《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第五章課件

高職高專機電類專業(yè)系列教材

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計主編

楊俊偉參編

王

莉

機械工業(yè)出版社目錄第一部分基礎(chǔ)篇第1章機電一體化認知第2章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計認知習(xí)題與思考題第二部分技術(shù)篇第3章機械傳動與導(dǎo)向支撐技術(shù)第4章伺服驅(qū)動技術(shù)習(xí)題與思考題第5章計算機控制及接口技術(shù)習(xí)題與思考題第三部分應(yīng)用篇第6章典型機電一體化系統(tǒng)第四部分實踐篇第7章工業(yè)機器人的機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第五部分

拓展篇第8章柔性制造系統(tǒng)（FMS）與計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）機電一體化系統(tǒng)設(shè)計伍第5章計算機控制及接口技術(shù)5.1計算機控制技術(shù)認知5.2計算機控制算法5.3接口技術(shù)5.4組態(tài)軟件習(xí)題與思考題主要內(nèi)容及重點知識伍主要內(nèi)容本章明確了計算機控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù),著重闡述工業(yè)控制機、計算機控制算法、接口技術(shù)及組態(tài)軟件等相關(guān)知識。重點知識計算機控制系統(tǒng)的認知。計算機控制算法、模擬裝置數(shù)字化方法及數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計。接口技術(shù)的相關(guān)知識。組態(tài)軟件的認知。返回主頁5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知5.1.2工業(yè)控制計算機5.1計算機控制技術(shù)認知

5.1計算機控制技術(shù)認知

隨著自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機在工業(yè)控制方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。目前在機電一體化系統(tǒng)中多數(shù)是以微型計算機為核心構(gòu)成的計算機控制系統(tǒng)。通過計算機控制，可以有效地提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少原材料和能源消耗，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，工況優(yōu)化和控制與管理—體化，從而明顯地提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和自動化水平。返回主頁5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知1.計算機控制系統(tǒng)的一般概念

計算機控制系統(tǒng)是在自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。沒有采用計算機控制的系統(tǒng)一般為連續(xù)控制系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，圖中各處的信號均為模擬信號。為了對被控對象施行控制，由檢測裝置測得被控參數(shù)，并將此參數(shù)轉(zhuǎn)換成一定形式的電信號反饋到輸入端，與給定值比較后產(chǎn)生偏差作為控制器的輸入信號，控制器按某種控制規(guī)律進行調(diào)節(jié)計算，產(chǎn)生控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，使被控量向著減小或消除偏差的方向變化，這就是一個負反饋閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)的控制過程。圖5-1連續(xù)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖如果將連續(xù)控制系統(tǒng)的控制器用計算機來實現(xiàn)，就構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖5-2所示。由于計算機只能處理數(shù)字量，其輸入和輸出都是數(shù)字信號，因此要加入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。

計算機控制系統(tǒng)的控制過程可以歸納為以下三個步驟：（1）數(shù)據(jù)采集：對被控量進行采樣測量，形成反饋信號。（2）計算控制量：根據(jù)反饋信號和給定信號，按一定的控制規(guī)律，計算出控制量。

（3）輸出控制信號：向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，實現(xiàn)控制作用。

上述三個步驟不斷地重復(fù)進行，計算機控制系統(tǒng)便能按一定的品質(zhì)指標(biāo)完成控制任務(wù)，上述過程是“實時”進行的，即信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)即時完成的，超出這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知圖5-2計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式；反之，若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，而是通過中間記錄介質(zhì)，再由人進行相應(yīng)的操作，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。離線方式不能實時地對系統(tǒng)進行控制，—個在線控制系統(tǒng)不一定是實時系統(tǒng)，但實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知2.計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件。其中硬件指計算機本身及其輸入輸出通道和外部設(shè)備，是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)；軟件指管理計算機的程序及系統(tǒng)控制程序等，是計算機系統(tǒng)的靈魂。生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送單元、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。（1）計算機控制系統(tǒng)的硬件組成硬件是看得見摸得著的各部分器件和部件的總稱。計算機控制系統(tǒng)的硬件包括計算機系統(tǒng)硬件和生產(chǎn)過程各部分的裝置。圖5-3給出了計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知圖5-3計算機控制系統(tǒng)硬件組成框圖1）計算機系統(tǒng)硬件，包括主機、輸入/輸出通道和外部設(shè)備。①主機：是計算機控制系統(tǒng)的核心。主機通過接口向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，對被控對象進行檢測和控制。②輸入/輸出通道：是計算機和生產(chǎn)對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的數(shù)字信號，過程輸出通道把計算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。③外部設(shè)備：是實現(xiàn)計算機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)。包括人機聯(lián)系設(shè)備(操作臺)、輸入輸出設(shè)備(磁盤驅(qū)動器、鍵盤、打印機、顯示終端等)和外存儲器等。

其中操作臺應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內(nèi)容，還應(yīng)有按鈕或開關(guān)，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應(yīng)有保護功能。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知2）生產(chǎn)過程裝置，包括測量變送單元、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象。①測量變送單元：是為了測量各種參數(shù)而采用的相應(yīng)的檢測元件及變送器，絕大多數(shù)情況下，被檢測參數(shù)都是非電量，例如溫度、壓力等等，需要由檢測元件在測量的同時轉(zhuǎn)換成電量，再經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電平信號，以便送入計算機處理。②執(zhí)行機構(gòu)：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構(gòu)，它是計算機控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)計算機輸出的控制信號，產(chǎn)生相應(yīng)的控制動作，使被控對象按要求運行，常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動或氣動閥門，伺服電動機，步進電動機及晶閘管元件等。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知3.計算機控制系統(tǒng)的軟件組成

軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統(tǒng)的動作，都是在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此可以說軟件是計算機系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，就功能來分，軟件應(yīng)分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知（1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是由計算機生產(chǎn)廠家提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對于用戶來說，只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具，不需要自己設(shè)計。系統(tǒng)軟件包括：1)操作系統(tǒng)：包括管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；2)診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)試程序及故障診斷程序；3)開發(fā)系統(tǒng)：包括各種語言處理程序(編譯程序)、服務(wù)程序(裝配程序和編輯程序)、模擬程序(系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件)、數(shù)據(jù)管理程序等。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知（2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)需要解決的實際問題而編寫的各種程序。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件有：1)過程監(jiān)視程序：包括巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序等；2)過程控制計算程序：包括控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件處理及輸出、打印、顯示程序等；3)公共服務(wù)程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序等。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知（3）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索。相應(yīng)的軟件設(shè)計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知4.工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的基本要求由于工業(yè)控制計算機面向機電一體化系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場，因此它的結(jié)構(gòu)的工作性能與普通計算機有所不同，其基本要求如下。（1）具有完善的過程輸入/輸出功能要使計算機能控制機電一體化系統(tǒng)的正常運行，它必須具有豐富的模擬量和數(shù)字量輸入/輸出通道，以便使計算機能實現(xiàn)各種形式的數(shù)據(jù)采集、過程連控信息變換等，這是計算機能否投入機電一體化系統(tǒng)運行的重要條件。（2）具有實時控制功能工業(yè)控制計算機應(yīng)具有時間驅(qū)動和事件驅(qū)動的能力。要能對生產(chǎn)的工況變化實時地進行監(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)并及及時處理，為此需配有實時操作系統(tǒng)及過程中斷系統(tǒng)。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知（3）具有可靠性機電一體化設(shè)備通常是晝夜連續(xù)工作，控制計算機又兼有系統(tǒng)故障診斷的任務(wù)，這就要求工業(yè)控制計算機系統(tǒng)具有非常高的可靠性。（4）具有較強的環(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。此外，系統(tǒng)還應(yīng)適應(yīng)有溫、高濕、振動沖擊、灰塵等惡劣的工作環(huán)境。（5）具有豐富的軟件要配備豐富的調(diào)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)模型售立標(biāo)準(zhǔn)控制算式及控制程序。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的認知5.1.2工業(yè)控制計算機在設(shè)計機電一體化系統(tǒng)時，必須根據(jù)控制方案、體系結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度、系統(tǒng)功能等，正確地選用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)。根據(jù)計算機系統(tǒng)軟硬件及其應(yīng)用特點，常用的工業(yè)控制計算機有可編程序控制器、單回路調(diào)節(jié)器、總線型工業(yè)控制計算機、分布式計算機控制系統(tǒng)以及單片微計算機等。1.可編程序控制器可編程序控制器(ProgrammableLogicController）簡稱PLC，PLC是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計算機技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的。它的低端即為繼電器邏輯控制的代用品，而其高端實際上是一種高性能的計算機實用控制系統(tǒng)。PLC是以微處理器為主的工業(yè)控制器，處理器以掃描方式采集來自工業(yè)現(xiàn)場的信號。PLC的典型結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。5.1.2工業(yè)控制計算機圖5-4PLC的典型結(jié)構(gòu)PLC主要功能有條件控制即邏輯運算功能；定時控制；計數(shù)控制；步進控制；A/D、D/A轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理；級間通訊等等。PLC的特點主要有以下幾點：（1）工作可靠；（2）可與工業(yè)現(xiàn)場信號直接連接；（3）積木式組合；（4）編程操作容易；（5）易于安裝及維修。目前微處理器的發(fā)展大大提高了PLC的性能，特別是在運行速度方面的提高不但拉大了與繼電器控制的距離，也縮小了與微型機功能的差別。5.1.2工業(yè)控制計算機2.單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器的基本構(gòu)成方案如圖5-5所示。它要處理數(shù)字和模擬兩種基本信號，檢測通道的模擬通入信號AIi經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，存入RAM備用。輸入開關(guān)量信號DIi，通過光電隔離器經(jīng)PIA(PeripheralInterfaceAdapter外部接口銜接器）進入RAM備用。CPU將存入RAM的各種參數(shù)和EPROM中的各種算法程序，按照系統(tǒng)工藝流程進行運算處理，其結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器、多路輸出切換開關(guān)、模擬保持器和V/I轉(zhuǎn)換器，從AOi輸出至執(zhí)行器。輸出開關(guān)信號通過PIA及繼電器隔離輸出?，F(xiàn)場整定參數(shù)、操作參數(shù)可通過側(cè)面顯示和鍵盤進行人-機對話，并可顯示各種復(fù)雜的程序設(shè)定。5.1.2工業(yè)控制計算機圖5-5單回路調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)單回路調(diào)節(jié)器多用于過程控制系統(tǒng)，其控制算法多采用PID算法，可取代模擬控制儀表。單回路調(diào)節(jié)器的應(yīng)用使一個大系統(tǒng)，即有多個調(diào)節(jié)回路的系統(tǒng)分解成若干個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間可以是相互獨立，也可有一定的耦合關(guān)系。復(fù)雜的系統(tǒng)可由上位計算機統(tǒng)一管理，組成分布式計算機控制系統(tǒng)。5.1.2工業(yè)控制計算機單回路調(diào)節(jié)器的主要特點是：（1）實現(xiàn)了儀表和微機一體化；（2）具有豐富的運算和控制功能；（3）有專用的系統(tǒng)組態(tài)器；（4）人-機接口靈活；（5）便與級間通信；（6）有繼電保護和自診斷功能。目前，單回路調(diào)節(jié)器在控制算法上實現(xiàn)了自適應(yīng)、自校正、自學(xué)習(xí)、自診斷和智能控制等控制方式，提高性能，加速了儀表的更新?lián)Q代，已成功地應(yīng)用到各種過程控制領(lǐng)域。5.1.2工業(yè)控制計算機3.總線式工業(yè)控制計算機總線式工業(yè)控制計算機即是依賴于某種標(biāo)準(zhǔn)總線，按工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，包括主機在內(nèi)的各種I/O接口功能模板而組成的計算機。例如，PC總線工業(yè)控制計算機；STD總線工業(yè)控制計算機以及Q-BUS、Multibus、VMEbus等等?？偩€式工業(yè)控制計算機的典型結(jié)構(gòu)如圖5-6所示?？偩€式工業(yè)控制計算機與通用的商業(yè)化計算機比較是取消了計算機系統(tǒng)母板；采用開放式總線結(jié)構(gòu)；各種I/O功能模板可直接插在總線槽上；選用工業(yè)化電源；可按控制系統(tǒng)的要求配置相應(yīng)的模板；便于實現(xiàn)最小系統(tǒng)。5.1.2工業(yè)控制計算機圖5-6總線式工業(yè)控制計算機的典型結(jié)構(gòu)目前，這類工業(yè)控制機應(yīng)用較為廣泛，如在過程控制、電力傳動、數(shù)控機床、過程監(jiān)控等方面STD總線工控機及PC總線工業(yè)控制機都有成功的經(jīng)驗。特別要指出的是，總線式工業(yè)控制計算機的軟件極為豐富。如PC總線工業(yè)控制機上可運行各種IBM-PC軟件，STD總線中工業(yè)控制機如選擇8088芯片的主機板，在固化MS-DOS及BIOS的支持下，也可以用IBM-PC的軟件資源。這給程序編制、復(fù)雜控制算法等的實現(xiàn)創(chuàng)造了方便的條件。5.1.2工業(yè)控制計算機4.分布式計算機控制系統(tǒng)分布式計算機控制系統(tǒng)也稱為集散型計算機控制系統(tǒng)，簡稱為集散控制系統(tǒng)（DCS）。它實際上是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制。它是由計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、檢測技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和人機接口技術(shù)相互發(fā)展、滲透而產(chǎn)生的新型工業(yè)計算機控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成，它是一個以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，采用集中顯示操作管理、控制相對分散的多級計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具有配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點。典型的具有三層結(jié)構(gòu)模式的集散型控制系統(tǒng)如圖5-7所示。5.1.2工業(yè)控制計算機圖5-7具有三層結(jié)構(gòu)模式的集散型控制系統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)目前已形成產(chǎn)業(yè)，國外的一些廠家已生產(chǎn)出許多型號的產(chǎn)品，如美國Honeywell公司的TDC300/PM，F(xiàn)oxboro的Spctrum，I/ASeriesWestinghouse的WDPF，日本Hatachi的HIACS3000，YOKOGAWA的CENTUN，CENTUN-XL，TOSHIBA的TOSDIC，

