第4章计算机与控制系统

华北电力大学2023年2月5日机电一体化系统设计第四章计算机与控制系统4.1概述4.2总线型工控机 4.3单片微型计算机4.4可编程控制器4.5计算机接口技术4.6电子CAD（Protel软件）4.1概述一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用：

将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。2.基本要求（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求；（2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬件、软件的容错能力；（3）经济性，在满足任务要求前提下，使系统成本尽可能低；（4）可维护性，检测和维修方便；（5）可扩展性，使系统能在不做大的变动条件下很快适应新的情况。二、机电一体化系统的控制对象1．温度的控制

2．位移、速度和加速度的控制

3．力的控制4．流量的控制5．液面控制6．开关量的控制三、计算机控制系统的组成及原理计算机控制系统可以看成是由控制计算机和生产过程两大部分组成。控制计算机：指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它可以是总线型工业控制计算机，也可以是单片机等等，包括硬件和软件两部分。生产过程：包括被控工业对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。计算机控制系统的组成框图三、计算机控制系统的组成及原理计算机控制系统工作原理的三个步骤：1．实时数据采集2．实时控制决策3．实时控制输出实时与在线的关系：实时，是指信号的输入、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。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。

三、计算机控制系统的组成及原理要依据被控对象的运行状态决定被控对象的变化趋势，构成闭环控制系统。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，正确地选用工业控制计算机系统。三、计算机控制系统的组成及原理四、控制计算机与信息处理机的区别信息处理机：主要用于科学计算和数据处理，其信息处理的数据多样、运算量大，而实时性要求低，比如大、中、小型通用计算机；个人计算机，奔腾计算机等。控制计算机：主要用于设备控制、过程控制和智能化仪表，比如单片机、工控机、可编程控制器等。工业控制计算机采集的数据简单，运算量较小，但实时性要求高，输出形式多样。控制计算机的主要特点：

1．具有完善的过程输入/输出功能

2．具有实时控制功能3．具有高的可靠性：低故障率（MTBF）；短的故障维修时间(MTTR）；运行效率高4．具有较强的环境适应性和抗干扰能力5．丰富的应用软件：面向结构化、组态化发展四、控制计算机与信息处理机的区别五、控制计算机的分类根据计算机系统软硬件及应用特点，将工业控制计算机分为：可编程序控制器（PLC）总线型工业控制计算机单片机4.2总线型工控机

工控机：工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer，IPC）,是一种加固的增强型个人计算机，又叫产业电脑或工业电脑。在工业环境中可靠运行。一、总线型工控机概述总线：计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。总线分内总线和外总线。内总线：内部总线，是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽，包括数据总线、地址总线、控制总线。外总线：又称通讯总线，用于各计算机之间通讯或计算机系统与外部电气设备之间通讯。借用电子工业中已有总线标准，如RS-232C总线和IEEE-488总线等。模块化设计：根据功能要求把控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块，从内总线入手把各功能模块设计制造成“标准”的印制电路板插件（亦称模块），这些模板可以完成控制系统的一个或几个功能，每块模板的底边都有称为“金手指”的插脚，像搭积木一样将硬件插件及模板插人一块公共的称为“底板”的电路板插槽上，组成一个模块网络系统，每个模板均包含了计算机I/O总线所有的信号端脚，插件之间的信息都通过底板进行交换，从而达到控制系统的整体功能。一、总线型工控机概述总线型工控机结构组成IPC的技术特点1．采用符合“EIA”（即ElectronicIndustriesAssociation电子工业协会）标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。2．采用总线结构和模块化设计技术，CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。3．无源底板的插槽由ISA和PCI等总线的多个插槽组成，可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、I/O卡等。4．机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。5．为工业电源，平均无故障运行时间达到250,000小时。

6．设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。7．开放性好，兼容性好，吸收PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。总线型工控机系统的特点：提高设计效率，缩短设计和制造周期。(2)提高了系统的可靠性。(3)便于调试和维修。(4)能适应技术发展需要，迅速改进系统性能。

