嵌入式计算机(三)-清华大学精仪系本科课件

1、嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日嵌入式计算机及机电系统接口应用第三讲嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结已讲内容已讲内容 三、已学接口电路分析三、已学接口电路分析 2、D/A转换器转换器 3、A/D转换器转换器 嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结关于作业一关于作业一 16位总线方式的位总线方式的PC104总线总线 IO方式方式 嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结MEM方式方式 嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结四、可编程定时四、可编程定时/计数器

2、计数器82541. 方案设计方案设计（1）定时）定时/计数器计数器 定时功能定时功能: 输入信号为精确时钟脉冲输入信号为精确时钟脉冲,起分频作用起分频作用,输出脉冲输出脉冲; 设置计数初值寄存器设置计数初值寄存器,保证精确定时保证精确定时; 计数功能计数功能: 输入任意脉冲输入任意脉冲,随时读出计数值随时读出计数值 设置输出寄存器设置输出寄存器,保证读数正确保证读数正确,又不影响连续计数又不影响连续计数（2）定时）定时/计数的控制计数的控制硬件启动计数硬件启动计数: 控制信号高电平时计数控制信号高电平时计数,低电平时停止计数低电平时停止计数 控制信号上升沿启动计数控制信号上升沿启动计数,计数到

3、计数到0自动停止自动停止软件启动计数软件启动计数嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结（3）输出多种波形）输出多种波形 产生分频信号产生分频信号,即定时信号即定时信号 产生方波产生方波 产生时间间隔信号产生时间间隔信号,用来测量脉冲的频率或周期用来测量脉冲的频率或周期嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结2、8254结构框图（第一个实验中要用到）结构框图（第一个实验中要用到）嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结D7D0：数据总线，：数据总线，8位，与外部数据总线联接位，与外部数据总线联接/WR：写信号，

4、输人，低电平有效：写信号，输人，低电平有效/RD：读信号，输入，低电乎有效：读信号，输入，低电乎有效/CS：片选信号，输入，低电平有效：片选信号，输入，低电平有效A1、A0：地址信号，输入，用于选择内部寄存器：地址信号，输入，用于选择内部寄存器CLK2一一CLK0：3个计数器计数信号输入个计数器计数信号输入OUT2一一OUT0：3个计数器计数回零输出个计数器计数回零输出GATE2GATE0：3个个11党器外部门控输入端，高电平有效党器外部门控输入端，高电平有效8254为减计数、为减计数、16位定时位定时/计数器，计数器，下降沿计数下降沿计数嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节

5、 接口电路总结3、工作方式、工作方式（1）6种工作方式种工作方式 方式方式0：计数结束产生中断：计数结束产生中断 方式方式1：可重触发的单脉冲：可重触发的单脉冲 方式方式2：分频器：分频器 方式方式3：方波发生器：方波发生器 方式方式4：软件触发选通：软件触发选通 方式方式5：硬件触发选通：硬件触发选通嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结（2）控制字及编程控制字及编程嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结（2）控制字及编程控制字及编程 初始化编程分为两步（对每个计算器分别编程）初始化编程分为两步（对每个计算器分别编程）1）以计数器工

6、作方式确定控制字，写入控制字寄存器）以计数器工作方式确定控制字，写入控制字寄存器;2）按控制字规定的格式，把计数初值写入计数器）按控制字规定的格式，把计数初值写入计数器 读取计数值有两种情况（对每个计算器分别读取）读取计数值有两种情况（对每个计算器分别读取）1）计数已结束，读取计数值）计数已结束，读取计数值2）在计数器计数时，先锁存，后读取，保证读数正确。）在计数器计数时，先锁存，后读取，保证读数正确。可向可向8254写一个控制字，使计数器中的输出锁存器锁住，写一个控制字，使计数器中的输出锁存器锁住，CPU就可以读取锁存器中的值，并不影响计数器继续计就可以读取锁存器中的值，并不影响计数器继续计

7、数。一旦数。一旦CPU读取数值后，锁存状态自动解除，恢复跟读取数值后，锁存状态自动解除，恢复跟随计数器的数值随计数器的数值嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结（3）工作方式的时序图分析）工作方式的时序图分析 方式方式0计数结束时产生中断方式计数结束时产生中断方式 写入写入控制字控制字后后OUT输出低电平，在计数回零结束时输输出低电平，在计数回零结束时输出高电平，并一直保持。出高电平，并一直保持。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结（3）工作方式的时序图分析）工作方式的时序图分析 方式方式1可重触发的单脉冲可重触发的单脉冲 犹如一单