TDSDIC-CIEDCS及德、英、荷蘭等公司的系列產(chǎn)品。近些年，國內(nèi)的一些廠家通過合資，引進聯(lián)合生產(chǎn)出許多集散型控制系統(tǒng)的產(chǎn)品。如上海?？怂共_有限公司的Spectrum，I/D

Serise，西安橫河控制有限公司YEWPAK，北京貝利控制有限公司的N-90，INFI-90等等。5.1.2工業(yè)控制計算機集散型控制系統(tǒng)目前已廣泛地應(yīng)用于大型工業(yè)生產(chǎn)過程控制及監(jiān)測系統(tǒng)中。特別是在大型鋼鐵廠、電站、機械生產(chǎn)、石油化工過程控制中都有成功應(yīng)用的實例。隨著工業(yè)自動化水平的提高及大規(guī)模集成電路集成度的提高和成本的不斷降低，將會推動集散型控制系統(tǒng)的應(yīng)用及技術(shù)水平的提高。它將會成為工業(yè)控制計算機的一個主要的家族成員。5.1.2工業(yè)控制計算機5.單片微計算機

單片微型計算機是制作在一塊集成電路芯片上的計算機，簡稱單片機。它包括中央處理器(CPU),用RAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲器，用ROM構(gòu)成的程序存儲器，定時/計數(shù)器，各種輸入/輸出(I/O)接口和時鐘電路?？瑟毩⒌剡M行工作。單片機分為4位機(1974年推出)，8位機(1976年推出)，16位機(1982年推出)和數(shù)字信號處理專用單片機。單片機結(jié)構(gòu)框圖如圖5-8所示。5.1.2工業(yè)控制計算機圖5-8單片機結(jié)構(gòu)框圖單片機的特點主要有以下幾點：(1)集成度高、體積小。單片機將CPU、存儲器、I/o接口、定時器/計數(shù)器等各種作用部件集成在一塊晶體芯片上，體積小、節(jié)省空間，能靈活、方便地應(yīng)用于各種智能化的控制設(shè)備和儀器，實現(xiàn)機電一體化。(2)可靠性高．抗干擾性強。單片機把各種作用部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線．大大提高了單片機的可靠性和抗干擾能力。另外．其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作．所以單片機應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性比一般的微機系統(tǒng)要高。(3)功耗低。許多單片機的T作電壓只有2～4V，電流只有幾百毫A。功耗很低，適用于便攜式測控系統(tǒng)。5.1.2工業(yè)控制計算機(4)控制作用強。單片機面向控制，實時控制功能強，CPU可以對I/O端口直接進行操作，可以進行位操作、分支轉(zhuǎn)移操作等，有針對性地完成從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)，同時能方便地實現(xiàn)多機控制，使整個系統(tǒng)的控制效率大為提高。(5)可擴展性好。單片機具有靈活方便的外部擴展總線接口，當(dāng)片內(nèi)資源不夠使用時可以非常方便地進行片外擴展。另外，現(xiàn)在單片機具有越來越豐富的通信接口，如異步串行口SCI、同步串行口SPI、12C、CAN總線，甚至有的單片機還集成了USB接口或以太網(wǎng)接口，這些豐富的通信接口使得單片機系統(tǒng)和外部計算機系統(tǒng)的通信變得非常容易。(6)性價比高。為了提高速度和運行效率．單片機已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機的尋址能力也已突破64KB的限制．有的已可達到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達62MB．RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用．因而銷量極大．各大公司的商業(yè)競爭更使其價格十分低廉，其性能價格比優(yōu)異。5.1.2工業(yè)控制計算機工業(yè)控制機的發(fā)展為從事機電一體化領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員提供了有力的硬件支持。如何更靈活、有效地使用工業(yè)控制機，以最好的功能，最低的成本，最可靠的工作完成機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計，選擇合適的工業(yè)控制機及配置是非常重要的。因此，工程技術(shù)人員應(yīng)不斷地了解、掌握工業(yè)控制機發(fā)展的動態(tài)及產(chǎn)品的更新?lián)Q代。表5-1列出了三種常用工業(yè)控制機的性能對比。5.1.2工業(yè)控制計算機表5-1三種常用工業(yè)控制機的性能對比表5-1三種常用工業(yè)控制機的性能對比5.2計算機控制算法5.2.1計算機控制算法認知5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計5.2.1計算機控制算法認知計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。要解決的問題是根據(jù)已知的被控對象傳遞函數(shù)，以及給定閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)。設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)有幾種方法。從設(shè)計思路來看，可歸納為連續(xù)化設(shè)計法和離散化設(shè)計法。連續(xù)化設(shè)計法又稱間接設(shè)計法。這種方法形成了一套系統(tǒng)的、成熟的、實用的設(shè)計方法，并在控制領(lǐng)域已被人們所熟知和掌握。因此，在設(shè)計計算機控制系統(tǒng)時，仍然經(jīng)常使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法。首先設(shè)計出連續(xù)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器D(S)，再將D(S)所描述的連續(xù)調(diào)節(jié)規(guī)律，通過某種規(guī)則（即數(shù)字化方法），變?yōu)橛嬎銠C能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律D(Z)。

離散化設(shè)計法又稱直接設(shè)計法。這種方法可直接在離散域用Z域根軌跡設(shè)計法、W域頻率特性設(shè)計法和解析設(shè)計法等設(shè)計數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)。本節(jié)主要介紹連續(xù)化設(shè)計法，并對廣泛應(yīng)用的PID（比例、積分、微分）控制算法進行討論。返回主頁圖5-9計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)返回主頁5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法1.直接差分法直接差分法是一種簡單、直觀的數(shù)字化方法，常用于低階(一階或二階）連續(xù)裝置的數(shù)字化，它可以將連續(xù)裝置的微分方程近似地用差分方程表示出來，直接差分法有二種，一是向前差分法，另一種是向后差分法。（1）向前差分法