在我国机电一体化设备中，使用最多的是STD总线和PC总线工控机。二、STD总线STD总线(StandardBus)：美国Prolog公司1978年推出，1987年被批准为IEEE961标准。STD总线主要用于以微处理机为中心的工业测控领域。如工业机器人、数控机床、数采系统、仪器仪表等。STD总线采用底板总线结构，在一块底板上并行布置了数据总线、地址总线、控制总线和电源线。底板上安装若干个56脚插座，56个插脚分别和底板上的56条信号线相连。母板上只有总线，没有其他元器件。因此称之为无源底板。其他的模板，如CPU、A/D等都可以挂接在母板上。这些挂接模板必须符合STD总线的规范，即满足STD总线的电气特性和机械特性。二、STD总线STD总线起先是一个面向8位微型机总线。可容纳各种8位通用微处理器，如8080、8085和8088等。16位微处理器出现后，为了仍旧能使用该总线，采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地址线。所以STD总线是8位/16位兼容的总线，可容纳的16位微处理器有8086、68000、80286等。为能和32位微处理器80386、80486、68030等兼容，又定义了TD32总线标准，并与原来8位总线的I/O模板兼容。STD总线标准对插件尺寸、插脚分配、信号定义和电气标准等都做了规定，还规定了读写时序和持续时间等。二、STD总线STD总线是56条信号线的并行底板总线。56条信号线分为如下4个功能组：(1)8根双向数据总线，引脚7～14。(2)16根地址线，引脚15～30。(3)22根控制线，引脚31～52。(4)10根电源线，引脚1-6，引脚53～56。STD总线采用小板结构4.5in×6.5in，采用56个金手指的板边连接器。STD总线具有以下特点：小板结构：在机械强度、抗断裂、抗振动、抗老化和抗干扰等方面具有优越性。面向I/O的设计：STD总线有很强大的I/O扩展能力。严格的规范和标准化：STD总线严格规定了各条信号线的功能，用户不能随意改。严格的规范带来广泛的兼容性。高可靠性：STD总线是面向工业应用而设计。三、PC总线1．PC/XT总线早期指IBM公司于1981年创建的IBMPC内部总线。其CPU是Intel公司的8088(准16位CPU)，与16位CPU8086相兼容。PC/XT总线支持8位数据传输和20位寻址空间。特点：把CPU视为总线的惟一主控设备，其余外围设备均为从属(slave)设备，包括暂时掌管总线的DMA控制器或协处理器。在PC/XT机的底板上共有8个插槽，称为IBMPC总线或PC/XT总线。它具有62条“金手指”引脚，包括8位双向数据总线、20位地址总线、6根中断请求信号线、3组DMA控制线、4根电源线以及其他控制线。2．ISA(AT)总线ISA（IndustryStandardArchitecture）是工业标准体系结构总线的简称。为适应Intel80286等16位微处理器而设计。ISA(AT)总线比PC/XT总线不仅增加了数据线宽度和寻址空间，还加强了中断处理和DMA传输能力，并且具备了一定的多主控功能。ISA(AT)总线特别适合于控制外设和进行数据通信的功能模块。由于其数据宽度为16位，工作频率为8MHz，数据传输速率最高为16MB/s，所以286、386、486型计算机大多采用ISA总线。3．EISA总线EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture:扩展工业标准结构）：为配合32位CPU而设计的总线扩展标准。它吸收了IBM微通道总线的精华，并且兼容ISA总线。现今已被淘汰。上述总线统称为PC总线。目前市场上推出的PC系列的工控机，是为了适应工业现场的恶劣环境，对原商用PC机在底板、模板、电源及机箱上做了一些改进而形成的。四、PCI总线工业PC机1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集团，其英文全称为：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外围部件互连专业组），简称PCISIG。PCI有32位和64位两种，32位PCI有120引脚，64位有184引脚，目前常用的是32位PCI。32位PCI的数据传输率为133MB/s，大大高于ISA。为了解决PCI总线的瓶颈问题，出现了PCI–X新总线，它能通过增加计算机中央处理器与打印机、网卡等外围设备之间的数据流量来提高计算机的性能。四、PCI总线工业PC机工业PC，机箱结构是工业加固型的，采用了防尘、防振、通风、散热等一系列措施。内部具有电源总线底板，有14槽、12槽、8槽、6槽、3槽等，插入一块ALL–IN–ONE主板和显示卡以及软硬盘即可构成。ALL–IN–ONE主板具有串行口、并行口（打印口）、键盘接口、监视定时器(WatchdogTimer)等。机箱结构均采用全钢材料，具有双冷风扇（使机内为正压力）、软硬盘驱动器保护门、空气过滤网、防振压条等，从而适用于工业环境。PCI总线系统结构原理一．微型计算机的种类

