微型計算機控制技術(shù)

微型計算機控制技術(shù)

第一章緒論

目前計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測與傳感技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微

電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計算機控制技術(shù)帶來了巨大的變革。利用這種技術(shù)可以完成常規(guī)控

制無法完成的任務(wù)，達到常規(guī)控制技術(shù)無法達到的性能指標。隨著計算機技術(shù)、高級控制策

略、現(xiàn)場總線智能儀表和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機控制技術(shù)水平必將大大提高。

1.1、計算機控制系統(tǒng)概述

近年來，計算機已成為自動控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，并為自動控制技術(shù)的發(fā)展

和應(yīng)用開辟了廣闊的新天地。

1.1.1計算機控制系統(tǒng)及其組成

1、計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。

①、計算機控制系統(tǒng)的原理

典型的計算機控制系統(tǒng)原理，如圖L1所示。在計算機控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機的

輸入和輸出是數(shù)字信號，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器。計算機控制系統(tǒng)的工作步

驟有：實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入

實時控制策略：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將

要采取的控制行為

實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適當?shù)貙?zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。

圖1.1計算機控制系統(tǒng)原理圖

②、在線方式和離線方式

在線方式：在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式。

離線方式：在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機不連接，且不受計算機控制，而是靠人

進行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的的方式。

③、實時的含義

是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，一個實時控制系統(tǒng)必定

是在線系統(tǒng)。

2、計算機控制系統(tǒng)的組成

計算機控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機和生產(chǎn)過程兩大部分組成。工業(yè)控制機是指按生產(chǎn)過程控制

的特點和需要而設(shè)計的計算機，它包括硬件和軟件組成。生產(chǎn)過程包括被控制對象、測量變

送、執(zhí)行機構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。圖L2給出了計算機控制系統(tǒng)的組成框圖。

1.1.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式

計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下兒種形式：

①、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

特點：該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)一定的控制算法，依賴測量元件測得的

信號數(shù)據(jù)，計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如

圖1.3所示。

心噌制機生產(chǎn)過程

圖1.2計算機控制系統(tǒng)的組成框圖

<■梅瀚入最A(yù)1）通H<■

奸

飛

寤泣

京<-----

a調(diào)節(jié)器

打印機a----->

圖L3操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

②、直接數(shù)字捽制系統(tǒng)

特點：直接數(shù)字控制系統(tǒng)是計算機直接承擔控制任務(wù)，所以要求實時性好、可靠性高和適

應(yīng)性強等。直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。

香

產(chǎn)

圖L4直接數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

③、監(jiān)督控制系統(tǒng)

特點：監(jiān)督控制系統(tǒng)是按描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其它方法，自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或

直接數(shù)字控制方式工作的微型機中的給定量，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制

系統(tǒng)如圖1.5所示a寒

>挖

飛<■

打印機

CRT

圖1.5監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

④、分散控制系統(tǒng)

特點：分散型控制系統(tǒng)是采用分散、集中操作、分散管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計

原則。分散控制系統(tǒng)如圖1.6所示。

通信聯(lián)絡(luò)

現(xiàn)跑空制站PLC智能節(jié)器其茴財秘置

圖1.6DCS結(jié)構(gòu)示意圖

⑤、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

特點：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)?！安僮髡?控制站-現(xiàn)場儀表”三層結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)如圖L7所示。

1.1.3典型計算機工致系統(tǒng)

圖1.7介紹了工業(yè)鍋爐計算機控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃

料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保證燃料和空氣的比值恒定。防止過?？諝鈳ё叽罅繜崃?，檢測

煙氣中過剩氧量，并調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)閥。為了保持所需的爐膛溫度，將測得得爐膛溫度送入計

