微機(jī)控制系統(tǒng)與接口技術(shù)

1、第5章微機(jī)控制系統(tǒng)與接口技術(shù)5.1概述5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.4可編程序控制器5.1概述5.1.1工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)的組成圖5-1工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)硬件組成示意圖5.1概述5.1.2工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)的基本要求由于工業(yè)控制計算機(jī)面向機(jī)電一體化系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場,因此它的結(jié)構(gòu)組成、工作性能與普通計算機(jī)有所不同,其基本要求如下：(1)具有完善的過程I/O功能：要使計算機(jī)能控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的正常運(yùn)行,它必須具有豐富的模擬量和數(shù)字量I/O通道,以便使計算機(jī)能實(shí)現(xiàn)各種形式的數(shù)據(jù)采集、過程連接和信息變換等,這是計算機(jī)能否投入機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行的重要條件。(

2、2)具有實(shí)時控制功能：工業(yè)控制計算機(jī)應(yīng)具有時間驅(qū)動和事件驅(qū)動的能力，要能對生產(chǎn)的工況變化實(shí)時地進(jìn)行監(jiān)視和控制,當(dāng)過程參數(shù)出現(xiàn)偏差甚至故障時能迅速響應(yīng)并及時處理,為此需配有實(shí)時操作系統(tǒng)及過程中斷系統(tǒng)。5.1概述(3)具有可靠性：機(jī)電一體化設(shè)備通常是晝夜連續(xù)工作,控制計算機(jī)又兼有系統(tǒng)故障診斷的任務(wù),這就要求工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)具有非常高的可靠性。(4)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力：在工業(yè)環(huán)境中,電、磁干擾嚴(yán)重,供電條件不良,工業(yè)控制計算機(jī)必須具有極高的電磁兼容性,要有高抗干擾能力和共模抑制能力。(5)具有豐富的軟件：要配備豐富的測控應(yīng)用軟件,建立能正確反映生產(chǎn)過程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,建立標(biāo)準(zhǔn)控制算式

3、及控制程序。5.1.3工業(yè)控制計算機(jī)的分類及其應(yīng)用特點(diǎn)根據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件及其應(yīng)用特點(diǎn),常將工業(yè)控制計算機(jī)分為單片機(jī)、可編程序控制器以及總線型工業(yè)控制計算機(jī)3類。5.1概述1.單片機(jī)單片機(jī)是把計算機(jī)系統(tǒng)硬件的主要部分，如CPU、存儲器(ROM/RAM)、I/O口、定時/計數(shù)器及中斷控制器等，都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)。1)片內(nèi)存儲器容量較小。2)可靠性高。3)易擴(kuò)展。4)控制功能強(qiáng)。5)軟件開發(fā)工作量大。2.可編程序控制器可編程序控制器簡稱PLC(Programmable Logic Controller )或PC(Programmable Controller),它是將繼電器邏輯

4、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)。5.1概述1)控制程序可變，具有很好的柔性。2)可靠性強(qiáng)，適用于工業(yè)環(huán)境。3)編程簡單，使用方便。4)功能完善。5)體積小、重量輕，易于裝入機(jī)器內(nèi)部。3.總線型工業(yè)控制計算機(jī)總線結(jié)構(gòu)型的工業(yè)控制計算機(jī),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),像搭積木一樣將硬件插件及模板插入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),每塊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,這就是所謂的模塊化設(shè)計。5.1概述1)提高設(shè)計效率,

5、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)展的需要,迅速改進(jìn)系統(tǒng)的性能。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.2.1Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)Z80 CPU是Zilog公司于1977年左右推出的,是現(xiàn)有8位微處理器中功能最強(qiáng)、最完整的芯片,是介于第二代微機(jī)和第三代微機(jī)之間的產(chǎn)品。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用圖5-2Z80 CPU結(jié)構(gòu)框圖5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用1.寄存器陣列Z80有完善的寄存器結(jié)構(gòu),可分為通用寄存器和專用寄存器兩大類,全部由靜態(tài)器件實(shí)現(xiàn)。(1)通用寄存器組：Z80有兩組通用寄存器組。(2)累加器和標(biāo)志