(1)按组装形式分类

按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。

1)单片机（如下图所示）在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入／输出端口电路，该芯片就称为单片微型计算机(SCM-SingleChipMicrocomputer)简称单片机。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96系列等。4.3单片微型计算机单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入／输出(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又称为微控制器(Microcontroller)。同时，它与通用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而它不但是一种高效能的过程控制机，同时也是有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念。目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。单片机应用系统：单片机应用系统由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础。软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。单片机程序设计语言： 机器语言汇编语言高级语言单片机应用系统开发

单片机虽然功能很强，但它却无法独立完成程序录入、查错、改错和程序固化等功能，必需借助于开发工具(仿真器、编程器等)才能实现相关操作。利用独立型仿真器开发：这种仿真器不需要依赖PC机就能独立完成单片机应用系统的在线仿真，便于在现场对应用软件进行调试和修改。利用非独立型仿真器开发：这种开发方式要由PC机和仿真器共同实现。仿真器与PC机之间以串行通讯方式连接，利用PC机配置的组合软件完成开发任务。有些仿真器上还有固化插座，能够将开发调试后的用户程序写入存储器芯片。与前一种相比，这种开发方式在现场参数的修改和调试方面不够方便。不使用仿真器开发：新型单片机开发系统可以不使用仿真器，而是直接将单片机安装到印刷线路板上，利用PC机完成应用程序的编辑、汇编和模拟运行，最后将目标程序串行下载到单片机应用系统。将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的ROM和RAM、输入／输出端口(I/O电路)以及一些辅助电路分别做成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDK-86是以16位微处理器（Intel8086/8088)为中央处理器组装的16位单板机。

2)单板机在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。

根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个完整的微机系统。如IBM-PC(如：PⅡ、PⅢ、PⅣ等)。由PC机组成的控制系统可充分利用PC机原有的系统资源，但由于PC机本来是用作办公自动化的，所以对操作环境有一定的限制，因此，普通PC多用于数据采集系统或其他环境较好的场合。当用在工业现场时，对于各种干扰、振动及环境等要采取防范措施或采用工业PC机。

3)微型计算机系统普通PC机：

工业PC机为了改进普通PC机在工业环境下的适应性，出现了工业PC机。工业PC机是结构经过加固，元器件经过严格筛选、接插件结合部经过强化设计、有良好抗干扰性、工作可靠性并保留了普通PC机的总线及接口标准以及其他优点的微机。通常工业PC也配有种类齐全的PC总线接口模板，包括：数字量I/O板，A/D板，D/A板，定时器/计数器板、专用控制板、通信板以及存储器板等，为设计微机系统提供了极大的方便。用工业PC组成控制系统的过程就是选用或设计相应接口模板，并开发控制软件的过程。

由于工业PC选用的元器件档次较高，结构经过强化处理，所以组成的系统性能也较高，但相应的成本也高，宜用于需进行大量数据处理、可靠性要求高的大型工业控制系统。4)可编控制器PLC可编控制器（PLC）是在继电器逻辑控制系统的基础上，利用微处理器技术发展起来的有逻辑运算、计时/计数、算术运算、模拟量调节、操作显示等功能的新型工业控制器。它结构简单、编程方便、体积小、抗干扰能力强、运行可靠，可以取代传统的继电器逻辑控制系统、模拟控制系统等，被广泛应用于工业生产过程控制中。

PLC一般使用8位或16位微处理器，大型PLC也有32位微处理器。(2)按微处理机位数分类

按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。

4位机目前多做成单片机。即把微处理机、1~2KB的ROM、64~128KB的RAM、I/O接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等中。

8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。

16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统,可以使小型机微型化。

32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称为超级微机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。

按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说：可分为通用型和专用型。

通用型单片机，即通常所说的各种系列的单片机。它可把开发的资源(如ROM、I/O接口等)全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机可作为系统或产品的微控制器，适用于各种应用领域。

专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。为满足某一领域应用的特殊要求而开发的单片机，其内部系统结构或指令系统都是特殊设计(甚至内部已固化好程序)。(3)按用途分类（4）微机软件与程序设计语言

软件是比程序意义更广的一个概念，内含极其丰富。

1)程序设计语言程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”(MachineLanguage)、“汇编语言”(AssemblyLanguage)、“高级语言”(HighLevelLanguage)。

2)操作系统所谓操作系统(OS-OperatingSystem)，就是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。

