自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)串講

1、自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)串講一、計(jì)算機(jī)控制器1.掌握目前主流的數(shù)字處理單元類型，并了解他們各自的主要特征本章介紹了目前主流的數(shù)字處理單元，包括IPC、ARM處理器、PLC和DSP處理器、MSP430單片機(jī)、8051單片機(jī)等嵌入式平臺(tái)的功能特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、選型注意事項(xiàng)和發(fā)展趨勢(shì)等。2. 典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其圖示圖5.9給出了一個(gè)典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其低層是以DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線將設(shè)備、PLC的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)連接在一起的設(shè)備層，中間是以ControlNet（或DH、DH485等）將PLC、工控機(jī)以及操作員界面連接在一起的控制層網(wǎng)絡(luò)，而上層的Ethernet以PC或

2、工作站為主完成管理和信息服務(wù)任務(wù)。三層網(wǎng)絡(luò)各司其職，代表了工業(yè)控制的典型結(jié)構(gòu)。圖5.9 典型工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.PLC的定義可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序

3、控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。4. PLC的特點(diǎn)（1）通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便。PLC有品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。當(dāng)硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需修改程序即可。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用。（2）功能完善，適應(yīng)面廣。現(xiàn)代PLC已經(jīng)形成大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可用于各

4、種規(guī)模的控制場(chǎng)合。除邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能外，還具有數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對(duì)話、自檢、記錄顯示等功能。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易，既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。（3）編程簡(jiǎn)單，容易掌握。目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。梯形圖語(yǔ)言的編程元件的符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。它既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。通過(guò)閱讀PLC的用戶手冊(cè)或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和

5、技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序。（4）減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建造的工作量，維護(hù)方便。由于PLC采用了軟件存儲(chǔ)邏輯來(lái)取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件的接線邏輯，使控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作量，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短。并且由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能和模塊化等，使其維修也極為方便。（5）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制設(shè)備的可靠性要求有： 平均故障間隔時(shí)間長(zhǎng)； 故障修復(fù)時(shí)間短。（6）體積小、重量輕、功耗低。PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊、

6、堅(jiān)固、體積小、重量輕、功耗低。并且由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。5. PLC基本組成可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持，實(shí)際上可編程控制器就是一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。1.PLC的硬件結(jié)構(gòu)（見圖5.11）（1）微處理器（CPU）控制器的核心。（2）存儲(chǔ)器（RAM、ROM）。（3）輸入/輸出部件（I/O部件）連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU之間的接口電路。（4）電源部件為PLC內(nèi)部電路提供能源。整體結(jié)構(gòu)的PLC，四部分裝在同一機(jī)殼內(nèi)；模塊式結(jié)構(gòu)的PLC各部件獨(dú)立封裝

7、，稱為模塊，通過(guò)機(jī)架和總線連接而成；I/O的能力可按用戶的需要進(jìn)行擴(kuò)展和組合（擴(kuò)展機(jī)）；另外，還必須有編程器將用戶程序?qū)戇M(jìn)規(guī)定的存儲(chǔ)器內(nèi)。圖5.11 PLC硬件結(jié)構(gòu)2.PLC的軟件結(jié)構(gòu)在可編程控制器中，PLC的軟件分為兩大部分：（1）系統(tǒng)監(jiān)控程序，它用于控制可編程控制器本身的運(yùn)行，主要由管理程序、用戶指令解釋程序和標(biāo)準(zhǔn)程序模塊組成，系統(tǒng)調(diào)用。（2）用戶程序。它是由可編程控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。6.PLC工作原理PLC的基本工作模式（見圖5.12）有：（1）運(yùn)行模式。它分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理5個(gè)階段。（2）停止模式。當(dāng)處于停止工作模式時(shí)，PLC

8、只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等內(nèi)容。圖5.12 PLC基本工作模式PLC的工作過(guò)程（見圖5.13）如下：（1）內(nèi)部處理階段。在此階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器，以及完成一些其他的內(nèi)部工作。（2）通信服務(wù)階段。在此階段，PLC與一些智能模塊通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。（3）輸入處理階段。輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀取所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將所讀取的信息存到輸入映像寄存器中，此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。圖5.13 PLC工作過(guò)程（4）程序執(zhí)行階段。按先上后下、先左后右的順序，對(duì)梯形圖程序

9、進(jìn)行逐句掃描，并根據(jù)采樣到輸入映像寄存器中的結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)的映像寄存器中。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。（5）輸出刷新階段。程序處理完畢后，將所有輸出映像寄存器中各點(diǎn)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，再通過(guò)輸出端驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。7. PLC的多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在PLC中有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如梯形圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、功能表圖語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等。梯形圖語(yǔ)言和布爾助記符語(yǔ)言是基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡(jiǎn)單的控制功能。例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等。通過(guò)擴(kuò)展或增強(qiáng)

10、指令集，它們也能執(zhí)行其他的基本操作。梯形圖語(yǔ)言有以下特點(diǎn)：（1）每個(gè)梯形圖由多個(gè)梯級(jí)組成。（2）梯形圖中左右兩邊的豎線表示假想的邏輯電源。當(dāng)某一梯級(jí)的邏輯運(yùn)算結(jié)果為“1”時(shí)，有假想的電流通過(guò)。（3）繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而它的常開、常閉觸點(diǎn)可以出現(xiàn)無(wú)數(shù)次。（4）每一梯級(jí)的運(yùn)算結(jié)果，立即被后面的梯級(jí)所利用。（5）輸入繼電器受外部信號(hào)控制，只出現(xiàn)觸點(diǎn)，不出現(xiàn)線圈。功能表圖語(yǔ)言和語(yǔ)句描述語(yǔ)言是高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作。例如，模擬量的控制、數(shù)據(jù)的操縱、報(bào)表的報(bào)印和其他基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)法完成的功能。功能模塊圖語(yǔ)言采用功能模塊圖的形式，通過(guò)軟連接的方式完成所要求的控制功能，它