8、稳态触发器，每触发犹如一单稳态触发器，每触发1次，输出次，输出1个负的单脉个负的单脉冲，脉冲宽度为计数周期冲，脉冲宽度为计数周期嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结 写入控制字后，输出端初始化为高电平写入控制字后，输出端初始化为高电平 门控门控GATE上升沿到后，下一个时钟脉冲的下降沿计上升沿到后，下一个时钟脉冲的下降沿计数器装入初值，输出端变为低电平数器装入初值，输出端变为低电平 当计数到当计数到0时，输出变为高电平，若计数初值为时，输出变为高电平，若计数初值为N，脉，脉宽则为宽则为N个时钟周期个时钟周期 如果门控如果门控GATE又来一次上升沿，再一次触发，计

9、数又来一次上升沿，再一次触发，计数器会按原来的初值重新计数，再产生一个单脉冲器会按原来的初值重新计数，再产生一个单脉冲嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结 方式方式2分频器分频器 初始化后，输出端为高电平，在门控初始化后，输出端为高电平，在门控GATE为高电平为高电平情况下，减到情况下，减到1输出变为低电平，经过输出变为低电平，经过1个周期，输出又恢个周期，输出又恢复为高电平，重新计数，这样周而复始，产生一定频率的复为高电平，重新计数，这样周而复始，产生一定频率的脉冲，犹如脉冲，犹如N分频的分频器分频的分频器嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节

10、 接口电路总结 写入控制字后，输出端初始化为高电平写入控制字后，输出端初始化为高电平 门控门控GATE信号变高后，下一个时钟脉冲的下降沿计信号变高后，下一个时钟脉冲的下降沿计数器装入初值数器装入初值 在在GATE高电平期间计数，减到高电平期间计数，减到1时，输出变为低电平，时，输出变为低电平，经过经过1个周期，输出又恢复高电平，重新计数个周期，输出又恢复高电平，重新计数 在门控在门控GATE变低后，停止计数，在变低后，停止计数，在GATE变为高电平变为高电平的下一个时钟脉冲下降沿，从计数初值重新开始计数的下一个时钟脉冲下降沿，从计数初值重新开始计数嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1

11、日第一节 接口电路总结3、应用、应用 8253在在PC机中的应用：机中的应用：0用于系统时钟，用于系统时钟，1用于刷用于刷新新DMA，2用于扬声器声源用于扬声器声源 测频率测频率 测周期测周期 测时间间隔测时间间隔 测转速测转速嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第一节 接口电路总结思考题分析：思考题分析： 利用利用PC/104总线嵌入式计算机，设计应用总线嵌入式计算机，设计应用8254芯片测芯片测量脉冲信号频率量脉冲信号频率f 的接口电路。的接口电路。分析：分析： 计数器计数器0，工作在方式，工作在方式1，如何得到，如何得到1秒的高电平时间信号秒的高电平时间信号 计数器计数器1，

12、工作在方式，工作在方式2，如何测量脉冲信号，如何测量脉冲信号f 的频率的频率 若频率若频率f 大于大于66kHz，在，在1秒钟时间内，计数器秒钟时间内，计数器1计数发生计数发生溢出，如何利用计数器溢出，如何利用计数器2扩大计数范围扩大计数范围 GATE0端的高低电平控制信号如何由计算机产生端的高低电平控制信号如何由计算机产生 哪个计数器的哪一引脚的信号电平可以用来判断哪个计数器的哪一引脚的信号电平可以用来判断1秒钟时秒钟时间已到，计数已结束，如何判断间已到，计数已结束，如何判断 如何读取数据，如何计算得到被测信号的频率如何读取数据，如何计算得到被测信号的频率f嵌入式计算机及机电系统接口应用20

13、22年7月1日第一部分 嵌入式计算机及接口 第一节第一节 接口电路总结接口电路总结 第二节第二节 机电系统状态量的计算机测量和机电系统状态量的计算机测量和 控制控制嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制在机电系统中，需要测量和控制的主要状态量在机电系统中，需要测量和控制的主要状态量: 位置（线位移、角位移）位置（线位移、角位移） 速度（线速度、角速度）速度（线速度、角速度） 加速度、力、振动、温度等加速度、力、振动、温度等 虽然测量传感器和控制电路品种繁多，但虽然测量传感器和控制电路品种繁多，但对计算机接口来说，就是归结到数字量、模对计算机接口来

14、说，就是归结到数字量、模拟量、脉冲量的测量和输出。拟量、脉冲量的测量和输出。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制一、计算机测量电路的组成一、计算机测量电路的组成1、计算机测量电路的组成、计算机测量电路的组成嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制2、计算机测量接口电路方案、计算机测量接口电路方案（1）模拟量测量）模拟量测量嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 计算机对模拟量通常是经计算机对模拟量通常是经A/D转换器接口直接进行采转换器接口直接进行采集