算機，進而控制燃料和空氣閥門。為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻得縫隙

處吸入大量過剩空氣，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙蝎處爐外，同時還采用了壓力控制

回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進而控制煙道出口擋板的開度。此外，為了提高爐子的

熱效率，還需對爐子排出的廢氣進行分析，一般是氧化錯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過

計算而得出其效率，并用以指導(dǎo)燃燒調(diào)節(jié)。

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圖1.7工業(yè)鍋爐的計算機控制

1.2、工業(yè)控制機的組成結(jié)構(gòu)及特點

工業(yè)控制機就能將工業(yè)生產(chǎn)的過程控制與管理調(diào)度相結(jié)合，從而使工業(yè)自動化在就地控制、

集中控制的基礎(chǔ)上，向綜合自動化方向發(fā)展。

1.2.1工業(yè)控制機的組成及特點

工業(yè)控制機包括硬件和軟件兩部分。硬件包口主機、內(nèi)部總線和外部總線、人-機接口、

系統(tǒng)支持板、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟

件。如圖1.7所

①、工業(yè)控制機的硬件作用

主板的作用：主機主要進行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理等工作。

內(nèi)部總線和外部總線的作用：

內(nèi)部總線是工業(yè)控制機內(nèi)部各組成部分進行信息傳送的公共通道，它是一組信號線的集合。

外部總線是工業(yè)控制機與其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道。

人-機接口是一種標準結(jié)構(gòu)，即由標準的PC鍵盤、顯示器、打印機等組成。

系統(tǒng)支持功能包括：

a、當系統(tǒng)因干擾或軟件故障等原因出現(xiàn)異常時使系統(tǒng)自動恢復(fù)運行。

b、當電源發(fā)生故障時自動掉電檢測并及時保護數(shù)據(jù)，一旦上電后工業(yè)控制機從斷電處

繼續(xù)運行。

c、保護重要數(shù)據(jù)的后備存儲。

d、某種事件進行自動記憶功能。

磁盤系統(tǒng)支持半導(dǎo)體虛擬磁盤進行數(shù)據(jù)的存儲作用。

通信接口是工業(yè)控制機和其它計算機或智能外設(shè)通信的接口。計算機與外部的通信方式有并

行通信和串行通信兩種。

a、并行通信

并行通信是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高。

并且，通常只要提供二條控制和狀態(tài)線就可。

b、串行通信

串行通信是數(shù)據(jù)按位傳送的。傳輸過程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度，一位

一位的串行傳送和接收，串行通信又分為全雙工方式和半工方式、同步方式和異步方式。

全雙工方式是CPU通過串行接口和外圍設(shè)備相連。串行接口和外圍設(shè)備間除公共地線外,

有二根數(shù)據(jù)傳輸線，串行接口可以同時輸入和輸出數(shù)據(jù)，計算機同時■發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

半雙工方式是CPU通過串行接口和外部設(shè)備相連。但是串行接口和外部設(shè)備間除公共地

線外，只有一根數(shù)據(jù)傳輸線，某一時刻數(shù)據(jù)只能一個萬向傳送。

c、同步通信是將許多字符組成一個信息組，通常信息稱為信息幀。在每幀信息的開始加

上同步字符，接著字符一個接一個地傳輸（在沒有信息要傳輸時，要填上空字符，同步傳輸

不允許有間隔）接收端在接收到固定的同步字符后，按約定的傳輸速率，接收對方發(fā)來的一

串信息。

d、標準的異步通信格式如圖1.8所示。

崛怖型I容

/Tib也變作為新字符的課

/\

1010010或1

M嫌

g|55碓e字很何的邨鬲

圖1.8標準的異步通信數(shù)據(jù)格式

②、工業(yè)控制機的軟件組成

軟件是工業(yè)控制機的程序系統(tǒng)，它可分為系統(tǒng)軟件和支持軟件、應(yīng)用軟件三部分

系統(tǒng)軟件是實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。

支持軟件是編程應(yīng)用程序的軟件，如匯編語言、C語言、編譯程序、調(diào)試程序。

應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制管理程序。

③、工業(yè)控制計算機的特點

a、可靠性高：工控機通常用于控制不間斷的生產(chǎn)過程，在運行期間不允許停機檢修。

b、實時性好：工控機對生產(chǎn)過程進行實時控制與監(jiān)測。

c、環(huán)境適應(yīng)性強

d、過程輸入和輸出配套較好

e、系統(tǒng)擴充性好

f、系統(tǒng)開放性

g、控制軟件包功能強

h、系統(tǒng)通信功能強

j、后備措施齊全：

1.2.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)

總線是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣、機械特性，使計算機內(nèi)部各組

成部分之間以及不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進行信息傳送和通信。

①、內(nèi)部總線：

內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)的內(nèi)