11、不僅在PLC中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時(shí)也常常被采用。8. PLC性能指標(biāo)PLC性能指標(biāo)是指反映PLC性能高低的一些相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，主要包括工作速度、控制規(guī)模、組成模塊、內(nèi)存容量、指令系統(tǒng)、支持軟件、可靠控制和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)8個(gè)方面。1. 工作速度工作速度是指PLC的CPU執(zhí)行指令的速度及對(duì)亟須處理的輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，常以執(zhí)行一條基本指令的時(shí)間來(lái)衡量。工作速度關(guān)系到PLC對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，是PLC對(duì)系統(tǒng)控制是否及時(shí)的前提?？刂撇患皶r(shí)，就不可能準(zhǔn)確與可靠，特別是對(duì)一些需要作快速響應(yīng)的系統(tǒng)，這就是把工作速度作為PLC第一指標(biāo)的原因。2. 控制規(guī)模控制規(guī)模代表PLC對(duì)輸入、輸出點(diǎn)

12、數(shù)及多路模擬控制的能力。與速度，內(nèi)存區(qū)的大小，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)和PLC指令系統(tǒng)有關(guān)。3. 組成模塊一般來(lái)說(shuō)，規(guī)模大、檔次高的PLC模塊的種類和規(guī)格較多，反映其特點(diǎn)的性能指標(biāo)也高，但模塊的功能較單一。相反，規(guī)模小、檔次低的PLC模塊種類和規(guī)格較少，指標(biāo)也低，但功能則多樣化些，以至于集成為箱體。組成PLC的模塊是PLC的硬件基礎(chǔ)，只有弄清所選用的PLC都具有哪些模塊及特點(diǎn)，才能正確選用模塊，去組成一臺(tái)完整的PLC，以滿足控制系統(tǒng)對(duì)PLC的要求。常見的PLC模塊有：（1）CPU模塊。它是PLC的硬件核心，PLC的主要性能，如速度、規(guī)模都由它的性能來(lái)體現(xiàn)。（2）電源模塊。它為PLC運(yùn)行提供內(nèi)部工作電源，

13、而且有的還可為輸入信號(hào)提供電源。（3）I/O模塊。它集成了PLC的I/O電路，分為開關(guān)量輸入（DI）、開關(guān)量輸出（DO）、模擬量輸入（AI）、模擬量輸出（AO）等模塊，按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量。（4）內(nèi)存模塊。它主要存儲(chǔ)用戶程序，有的還為系統(tǒng)提供附加的工作內(nèi)存。在結(jié)構(gòu)上內(nèi)存模塊都是附加于CPU模塊之中的。（5）底板、機(jī)架模塊。它為PLC各模塊的安裝提供基板，并為模塊間的聯(lián)系提供總線。若干底板間的聯(lián)系有的用接口模塊，有的用總線接口。不同廠家或同一廠家但不同類型的PLC都不大相同。箱體式的小型PLC的主箱體就是把上述幾種模塊集成在一個(gè)箱體內(nèi)，并依據(jù)可能提供I/O點(diǎn)數(shù)的多少，劃分為不同的規(guī)格。

14、（6）通信模塊。它接入PLC后，可使PLC與計(jì)算機(jī)或PLC與PLC之間進(jìn)行通信，有的還可實(shí)現(xiàn)與其他控制部件如變頻器、溫控器通信，組成局部網(wǎng)絡(luò)。通信模塊代表PLC的組網(wǎng)能力，代表著當(dāng)今PLC性能的重要方面。4. 內(nèi)存容量PLC內(nèi)存有用戶及系統(tǒng)兩大部分。用戶內(nèi)存主要用來(lái)存儲(chǔ)用戶程序，個(gè)別的還將其中的一部分劃為系統(tǒng)所用。系統(tǒng)內(nèi)存是與CPU配置在一起的。CPU既要具備訪問(wèn)這些內(nèi)存的能力，還應(yīng)提供相應(yīng)的存儲(chǔ)介質(zhì)。內(nèi)存器件種類越多，數(shù)量越多，越便于PLC進(jìn)行各種邏輯量及模擬控制。它也是代表PLC性能的重要指標(biāo)。PLC內(nèi)部器件有I/O繼電器、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)等。5. 指令系統(tǒng)PLC的指

15、令有基本邏輯指令、數(shù)據(jù)處理指令、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令、流程控制指令、狀態(tài)監(jiān)控指令等。除了指令，為進(jìn)行通信，PLC還有相應(yīng)的協(xié)議與通信指令或命令，這些也反映了PLC的性能。6. 支持軟件為了便于編制PLC程序，多數(shù)PLC廠家都開發(fā)相關(guān)計(jì)算機(jī)的支持軟件。7. 可靠控制為使PLC能可靠工作，在硬件與軟件兩個(gè)方面PLC廠家都采取了很多措施，對(duì)一些特殊可靠性要求的PLC，還有相應(yīng)的特殊措施，如熱備、冗余等。8. 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以上七條都是PLC的技術(shù)性能方面，其實(shí)使用PLC還需考慮其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還需作綜合分析，即分析使用PLC能否帶來(lái)效益，還有使用哪個(gè)廠家的PLC效益更好。9.DSP芯片及其特點(diǎn)DSP芯片也稱

16、數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。1.DSP芯片的特點(diǎn)根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線對(duì)兩塊同時(shí)訪問(wèn)。（4）具有低開銷或無(wú)開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。（8

17、）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。10.DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括：1）哈佛結(jié)構(gòu)當(dāng)前大部分的處理器采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，其指令、數(shù)據(jù)的傳送采用同一條總線。由于取指令和存取數(shù)據(jù)是在同一存取空間通過(guò)同一總線傳輸，因而指令的執(zhí)行只能是順序進(jìn)行，不可能重疊進(jìn)行，所以無(wú)法提高運(yùn)算速度。哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)，如圖5.17所示。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一

18、倍。由于程序和存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此，取指和執(zhí)行能完全重疊。圖5.17 哈佛結(jié)構(gòu)2）流水線操作計(jì)算機(jī)在執(zhí)行一條指令時(shí)，要通過(guò)取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等階段的流水線處理，使得若干條指令的不同執(zhí)行階段可以并行執(zhí)行，由于DSP的哈佛結(jié)構(gòu)，指令的各個(gè)階段可以重疊進(jìn)行，最大化地利用流水線處理，這樣對(duì)每一條指令在理論上似乎都是在一個(gè)周期內(nèi)完成，可以把指令周期減到最小，增加數(shù)據(jù)吞吐量，因而能夠提高程序的執(zhí)行速度。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理24條指令，每條指令處于流水線的不同階段。3）專用的硬件乘法器和高效的MAC指