設(shè)某一裝置的輸入e(t)與輸出u(t)可以用如下的一階微分方程來表示：

（5-1）向前差分，可將其表示為一階差分方程

（5-2）其中，T為系統(tǒng)對e(t進行采樣的周期，e(k)，e(k+1)分別為第k個采樣時刻和第k+1個采樣時刻的輸入值，u(k)為第k個采樣時刻的輸出值。由式（5-2）可見，式（5-1）所示的微分關(guān)系經(jīng)過直接差分以后，變成了一種簡單的減法和乘法（乘以1/T）的關(guān)系。這樣的表達式特別適合計算機處理。當(dāng)然，式（5-2）是式（5-1）的一種近似的表達式，其近似的程度取決于采樣周期T。T越小，兩者就越接近，類似地，二階微分方程

也可以用二階差分方程

（5-3）

（5-4）來表示，式（5-4）表明原來二階微分的關(guān)系，變成了加法，減法和乘法的關(guān)系。這是直接差分法的優(yōu)點。但更高階（三階或三階以上）的直接差分法，出于精度較低，運算次數(shù)增多，實際中不便采用。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法例1：設(shè)有一慣性環(huán)節(jié)

用向前差分法將其數(shù)字化。解：根據(jù)式（5-8）的關(guān)系可得向前差分法使差分方程與微分方程有一一對應(yīng)的關(guān)系。但在實際使用當(dāng)中，有時不能實現(xiàn)。例如式（5-2）所示的關(guān)系，要計算當(dāng)前時刻的輸出u(k)，不僅需要知道當(dāng)前時刻的輸入e(k)，還要知道未來時刻的輸入e(k+1)，這在實際應(yīng)用中是無法實現(xiàn)的。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法（2）向后差分法

向后差分法可將式（5-1）所示的微分方程近似地表示為一階差分方程：

（5-9）與向前差分法不同的是，這種表達關(guān)系雖然不能與原來的一階差分方程嚴(yán)格對應(yīng)，但式（5-9）的右端不再含有未來時刻的輸入，所以在使用中是可以實現(xiàn)的，至于它逼近于式（5-1）的程度，仍然取決于采樣周期T，通過選擇適當(dāng)?shù)腡，可以使式（5-9）具有足夠高的精度。類似地，用二階向后差分法也可將二階微分方程

表示為

（5-10）式（5-9）兩端進行z變換有

（5-11）或

（5-12）比較式（5-12）與式（5-7）所知，當(dāng)用向后差分法將連續(xù)裝置D(s)數(shù)字化，求其相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)D(z)時，可將D(s)中的因子s直接用（1-z-1）/T代替，即

（5-13）這里s=（1-z-1）/T正好滯后于向前差分法的s=（z-1）/T一個采樣周期。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法當(dāng)連續(xù)裝置的輸入e(t)與輸出u(t)具有如下關(guān)系

（5-14）時，可用矩形積分法將其數(shù)字化

（5-15）將式（5-15）兩端進行Z變換有

或

（5-16）而式（5-14）的拉氏變換式為

（5-17）比較式（5-16）與式（5-17），仍有

（5-18）而式（5-18）說明，矩形積分法與后向差分法有相同的映射關(guān)系。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法例2：設(shè)有一裝置的輸入e(t)，輸出u(t)滿足微分方程

，將其數(shù)字化。解：用向后差分法和矩形積分法有5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法將式（5-31）與式（5-9）的向后差分法比較可知，在雙線性變換中，用u(k)和u(k-1)二點的平均值代替了向后差分法中的u(k)。所以雙線性變換法比直接差分法具有更高的精度，但在使用中比直接差分法繁雜一些。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法4.連續(xù)化設(shè)計方法的一般步驟圖5-9所示為典型的計算機控制系統(tǒng)的框圖。為了應(yīng)用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法，首先對圖5-9a所示系統(tǒng)按照連續(xù)系統(tǒng)（5-9b）的設(shè)計方法進行設(shè)計。利用設(shè)計連續(xù)系統(tǒng)所熟知的方法，如頻率特性法、根軌跡法等，首先設(shè)計出假想的連續(xù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(s)，然后利用模擬裝置的數(shù)字化方法，求出近似的、等效的脈沖傳遞函數(shù)D(z)，最后根據(jù)D(z)得到數(shù)字調(diào)節(jié)器的差分方程，編制成計算機程序由計算機實現(xiàn)。在使用連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法時，沒有考慮到實際計算機控制系統(tǒng)中存在的零階保持器的影響，如果系統(tǒng)的采樣周期為T，那么零階保持器的影響大體上相當(dāng)于在系統(tǒng)中附加一個T/2的滯后環(huán)節(jié)。因此，這種設(shè)計方法只適合于系統(tǒng)的采樣周期相對于系統(tǒng)時間常數(shù)較小的情況，否則，實際系統(tǒng)的特性與設(shè)計要求相比將明顯變差。下面，通過一個例子來說明這種方法的設(shè)計過程。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法已知某伺服系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為：

（5-32）要求滿足的性能指標(biāo)為：①速度品質(zhì)系數(shù)

②過渡過程時間

③階躍響應(yīng)超調(diào)量

（5-33）要求設(shè)計滿足上述要求的數(shù)字控制器D(z)。第一步：設(shè)計連續(xù)調(diào)節(jié)器D(s)。根據(jù)被控對象傳遞函數(shù)式（5-32）及性能指標(biāo)式（5-33），利用熟知的連續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法不難設(shè)計出能夠滿足要求的連續(xù)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)D(s)。例如求得

（5-34）這是典型的超前-滯后校正。根據(jù)D(s)可以求得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

（5-35）不難驗證，閉環(huán)連續(xù)系統(tǒng)滿足式（5-32）的性能指標(biāo)。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法

第二步：選擇采樣周期T。由于實際的校正裝置由計算機實現(xiàn)，式（5-32）只是校正裝置的連續(xù)形式。為便于計算機實現(xiàn)。需將D(s)離散化為D(z)，為此，首先需要確定采樣周期T。采樣周期對于控制系統(tǒng)有著明顯的、直接的影響，在計算機控制系統(tǒng)中是一個重要的控制參數(shù)。但是，它與其它參數(shù)之間又沒有一個確定的、簡單的解析關(guān)系，所以，實際設(shè)計過程中需要根據(jù)對象的情況和設(shè)計要求以及以往的經(jīng)驗進行選擇，并且一般要經(jīng)過不止一次的修正才能最后確定。采樣周期初步選擇可以根據(jù)經(jīng)驗公式

