第5章微机接口技术(简).ppt

1、第一节 微处理器系统接口 一、微处理器系统接口的类型 为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件连接起来，这种连接就称微处理器系统的接口。 微处理器系统的接口可分成四种基本类型 1、内务操作接口 （数据、地址、控制三总线） 2、用户通讯接口 （RS232、485、PS2、USB ） 3、传感器接口 （ADC、IO） 4、控制接口（DAC、IO、光电耦合）,(一)内务操作接口 微处理器系统的内务操作接口是使微处理器发挥最基本的处理和控制功能所需的接口。它包括各类总线驱动器、数据锁存器及三态缓冲器等。,典型的微处理器接口,微型机算计总线,DBE,TSC,HALT,IRQ,BA

2、,D7D0/R/W,A15A0,数据总线使能,三态控制,暂停,中断请求,RES复位,总线有效,读/写,数据总线,=,内务操作 接口元件,1时钟,2时钟,(二)用户通信接口 用户通信接口是指微计算机接收用户送入的信息或是向用户送出信息所需要的接口电路。 这类接口有： RS232 RS485/422 PS2 USB IIC、SPI、SMBUS,串行通讯的概念串行通讯：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。 串行通讯的特点是： 数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工

3、、半双工和全双工三种。 主要参数设置： 波特率数据位与停止位数据位：5位、8位停止位：1位、1.5位、2位 例：115200，N，8，1,流控制.流控制在串行通讯中的作用 解决丢失数据的问题 .硬件流控制 硬件流控制常用的有RTS/CTS（请求发送/清除发送）流控制和DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）流控制 .软件流控制 一般通过XON/XOFF来实现软件流控制。 奇偶校验奇校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为奇数，如：1 0110，01010 0110，0001偶校验：所有传送的数位（含字符的各数位和校验位）中，“1”的个数为偶数，如：1 0100，01

4、010 0100，0001.,用户显示终端,典型的用户通信按口电路,(三)传感器接口 将检测对象输入到计算机的接口电路称为传感器接口电路。 例如，与压力传感器、温度传感器、流速指示器、测速计等测试设备相连接的接口电路就是传感器接口电路的具体例子。 一个典型的微机系统与传感器接口的电路。,由图可见，与传感器接口的电路除了仍需要内务操作接口所用的驱动器、接收器和地址译码器等电路外，还需要将模拟量转换成数字量。通常模拟量是通过传感器而得到的。,温度传感器,典型的微处理系统的传感器接口,(四)控制接口 这类接口通常与“传感器接口”同时使用。 在过程控制中，必须先由传感器向微处理器提供控制对象的状态信息

5、，然后通过微处理器进行处理，通过控制接口来实现微处理器对控制对象的控制。 通常微处理器送出的控制信号功率很弱(为mVA数量级)，因此必须在控制接口中加以功率放大，才能驱动执行部件。执行部件可以是控制用的步进电机、控制阀门开闭的线圈、发光二极管、灯泡等。,以微处理器为基础的机械控制器,这类接口必须解决以下两个问题： 1)功率放大问题。 即将低电压弱电流信号放大到可以驱动控制对象执行元件所需的电压与电流值。 2)数模转换问题。 如果执行元件是用模拟量控制，则必须，将微处理器送出的数字量信息转换为模拟量信息，才能实现对执行元件的控制。,3接口电路设计时注意的几个问题 1)电源的分布 首先应当合理地选

6、择整个系统是共用一个中央稳压电源还是每一块印制电路板各 用单独的电源。 采用中央电源的优点是较省电，并且由于各块印制电 路板无单独电源，从而使其温度不 致太高，缺点是可靠性差，电源一旦出故障，整个系统就不能工作。采用分散的一块电路板配一个稳压电源，其优点是可靠性显著提高，缺点是各板工作温升较高，稳压电源元件较多。为了消除输入与输出端可能出现的寄生振荡，还要求并联容量大小不一的钽电容。图是这两种电源方案的示意图。,中央稳压电源,一板一稳压电源,干扰渠道示意图,三、接口电路的抗干扰,2接口电路的抗干扰措施 在控制器与驱动器之间的接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通断电感负载的触点

7、，这些都是产生强电干扰的干扰源。 对于这种干扰，首先是采取吸收的方式，抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。,(1)强电干扰吸收电路 在电感负载断开时，会产生过电压，,强电干扰,阻容抗干扰电路,R,R,R,R,R,M 3,R,C,W,C,C,通,断,UL,E,t,UL=L*di/dt,通,断,t,UL,E,S,W,UW,对于强电干扰，除用RC电路外，还采用二极管和稳压二极管来吸收过电压。,强电干扰吸收电路,(2)驱动接口的隔离 为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器，通常采用光电隔离。,驱动接口的隔离措施,(3)变送接口的隔离 对于由检测器传来的模拟信号，通常采用差动运算

