《微型计算机控制技术（第2版）》配套教学课件

《微型计算机控制技术》

1.教材国家级精品课程配套教材

于海生等编著，微型计算机控制技术（第2版），清华大学出版社，20092.参考书

2.1谢剑英，微型计算机控制技术，国防工业出版社

2.2何克忠，计算机控制系统，清华大学出版社

2.3刘木清，周小丽，照明自动控制技术，机械工业出版社课程要求与说明《计算机控制技术》是国家级精品课程、自动化专业的主干专业课。4.前续基础课程3.课程的性质程序设计技术（汇编、C/C++/VC、VB）自动控制理论（经典/现代）微机原理（单片机）与接口技术5.主要教学内容

本课程以主流机型ISA/PCI总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计和工程实现方法。结合本专业的特点，介绍照明自动控制系统各个部分的构成和设计第1章绪论1.1计算机控制系统概述1.2计算机控制系统的典型型式1.3计算机控制系统的发展概况和趋势数字控制系统（digitalcontrolsystem）是以数字计算机作为数字控制器，实现对连续对象（或过程）的闭环控制，因此也可以称为计算机控制系统。计算机控制系统由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。1.1计算机控制系统概述

自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

典型的工业生产过程：连续过程（ContinuousProcess）离散过程（DiscreteProcess）批量过程（BatchProcess）自动控制系统原理框图：1.1.1计算机控制系统计算机控制系统：就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。

1.计算机控制系统的工作原理

计算机控制系统的工作原理：①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2.在线方式和离线方式

在线方式（on-line）:生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式。

离线方式(off-line):

生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。3.实时的含义

实时(real-time)：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同。发酵过程和导弹防御系统的对比！思考两个问题一.在线系统是否一定是实时系统？二.实时系统是否一定是在线系统？一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行处理，只要把数据采集来就可以！二.是。不在线肯定不能满足实时性。1.1.2计算机控制系统的组成计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分组成。

1.工业控制机

（1）硬件组成：

（2）软件组成:系统软件；应用软件。

2.生产过程1.1.3常用的计算机控制系统主机

1.可编程序控制器（PC）

2.工控机（IPC）

3.嵌入式系统（MPU,MCU,DSP,SOC…）

4.智能调节器

1.2计算机控制系统的典型形式1.2.1操作指导控制系统优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，开环结构，控制的实时性差，不能控制多个对象。1.2.2直接数字控制（DDC）系统闭环结构，控制的实时性好，可以控制多个回路或对象。1.2.3监督控制（SCC）系统

a）SCC+模拟调节器的控制系统

b）SCC+DDC的分级控制系统1.2.4集散控制系统（DCS）亦称分布式控制系统

1.2.5现场总线控制系统（FCS）1.2.6综合自动化系统

综合自动化系统的整体解决方案：企业资源信息管理系统ERP

（EnterpriseResourcesPlanning）；生产执行系统MES

（ManufacturingExecutionSystem）；生产过程控制系统PCS

（ProcessControlSystem）。综合自动化系统主要包括：

计算机集成制造系统(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)——

制造业；计算机集成过程系统（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）——流程工业。1.3工业控制机的组成结构及特点1.3.1工业控制机的组成工业控制机包括硬件和软件两部分。硬件包括主机(CPU、RAM、ROM)板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。1.工业控制机的硬件组成主机板人机接口系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道(AI)模拟量输出通道(AO)数字量输入通道(DI)数字量输出通道(DO)外部总线内部总线图1-10工业控制机的硬件组成结构2.工业控制机的软件组成(1)系统软件(2)支持软件(3)应用软件1.3.2工业控制机的总线结构1.内部总线(1)ISA总线及其信号线定义16位的ISA总线规范要求与8位PC向下兼容。总线插槽由两部分组成：8位基本插槽和16位扩充插槽ISA共有98根信号线，数据线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟为8MHz,中断源为边沿触发。

(2)PCI/CompactPCI总线简介PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美国SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mb/s(峰值传输率为133Mb/s)。