15、，其特点是采集速度快集，其特点是采集速度快 计算机对模拟量测量还可以通过计算机对模拟量测量还可以通过V/F转换的方法。有些转换的方法。有些情况下，模拟信号需要进行长距离传输，这会引起信号情况下，模拟信号需要进行长距离传输，这会引起信号的失真和精度下降。为减小误差，可采用先经的失真和精度下降。为减小误差，可采用先经V/F转换，转换，将脉冲信号进行传输，然后计算机再对脉冲量进行计数将脉冲信号进行传输，然后计算机再对脉冲量进行计数测量的方法。测量的方法。V/F技术分辨率高，但主要缺点是转换速率技术分辨率高，但主要缺点是转换速率低，在非快速模数转换过程中应用低，在非快速模数转换过程中应用嵌入式计算机及

16、机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）脉冲量测量脉冲量测量计算机测量脉冲量电路的组成计算机测量脉冲量电路的组成嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 计算机对脉冲量通常应用定时计算机对脉冲量通常应用定时/计数器计数器8253进行计数测进行计数测量，或进行频率、周期测量，也可以应用普通计数器或量，或进行频率、周期测量，也可以应用普通计数器或可逆计数器进行计数，然后计算机通过并行口把计数结可逆计数器进行计数，然后计算机通过并行口把计数结果读入。果读入。 在需要快速测量脉冲量的频率时，也可以对脉冲量先在需要快速测

17、量脉冲量的频率时，也可以对脉冲量先进行进行F/V转换，将脉冲量转换为模拟量，然后计算机通过转换，将脉冲量转换为模拟量，然后计算机通过A/D转换器进行采集。转换器进行采集。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（3）数字量）数字量 目前有些功能先进的集成芯片，已把传感目前有些功能先进的集成芯片，已把传感器的输出信号直接转换成数字信号，计算机只器的输出信号直接转换成数字信号，计算机只要通过并行输入接口或串行输入接口就可以把要通过并行输入接口或串行输入接口就可以把数字量输入计算机。数字量输入计算机。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节

18、机电系统状态量的计算机测量和控制二二、转角测量转角测量 测量转角的传感器种类很多，例如电位器、增量式测量转角的传感器种类很多，例如电位器、增量式光电编码器、感应同步器等光电编码器、感应同步器等。1、电位器、电位器 角位移型电位器将转角变化转换成电阻变化，在电角位移型电位器将转角变化转换成电阻变化，在电位器上加电压后，电位器的输出电压就与转角成线性关位器上加电压后，电位器的输出电压就与转角成线性关系系： V = k 计算机对模拟电压量测量方法可采用前面已讲述的计算机对模拟电压量测量方法可采用前面已讲述的方法方法。 测量精度主要决定于电位器质量、基准电压稳定性、测量精度主要决定于电位器质量、基准电

19、压稳定性、A/D转换器精度和电路干扰抑制情况。转换器精度和电路干扰抑制情况。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制2、增量式光电编码器测角、增量式光电编码器测角（1）工作原理在编码圆盘上刻有节距相等的辐射状窄）工作原理在编码圆盘上刻有节距相等的辐射状窄缝，当被测轴旋转时，编码圆盘也随之旋转，发光二极缝，当被测轴旋转时，编码圆盘也随之旋转，发光二极管发出的光通过编码器上的窄缝，由光敏三极管所接收，管发出的光通过编码器上的窄缝，由光敏三极管所接收，输出脉冲信号。一般输出脉冲信号。一般1002000脉冲脉冲/圈。圈。嵌入式计算机及机电系统接口应用202

20、2年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制a）如何给出转动方向）如何给出转动方向 加指示标度盘。其上有两条在空间上相差加指示标度盘。其上有两条在空间上相差1/4节距的节距的窄缝，使编码器输出二相相位差的矩形波窄缝，使编码器输出二相相位差的矩形波A、B。A、B矩形波脉冲的相位关系随转动方向的不同而变化，从而矩形波脉冲的相位关系随转动方向的不同而变化，从而设别转动方向。设别转动方向。b）参考零位）参考零位 在编码圆盘上另刻一窄缝，圆盘每旋转一周产生在编码圆盘上另刻一窄缝，圆盘每旋转一周产生1个脉冲信号，作为机械系统的原点个脉冲信号，作为机械系统的原点嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年

