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1、1,第四章 微机控制系统及接口设计,4.1 概述4.2 微型计算机的系统构成与种类4.4 单片机的硬件结构特点及应用4.5 可编程逻辑控制器(PLC)4.6 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计4.7 机电一体化系统中的检测传感器,4.1 概述,一、专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择,产品需要控制功能控制形式动作控制方式,需要知识1微机控制理论数字电路软件设计,需要知识2生活生产工艺,1 专用与通用的抉择,专用控制系统,通用控制系统,2、硬件与软件的权衡,基本原则：通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定；在必须用分立元件组成硬件的情况下，不如采用软件；（无需焊接，调整方便）如果能用通用的LS
2、I芯片来组成所需的电路，则最好采用硬件。（价廉、可靠、速度快）,特别注意,控制系统比起机械装置来，环境适应能力较差，存在电噪声干扰问题，例如在一般车间现场条件下使用就容易出障；电子装置的维修需要专门的技术工具，一般机械操作人员不易掌握；提高可靠性，必须特别注意采取必要的措施。,二、控制系统的一般设计思路,就采用微机的控制系统而言，其一般设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。,1、确定系统整体控制方案,了解被控对象的控制要求,比较选择控制方式开环控制闭环控制传感元件,比较选择驱动方式电动气动液动,考虑特殊控制要求提出采取的措施高可靠性高精度快速
3、性,微机任务与功能计算？控制？数据处理？IO通道外围设备,整体方案成本综合,2、确定控制算法,物理模型-数学模型-控制算法由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的随着控制理论和 计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用于实现最少拍控制的控制算法；还有各种最优控制的控制算法、随机控制与自适应控制的控制算法。,3、选择微型计算机,较完善的中断系统。系统正常运行时的实时控制能力；在发生故障时紧急处理的能力。足够的存储容量。内存（RAM，ROM），外存完备的输
4、入输出通道和实时时钟外部过程和主机交换信息的通道。信息包括开关量；模拟量。外部设备和内存之间快速、批量交换倍息，还应有直接数据通道。实时时钟在过程控制中给出时间参数，记下某事件发生的时刻，同时使系统能按规定的时间顺序完成各种操作。,3、选择微型计算机,字长字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。速度速度的选择与字长的选择可并考虑。指令通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能满足控制要求。成本、编程、扩展因素,3、选择微型计算机,（1）单片机价低、体积小，应用广缺点是需要专用开发系统（2）单板机价低、体积小缺点内存小、接口电路少，机器语言编程。（3）微型计算机软
5、件丰富，调试方便，内存大；成本高、小系统资源浪费，抗扰差。,4、系统总体设计,主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。主要依据是整体方案例框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。在总体设汁时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微型机、被控制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调；接口设计；通道设计；操作控制台设计；可靠性设计等问题。,接口设计,微型计算机都已配备有相当数量的可编程序的输入输出通用接口电路。首先要合理地使用微机接口，当通用接口不够时，应进行接口的扩展。扩
6、展方案较多，要根据控制要求及能够得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定。通常有下述三种方法可供选用。选用功能接口板。优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统；选用通用接口电路较小的控制系统时用。通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与CPU的连接力怯、编程控制方法就可进行任意扩展；用集成电路自行设计接口电路采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便、价廉。,接口设计,接口设计包括两个方面的内容一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。例如：如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问
7、题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。,通道设计,开关量I/O输入解决电平转换、去抖及抗干扰问题。输出解决功率驱动问题。简单。数字量I/O 简单。模拟量I/O比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)采样单元、采样保持器和放大器、AD变换器等组成。模拟量输出通道主要由D/A转换、放大器等组成。,操作控制台设计,控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故。所以，一般要单独设计一个操作员控制台。操作员控制台一般应有下列一些功能。有一组
