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1、1,第四章 机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计,微机控制系统；8086/8088微机的硬件结构特点；单片机的结构特点及其最小应用系统；数字显示器及键盘的接口电路；微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计。常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口,2,41 微机控制系统,控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。,411 微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡,在设计中，首先遇到的问题有以下几种。,1)专用与通用的抉择专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。,3,4,5,专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以
2、便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。,对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实质，这就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。,6,2)硬件与软件的权衡。,例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下对于某种功能来说，既可用硬件来实现，叉可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，
3、通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。,在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。,7,412 微机控制系统的设计思路,1、确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制。当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。,其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动。比较其方案的优缺点，择优而选。,第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统，应采取哪些措施。,8,第四是 考虑微机在整个控制系统中的作用，是设
4、定计算、直接控制还是数据处理微机应承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。,2 确定控制算法所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。由此推出控制算法。所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制。,每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。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；位置数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法。另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法,9,3 选择微型计算机,对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角
5、度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。,1)较完善的中断系统。微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时紧急处理的能力。出现异常或紧急情况时应报警和处理,10,2)足够的存储容量。由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。,微型计算机系统通常有3264 KB以上的内存，一般配备磁盘(硬盘或软盘)作为外存储器，系统程序和应用程序可保存在磁盘内，运行时由操作系统从磁盘调入内存。系统机亦可扩充28KB以上的只读存储
6、器，调试成功的应用程序同样可以存入只读存储器内，这样使用方便、可靠性高。,3)完备的输入输出通道和实时时钟。开关量输入输出通道；模拟量输入/输出通道；同时具有开关量输入输出通道和模拟量输入/输出通道,11,选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：,1)字长。微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。,对于通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器。对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机(如计算器、家用电器及简单控制等)。对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位机
7、(如线切割机床等普通机床控制、温度控制等)。对于计算精度高、处理速度快的系统可选用16位机(如控制算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的数据处理等)。,12,2)速度。速度的选择与字长的选择可一并考虑。通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。例如，对于反应缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等。必须用高速的微处理机。,3)指令。指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。,13,单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM和IO接口
8、)，具有价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。,选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入/输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。,单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现场使用，便于维护和管理。其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外使用机器语言编程，编程和调试比较困难。,14,微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有软(硬)磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。其缺点是成本较高，
9、当用来控制一个小系统时，往往不能充分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。,4 系统总体设计,在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、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和软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。,15,(1)接口设计通常有下述三种方法可供选用。,1)选用功能接口板。在功能接口板上，有多组并(串)行数字量输入输出通道，或多组模拟量输入输出通道。采用选配功能插板扩展接口方案的最大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