3)程序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库(或软件包)。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象(产品)的特殊性较强，其程序库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。（5）微机的应用领域及选用要点

微型计算机的基本特点是小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少，故用微机构成机电一体化系统(或产品)具有以下效果：①小型化-应用LSI技术减少了元件数量，简化了装配，缩小了体积；②多功能化-利用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；③通用性增大-容易用软件更改和扩展设计；④提高了可靠性-用LSI技术减少了元器件、焊点及接续点数量，增加了用软件进行检测的功能；⑤提高了设计效率-将硬件标准化用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期；⑥经济效果好-降低了零件费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产；进一步降低成本；⑦产品(或系统)标准化-硬件易于标准化；⑧提高了维修保养性能-产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能。

微机的应用范围十分广泛，如：（1）工业控制和机电产品的机电一体化。（2）交通与能源设备的机电一体化。（3）家用电器的机电一体化。（4）商用产品机电一体化。（5）仪器、仪表机电一体化。（6）办公自动化设备的机电一体化。（7）信息处理自动化设备。（8）导航与控制。1.应用领域

不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。一般的工业控制设备、数控机床、交通与能源管理等可使用8位或16位微机系统；控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、微机系统；微机装在产品内时(如家用电器、计算器等)可采用4位或8位单片机。复杂实时控制及过程控制(如智能机器人、导航系统等),主要使用16位与32位微机。总之，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。

2.选用要点二、单片机的结构特点及其最小应用系统1、单片机概述单片微机是单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）的译名简称，常简称为单片机。由于主要面向控制，也叫微控制器（Micro-ControllerUnit—MCU），嵌入到专用系统中就叫嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和并行I/O等等。除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达100亿片，而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达6亿片左右。由此可见单片微机的广泛用途和发展前景！

1970年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机。MCS-51系列单片机：8051单片微机是美国INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列单片微机的第一个成员，MCS是INTEL公司的注册商标。凡INTEL公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机都可称为MCS-51系列单片机（8位机），有时简称为51系列。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求。

Intel公司的MCS-51单片微机，和以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS(飞利浦公司)的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西门子公司)的SAB80512等、AMD(先进微器件公司)的8053等、ATMEL（爱特梅尔公司）的89C51等统称为80C51系列单片微机。2、MCS-51系列单片机的结构特点

MCS-51系列单片机包括805l、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。

8051片内有4KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。

8751片内有4KB的EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作。

8031芯片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。如不使用805l或8751芯片片内的ROM或EPROM即可将其作为8031芯片使用。这三种引脚相容的产品均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。

数据存储器——

RAM（RandomAccessMemory）程序存储器——

ROM（ReadOnlyMemory）闪速存储器——

FlashMemoryEPROM——

ErazibleProgrammableROMEEPROM/E2PROM——

ElectricalErasableProgrammableROM(如winbond公司W27C系列)静态存储器SRAM——

StaticRAM(6管)

动态存储器DRAM——

DynamicRAM(4,3,1管)按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址单片机的存储器紫外线擦除，如2716(2Kx8位)、2732(4Kx8位)、2764(8Kx8位)、27128(16Kx8位)、27256(32Kx8位)、27512(64Kx8位)等MCS-51单片机基本特性8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为

1～12MHz片内有128/256字节RAM片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM可寻址片外64K字节数据存储器RAM可寻址片外64K字节程序存储器ROM片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）4个8位的并行I/O口（PIO）1个全双工串行口（SIO/UART）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含111条指令(254个代码)MCS-51内部结构图MCS-51系列单片机的引脚及功能3．MCS-51系列单片机最小应用系统及其扩展（1）．8051/8751最小应用系统8051/8751是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，用这种芯片构成的最小应用系统结构简单，工作可靠。（2）．8031最小应用系统8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。右图为用8031外接程序存储器构成的最小系统。（4）、MCS-51系列单片机存储空间与存储器扩展