21、7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）实验中使用的光电编码器）实验中使用的光电编码器 HEDS5645，500脉冲脉冲/圈。圈。 5条引脚：条引脚：VCC、GND、A、B、参考零位。、参考零位。（3）倍频和判向电路）倍频和判向电路 加四倍频、判向电路，分别得到反映转轴正转、反转加四倍频、判向电路，分别得到反映转轴正转、反转的两路脉冲信号的两路脉冲信号。（4）计算机转角测量）计算机转角测量 用用8254的的两个计数通道分别测量正、反转脉冲数，计算两个计数通道分别测量正、反转脉冲数，计算机把两通道的测量值相减后，计算得到实际转角。或用可机把两通道的测量值相减后，计算得到实际转角。或用

22、可逆计数器直接测量脉冲数，计算机通过并行口读入数据，逆计数器直接测量脉冲数，计算机通过并行口读入数据，经计算得到实际转角。经计算得到实际转角。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制三、转速测量三、转速测量 测量转速的传感器种类很多，例如直流测速发电机、测量转速的传感器种类很多，例如直流测速发电机、增量式光电编码器。增量式光电编码器。1、直流测速发电机、直流测速发电机 在恒定磁场中，电枢绕组旋转切割磁场，产生的感在恒定磁场中，电枢绕组旋转切割磁场，产生的感应电势与转速成正比：直流测速发电机输出为模拟量，应电势与转速成正比：直流测速发电机输出为模拟量

23、，测量方法前面已述。测量方法前面已述。2、增量式光电编码器测速、增量式光电编码器测速 通过测量增量式光电编码器输出的脉冲量的频率或通过测量增量式光电编码器输出的脉冲量的频率或周期的方法，测量转速。介绍三种测速方法。周期的方法，测量转速。介绍三种测速方法。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（1）脉冲数（）脉冲数（M）法测速（即测频率）法测速（即测频率） 脉冲数（脉冲数（M）法测速原理：在时间间隔）法测速原理：在时间间隔Tg内，测得内，测得光电编码器的脉冲数光电编码器的脉冲数Mp，若光电编码器每圈的脉冲数，若光电编码器每圈的脉冲数为为P，则转轴的

24、转速为：，则转轴的转速为：pg60 M(rpm)TPn嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 相同的时间间隔相同的时间间隔Tg内，测得的脉冲数内，测得的脉冲数Mp不同，转速就不不同，转速就不同，因此一般称这种方法为同，因此一般称这种方法为M法。法。 脉冲量测量过程中总会有脉冲量测量过程中总会有1个脉冲的检测误差，则相对误个脉冲的检测误差，则相对误差为差为1/Mp。若。若Tg不变，随着转速增加，不变，随着转速增加，Mp增大，增大，M法测速法测速相对误差减小，说明相对误差减小，说明M法适合于高速测量场合。法适合于高速测量场合。 转速低时，要提高测量精

25、度，可以增大测量时间转速低时，要提高测量精度，可以增大测量时间Tg，或，或选用每圈脉冲数更高的光电编码器，或进行细分等。更好选用每圈脉冲数更高的光电编码器，或进行细分等。更好的办法是改变测量方法，改为测量周期。的办法是改变测量方法，改为测量周期。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）脉冲周期（）脉冲周期（T）法测速）法测速 T法测速原理：通过测量光电编码器法测速原理：通过测量光电编码器1个脉冲周期时间来确定被测速度。若在个脉冲周期时间来确定被测速度。若在被测信号周期内测得已知频率为被测信号周期内测得已知频率为f c的时的时钟脉冲数为钟脉冲数

26、为m c个，光电编码器每圈的脉个，光电编码器每圈的脉冲数为冲数为P，则转轴的转速为：，则转轴的转速为：cc60 f(rpm)P mn 脉冲量测量过程中总会有脉冲量测量过程中总会有1个脉冲的检测误差，个脉冲的检测误差，T法测法测速的相对误差为速的相对误差为1/mc。随着转速减小，。随着转速减小，mc增大，相对误差增大，相对误差减小，说明减小，说明T法适合于低速测量场合。法适合于低速测量场合。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（3）M/T法测速法测速 对被测对象转速变化范围大，对被测对象转速变化范围大，又要求测量精度高的情况，可采又要求测量精度高

27、的情况，可采用用M/T法测速。法测速。 分析：分析：M法测速误差在于测量法测速误差在于测量时间时间Tg是固定的，总会产生是固定的，总会产生1个被个被测脉冲的测量误差，测量的不是测脉冲的测量误差，测量的不是完整的脉冲周期。完整的脉冲周期。 T法测速误差在于只测法测速误差在于只测1个周期，高频时测速时间太短。个周期，高频时测速时间太短。 克服两者缺点：既保证一定测量时间，同时又保证测量克服两者缺点：既保证一定测量时间，同时又保证测量完整的被测脉冲周期，其原理如图所示完整的被测脉冲周期，其原理如图所示。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制cpc60