8、或几组数据输入键(数字键或拔码开关等)，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据。有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能。有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等。控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。,5、软件设计,软件设计主要是应用软件设计。应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。设计方法程序模块化设计方法。程序结构化设计方法。,6、系统调试,微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试-软件调试-系统调试。硬件调试包括对元件的筛选、老化、印刷电路板制作、
9、元器件的焊接及试验，安装完后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机广把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来、进行模拟实验，正确无模后进行现场试验。调试后，多需修改和调整。,42 微型计算机的系统构成与种类,一、微型计算机的系统构成1、“微机”这个术语是微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机(Microprocessor)简称uP或CPU。是一个LSI或VLSI器件，有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。可执行机器语言描述的系统指令。并非是完整的计算
10、机。微型计算机(Microcomputer)简称PC或MCPC=CPU+ROM（RAM）+I/O电路+BUS电路微型计算机系统(Microcomputer System)简称MCSMCS=MC+系统软件+外设+电源,一、微型计算机的系统构成,CPU三总线主存储器（ROM、RAM）I/O装置（键盘、显示、传感器、信息执行元件等）,一、微型计算机的系统构成,二、微型计算机的种类,1按组装形式分类(1)单片机在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机。例如Intel公司的MCS48系列、5l系列、96系列等。为了增强实时控制能力，绝大多
11、数单片机的芯片上还集成有定时器计数器，部分单片机还集成有AD、D/A转换器和PWM等功能部件。(例如8098）单片机具有的集成度高、功能强、通用性好，特别是体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入输出，有效的控制功能，故又被称为微控制器。广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机械设备、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。,相关信息,据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对 于世界市场我国的占有率
12、还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。,市场信息,厂家简介 NEC、MOTOROLA、philips、Atmel、EPSON、intel、Microchip、neon(亿恒)、华邦电子、HITACHI（日立）、Zilog、EMC、Toshiba、MITSUBISHI(三菱）、TI(德州仪器)、FUJITSU(富士通)、HOLTEK(盛群)、SAMSUNG(三星)、National(国半)、AMD单片机资料查询 http:/（周立功单片机）http:/（中国单片机综合服务网）http:/(武汉力源
13、电子股份有限公司)http:/(单片机世界),将微型计算机的基本体系CPU、定容量的ROM和RAM、输入输出端口(IO电路)以及一些辅助电路分别作成LSI芯片，并将它们配置在一块印刷电路板上，用电缆线和外部设备直接联接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以八位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDX86是以十六位微处理器(Intel8086)为中央处理器组装的十六位单板机。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域得到广泛应用。,(2)单板机,根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、IO接口电路、电源等
14、组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微机系统。如目前国内使用较多的IBMPC(如IBMPC XT、286、386、486、586等)、CROMEMCO公司的System I、II、III等都是多板微型计算机系统。,(3)微型计算机系统,2、按微处理机位数,按微处理机位数可将微型计算机分为位片、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。4位机目前多做成单片机，即把微处理机、I一2k字节的ROM、64128k字节的R
15、AM、IO接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等。8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称之为超级微型机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。,3、按用途分类,按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说为通用型和专用型。通用型单片机把开发的资源全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机可作为系统或产