部信息蕖扭樞紐。總線按功能分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB、電源總線PB

四部分。采用內(nèi)部總線母板結(jié)構(gòu)，母板上各插槽的同號引腳都連接在一起，組成計算機系統(tǒng)

的各功能模板插入槽內(nèi)，由總線完成系統(tǒng)內(nèi)各模板之間的信息傳送，從而構(gòu)成完整的計算機

系統(tǒng)。常用的內(nèi)部總線有PC總線、STD總線。PC總線是IBMPC/XT計算機的內(nèi)部總線，

62引腳的并行總線。STD總線是56根并行計算機總線，由MattBiewer研制的，符合IEEE961

標準的總線。

GNDI/OCHCK

BlAl

OSCB30振蕩器RESETCRVD7

+5V

CLKB20系統(tǒng)時鐘IRQ2

-5V

RESETDRBB2系統(tǒng)總請求信號，用于系統(tǒng)各部件復(fù)位口呼

-12V

A0-A19A12?A31地址線NC

口”Hh+d鉀;方令蝕+12VDO

AALIECB28地址鈿存允仟m

GNDBIOA10I/OCHRDY

A1涌寧首落里格?輻入緯（牛由平右效AEN

lI/UOCHIIl//CVJ口MJt|內(nèi)T乂MX口"Fj-frrJ!J/，1氐Hi1HXX.MEMW

MEMRA19

I/OCHRDYA10I/O通道準備好輸入線，高電平有效I0W

TOR

IRQ2-IRQ7B4B21-B25中斷請求輸入信號線DACK3

---------DRQ3Al5

IORB14I/O讀命令，輸出信號線DAVK1

-----DRQ1

IOWB13寫命令，輸出信號線

CLK820A20

MEMRB12存儲器讀命令輸出信號線JRQ7

右名奧它念木蛤中/士兄建

MLMWBDl111仔懈A飾r與川jy,J刖山In節(jié)或[e^0?^

JRQ5A8

DRO1~DRO3B18B6B16DMA語求輸入信號緯出3A7

IRQ3

DACK0?DACK3B19B17B26B15DMA響應(yīng)輸出信號線DACK2

T/C

AENAll地址允許信號輸出線，允許DMA傳送ALE

+5V

T/CB27DMA傳送計數(shù)器0信號輸出線09c

,GNDB31A3lAO____

GNDBlBIOB31地線

適當?shù)剡x擇總線、不斷地更新總線是十分必要的。下面是一些較流行的總線類型：STD

（Standard）,是工業(yè)控制微機標準總線，它從8位、16位數(shù)據(jù)帶寬已發(fā)展到32位帶寬。目

前它仍是國內(nèi)外某些工業(yè)控制機普遍采用的總線標準。ISA（IndustryStandardArchitectureI

業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)），是現(xiàn)存最老的通用微機總線類型，是與286-AT總線一起引入的。

MCA（MicroChannelArchitecture,微通道體系結(jié)構(gòu)），是IBM在1987年為PS/2系統(tǒng)機及

其兼容機設(shè)計的一個理想的總線，它代表了總線設(shè)計的革命性進步。EISA（ExtendedIndustry

StandardArchitecture,擴展的工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)），是反壟斷的產(chǎn)物。VESA（VideoElectronics

StandardsAssociation,視頻電子標準協(xié)會），也叫VL總線，是流行的ISA總線的擴展。

PCI（PeripheralComponentInterconnect,外部組件互連），是目前最為高級的系統(tǒng)總線，

也是當前惟一發(fā)揮了Pentium或Pentium以上系統(tǒng)優(yōu)勢的總線（有些486類型的微機也使用

PCI）o

4.1.2ISA總線

1.ISA總線的特點

2.ISA總線的信號定義

1）8位ISA（即XD總線定義

8位ISA總線插槽定義如表4.2所示，共有62條引腳信號。

A0?A19共20條地址線，用于對系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O接口尋址。

D0?D7為8位數(shù)據(jù)總線，也是雙向的，用來傳送數(shù)據(jù)信息及指令操作碼。

4.1.3PCI總線

1.PCI總線的特點

PCI采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了總線引腳數(shù)，從而可節(jié)省線路空間，降低

