计算机控制系统2014资料资料讲解

计算机控制系统2014资料3.1概述

1.常规外围设备，如键盘、CRT显示器、打印机、磁盘机等

2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等外设通过什么与CPU的总线相连？

为什么外围设备不能像存储器那样直接挂到主机CPU的总线上呢？

一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外设：输入输出（I／O）接口和输入输出（I／O）通道存储器和外围设备各自不同的性质、特点3.1概述（1）存储器功能单一（保存信息）、品种有限（ROM、RAM）、存取速度与CPU的工作速度基本匹配。因此，存储器可以直接挂到CPU总线上，很方便（2）外围设备种类繁多，有机械式的、机电式的或电子式的；有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠CPU及其总线是无法承担的，必须增加I／O接口电路和I／O通道才能完成I／O接口和I／O通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分3.1概述I／O接口电路I／O信号的种类I／O通道计算机和外部的通信方式3.1概述3.1.1I／O接口电路（1）I／O接口电路也简称接口电路，主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）功能：在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用（2）为什么要设置接口电路?解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能3.1概述3.1.1I／O接口电路解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题主机的CPU是高速处理器件，而外围设备的工作速度比CPU的速度慢得多。为保证CPU的工作效率并适应各种外围设备的速度配合要求，应使CPU和外围设备异步工作，这就要在CPU和外围设备之间进行协调和通信联络，这仅靠CPU和外围设备本身往往是难于解决的，需借助于I／O接口电路

I／O接口电路为完成时序配合和通信联络功能，通常都设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。通过接口电路，CPU采用查询或中断控制方式为慢速外围设备提供服务，就可保证CPU和外围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了CPU的利用率3.1概述3.1.1I／O接口电路解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题CPU是按并行处理设计的高速处理器件

速率和电平要求匹配3.1概述3.1.1I／O接口电路解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题

不能将各外围设备的数据线、地址线直接挂到CPU的数据总线和地址总线上（a）CPU总线的负载能力的问题（b）外围设备端口的选择问题

过多的信号线直接接到CPU总线上，必将超过CPU总线的负载能力采用接口电路可以分担CPU总线的负载，使CPU总线不致于超负荷运行，造成工作不可靠

所有外围设备的数据线都直接接到CPU的数据总线上，数据总线上的信号将是混乱的无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来自哪一个外围设备的数据3.1概述3.1.1I／O接口电路接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能

一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为位控口多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇／偶校验、冗余校验等3.1概述3.1.2I／O通道

I／O通道也称为过程通道，是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道（1）功能

将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送人计算机计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控制对象3.1概述3.1.2I／O通道（2）I／O接口和I／O通道的联系

接口和通道紧密相连：都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）之间信息交换而设的器件

在电路上往往结合在一起了解决微型计算机和外部（包括常规外围设备、被控对象和系统的操作者）的连接问题，以使计算机和外部构成一个整体，能正确、可靠、高效率的交换信息3.1概述3.1.3I／O信号的种类（1）数据信息数据信息、状态信息和控制信息

数字量模拟量开关量脉冲量

指由键盘、磁盘机、拨码开关、编码器等输入的信息主机送给打印机、磁盘机、显示器、被控对象等的输出信息二进制码的数据或是以ASCll码表示的数据或字符（通常为8位的）

来自现场的温度、压力、流量、速度、位移等物理量也是一类数据信息一般通过传感器将这些物理量转换成电压或电流要经过A／D转换变成数字量，最后送入计算机从计算机送出的数字量要经过D／A转换，变成模拟量，最后控制执行机构模拟量代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换

开关量表示两个状态，如开关的闭合和断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等只要用一位二进制数就可以表示

一个一个传送的脉冲列脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某种物理量如检测装在电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，可以获得电机的转速和角位移数据信息3.1概述3.1.3I／O信号的种类（2）控制信息