28、fM(rpm)P mn M/T法测速，是用被测脉冲的下降沿启动对时间间隔法测速，是用被测脉冲的下降沿启动对时间间隔Tg计时和对时间脉冲计时和对时间脉冲fc计数，在达到时间计数，在达到时间Tg后第一个被测后第一个被测脉冲的下降沿终止时间脉冲计数脉冲的下降沿终止时间脉冲计数。 M/T法与法与M法比较：测量的是完整的被测脉冲周期；法比较：测量的是完整的被测脉冲周期； M/T法与法与T法比较：测量时间法比较：测量时间T不再是不再是1个脉冲周期，而个脉冲周期，而是是TgT。 M/T法测速的计算公式：法测速的计算公式：嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制3

29、、用、用8254实现三种测量的电路实现三种测量的电路（1）M法测量电路法测量电路要点：要点： 实现时间间隔实现时间间隔Tg 测量时间间隔测量时间间隔Tg内光电编码器的脉冲数内光电编码器的脉冲数Mp 8254有三个计数通道，则需要有三个计数通道，则需要8254的几个通道？如何实现？的几个通道？如何实现？嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制三态缓冲器三态缓冲器Y1IORD0Y0IOW锁存器锁存器D0方式方式2，门控分频门控分频方式方式，计被测脉计被测脉冲个数冲个数Mp方式方式1，可重触可重触发脉冲方式发脉冲方式，得到得到TgM 法测量电路实现法测量

30、电路实现0#计计数器数器GATE0CLK0OUT00#计计数器数器CLK1OUT1GATE10#计计数器数器CLK2OUT2GATE2时间基准时间基准被测脉冲被测脉冲嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制8254实现实现M法测量的流程：法测量的流程： 由计数器由计数器0得测量时间间隔得测量时间间隔 由计数器由计数器1测量被测脉冲数测量被测脉冲数 初始化前准备：计算机先通过锁存器输出低电平，使初始化前准备：计算机先通过锁存器输出低电平，使GATE0为低电平为低电平 初始化计数器初始化计数器 启动测量：通过锁存器输出高电平，使启动测量：通过锁存器输出

31、高电平，使GATE0端产生一端产生一个上升沿个上升沿 判断测量结束：可以采用如图的查询方式（中断方式自判断测量结束：可以采用如图的查询方式（中断方式自己设计）己设计） 读入数值和计算：读入计数器读入数值和计算：读入计数器1的高的高8位和低位和低8位数值，经位数值，经减法计算得到实际测量值，再计算得到被测信号的频率减法计算得到实际测量值，再计算得到被测信号的频率嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）T法测量电路法测量电路要点：要点： 得到被测脉冲周期得到被测脉冲周期Tp或整数倍周期或整数倍周期NTp 测量测量Tp或或NTp内基准时钟的脉冲数内

32、基准时钟的脉冲数Mc如何实现？如何接中断方式？如何实现？如何接中断方式？嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制T法测量电路实现法测量电路实现Y0IOW锁存器锁存器D0时间基准时间基准被测脉冲被测脉冲0# 计计数器数器GATE0OUT00# 计计数器数器CLK1OUT1GATE10# 计计数器数器CLK2OUT2GATE2CLK0IRQ2申请中断申请中断方式方式1 ， 得到被得到被测脉冲周期测脉冲周期NTp方式方式2 ， 得到基准得到基准时钟数时钟数Mc嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制8254实

33、现实现T法测量的流程：法测量的流程： 由计数器由计数器0得被测脉冲周期得被测脉冲周期 由计数器由计数器1计量时钟脉冲数计量时钟脉冲数 初始化前准备：计算机先通过锁存器输出低电平，使初始化前准备：计算机先通过锁存器输出低电平，使GATE0为低电平为低电平 初始化计数器初始化计数器 启动测量：通过锁存器输出高电平，使启动测量：通过锁存器输出高电平，使GATE0端产生一个端产生一个上升沿上升沿 判断测量结束：可以采用如图的中断方式（查询方式自己判断测量结束：可以采用如图的中断方式（查询方式自己设计）设计） 读入数值和计算：读入计数器读入数值和计算：读入计数器1的高的高8位和低位和低8位数值，经减位数

34、值，经减法计算得到实际测量值，再计算得到被测信号的周期和频率法计算得到实际测量值，再计算得到被测信号的周期和频率嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日（3）M/T法测量电路法测量电路要点：要点： 实现时间间隔实现时间间隔Tg 测量在总测量时间测量在总测量时间T内基准时钟的脉冲数内基准时钟的脉冲数Mc 测量在总测量时间测量在总测量时间T内光电编码器的脉冲数内光电编码器的脉冲数Mp第二节 机电系统状态量的计算机测量和控制嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节 机电系统状态量的计算机测量和控制M/T法测量电路实现法测量电路实现申请中断申请中断BA0# 计计数器数器GATE0