10、。,2)选用通用接口电路。在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与CPU的连接方法、编程控制方法就可进行任意扩展。,16,3)用集成电路自行设计接口电路。在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便、价廉。例如，一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用74LS138译码器和74LS244三态缓冲器等组成输入接口，也可用74LS138译码器和74LS373锁存器等组成输出多组数据的输出接口。,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
11、/输出时采用何种控制方式。,17,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。,(2)通道设计 输入/输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入/输出通道。,一个系统中可能要有开关量的输入/输出通道、数字量的输入/输出通道或模拟量的输入/输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分需要什么样元器件等。,18,转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号,19,20,21,模拟量输出通道,22,(3)操作控制台设
12、计微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。,操作员控制台一般应有下列一些功能：有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、更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；,23,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。,应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义，仔细设计控制
13、台硬件及其相应的控制台管理程序使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。,24,25,5 软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统。通常这些软件一般不需要用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。,控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。对于工业控制系统来说由于是实时控制系统，所以要求应用软件能够在对象允许的时间间隔内进行控制、运算和处理。,26,应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每
14、个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计。,1)模块化程序设计法。在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值计算等。过程控制程序主要是使微机按照指定的方法(如PID或直接数字控制)进行计算，然后再输出，以便控制生产过程。,所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。,27,2)结构化程序设计法结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序。常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循
15、环结构和选择结构。,其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。,28,6 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一软件调试一系统调试。,硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统调试(联调)主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误,然后进行现场试验，直至正常运行为止。,29,413 微型计算机的系统构成及种类,1 微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这
16、个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机(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P或CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件.器件中有数据通道，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。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可叭执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。,30,微型计算机(Microcomputer)简称MC或c,它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、
17、随机存取存储器(RAM)、输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。,将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputer system)简称MCS.,图4.1 为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。,微型计算机的基本硬件构成如图4.2所示,31,32,33,2微型计算机的种类 微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的用途范围来进行分类。,(1)按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。,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
18、被称为单片微型计算机(SCMSingle Chip Microcomputer)简称单片机，例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96系列等。其外观如图4.3所示。,34,35,特点:集成度高、功能强、通用性好;具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点,使用:它很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程控制自动化，在不显著增加机电一体化系统(或产品)的体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能随着单片机性能的提高和功能的增强,目前，单片机已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、机器人等机电一体化产品上.,36,2