控制信息随外围设备的不同而不同有的控制外围设备的启动、停止

有的控制数据流向，控制输入还是输出有的作为端口寻址信号等（3）状态信息

外围设备通过接口向CPU提供反映外围设备所处的工作状态信息，作为两者交换信息的联络信号

输入时：CPU读取准备好（READY）状态信息，检查待输入的数据是否准备就绪，若准备就绪则读入数据，未准备就绪就等待

输出时：CPU读取忙（BUSY）信号状态信息，检查输出设备是否已处空闲状态，若为闲状态则可向外围设备发送新的数据，否则等待3.1概述3.1.4计算机和外部的通信方式（1）并行通信

计算机和外部交换信息又称为通信（Communication），按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。

把传送数据的n位数用n条传输线同时传送

优点：传送速度快、信息率高通常只要提供二条控制和状态线，称为握手信号线，就能完成CPU和接口及设备之间的协调、应答，实现异步传输

缺点：并行通信所需的传输线多，增加了成本，接线也较麻烦

Intel系列的8255A，都是可编程的并行1／O接口芯片3.1概述3.1.4计算机和外部的通信方式（2）串行通信

数据按位进行传送的每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收串行通信又分为

全双工方式半双工方式同步方式异步方式

串行接口和外围设备间除公共地线外，有二根数据传输线串行接口可以同时输入和输出数据计算机可同时发送和接收数据信息传输效率较高

串行接口和外围设备间除公共地线外，只有一根数据传输线某一时刻数据只能一个方向传送信息传输效率低些

将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧在每帧信息的开始加上同步字符，接着字符一个接一个地传输接收端在接收到规定的同步字符后，按约定的传输速率，接收对方发来的一串信息些

每次传送一个字符3.2系统配置与系统扩展硬件设计原则软件设计原则扩展存储器的接口设计3.2系统配置与系统扩展3.2.1硬件设计原则

硬件电路包括系统扩展和系统配置两方面的问题，系统扩展和系统配置应遵循下列原则：

尽可能选择典型电路，便于实现系统的标准化和模块化结构，也便于维修更换

系统的扩展与外围设备配置的水平，在满足应用系统功能要求的前提下，应留有余地，便于二次开发

硬件结构设计结合应用软件方案一并考虑，凡能用软件实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构，降低成本CPU与系统中相关器件的速度匹配和功能匹配应留有余地，保证系统正常运行3.2系统配置与系统扩展3.2.2软件设计原则

可靠性灵活性和通用性实用性方便性

只有高可靠性才能保证系统正常运行不仅要求硬件系统具有高的可靠性软件系统的可靠性同样重要

对规定的任务进行算法设计，挑选最适合这种具体应用的算法采用模块化和子程序化方法编写个接口服务程序，最后完成系统的监控和管理程序便于程序的移植和修改，在硬件环境不便的情况下，仅对软件稍加改动就可实现其他功能，使系统具有较大的灵活性和通用性

在测控对象允许的时间间隔内，对系统进行控制计算和处理

系统上电后，直接进入工作程序最大限度地减少人工干预，应编制自检和故障诊断程序3.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计

存储器容量的确定原则：根据系统设计要求和CPU的功能，确定选用存储芯片的型号及数量

存储器与CPU的时钟匹配问题

寻址方式：线选和译码法

外部地址译码器74LS138/139

外部扩展RAM6264/62128/62256

外部扩展ROM2764/27256/275123.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计

存储器容量的确定原则：根据系统设计要求和CPU的功能，确定选用存储芯片的型号及数量

存储器与CPU的时钟匹配问题

寻址方式：线选和译码法

外部地址译码器74LS138/139

外部扩展RAM6264/62128/62256

外部扩展ROM2764/27256/275123.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计外部扩展RAM6264/62128/622566264功能与工作方式图3-26264功能图3.2系统配置与系统扩展地址译码电路的设计步骤：（1）根据系统中实际存储器容量，确定存储器在整个寻址空间中的位置（2）根据所选存储芯片的存储容量，画出地址分配图或列出地址分配表（3）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出相应的地址位图（4）选用合适器件，画出译码电路图3.2.3扩展存储器的接口设计思考题：

