機電一體化第五章計算機控制接口技術課件

第五章計算機控制接口技術第一節(jié)計算機控制接口技術設計分析第二節(jié)PLC可編程控制器原理及應用第三節(jié)單片機控制系統(tǒng)設計第四節(jié)AK可編程序控制器原理及應用第五節(jié)A/D、D/A轉換控制器原理及設計第一節(jié)計算機控制接口技術設計分析1計算機控制系統(tǒng)組成計算機控制系統(tǒng)由：計算機、計算機控制器、計算機輸出接口電路、驅(qū)動控制器、執(zhí)行設備、應用軟件、傳感器、放大器等組成。其中軟件包括采集軟件，分析處理軟件，檢測輸出控制和自動控制軟件等。2可編程序控制器分類(1)單片機控制器(2)PLC可編程序控制器(3)AK可編程序控制器(4)A/D、D/A轉換控制器3可編程序語言(1)匯編語言（單片機，PLC）(2)BASIC語言（AK、A/D、D/A）(3)C語言（單片機、PLC、AK、A/D、D/A）(4)VC編程（AK、A/D、D/A）(5)VB編程（AK、A/D、D/A）(6)LABwindows編程(AK、A/D、D/A)下一頁4.計算機控制器的設計要求(1)具有完善的過程輸入/輸出功能。(2)具有實時控制功能。(3)具有高可靠性。(4)具有較強的環(huán)境適應性和抗干擾能力。(5)具有齊全的軟件。

5.計算機控制系統(tǒng)的應用特點(1)可編程序控制器系統(tǒng)。主要特點如下：①控制程序可變。②可靠性高。③編程簡單，使用方便。④功能完善。⑤體積小、質(zhì)量輕、易于安裝使用。(2)AK可編程序控制器。主要特點如下：①控制程序可變,具有很好的設計性。②可靠性高。③編程簡單。④功能完善。⑤結構簡單。⑥控制精度高。

上一頁下一頁返回圖5-1總線型工控機組成圖第二節(jié)PLC可編程控制器原理及應用

一、PLC的組成及工作原理1.硬件組成PLC的硬件主要由CPU模塊、I/O模塊兩部分組成。圖5－2為硬件組成框圖。(1)CPU模塊。(2)存儲器。(3)I/O接口模塊。①智能I/O接口模塊。②外設通訊接口模塊。③開關量I/O接口是按強電要求設計的，即輸入輸出接口可直接與強電設備相連，為了使PLC免受電力線、電氣噪聲、負載的感性沖擊或外設接線的干擾，I/O接口中均設計了光電耦合隔離電路，各I/O接口電路圖參見圖5－3所示。下一頁返回圖5-2為硬件組成框圖2.編程器編程器是供用戶開發(fā)、調(diào)試和監(jiān)視PLC工作的必備工具。(1)便攜式編程器由鍵盤、LED或LCD數(shù)碼顯示器、工作方式選擇開關、外設接口組成。(2)CRT智能式編程器。其硬件主體是個人計算機（PC機）3.PLC的工作原理(1)讀取現(xiàn)場信息。(2)執(zhí)行用戶程序。(3)輸出控制信號。PLC的整個工作過程可用圖5-4所示。4.PLC實現(xiàn)繼電器開關量控制原理,見圖5-5。上一頁下一頁圖5-4PLC工作流程圖返回圖5-5PLC控制繼電器開關電路二、PLC的編程語言和編程方法1.PLC的基本控制操作及指令系統(tǒng)任何復雜的邏輯控制過程均由基本的控制操作組成，它們包括：輸入輸出操作、邏輯操作、計數(shù)及復位操作、移位寄存器操作、移位指令、主控母線操作、轉移操作、脈沖發(fā)生器、置位復位、空操作、程序結束操作等。2.指令編程要點(1)PLC編寫執(zhí)行程序時，是按照指令的先后順序依次逐條執(zhí)行的，所以，要求設計程序中的指令順序要求必須正確。(2)按工作流程圖編程時，必須根據(jù)信息流的方向，自上而下，從左到右的順序編寫控制指令程序。(3)各種繼電器的觸點，在編程中可以重復使用，使用次數(shù)不受限制。(4)輸出繼電器線圈（包括定時器）在一個程序中只能使用一次，假如在程序中同一個輸出繼電器線圈號出現(xiàn)兩次以上，則應改成只有一個輸出線圈的電路。(5)計數(shù)器、移位寄存器有兩個或更多的輸入支路，應按工作流程圖給定的順序設計編程(6)程序的執(zhí)行是從第一條指令到指令結束，完成一個機器掃描周期。上一頁下一頁2.PLC的選用方法正確地選用PLC對于保證設計整個系統(tǒng)的技術指標起著重要的作用。PLC的選用主要包括PLC容量估算、PLC功能選擇和I/O模塊選擇。PLC的容量估算涉及兩方面內(nèi)容，即用戶程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的容量和控制I/O點數(shù)。(1)計算輸入輸出點數(shù)。常用PLC的I/O點數(shù)之比為3∶2。(2)計算存儲容量。PLC存儲器容量與控制系統(tǒng)的復雜程度、運算數(shù)據(jù)量的大小、程序結構優(yōu)劣等有關。(3)PLC的功能選擇。由于一般的機電一體化系統(tǒng)為單機自動控制模式，PLC一般用來實現(xiàn)順序控制，所以只要選用具有邏輯運算、定時器、計數(shù)器等基本功能的PLC就可以了。如果控制任務較復雜，包含了數(shù)值計算（如PID）、模擬量處理等內(nèi)容，就必須選用具有數(shù)值計算功能、模/數(shù)和數(shù)/模轉換功能的PLC。(4)I/O模塊選擇。輸入模塊的選擇，輸入模塊分為數(shù)字和模擬兩種。數(shù)字量輸入又分為直流、交流和脈沖三種；模擬量輸入分為電壓和電流輸入兩種。上一頁下一頁3.輸出模塊的選擇輸出模塊按輸出方式分為繼電器輸出、晶體管輸出及雙向晶閘管輸出三種。4.智能I/O接口的選擇智能I/O模塊的共同特點是模塊本身帶有CPU。5.通信接口的選擇。應注意選用同一型號或系列的PLC，以便相互兼容。6.PLC外電路設計的一般原則(1)控制系統(tǒng)配套電器的選用原則。①提高工作可靠性。②采用小型化的低壓電器。③采用新型的低壓電器。④采用卡軌式安裝和裝配形式(2)中間繼電器的配置原則。圖5-6為中間繼電器接入I/O模塊的實例。(3)熔斷器的安裝原則。