16、品的微控制器，适用于各种应用领域。专用型单片机时专门用于某一应用领域或某一特定产品而开发的，内部结构与指令系统都是特殊的。,三、微机软件与程序设计语言,1程序设计语言（1）机器语言是设计计算机时所定义的、能够直接解释与执行的指令体系，其指令用0”、“1”符号所组成的代码表示。机器语言与计算机硬件密切相关，随硬件的不同而不同，不同机种之间般没有互换性。又因为它是用“0”、“1”符号构成的代码所以极不易掌握。,相关资料,弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行
17、，速度受限，价格亦高。RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。,相关资料,属于CISC结构的单片机有Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT9
18、0S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。,三、微机软件与程序设计语言,1程序设计语言（2）汇编语言比机器语言容易掌握和使用。这种语言基本上是与机器语言一一 对应的。还是不易掌握同样没有互换性。,三、微机软件与程序设计语言,1程序设计语言（3）高级语言比汇编语言更容易掌握和使用。有一定的通用性。但用高级语言或汇编语言编制的程序，计算机不能直接执行，必须先编译成机器语言之后计算机才可以执行。编译后的目标程序占用的容量大、执行速度慢。有
19、时某些机械操作和控制的微动作过程仅用高级语言不能进行描述，所以，目前常将高级语言与汇编语言在机械的微机控制中混合使用。,三、微机软件与程序设计语言,2操作系统所谓操作系统，就是计算机系统的管理程序库。如DOS。用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。典型的磁盘操作系统包括软盘控制器、驱动系统和软件系统。软件系统是指存储在软磁盘上的汇编程序和实用程序、BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等高级语言的解释程序或编译程序、宏汇编程序以及文本编辑程序等系统程序。,三、微机软件与程序设计语言,3程
20、序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库(或软件包)。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象(产品)的持殊性较强其程序库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富的程序库。,四、微机的应用领域及选用要点,用微机构成机电一体化系统(或产品)具有以下效果：小型化；(件少，装配简单，体积小）多功能化（面向智能化发展方向）；通用性增大（容易用软件更改及扩展设计）；提高了可靠性（减少了元件、焊点及接续点，增加了用软件进行检测的功能）；提高了设计效率（硬件标准化，用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期）。经济效果好（降低了零件
21、费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降低成本）；产品(或系统)标准化（硬件易于标准化）；提高了维修保养性能（标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能）。,四、微机的应用领域及选用要点,(2)选用要点生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用八位或十六位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内。故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用四位或八位微机。在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合
22、，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用十六位与三十二位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用八位机。,41,第四章 微机控制系统及接口设计,第三节 I/O通道,本节主要内容：掌握模拟、数字I/O通道的构成、功能和设计方法；D/A、A/D转换器的选择和使用方法；会设计常用的I/O通道。,I/O通道的任务：,将检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接受的信息形式送入计算机；计算机按某种算法计算后，又将其计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出至被控对象，以控制执行机构动作。,一、模拟量输入通道,模拟量输入通道
23、完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。由图2-35可以看到，它主要由信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制电路等部分组成。,（一）信号处理装置,一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。标度变换器：把经由各种传感器得到的被测模拟信号转成统一标准信号。(电流：010mA或420mA，电压：05V)标度变换器包含在变送器中，电路通常为电阻网络或电桥。滤波：模拟滤波、数字滤波线性化处理，在硬件上可采用加负反馈放大器或采用线性化处理电路（如冷端补偿）的办法达到目的。软件上可用计算机进行分段线性化数字处理的办法。,(二)采样单元,采样单元也称为
24、多路转换器或多路切换开关。它把已转换成统一电压信号（040mV）的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。即：在模拟输入通道中，借助采样单元把多路模拟量分时接到A/D转换器进行转换，实现了CPU对各路模拟量分时采集的目的。采样单元一般由开关矩阵及其逻辑控制电路组成。现在模拟开关集成电路将这两部分集成到了一起。常见的有8通道、16通道、甚至32通道的，如CD4051、CD4052、LF11508、LF13508等。,CD4051原理框图,改变OUT/IN和IN/OUT的接法，可完成“多到一”或“一到多”的转换。前者称为多路开关，后者称为多路调制器或多路解调器。直流供电电源VDD