設(shè)計成本。目標設(shè)備可用47引腳，總線主控設(shè)備可用49引腳。

PCI提供兩種信號環(huán)境：5V和3.3V,并可進行兩種環(huán)境的轉(zhuǎn)換，擴大了它的適應(yīng)

范圍。PCI對32位與64位總線的使用是透明的，它允許32位與64位器件相互協(xié)作。

PCI標準允許PCI局部總線擴展卡和元件進行自動配置，提供了即插即用的能力。

PCI總線獨立于處理器，它的工作頻率與CPU時鐘無關(guān)，可支持多機系統(tǒng)及未來的處

理器。

PCI有良好的兼容性，可支持ISA、EISA、MCA、SCSI、IDE等多種總線，同時還

預(yù)留了發(fā)展空間。

PCI總線信號

必需的可選的

<〉G

■ADO^AD31-----AD32~AD3_

地址/數(shù)據(jù)線麗E。?C畫CZ>C/BE；~C/BE7

64位總線

[PAR<<-a-?―?PAR64

擴展信號

FRAME"<-aREQ64

TRDY^~~?PC1ACK64

接口控制lRDY-<—?總線LOCK

信號’STOP-<—?設(shè)備INTA

DEVSEL-<—?fNTB-

?中斷信號

1DSEL------?iNIT

錯誤才支句PERR-<—?INTO

、^ERR-<-?

信用SBO支持Cache

?―?SDONE的信號

仲裁tqJ、GNT——?

1D1

CLK--―?TDO

系統(tǒng)看

1［邊界掃描

RST------?t------TCK

信號

?-------TMS

?------TRST

PCI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

fPU總緯Cache

CPU七2/64位「控制器僅21橋內(nèi)存

②、外部總線

外部總線是計算機與計算機之間或其它智能設(shè)備之間進行

通信的連線，常用的外部總線有IEEE488并行總線和RS-232C

串行總線。

1、IEEE488,是HP公司在20世紀70年代為解決各種儀器儀表與各類計算機接口時互不

兼容的麻煩而研制的通用接口總線HP—IBoATA(ATAttachment),又稱IDEQntegratedDrive

Electronics)o

2、SCSI(SmallComputerSystemInterface),是20世紀80年代由ShugartAssociate公司聯(lián)

合NCR公司研制的高速硬盤接口規(guī)范，可用于硬盤、光盤、掃描儀、打印機、磁帶機

等多種外圍設(shè)備的連接，在硬盤驅(qū)動器市場有50%以上的占有率。

3、Centronic,是一種較早推出的計算機與打印機、繪圖儀進行連接的并行總線。

4、RS232C,是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)1969年頒布的數(shù)據(jù)通信標準。

5、USB(UniversalSerialBus),是1994年以Intel為首的7家公司聯(lián)合發(fā)布的通用串行總線，

到目前版本已升級為V2.1。

6>IEEE1394,是最早被提出的串行外部存貯設(shè)備接口規(guī)范，Apple公司是1394接口的最

早提出者(Apple稱其為Firewire)o

一、RS232c總線

RS232c總線是一種串行的外總線標準，在微機應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，可

以說是微型計算機必備的接口總線。

1.RS232c總線的特點

1)RS232c總線信號線少

RS232c總線規(guī)定了25條線，包含兩個信號通道，即第一通道(又稱主通道)和第二

通道(又稱副通道)。

2)RS232c總線有多種可供選擇的傳輸速率RS232c規(guī)定的標準傳輸速率有：50,75,

110,150,300,600,1200,2400,4800,9600,19200波特。RS232c總線還可

以靈活地適應(yīng)于不同速率的設(shè)備。

3)RS232c總線傳送距離遠由于RS232C采用串行傳送方式，并且將微機的TTL電平轉(zhuǎn)

換為RS232C電平，其傳送距離在基帶傳送時可達30

4)RS232c總線采用負邏輯無間隔不歸零電平碼傳送數(shù)據(jù)規(guī)定邏輯“1”為低于-5V的信號，

邏輯“0”為大于+5V的信號。

1.2.3工業(yè)控制機的特點

①、可靠性高和可維修性好;

②、環(huán)境適應(yīng)性強；

③、控制的實時性好；

④、完善的輸入輸出通道

⑤、豐富的軟件系統(tǒng)圖L9PC總線插槽引線信號的

分布

⑥、適當?shù)挠嬎銠C精度和運算速度

1.3、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢

計算機控制技術(shù)是自動控制理論與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展同樣也離不開自動