(4)輸入/輸出聯(lián)鎖觸點的接入方法。

一般情況下，對于一些典型電路，如電動機正反轉電路，把互鎖的觸點分別接入PLC的輸入、輸出回路，形成雙回路設計方案，如圖5-7所示。(5)限位開關接入方法。

(6)設備接地方法。

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返回返回圖5-6中間繼電器接入I/O模塊實例圖5-7聯(lián)鎖觸點接入方法示意圖返回圖5-8注塑機單片機控制系統(tǒng)原理圖返回圖5-9控制系統(tǒng)擴展綜合圖二、單片機控制系統(tǒng)設計單片機控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容主要包括硬件設計、應用軟件設計和系統(tǒng)仿真調(diào)試三個部分。其設計程序如下：1硬件設計單片機控制系統(tǒng)的硬件設計包括：單片機選型、基本控制系統(tǒng)擴展設計、I/O口擴展設計、人-機通道設計、前向通道接口設計和后向通道接口設計等。在擴展通道接口設計中應遵循如下原則：(1)盡可能選擇典型電路，并且要符合常規(guī)用法。(2)控制系統(tǒng)擴展。(3)硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。(4)單片機片外電路應與單片機的電氣性能參數(shù)及工作時序匹配。(5)應十分重視可靠性及抗干擾設計。(6)單片機外接電路較多時，必須考慮其負載驅(qū)動能力。上一頁下一頁三、單片機芯片選擇1.單片機芯片正確選擇分析單片機控制系統(tǒng)的核心器件是單片機芯片，它提供的功能和資源對整個控制系統(tǒng)所需要的支持電路、接口硬件設計以及軟件設計起著關鍵性的作用。單片機硬件資源極大地影響著整個控制系統(tǒng)的成本和復雜程度。資源豐富的單片機可以大大減少硬件外圍接口芯片與存儲器擴展芯片的數(shù)量，使成本降低，結構簡單，目前單片機的價格與外圍接口芯片的價格已相差無幾。2.單片機芯片選擇時應考慮的問題(1)要盡可能選擇設計者較為熟悉，曾經(jīng)接觸過的單片機系列。(2)要選擇有豐富的應用軟件、開發(fā)工具及成熟輔助電路支持的單片機系列。(3)根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇合適的單片機。

