第4章 微机控制系统的选择及接口技术

第4章微机控制系统的选择及接口设计第4章微机控制系统的选择及接口设计4.1概述4.2微机控制系统的设计思路4.3微机控制系统的种类与选择4.4微机控制系统的接口及通道设计4.5微机控制系统的可靠性设计4.6可编程控制器(PLC)的原理与应用4.7常用检测传感器的选用思考题第4章微机控制系统的选择及接口设计典型计算机控制系统的组成框图I/O接口A/D多路开关传感器及变送器工业对象计算机主机操作台I/O接口D/A多路开关执行机构I/O接口数字量输入I/O接口数字量输出主机及操作台I/O接口电路I/O通道信号检测及变送被控对象I/O接口打印机I/O接口显示终端通用外围设备4.1概述一、微机控制系统的组成第4章微机控制系统的选择及接口设计（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要实现数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等功能，并通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）操作台是人—机对话的联系纽带。（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中，模拟量I/O通道的作用是：一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如0~10mA/DC）。第4章微机控制系统的选择及接口设计二、专用与通用的选择三、硬件与软件的权衡专用控制系统：选用适当的芯片自行组建控制系统实现特定功能；通用控制系统：选用通用微机，通过接口设计和软件编制实现特定功能。（通用微机专用化）软件：易于修改，可靠性高，占用CPU资源；分立元件：需要焊接，可靠性差；专用芯片：可靠性高，速度快，成本低硬件第4章微机控制系统的选择及接口设计4.2微机控制系统的设计思路一、整体控制方案的确定二、控制算法的确定三、微型计算机的选择四、控制系统总体设计五、软件设计1、接口设计2、通道设计3、操作控制台设计第4章微机控制系统的选择及接口设计4.3微机控制系统的种类与选择一、“微机”的含义微处理机、微型计算机、微型计算机系统二、微机的种类1、按组装形式分类单片机、单板机、PC机、工控机、PLC2、按CPU位数分类4位、8位、16位、32位、64位3、按用途分类控制用、数据处理用第4章微机控制系统的选择及接口设计PC/AT总线工业控制机，一般是对原有微机作了以下几方面（1）机械结构加固，使微机的抗震性好。（2）采用标准模板结构。（3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。（4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。（5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统（如UNIX）。三、微机的选择第4章微机控制系统的选择及接口设计常用工业控制计算机的性能比较第4章微机控制系统的选择及接口设计4.4微机控制系统的接口及通道设计一、接口、通道及其功能1、I/O接口电路I/O接口电路简称接口电路，它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路的主要作用如下：（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题。（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。2、I/OI/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。第4章微机控制系统的选择及接口设计典型的I/O接口与外部的连接数据输入寄存器数据输出寄存器控制寄存器状态寄存器常用外围设备或被控设备数据线控制线状态线读/写复位时钟地址译码控制片选寄存器选择I/O接口电路数据总线数据总线I/O存储器选择信号控制总线地址总线中断请求中断回答第4章微机控制系统的选择及接口设计接口芯片与CPU之间必要的连接信号有下列4类：（1）数据信号D0～D7。（2）读/。（3）片选信号CS和地址线A１、A0。（4）时钟、复位、中断控制、联络信号等控制信号。)(IOWIORWRRD、或、I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）之间信息交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率地交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起了。例如，目前大多数大规模集成A/D转换器芯片，除了完成A/D转换，起模拟量输入通道的作用外，其转换后的数字量可保存在片内具有三态输出的输出锁存器中；同时，具有通信联络及I/O控制的有关信号端，可以直接挂到主机的数据总线及控制总线上去，这样，A/D转换器也就同时起到了输入接口的作用。第4章微机控制系统的选择及接口设计8255A与CPU和外设的连接D0D7～PA0～PA7WRCS译码器PC0～PC7外围设备端口A端口CA1A0RD数据总线D0D7～8086主机RESETRDWRRESET地址线IOM/IOM/PB0～PB7端口B8255A第4章微机控制系统的选择及接口设计输入与输出通道的组成工业对象执行机构保持器扫描装置检测元件采样器D/A转换器A/D转换器数字量输出数字量输入I/O接口电路现场运行操作台中央处理器CPU第4章微机控制系统的选择及接口设计二、数字量I/O接口1、数字量输入接口：三态门缓冲器74LS244生产现场1生产现场n门1门n生产现场1生产现场n第4章微机控制系统的选择及接口设计1x1END11xnENDn1A11A21A81Y11Y21Y8CSIOR74LS244ENPC总线生产现场数据实现多个生产现场数据的输入时可利用多个74LS244第4章微机控制系统的选择及接口设计74LS138管脚图1EA1B2C32E7Y地45678VCC74LS1381615141312111090Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y选择允许输出译码输出E3第4章微机控制系统的选择及接口设计2、数字量输出接口：输出锁存器74LS273Q1CPD1RDQ2CPD2RDQnCPDnRD第4章微机控制系统的选择及接口设计D1D2D8Q1Q2Q8CSIOW74LS273PC总线生产现场RSTCLK第4章微机控制系统的选择及接口设计二、数字量I/O通道为保证数字量输入/输出的顺利进行而增加的附加电路与数字量输入/输出接口一起构成数字量I/O通道。