某微机系统地址总线为16位，实际存贮器容量为16KB,ROM和RAM区各占8KB。其中ROM区采用2KB的EPROM芯片，RAM采用容量为1KB的静态RAM芯片。试设计该存储器的地址译码器3.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计（1）根据系统中实际存储器容量，确定存储器在整个寻址空间中的位置64KB:0000H~FFFFH16KB:0000H~3FFFHRAM(8KB):2000H~3FFFH解：EPROM(8KB):0000H~1FFFH3.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计

（2）根据所选存储芯片的存储容量，画出地址分配图或列出地址分配表芯片号类型与容量地址范围芯片号类型与容量地址范围1ROM2KB0000~07FFH7RAM1KB2800~2BFFH2ROM2KB0800~0FFFH8RAM1KB2C00~2FFFH3ROM2KB1000~17FFH9RAM1KB3000~33FFH4ROM2KB1800~1FFFH10RAM1KB3400~37FFH5RAM1KB2000~23FFH11RAM1KB3800~3BFFH6RAM1KB2400~27FFH12RAM1KB3C00~3FFFH3.2系统配置与系统扩展3.2.3扩展存储器的接口设计

（3）根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出相应的地址位图A15A14A13A12A11A10A9~A0000000000~07FFH（片1）000010800~0FFFH（片2）000101000~17FFH（片3）000111800~1FFFH（片4）0010002000~23FFH（片5）00112400~27FFH（片6）0010102800~2BFFH（片7）00112C00~2FFFH（片8）0011003000~33FFH（片9）00113400~37FFH（片10）0011103800~3BFFH（片11）00113C00~3FFFH（片12）RAM内译码二次译码RAM片选译码ROM区RAM区ROM内译码一次译码译码允许ROM片选译码

（4）选用合适器件，画出译码电路图

方法一：用138译码器完成一次译码，用适当逻辑门（或门）完成二次译码，则得到地址译码电路74LS138ABC(1)(2)(3)(4)≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

≥1

1(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)A11A12A13A14A15+5VA10.

（4）选用合适器件，画出译码电路图方法二：用139和138实现第三次课结束数字量（开关量）信号：开关的闭合与断开继电器或接触器的吸合与释放马达的启动与停止阀门的打开与关闭“0”和“1”表示3.3数字量输入输出通道数字量输入输出接口技术数字量输入通道数字量输出通道生产过程的状态信息可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息MOVDX,portINAL,DX

数字量输入接口D074LS2441A2D1D2D3D4D5D6D71A11A31A51A41A61A71A81Y21Y11Y31Y51Y41Y61Y71Y8CSIOR输入接口PC总线2G1G≥1

3.3数字量输入输出通道3.3.1数字量输入输出接口技术（1）数字量输入接口控制状态需要保持，直到下次给出新的值为止MOVAL,DATAMOVDX,portOUTDX,AL可用锁存器74LS273对状态输出信号尽心锁存数字量输出接口≥1

D0CLKCLR74LS273D2D1D2D3D4D5D6D7D1D3D5D4D6D7D8Q2Q1Q3Q5Q4Q6Q7Q8CSIOWRESETPC总线输出接口3.3数字量输入输出通道3.3.1数字量输入输出接口技术（2）数字量输出接口接受外部装置或生产过程的状态信号地址译码器输入缓冲器输入调理电路PC总线来自生产过程数字量输入通道结构3.3数字量输入输出通道3.3.2数字量输入通道（1）数字输入通道的结构

基本功能:电压、电流、开关的触点状态信号的形式：小功率输入调理电路+5VR1R2C0.1uFK(a)采用积分电路+5VR3R4K(b)采用R-S触发器&&QQTTL电平1RSRSQQ0101101011保持3.3数字量输入输出通道3.3.2数字量输入通道（2）输入调理电路将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机可以接收的逻辑信号+5VR3K+48VR1R2大功率输入调理电路返回本节首页3.3数字量输入输出通道3.3.2数字量输入通道数字量输出通道结构输出锁存器输出驱动器地址译码器PC总线去生产过程3.3数字量输入输出通道3.3.3数字量输出通道3.4A/D转换器及其接口技术模拟输入通道设计中应考虑的问题A/D转换器A/D转换器接口技术3.4.1模拟输入通道设计中应考虑的问题集成传感器，带微处理传感器逐次逼近式双积分式（抗干扰性能更好）全并行式