上一頁下一頁3.MCS-51系列單片機的性能表5-3分別列出INTEL系列單片機的基本特性。

上一頁下一頁型號片內(nèi)存儲器/Byte片外擴展晶振頻率指令周期定時/計數(shù)器EPROMROMRAMEPROMRAM8051——4K12864K64K1211×8位80C51——4K12864K64K1211×8位87514K——12864K64K1211×8位8031————12864K64K1211×8位80C31————12864K64K1211×8位8052——4K12864K64K1211×8位四、D/A轉換芯片的選擇方法1.D/A轉換芯片的選擇選擇D/A轉換芯片時，主要考慮芯片的性能、結構及應用特性。(1)數(shù)字輸入特性的選擇。(2)模擬輸出特性。(3)鎖存特性。(4)參考電壓源。2.12位D/A芯片接口控制系統(tǒng)設計實例為了提高精度，需要用比8位高的D/A芯片，這里僅以AD7542為例說明12位D/A轉換原理及接口技術。圖5-10為AD7542與8031接口電路。圖5-11中，要轉換的12位數(shù)據(jù)低8位存在片內(nèi)RAM的50H單元中，高4位數(shù)據(jù)存放在51H中，試編寫D/A轉換程序設計。

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圖5-11人-機通道配置示意圖

五、單片機控制通道接口設計1.人-機通道設計人-機通道的配置如圖5-11所示，人-機通道的具體配置完全是根據(jù)實際需要而定的。人－機通道采用I/O擴展方法獲得口地址空間，然后與人機對話專用芯片連接2.輸入通道接口設計單片機控制系統(tǒng)常用的前向通道結構類型。前向通道在單片機一側有三種類型：數(shù)據(jù)總線、并行I/O口和定時/計數(shù)器口。(1)A/D轉換接口技術根據(jù)A/D芯片與單片機連接方式以及控制系統(tǒng)的要求，A/D轉換采樣的方式主要有以下三種：程序查詢方式、定時采樣方式、中斷方式。圖5-12給出了該芯片的實用接口電路。①程序查詢方式以圖5－12為例，先選擇模擬量的一個輸入通道，發(fā)出啟動A/D轉換信號，用程序查詢INT1腳是否為“0”，若是“0”則表示A/D轉換結束，執(zhí)行讀A/D結果數(shù)據(jù)操作。②定時采樣方式。③中斷方式。完成上面任務的程序由兩部分組成，一部分是主程序，另一個部分是INT1的中斷服務程序。主程序流程如圖5－13所示。中斷服務程序如圖5－14所示。上一頁下一頁(2)開關信號及頻率信號接口技術。在輸入通道中除模擬量外，還有一部分是離散數(shù)字量信號，主要有開關信號和頻率信號兩種①開關輸入信號的電路隔離，在機電一體化系統(tǒng)中，機械開關信號一般為電信號，需要把強電部分與弱電的單片機系統(tǒng)在電路上隔離開來，最常用的是使用光電耦合。②開關信號的干擾抑制措施。上一頁下一頁六、單片機控制系統(tǒng)應用程序設計1.直流電動機控制系統(tǒng)程序設計直流電動機控制系統(tǒng)設計技術要求：(1)循環(huán)工作，可由外界開關控制電機起動；(2)控制直流電機的轉速從零升至最高，升速時間任意設定；(3)控制直流電機在最大轉速下穩(wěn)定工作，時間可任意設定；(4)控制直流電機的轉速從最大值降到零，減速時間為5s；(5)控制直流電機停機3s，接著重復上述步驟；(6)控制程序采用C語言，單片機用8096。具體的直流電機控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖5－15所示，控制程序設計方法如下：①程序入口。②置SP。③選擇P2.5，使其輸出為高電平。④等待時間。⑤選擇PWM輸出。⑥讀開關值是否為零。⑦將升速值寫入PWM＿CONTROL。⑧穩(wěn)定工作時間。⑨將減速值寫入PWM＿CONTROL。⑩停止工作時間上一頁下一頁返回圖5-15直流電動機控制系統(tǒng)程序流程圖2.步進電動機控制系統(tǒng)程序設計步進電動機控制系統(tǒng)的設計技術要求:(1)循環(huán)工作，可由外界中斷；(2)控制步進電機的正轉，速度從零升至最高；(3)控制步進電機停止工作5s；(4)控制步進電機的反轉，速度從最高值降到零。步進電動機控制程序設計所要編寫的程序也是不需要外界輸入控制參數(shù)，整個程序是按照控制要求編制好，如需要改參數(shù)，要在源程序中進行修改。具體的步進電動機控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖5－16所示。