控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展。

131計算機系統(tǒng)的發(fā)展概況

1、計算機技術(shù)的發(fā)展過程

①、1955?1962年開創(chuàng)時期

②、1962?1967年直接數(shù)字控制時期

③、1967?1972年小型計算機時期

④、1972?至今微型計算機時期

2、計算機控制理論的發(fā)展過程

①、采樣定律

②、差分方程

③、Z變換法

④、狀態(tài)空間理論

⑤、最優(yōu)控制與隨機控制

⑥、代數(shù)系統(tǒng)理論

⑦、系統(tǒng)辯識與自適應(yīng)控制

⑧、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制

1.3.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

要發(fā)展計算機控制技術(shù)，必須對生產(chǎn)過程知識、測量技術(shù)、計算機技術(shù)和控制理論等領(lǐng)域

進行廣泛深入地研究。

1、推廣應(yīng)用成熟的先進技術(shù)

①、普及應(yīng)用可編程序控制器(PLC)

②、廣泛使用智能調(diào)節(jié)器

③、采用新型的DCS和FCS

2、大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

①、分級遞階智能控制系統(tǒng)

②、模糊控制系統(tǒng)

③、專家控制系統(tǒng)

④、學習控制系統(tǒng)

⑤、神經(jīng)控制系統(tǒng)

第2章輸入輸出接口與過程通信

接口是計算機與外部設(shè)備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。接口技術(shù)是研究

計算機與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。外部設(shè)備的各種信息通過輸入接口到計算機，

而計算機的各種信息通過輸出接口送到外部設(shè)備。

過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸

入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道。

在計算機控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制機必須經(jīng)過通道和生產(chǎn)過程相連，而過程通道中又包含有

輸入輸出接口，因此輸入輸出接口和過程通道是計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分。

2.1數(shù)字量輸入輸出通道

2.1.1A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

①數(shù)字量輸入接口

對生產(chǎn)過程進行控制，往往要收集生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)信息，再給出控制量,

因此，可用三態(tài)門緩沖器74LS244取得狀態(tài)信息，如圖2.1所示。經(jīng)過端口地址譯碼，得到

片選信號衣，當在執(zhí)行IN指令周期時，產(chǎn)生面信號，則被測的狀態(tài)信息可通過三態(tài)門送

到PC總線工業(yè)控制機的數(shù)據(jù)總線，然后裝入AL寄存器，設(shè)片選端口地址位port,指令如下:

DO

MOVnVnnrt1A11Y1DOQIDl

IN2D2D2

INAL.DX1A21Y2Q2D2

m3D2D2

②數(shù)字量輸出接口1A31Y3Q3D3

IN4D3D3

1A41Y4B四

當對生產(chǎn)過程進行控制時，IN4EHIM

1A51Y5Q5D5

麗欣出1M天至二廿4二/口.古JN6D5Q6D6D5

'微擰制伏念需進門保于寸，且［1A61Y6

N7D6

1A71Y7D6Q7D7

到下次給出新的值為止，這時IN8_

1A81Y8D7Q8D8D7

輸出就要鎖存。因此，可用-2小巾CSCS

-1+!ow

74LS273作8位輸出鎖存口，+uu

對狀態(tài)輸出信號進行鎖存，/RESET

—<

如圖2.2所示。由于PC總線工

業(yè)控制機的I/O端口寫總線周期

時序關(guān)系中，總線數(shù)據(jù)DO?D7

比/0W前沿稍晚，因此在圖2.2

的電路中，利用/0W的后沿產(chǎn)生圖2.1數(shù)字量輸入接口圖2.2數(shù)字量輸出接口

的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號而，當在執(zhí)行OUT指令時:產(chǎn)生后W

信號，設(shè)片選端口地址為port,指令如下：

MOVAL,DATA

MOVDX,port

OUTDX,AL

2.2A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)