例：输入调理电路（消除开关抖动）&&KR3R4+5VRSQQR=0S=1R=1S=0R=1S=1Q=0Q=1Q不变第4章微机控制系统的选择及接口设计输入调理电路输入缓冲器1地址译码器CSCS生产现场数字量1…数字量n输出锁存器1输出驱动电路被控对象1…被控对象nCSCS总线第4章微机控制系统的选择及接口设计四、模拟量I/O接口数字量：离散的，不连续的，可以是多位，每一位只能为0或1，可经由数字量接口被计算机直接识别；(Digital)模拟量：随时间连续变化的，如温度、压力、速度、流量……，不能被计算机直接识别，但可以通过传感器变换为相对应的电量，如电压或电流。(Analogue)计算机被控对象DtoAAtoDA/D、D/A基本思路：把数字量与离散化的模拟量对应起来第4章微机控制系统的选择及接口设计oooooooolooooooooloooooollllllll…0v10v(10/255)v(20/255)v…例：一个8位的D/AC，对应0~10V的模拟信号，若传感器采样得电压值为2v，则反映到计算机中的数字量为？D=2/（10/255）=51=00110011B=33H显然，D/AC的位数越高，能够分辨的单位模拟信号就越小。第4章微机控制系统的选择及接口设计D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。1、模拟量输出接口：D/A转换器（1）D/A转换原理T形电阻解码网络原理图…ΣID3D2D1D0第4章微机控制系统的选择及接口设计)8141211(842RRRRURURURURUIREFREFREFREFREF)8141211(RRRRURIRUREFfbfbOUT)2222(8)1248(8)8141211(0011223301230123DDDDURRDDDDURRDRDRDRDRURUREFfbREFfbREFfbOUT第4章微机控制系统的选择及接口设计（2）D/A转换器的主要参数a）分辨率D/A转换器的分辨率表示当输入的数字量最低有效位发生变化时，输出模拟量变化的大小。它反映了D/AC对输入量微小变化的敏感程度。对于一个n位的D/A转换器,其分辨率为：满刻度值分辨率121nb）稳定时间稳定时间是指D/A转换器中代码有满度值的变化时，其输出达到稳定所需的时间，一般为几十纳秒到几微秒。c）输出电平不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为5～10V。也有一些高压输出型，输出电平为24～30V。还有一些电流输出型，低的为20mA，高的可达3A。第4章微机控制系统的选择及接口设计d）输入编码一般二进制编码比较通用，也有BCD等其他专用编码形式芯片。其他类型编码可在D/A转换前用CPU进行代码转换变成二进制编码。e）温度范围较好的D/A转换器的工作温度范围为-40～85℃，较差的为0～70℃。可按计算机控制系统使用环境查器件手册选择合适的器件类型。（3）D/A转换器件和有关电路8位D/A转换器DAC0832DAC0832是双列直插式8位D/A转换器,能完成从数字量输入到模拟量（以电流形式）输出的转换。其主要参数如下：分辨率为1/256，转换时间为1μs，基准电压为+10～-10V，芯片供电电源为+5～+15V（最佳工作状态为+15v），功耗为20mW。第4章微机控制系统的选择及接口设计DAC0832内部结构图8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器&&&UREFIOUT2IOUT1RfbAGNDUCCDGND2LE1LED7～D0ILECS1WR2WRXFER数字量数据输入端选通控制逻辑标准参考电源接入端，可接(-10v~+10v)数字电路电源(+5v~+15v)模拟地数字地反馈电阻电流输出端第4章微机控制系统的选择及接口设计8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器&&&UREFIOUT2IOUT1RfbAGNDUCCDGND2LE1LED7～D0ILECS1WR2WRXFERDAC0832外部放大器接线图-+第4章微机控制系统的选择及接口设计DAC0832引脚图12345678910CS1WRUCCILEDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2201918171615141312112WRXFERAGNDDI3DI2DI1DI0UREFRfbDGND因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下，即在输出模拟信号的同时，可以采集下一个数据。这样可以有效地提高转换速度。第4章微机控制系统的选择及接口设计DAC0832有以下三种不同的工作方式：（1）直通方式当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，立即加到8位D/A转换器转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合，即用到这种方式，把要产生基本波形的存在ROM中的数据，连续取出送到DAC去转换成电压信号。（2）单缓冲方式只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，DAC就可处于单缓冲工作方式。一般的做法是将WR2和XFER都接地，使DAC寄存器处于直通方式，另外把ILE接高电平，CS接端口地址译码