上一頁下一頁圖5-16步進電動機控制系統(tǒng)程序的流程圖3.開關量控制系統(tǒng)程序設計開關量控制系統(tǒng)程序的設計技術要求：(1)循環(huán)控制，可由外界中斷；(2)實現(xiàn)8個開關的順序延時控制，5s后按反序延時閉合控制；(3)延時時間為10s。設計的控制程序是不需要外界輸入控制參數(shù)的，整個程序是事先編制好的，如需更改參數(shù)，要在源程序中進行修改。在明確了具體的程序要求后，就可繪制出程序方框圖了。具體的開關量控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖5－17所示：上一頁

返回圖5-17開關量控制系統(tǒng)程序的流程圖第四節(jié)AK可編程序控制器原理及應用一、AK可編程序控制器組成及工作原理1.AK可編程序控制器組成AK系列可編程序控制器與任何一種計算機組成計算機控制系統(tǒng)，可輸出多路控制電壓信號、頻率信號、實現(xiàn)開關量控制、電機調(diào)速控制、多功能信號源功能。它由譯碼電路，時鐘信號、8255、8253（8254）信號轉換電路、輸出接口電路等組成。如圖5－18所示。2.AK控制器工作原理AK控制原理方框圖如圖5－19所示。下一頁返回圖5-18AK可編程序控制器方框圖圖5-19AK可編程序電路原理圖二、AK可編程序控制器設計1.AK系列可編程序控制器器件的選擇(1)8255器件的選用。(2)8253（8254）器件的選擇。芯片控制的方式是由雙向的數(shù)據(jù)線與計算機系統(tǒng)連接，通過控制字組的寫入來設定8255的工作方式，由于它具有功能強，編程簡單方便，使用靈活，在設計AK時選用8255可滿足設計要求。(2)8253（8254）器件的選擇。為便于更好的應用8253（8254）芯片，具體工作方式介紹如下方式1：可編程的單脈沖發(fā)生器，此方式用來產(chǎn)生一個程序控制脈沖寬度的單脈沖。方式2：比例式脈沖產(chǎn)生器，此方式可以用來控制輸出信號的工作周期（信號高電位的比例）。方式3：方波產(chǎn)生器，工作于此方式可以作為分頻器用。工作原理類似方式2方式4：軟件觸發(fā)方式，本方式以軟件輸入計數(shù)值做計時器起動。方式5：硬件觸發(fā)方式，本方式操作以外部GATE引腳信號來起動計時器工作。AK可編程控制器電路原理方框圖如圖5－19所示。上一頁下一頁2.控制器程序設計方法(1)界面設計(2)控制參數(shù)的程序設計：①試驗調(diào)試性的控制方式，輸出控制信號頻率設計采用人－機對話方式，由人為選擇輸入控制參數(shù)的大小，工作時間，輸出控制時間，工作頻率采用人－機對話方式，由控制要求任意設定輸入?yún)?shù)。②自動控制方式，輸出控制的信號頻率，根據(jù)控制參數(shù)要求采用固定式，輸出控制工作時間采用固定式，也可以設計成判斷式。(3)C語言程序設計函數(shù)定義。(4)AK控制器初始化程序的設計。(5)輸出信號頻率控制程序設計。(6)控制工作時間程序設計。(7)8255輸出控制信號程序設計。(8)控制輸出信號結束程序設計。3.雙路輸出信號控制程序清單

上一頁返回第五節(jié)A/D、D/A轉換控制器原理及設計一、A/D-D/A轉換控制器組成及工作原理1.A/D-D/A轉換控制器組成它的組成由A/D模數(shù)轉換芯片、D/A數(shù)模轉換芯片、可編程8253、8254芯片、DC/DC隔離電源、6MHz時鐘、譯碼器等器件組成。如圖5－20所示。2.A/D-D/A轉換控制器工作原理A/D-D/A轉換控制器模擬輸入部分由模擬通道開關、緩沖放大器、A/D轉換芯片（含采樣保持器）、通道控制電路、先進先出（FIFO）存儲器接口電路、A/D觸發(fā)電路組成。A/D有兩種方式：軟件選擇方式和自動采集方式。