（5）、MCS-51系列单片机I/O扩展

（6）、实现片选（译码）方法以上内容请同学们复习所学过的《单片微机原理》相关章节。4.4可编程控制器

可编程控制器PLC(ProgrammableLogicalController)：20世纪60年代末发展起来的一种新型的电气控制装置，是继电器逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。具有体积小，功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点。可编程序控制器把计算机的功能完善、通用、灵活、智能等特点与继电器控制的简单、直观、价格便宜等优点结合起来，可以取代传统的继电接触器顺序控制，而且具备继电接触控制所不具备的优点，其高可靠性特别适用于恶劣的工业环境，因此在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中得到了广泛的应用。详细内容请复习“机电传动控制”相关章节。4.5计算机接口技术输入/输出(I/O)接口电路：简称接口电路，是主机和外围设备（包括被控对象）之间交换信息的连接部件（电路），功能是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率地交换信息。接口电路的主要作用如下：1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题。2）解决CPU和外围设备之间数据格式转换和匹配问题。3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题。典型的I/O接口与外部的连接图4.5计算机接口技术外部信息:数字量和模拟量数字量(Digital):离散的、不连续的，可以是多位，每一位只能为0或1，可经由数字量接口被计算机直接识别；模拟量(Analogue):随时间连续变化的，如温度、压力、速度、流量等。不能被计算机直接识别，但可以通过传感器变换为相对应的电量，如电压或电流等模拟量。在通过模拟/数字(A/D)转换器转换成计算机能识别的数字量。I/O通道:也称过程通道。是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。输入与输出通道的组成图4.5.1数字量输入输出通道

4.5.1.1数字量输入输出接口技术

1.数字量输入接口

对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息，如图所示。经过端口地址译码，得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时，产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器，设片选端口地址为port，可用如下指令来完成取数

MOVDX，portINAL，DX 三态门缓冲器74LS244用来隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲作用。2、数字量输出接口片选端口地址为port完成数据输出控制的指令为：MOVAL，DATAMOVDX，portOUTDX，AL74LS273有8个通道可输出8个开关状态并可驱动8个输出装置

数字量输出接口4.5.1.1数字量I/O接口

4.5.1.2数字量输入通道

2.输入调理电路

数字量(开关量)输入通道的基本功能就是接受外部装置或生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点,因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象.为了将外部1.数字量输入通道的结构数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成,如图所示。开关量信号输入到计算机,必须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能够接收的逻辑信号,这些功能称为信号调理。4.5.1.2数字量输入通道(1)小功率输入调理电路下图所示为从开关、继电器等接点输入信号的电路。它将接点的接通和断开动作,转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号,一般都应加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。图(a)为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。图(b)所示为R-S触发器消除开关两次反跳的方法。(2)大功率输入调理电路 在大功率系统中,需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。这种情况下,为了使接点工作可靠,接点两端至少要加24V以上的直流电压。因为直流电平的响应快,不易产生干扰,电路又简单,因而被广泛采用。 但由于所带电压高,所以高压与低压之间,用光电藕合器进行隔离,如图所示。4.5.1.2数字量输入通道1.数字量输出通道的结构 数字量的通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。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

因负载呈电感性,所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D,J为继电器的线圈。4.5.1.3数字量输出通道②达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416是达林顿阵列驱动器,它内含7个达林顿复合管,每个复合管的电流都在500mA以上,截止时承受100V电压。为了防止MC1416组件反向击穿,可使用内部保护二极管。4.5.1.3数字量输出通道(2)大功率交流驱动电路

固态继电器(SSR)是一种四端有源器件。输入输出之间采用光电藕合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通,从而减少干扰。电路接通以后,由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。4.5.1.3数字量输出通道4.5.2模拟量输入输出接口与过程通道一、模拟量输入接口（ADC）A/D转换器（ADC）:将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟系统和计算机之间的接口。常用的A/D转换方式:逐次逼近式和双斜积分式，前者转换时间短(几ms～几百μs)，但抗干扰能力较差；后者转换时间长(几十毫秒～几百毫秒)，抗干扰能力较强。在信号变化缓慢现场干扰严重场合，宜采用后者。常用的逐次逼近式A/D转换器:ADC0809(8位分辨率)，AD574(12位分辨率)等；常用的双斜积分式A/D转换器:3位半(相当于2进制11位分辨率)的MCl4433，4位半(相当于2进制14位分辨率)的ICL7135等一、模拟量输入接口（ADC）A/D转换器的主要技术指标:转换时间:指完成一次模拟量到数字量转换所需时间。分辨率:

用数字量位数n(字长)来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位表示它能对满量程输入的l/2n的增量作出反映，即数字量的最低有效位(LSB)对应于满量程输入的1/（2n-1）。若n＝8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12V（/2n-1）＝20mV。线性误差:理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如1/2LSB或±1LSB.一、模拟量输入接口（ADC）量程:所能转换的输入电压范围，如-5V～+5V，0～10V，0～5V等对基准电源的要求:基准电源的精度对整个系统的精度产生很大影响。故在设计时，应考虑是否要外接精密基准电源。