35、OUT01# 计计数器数器CLK1OUT1GATE12# 计计数器数器CLK2OUT2GATE2CLK0时间基准时间基准被测脉冲被测脉冲锁存器锁存器IOWD0Y0DCP PRQQ方式方式 0， 定时定时方式方式 ， 得到得到Tg 定时定时，方式方式 2 ， 计总计总测量时间测量时间 T即得到即得到 Mc方式方式 2 ，计计被测脉冲个被测脉冲个数数Mp嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制8254实现实现M/T法测量的流程：法测量的流程： 3个计数器的测量内容和工作方式：见上图说明个计数器的测量内容和工作方式：见上图说明 初始化前准备：通过锁存器输

36、出低电平，使初始化前准备：通过锁存器输出低电平，使D触发器置位，这时触发触发器置位，这时触发器的器的Q端为低电平，使三个计数器的门控信号端为低电平。端为低电平，使三个计数器的门控信号端为低电平。 初始化初始化8254的的3个计数器，计数器个计数器，计数器0为方式为方式0，计数器，计数器1、2为方式为方式2。 启动测量：计算机通过锁存器输出高电平，使启动测量：计算机通过锁存器输出高电平，使D触发器进入工作状态。触发器进入工作状态。当被测脉冲的上升沿到来时，当被测脉冲的上升沿到来时，Q变为高电平（由于变为高电平（由于D端在计数器端在计数器0初始初始化后已为低电平），这时三个计数器的门控端全变为高电

37、平，同时开化后已为低电平），这时三个计数器的门控端全变为高电平，同时开始计数。始计数。 测量结束：当计数器测量结束：当计数器0减到减到0，OUT0变高，但直到被测脉冲的上升沿变高，但直到被测脉冲的上升沿到来时，到来时，Q才变低，另才变低，另2个计数器这才停止计数。个计数器这才停止计数。 判断计数结束：可以采用如图中判断计数结束：可以采用如图中A端向计算机申请中断方式（查询方端向计算机申请中断方式（查询方式自己设计）。式自己设计）。读入数值和计算：读入计算器读入数值和计算：读入计算器1和和2的数值，经减法运算，得到测量值，的数值，经减法运算，得到测量值，再按公式计算得到精确的频率值。再按公式计算

38、得到精确的频率值。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制四、直流伺服电动机四、直流伺服电动机 直流伺服电动机由于具有良好的线性调速特性、简单直流伺服电动机由于具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高的效率、优异的动态特性，因此仍然是大的控制性能、高的效率、优异的动态特性，因此仍然是大多数调速控制电动机的最优先选择。多数调速控制电动机的最优先选择。1、直流伺服电动机的转速公式、直流伺服电动机的转速公式 直流伺服电动机的控制方式：电枢控制。直流伺服电动机的控制方式：电枢控制。 在直流伺服电动机的电枢上加控制电压在直流伺服电动机的电枢上加控制电压Ua

39、，设电机的，设电机的电磁转矩为电磁转矩为T，则电机的转速可表示为：，则电机的转速可表示为：式中：式中：Ra为电机电枢电阻，为电机电枢电阻，ke、kt为电机的电势常数、转矩为电机的电势常数、转矩常数。常数。aaeetUR Tnkk k嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制公式表明，转速是控制电压和电磁转矩的二元函数：公式表明，转速是控制电压和电磁转矩的二元函数：若控制电压若控制电压Ua不变，得到的不变，得到的n与与T的关系曲线称为机械特性的关系曲线称为机械特性曲线：曲线：若电磁转矩若电磁转矩T不变，得到的不变，得到的n与与Ua的关系曲线称为调节特性

40、的关系曲线称为调节特性曲线：曲线：实验一就是要测量电机的调节特性曲线。实验一就是要测量电机的调节特性曲线。01aaaeeteUR TnUTkk kk0aaeetUR TnnkTkk k嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制2、线性功率放大器、线性功率放大器 电机的机械时间常数电机的机械时间常数TM实际是包含了功率放大器的输实际是包含了功率放大器的输出阻抗出阻抗Ri，即：，即：260aiMetJ RRTk k 在控制系统中，要求系统的快速性好，即要求电机的在控制系统中，要求系统的快速性好，即要求电机的机械时间常数机械时间常数TM小，也就要求直流伺服