19、)单板机。如图4.4所示，将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的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制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机就叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDK 86是以16位微处理器(Intdel80868088)为中央处理器组装的16位单板机。,37,38,在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器，可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低，在简易数控机械设备、检测设备、工业
20、机器人等领域中得到了广泛应用。,3)微型计算机系统根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、IO接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和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型计算机系统。,39,如目前国内使用较多的IBMPC(如IBM PCXT、80286，80386、80486、80586、PII、P、P等)：CROMEMCO公司的SystemI、等都是多板微型计算机系统，如图4.5所示。,40,(2)按微处理机位数分类 按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓
21、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。,(3)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，可分为通用型和专用型,41,工业控制计算机简介,工业控制计算机系统硬件组成的一般形式,用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构来控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称“工业控制机”或“工控机”,典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两大部分组成，即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程输入输出(IO)子系统,42,43,工业控制机分类 1可编程序
22、控制器(PLC)PLC是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。PLC是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来自工业现场的信号。PLC的典型结构如图所示。,PLC主要功能有：条件控制即逻辑运算功能，定时控制，计数控制，步进控制，AD、DA转换。数据处理和级间通讯等。PLC的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，积木式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。,44,45,2单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图所示。它要处理数字和模拟两种基本信号,外部接口衔接器(Periphera
23、l Interface Adapter，简称PIA),46,单回路调节器多用于过程控制系统，其控制算法多采用PID算法，可取代模拟控制仪表,单回路调节器的主要特点是：(1)实现了仪表和计算机一体化；(2)具有丰富的运算和控制功能；(3)有专用的系统组态器；(4)人一机接口灵活；(5)便于级间通信；(6)有继电保护和自诊断功能。,目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能的提高，加速了仪表的更新换代。目前，单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领域。,47,3总线式工业控制机 总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，由
24、包括主机在内的各种IO接口功能模板组成的计算机。例如，PC总线工业控制计算机、STD总线工业控制计算机以及QBUs、Multibus、VME bus、PCL总线等。总线式工业控制机的典型结构如图所示。,总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点：(1)取消，计算机系统母板；(2)采用开放式总线结构；(3)各种IO功能模板可直接插在总线槽上：(4)选用工业化电源；(5)可按控制系统的要求配置相应的模板；(6)便于实现最小系统。,48,49,目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机床等方面STD总线工控机及PC总线工业控制机都有成功的经验。,4分布式计算机控制系统
25、 分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集散控制系统。它是利用算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理组成。它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示操作管理，控制相对分散的多级计算机网系统结构，具有配置灵活、组态方便等优点。典型的具有三层结构模式的集散型控制系统如图所示。,50,51,集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石油化工类企业中都有成功的应用的实例。,52,42 80868088微机的硬件结构特点,在PC系列微机中，应用
26、较广泛的是Intel公司的86系列。而80868088是Intel系列的16位/准16位微机，是86系列微机(包括Pentium和PentiumPro高性能奔腾)发展的基础。8086与8088的内部结构类似，都由算术逻辑单元ALU、累加器、专用和通用寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时器控制电路等组成。,421 80868088CPU的主要结构特点,1)80868088的内部体系结构。其内部的运算器、寄存器及内部数据总线都为16位，其外部数据总线则不同：8086为16位、8088为8位。,53,2)指令系统功能强。8086有100多条指令，能完成数据传送、算术运算(包括乘法除法)、循环移位、字
27、符串操作、控制传送和处理器管理等工作。算术运算可以按字或字节带符号或无符号、二进制或十进制的方式进行运算。,3)多种寻址方式适用于高级语言中的数组和记录等数据结构。,4)20位地址线。寻址范围可达1 048 576字节(即1 M字节)的存储空间。,5)16位IO端口地址线。可寻址64 K端口地址。,54,6)中断功能强。可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达256个。,7)具有管理DMA操作和多处理器工作的能力。,422 80868088CPU的最大与最小工作模式,80868088CPU的这两种模式是由CPU内部的硬件结构决定的。当CPU的引脚MNMX接到+5 V时，80868088工
28、作于最小模式MN MX接地，80868088则工作于最大模式。,55,所谓最小工作模式是指单处理器系统，即系统中只有8086或8088一个微处理器。在这种系统中，80868088提供所有的总线控制信号，因此，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。,最大工作模式是相对于最小模式而言的。其特征是系统中可以包括两个或多个微处理器，即允许多个处理器一起工作，系统的控制信号由总线控制器提供。在80868088最大工作模式系统中，主处理器为80868088，其它处理器称为协处理器。与80868088配合的协处理器有两个，一个是数值协处理器8087，一个是输入输出协处理器8089。,56,8087是一种专用于