V/F转换串行A/D3.4A/D转换器及其接口技术（1）信号的拾取和调整(滤波，放大，隔离等)（2）

A/D转换基本原理主要就是转换精度和转换速度原则：转换精度：偏差，量化误差，偏移(零植)误差，满度误差，非线性误差分辨率:选择A/D芯片位数比总精度位数多1位转换速度：3.4A/D转换器及其接口技术3.4.1模拟输入通道设计中应考虑的问题（3）转换方式的选择逐次逼近式：μs级双积分式：ms全并行式：ns级V/F转换串行A/D某测温系统0~100℃,要求：①测量精度1℃，转换时间≯1ms②测量精度0.2℃，转换时间≯0.5s选择A/D芯片①7位可以满足，选8位逐次逼近式或串行A/D②选10位以上。选双积分抗干扰能力强解：3.4A/D转换器及其接口技术3.4.1模拟输入通道设计中应考虑的问题例：ADC0809的原理结构

8路模拟开关比较器地址锁存与译码ABCALESAR开关树256RT型电阻网络控制逻辑与时序三态输出锁存缓冲器VXVCEOCSTARTCLKIN7…IN0D7…D0OEVref（+）

Vref（-）DAC输出允许转换结束三位地址地址锁存8位数据输出8路模拟量输入启动时钟3.4A/D转换器及其接口技术3.4.2A/D转换器（1）

8位A/D转换器ADC0809ALESTARTEOCDO7~0tOEDATAOUTC.B.A3.4A/D转换器及其接口技术3.4.2A/D转换器（2）

ADC0809的转换时序3.4A/D转换器及其接口技术3.4.3A/D转换器接口技术ADC08098255A分频GNDCLKVCCIN0...IN7Vref(-)Vref(+)+5VD7D0......PA0PA7OEEOCSTARTALECBAPC7PC3PC2PC0PC1CLK接PC总线+5V3.4A/D转换器及其接口技术3.4.3A/D转换器接口技术假定在主程序中完已成对8255A的初始化编程，并已装填了ES和DS，使它们有相同的段值，系统分配给8255A的地址为2C0H~2C3H。8255A的A组和B组都工作于方式0，端口A为输入口，端口C上半部分为输入而下半部分为输出口特征位(D7=0)不用（D5D4D3)C口位选择(D3D2D1)置位/复位（D0）ADC0809采集8路模拟量的程序设计8255A按位置位/复位命令字：3.4A/D转换器及其接口技术3.4.3A/D转换器接口技术ADC0809采集8路模拟量的程序设计ADC0809PROCNEARMOVCX,8CLDMOVBL,00HLEADI,DATABUFNEXTA:MOVDX,02C2HMOVAL.BLOUTDX,ALINCDXMOVAL,00000111BOUTDX,ALNOPNOPNOPMOVAL,00000110H

OUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXJESTAL,80HJNZNOSCNOEOC:INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOCMOVDX,02C0HINAL,DXSTOSDATABUFINCBLLOOPNEXTARETADC0809ENDP第四次课结束3.4A/D转换器及其接口技术3.4.4MCS-51和ADC0809的接口

硬件电路

地址锁存.8031ADC0809ALEP0.7P0.0P2.7WRRDINTCKDQQA0A1A2D0D7ABCCLKSTARTALEOEEOC.IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2++3.4A/D转换器及其接口技术3.4.4MCS-51和ADC0809的接口

接口程序

试用查询和中断两种方式编写程序，对数据进行采集IN5通道上的，并将转换结果送入内部RAM20H单元 ORG 0000H MOV DPTR，7FF5H；0111111111110101 MOVX @DPTR，A；启动A/D转换