1）PCI总线的主要性能

2）其它性能3）PCI总线信号定义主控设备49条，目标设备47条，可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数120条（包含电源、地、保留引脚等）。2外部总线1）RS-232串行通信总线引脚号功能引脚号功能1保护地14（辅信道）发送数据2发送数据15发送信号无定时（DCE为源）3接收数据16（辅信道）接收数据4请求发送（RTS）17接收信号无定时（DCE为源）5允许发送（CTS，或清除发送）18未定义6数传机（DCE）准备好19（辅信道）请求发送（RTS）7信号地（公共回线）20数据终端准备好8接收线信号检测21信号质量检测9（保留供数传机测试）22振铃指示10（保留供数传机测试）23数据信号速率选择（DTE/DCE为源）11未定义24发送信号无定时（DTE为源）12（辅信道）接收线信号检测25未定义13（辅信道）允许发送（CTS）RS-232C信号状态状态-15V＜V1＜-5V+5V＜V1＜+15V逻辑状态10信号条件传号（MARK）空号（SPACE）功能OFFONRS-232C电平转换及接口电路2）USB串行通信总线（1）具有热插拔功能（2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备（3）适用于低速外设连接1.3.3工业控制机的特点(1)可靠性高和可维修性好。(2)环境适应性强。(3)控制的实时性。(4)完善的输入输出通道。(5)丰富的软件。(6)适当的计算机精度和运算速度。1.4计算机控制系统的发展概况和趋势1.4.1计算机控制系统的发展概况

1.计算机技术的发展过程

（1）开创时期（1955～1962年）（2）直接数字控制时期（1962～1967年）（3）小型计算机时期（1967～1972年）（4）微型计算机时期（1972年至今）2.计算机控制理论的发展过程（1）采样定理（2）差分方程（3）Z变换法（4）状态空间理论（5）最优控制与随机控制（6）代数系统理论（7）系统辨识与自适应控制（8）先进控制技术

1.4.2计算机控制系统的发展趋势

1.推广应用成熟的先进技术（1）普及应用可编程序控制器（PLC）（2）广泛使用智能调节器（3）采用新型的DCS和FCS2.大力研究和发展先进控制技术

模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术、自适应控制技术、预测控制技术、内模控制技术、分层递阶控制技术、鲁棒控制技术、学习控制技术已成为先进控制的重要研究内容。3.计算机控制系统的发展趋势（1）控制系统的网络化（有线、无线）（2）控制系统的扁平化（3）控制系统的智能化（4）控制系统的综合化本章课程结束，谢谢！

硬件设计:输入输出接口与过程通道设计接口：接口是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术：接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。过程通道：过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道。AI/AO、DI/DO.第2章计算机控制系统的硬件设计技术2.1总线扩展技术2.1.1微型计算机系统I/O端口与地址分配

1.I/O端口及I/O操作（1）数据端口（2）状态端口（3）命令端口

2.I/O端口编址方式（1）统一编址（2）独立编址

2.1.2I/O端口地址译码技术1.I/O端口地址译码电路信号译码电路不仅与地址信号有关，而且与控制信号有关。其中，ISA总线中，使用A0～A9、IOW、IOR等信号组合。2.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码

（2）开关选择译码2.1.3基于ISA总线端口扩展1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制2.2数字量输入输出接口与过程通道2.2.1数字量输入输出接口技术

1.数字量输入接口2.数字量输出接口

汇编：MOVDX,220HMOVAL,8FHINAL,DXMOVDX,221HOUTDX,ALC语言：a=inportb(0x220)outportb(0x221,0x8f)2.2.2数字量输入通道1.数字量输入通道的结构2.输入调理电路

(1)小功率输入调理电路

(2)大功率输入调理电路2.2.3数字量输出通道1.数字量输出通道的结构2.输出驱动电路

(1)小功率直流驱动电路①功率晶体管输出驱动继电器电路②达林顿阵列输出驱动继电器电路MC14162.输出驱动电路

(2)大功率交流驱动电路固态继电器（SSR）2.2.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例研华PCL-730板卡组成框图程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0x220，Ox55)；//奇数通道输出低电平，低8位。outportb(Ox221，0x55)；//奇数通道输出低电平，高8位。inportb(Ox220)；//输入通道0~7的电平状态。inportb(Ox221)；//输入通道8~15的电平状态。汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX2.3模拟量输入接口与过程通道2.3.1模拟量输入通道的组成