19、令乘法速度越快，DSP處理器的性能就越高。由于具有專用的應(yīng)用乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。在DSP算法中，乘法累加操作是大量的運(yùn)算，因而DSP芯片都有硬件乘法器，使得乘法運(yùn)算可在一個(gè)周期內(nèi)完成。與之配合的指令為MAC-乘法累加指令，它可以在單周期內(nèi)取兩個(gè)操作數(shù)相乘，并將結(jié)果加載到累加器。4）特殊的DSP指令DSP芯片采用的是精簡(jiǎn)指令集（RISC），與復(fù)雜指令集（CISC）的異同點(diǎn)如下：（1）CISC（Complex Instruction Set Computer）：具有大量的指令和尋址方式；大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。（2）RISC（Reduced Instruction S

20、et Computer）：8/2原則：80%的程序只使用20%的指令；在通道中只包含最有用的指令；確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令；使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。RISC具有流水線技術(shù)：幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行；提高了CPU的運(yùn)行效率；內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng)。5）快速的指令周期哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。6）多功能單元為了進(jìn)一步提高速度，DSP設(shè)置了多個(gè)并行操作的功能單元（ALU、乘法器和地址產(chǎn)生器等）。以C6000為例，其CPU內(nèi)部有8個(gè)功能單元，包括2個(gè)乘法器和6個(gè)ALU。這8個(gè)功能單元最多可以

21、在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行8條32位指令。7）其他優(yōu)勢(shì)專用的數(shù)據(jù)地址發(fā)生器（DAG）；獨(dú)立的傳輸總線（DMA）及其控制器；帶有片內(nèi)存儲(chǔ)器（包括程序RAM和數(shù)據(jù)RAM，以及Cache）；含有豐富的外設(shè)，如定時(shí)器、HPI、I2C、EMAC；與結(jié)構(gòu)相配合的RISC指令集（Reduced Instruction Set Computer）；帶有JTAG邊界掃描邏輯電路（IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149.1），便于對(duì)DSP處理器作片上在線仿真、多處理器情況下的調(diào)試以及程序下載。11. DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)2.DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5.18所示。圖5.18 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程3. 硬件設(shè)計(jì)階段DSP系統(tǒng)

22、硬件設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5.19所示。圖5.19 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程4. 軟件設(shè)計(jì)階段DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5.20所示。圖5.20 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程5.DSP開發(fā)環(huán)境片上調(diào)試DSP系統(tǒng)片上調(diào)試示意圖如圖5.21所示。圖5.21 DSP系統(tǒng)片上調(diào)試示意圖12.MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)1. 超低功耗MSP430系列單片機(jī)的電源采用1.83.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1A，活動(dòng)模式耗電250A/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù)），I/O輸入端門漏電流最大僅50nA。2. 強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集（

23、RISC）結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)12個(gè)時(shí)鐘周期才可以執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS（注意：同樣8MIPS的指令速度，在運(yùn)算性能上16位處理器比8位處理器高遠(yuǎn)不止兩倍）。TI不久還將推出2530MIPS的產(chǎn)品。同時(shí)，MSP430系列單片機(jī)中的某些型號(hào)，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（積之和）功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的算法（如FFT、DTMF等）。這種結(jié)構(gòu)在其他系列單片機(jī)中尚未使用。3. 高性能模擬技術(shù)及豐富的片

24、上外圍模塊MSP430系列單片機(jī)結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號(hào)不同可能組合有以下功能模塊：看門狗（WDT），模擬比較器A，定時(shí)器A（Timer_A），定時(shí)器B（Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器，10位/12位/l4位ADC，12位DAC，I2C總線，直接數(shù)據(jù)存取（DMA），端口0（P0），端口16（P1P6），基本定時(shí)器（Basic Timer）等。4. 系統(tǒng)工作穩(wěn)定軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運(yùn)

25、行機(jī)制，在目前各系列單片機(jī)中是絕無(wú)僅有的。另外，MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)器件，運(yùn)行環(huán)境溫度為4085C，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，所設(shè)汁的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。5. 方便高效的開發(fā)環(huán)境只需要一臺(tái)PC和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要專用仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。6. 多種時(shí)鐘模塊MSP430單片機(jī)有3種時(shí)鐘源可供ACLK、SMCLK、MCLK選擇。其中LFXTI提供給外圍設(shè)備32768Hz的時(shí)鐘，LFXT2可以提供高達(dá)8MHz的時(shí)鐘供單片機(jī)運(yùn)行使用，DCO為單片機(jī)內(nèi)部提供，并具有鎖相環(huán)，為系統(tǒng)提供一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘源，當(dāng)XTALT2沒(méi)有提供時(shí)，系統(tǒng)依靠DCO運(yùn)行，整個(gè)時(shí)鐘配置

26、可以通過(guò)DCOCTL、BCSCTLI、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相應(yīng)的位來(lái)選擇和控制，以滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的要求。13. 典型的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5.32所示。圖5.32 典型嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖14. 典型的嵌入式操作系統(tǒng)：免費(fèi)產(chǎn)品：uCLinux（非實(shí)時(shí)）、RTLinux（實(shí)時(shí)）、C/OS（實(shí)時(shí)）。商用產(chǎn)品：Symbian、Windows Mobile、SmartPhone（用于手機(jī)、非實(shí)時(shí)）、WindowsCE 、Palm、Pocket PC、EPOC（用于PDA、非實(shí)時(shí)）、VxWorks（實(shí)時(shí)）、DSP/BIOS（針對(duì)DSP）。二、人機(jī)交互界面1.人機(jī)交互常用