6、寄存器(A、F和A、F)：Z80有兩個獨(dú)立的8位累加器(A和A)和兩個8位標(biāo)志寄存器(F和F)。(3)變址寄存器(IX、IY)：Z80 CPU有兩個彼此獨(dú)立的、16位變址寄存器IX和IY,用于存放變址尋址方式中的變址基值。(4)刷新地址寄存器(R)：Z80 CPU的一個重要特點(diǎn)是能配用廉價的動態(tài)RAM存儲器,因為它能自動提供刷新動態(tài)RAM的行地址。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用(5)矢量中斷頁面地址寄存器(I)：該寄存器8位,用于寄存矢量中斷的頁面地址。圖5-3頁面矢量中斷方式示意圖2.算術(shù)邏輯部件Z80 CPU的算術(shù)邏輯部件由累加器A、暫存器(TMP)、全加器及其附加控制邏輯(A

7、LU)、標(biāo)志寄存器F、十進(jìn)制調(diào)整網(wǎng)絡(luò)(DAA)和比較開關(guān)等組成，5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用其所能完成的功能有:加1、減1，邏輯與、邏輯或、邏輯異或、比較、算術(shù)左/右移位、循環(huán)移位、邏輯左/右移位、位置位、位復(fù)位和位測試等，Z80 CPU標(biāo)志寄存器F的內(nèi)容如圖5-4所示。1)符號位S(Sigu)。2)全零位Z(Zero)。3)半和位E(Ealf-Cary)。4)奇偶位/溢出位P/V(Parity or Overflow)。5)減法位N(Add/Subtract)。6)進(jìn)位位CY(Carry)。3.控制部件Z80控制部件由指令寄存器(IR)、指令譯碼器和控制邏輯組成。4.堆棧結(jié)構(gòu)Z

8、80 CPU堆棧結(jié)構(gòu)由軟件和硬件組成。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.內(nèi)部總線Z80 CPU為單總線結(jié)構(gòu)。5.2.2Z80 CPU接口信號Z80 CPU芯片是一種40腳雙列直插式器件,其接口信號如圖5 5所示,其中有地址總線16條,數(shù)據(jù)總線8條,控制總線13條以及電源線、地線和時鐘線各1條。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用1.地址總線用A15到A0表示,其中A15是最高有效位,A0是最低有效圖5-5Z80 CPU接口信號5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用位,三態(tài)輸出，高電平有效。2.數(shù)據(jù)總錢用D7到D0表示,其中D7是最高有效位,D0是最低有效位,三態(tài)I/O,高

9、電平有效。3.控制信號線Z80 CPU所有的控制信號線都是低電平有效,它表示當(dāng)控制線出現(xiàn)低電平時,該信號起作用,在每個信號的英文字母上加一橫道表示低電平有效。(1)總線控制信號1) 。2) 。(2)存儲器信號1) 。2) 。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用3) 。4) 。(3) I/O信號：為I/O請求信號，三態(tài)輸出。(4)CPU其他信號1) 。2) 。中斷允許觸發(fā)器IFF復(fù)位。置中斷矢量寄存器I為00H。置刷新寄存器R為00H。置中斷方式為0方式。地址總線和數(shù)據(jù)總線處于高阻狀態(tài)。所有輸出控制信號處于無效狀態(tài)。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用3) 。4) 。(5)中斷輸入信

10、號1) 。2) 。程序計數(shù)器的內(nèi)容自動送到堆棧中保存，以保證在非屏蔽中斷服務(wù)以后能返回到中斷前的程序。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用迫使CPU控制轉(zhuǎn)向存儲器0066H單元，也就是說，圖5-6CPU與ROM連接5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用CPU將從0066H單元執(zhí)行非屏蔽中斷服務(wù)程序。(6)其他1) ?。2) 5V。3) GND。5.2.3Z80 CPU的外部連接1. Z80(1)ROM與CPU的連接：圖5-6所示為具有2個片選擇端的5128位ROM與CPU的連接，9條地址線和CPU地址總線的A0A8直接相連，可對512個存儲單元直接尋址。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)