由五部分组成。2.3.2信号调理和I/V变换1.信号调理电路

信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。（1）非电信号的检测——不平衡电桥热敏电阻三线制接线图热敏电阻测量电桥电路（2）信号放大电路

1)基于ILC7650的前置放大电路ILC7650的前置放大电路2）AD526可编程仪用放大器AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是xl、x2、x4、x8、x16等五挡。

AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。（表2-5提供状态表）透明模式是13脚CLK端接地。锁存模式是CLK内逻辑信号提供。2.I/V变换（1）无源I/V变换

（2）有源I/V变换2.3.3多路转换器

多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。常用的多路开关有CD4051（或MC14051）、AD7501、LF13508等

图2-21CD4051原理图2.4.4采样、量化及采样／保持器1.信号的采样：按一定的时间间隔，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号转变为在时刻0，T,2T…的脉冲输出信号2.量化所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间、孔径误差孔径误差的消除(2)采样保持原理

3.采样保持器（3）常用的采样保持器常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。引脚排列如下图所示。

1.集成A/D转换器-ADC0809/0808为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。主要特性

1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

多路转换开关ABCIN0IN1IN7A/D转换2.3.5A/D转换器及其接口技术结构：一个8位逐次逼近式A/D转换器、8路模拟转换开关、3-8地址锁存译码器和三态输出数据锁存器。引脚8路模拟量输入信号端：IN0～IN78位数字量输出信号端：D0～D7START-启动端EOC－转换结束信号，转换结束变高电平OE－输出有效控制位CLOCK－时钟输入端VCC-正电源输入端，即＋5V电源端REF+－正参考电源输入端GND－接地端REF-－负参考电源输入端ALE－地址锁存控制位ADDA、ADDB、ADDC－通道选择地址信号输入端图ADC0809工作时序图图7.73ADC0809的一种接口电路

结合图，并假定系统初始化时已将74LS273的Q7初始化为0，则采集程序可如下：

ACQ09：MOVAX，SEGDATAMOVDS，AXMOVSI，OFFSETDATAMOVBL，0MOVCL，8GOON：MOVAL，BLMOVDX，007AHOUTDX，AL；送出路地址ORAL，80HOUTDX，AL；送ALE上升沿

ANDAL，7FHOUTDX，AL；输出STARTNOPMOVDX，0079HPWAT：INAL，DX；读EOC状态

ANDAL，01HJZPWATMOVDX，007AHMOVAL，BLORAL，40HOUTDX，AL；使OE=1MOVDX，0078HINAL，DX；读A/D变换器数据MOV［SI］，AL；存入内存INCSIINCBLDECCLJNZGOONMOVDX，007AHMOVAL，0OUTDX，ALRET2.12位A/D转换器AD574A/1674(1)12位A/D转换器

(2)三态输出锁存缓冲器

(3)控制逻辑图AD574的引脚图

各引脚的定义如下：

REFOUT：内部参考电源电压输出(＋10V)。

REFIN：参考电压输入。

BIP：偏置电压输入。

10VIN：±5V输入或0～10V输入。

20VIN：±10V输入或0～20V输入。

DB0～DB11：高字节为DB8～DB11，低字节为DB0～DB7。

STS：“忙”信号输出，高电平有效。

12/8：变换输出字长选择端，输入为高电平时，变换字长输出为12位；输入为低电平时按8位输出。CS：片选信号。

A0：字节地址控制输入，在启动A/D时(R/C＝0)，用来控制转换长度。A0＝0时转换长度为12位，A0＝1时转换长度为8位。在变换数据输出时，在12/8＝0的情况下，A0＝0，输出高8位数据DB4～DB11；A0＝1时，输出低4位数据DB0～DB3。

R/C：数据读输出和转换控制输入。

CE：工作允许信号，高电平有效。＋15V、－15V：＋15V、－15V电源输入端。

AGND：模拟地。

DGND：数字地。AD574A/1674逻辑真值表R/12/CEA0工作状态0××××禁止×1×××禁止100×0启动12位转换100×1启动8位转换101接+5V×12位并行输出有效101接地0高8位并行输出有效101接地1低4位加上尾随4个0有效图