25、=+5V+15V，输入电压UIN=0VDD，能传送的数字信号电位变化范围位315V，模拟信号峰峰值15V。VEE接负电源时，正负模拟电压均可通过。,(三)采样保持,在一般的A/D转换电路中，由于输入的模拟量变化频率较高，而且A/D转换速度又不是很高，以及多个过程参量输入的情况下，仅仅靠A/D转换器难以保证转换的精度。这时候一般要在A/D转换之前加上采样保持器，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。对于石油、化工等变化缓慢的生产过程（信号频率一般在1Hz之内），只需要采样单元，而不需要采样保持电路。,（四）数据放大器,由采样单元或采样保持器输出的被测电压信号通常是040mV的弱信号，而A/D
26、转换器要求输入电压一般都是0+5V、0+10V、5V、10V。因此须经放大器，从而提高输出电平，实现阻抗匹配。,（五）A/D转换器 以后章节专门介绍,模拟信号转化为数字信号的过程可以划分为采样过程和量化过程。（一）采样过程 将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。,二、采样与量化,采样周期T,采样时间,采样时刻,（二）量化过程 用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。量化单位：量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。量化误差最大值为,三、模拟量输出通道,模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成
27、对执行机构的控制动作。模拟量输出通道一般由D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路组成。,四、模拟量输入输出通道的工作过程分析,五、数字量输入输出通道,(一)、数字量输入通道1）TTL电平编码数字2）脉冲序列3）开关量,(二)数字量输出通道编码数字脉冲信号开关信号 1）TTL电平逻辑信号输出 2）电子无触点开关输出 3）继电器输出,4.3.2 D/A转换器,4.3.2.1 D/A转换器的原理 4.3.2.2 D/A转换器的性能指标 4.3.2.3 典型的D/A转换器芯片DAC0832,返回本章首页,4.3.2.1 D/A转换器的原理,D/A转换器按其工作方式分为并行和串行
28、两种，并行D/A又分为电流相加型和电压相加型.在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“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。,为了说明T型电阻网络的工作原理，现以四位D/A转换器为例加以讨论，如图2-2所示。,4.3.2.2 D/A转换器的性能指标,分辨率 表示输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。2.稳定时间：转换速率的量度，是指D/A转换器有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所给定的百分数误差范围内所需要的时间。3.输入编码：二进制编码、BCD
29、码、符号数值码。4.线性误差：任何两个相邻数码之间的差应是1LSB,理想输出应是直线。但元件的非线性，使之存在非线性误差，一般为0.010.85.输出方式和极性：电流输出方式（010mA或420mA)、电压输出方式（单极性和双极性）；6.温度范围：较好的可工作在-4085度，较差的为070度。7.使用调整：使用前一般要进行零位调整、满刻度值校准和线性度测量。,返回本节,1.DAC0832内部结构,DAC0832内部由三部分电路组成，如图4-3所示。,图4-3 DAC0832原理框图,4.3.2.3 典型的D/A转换器芯片DAC0832,2.引脚功能,DAC0832芯片为20引脚，双列直插式封装
30、。其引脚排列如图4-4所示。（1）数字量输入线D7D0（8条）（2）控制线（5条）（3）输出线（3条）（4）电源线（4条）,图4-4 DAC0832引脚图,3.DAC0832的技术指标,DAC0832的主要技术指标：（1）分辨率8位（2）电流建立时间1S（3）线性度（在整个温度范围内）8、9或10位（4）增益温度系数00002 FS/（5）低功耗20mW（6）单一电源+5+15V,因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图4-5所示。,图4-5 电压输出电路,返回本节,1.单极性输出,需要单极性输
31、出的情况下，可以采用图4-6所示接线。,图4-6 单极性DAC的接法,4.3.2.4 8086和D/A转换器的接口,2.双极性输出,在需要双极性输出的情况下，可以采用图4-7所示接线。,图4-7 双极性DAC的接法,图4-7中，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。,返回本节,图4-8 双极性输出线性关系图,DAC与CPU的接口,4.3.3 A/D转换器,4.3.3.1 逐次逼近式A/D转换器的工作原理 4.3.3.2 A/D转换器的性能指标 4.3.3.3 典型的A/D转换芯片ADC0809,返回本章首页,4.3.3.1 逐次逼近式A/D转换器的工作原理,A/D
32、转换原理有计数器式、双积分式、逐次逼近式之分。逐次逼近式A/D转换器是一种采用对半搜索原理来实现A/D转换的方法，逻辑框图如图4-17所示。,返回本节,4.3.3.2主要技术参数:1.分辨率表示能够转换成二进制数的位数。如一个10位A/D转换器，转换一个满量程为5V的电压，则它能分辨的最小电压为这表明若模拟输入值的变化小于5mV，则A/D转换器没反应，输出保持不变。同样5V电压，若采用12位A/D转换器，则能分辨的最小电压为可见A/D转换器的数字量输出位数越多，其分辨率就越高。,2 转换时间,指从启动A/D到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间。转换时间，一般是几s几百ms。应该按照实际应