2.2.1A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809

1、級數(shù)求和;;肆三章Z變換與Z反變換

第I節(jié)Z變換

設(shè)離散化信號f*(t)=tj(kT)*-kT)

k=Q

F\s)=L[f\t)]=Xf(kT)e-kTS

k=0

令Z[e”]則《)=*=￡/(&W

Tk=0

尸(z)=Z"*(f)]=f〃AT)z*

定義:k=0

Z變換的三種求法：

1、級數(shù)求和法

例5T求:Z[1(O]

解：當a0時"的)=1，則有

F(z)=Z[l(f)]=Yz'k=l+z-，+/+……

火=0]7

如果IW<i,則上式可寫為：az)=x=。

例5-2求：Z[e-al],?>0

8

解為T7：FZ7⑺/r\=乙、'0—-akTz~~~k=li+.e—aTz—1+.e—1aTz—2+.

k=0

如果Kz-'|<1,貝U：尸(z)=—

1-e"T

2、部分分式法&

例5-3求的.(s)=s)的Z變換

%)=1-e"

1(\-e-aT)z-l

F(z)=Z"(f)]=,=

1--(1-/)(1-"。一|)

例5-4求Z(sinaf)

11

a一2j2j

F(s)=~2~r--1~

s+as-\-jas-ja

_(sintzT)z-1

l-(2cosar)z"+z~2

3、留數(shù)計算法

設(shè)/⑺的拉氏變換為“s),且其為真有理式，PK為FG)的極點，則Z變換

用下式求得

E(z)=g>es[尸(s)=^]s=%=才/

火=1z—ek=\

&=res[F(s)—^]^

z-es=

為浮在S=PK上的留數(shù)：

若尸G)含有S=物一階極點時，對應(yīng)的留數(shù)為：

R-lim[(5-p)F(s)—

zpz-e

若尸(S)含有S=p的q階重極點時，對應(yīng)的留數(shù)

1小T

R=—!—lim-^[(5-yF(s)z

(q-1)!dsq-'"P

Sfp

s+3

例"5已知F⑸"is，求'⑶

S+37

解：&z)=[(s+l)癡麗而中]T+

「/、s+3zi

K$+q)~~I、.~~~rTS]$=一2

(s+l)(s+q)z-e

_2zz

z-e~Tz-e~qT

例5-6試求F(S)=C的Z變換

二、Z變換的基本性質(zhì)

三、反變換

把F(Z)反變換為fit)的過程叫Z的反變換，記為ZT[F(Z)]

1、長除法

z?+z

例5-8,求F(z)=的反變換/*?)

z?—2z+1

解:l+z-1

*z)=

\-2z-'+z-2

=1+3Z-1+5Z_2+7Z_3+9Z_4+

八)=Z-'[F(z)]=即)+3b(f-T)+5M-27)+

7S(f—3T)+......

2、部分分式法

步驟：把"%展開為部分分式

求各部分分式項的Z變換之和

例5-9,已知FQ)=求/*。)

解：且=七一

z(z-l)(z-e-ar)1z-1

/伙T)多一e-而，k=0,1,2…

或r(f)=￡(l-eST)b"仃)

A=0

3、反演公式f(t)=Zres[F(z)zk~']

F(z)的所有極點

例5-10,求F(z)=一——的Z反變換

(z-l)(z-2)

幗“S立時君I于]

v「10z”■,10z?,_n

ilOz*

+(z-l)(z-2)(z-2)=—10+10x2人

z=2

或/*")=￡(—10+10x2*2(—仃)

k=0

第2節(jié)脈沖傳遞函數(shù)

脈沖傳遞函數(shù)定義：在零初始條件下，輸出離散化信號的Z變換C(z)與輸入離散化信

號的Z變換R(z)之比，即C@=G(z)

R(z)

C，(/)=z-,[C(z)]=z-'[G(zW)]

G(z)

G(z)

令=")

M=0

=r((W)+r(rW-T)+r(2T)b(f—2T)+…

則C(t)=r(O)g(f)+r(T)g?-T)+r(2T)g(f-2T)+...

+r(nT)g(t-nT')+...