（5-36）確定。其中，

是采樣角頻率，

是校正以后系統(tǒng)（開環(huán)）的剪切頻率。在本例中，由

（5-37）可知，校正后開環(huán)系統(tǒng)的剪切頻率為

（5-38）因此可取

（5-39）考慮到D(z)后面的零階保持器的影響，這里取T=0.2s。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法考慮到D(z)后面的零階保持器的影響，這里取T=0.2s。第三步：計算脈沖傳遞函數(shù)D(z)。利用匹配Z變換法可求得

（5-40）

再根據(jù)增益不變的原則，應(yīng)有

（5-41）從而有

（5-42）將

代入式（5-40）有

（5-43）5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法第四步：將數(shù)字調(diào)節(jié)器的脈沖傳遞函數(shù)

（5-44）化為差分方程，有

（5-45）

式（5-45）即為計算機控制中，數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸入輸出表達式。可根據(jù)這個表達式編制程序?qū)Ρ豢刂茖ο驡(s)進行控制。5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法第五步：校核、設(shè)計完成后，要對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行校核。有條件時，可用計算機進行數(shù)字仿真。本題的仿真針結(jié)果是：5.2.2模擬裝置數(shù)字化方法5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計1.基本數(shù)字PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器由于能夠較好地兼顧系統(tǒng)動態(tài)控制性能的穩(wěn)態(tài)性能，因此在工程中得到了很普通的應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)器的控制機理已為控制系統(tǒng)領(lǐng)域的人們所熟悉，將傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器用計算機予以實現(xiàn)，是設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的一種簡便、常用的方法。在連續(xù)系統(tǒng)中，模擬PID調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的關(guān)系可用下面的微分方程表示：

（5-46）式中e(t)——調(diào)節(jié)器的輸入，即系統(tǒng)的偏差；U(t)——調(diào)節(jié)器的輸出；T1——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)；Kp——比例系數(shù)。設(shè)計數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，首先應(yīng)把式（5-46）數(shù)字化，設(shè)T為采樣周期，并且它的值相對于被采樣信號e(t)的變化周期是很短的。這樣，就可以用前面所講的離散化方法，在式（5-46）中，用矩形積分代替連續(xù)積分，用后向差分代替微分，于是式（5-46）可以寫成

（5-47）式中

——積分系數(shù)；

——微分系數(shù)；T——采樣周期；e(k)——第K個采樣時刻的輸入值；e(k-1)——第K-1個采樣時刻的輸入值；u(k)——第K個采樣時刻的輸出值。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計式（5-47）中，令則式（5-47）還可寫成

（5-48）式（5-48）稱為位置式PID控制算式。計算機按該式算出的是控制全量，也即對應(yīng)于執(zhí)行機構(gòu)每次所達到的位置，通過保持器加在被控對象G(s)的輸入端，如圖5-10所示。式（5-48）的

為第

個采樣時刻積分器的輸出值，它是從i=0一直到i=k-1所有

的累加值，是通過積分作用的逐步累加得到的，并且當(dāng)k<0時

（5-49）5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計盡管在式（5-48）的右端，第一項、第二項和第四項中都存在著同類項e（k），但在實際處理時，一般并不能將它們合并。這是因為在實際運行中，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)KP、KI、KD。都應(yīng)能夠分別進行調(diào)整，以方便現(xiàn)場調(diào)試。除此之外，由于積分器往往需要加入積分限幅環(huán)節(jié)，這時也不允許將e(k)與其它項合并。式（5-48）實際系統(tǒng)常用的位置式PID算式，控制機理明確，算法簡捷，只需三次乘法、三次加法和一次減法。并且只要將其中的一個或二個參數(shù)置0。就可獲得P、I、D、Pl、PD、PID等不同的控制方式，也可以對其中任何一種調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性進行單獨測試，以觀察它的控制作用，這些都大大地方便了調(diào)節(jié)器的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試過程。所以式（5-48）在實際中得到了普遍的應(yīng)用。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-10位置式PID控制系統(tǒng)方框圖有些被控制對象帶有積分性質(zhì)的執(zhí)行機構(gòu)（如步進電機等），這時數(shù)字調(diào)節(jié)器就不能使用式（5-48）所表示的位置式算法，而應(yīng)使用增量式算法。根據(jù)式（5-48）的遞推關(guān)系，可以寫出

（5-50）用式（5-48）減去式（5-50），有

（5-51）式（5-51）就是PID調(diào)節(jié)器的增量式算法，與其相應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖5-11所示。由式（5-51）可見，增量式PID算法不會出現(xiàn)積分飽和問題，因為積分項的值為e(k)始終為一有限值，與位置式算法相比，這是它的一個優(yōu)點。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計式（5-51）就是PID調(diào)節(jié)器的增量式算法，與其相應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖5-11所示。由式（5-51）可見，增量式PID算法不會出現(xiàn)積分飽和問題，因為積分項的值為e(k)始終為一有限值，與位置式算法相比，這是它的一個優(yōu)點。應(yīng)當(dāng)指出，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計，是采用位置式算法還是增量式算法，應(yīng)根據(jù)被控對象的要求而定。當(dāng)被控對象要求調(diào)節(jié)器輸出位置量時，就采用位置式算法，當(dāng)被控對象要求調(diào)節(jié)器輸出位置的增量時，應(yīng)采用增量式算法。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-11增量式PID控制系統(tǒng)的方框圖2.數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的改進（1）積分算法的改進

在上面敘述了基本PID調(diào)節(jié)器的形式。在實際使用中，這種基本的PID調(diào)節(jié)器往往還存在著一些缺陷。其中一個對控制系統(tǒng)的影響比較大的問題就是積分器的飽和問題?；綪ID算法中，積分運算是通過對系統(tǒng)偏差的不斷累加而實現(xiàn)的，積分器的積分值代表著系統(tǒng)偏差的面積。由于計算機輸出接口（D/A轉(zhuǎn)換器）的字長是有限的，當(dāng)系統(tǒng)在剛啟動的一段時間內(nèi)，系統(tǒng)的偏差較大，積分器經(jīng)過若干個采樣周期的積分運算以后，其積分結(jié)果就會超過計算機輸出接口所能表示的最大數(shù)值，從而使調(diào)節(jié)器從線性工作區(qū)進入飽和區(qū)。進入飽和區(qū)以后，調(diào)節(jié)器便失去了調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)器飽和輸出值的作用下，以最大的加速度運動，一直到系統(tǒng)出現(xiàn)較大幅度的，并且持續(xù)時間較長的超調(diào)以后，在較大的負偏差的作用下，才能將積分器從飽和區(qū)拉到線性區(qū)，這就是積分飽和問題。被控對象的慣性越大，這種積分飽和現(xiàn)象就越嚴(yán)重。為使數(shù)字調(diào)節(jié)器盡可能工作在線性區(qū)，可以采用積分分離的方法。積分分離的基本思路是當(dāng)被調(diào)量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用,以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時,引入積分控制，以便消除靜差,提高控制精度。積分分離PID切換如圖5-12所示。即設(shè)置一個積分分離闕值ε,在系統(tǒng)的給定值畫出一條帶域。其寬度為2?，當(dāng)偏差較大時取消積分作用，當(dāng)偏差較小時才投入積分作用。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-12積分分離PID切換原理圖在系統(tǒng)啟動初期，系統(tǒng)的偏差較大時，暫時切除積分（將積分系數(shù)KI置0）作用；當(dāng)系統(tǒng)的輸出接近給定值（進入到帶域之內(nèi)）時，再將積分器投入，即