8、放大器来隔离干扰，其原理如图所示。,检测器 输入信号,差动式运算放大器抗干扰原理,模拟信号抗干扰接口电路,远距离数字信号抗干扰接口电路,近距离抗干扰电路,对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用图所示抗干扰电路。由R1和C1组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过RC滤波器后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加一级斯密特电路来整形。,3接地系统的抗干扰措施 防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用下述措施： (1)单点接地 由于接地点远离而形成的环路，可采用图a所示单点接地的方法来切断。 (2)并联接地 由于多个设备采用公用地线串联接地而形成

9、的环路，可用如图b所示并联接地的方法来切断。,抗干扰接地系统 a)单点接地系统 b）并联接地系统,(3)光电隔离 对于用长线传输的数字信号，可用光耦合器来切断接地环路。图为控制器与主机分离的控制系统，采用双重光电隔离来切断多点接地环路的例子。图中1、2、3表示不同的接地点。采取这种措施，不仅能消除公用接地线及其引进的干扰，而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题，因此可用普通导线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输。 接地线要有足够的截面积，以免电阻过大影响接地电位。,光电隔离接地系统,四、接口电路的应用 (一)数字输入输出接口电路 1开关量输入接口电路 图为较简单的接口转换电路，当其中一个触

10、点(如K1)闭合，光耦合件的发光二极管电路导通，二极管发光照射光敏三极管，使其也导通，输出高电平；反之输出低电平。,光电耦合的接口转换电路,开关输入电路中最大的问题是防止接点的抖动，因为一般接点均有抖动，且由闭合变断开时的抖动现象比断开变闭合时显著。为了防止抖动，除上述电路中用RC电路以外，还可采用施密特电路或RS触发器。图示出了RS触发器的消振原理和波形图。,RS触发器消振原理,2开关量输出的接口电路 开关量输出电路是将计算机输出的TTL电平转换为控制继电器、指示灯等所需的开关状态信号，并由此去控制有接点或无接点开关的开闭。这种电路一般采用光电耦合电路加功率晶体管驱动电路，或采用隔离变压器电

11、路加功率晶体管驱动电路。,采用隔离变压器的驱动电路,来自CPU,K,Vi,+24V,VCC,Y1,CP,采用光耦合器的驱动电路,K,R2,R1,Vi,VLC,VT,+12V,+24V,+5V,K,固体电子继电器 电磁式继电器的优点是结构简单，且额定电压高，额定电流大，但易磨损和接触不良，且开关动作的速度相对较慢。固体电子继电器没有活动部件和触点，也就是无磨损和接触不良等问题，开关时间也很短。,(二)模拟输入输出接口电路 1DA转换器与CPU的接口及程序设计 DA转换器与CPU连接的方式有多种。有用锁存器连接，有用可编程接口8255或PIO连接。到底采用哪种方法由DA转换器的结构形式及系统的要求

12、确定。,输入电路的程序设计首先要考虑模拟、数字输入输出电路与微机之间信息交换采用的方式。 1、无条件传输 2、查询方式。 3、中断方式。 4、DMA方式,作业 1简述接口电路的类型。 2接口电路中的干扰源有哪些？各采取哪些措施进行抗干扰？,第二节 单片微型计算机 一、概述 (一)单片机的特点 单片微型计算机简称为单片机，即在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种IO。单片机可看成一个不带外围设备的微型计算机，它具有体积小、功能强、价格便宜等优点，被广泛用于机电一体化产品和机电一体化系统中。 单片机结构上采用数据存储空间与程序存储空间相互分离的结构。它的功能是通用的，可以像一般

13、的微处理器广泛应用在各个方面。单片机上的RAM作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器用。单片机主要有以下特点：,1)受集成度限制，片内存储容量较小，一般ROM小于48K，RAM小于256字节，但根据需要可在外部扩展至64K字节。 2)ROM与RAM严格分工，ROM为程序存储器，只存放程序指令及常数、表格等RAM则为数据存储器。 3)为了满足工业控制需要，有很强的位处理功能和丰富的条件分支转移逻辑。CPU逻辑控制功能及运行速度远高于一般通用8位CPU，如8085、Z80等。 4)一般片内或系统内无监控程序或系统通用管理软件，只放置用户调试好的应用程序。但也有在片内固化有Tiny BASI

14、C语言、Forth语言的单片机。,(二)系统配置 系统配置即为满足人机对话和测控对象连接需要而配置的外围设备及其接口电路，如键盘、显示器、打印机、AD、DA等。 1显示器和8031的接口 图给出了6位共阴极显示器和803l的接口逻辑。图中8155的PA口控制显示器的阴极电位，称为扫描口，PB口控制各位显示器的显示字形，称为段数据输出口。采用一位一位轮流点亮各位的方法(扫描)，实现显示器的动态显示。,显示器和8031接口,8031,共阴极显示器,2键盘和8031的接口 图描述了个4x4键盘与8031的接口电路。键盘的引线接到P1口的低4位，键盘的行线通过二极管连线到P1口的高4位。P10P13作