27、的串行通信方式及其特點(diǎn)對(duì)于信息的發(fā)送方式：一種是用232通信，利用計(jì)算機(jī)串行口COM1COM4通信，此方式通信速度較慢，且距離不能太遠(yuǎn)，只有30m左右；另一種是采用在計(jì)算機(jī)上加插一塊通信卡的422/485通信方式，此方式通信速度快，且距離遠(yuǎn)，可達(dá)1000m左右。2. LED數(shù)碼管及其動(dòng)態(tài)顯示原理1. 八段數(shù)碼管介紹圖6.3 八段數(shù)碼管圖6.3是一個(gè)兩位一體的共陽(yáng)極八段數(shù)碼管。其中的第10引腳對(duì)應(yīng)左邊（十位）八段碼的控制陽(yáng)極，第5引腳對(duì)應(yīng)右邊（個(gè)位）八段碼的控制陽(yáng)極。其余八個(gè)引腳7，6，4，1，3，8，9，2分別對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管a，b，c，d，e，f，g，dp八段顯示管。只要在陽(yáng)極和某段引腳間加上1

28、V左右的直流正向電壓，或者在陽(yáng)極和段碼引腳間有510mA的電流通過(guò)，該8段數(shù)碼管碼就會(huì)發(fā)亮。比如，在10引腳和7引腳間加一個(gè)正向1V左右的電壓，則左邊的a段碼就會(huì)發(fā)亮。在5引腳和6引腳間通過(guò)8mA左右的電流，右邊的b段碼就會(huì)亮。需要注意的是，7，6，4，1，3，8，9，2這八個(gè)段碼的引腳是左右兩個(gè)數(shù)碼管公用的，所以是左邊的亮還是右邊的亮就取決于左邊還是右邊的陽(yáng)極相對(duì)這八個(gè)引腳具有正向壓降。當(dāng)將這樣的數(shù)碼管接入到單片機(jī)等數(shù)字處理芯片中時(shí)，就可以通過(guò)芯片的I/O口對(duì)這樣的數(shù)碼管進(jìn)行亮滅控制，從而顯示0099數(shù)字和其他字符。2. 數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示原理一般來(lái)講，動(dòng)態(tài)顯示并不是人眼看上去的一個(gè)八段數(shù)碼管

29、亮了之后另外一個(gè)再亮，而是指人眼看上去兩個(gè)數(shù)碼管都是亮的，只是實(shí)際上把時(shí)間縮小到毫秒級(jí)，一個(gè)亮了之后再讓另外一個(gè)亮，這中間的間隔時(shí)間在10毫秒之內(nèi)，利用人眼的“余輝”效應(yīng)，看上去好像是同時(shí)亮的。根據(jù)上面的敘述，如果將單片機(jī)的端口P1按表6.1與數(shù)碼管的七段碼引腳對(duì)應(yīng)連接時(shí)，則要顯示的十位和個(gè)位的數(shù)字字符與P1端口的值有表6.2所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表6.1 端口P1、數(shù)碼管引腳和七段LED對(duì)應(yīng)關(guān)系表P1端口引腳P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.7七段LEDgfabced十位陽(yáng)極個(gè)位陽(yáng)極數(shù)碼管引腳9876431105表6.2 端口P1的值與要顯示的數(shù)字字符之間的對(duì)應(yīng)

30、情況表要顯示的數(shù)字字符0123456789端口P1的值個(gè)位時(shí)0800E60480440260140100C6000004十位時(shí)0810E70490450270150110C7001005在分析表6.4時(shí)，需要注意的是，在顯示個(gè)位時(shí)有P1.00，P3.71，對(duì)任何數(shù)字字符都成立；而在顯示十位時(shí)，有P1.01；P3.70，對(duì)任何數(shù)字字符都成立。另外，本文所用的數(shù)碼管是共陽(yáng)極的數(shù)碼管，要讓數(shù)碼管的某一個(gè)段如a段亮，就要使a段對(duì)應(yīng)的P1端口引腳P1.5置為低電平，即邏輯電位為0。例如，當(dāng)要在個(gè)位顯示1時(shí)，就可以利用指令P10E6，給P1端口賦值0E6，同時(shí)P3.7引腳置高電平，這樣數(shù)碼管就只有個(gè)位顯示

31、，且只有P1.4和P1.3引腳被拉為低電平，即只有對(duì)應(yīng)的b段和c段LED亮，所以數(shù)顯結(jié)果就為個(gè)位“1”。我們最常用的是七段式和八段式LED數(shù)碼管，八段比七段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，其他的基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個(gè)小LED發(fā)光二極管，通過(guò)控制不同的LED的亮滅來(lái)顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽(yáng)極兩種類型，共陰極就是將八個(gè)LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個(gè)LED的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽(yáng)極就是將八個(gè)LED的陽(yáng)極連在一起。其原理圖如下。其中引腳圖的兩個(gè)COM端連在一起，是公共端，共陰數(shù)碼管要將其接地，共陽(yáng)數(shù)碼管將其接正5伏電源。一個(gè)八段數(shù)碼管稱為一位，多個(gè)數(shù)碼管并

32、列在一起可構(gòu)成多位數(shù)碼管，它們的段選線（即a,b,c,d,e,f,g,dp）連在一起，而各自的公共端稱為位選線。顯示時(shí)，都從段選線送入字符編碼，而選中哪個(gè)位選線，那個(gè)數(shù)碼管便會(huì)被點(diǎn)亮。數(shù)碼管的8段，對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的8位，a對(duì)應(yīng)最低位，dp對(duì)應(yīng)最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為00111111，即0 x3f；共陽(yáng)數(shù)碼管的字符編碼為11000000，即0 xc0?？梢钥闯鰞蓚€(gè)編碼的各位正好相反。如下圖。3.鍵盤矩陣式鍵盤輸入原理矩陣式鍵盤如圖6.7所示。圖6.7 矩陣式鍵盤接口示意圖在行線與列線之間接入按鍵，以44為例（共16鍵）。（1）鍵結(jié)構(gòu)：圖6.7中行線P1.0P

33、1.3為檢測(cè)輸入線，列線P1.4P1.7為掃描輸出線。鍵盤無(wú)鍵閉合時(shí)，P1.0P1.3檢測(cè)輸入線全部為高電平“1”。鍵盤有鍵按下時(shí)，如4號(hào)鍵按下，此時(shí)P1.1檢測(cè)輸入電平由P1.4的掃描輸出電平所決定。（2）按鍵識(shí)別方法：掃描法、線反轉(zhuǎn)法。 掃描法：輸出P1.7P1.51，P1.40，則掃描P1.4列，讀行線P1.0P1.3，若有0出現(xiàn)，則表示當(dāng)前鍵按下，由行列即可決定鍵號(hào)；若P1.0至P1.3為全1，則表示無(wú)鍵按下，繼續(xù)掃描下一列線。根據(jù)按下鍵的行、列號(hào)求鍵號(hào)，可采用計(jì)算法或查表法。 線反轉(zhuǎn)法：掃描法要逐列掃描查詢，當(dāng)被按下的鍵處于最后一列時(shí)，則要經(jīng)過(guò)多次掃描才能最后獲得此按鍵所處的行和列，