33、用的需要和成本来确定这一项参数的选择。3 转换精度 指转换后所得结果相对于实际值的准确度，包括绝对精度和相对精度。绝对精度常用数字量的位数表示；相对精度用相对于满量程的百分比表示。如满量成为10V的8位A/D转换器，绝对精度为：相对转换精度为：,4 量程 所能转换的电压范围，如5V、10V。5 工作温度范围 较好的A/D 的工作温度为-4085度，较差的为070度。,4.3.3.3 典型的A/D转换芯片ADC0809,1.ADC0809的内部逻辑结构 8路A/D转换器8路模拟量开关ADC0809的内部逻辑结构如图4-18所示。,图4-18 ADC0809内部逻辑结构,表4-1 被选通道和地址的
34、关系,返回本节,2.引脚结构ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。,（1）IN7IN0：8条模拟量输入通道（2）地址输入和控制线：4条（3）数字量输出及控制线：11条（4）电源线及其他：5条,3.A/D转换器和CPU的接口,返回本章首页,4.3.4 I/O通道的抗干扰措施,一、串模干扰及其抑制方法 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，产生串模干扰的原因有：分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的电磁耦合、50Hz的工频干扰等。抑制方法：1）滤波2）用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，屏蔽层良好接地。3）对信号进行前置放大，提高回路的信噪比。4）采用数字滤波技术。,二、共模干
35、扰及其抑制方法 共模干扰是同时加到计算机控制系统（如A/D转换器）两个输入端上的公有的干扰电压。产生串模干扰的原因有：被测信号端与主机的地线之间存在一定的电位差。抑制方法：1）采用共模抑制比高的、双端输入的运放作被测信号的前置放大。2）采用光电耦合器或隔离变压器将模拟负载和数字信号分开。即将模拟地和数字地分开。3）采用隔离放大器。此外，尽量缩短信号线的长度；不用的输入端子不能悬空，必须通过负载电阻接到电源上；为防止电磁感应，信号线应采用屏蔽线。,目前常用的有MCS48、51、96系列单片机MCS-51系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳、应用较多的系列产品。,单片机的硬件结构特点及应用,一
36、、MCS-51系列单片机的硬件结构特点,1、8051、8751和8031主要性能参数的比较,A、片内RAM-128 B、片外寻址-64k（FFFF）C、并行I/O-32D、中断源-2E、定时计数器-2x16F、晶振-12MHzG、封装-DIP40,一、MCS-51系列单片机的硬件结构特点,2、MCS-51引脚功能简介,二、MCS51系列单片机的最小应用系统及其扩展,18031最小应用系统,0000H-1FFFH（8K）,PSEN,28031的数据存储器的扩展,0000H-1FFFH,38031输入输出口的扩展,三、8031前向通道的接口电路举例,将传感器测量的被测对象的信号输入到单片机数据总线
37、的通道为前向通道。前向通道的结构形式取决于被测对象的环境、信号类型、数量、大小等。,前向通道的结构,8031后向通道的接口电路举例,8031与0832D/A转换器的接口电路,有两种基本的接口，即单缓冲器和双缓冲器同步方法。,803l与FV转换器接口电路,由于频率信号输出占有总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强将频率信号转换成与频率成正比的模拟电压，可采用FV转换器。通常没有专门用于FV的转换集成器件，而是使用VF转换器在特定的外接电路下构成FV转换电路。一般的集成VF转换器都具有FV转换功能。,五、数字显示器及键盘的接口电路,1数字显示器的结构及工作原理单片机应用系统中，常使用发光二级管(
38、LED)、CRT显示器和LCD(液晶显示器)等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，故应用广泛。数码显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用七段显示器。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔划式的七段显示器，能显尔的字符数量较少，但控制简单，使用方便。,点亮显示器有静态和动态两种方法静态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。静态显示方式每一位都需
39、要一个8位输出口控制，如图4-39中采用共阴极显示器。静态显示时，较小电流能得到较高的亮度，所以由8255的输出口能直接驱动。当显示器位数很少(仅一二位)时，采用静态显示。当位数较多时，用静态显示所需的IO口太多，一般采用动态显示方法。,所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口(称为扫描口)。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称为段数据口)。8位共
40、阴极显示器和8155的接口逻辑如图440所示。,2键盘显示器接口电路,行列式键盘又叫矩阵式键盘。用IO口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。(1)键盘工作原理,4.5 可编程逻辑控制器(PLC),可编程逻辑控制器(PLC)又称可编程控制器。它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器储存用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种机电体化系统。由于它具有程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别处易于编程、使用操作方便、便于维修、价格便宜等特点具有广泛的应用前景。,相关信息,PLC与触摸