AD574经8255与8位ISA系统总线相连接

3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口A/D转换的子程序段如下：（1）启动子程序

ADSTART:MOVDX，BASE+0OUTDX，ALNOPRET（2）读数子程序

ADREAD:MOVDX，BASE+2 INAL，DXMOVAH，ALMOVDX，BASE+3INAL，DXRET

假设片选信号有效时，高位地址为BASE，则12位A/D启动控制端口地址为BASE+0，A/D数据输出高8位端口地址为BASE+2，低4位端口地址为BASE+3。2.3.6模拟量输入通道模板举例图2-36PCL-813B数据采集卡组成框图PCL-813B的寄存器地址

寄存器地址：基地址+偏移量寄存器格式：2.程序设计举例

PCL-813BA/D转换基于查询方式，由软件触发。A/D转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D转换正在进行。当A/D转换完成后，该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。PCL-813B是台湾研华公司生产的数据采集卡，单端32CH，光电隔离。AD574A/1674。2.4模拟量输出接口与过程通道2.4.1模拟量输出通道的结构型式

1.一个通道设置一个数/模转换器的形式

2.多个通道共用一个数/模转换器的形式D/A转换器设计要点一、D/A的主要技术性能指标精度－分辨率环境条件－反映环境温度影响的增益温度系数转换精度与转换时间（以位数表示）数字输入特性中的接收数码制、数据格式、逻辑电平、模拟输出中的参考电压、参考电阻。二、参考电压配置有些D/A内部参考源Vref影响输出外部参考电压源、稳亚源考虑精度，稳定性MC1403,REF3025…2.4.2D/A转换器及其接口技术三、输入与模拟输出电压的变换特性VO=VREF/2n×D (VREF-参考电压)四、D/A转换器的性能指标1.分辨率：输入数字发生单位数码变化时，即1LSB位产生一次变化时，所对应的模拟量（电压或电流）的变化量2.量程和实际满量程标称满量程（NFS)是指对应于数字量标称值2n的模拟输出量但实际数字量最大为2n－1，比标称满量程小一个LSB实际满量程AFS=NFS-13.精度：不考虑转换误差时，即分辨率的大小，还与外电路有关，当外电路或电源有较大误差时，会造成D/A转换误差4.建立时间：输入数字量变化后模拟输出量稳定到相应数值范围内所需时间（ts）5.尖峰：输入码发生变化时刻产生的瞬间误差

1.8位DAC0832：8位双缓冲器结构的D/A转换器。一.DAC0832的结构与应用特性由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成，为20脚双列直插封装。8位DACDAC寄存器输入寄存器-+IOUT2IOUT1RVERVOD0～7AGNDPA0PA1CPU控制ILE,CS,WR1,WR2XFER两级锁存，实现多通道D/A同步转换输出无内部参考源电流输出，加运放外部电路输出电压二.与51单片机接口a点电压0～－5Vb点电压－5V~+5VMOVDPTR,#7FFFH;指向DAC0832MOVA,#data；数字量装入累加器MOVX@DPTR,A；数字量从P0口送至P2.7所指向的地址有效时，完成一次D/A输入与转换只要WR有效，一步完成数字量锁存与D/A转换MOVDPTR,#0DFFFH;指向0832（1）MOVA,#data1；data送入0832（1）锁存MOVX@DPTR,A；MOVDPTR,#0BFFFH；指向0832（2）MOVA,#data2；data送入0832（2）锁存MOVX@DPTR,AMOVDPTR,#7FFFH；给0832（1）（2）提供信号，同时完成D/A转换MOVX@DPTR,A分时锁存，同步转换P2.5P2.6选择两路D/A的输入寄存器，控制输入锁存P2.7控制同步转换输出反向锯齿波正向锯齿波双向锯齿波三角波反向锯齿波MOVDPTR#0DFFFHDA1:MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6MOVX@DPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1②正向锯齿波MOVDPTR#0DFFFHDA1:MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6,#0FFH,DA2AJMPDA1③双向锯齿波MOVDPTR,#0DFFFHMOVR6,#00HDA1:MOVA,R6MOVX@DPTR,AINCR6AJMPDA1④正向三角波MOVDPTR,#0DFFFHDA1:MOVR6,#80HDA2:MOVA,R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6,#0FFH,DA2DA3:DECR6MOVA,R6MOVX@DPTR,ACJNER6,#80H,DA3AJMPDA10832与ISA总线接口2.12位D/A转换器接口及编程