34、而線反轉(zhuǎn)法則顯得很簡(jiǎn)練，無(wú)論被按鍵是處于第1列還是最后一列，均只需經(jīng)過(guò)兩步便能獲得此按鍵所在的行列值，線反轉(zhuǎn)法的原理及步驟如下：第一步：將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并使輸出線輸出全為零電平，則行線中電平由高到低的所在行為按鍵所在行；第二步：同第一步完全相反，將行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，并使輸出線輸出全為低電平，則列線中電平由高到低的所在列為按鍵所在列。結(jié)合兩步的結(jié)果，便可確定按鍵所在行和列，從而識(shí)別所按的鍵。（3）鍵盤的編碼：對(duì)于獨(dú)立式按鍵盤，由于按鍵的數(shù)目較少，可根據(jù)實(shí)際需要靈活編碼。對(duì)于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號(hào)和列號(hào)唯一確定，所以分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后

35、將兩值合成一個(gè)字節(jié)，高4位是行號(hào)，低4位是列號(hào)。鍵盤輸入的去抖技術(shù)由于鍵存在機(jī)械彈性，按鍵動(dòng)作產(chǎn)生的電信號(hào)存在抖動(dòng)。為保證鍵值唯一，在CPU查詢按鍵之前應(yīng)消除抖動(dòng)，常用的消抖動(dòng)法有：（1）硬件濾波去抖。采用RC低通濾波器或采用RS觸發(fā)器，缺點(diǎn)是，一鍵占用一根I/O線，鍵多時(shí)，占用較多的系統(tǒng)硬件資源；優(yōu)點(diǎn)是，應(yīng)用簡(jiǎn)單，主要用于命令鍵場(chǎng)合。（2）軟件延時(shí)去抖。在查詢到有鍵按下時(shí)，不忙于處理按鍵，而是延時(shí) 10ms左右再次查詢按鍵的狀態(tài)，如果仍是按下狀態(tài)，表示鍵的確被按下。之所以延時(shí)取10ms，是因?yàn)槎秳?dòng)期的時(shí)間最多為10ms。（3）綜合去抖。在關(guān)鍵重要場(chǎng)合，采用硬件和軟件的辦法進(jìn)行綜合去抖。鍵盤的

36、工作方式（1）程序掃描方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)中，在CPU空閑時(shí)，調(diào)用鍵盤掃描子程序，查詢鍵盤情況。掃描鍵盤子程序有以下幾個(gè)步驟： 判斷有無(wú)鍵按下。令所有列線為“0”，查行線有無(wú)“0”，有“0”則表示有鍵按下，接著查出鍵號(hào)，為“1”則說(shuō)明無(wú)鍵按下，轉(zhuǎn)顯示子程序。 有鍵按下，用軟件延時(shí)（510ms）的方法進(jìn)行消抖。 掃描鍵盤，得按鍵參數(shù)，即行列值。 計(jì)算鍵號(hào)（用計(jì)算法）。 判斷閉合鍵是否釋放。 執(zhí)行鍵操作子程序。 返回。 （2）中斷掃描方式：采用硬件電路，當(dāng)有按鍵產(chǎn)生時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷，CPU接收到中斷后轉(zhuǎn)向中斷處理，進(jìn)行按鍵處理，這可以節(jié)約CPU時(shí)間。（3）定時(shí)器掃描方式：為了使CPU更多地發(fā)揮作用，

37、用CTC定時(shí)，每 10ms中斷一次以對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描。4.簡(jiǎn)單聲光報(bào)警電路圖6.8 光報(bào)警原理圖當(dāng)選用參數(shù)為24V的蜂鳴器時(shí)，其控制電路非常簡(jiǎn)單，只需在上面的光報(bào)警電路中，與光報(bào)警指示燈及其限流電阻并聯(lián)即可。這樣就實(shí)現(xiàn)了聲光同時(shí)報(bào)警。三、驅(qū)動(dòng)器及執(zhí)行器1. 電磁繼電器電磁繼電器是自動(dòng)控制電路中常用的一種元件。實(shí)際上它是用較小電流控制較大電流的一種自動(dòng)開關(guān)，因此，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。電磁繼電器一般由一個(gè)線圈、鐵芯、一組或幾組帶觸點(diǎn)的簧片組成。觸點(diǎn)有動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)之分，在工作過(guò)程中能夠動(dòng)作的稱為動(dòng)觸點(diǎn)，不能動(dòng)作的稱為靜觸點(diǎn)。電磁繼電器實(shí)現(xiàn)了機(jī)電絕對(duì)隔離，但是存在機(jī)械慣性、動(dòng)作遲滯疲勞、電火花等現(xiàn)象

38、，不能用于快速控制系統(tǒng)。1. 電磁繼電器的工作原理當(dāng)線圈通電以后，鐵芯被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，克服彈性力吸動(dòng)銜鐵并帶動(dòng)簧片，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)閉合或分開；當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力消失，在彈性力作用下銜鐵返回原來(lái)的位置，動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)又恢復(fù)到原來(lái)閉合或分開的狀態(tài)。應(yīng)用時(shí)只需把要控制的電路接到觸點(diǎn)上，就可利用繼電器達(dá)到控制目的。2. 固態(tài)繼電器及其應(yīng)用原理固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）是用分離的電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種具有繼電特性的無(wú)觸點(diǎn)式電子開關(guān)。具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無(wú)噪聲、無(wú)火花、抗干擾能力強(qiáng)、輸出功率范

39、圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航天、航海、家電、機(jī)床、通信、化工、煤礦等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。（1）交流過(guò)零固態(tài)繼電器原理分析：固態(tài)繼電器由輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，如圖7.2所示，在輸入電路控制端加入信號(hào)后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，VD1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。圖7.2 交流固態(tài)繼電器原理圖V1在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過(guò)零時(shí)開啟、負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)（控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)），V1通過(guò)R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通，從而