41、屏PLC与组态软件 ifix，组态王,105,第四章 微机控制系统及接口设计,4.6 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计,4.6 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计,微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是：能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如DA、AD转换、并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配、电量与非电量之间的转换、弱电与强电的转换以及功率的匹配等。应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。,一、光电隔离电路设计,1光电隔离电路 为
42、了防止强电干扰以及其它干扰信号通过IO控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后来用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成。,光电隔离电路的作用主要,可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大(一般为1011一1012欧姆)，寄生电容很小(一般为0.52pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。可以进行电平转换。如图457(a)所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把
43、微机的输出信号变为12V。提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，如达林顿输出和可控硅输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。,通常使用的光电耦合器,普通型（100k以下）,高速型,达林顿输出,可控硅输出型,2光电耦合隔离电路应用,在微机应用系统中，由于端口的性质不同，接口电路也有所不同。如803l的P1口及P3口为准双向口，作为输入时拉成高电平，可由任何TTL或MOS电路所驱动。当外部输入信号为低电平时，P1口或P3口被拉成低电平，它与光电耦合器的连接如图所示。,当P1口和P3口作为输出口时，由于P1口和P3口为
44、准双向口，高电平时对外电路泄放的电流很小，仅零点几毫安，而低电平时，外电路可经P1口或P3口流入较大的电流。当803l复位时，P1口及P3口被强迫置成高电平，使PNP三极管截止，光电耦合器中无电流通过，输出为高电平。当软件使p1口置为低电平时，则输出为低电平。采用这种电路可使开机复位时不因Pl口强迫置成高电平而输出不需要的信号。,8155、8255输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动三极管驱动发光管。由于8155、8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平，,驱动输出设备，如继电器,提高普通型光电耦合速度,在较恶劣环
45、境中的前向通道，为了减少通道及电源的干扰,二、信息转换电路设计,1弱电转强电电路,二、信息转换电路设计,2数字脉冲转换,二、信息转换电路设计,3数模、模数转换,二、信息转换电路设计,4电量转非电量,三、输入输出控制电路示例,1、开关量输出控制,三、输入输出控制电路示例,2、开关量数字量输入控制,限幅整形,跟随器,三、输入输出控制电路示例,3、步进电机控制接口电路,定时计数器,六、传感器与微机的接口,1输入放大器 被分析的信号幅值大小不一，输入放大器(或衰减器)便是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值，可以加以衰减，对于小的幅值则加以放大，避免影响采样精度。输入放大器(衰减器)的放大倍数
46、(衰减百分数)，一般可用程控方式或手动方式设定。对信号放大时，一般不宜放得过大，以免后面分析运算中产生溢出现象。输入放大器上往往设有DC和AC选择档。,2抗频混滤波器在作领域分析时，为解决频混的影响，采样之前通常用模拟滤波器来衰减不感兴趣的高频分量，然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。低通滤波器为抗频混滤波器。由于低通滤波器能衰减高频分量，所以也可对时域分析时的信号作平滑处理。抗频混滤波器的截止频率一般都是多档可选的，依信号特性选用。,3采样保持电路在AD转换器之前，或为AD进行转换期间，保持输入信号不变而设置的。对于模拟输入信号变化率较大的信号通道，一般都需要它。对于直流或者低频信号
47、通道则可不用。采样保持电路对系统精度起着决定性的影响。要求采样时，存储电容尽快充电，以跟随参量变化。保持时，存储电容漏电流必须接近于零，以便使输出值保持不变。,4模拟多路开关 其作用为分别或依次把各传感器输出的模拟量与AD接通求是办导通电阻小小开路电阻大，交叉干扰小队速度快。5AD转换器及其与微机的联接实现AD转换有多种方式，AD转换芯片也有多种型号，其技术参数主要有：分辨力、相对精度、输入电压、转换时间、输入电阻、供电电压等项。其中分辨力和转换时间两项较关键。分辨力是指转换微小输入量变化的敏感程度，用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。对于n位的转换器，能对满量程输入电压的2-n倍变化量作出反应。满量程输入电压为5V的8位转换器，能分辨的最小电压为002v；12位的能分辨的最小电压约为00012v。转换时间是指AD转换的工作时间，它对所能转换的最高信号频率有影响。时间的例数对应最高转换频率。AD转换芯片的转换时间，也就大致上决定了该数字信号处理系统的最高采样频率范围。,