12位=高8位+低4位DAC1210接口2.4.3单极性与双极性电压输出电路2.4.4V/I变换1.集成V/I转换器ZF2B202.集成V/I转换器AD6942.4.5模拟量输出通道模板举例图2-41PCL-726板卡组成框图寄存器格式:寄存器的地址分配表2.D/A转换程序流程

3.程序设计举例2.5硬件抗干扰技术2.5.1过程通道抗干扰技术2.5.2CPU抗干扰技术2.5.3系统供电与接地技术干扰:就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。克服干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施干扰的来源：外部干扰和内部干扰。

外部干扰:主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。

内部干扰:主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。

分布电容：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容。

分布电感：由于导线布线和元器件的分布而存在的电感叫分布电感

。根据电感器的频率特性，由于分布电感的数值一般不大，在低频可以不考虑分布电感的影响，但对于高频交流电路，分布电感的影响就不能忽略.2.5.1过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法

(1)串模干扰所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。

（2）串模干扰的抑制方法

①采用低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。

一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。

②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。④从选择器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。⑤采用双绞线减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。2．共模干扰及其抑制方法

（1）共模干扰共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm。

共模干扰示意图单端对地输入和双端不对地输入

对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。

ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：

为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)来表示，即

Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。(2)共模干扰的抑制方法①变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。

②光电隔离

③浮地屏蔽采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。④采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。常用的有AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），AD623等等.3.长线传输干扰及其抑制方法(1)长线传输干扰①长线的“长”是相对的；②信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。波反射现象：阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。(2)长线传输干扰的抑制方法

采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。双绞线与同轴电缆。双绞线的波阻抗一般在100至200Ω之间，绞花越密，波阻抗越低。①终端匹配：②始端匹配：2.5.2CPU抗干扰技术计算机控制系统的CPU抗干扰措施：①Watchdog(俗称看门狗)②电源监控(掉电检测及保护)③复位MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。

MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位输入。另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。1．MAX1232的结构原理MAX1232引脚图MAX1232内部原理图2．MAX1232的主要功能(1)电源监控(2)按钮复位输入(3)监控定时器(Watchdog)(1)电源监控

电压检测器监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为4.62V，10%容限时的电压典型时为4.37V)就输出并保持复位信号。选择5%的容许极限时，TOL端接地；选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。(2)按钮复位输入MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD是按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。

一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。该PBRST在芯片内部被上拉到大约100μA的Vcc上，因而不需要附加的上拉电阻。(3)监控定时器(Watchdog)

用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复。微处理器用一根I/O线来驱动输入ST，微处理器必须在一定时间内触发ST端(其时间取决于TD)，以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，ST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位端输出至少保持250ms的宽度。监控电路MAX1232的典型应用3.掉电保护和恢复运行电网瞬间断点或电压突然下降将使微机系统陷入混乱，电网电压恢复后，微机系统难以恢复，掉电信号由MAX1232检测，加到微处理器的外部中断输入端。电源恢复正常时，CPU重新上电复位，复位后检测是否有掉电标记，如果没有，按一般开机程序执行。2.5.3系统供电与接地技术

1．供电技术2．接地技术1．供电技术(1)供电系统的保护措施(2)电源异常的保护措施计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS。电池充电器交流稳压器电池组逆变器控制器直流稳压器计算机220VAC图2-56具有不间断电源的供电结构2.接地技术(1)地线系统分析

什么是地线？

地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径”。

在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。

安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。

系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。

交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。单点接地的目的：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。(2)低频接地技术①一点接地方式两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地)。各自的优缺点：从防止噪声角度看，如左图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。②实用的低频接地

一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。这三条地线应在一点连接接地。(3)通道馈线（电缆）的接地技术

①电路一点地基准:如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。②电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。(4)主机外壳接地但机芯浮空