（5-52）積分器分離值可做為積分分離PID調(diào)節(jié)器的一個設(shè)計參數(shù)，算法程序?qū)⑾到y(tǒng)的偏差e(k)的絕對值與?進行比較，然后根據(jù)式（5-52）做出使用PID調(diào)節(jié)器還是PD調(diào)節(jié)器的決策。由于?與系統(tǒng)其它參數(shù)之間沒有簡單的解析關(guān)系，所以?的值要在調(diào)試過程中，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況而定。由式（5-52）可見。當(dāng)?的值很大時，調(diào)節(jié)器將失去積分分離的作用。積分分離PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如圖5-13所示。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-13積分分離PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖（2）微分算法的改進PID調(diào)節(jié)器的微分作用對于克服系統(tǒng)的慣性、減小超調(diào)、抑制振蕩起著重要的作用，但在數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，微分部分的調(diào)節(jié)作用并不很明顯，甚至沒有什么調(diào)節(jié)作用，這可以從以下的分析中看出。

在式（5-48）中，微分部分的輸出為

（5-53）兩端進行Z變化得

（5-54）當(dāng)調(diào)節(jié)器得輸入信號e(K)為階躍信號時，則

（5-55）從而得到微分部分的輸出序列為

5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計微分部分的輸入輸出關(guān)系如圖5-14所示。由圖可見，在第一個采樣周期之內(nèi)，微分器輸出為常值

，第一個采樣周期以后，

一直為0。由此可見，微分控制作用的持續(xù)時間只有一個采樣周期。通常，一個采樣周期相對于控制系統(tǒng)的過渡過程時間來說是很短的，并且由于輸出裝置受到驅(qū)動能力的限制，輸出的幅度不會無限大。所以微分作用的控制能量（陰影部分的面積）往往是很小的，不足以克服系統(tǒng)的慣性，因此對系統(tǒng)的控制作用也是很不明顯的。數(shù)字微分器的控制作用與連續(xù)微分調(diào)節(jié)器的控制作用相比相差甚遠，達不到期望的控制效果。相反，對于頻率較高的干擾信號又比較敏感，使系統(tǒng)極易受到噪聲信號的干擾。因此，對于基本數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中的微分作用進行改進是非常必要的。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-14數(shù)字微分器的特性改進微分作用常用的方法有兩種：一種是采用微分平滑的方法，即取四點輸入信號的微分加權(quán)平均值為微分器的實際輸出；另一種是采用不完全微分PID的方法不完全微分PID調(diào)節(jié)器是在一般PID調(diào)節(jié)器串入一個一階慣性環(huán)節(jié)而構(gòu)成。下面，我們來導(dǎo)出不完全微分PID調(diào)節(jié)器的表達式。一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

（5-56）

常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

（5-57）其中

，

，

將Ga(s)與D(s)相串聯(lián)，并設(shè)

，得到不完全

微分PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

（5-58）其中

，

為不完全微分系數(shù)，調(diào)節(jié)β的值，可以調(diào)節(jié)微分作用的持續(xù)時間。

為

比例系數(shù)。

為積分時間常數(shù)，

為微分時間常數(shù)，與式（5-57）對應(yīng)的不完全微分PID調(diào)節(jié)器的原理圖如圖5-15所示。5.2.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計圖5-15不完全微分PID調(diào)節(jié)器方框圖圖5-16不完全微分階躍響應(yīng)返回主頁5.3接口技術(shù)5.3.1接口技術(shù)認知5.3.2并行輸入/輸出接口5.3.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換接口5.3.4模/數(shù)(A/D）轉(zhuǎn)換接口5.3.1接口技術(shù)認知在計算機控制系統(tǒng)中，從計算機的角度來看，除主機外的硬設(shè)備，統(tǒng)稱為外圍設(shè)備。接口技術(shù)是研究主機與外圍設(shè)備交換的技術(shù)，它在計算機控制系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要的地位，外界的信息是多種多樣的，有電壓、電流、壓力、速度、頻率、溫度、濕度等各種物理量，計算機控制系統(tǒng)在實際工作時，通過檢測通道的接口對這些量加以檢測，經(jīng)過計算機及判斷后，將計算結(jié)果及控制信號輸出到控制通道的接口，對被控對象加以控制。此外，為了方便操作人員與計算機的聯(lián)系，并及時了解系統(tǒng)輸出及輸入的工作狀態(tài)，接口技術(shù)中還應(yīng)包括人機通道的接口。對于多臺計算機同時工作的計算機控制系統(tǒng)，為了便于整體控制及資源共享，各個系統(tǒng)間應(yīng)當(dāng)有系統(tǒng)間通道接口，接口有通用和專用之分，外部信息的不同，所采用的接口方式也不同，一般可分為如下幾種：人機通道及接口技術(shù)一般包括：鍵盤接口技術(shù)、顯示接口技術(shù)、打印接口技術(shù)、軟磁盤接口技術(shù)等。檢測通道及接口技術(shù)一般包括：A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù)，V/F轉(zhuǎn)換接口技術(shù)等?？刂仆ǖ兰敖涌诩夹g(shù)一般包括：F/V轉(zhuǎn)換接口技術(shù)，D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)，光電隔離接口技術(shù)，開關(guān)接口技術(shù)等。系統(tǒng)間通道及接口技術(shù)一般包括：公用RAM區(qū)接口技術(shù)，串行口技術(shù)等。由于篇幅限制，本節(jié)只介紹并行輸入/輸出接口、D/A轉(zhuǎn)換接口和A/D轉(zhuǎn)換接口等。返回主頁5.3.2并行輸入/輸出接口并行接口傳輸?shù)氖菙?shù)字量和開關(guān)量。數(shù)字量一般指以8位二進制形式所表示的數(shù)字信號，例如來自數(shù)字電壓表的數(shù)據(jù)。開關(guān)量指只有兩個狀態(tài)的信號，如開關(guān)的合與斷。開關(guān)量只用一位二進制（0或1）就可表示，字長8位的微機一次可以輸入輸出8個這樣的開關(guān)量。接口電路處于運行速度快的微處理器與運行速度比較慢的外設(shè)之間，它的一個重要功能就是能使它們在速率上匹配，正確地傳送數(shù)據(jù)。有多種方法可以解決這個問題，通常使用的方法有：無條件傳送、查詢式傳送和中斷傳送。并行接口是微機接口技術(shù)中最簡單，也是最基本的一種方式，如三態(tài)緩沖器、鎖存器等數(shù)字電路都可以用來構(gòu)成并行接口。而用可編程的8255，PIO這類大規(guī)模集成電路芯片組成并行接口就更加方便，它們能直接與很多外設(shè)相連而無須附加任何邏輯電路，并且具有中斷控制功能。輸入/輸出（I/O）接口有兩種尋址方式：存儲器尋址方式和輸入輸出口尋址方式。在存儲器尋址方式中，接口和存儲器統(tǒng)一編址，是將I/O接口當(dāng)作存儲單元一樣，賦給它存儲地址，這些地址是存儲器地址的一部分。這樣，訪問存儲器的指令也能訪問接口了。在輸入輸出口尋址方式中，采用I/O獨立編址方式，用專門的I/O指令來對接口地址進行操作。這種尋址方式的優(yōu)點是不占用存儲器地址，因而不會減小存儲器容量。由于有專門的IN（INPUT）和OUT（OUTPUT）指令，因此比用存儲器讀寫指令執(zhí)行速度快。1.無條件傳送