11、構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用圖5-7CPU與RAM連接5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用(2)RAM與CPU的連接：10248位RAM與CPU的連接如圖5-7所示,RAM的10條地址線與CPU地址總線的A9A0直接相連,可對片內(nèi)的1024個單元尋址,8條數(shù)據(jù)線與CPU的數(shù)據(jù)總線D7D0直接相連。(3)存儲器容量的擴(kuò)充：圖5-8所示為一個由4個10248位芯片組成的40968位圖中地址譯碼器對地址總線的A15A10位進(jìn)行譯碼,獲得64個輸出信號,可控的芯片,這里只使用了其中的03信號,它們分別控制4個10248位芯片。圖5-8由4個10248位芯片組成的40968位存儲器5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

12、特點(diǎn)及應(yīng)用2. Z80 CPU與I/O設(shè)備的連接I/O設(shè)備一般要經(jīng)過緩沖器或?qū)Ｓ媒涌诤蚙80 CPU連接,這里只討論用緩沖器的連接方法,至于專用接口的使用可參考有關(guān)專門的著作。(1)單一I/O設(shè)備的連接：如果系統(tǒng)中僅有一個輸出設(shè)備和一個輸入設(shè)備(統(tǒng)稱外設(shè)),它們和Z80 CPU的連接原理如圖5-9所示,CPU數(shù)據(jù)總線D7D0通過鎖存器和輸出外設(shè)相連,而輸入外設(shè)用三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相接,、和信號經(jīng)過與非門M1和M2作為它們的控制信號。5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用圖5-9單一I/O外設(shè)與Z80 CPU的連接原理5.2Z80 CPU微機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用(2)具有多個I/O設(shè)備的連接

13、：通常,系統(tǒng)的I/O外設(shè)并不只有一個,在這種情況下,就要用端口譯碼器對外設(shè)進(jìn)行尋址。5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.3.1MCS51單片機(jī)組成控制系統(tǒng)MCS51單片機(jī)典型硬件結(jié)構(gòu)如圖5 10所示。圖5-10MCS51單片機(jī)典型硬件結(jié)構(gòu)1)微處理器。5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用2)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。3)程序存儲器(ROM/EPROM)。4)定時/計數(shù)器。5)串行口。6)中斷系統(tǒng)。7)I/O口。8)特殊功能寄存器。圖5-11單片機(jī)組成的實(shí)時控制系統(tǒng)原理5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.3.2單片機(jī)控制系統(tǒng)信息輸入通道設(shè)計圖5-12ADC0809引腳圖5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用(1) 8

14、031單片機(jī)與A/D的接口：ADC0809是8位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器,28腳雙列直插式封裝。表5-1ADC0809各引腳的功能5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用表5-2地址線A、B、C的邏輯真值表5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用圖5-13ADC0809與8031的查詢接口(2)8031單片機(jī)與V/F轉(zhuǎn)換器的接口：A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用，但在某些要求數(shù)據(jù)長距離傳輸、精確度和精密度要求高、資金有限的場合下,使用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)不方便，此時使用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。圖5-14LM331與8031的接口電路5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用5.3.3單片機(jī)控制系

15、統(tǒng)功率驅(qū)動接口設(shè)計在光機(jī)電一體化產(chǎn)品中,控制系統(tǒng)需要驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者用模擬量顯示設(shè)備(如指針式)對參數(shù)進(jìn)行顯示等。表5-3常用8位DAC的參數(shù)5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用1LSB=110-12V。(1)8031單片機(jī)與PWM功能放大器的接口：8031單片機(jī)和PWM功率放大器的接口如圖5-15所示。圖5-158031單片機(jī)與PWM功率放大器的接口5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用(2) 8031單片機(jī)與開關(guān)型功率驅(qū)動的接口：圖5-16所示為白熾燈驅(qū)動接口電路。圖5-16白熾燈驅(qū)動接口電路5.3.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用設(shè)計單片機(jī)控制系統(tǒng)一般要經(jīng)過方案設(shè)計、應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)