40、使SCR可控硅門極觸發(fā)電壓UGT被 箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)（控制端有信號(hào)輸入時(shí)），SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測(cè)三極管V1來(lái)確定其工作狀態(tài)。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過(guò)零電壓時(shí)（VAVBE1），V1處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過(guò)零電壓時(shí)（VAVBE1）V1處于截止?fàn)顟B(tài)，SCR可控硅通過(guò)R4獲得觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通，從而使BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號(hào)，也呈導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如果此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后，負(fù)載

41、電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時(shí)，可自行關(guān)斷，切斷負(fù)載電源。交流過(guò)零型固態(tài)繼電器，因其電壓過(guò)零時(shí)開啟，負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性，它的最大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個(gè)電源周期，在負(fù)載上可得到一個(gè)完整的正弦波形。也相應(yīng)地減少了對(duì)負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。（2）直流固態(tài)繼電器原理分析：直流固態(tài)繼電器原理圖如圖7.3所示。在輸入控制回路中，電阻R1串接在IC1光電耦合器輸入端對(duì)其發(fā)光管進(jìn)行限流保護(hù)，發(fā)光管LED對(duì)輸入控制信號(hào)給予指示，VD1對(duì)輸入端的反偏電壓進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，IC1光電耦合器中的光敏三極管呈截止高阻狀態(tài)，V1通過(guò)R2獲得基極電流使之

42、飽和導(dǎo)通，從而導(dǎo)致V2、V3、V4均處于截止?fàn)顟B(tài)，使其固態(tài)繼電器呈關(guān)斷狀態(tài)。圖7.3 直流固態(tài)繼電器原理圖當(dāng)控制端有信號(hào)輸入時(shí)，IC1中光敏三極管導(dǎo)通，使V1呈截止?fàn)顟B(tài)，從而使V2、V3、V4導(dǎo)通，使其固態(tài)繼電器呈接通狀態(tài)，并將電源加至負(fù)載上，直流固態(tài)繼電器的輸出端隨著輸入端信號(hào)的加入而導(dǎo)通、信號(hào)的消失而關(guān)斷。另外，大功率、低電壓的直流固態(tài)繼電器的輸出開關(guān)普遍采用功率場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)替代功率三極管，以此來(lái)降低輸入功率。3. 各種負(fù)載浪涌特性對(duì)SSR的選擇許多被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞，所以用戶在選用繼電器時(shí)應(yīng)對(duì)被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析，

43、然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作的前提下能夠承受該浪涌電流，選擇時(shí)可參考表7.1中各負(fù)載的降額系數(shù)（常溫下）。表7.1 負(fù)載類型與降額系數(shù)參考表負(fù)載類型電阻電熱白熾燈交流電磁鐵變壓器電機(jī)降額系數(shù)10.80.50.50.50.2如所選用的繼電器需在工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場(chǎng)合工作時(shí)，則應(yīng)在表7.1的基礎(chǔ)上再乘以0.6以確保工作可靠。一般在選用時(shí)遵循上述原則，在低電壓且要求信號(hào)失真小時(shí)，可選用場(chǎng)效應(yīng)管作輸出器件的直流固態(tài)繼電器；如對(duì)交流阻性負(fù)載和多數(shù)感性負(fù)載，可選用過(guò)零型繼電器，這樣可延長(zhǎng)負(fù)載和繼電器的壽命，也可減小自身的射頻干擾。如作為相位輸出控制時(shí)，應(yīng)選用隨機(jī)型固態(tài)繼電器。

44、4. 電磁閥概述電磁閥是過(guò)程控制中的主要器件之一。用于通過(guò)電力的方式遠(yuǎn)動(dòng)控制氣路、水路、油路等過(guò)程介質(zhì)的通斷，或通過(guò)其控制介質(zhì)通過(guò)過(guò)程通道的流量比例。電磁閥屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動(dòng)。電磁閥用于控制液壓流體的流動(dòng)方向，大型機(jī)械的機(jī)械執(zhí)行裝置一般都由液壓缸控制驅(qū)動(dòng)，所以就會(huì)用到電磁閥。電磁閥是由電磁線圈和磁芯組成，是包含一個(gè)或幾個(gè)孔的閥體。當(dāng)線圈通電或斷電時(shí)，磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致流體通過(guò)閥體或被切斷，以達(dá)到改變流體方向的目的。電磁閥的電磁部件由固定鐵芯、動(dòng)鐵芯、線圈等部件組成；閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。電磁線圈被直接安裝在閥體上，閥體被封閉在密封管中，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)潔、緊湊的組合。生

45、產(chǎn)中常用的電磁閥有二位三通、二位四通、二位五通等。電磁閥的一般工作原理如下：電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，閥體就會(huì)被吸引到通電的磁鐵線圈那一邊，通過(guò)控制閥體的移動(dòng)來(lái)?yè)踝』蚵冻霾煌呐庞涂祝M(jìn)油孔是常開的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排油管，然后通過(guò)油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)。這樣通過(guò)控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。電磁閥從原理上分為三大類：直動(dòng)式、分步直動(dòng)式、先導(dǎo)式，而從閥瓣結(jié)構(gòu)和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個(gè)分支小類：直動(dòng)膜片結(jié)構(gòu)、分步重片結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)膜式結(jié)構(gòu)、直動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)、分步直動(dòng)活塞結(jié)

46、構(gòu)、先導(dǎo)活塞結(jié)構(gòu)。5. 電磁閥選型要領(lǐng)電磁閥選型首先應(yīng)該依次遵循安全性、可靠性、適用性、經(jīng)濟(jì)性四大原則，其次是根據(jù)六個(gè)方面的現(xiàn)場(chǎng)工況，即管道參數(shù)、流體參數(shù)、壓力參數(shù)、電氣參數(shù)、動(dòng)作方式、特殊要求進(jìn)行選擇。（1）根據(jù)管道參數(shù)選擇電磁閥的通徑規(guī)格（即DN）、接口方式。 按照現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)徑尺寸或流量要求來(lái)確定通徑（DN）尺寸。 接口方式，一般DN50要選擇法蘭接口，DN50則可根據(jù)用戶需要自由選擇。（2）根據(jù)流體參數(shù)選擇電磁閥的材質(zhì)、溫度組。 腐蝕性流體：宜選用耐腐蝕電磁閥和全不銹鋼；食用超凈流體：宜選用食品級(jí)不銹鋼材質(zhì)電磁閥。 高溫流體：要選擇采用耐高溫的電工材料和密封材料制造的電磁閥，而且要選擇活