将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮空。(5)多机系统的接地

近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。本章课程结束，谢谢！第3章数字控制技术3.1数字控制基础3.2逐点比较法插补原理3.3多轴步进驱动控制技术3.4多轴伺服驱动控制技术

数控技术和数控机床是实现柔性制造（FlexibleManufacturing，FM）和计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的最重要的基础技术之一。3.1.1数控技术发展概况特征阶段年代典型应用驱动特点研究开发1952～l969数控车床、铣床钻、铣床3轴以下步进、液压电机推广应用l970～l985加工中心、电加工、锻压直流伺服电机系统化l982柔性制造单元(FMU)柔性制造系统(FMS)交流伺服电机高性能集成化l990至今计算机集成制造系统(CIMS)、无人化工厂直线驱动3.1数字控制基础3.1.2数字控制原理

按时序或事序规定工作的自动控制成为顺序控制。

用代表加工顺序、加工方式和加工参数的数字码作为控制指令的数字控制系统（numerical

control

systems）。

所谓数字控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数字程序控制主要应用于机床控制,采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。组成:数字程序控制系统由输入装置,输出装置,控制器和插补器等四大部分组成。其中,控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。xyabcd当给定a、b、c、d各点坐标x和y值之后，如何确定各坐标值之间的中间值?求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。

首先用计算机上重现下面平面图形，以此来简要说明数字程序控制的基本原理。

所谓直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，也就是由此定出中间点连接起来的折线近似于一条直线，并不是真正的直线。

所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近，也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧。常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。

从理论上讲，插补的形式可用任意函数形式，但为了简化插补运算过程和加快插补速度，常用的是直线插补和二次曲线插补两种形式。3.1.3数字控制方式点位控制：只要求控制刀具行程终点坐标，不规定路径、移动速度和方向。孔加工机床（钻床、镗床，冲床等）

直线控制：控制行程的终点坐标值，还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴做直线运动，且在运动中进行切削加工。铣床，车床、磨床、加工中心3.轮廓控制：能控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。铣床，车床、磨床、齿轮加工机床。3.1.4数字控制系统1.开环数字控制2.闭环数字控制1.开环数字控制

没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。本章主要是讨论开环数字程序控制技术。2.闭环数字控制

执行机构多采用直流电机（小惯量伺服电机和宽调速力矩电机）作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器（码盘）、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。3.1.5数控系统的分类1.传统数控系统2.开放式数控系统（1）PC嵌入NC结构式数控系统（2）NC嵌入PC结构式数控系统

(3)SOFT型开放式数控系统3.网络化数控系统3.2插补原理在CNC数控机床上，各种曲线轮廓加工都是通过插补计算实现的，插补计算的任务就是对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限个坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，用折线逼近所要加工的曲线。插补方法可以分为两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补是控制单个脉冲输出规律的插补方法，每输出一个脉冲，移动部件都要相应的移动一定距离，这个距离就是脉冲当量，因此，脉冲增量插补也叫做行程标量插补。如逐点比较法、数字积分法。该插补方法通常用于步进电机控制系统。数据采样插补，也称为数字增量插补，是在规定的时间内，计算出每个坐标方向的增量值、刀具所在的坐标位置及其他一些需要的值。这些数据严格的限制在一个插补时间内计算完毕，送给伺服系统，再由伺服系统控制移动部件运动，移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行程，因此数据采样插补也称作时间标量插补。数据采样插补采用数值量控制机床运动，机床各坐标方向的运动速度与插补运算给出的数值量和插补时间有关。该插补方法是用于直流伺服电动机和交流伺服电动机的闭环或半闭环控制系统。数控系统中完成插补工作的部分装置称为插补器。3.2.1逐点比较法直线插补逐点比较法插补:每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。加工精度:逐点比较法规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即步长）取得足够小，就可达到加工精度的要求。1．第一象限内的直线插补（1）偏差计算公式直线段OA，起点坐标原点，终点(xe，ye)。点m(xm,ym)为动点.若点m在直线段OA上，则有:xm/ym＝xe/ye即ymxe-xmye＝0定义偏差判别式为:Fm＝ymxe-xmye