16、計、應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與性能測定和文檔編制等5個步驟。1.方案設(shè)計設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),首先要分析用戶的需求。2.應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案論證后,首先要將方案具體化,設(shè)計出應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖和PCB圖。1)盡量采用集成度高、功能強(qiáng)的芯片,以簡化電路設(shè)計。2)為將來的擴(kuò)展和修改留有余地。ROM。盡量選用型號為2764以上的EPROM,將來軟件擴(kuò)展和升級方便。RAM。盡量在單片機(jī)外部擴(kuò)展RAM芯片,彌補(bǔ)片內(nèi)RAM的不足。5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用I/O口。在工業(yè)控制中,I/O口往往不夠用，在設(shè)計硬件時,應(yīng)多預(yù)留一些I/OA/D和D/A通道。和I/O口同樣的理由,多預(yù)留一些A/D和D/A

17、通道,將來會解決大問題。3)以軟代硬。4)工藝設(shè)計。3.應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計1)軟件需求分析。2)軟件設(shè)計。3)編寫軟件代碼。4)軟件調(diào)試。5.3單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用4.系統(tǒng)調(diào)試與性能測定編制的軟件和焊接的電路板不能按照預(yù)定的設(shè)計要求工作是很正常的事情，這時需要耐心尋找差錯,并進(jìn)行調(diào)試。5.文檔編制編制文檔是系統(tǒng)維護(hù)所必需的一項工作。5.4可編程序控制器5.4.1可編程序控制器的結(jié)構(gòu)可編程序控制器(programmable logic controller,PLC)是在繼電器控制和計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心,把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)

18、自動控制裝置。圖5-17PLC的系統(tǒng)框圖1.數(shù)字量I/O板5.4可編程序控制器(1)數(shù)字量輸入I/O板：數(shù)字量輸入I/O板用于工業(yè)控制過程中的各種轉(zhuǎn)換開關(guān)和限位開關(guān)等設(shè)備。圖5-18數(shù)字量輸入I/O板原理a)24V直流信號輸入原理圖b)220V交流信號輸入原理圖5.4可編程序控制器圖5-19數(shù)字量輸出I/O板原理a) 24V直流信號輸出原理圖b) 220V交流信號輸出原理圖5.4可編程序控制器(2)數(shù)字量輸出I/O板：24V直流模板適合于工業(yè)過程中各種顯示燈的驅(qū)動,模板帶光耦合器,電路原理如圖5-19a所示。2.模擬量I/O板(1)模擬量輸入I/O板：模擬量輸入I/O板將外部的模擬信號(如壓力

19、和流量等)轉(zhuǎn)換為PLC能夠接收的數(shù)字信號。圖5-20模擬量輸入I/O板CH200HAD001的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5.4可編程序控制器(2)模擬量輸出I/O板：模擬量輸出I/O板將PLC內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為外部生產(chǎn)過程所需要的模擬信號。圖5-21模擬量輸出I/O板CH200HDA001的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5.4可編程序控制器5.4.2PLC的工作原理PLC通過I/O接口(開關(guān)量I/O、模擬量I/O、脈沖量輸入口、串行口和并行口等)與被控對象連接。5.4.3PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟(1) PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容：一個PLC控制系統(tǒng)由信號輸入元件、輸出執(zhí)行器件、顯示器件和PLC構(gòu)成。1)選取信號輸入器件、輸出執(zhí)行器件和顯示器件等。2)設(shè)計控制系統(tǒng)主回路。3)選取PLC。4)進(jìn)行I/O分配、繪制PLC控制系統(tǒng)硬件原理圖。5)程序設(shè)計及模擬調(diào)試。6)設(shè)計控制柜。5.4可編程序控制器7)編制技術(shù)文件。(2)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟：對控制任務(wù)的分析和軟件的編制,是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1)對控制任務(wù)進(jìn)行分析，對較復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行分塊，將其劃分成幾個相對