15、为键输入线，P14P17作扫描输出线，初态时P14P17全为“0”。当键盘上没有键合时，INT为高电平当键盘上任一键闭合时，INT端变低，向CPU发出中断请求，若CPU开放外部中断，则响应中断请求，执行中断服务程序扫描键盘。,4x4键盘和8031接口,P11,P12,P13,+5V,INT1,P16,P15,P14,P10,14,13,15,12,P17,10,9,11,8,6,5,7,4,2,1,3,0,3微打印机与8031的接口,作业： 试设计一单片机应用系统： 单片机采用8031； 扩展一片2764； 扩展一片6264； 利用通用芯片8255扩展IO口，并用来扩展8位数码管显示。,第三节

16、 可编程序控制器的程序编制,日本OMRON公司生产的可编程序控制器，在我国应用很广泛，它主要用于工业过程控制和自动化制造和机械加工等领域。 OMRON生产的PLC有大、中、小型及超小型机，十几种型号。其中C20、C20P、C28P、C40P、C60P为超小型机，I/O的电数从几十点扩展到140点。C120、C200H为小型机，C200H最多可达384点。C500、C1000H为中型机，I/O电数为512点和1024点，C1000H采用多处理器结构，功能齐全。C2000H为大型机，它采用积木式的结构，使它功能更齐全，容量大，速度快，I/O点数可达到2048点。,下面我们以C20为例介绍PLC的基

17、本结构，性能指标，I/O通道和继电器编号，基本编程指令及编程实例。 一 C20机的基本结构,1、微处理机 包括CPU、I/O终端、用户存储器。它用扫描的控制方式，根据用户存储器中提供的程序进行工作，这部分是PLC的核心部分。 2、I/O端口 主要是用来连接外部输入输出设备的。 3、编程器 通过编程器将用户程序送入存储器。编程器的工作方式有三种： （1）编程方式（PROGRAM） 在这种方式下，PLC不执行用户程序，可以读写用户程序，还可以编辑、修改源程序。,（2）运行方式（RUN）： 运行用户程序，在这种方式下，用户可以通过编程器上的显示屏，监视运行过程中的I/O状态、通道状态、系统扫描时间、

18、线路状态等。 （3）监控方式（MONITOR）： 除具有运行方式下的全部功能外，还可以在PLC运行时强制I/O状态为复位或置位，改变计时器和计数器的预置值，改变通道的预置数据。,二、C20的主要性能指标：,三、I/O通道和继电器编号： PLC在执行程序时，要执行各种指令，指令操作的对象是内部变量单元。 C系列机将输入输出和内部变量单元分为通道和继电器区。每个输入输出通道和每个继电器区中的继电器都有对应的编号。 1、通道 C20有5个输入通道，通道号：0004 有5个输出通道，通道号：0509 有9个内部辅助继电器通道，通道号：1018 有10个保持继电器通道，通道号：HR00HR09 每个通道

19、由16个继电器组成。,136点,160点,2.继电器号 它由两部分组成： XX XX 通道号 通道的第几个继电器 例如： 0100 第二个通道，第一个继电器，输入通道 1015 内部输助继电器编号 C20有48个计时器计数器，编号为：TIM/CNT 0047，计时时间为0.1999.9S，计数个数为19999个。 C20还有8个暂存继电器（TR0-7），16个专用辅助继电器（为专门指令配备的）。,四、C20的基本指令 1；逻辑条件指令 （1）LD LD-NOT LD称为起始指令，也就是起用常开接点； LD-NOT是起用常闭接点，编程时要常用到这两个指令。 （2）AND AND-NOT AND

20、串联常开接点； AND-NOT 串联常闭接点。 （3）OR OR-NOT OR 并联常开接点； OR-NOT 并联常闭接点。 （4）AND-LD OR-LD AND-LD 块与指令，无操作数； OR-LD 块或指令，无操作数。 块与和块或，实际上是两组接点间的串联与并联。,2、输出指令 （1）OUT 输出指令 （2）keep 锁存指令 实际上是R-S触发器，它有两个输入 （FUN 11） 端，第一次用作置位，第二次用作复位。 （3）定时、计数输出指令 TIM 计时器号 # 计时时间 CNT 计数器号 # 计数个数 3、编码格式： 地址 指令 数据 0000 LD 0000,举例： 例1：AND

21、 OR-NOT LD OUT,0000 LD 0000 0001 AND 0001 0002 OR 0002 OUT 0500,例2、 AND LD,0000 LD 0000 0001 OR 0001 0002 LD 0002 0003 OR 0003 0004 AND-LD 0005 OUT 0500,例3、 使用OR LD,LD 0000 AND 0001 LD 0002 AND 0003 OR-LD OUT 0500,例4、使用keep,LD 0000 置位输入 LD 0001 复位输入 Keep(11) 0505 将0505锁存 住，直到状态为复位 信号，继电器才复位。 END（01）,例5 使用TIM,LD 0000 AND-NOT 0001 TIM 00 # 0075 LD TIM 00 OUT 0500 END,例6 使用CNT,LD 0000 输入0000通断3次 LD 0001 时,CNT接通 CNT 47 #0003 继电器0500输出 LD CNT4