若Fm＝0，点m在直线段上；若Fm＞0，点m在直线段的上方，即点mˊ处；若Fm＜0，点m在直线段的下方，即点m＂处。第一象限直线逐点比较法插补的原理是：从直线的起点出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm＜0时，沿＋y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时，发出终点到信号，停止插补。推导简化的偏差计算公式：①设加工点在m点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿＋x方向进一步至(m＋1)点，该点的坐标值为

xm+1=xm+1ym+1=ym

该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye②设加工点在m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向＋y

方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为

xm+1=xmym+1=ym+1

该点的偏差为

Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe

简化后偏差计算公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。特别要注意，起点的偏差是已知的，即F0＝0。（2）终点判断方法①设置Nx和Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx和Ny计数器中分别存入终点坐标值xe和ye，在x坐标（或y坐标）进给一步时，就在Nx计数器（或Ny计数器）中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零时，到达终点。②用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy＝0，则就达到终点。（3）插补计算过程

四个步骤的插补计算过程，即①偏差判别②坐标进给③偏差计算④终点判断2.四个象限的直线插补

偏差

1象限

2象限

3象限

4象限

偏差公式

Fm≥0

+x

-x

-x

+x

Fm=Fm-ye

Fm＜0

+y

+y

-y

-y

Fm=Fm+xe3.直线插补运算的程序实现（1）数据的输入及存放开辟六个单元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分别存放终点横坐标xe、终点纵坐标ye、总步数Nxy、加工点偏差Fm、直线所在象限值xoy和走步方向标志。其中：Nxy=Nx+Ny,xoy等于1、2、3、4分别代表第一、第二、第三、第四象限，Fm的初值为F0＝0，ZF＝1、2、3、4分别代表+x、-x、+y、-y走步方向。

（2）直线插补计算的程序流程〔例3.1〕设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。〔解〕坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1.步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=0轨迹如图：3.2.2逐点比较法圆弧插补1．第一象限内的圆弧插补（1）偏差计算公式逆圆弧AB，圆弧的圆心在坐标原点，圆弧的起点为A(x0,y0)，终点B(xe,ye)，圆弧半径为R。可得：

Rm２=xm2+ym2R2=x02+y02

可定义偏差判别式为

Fm＝Rm２-R2=xm２+ym2-R2若Fm=0，表明加工点m在圆弧上；Fm＞0，表明加工点在圆弧外；Fm＜0，表明加工点在圆弧内。第一象限逆圆弧逐点比较插补的原理：从圆弧的起点出发，当Fm≥0，为了逼近圆弧，下一步向-x方向进给一步，并计算新的偏差；若Fm＜0，为了逼近圆弧，下一步向+y方向进给一步，并计算新的偏差。如此一步步计算和一步步进给，并在到达终点后停止计算，就可插补出图所示的第一象限逆圆弧AB。推导简化的偏差计算的递推公式：①设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm≥0时，应沿-x方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为：xm+1=xm-1ym+1=ym

新的加工点的偏差为Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1②设加工点正处于m(xm,ym)点，当Fm＜0时，应沿+y方向进给一步至(m+1)点，其坐标值为：xm+1=xmym+1=ym+1

新的加工点偏差为

Fm+1=xm+12+ym+12-R2=xm２+(ym+1)2-R2=Fm＋2ym+1

可知，只要知道前一点的偏差和坐标值，就可求出新的一点的偏差。因为加工点是从圆弧的起点开始，故起点的偏差F0＝0。（2）终点判断方法圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。可将x方向的走步步数Nx=|xe-x0|和y方向的走步步数Ny=|ye-y0|的总和Nxy作为一个计数器，每走一步，从Nxy中减1，当Nxy=0时发出终点到信号。（3）插补计算过程圆弧插补计算过程比直线插补计算过程多一个环节，即要计算加工点瞬时坐标（动点坐标）值。圆弧插补计算过程分为五个步骤即偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。2.四个象限的圆弧插补（1）第一象限顺圆弧的插补计算顺圆弧CD，圆弧的圆心在坐标原点，起点C(x0,y0)，终点D(xe,ye),如图所示。设加工点现处于m(xm,ym)点，若Fm≥0,则沿-y方向进给一步，到(m+1)点，新加工点坐标将是(xm,ym-1)，可求出新的偏差为