41、电动机的线性功率小，也就要求直流伺服电动机的线性功率放大器的输出阻抗小。放大器的输出阻抗小。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（1）线性功率放大器电路形式）线性功率放大器电路形式 要求功放电路输出阻抗小，可采用射极跟随器要求功放电路输出阻抗小，可采用射极跟随器 要求电机能正反转，可采用互补对称电路要求电机能正反转，可采用互补对称电路（2）互补对称电路的几点改进：）互补对称电路的几点改进： 功率管采用复合管扩大电流放大倍数功率管采用复合管扩大电流放大倍数 设置工作点减小交越失真设置工作点减小交越失真 在功率管上并联二极管续流电机的反电势在功率管

42、上并联二极管续流电机的反电势（3）功率运算放大器）功率运算放大器（4）计算机对直流电机的控制）计算机对直流电机的控制（5）线性功率放大器的缺点）线性功率放大器的缺点 线性功率放大器的缺点是效率低，只适合小功率电机的线性功率放大器的缺点是效率低，只适合小功率电机的功率放大，大功率电机的功放一般采用功率放大，大功率电机的功放一般采用PWM脉宽调制放大器。脉宽调制放大器。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制3、PWM脉宽调制放大器脉宽调制放大器 (Pulse Width Modulation）（1）原理）原理 功率管工作在开关状态：导通时，电流大、压

43、降小；截功率管工作在开关状态：导通时，电流大、压降小；截止时，压降高、电流小。因此功率管工作时功耗小。止时，压降高、电流小。因此功率管工作时功耗小。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 PWM脉宽调制放大器的工作频率在脉宽调制放大器的工作频率在1KHz到几十到几十KHz，这，这么高频率的电压加到电枢绕组上，由于绕组电感的滤波作用，么高频率的电压加到电枢绕组上，由于绕组电感的滤波作用，绕组中的电流实际为绕组中的电流实际为PWM脉宽调制放大器的直流分量。脉宽调制放大器的直流分量。 通过改变脉宽就可以改变脉冲信号的直流分量，从而可以通过改变脉宽就可以

44、改变脉冲信号的直流分量，从而可以控制电机的正反转。控制电机的正反转。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）PWM脉宽调制放大器组成脉宽调制放大器组成 脉宽调制器：三角波发生器、比较器开关功率放大器脉宽调制器：三角波发生器、比较器开关功率放大器嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（3）开关功率放大器及改进）开关功率放大器及改进 原理图原理图 功率管采用复合管扩大电流放大倍数功率管采用复合管扩大电流放大倍数 在功率管上并联二极管续流电机的反电势在功率管上并联二极管续流电机的反电势 在功率管输入端

45、加延时电路避免功率管共态导通在功率管输入端加延时电路避免功率管共态导通（4）专用芯片：）专用芯片： 集成集成PWM功放功放 L292 ：15引脚，引脚，36V、2A，过载保护，工作频率，过载保护，工作频率130kHz（5）计算机控制）计算机控制 应用专用应用专用PWM芯片芯片 全数字计算机控制全数字计算机控制（6）应用中注意的问题）应用中注意的问题 噪声干扰噪声干扰L292嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制4、实验介绍、实验介绍5、ADT650接口电路板介绍接口电路板介绍 具有具有 并行口并行口71055：功能同：功能同8255 AD1674

46、A：12位位A/D，量程，量程5V，10V或或010V，16路输入通道路输入通道 定时定时/计数器：计数器：82C54（即（即8254） DAC7724：12位位D/A，量程，量程5V，10V，05V或或010V，4路输路输 出出 电路板上占有连续的电路板上占有连续的16个端口地址：个端口地址：300H30FH 电路板有三个可用跳线选择的中断源电路板有三个可用跳线选择的中断源 A/D变换结束信号变换结束信号EOC 82C54定时定时/计数器计数器0的输出的输出OUT0 外部中断外部中断 306H端口的端口的D2位用于选择中断使能（位用于选择中断使能（0IRQ disable，1=IRQ ena

47、ble）嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制6、中断程序编写、中断程序编写（1）中断知识要点）中断知识要点 PC机和机和PC/104总线嵌入式计算机有两种类型的中断：由执行某些指总线嵌入式计算机有两种类型的中断：由执行某些指令引起的软中断（也称内中断）和接口设备引起的硬中断（也称外中令引起的软中断（也称内中断）和接口设备引起的硬中断（也称外中断）。断）。 硬中断的过程受硬中断的过程受8259中断控制器控制。中断控制器控制。ISA总线的硬中断共有总线的硬中断共有15个，个，结构见下图。除结构见下图。除IRQ0、IRQ1外，都在外，都在ISA插槽上