29、数值运算的处理器，能实现多种类型的数值操作，比如高精度的整数和浮点运算，也可以进行超越函数(如三角函数、对数函数)的计算。,8089有一套专门用于输入输出操作的指令系统，它可以直接为输入输出设备服务，使80868088不再承担这类工作。所以，在系统中加入8089后，会明显提高主处理器的效率，尤其是在输入输出频繁的场合。,423 80868088引脚的功能定义,80868088CPU是一个具有40根引脚、双列直插式结构LSI芯片。图46为80868088CPU的引脚功能定义。,57,1、地址/数据复用线,2、地址/状态复用线,3、高8位总线允许/状态,保持请求/保持响应,数据发送/接受信号,58
30、,其引脚可以分成五种类型：只传送固定信息的引脚。如引脚32为读信号面，其传递的信息是固定的。电平的高低代表不同信息的引脚。如引脚33为MNMX，其高电平为最小工作模式，低电平为最大工作模式。在最大和最小工作模式下有不同定义的引脚；每一个引脚可传送两种信息即在不同时刻传送不同信息的引脚。一般称这类引脚为分时复用引脚，如AD。AD15，是地址和数据的分时复用线，A代表地址，D代表数据。输入和输出分别传送不同信息的引脚。如引脚31为RQGT0，输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许信号。,59,ADl5ADo(Address Data Bus)(地址数据总线)输入输出、三态、分时复用。每个周期开
31、始时(T1)用作地址总线，输出存储器或IO口地址，然后8086内部的一个多路开关将它转换成数据总线Dl5D0，用来传输数据，直到总线周期结束。在DMA方式，这些信号线悬空。,A19S6、A18S5、A17S4、A16A3(AddressStatus)(地址状态线)三态输出、分时输出地址和状态。S6始终为低电平，即恒等于零；S5表明中断允许标志位的状态，S5=1时表明CPU可以响应中断的请求，S5=0时表明禁止屏蔽中断。S4和S3用于表示当前访问存储器所用的段存储器，S4和S3的编码状态见表41,60,61,BHE/S7(Bus High Enablestatus)(高8位总线允许状态)输出、三
32、态、低电平有效。在T1时，它用于把数据的高8位送到数据总线D15D8。连接到高8位数据总线上的字长为8位的外设，通常用BHE实现选通功能。在T2、T3、TW和T4时输出S7，S7是高电平有效。在“保持响应”时，此引线处于高阻抗状态。BHE和A0组合可以表示数据总线上传送的信息是字还是字节，且可指示字节在哪个8位数据线上传送(见表42)。,62,HOLD(Hold Request)(保持请求)输入、高电平有效。它是总线上的其它主控设备请求使用总线的信号。HLDA(Hold Acknowledge)(保持响应)输出。若8086同意让出总线，则向发出HOLD信号的主设备发出此保持响应HLDA信号。,
33、DT/R(Data TransmitReceive)(数据发送接收信号)输出、三态。它控制双向驱动器的数据传输方向。当它为低电平时，CPU接收数据；当它为高电平时，CPU发送数据。,INTR(Interrupt Request)(中断请求)输入、高电平有效。CPU在每条指令的最后一个时钟周期对它进行取样，然后决定是否进入中断响应周期。在中断响应周期中，CPU接收中断源发来的中断向量，借助设置在存储器中的中断向量表，查到相应的中断服务程序的入口地址。INTA(Interrupt Acknowledge)(中断响应)输出、低电平有效。在中断响应周期中，INTA用作读选通信号。,63,RESET(复
34、位)输入、高电平有效。它至少保持四个时钟周期的高电平，使CPU停止操作，并使内部的标志寄存器、段寄存器和指令队列复位到起始状态。,READY(准备就绪)输入、高电平有效。这是被访问的存储器或IO设备发来的回答信号，表示数据传送已准备就绪。若CPU执行存储器读写或IO读写操作，而存储器或IO设备没有准备好，则在此线上给出低电平，CPU自动插入一个或几个等待周期(Tw)，其目的是使CPU能和各种不同速度的存储器或I0同步。,64,TEST(测试)输入。当CPU执行WAIT指令时，每隔5个时钟周期对TEST信号进行一次测试。如果TEST是高电平时，CPU则进入踏步状态，重复执行WAIT指令；如果TE
35、ST是低电平时，CPU执行下一条指令。,S2、S1、S0(总线周期状态)输出。这三条信号线的编码表达了CPU总线的操作性质(见表43)。在最大模式中，CPU通过8288总线控制器利用这三个状态信息产生访问存储器和IO的控制信号。,65,66,RQGT0、RQGT1(Request Grant)(请求同意)输入输出、双向。这两条线是在最大方式中总线的请求同意信号，是供两个外部处理器用来请求和获得总线控制权的。这两个信号的功能和在最小方式中的HOLDHLDA是一样的。所不同的是这两条信号线是双向的，而HOLD和HLDA是单向的。这两条线专为利用协处理器8087、IO处理器8089(本地方式)来构成
36、多处理器系统而设计的，这两条线可同时联系两个主控设备。RQGT1的优先权高于RQGT0,LOCK(封锁)输出、三态、低电平有效。LOCK总线封锁信号，用软件设置，即在一条指令的前面加上“LOCK”前缀，在该条指令执行过程中，此信号向总线上其它主控设备表明，不允许它们占用总线。该指令执行完，它便失去作用。,67,QS0、QS1(指令队列状态信号)输出。用它表示80868088指令队列状态。如表44所示。,68,424 8086CPU最小工作模式系统的典型配置,图47a示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之一。,图47b示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之二,69,内部三态门总是允许
37、输出的,70,71,425 8086CPU最大工作模式系统的典型配置,图48a示出了8086最大工作模式系统的典型配置之一，在结构上与最小模式系统的主要区别是增设了一个总线控制器8288和一个总线仲裁器8289，它们可以构成8086CPU为核心的多处理器系统。,图48b示出了8086最大工作模式系统的典型配置之二。图中8288对CPU发出的控制信号进行变换和组合，发出对存储器和IO端口的读写信号和对锁存器8282、总线收发器8286的控制信号，使总线控制功能更加完善。,72,实现多处理器对总线资源的共享控制,73,由8288提前一个时钟周期发出信号，以便与较慢的存储器和外部设备配合。,74,由
38、于与CPU一起使用的存储器不只一个，这就产生选片问题。一般采用译码器来选片。图414为38译码器(74LSl38)的引脚配置。该芯片有三个片选端G1、G1A和G2A 当G1=1、G1A=0、G2A=0时，芯片才被选通，否则输出均为高电平。A、B、C为三位输入端。输出端的逻辑功能如表46所示。,75,76,44 单片机的结构特点及其最小应用系统,单片机(Single-chip Microcomputer)的典型结构如图425所示，目前常用的MCS一48、5l、96系列单片机的主要性能参数见表415。其中MCS一51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。,77,78,79,
39、下面以MCS一51系列产品为例，对其结构特点和应用作简要说明。1MCS一51系列单片机的结构特点,MCS一51系列单片机包括8051、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。8051片内有4 KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1 000片以上)时，经济上才合算。,80,8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地