在微機應(yīng)用中，有些場合，微機與外設(shè)間幾乎不需有任何的同步，即輸出口永遠可以立即發(fā)送微機送來的信息，可以隨時通過輸入口讀取外設(shè)的信息。這種場合可采用無條件傳送，輸入輸出接口電路如圖5-17所示。它由輸入緩沖器、輸出鎖存器和譯碼電路三部分組成。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-17無條件傳送的輸入輸出輸入緩沖器在外設(shè)信息與數(shù)據(jù)總線之間起隔離緩沖作用。在執(zhí)行IN指令周期，產(chǎn)生

及片選信號

，則被測外設(shè)的信息通過緩沖器（三態(tài)門）送到微機的數(shù)據(jù)總線，然后裝入AL寄存器。設(shè)片選口地址為Portl，可用如下指令來完成取數(shù)；MOVDX，Port1INAL，DX

輸出鎖存器鎖存CPU送來的信息。驅(qū)動此電路可用如下指令：MOVAL，DATAMOVDX，Port2OUTDX，ALDATA表示要輸出的量。5.3.2并行輸入/輸出接口2.查詢式傳送

不是所有的輸入輸出設(shè)備隨時都可以同計算機進行輸入或輸出操作，為了取得協(xié)調(diào)，經(jīng)常采用微機查詢輸入輸出設(shè)備的某種標(biāo)志，如代表忙或不忙，準(zhǔn)備好或未準(zhǔn)備好等信息，以決定是否進行數(shù)據(jù)傳輸。圖5-18表示了一種標(biāo)志位，微機讀取輸入設(shè)備的

信號，當(dāng)D0=1時，便可以打開三態(tài)門緩沖器，將數(shù)據(jù)取走，并同時用使三態(tài)門輸出允許的信號將外設(shè)

信號清零，以使其再一次準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過程。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-18查詢式傳送簡單的測試程序：LOOP：MOVDX，Port1INAL，DXTESTAL，01HJNZRECEIVEJMPLOOPRECEIVE：MOVDX，Port2INAL，DXMOVBUFFER，ALBUFEER表示緩沖寄存器。5.3.2并行輸入/輸出接口3.中斷式傳送

查詢式傳送浪費微機的時間，為提高微機的運行效率，可用中斷式傳送。當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時產(chǎn)生中斷請求信號，微機響應(yīng)后，馬上去接收其輸出的數(shù)據(jù)。圖5-19示出了這種線路，其中U2為允許中斷寄存器，當(dāng)微機允許外設(shè)中斷時可用OUT指令將其置成“1”狀態(tài)，這樣外設(shè)準(zhǔn)備好信號的前沿將把U1置成1，并通過打開的三態(tài)門，成為中斷請求信號，以產(chǎn)生硬中斷，準(zhǔn)備好信號的后沿將U1置成0，以準(zhǔn)備下次再產(chǎn)生中斷。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-19中斷式傳送4.8255A可編程并行接口芯片（1）8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程序并行輸入/輸出接口芯片，它具有3個8位的并行1/O端口，通過程序可設(shè)定三種工作方式，使用靈活方便，通用性強；可作為計算機系統(tǒng)總線與外圍設(shè)備連接的中間接口電路8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖5-20所示。其中包括三個并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，二個工作方式控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和8位數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-208255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖各部分功能概括如下：①數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器

數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器是一個雙向三態(tài)的8位驅(qū)動器，將8255A與系統(tǒng)總線相連，以實現(xiàn)CPU和接口之間的信息傳遞。②并行I/O端口8255A具有三個8位的并行I/O端口，其功能由程序決定，但每個端口都有自己的特點。A口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。B口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個不帶鎖存器的8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。C口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個不帶鎖存器的8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。通常情況下，A口和B口作為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，C口在方式字控制下，可分為二個4位端口，作為A口、B口選通方式操作時的狀態(tài)控制信號。③讀/寫控制邏輯

讀/寫控制邏輯的功能用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送。它接收來自CPU的地址總線和控制總線的輸入，控制A組和B組。8255A的各端口操作狀態(tài)如表5-2所示。5.3.2并行輸入/輸出接口表5-28255A的端口操作狀態(tài)④A組和B組控制

每個控制塊接收來自讀/寫控制邏輯的命令和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的控制字，并向?qū)?yīng)端口發(fā)出適當(dāng)?shù)拿睢組控制——控制端口A及端口C的高4位。B組控制——控制端口B及端口C的低4位。（2）8255A的工作方式8255A有三種工作方式，即方式0，方式1和方式2。圖5-21是三種方式的示意圖。①方式0——基本輸入/輸出方式

在這種方式下，A、B、C三個口中的任何一個都可提供簡單的輸入和輸出操作，不需要應(yīng)答式聯(lián)絡(luò)信號，數(shù)據(jù)只是簡單地寫入指定的端口，或從端口讀出。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出時，可被鎖存，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入時不能鎖存。②方式1——選通輸入/輸出方式

這是一種能夠借助于選通或應(yīng)答式聯(lián)絡(luò)信號，把I/O數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的端口或從該端口接收I/O數(shù)據(jù)的工作方式。在這種方式中，端口A和端口B的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。③方式2——帶選通雙向總線1/0方式