47、塞式結(jié)構(gòu)類型的。 流體狀態(tài)：大致有氣態(tài)、液態(tài)或混合狀態(tài)，特別是口徑DN大于25，訂貨時(shí)一定要區(qū)分開來(lái)。 流體黏度：通常在50cSt以下可任意選擇，若超過(guò)此值，則要選用高黏度電磁閥。（3）根據(jù)壓力參數(shù)選擇電磁閥的原理和結(jié)構(gòu)品種。 公稱壓力：這個(gè)參數(shù)與其他通用閥門的含義是一樣的，是根據(jù)管道公稱壓力來(lái)定的。 工作壓力：如果工作壓力低，則必須選用直動(dòng)或分步直動(dòng)式原理；最低工作壓差在0.04MPa以上時(shí)直動(dòng)式、分步直動(dòng)式、先導(dǎo)式均可選用。（4）電氣選擇：電壓規(guī)格應(yīng)盡量?jī)?yōu)先選用AC 220V、DC 24V較為方便。（5）根據(jù)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)選擇常閉、常開或可持續(xù)通電。 當(dāng)電磁閥需要長(zhǎng)時(shí)間開啟，并且持續(xù)的

48、時(shí)間大于關(guān)閉的時(shí)間，則應(yīng)選用常開型。 若開啟的時(shí)間短或開和關(guān)的時(shí)間不多時(shí)，則選常閉型。 有些用于安全保護(hù)的工況，如爐、窯火焰監(jiān)測(cè)，則不能選常開型，應(yīng)選可長(zhǎng)期通電型。（6）根據(jù)環(huán)境要求選擇輔助功能：防爆、止回、手動(dòng)、防水霧、水淋、潛水。 爆炸性環(huán)境：必須選用相應(yīng)防爆等級(jí)的電磁閥。 當(dāng)管內(nèi)流體有倒流現(xiàn)象時(shí)，可選擇帶止回功能的電磁閥。 當(dāng)需要對(duì)電磁閥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工操作時(shí)，可選帶手動(dòng)功能的電磁閥。 露天安裝或粉塵多的場(chǎng)合應(yīng)選用防水、防塵品種（HYPERLINK /Html/fanghu.htm t _blank防護(hù)等級(jí)在IP54以上）。 用于噴泉必須采用潛水型電磁閥（防護(hù)等級(jí)在IP68以上）。6. 直流

49、電機(jī)的構(gòu)造直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的原理示意圖如圖7.7所示，定子是凸極結(jié)構(gòu)，磁極上有一個(gè)或多個(gè)勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁繞組中通過(guò)勵(lì)磁電流時(shí)產(chǎn)生磁通，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與旋轉(zhuǎn)的換向器和靜止的電刷相連接。為了簡(jiǎn)單起見，通常采用圖7.8所示的電路符號(hào)。直流電機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)如圖7.9所示。直流電機(jī)橫截面示意圖如圖7.10所示

50、。圖7.7 直流電機(jī)的原理示意圖圖7.8 直流電機(jī)的電路符號(hào)圖7.9 直流電機(jī)的剖面圖1風(fēng)扇；2機(jī)座；3電樞；4主磁極；5刷架；6換向器；7端蓋；8換向極；9出線盆；10接線板圖7.10 直流電機(jī)橫截面示意圖1換向極鐵芯；2換向極繞組；3主機(jī)鐵芯；4勵(lì)磁繞組；5電樞齒；6電樞鐵芯；7換向器；8電刷；9電樞繞組；10機(jī)座；11底腳7.直流電動(dòng)機(jī)的分類直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組獲得勵(lì)磁電流的方式，除永磁式微直流電動(dòng)機(jī)外，直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)都是通過(guò)勵(lì)磁繞組通入電流激勵(lì)而建立的。按勵(lì)磁方式不同可分為四種：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)，如圖7.12所示。（a）他勵(lì)式（b）并勵(lì)式（c）串勵(lì)式（d）復(fù)勵(lì)式圖7

51、.12 幾種類型的直流電機(jī)8.直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制1. 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流很大，可達(dá)到額定電流的1020倍，因此必須限制啟動(dòng)電流。限制啟動(dòng)電流的方法就是啟動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接啟動(dòng)電阻Rst。啟動(dòng)電阻的值為。（a）他勵(lì)式（b）并勵(lì)式圖7.16 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)一般規(guī)定啟動(dòng)電流不應(yīng)超過(guò)額定電流的1.52.5倍。啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)電阻調(diào)至最大，待啟動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將啟動(dòng)電阻逐漸減小。2. 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，可知直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有3種：改變主磁通調(diào)速、電樞串聯(lián)電阻調(diào)速和改變電樞電壓U調(diào)速。1）改變主磁通調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)改變主磁通調(diào)速電路如圖7

52、.17所示。圖7.17 直流電動(dòng)機(jī)改變主磁通調(diào)速電路保持電源電壓U為額定值，在勵(lì)磁電路中串聯(lián)一個(gè)調(diào)速變阻器，改變勵(lì)磁電流，以改變磁通進(jìn)行調(diào)速，故又稱調(diào)磁調(diào)速。由機(jī)械特性方程可見，磁通減小時(shí)，升高，與成反比增加，所以磁通減小，機(jī)械特性升高、變軟。在一定負(fù)載下，減小則n升高。由于電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，磁路已趨飽和，所以通常只是減小磁通，轉(zhuǎn)速上調(diào)。改變主磁通調(diào)速是恒功率調(diào)速，即轉(zhuǎn)速升高后，輸出轉(zhuǎn)矩必須減小，否則電樞電流會(huì)超過(guò)原來(lái)的額定電流，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱燒壞。改變磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，可做到無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)磁路已接近飽和，所以通常只