SETB EA ；中断允许EA=1 SETB EX1 ；开外中断1 SETBIT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMP LOOP ；等待中断

END

解：中断方式程序清单：3.4A/D转换器及其接口技术3.4.4MCS-51和ADC0809的接口接口程序

解：ORG 0013H

；外中断1的入口地址LJMP 1000H ；转中断服务程序的入口地址ORG 1000HMOVX A，@DPTR；读取A/D转换数据MOV 20H，A；存储数据RETI ；中断返回中断服务程序：3.4A/D转换器及其接口技术3.4.4MCS-51和ADC0809的接口接口程序

解：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVX@DPTR，A；启动A/D转换LOOP：JB P3.3，LOOP；等待转换结束MOVX A，@DPTR；读取A/D转换数据

MOV20H，A；存储数据

END

查询方式程序清单：3.5模拟量输入通道模拟量输入通道的组成信号调理电路多路转换器模拟量输入通道设计变送器多路转换器A/D转换器采样保持器接口逻辑电路PC总线.........过程参数模拟量输入通道的组成结构3.5模拟量输入通道3.5.1模拟量输入通道的组成将现场物理量变换为电信号抑制干扰、保证A/D转换精度实现多选一将输入信号放大到A/D可接受的范围保持、保证A/D精度进行地址译码，产生片旋信号和写信号信号调理前置放大器核心，实现A到D的转换3.5模拟量输入通道3.5.2信号调理电路在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0-10mA或4-20mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。3.5模拟量输入通道R1R2CIV+5V无源I/V变换电路精密电阻V=R2*I3.5.2信号调理电路+取值:输入0-10mA，输出为0-5V，R1=100Ω，R2=500Ω

输入4-20mA，输出为1-5V，R1=100Ω，R2=250Ω3.5模拟量输入通道3.5.2信号调理电路A＋－R1R3R2R4R5CIVViG=1+R4/R3V=G*R1*I输出限流，保护运放有源I/V变换电路输入0~10mA，输出0~5V：R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ输入4~20mA，输出1~5V：R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ3.5模拟量输入通道电平转化译码驱动电路...VDDVSSINHABCVEEX7X1X0...XCD4051原理图控制禁止端1：断开0：由ABC选通ABC0000011113.5.3多路转换器设计要求：8通道模拟量输入8位分辨率输入量程为单极性0~5VA/D转换时间为25us应答方式为中断3.5模拟量输入通道3.5.4模拟量输入通道设计3.5模拟量输入通道3.5.4模拟量输入通道设计8031和ADC0809的接口如图所示，编程对8个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以30H单元为始地址的输入缓冲区

8031EAALEP0.7P0.0~WR地址锁存器译码器EOCAALEOESTARTCLOCKD79ADC0809P3.2RDCBD0P0.0P0.2P0.1622710M1M21F0H...IN0IN1IN7IN6IN5IN4IN3IN2.2++3.5模拟量输入通道3.5.4模拟量输入通道设计

ORG0000H

MOVR0，#30H

；数据区起始地址存在R0

MOVR6，#08H；通道数送R6

MOVR7，#00H

；IN0地址送R7

MOVIE，#84H；开中断

SETBIT1

；外中断请求信号为下跳沿触发方式

MOVR1，#0F0H；送端口地址到R1

MOVA,

R7

；IN0地址送A

MOVX@R1，A；启动A/D转换LOOP:

SJMPLOOP接口程序如下：3.5模拟量输入通道3.5.4模拟量输入通道设计ORG0013H

；外中断1的入口地址

AJMP1000H

；转中断服务程序入口地址ORG1000H

MOVXA，@R1；读入A/D转换数据

MOV@R0，A

；将转换的数据存入数据区

INCR0

INCR7

MOVA，R7

；新的模拟通道号送A

MOVX@R1，A

；启动下一通道D/A转换

DJNZR6，LOOP1