例：一个8位D/AC，对应0~10V的模拟信号，若传感器采样得电压值为2v，则反映到计算机中的数字量为：D=2/（10/255）=51=00110011B=33H显然，D/AC的位数越高，能够分辨的单位模拟信号就越小。8位A/D转换器ADC0809ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100µs左右，线性误差±1/2LSB，采用28脚双立直插式封装。ADC0809由8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成。ADC0809与PC总线工业控制机接口:二、模拟量输入通道模拟量输入通道的任务:把从系统中检测到的模拟信号变成二进制数字信号，经接口送往计算机。传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器输出是直流电压(或电流)信号，也有一些传感器把电阻值、电容值、电感值变化作为输出量。为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0～10mA或4～20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。1．模拟量输入通道的组成模拟量输入通道:由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压)形式后，再送至多路开关；在计算机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。1．模拟量输入通道的组成I/V变换:把0～10mA或4～20mA经过I/V变换变成0～5V或1～5V电压信号。多路转换器：又称多路开关，是用来切换模拟电压信号的关键元件。可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用的多路开关：CD405l(或MCl4051)、AD7501、LFl3508等。1．模拟量输入通道的组成采样保持器：为提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器。A/D转换时间：A/D转换过程(即采样信号的量化过程)需要的时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把t＝kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。T为采样周期，k＝0，1，2…为采样序号。常用的集成采样保持器：

LF398、AD582等当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。三、模拟量输出接口（DAC）D/A转换器（DAC）:将数字量转换成模拟量的组件或装置，它的模拟量输出(电流或电压)与参考电压和二进制数成比例。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，通常都带有两级缓冲寄存器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。分辨率

通常用D/A转换器输入二进制数的位数来表示。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的l/2n相对应。建立时间

输入数字信号的变化量是满量程时，输出模拟信号达到离终值±1/2LSB所需的时间，为几μs。8位D/A转换器DAC0832四、模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制目的。模拟量输出通道由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。模拟量输出通道的结构型式:主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号来到之前，使本次控制信号维持不变。保持器:

数字保持方案和模拟保持方案。模拟量输出通道的结构型式（1）一个通路设置一个D/A转换器的形式在这种结构形式下，微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路工作。缺点是使用了较多的D/A转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在逐步得到克服，这种方案较易实现。模拟量输出通道的结构型式（2）多个通路共享一个D/A转换器的形式因为共享一个D/A转换器，故它必须在微型机控制下分时工作。即依次把D/A转换器转换成的模拟电压(或电流)，通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。这种结构形式的优点是节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。4.6数字显示器及键盘的接口电路(补充）

一、数字显示器的结构及其工作原理

单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管，LightEmittingDiode

)、CRT（阴极射线管CathodeRayTube）显示器和LCD(液晶显示器，LiquidCrystalDisplay

)等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。

1、LED显示器

LED是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。这种笔划式的七段显示器，能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。共阳极共阴极通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称之为八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数，二者之和为FFH。

如：3FH:001111113F7FH：011111117F

七段LED的段选码

显示器有静态和动态两种方法：（1）.静态显示

就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。例如七段显示器的a、b、c、d、e、f导通，g截止，显示0。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制，三位显示器的接口逻辑如下图所示。静态显示的特点：每一位都需要一个8位输出口控制，用于显示位数较少（仅一、二位）的场合；较小的电流能得到较高的亮度，可以由8255的输出口直接驱动。

（2）.动态显示

动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口(称为扫描口或位选口

)。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称为段数据口)。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。

8位共阴极显示器和8155的接口逻辑如下图所示：动态扫描程序流程图2．LCD显示器液晶显示器（LCD）是一种功耗极低的显示器件，它广泛应用于便携式电子产品中，它不仅省电，而且能够显示大量的信息，如文字、曲线、图形等，其显示界面较之数码管有了质的提高。近年来，液晶显示技术发展很快，LCD显示器已经成为仅次于显像管的第二大显示产业。LCD显示器由于类型、用途不同，其性能、结构不可能完全相同，但其基本形态和结构却是大同小异。实验二：八段数码管显示一、实验要求利用实验仪提供的显示电路，动态显示一行数据.二、实验目的了解数码管动态显示的原理。三、实验设备与环境1．伟福单片机实验仪2．配套PC机及开发系统Lab2000仿真软件四、实验线路及连线位选通信号