53、是減小磁通將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，調(diào)速范圍較小。2）電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)改變電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速電路如圖7.18所示。圖7.18 直流電動(dòng)機(jī)改變電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速電路保持電源電壓U和勵(lì)磁電流為額定值，在電樞電路中串聯(lián)一個(gè)調(diào)速變阻器，改變來(lái)改變電樞電路的電阻值從而改變電樞電流進(jìn)行調(diào)速。顯然，保持U、不變，亦不變，調(diào)節(jié)的大小即可改變轉(zhuǎn)速n。電樞回路串電阻調(diào)速只能由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)。電樞串聯(lián)電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，但調(diào)速范圍有限，機(jī)械特性變軟，且電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此，只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場(chǎng)合。3）改變電樞電壓調(diào)速采用這種調(diào)速方法時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)采取他勵(lì)方式，保持勵(lì)

54、磁不變，只改變電樞電路的電源電壓，故稱為調(diào)壓調(diào)速。由機(jī)械特性方程可以看出，當(dāng)電樞電路端電壓U改變時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速隨U成正比變化，而轉(zhuǎn)速降落和特性曲線的斜率不變，因此，電動(dòng)機(jī)在不同電壓下的人為機(jī)械特性曲線是平行下移于固有機(jī)械特性曲線的直線。目前正日趨廣泛地使用晶閘管整流裝置作為直流電動(dòng)機(jī)的可調(diào)電源，通過(guò)改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來(lái)改變輸出脈動(dòng)直流電的波形，從而達(dá)到改變輸出電壓的大小。調(diào)壓調(diào)速是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，轉(zhuǎn)速也只能由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)。改變電樞電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍較寬，可達(dá)到610。但電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較復(fù)

55、雜。3. 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和發(fā)電反饋制動(dòng)3種。1）能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)就是需要電機(jī)停車時(shí)，維持直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源不變，只切斷電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電源，使電樞繞組與外加制動(dòng)電阻串接構(gòu)成閉合回路。由于慣性，短接后電動(dòng)機(jī)仍保持原方向旋轉(zhuǎn)，電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仍存在并保持原方向，但因?yàn)闆](méi)有外加電壓，電樞繞組中的電流方向與原來(lái)電流方向相反，產(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反的制動(dòng)力矩，迫使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。這種制動(dòng)方法在運(yùn)輸、起重設(shè)備上應(yīng)用較廣，不足之處是不宜對(duì)機(jī)械迅速制動(dòng)。能耗制動(dòng)控制的關(guān)鍵是制動(dòng)電阻的接入。2）反接制動(dòng)反接制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)相反極性

56、的電源相接，改變電樞電流或勵(lì)磁電流的方向，來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩方向，形成制動(dòng)力矩，迫使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)就是利用改變電樞電流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3）發(fā)電反饋制動(dòng)發(fā)電反饋制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將高于外加電壓，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)分升高。9. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（stepping motor）開環(huán)伺服控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（stepping motor）及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于數(shù)控機(jī)床的開環(huán)伺服控制。開環(huán)伺服控制是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)是單向的。采用這種控制方式的伺服系統(tǒng)也

57、稱開環(huán)伺服系統(tǒng)，如圖7.19所示，由單片機(jī)或微機(jī)控制的數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器、功率放大器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的移動(dòng)。圖7.19 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖開環(huán)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制與維護(hù)比較方便，成本低廉，但由于沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，伺服機(jī)構(gòu)的誤差得不到補(bǔ)償和校正，伺服運(yùn)動(dòng)精度主要靠伺服電機(jī)（通常采用步進(jìn)電機(jī)）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的精度來(lái)保證，所以精度較低，一般適用于中、小型的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。10. 三相單雙六拍工作方式定子繞組的通電順序是AABBBCCCAA步進(jìn)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（見圖7.24），反之按ACACBCBABA通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

58、在這種工作方式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角減少一半，為。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制方便、步距小、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但有存在帶慣性負(fù)載能力差、高速時(shí)易失步和斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩的缺點(diǎn)。11. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)1. 步距角步距角應(yīng)為每輸入一個(gè)脈沖時(shí)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。它反映步進(jìn)電機(jī)定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z及通電方式k（k拍數(shù)/相數(shù)）有關(guān)，其計(jì)算公式為式中 步距角，；邏輯供電狀態(tài)系數(shù)，運(yùn)行拍數(shù)，單拍通電時(shí)，拍數(shù)等于相數(shù)，；雙拍通電時(shí)，拍數(shù)2相數(shù)，；定子繞組相數(shù)；轉(zhuǎn)子齒數(shù)。按此公式可知，圖7.24和圖7.25所示

59、電機(jī)的步距角，采用三相單三拍通電方式控制時(shí)同為采用三相單雙六拍通電方式控制時(shí)同為推而廣之，四相、五相、六相、八相的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)各相分別錯(cuò)齒1/4、1/5、1/6、1/8齒距，也有單拍、雙拍和單雙拍等通電控制方式，以改變控制性能和減小步距角。數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為0.363。由于步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用在機(jī)床上一般是通過(guò)減速器和絲杠副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的移動(dòng)量便是工作臺(tái)的最小單位運(yùn)動(dòng)，也稱脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。脈沖當(dāng)量可由下式算出：式中 絲杠基本導(dǎo)程（mm）；步進(jìn)電機(jī)步距角（）；傳動(dòng)比。系統(tǒng)中進(jìn)給脈沖頻率f經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后就轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電/斷電狀

60、態(tài)變化的頻率，因而就決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，該經(jīng)減速器、絲杠副后，體現(xiàn)為工作臺(tái)的進(jìn)給速度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角、角速度和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式如下：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角速度為式中 角速度，；脈沖頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為式中 轉(zhuǎn)速（r/min）?？梢?，工作臺(tái)的進(jìn)給速度V（mm/min）可表示為式中 脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；進(jìn)給脈沖頻率（Hz）。當(dāng)然，步距角的大小直接關(guān)系到機(jī)床加工精度。因?yàn)樵跀?shù)控機(jī)床的步進(jìn)輸出控制伺服系統(tǒng)中，不能控制比步距角更小的量。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床加工精度越高。因此，為了保證所需的加工精度，只有將步距角取得比所要求的加工準(zhǔn)確度還小才行，另外還涉及步距精度問(wèn)題。當(dāng)