A/D轉換的工作控制起動方式由定時計數(shù)器8254的0通道輸入，有三種觸發(fā)控制方式

:單次觸發(fā)控制﹑程序判別法﹑外輸入電壓控制法

下一頁A/D轉換器當作控制器的工作原理是：利用A/D轉換器中的8255、8253芯片功能，按照上節(jié)討論的AK控制器功能，根據(jù)設計使用要求，設計相應的軟件，就可以實現(xiàn)自動控制功能，分別輸出多種控制信號，達到了計算機控制使用要求。二、A/D-D/A轉換控制器設計1.A/D轉換器結構形式(1)多路并行口A/D通道，每通道有獨自的采樣保持器與A/D轉換器，它的組成如圖5-21所示。(2)多路通道共享A/D轉換器，圖5-22是它的框圖，此種較上述形式速度慢，因為每路的轉換只能串行。由于采用了多個S/H和多路開關，采集時間間隔小于3μs。

上一頁下一頁返回圖5-21并行多通道A/D轉換器方框圖圖5-22串行多通道A/D轉換器方框圖2.D/A轉換器結構形式(1)多通道D/A轉換器，每個通道有獨立的數(shù)字寄存器及D/A轉換器。它的組成如圖5－23所示。(2)多通道共享D/A轉換器，如圖5－24所示。上一頁下一頁圖5-23多路D/A轉換器方框圖圖5-24多通道共享D/A轉換器方框圖3.A/D、D/A轉換控制器設計原理(1)芯片的選擇方法。A/D、D/A轉換器設計應對如下幾方面提出明確要求：①模擬量輸入、輸出范圍、信號源與負載阻抗是多少，輸入輸出電壓的極性。②對數(shù)字量編碼的要求，是二進制、十進制，還是二進制的補碼形式。③系統(tǒng)的邏輯電平是TTL、DTL、高壓CMOS、還是低壓CMOS。④系統(tǒng)允許的漏碼。⑤輸入信號的特性是什么?采樣信號是否經(jīng)過濾波，以及信號的有限帶寬頻率。⑥系統(tǒng)環(huán)境條件。上一頁下一頁(2)D/A轉換器設計要求：①需要的分辨率、精度、線性度各是多少。②邏輯電平及數(shù)碼形式是什么，數(shù)據(jù)輸入是串行還是并行方式。③輸出需要的電流形式還是電壓形式，滿刻度是多少。④參考電壓類型是什么，固定的、可變的、內(nèi)部的還是外部的。⑤輸出電壓是雙極性，還是單極性。⑥數(shù)字量接口的特性是什么，對速度有何要求，期望的數(shù)據(jù)變化間的最短時間是多少，系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)刷新后到輸出達到所期望的值的時間是多少。⑦溫度范圍。上一頁下一頁(3)A/D轉換器設計要求：①模擬輸入范圍，被測量信號的分辨率是多少。例如：10位、12位、14位、16位、18位等。②線性誤差需要多少，相對精度及刻度的穩(wěn)定性是多少。③在周圍環(huán)境溫度變化下，各種誤差限制在什么范圍內(nèi)，在任何條件下是否允許漏碼。④完成一次轉換需要的時間。⑤系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是多少，由于電源變化，引起的允許誤差是多少。⑥輸入信號的特性是什么，是否為采樣信號，是否經(jīng)過濾波以及信號的最高頻率。⑦電源切斷時是否損壞有源信號源的精度（對CMOS的多路開關是安全的，因當電源切斷時，開關是打開的。而對于JFET開關是接通的，因此有損壞信號源的可能，應予注意）。上一頁下一頁(4)采樣保持器設計要求：①輸入信號范圍是多少。②多路通道切換率是多少，期望的采樣保持器的采集時間是多少③所需精度（包括增益，線性度及偏置誤差）是多少。④在保持期間允許的電壓下降是多少。⑤通過多路開關及信號源的串聯(lián)電阻的保持器，旁路電路引起偏差是多少。(5)時鐘電路設計要求：①時鐘頻率的大小選擇：2MHz、6MHz、10MHz等。②時鐘的頻率與常用器件8255、8253、8254等應匹配。③時鐘的輸出電壓，精度應符合總體要求。(6)電路設計中注意的問題：①接地。②印刷電路板的布線。③抗供電電源干擾。上一頁下一頁三、A/D-D/A轉換控制器應用程序設計

1.A/D-D/A轉換控制器口地址的選用方法UA板有八個口地址可以編程操作，其中一個A/D數(shù)據(jù)口是16位的，其余為8位。通過對口地址的編程實現(xiàn)控制工作。表5－4為某一種口地址的功能表。2.A/D采集驅(qū)動程序設計(1)普通采集方式編程方法。(2)定時觸發(fā)，自動通道掃描方式的編程。(3)使用FIFO自動數(shù)據(jù)采集編程。3.多通道高速數(shù)據(jù)采集程序設計(1)采