(0x002H)

段码输出(0x004H)地址总线

实验仪提供了6位8段码LED显示电路，只要按地址输出相应数据，就可实现对显示器的控制。显示共有6位，用动态方式显示。8位段码、6位位码是由两片74LS374输出。位码经MC1413或ULN2003倒相驱动后，选择相应显示位。

实验仪中8位段码输出地址为0X004H，位码输出地址为0X002H。此处X是由KEY/LEDCS决定，参见地址译码。做键盘和LED实验时，需将KEY/LEDCS接到相应的地址译码上,以便用相应的地址来访问。例如，将KEY/LEDCS接到CS0上，则段码地址为08004H，位码地址为08002H。附：地址译码插孔CS008000H～08FFFHCS109000H～09FFFHCS20A000H～0AFFFHCS30B000H～0BFFFHCS40C000H～0CFFFHCS50D000H～0DFFFHCS60E000H～0EFFFHCS70F000H～0FFFFH附：LED电平显示电路实验仪上装有8只发光二极管及相应驱动电路。见上图，L0～

L7为相应发光二极管驱动信号输入端，该输入端为高电压电平“1”时发光二极管点亮。我们可以通过P1口对其直接进行控制，点亮或者熄灭发光二极管。键盘及LED显示电路

实验仪的LED显示电路和键盘电路如图。显示控制的位码由74HC374输出，经MC1413反向驱动后，做LED的位选通信号。位选通信号也可做为键盘列扫描码，键盘扫描的行数据从74HC245读回，374输出的列扫描码经245读入后，用来判断是否有键被按下，以及按下的是什么键。如果没有键按下，由于上拉电阻的作用，经245读回的值为高，如果有键按下，374输出的低电平经过按键被接到245的端口上，这样从245读回的数据就会有低位，根据374输出的列信号和245读回的行信号，就可以判断哪个键被按下。LED显示的段码由另一个74HC374输出。

七段数码管的字型代码表如下表：

显示字形gfedcba段码001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fhA111011177hb11111007chC011100139hd10111105ehE111100179hF111000171h附：程序框图二、键盘接口电路

键盘是单片机应用系统的一个重要输入设备，用于输入数据、干预系统的工作状态；1．按键输入原理

在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。2．单片机上的按键单片机系统中最常见的是触点式开关按键，这些按键的连接方式，可分为独立式按键和行列式键盘。触点式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。3．独立式按键当单片机控制系统中只需要几个功能键时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立式按键的典型应用如图所示。其软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。4、行列式键盘接口电路

单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用行列式键盘(也称为矩阵式键盘)。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如用2×2的行、列可构成4个键的键盘，4×4的行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。

1）行列式键盘工作原理:

行列式键盘的按键设置在行、列线交点上。行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，行列式键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定有无按键按下，及按键的位置。

2）按键的识别:识别按键的方法很多，最常见的方法是扫描法。由列线送入全“0”扫描字、行线读入行线状态来判断。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。（全扫描，确定行）键盘中哪一个键按下由列线逐列置低电平后，检查行输入状态。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列。如果不全为1，则所按下的键必在此列。而且是在与电平为“0”的行线相交点上的那个键。（逐列扫描，确定列）3）键盘的编码

例如：

D7D6D5D4D3D2D1D0

01110111

77HD7D6D5D4D3D2D1D001111011

7BH

对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

4）键盘扫描方式

单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的一个内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘扫描，即既保证不失时机地响应键操作，又不过多占用CPU时间。因此，要根据应用系统中CPU的忙、闲情况，选择好键盘的工作方式。键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。

a)编程扫描工作方式:利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。下面以上图8155扩展I/O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工作过程与键盘扫描子程序流程。在该键盘中，键值与键号相一致，依次排列为0~31，共32个键，由1个8位口和1个4位口组成4×8的行列式键盘。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能：

（1）判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，PC0~PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。（2）去键的机械抖动影响。其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时间再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则按键抖动处理。（3）求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，在“8155扩展I/O口组成的行列式键盘”的图中32个键的键值对应作如下分布(PA、PC口为二进制码，X为任意值)：FEXEFDXEFBXEF7XEEFXEDFXEBFXE7FXEFEXDF