變化。5、從計(jì)算機(jī)的工作量及每個(gè)調(diào)節(jié)回路的計(jì)算成本來看，T應(yīng)取大些。T大，對(duì)每一個(gè)控制回路的計(jì)算控制工作量相對(duì)減小，可以增加控制的回路數(shù)。6、從計(jì)算機(jī)能精確執(zhí)行控制算式來看，T應(yīng)取大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長有限，T過小，偏差值可能很小，甚至為零，調(diào)節(jié)作用微弱，各微分、積分作用不明顯。149常見被測參數(shù)的采樣周期T的經(jīng)驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)：1503.4.3PID歸一參數(shù)整定法PID增量算式：a0a1a2z變換:參數(shù)整定實(shí)際就是確定T、KP、TI和TD。人為假定約束條件。如：（Ts—純比例控制時(shí)的臨界振蕩周期）1513.4.4二階工程設(shè)計(jì)法二階系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的一種系統(tǒng)，實(shí)際的許多高階系統(tǒng)可以化簡為二階系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式是：設(shè)Φ0(s)為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)1523.4.5舉例用模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的方法，設(shè)計(jì)一個(gè)軋機(jī)位置控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器。解題步驟：一、建立軋機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型給定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字PIDD/A轉(zhuǎn)換器功率放大器電液伺服閥液壓缸A/D轉(zhuǎn)換器電壓放大器差動(dòng)變壓器微型計(jì)算機(jī)153二、畫出軋機(jī)系統(tǒng)的原理框圖154三、計(jì)算數(shù)字控制器算式不考慮D(s)，考慮影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要環(huán)節(jié)和參數(shù)，并簡化，得到簡化的軋機(jī)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為μ為放大器增益；RC為電液伺服閥線圈電阻；rP為放大器電阻；ωa為伺服閥線圈銜鐵回路的轉(zhuǎn)折頻率；KSV為放大系數(shù)；Kq為液壓缸流量增益；Ah為液壓缸柱塞面積；ω2為負(fù)載剛度與阻尼系數(shù)；ωr為彈簧和負(fù)載的串聯(lián)剛度與阻尼系數(shù)之比；Th為差動(dòng)變壓器時(shí)間常數(shù)。155整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)從快速性和穩(wěn)定性角度看，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)校正，該軋機(jī)系統(tǒng)需具有二階最佳設(shè)計(jì)的基本形式，形如：156為了使調(diào)節(jié)器能抵消軋機(jī)系統(tǒng)中較大的時(shí)間常數(shù)Ts1，令τ＝Ts1，則比較式1和式3，得到157采用差分離散法1584、某連續(xù)控制系統(tǒng)的校正裝置的傳遞函數(shù)為使用一階差分法和脈沖傳遞函數(shù)發(fā)求該裝置的遞推輸出序列（設(shè)輸入為e(t)，輸出為u(t)）。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述微分方程，得整理得：一階差分法作業(yè)159脈沖傳遞函數(shù)法1606、已知被控對(duì)象由三個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)的形式為使用二階工程計(jì)算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，并求出PID數(shù)字控制器的控制算式（已知）整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Φ0(s)為解：由二階工程法知二階品質(zhì)最佳的開環(huán)傳遞函數(shù)為比較上兩式，D(s)應(yīng)為如下形式，即為PID調(diào)節(jié)器為了使調(diào)節(jié)器能抵消系統(tǒng)中較大的時(shí)間常數(shù)Ts1、Ts2，可選擇KPTITD1617、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為現(xiàn)用數(shù)字PID算法來實(shí)現(xiàn)它，試分別寫出其相應(yīng)的位置型和增量型PID算法輸出表達(dá)式。設(shè)采樣周期T=1S。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，采用一階向后差分法，并以采樣周期T離散上述微分方程，得整理得：1627、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為現(xiàn)用數(shù)字PID算法來實(shí)現(xiàn)它，試分別寫出其相應(yīng)的位置型和增量型PID算法輸出表達(dá)式。設(shè)采樣周期T=1S。第一步，先將D(s)化成微分方程解：第二步，計(jì)算位置型PID表達(dá)式第三步，計(jì)算增量型PID表達(dá)式1634

數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)掌握最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。掌握數(shù)字控制直接設(shè)計(jì)的概念和步驟；本章要求：4.1概述4.2最少拍無差系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.3最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.4純滯后對(duì)象的控制算法—大林算法作業(yè)

主要內(nèi)容4.1概述第3章中討論了數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法，它立足于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)上采用數(shù)字模擬的方法來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)：將設(shè)計(jì)者所熟悉的各種連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)移植到數(shù)字計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，達(dá)到滿意的控制效果。缺點(diǎn)：采樣周期T較大、對(duì)控制的質(zhì)量要求較高、用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多回路控制時(shí)，很難滿足要求。從被控對(duì)象的特性出發(fā)，直接根據(jù)采樣系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。又稱為離散設(shè)計(jì)法。把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)變換