48、有中断申请线。上升插槽上有中断申请线。上升沿申请中断。沿申请中断。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 中断优先级排列为：中断优先级排列为：IRQ0、IRQ1、IRQ8IRQ15、IRQ3IRQ7。 PC机和机和PC/104总线嵌入式计算机（以下简称总线嵌入式计算机（以下简称PC机）的内存的前机）的内存的前1024个字节（即地址为个字节（即地址为00000003FFH）建立了一个中断向量表，可存储）建立了一个中断向量表，可存储256个中断向量，每个中断向量占个中断向量，每个中断向量占4个字节，前个字节，前2个字节为中断服务程序个字节为中断服务程

49、序的入口地址偏移量，后两个字节为段地址。取用时，将这两个字节分别的入口地址偏移量，后两个字节为段地址。取用时，将这两个字节分别装入装入IP及及CS中，以转入中断服务程序。中，以转入中断服务程序。 每个中断向量用类型码加以区别，当执行中断时，每个中断向量用类型码加以区别，当执行中断时，CPU根据类型码乘根据类型码乘4后，得到中断向量地址，进而得到后，得到中断向量地址，进而得到IP及及CS，它就是中断服务程序的入，它就是中断服务程序的入口地址，程序由此转入中断服务程序执行。口地址，程序由此转入中断服务程序执行。 硬中断硬中断IRQ0IRQ7对应的中断类型码为对应的中断类型码为8H0FH ，硬中断，

50、硬中断IRQ8IRQ15对应的中断类型码为对应的中断类型码为70H77H 。 IRQ0系统时钟和系统时钟和IRQ8实时钟二者是有区别的：实时钟二者是有区别的： 系统时钟是指由定时系统时钟是指由定时/计数器计数器8253的的0号通道产生的号通道产生的18.2次次/秒的时钟源，主要用于计算机系统秒的时钟源，主要用于计算机系统的时间基准校正，而实时钟是由的时间基准校正，而实时钟是由CMOS内部的计时电路产生的时间基准。内部的计时电路产生的时间基准。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制（2）中断程序编写举例）中断程序编写举例 中断程序类型说明及定义中断

51、指针，放在主函数中断程序类型说明及定义中断指针，放在主函数main()前前 void interrupt ZD（）（）; void interrupt （*old）（）（）; 主函数主函数main()中：中： disable（）；（）； /*关中断关中断*/ old=getvect（0 x0b）; /*保存原中断向量（例如硬中断）保存原中断向量（例如硬中断）*/ setvect（0 x0b，ZD）; /*设置新中断向量设置新中断向量*/ outportb( 0 x306,0 x04); /*置置ADT650接口板中断使能接口板中断使能*/ enable（）（）; /*开中断开中断*/ /* 程

52、序主体程序主体*/ setvect（0 x0b，old）; /*退出中断返回退出中断返回DOS前，恢复原中断向量前，恢复原中断向量*/ outportb(0 x306,0 x00); /*关接口板中断使能关接口板中断使能*/。嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制 编写中断服务程序（进入中断服务程序后关中断，中断退出前向编写中断服务程序（进入中断服务程序后关中断，中断退出前向8259发出中断结束命令，开中断），一般放在主函数发出中断结束命令，开中断），一般放在主函数main()后面后面 void interrupt ZD（）（） disable（

53、）；（）； /* 关中断关中断*/ /* 程序主体程序主体*/ outportb（0 x20，0 x20）; /* 向向8259发出中断结束命令发出中断结束命令EOI */ enable（）；（）； /* 开中断开中断*/ 嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制7、实验安排、实验安排 第一次实验熟悉接口电路板功能、熟悉第一次实验熟悉接口电路板功能、熟悉C语言编程语言编程 实现：实现： 8254 方式方式3 输出方波输出方波 A/ D 采集采集 并行口输入、输出并行口输入、输出 4个单位时间内完成实验。实验中首先以延时、查询方式完个单位时间内完成实

54、验。实验中首先以延时、查询方式完成实验，在此基础上再应用中断完成实验成实验，在此基础上再应用中断完成实验嵌入式计算机及机电系统接口应用2022年7月1日第二节机电系统状态量的计算机测量和控制五、步进电动机及控制五、步进电动机及控制1、原理和结构、原理和结构 反应式步进电机由转子和定子两部分组成。如图为三相步反应式步进电机由转子和定子两部分组成。如图为三相步进电机，进电机，6个大极，对称的大极绕组形成一相控制绕组。个大极，对称的大极绕组形成一相控制绕组。 转子转到磁阻最小的位置，产生电磁力转子转到磁阻最小的位置，产生电磁力。 定子上磁场是步进的，转子也是步进的定子上磁场是步进的，转子也是步进的。 通电方式通电方式：单三拍：单三拍：A-B-C双三拍：双三拍：AB-BC-CA六拍：六拍：A-AB-B-BC-C-CA嵌入式计算机及机电系统接口应用2022