這種方式下，端口A為8位雙向總線端口，端口C的PC3～PC7，用來作為輸入/輸出的控制同步信號。應(yīng)該注意的是，只有端口A允許作為雙向總線口使用，此時端口B和PC0～PC2則可編程方式0或方式1工作。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-218255A三種工作方式示意圖（3）8255A編程8255A的編程是通過對控制端輸入控制字的方式實現(xiàn)的。當(dāng)CPU通過輸出指令將控制字送入8255A內(nèi)部的控制字寄存器時，各個端口的工作方式便確定了，如需要改變端口的工作方式，則需重新送入控制字，控制字由8位組成，有方式選擇控制字和C口置/復(fù)位控制字。方式選擇控制字：方式選擇控制字的格式及定義如圖5-22所示。例如，輸入方式選擇控制字95H（10010101B），可將8255A編程為端口A方式O輸入，端口B方式1輸出，端口C上半部分（PC7～PC4）輸出，端口C的下半部分（PC3～PC0）輸入。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-22方式選擇控制字格式C口置/復(fù)位控制字：C口置/復(fù)位控制字的格式及定義如圖5-23所示。例如，輸入C口置/復(fù)位控制字05H（00000101B），可將8255A的PC2置1，輸入C口置/復(fù)位控制字06H（00000110B），可將8255A的PC3復(fù)位至0。圖5-23C口置/復(fù)位控制字的格式D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、參考電壓、電子開關(guān)等組成，典型的R-2R網(wǎng)絡(luò)D/A原理圖如圖5-24所示。從圖中可見，不管電子開關(guān)接在Σ點還是接地，流過每個支路的2R上的電流都是固定不變的，從電壓端看的輸入電阻為R，從參考電源取的總電流為I，則支路（流經(jīng)2R電阻）的電流依次為：l/2，I/4，I/8，I/16，而I=VREF/R。故輸出電壓為式中d3-d0—輸入代碼，d=“0”則開關(guān)接地；d=“1”則開關(guān)接到Σ點上。如果采有n個電子開關(guān)組成網(wǎng)絡(luò)，那么

式中n-D/A電路能夠被轉(zhuǎn)換的二進位數(shù)，有8位、10位、12位等，有時也稱為分辨率。5.3.3數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換接口圖5-24R-2R網(wǎng)絡(luò)D/A原理圖圖5-25DAC0832原理圖實用的D/A轉(zhuǎn)換器都是單片集成電路，如DAC0832是8位D/A芯片，采用20引腳雙列直式封裝，原理圖見圖5-25。DAC0832主要有兩個8位寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。使用兩個寄存器的優(yōu)點是可以進行兩次緩沖操作，使該器件的應(yīng)用有更大的靈活性。DAC0832各引腳含義如下：

片選信號，ILE為輸入寄存器鎖存允許信號，一般設(shè)為“1”。當(dāng)CS為低，

為低，ILE為高時，才能將CPU送來的數(shù)字量鎖存到8位輸入寄存器中。

為轉(zhuǎn)換控制信號，

與

同時有效時才能將輸入寄存器數(shù)字量再傳送到8位DAC寄存器，同時D/A轉(zhuǎn)換器開始工作。

和

為輸出電流，被轉(zhuǎn)換為FFH時，

取大；為00H時，

為0，

最大。AGND和DGND稱為模擬地和數(shù)字地，它們只允許在此片上共地。VREF為參考電壓，可在-10V~+10V范圍內(nèi)選擇。Vcc為電源，可在+5V~15V間選擇。5.3.2并行輸入/輸出接口圖5-26DAC0832與CPU的連接圖5-26為DACO832與微機的連接圖。這里讓

和

接地，因此DAC寄存器時刻有效，輸入寄存器具有緩沖鎖存作用。設(shè)譯碼后地址為Port，則D/A轉(zhuǎn)換程序為：

MOV

DX,

Port

MOV

AL,

n

OUT

DX,

ALHLT5.3.4模/數(shù)(A/D）轉(zhuǎn)換接口A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，它的實現(xiàn)方法有多種，常用的有逐次逼近法、雙積分法。圖5-27所示是逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由N位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器和控制邏輯部分組成。N位寄存器代表N位二進制數(shù)碼。當(dāng)模擬量VX送入比較器后，啟動信號通過控制邏輯電路啟動A/D，開始轉(zhuǎn)換，首先置N位寄存器最高中位(DN-1）為“1”，其余位清“0”，寄存器的內(nèi)容經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到整個量程一半的模擬電壓VN，與與輸入電壓VX比較。若VX>VN時，則則保留DN-1=1；若VX<VN時，則DN-1位清0。然后，控制邏輯使寄存器下一位(DN-2）置“1”，與上次的結(jié)果一起經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與VX比較，重復(fù)上述過程，直至判別出D0位取1不是0為止，此時控制邏輯電路發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信DONE。這樣經(jīng)過N次比較后，N為寄存器的內(nèi)容是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)經(jīng)輸出緩沖器讀出。整個轉(zhuǎn)換過程就是這樣一個逐次比較逼近的過程。圖5-27逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖常用的逐次逼近法A/D器件有ADCO809、AD574A等，下面介紹ADCO809原理與應(yīng)用。1.ADC0809結(jié)構(gòu)ADCO809是一種8路模擬輸入8位數(shù)字輸出的逐次逼近法A/D器件。其引腳和內(nèi)部邏輯框圖分別示于圖5-28和圖5-29。它內(nèi)部除A/D轉(zhuǎn)換部分，還有模擬開關(guān)部分。

多路開關(guān)有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時輸入，共有一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。8路模擬開關(guān)切換由地址鎖存和譯碼控制，3根地址線與A、B、C引腳直接相連，通過ALE鎖存。改變不同的地址，可以切換8路模擬通道，選擇不同的模擬量輸入，其通道選擇的地址編碼見表5-3。5.3.4模/數(shù)(A/D）轉(zhuǎn)換接口圖5-28ADC0809引腳圖

圖5-29ADC0809結(jié)構(gòu)圖框圖表5-3通道地址表A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出，所以在系統(tǒng)連接時，允許直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。OE為輸出允許信號，可與系統(tǒng)讀選通信號

相連。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，表示一次A/D轉(zhuǎn)換已完成，可作為中斷請求信號，也可用查詢的方法檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。VR(+）和VR(-）是基準(zhǔn)參考電壓，決定了輸入模擬量的量程范圍。CLK為時鐘信號輸入端，決定A/D轉(zhuǎn)換的速度，轉(zhuǎn)換一次占64個時鐘周期。SC為啟動轉(zhuǎn)換信號，通常與系統(tǒng)

信號相連，控制啟動A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809與MCS-51單片機接口，圖5-30是ADC0809與8031的連接方法，此線路為8路模擬量輸入，輸入模擬量變化范圍是0～5V。0809的EOC用作外部中斷請求源，用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。8031通過地址線P2.0和讀寫線

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來控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許。模擬輸入通道地址