Fm+1=Fm-2ym+1

若Fm＜0，则沿+x方向进给一步至(m+1)点，新加工点的坐标将是(xm+1,ym)，同样可求出新的偏差为

Fm+1=Fm+2xm+1（2）四个象限的圆弧插补其它象限的圆弧插补可与第一象限的情况相比较而得出，因为其它象限的所有圆弧总是与第一象限中的逆圆弧或顺圆弧互为对称。对于圆弧插补，我们要首先清楚第一步的走步方向。给出相应偏差计算公式当Fm>=0,Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限）

Fm+1=Fm-2xm+1（第二、四象限）当Fm<0,Fm+1=Fm+2xm+1（第一、三象限）

Fm+1=Fm+2ym+1（第二、四象限）

3．圆弧插补计算的程序实现

（1）数据的输入及存放开辟八个单元XO、YO、NXY、FM、RNS、XM、YM和ZF，分别存放起点的横坐标x0、起点的纵坐标y0、总步数Nxy、加工点偏差Fm、圆弧种类值RNS、xm、ym和走步方向标志。这里Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|；RNS等于1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4，RNS的值可由起点和终点的坐标的正、负符号来确定；Fm的初值为F0＝０，xm和ym的初值为x0和y0；ZF=1、2、3、4分别表示+x、-x、+y、-y走步方向。（2）圆弧插补计算的程序流程

y轴指明RNS，可以选择同样的偏差计算公式判断Fm的值判断Fm的值x轴举例：设加工第一象限逆圆弧AB，已知起点的坐标为A(4，0)，终点的坐标为B(0，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判断起点F0=0x0=4,y0=4Nxy=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=-7x1=x0-1=3,y1=0Nxy=72F1<0+yF2=F1+2y1+1=-6x2=3,y2=y1+1=1Nxy=63F2<0+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=y2+1=2Nxy=54F3<0+yF4=F3+2y3+1=2x4=3,y4=y3+1=3Nxy=45F4>0-xF5=F4-2x4+1=-3x5=x4-1=2,y5=3Nxy=36F5<0+yF6=F5+2y5+1=4x6=2,y6=y5+1=4Nxy=27F6>0-xF7=F6-2x6+1=1x7=x6-1=1,y7=4Nxy=18F7>0-xF8=7-2x7+1=0x8=x7-1=0,y8=4Nxy=03.2.3数字积分插补法1.数字积分法的直线插补2.数字积分的圆弧插补

数字积分法又称数字积分分析法DDA(DigitaldifferentialAnalyzer)，简称积分器，是在数字积分器的基础上建立起来的一种插补算法。具有逻辑能力强的特点，可实现一次、两次甚至高次曲线插补，易于实现多坐标联动。只需输入不多的几个数据，就能加工圆弧等形状较为复杂的轮廓曲线。直线插补时脉冲较均匀。并具有运算速度快，应用广泛等特点。

如图所示，从时刻到t求函数曲线所包围的面积时，可用积分公式表示，如果将0～t的时间划分成时间间隔为的有限区间，当足够小时，可得近似公式：若△t

取“1”，上式简化为：

若Δt取最小基本单位“1”，则上式可简化为：S=∑Yi(累加求和公式或矩形公式）这种累加求和运算，即积分运算可用数字积分器来实现，n-1i=0被积函数寄存器+累加器（余数寄存器）ΔtΔY存放Y值若求曲线与坐标轴所包围的面积，求解过程如下：被积函数寄存器用以存放Y值，每当Δt出现一次，被积函数寄存器中的Y值就与累加器中的数值相加一次，并将累加结果存于累加器中，如果累加器的容量为一个单位面积，则在累加过程中，每超过一个单位面积，累加器就有溢出。当累加次数达到累加器的容量时，所产生的溢出总数就是要求的总面积，即积分值。被积函数寄存器+累加器（余数寄存器）ΔtΔY存放Y值被积函数寄存器与累加器相加的计算方法：例：被积函数寄存器与累加器均为3位寄存器，被积函数为5，求累加过程。

101101101101+）000

+）101

+）010

+）111101010111100101101101101+