當t=kT時,

C(kT)=r(0)g3)+?T)g[伙-l)T]+...+r(-)g(0)

=Zg[(%-〃)?(")

?i=0

考慮到t<0時，g(f)=O則，C(m=￡g[(j)T]?〃T)

o'，n=0

由卷積定理得：C(z)=G(z)R(z)

離散化系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)就是該系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)采樣值的Z變換

G(z)=￡g(")z-"

”=0

一.串聯(lián)環(huán)節(jié)的脈沖傳遞函數(shù)

b)

圖(a)X(z)=G(z)R(z)

C(Z)=G2(Z)X(Z)=GQZ)G2(Z冰(z)

所以/H(Z)=G(Z)G(Z)

圖(b)G(Z)=M=Z[G(S)G2(S)]=G￡2(Z)

R(z)

例5-11令圖7-20中的，試求(a)、(b)兩種連接形式下的脈

沖傳遞函數(shù)G(s)=lG?(5)=—

ss+。

解：圖(a)G(z)=G(z)G,(z)=-^-x—

z-1z-e

(b)ZZV

圖G()=GIG2()=Z[G1G)G2(5)]

『?！窲「z(l-e")

=Zl------------I=Zl--------------J=---------------------7-

s(s+a)ss+a(z-l)(z-e")

/c()

例5-12,求脈沖傳遞函數(shù)(),

a)

R(z)C(z)

否[Gh(s)G(s)l

b)

力1一飛G(s)GG)"75c)

Z[G"(s)G(s)]=Z[―--G(.v)]=Z[------------]

所以Z[GM)G(S)]=(1-z*z[%]

J

圖7-22

C(z)=E(z)G(z)

B(z)=E(z)G"(z)

e*(。=r*(/)-/7*(/)

E(z)=R(z)-B(z)=R⑶-E⑶GH⑶

C(z)_G(z)磯z)二1

R(z)_]+G“(z)R(z)-]+G“(z)

對于單位反饋系統(tǒng)

C(z)_G(z)E⑶=1

麗―1+G⑶而「1+G⑶

C(z)="(z)G(z)3(z)=M(z)G"(z)

C(z)。⑵G(z)

R⑶l+Z)(z)G”(z)

C(s)=G(s)R(s)-G(s)H(s)C*(s)

RG*(s)

C(s)=

1+G”*(s)

RG(z)

或C(z)=

l+GH(z)

例5-13,求閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

G(z)=Z["-e

s(5+a)

=A(1_z~')Z[—Y-+------]

asasa(s+a)

=k(l-/)Z[—-----—+—~~-]

?(z-l)a2(z-l)a\z-e-aT)

_H(aT—1+e-")z+(1—e"—)]

一(z-l)(z-e")

C(z)二H(aTT+e-")Z+(l—eH-"e-")]_____________

~R(z)~a2z2+[k(aT-1+e-aT-a2(l+e-ar)]z+k(\-e-aT-aTe-aT+a2e-aT)

例5-13,求閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

e"')

G(")=Z[與石]

女(1_gT)Z[」y----]

asasa(s+a)

k(1-z'')Z[------丁—+——-——]

a(z-l)a2(z-l)?2(z-e-ar)J

砥aT—1+e")z+(1-替"—門"門)]

a2(z-l)(z-e-ar)

圖5-25

圖中a=l,k=l,T=ls

「(x.e-'z+l-2e-'

Zz2-(l+e-1)z+e-1

C(z)e-'z+l-2e-'0.368z+0.264

R⑶z2-z+(l-e-')~Z2-Z+0.632

把R(z)=—代入，得

z-1

0.368z-'+0.264z-2

C(z)=

1-2Z~'+1.632Z-2-0.632Z~3

0.368z-,+z-2+1.4z-3+1.4z~4+1.147+0.985z-6+...

c*(f)=0.368b(f-T)+S(t-2T)+1.4-3T)+1A8(t-4T)

+1.147即一5T)+...

第3節(jié)差分方程

一、差分定義

def

一階前向差分

二階前向差分def

△7(*)=△"(%+D-/W]=W+1)-A/W

=f(k+2)-f(k+\)-[f(k+1)-f(k)]

=/(k+2)-2〃k+l)+/(Q

def

一階后向差分

二階后向差分def

△7(*)=A[/(*)-f(^-i)]=VW-W-i)

=f(k)-2f(k-l)+f(k-2)

二、差分方程

圖7-28

當1=4時，em)=e(kT)kT<t<(k+l)T

C[(k+1)T]=C(kT)+Ae(kT)T

由于e(kT)=r(kT)—c(kT)

所以C[(k+1)T]=(1-AT