40、址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：,中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。,81,数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。,程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户
41、程序，原始数据或表格,定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向,82,并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输,全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用,中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。,时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲
42、时序，但8051单片机需外置振荡电容。,83,84,MCS一51系列单片机的引脚如图426所示，其引脚功能可分为三大部分：,(1)IO口线 P0、P1、P2、P3共四个8位口。P0、P2：电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，另外还有一个数据输出的驱动和控制电路。这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口，而不能象P1、P3直接用作输出口。P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15，P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由WR和RD读写信号选通，因
43、为216=64k，所以8051最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器。,85,(3)电源及时钟 Vcc、Vss、XTAL1XTAL2 8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。,(2)控制口线 PSEN(片外取指控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制)。,P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。P3口为准双向口，为适应引脚的第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑
44、，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要,86,87,88,其应用特性为：1)IO口线不能都用作用户IO线。除805l8751外真正可完全为用户使用的IO口线只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口。,2)IO口的驱动能力。P0口可驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路。,89,3)P口是双重功能口，其引脚功能如下：引脚名 引脚号 功能Vcc 40 875l的编程，805l或875l的检验和 正常运行时的电源，+5 V。Vss 40 接地电平。,P0口 3932 8位双向IO口，也是访问外存储器的 低位地址和数据总线。在编程和校验 时，用于数据的输入和输出。P1口
45、 18 8位双向IO口。在编程和校验时，用 于接受低位地址字节。,90,P2口 2128 8位双向IO口。在访问外存储器时，输出高位地址字节；在编程和检验时，它也能接受高位地址和控制信号。P3口 1017 8位双向IO口。实现第二功能时，必 须在相应的输出锁存器里写入“l”。,RSTVpp 9 从低到高(约3 V)的跳变使805l复位。若 Vcc降到低于规定值，而Vpp在规定值范 围(约为5 V)内，则Vpp将为RAM提供备用 电源。,91,当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出
46、口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：,8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/Vpp还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。,92,93,ALEPROG 30 提供地址锁存允许输出信号。在访问外存 储器时，锁存低位地址字节。在进 行EPROM编程时，接受编程脉冲输入。PSEN 29 程序存储允许输出信号。当访问外部程序存储器时，此脚
47、输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行 EA/Vpp 31 低电平时，8051执行外程序存储器的指令。8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器,高电平时，当PC小于4 KB时,8051 执行片内ROMEPROM。而超过4kB地址则读取外部指令数据该脚也接收21V的EPROM编程电压。,94,XTALl 18 振荡器的高增益放大器输入，接晶振或外 部源。XTAL2 19 振荡器的放大器输出，或接收外振荡器信号。,4个并行口P0、Pl、P2、P3提供了32根IO线。芯片内每个口由一个锁存器(特殊功能寄存器
48、P0到P3)、一个输出驱动器和二个输入缓冲器组成。口0和口2的输出驱动器以及口0的输入缓冲器用于访问外部存储器。此时，口0分别输出外部低位地址、读写数据，而口2输出外部存储器高位地址。,95,引脚 第二功能 P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INT0(外部中断)P3.3 INT1(外部中断)P3.4 T0(定时器0外部输入)P3.5 T1(定时器1外部输入)P3.6 WR(外部数据存储器写脉冲)P3.7 RD(外部数据存储器读脉冲),口3的每一根线可执行第二功能：,96,2MCS一51系列单片机的最小应用系统及其扩展,单片机的应用系统构成如图4.27,97,
49、1)8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需外接EPROM作外部程序存储器。,98,它是一片三态输出8D触发器，当OE=0时三态门导通，输出线上为8位锁存器的状态。当OE=1时输出线呈高阻抗状态。,G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入端负跳变将输入信息锁存到8位锁存器中。,99,2)8031的数据存储器的扩展,在8031单片机应用系统中，最常用的静态RAM(数据存储器)芯片有6116(2k8)和6264(8k8)两种。,100,3)8031输入输出口的扩展在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通信的外部设备或控制对象比较多，单片机本身的IO口无法满足要求，因而需要
50、扩展IO口。用户可以把MCS一51的64KB数据存储器地址空间的一部分(例如0DHFFH)作为外部IO的地址空间，CPU像访问外部RAM单元一样读写扩展的IO口。常用的IO接口电路是通用的可编程并行8位接口芯片(8255A)。,图431为8031最小应用系统的IO扩展接口电路。,101,102,45 数字显示器及键盘的接口电路,1数字显示器的结构及其工作原理单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管)、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
