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本文由l i s a n h e 貢獻(xiàn) d o c 文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳 建議您優(yōu)先選擇TXT 或下載源文件到本機(jī) 查看 電路或電網(wǎng)絡(luò)由以某種方式連接的電阻器 電感器和電容器等元件組成 如果網(wǎng) 絡(luò)不 包含能源 如電池或發(fā)電機(jī) 那么就被稱作無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 換句話說(shuō) 如果存在 一個(gè)或多個(gè)能源 那么組合的結(jié)果為有源網(wǎng)絡(luò) 在研究電網(wǎng)絡(luò)的特性時(shí) 我們感興 趣的是確定電路中的電壓和 電流 因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)由無(wú)源電路元件組成 所以必須首先定義 這些元件的電特性 就電阻來(lái)說(shuō) 電壓 電流的關(guān)系由歐姆定律給出 歐姆定律指出 電阻兩端的電壓等于 電阻上流過(guò)的電流乘以電阻值 在數(shù)學(xué)上表達(dá)為 u i R 1 1A 1 式中 u 電壓 伏特 i 電流 安培 R 電阻 歐姆 純電感電壓由法拉第定 律定義 法拉第定律指出 電感兩端的電壓正比于流過(guò)電感的 電流隨時(shí)間的變化率 因此可得到 U Ld i d t 式中 d i d t 電流變化率 安培 秒 L 感應(yīng)系數(shù) 享 利 電容兩端建立的電壓正比于電容兩極板上積累的電荷 q 因?yàn)殡姾傻姆e累可表 示為電 荷增量 d q 的和或積分 因此得到的等式為 u 式中電容量 C 是與電壓和 電荷相關(guān)的 比例常數(shù) 由定義可知 電流等于電荷隨時(shí)間的變化率 可表示為 i d q d t 因此電荷增 量 d q 等于電流乘以相應(yīng)的時(shí)間增量 或 d q i d t 那么等式 1 1A 3 可寫為式中 C 電容量 法拉 歸納式 1 1A 1 1 1A 2 和 1 1A 4 描述的三種無(wú)源電路元件如圖 1 1A 1 所示 注意 圖中電流的參考方向?yàn)閼T用 的參考方向 因此流過(guò)每一個(gè)元件的電流與電壓降的方向 一致 有源電氣元件涉及 將其它能量轉(zhuǎn)換為電能 例如 電池中的電能來(lái)自其儲(chǔ)存的化學(xué)能 發(fā)電機(jī)的電能 是旋轉(zhuǎn)電樞機(jī)械能轉(zhuǎn)換的結(jié)果 有源電氣元件存在兩種基本形式 電壓源和電流源 其理想狀態(tài)為 電壓源兩端的電 壓恒定 與從電壓源中流出的電流無(wú)關(guān) 因?yàn)樨?fù)載變 化時(shí)電壓基本恒定 所以上述電池和發(fā) 電機(jī)被認(rèn)為是電壓源 另一方面 電流源產(chǎn)生 電流 電流的大小與電源連接的負(fù)載無(wú)關(guān) 雖 然電流源在實(shí)際中不常見(jiàn) 但其概念 的確在表示借助于等值電路的放大器件 比如晶體管中 具有廣泛應(yīng)用 電壓源和電 流源的符號(hào)表示如圖 1 1A 2 所示 分析電網(wǎng)絡(luò)的一般方法是網(wǎng)孔分析法或回路分析 法 應(yīng)用于此方法的基本定律是基爾 霍夫第一定律 基爾霍夫第一定律指出 一個(gè)閉 合回路中的電壓代數(shù)和為 0 換句話說(shuō) 任 一閉合回路中的電壓升等于電壓降 網(wǎng) 孔分析指的是 假設(shè)有一個(gè)電流 即所謂的回路電 流 流過(guò)電路中的每一個(gè)回 路 求每一個(gè)回路電壓降的代數(shù)和 并令其為零 考慮圖 1 1A 3a 所示的電路 其 由串聯(lián)到電壓源上的電感和電阻組成 假設(shè)回路電流 i 那么回路總的電壓降為 因 為在假定的電流方向上 輸入電壓代表電壓升的方向 所以 輸電壓在 1 1A 5 式中 為負(fù) 因?yàn)殡娏鞣较蚴请妷合陆档姆较?所以每一個(gè)無(wú)源元件的壓 降為正 利用電阻 和電感壓降公式 可得等式 1 1A 6 是電路電流的微分方程式 或許在電路中 人們 感興趣的變量是電感電壓而不是電感電流 正如圖 1 1A 1 指出的 用積分代替式 1 1A 6 中的 i 可得 1 1A 7 A 電力系統(tǒng)介紹 電力系統(tǒng)把其它形式的能源轉(zhuǎn)化為電能并輸送給用戶 盡管不 同于其它形式的能源 電能不容易儲(chǔ)存 一旦生產(chǎn)出來(lái) 必須得到使用 但是電力的 生產(chǎn)和傳輸相對(duì)高效 和廉價(jià) 電力系統(tǒng)的組成 電力系統(tǒng)的組成當(dāng)今的電力系統(tǒng)由六 個(gè)主要部分組成 電站 升壓變壓器 電力系統(tǒng)的組成 將發(fā)出來(lái)的電升壓至傳輸線 所需高電壓 傳輸線 變電站 電壓降至配電線電 壓等級(jí) 配電線路和降壓變壓 器 將配電電壓降至用戶設(shè)備使用的電壓水平 1 電站 電力系統(tǒng)的電站包括原 動(dòng)機(jī) 如由水 蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪 或者燃燒氣體操控 的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 世界上 大多數(shù)的電能由煤炭 石油 核能或者燃?xì)怛?qū)動(dòng)的 蒸汽發(fā)電廠產(chǎn)生 少量電能由水力 柴油和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電廠產(chǎn)生 2 變壓器 現(xiàn)代電 力系統(tǒng)使用變壓器把電能轉(zhuǎn)換為不 同的電壓 有了變壓器 系統(tǒng)的每個(gè)階段都能在 合適的電壓等級(jí)下運(yùn)行 在典型的系 統(tǒng)中 電站發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓范圍是 1000 伏到 26000 伏 變壓器把電壓升至 1380 00 到 765000 伏后 送至主傳輸線上 因?yàn)閷?duì)于 長(zhǎng)距離傳輸 電壓越高 效率越高 在變電站 電壓被降至 69000 到 138000 伏 以 便在配電系統(tǒng)中傳輸 另外一組 變壓器把電壓進(jìn)一步降至配電等級(jí) 2400 到 4160 如 伏 或者 15 27 33KV 最 終 在使用端 經(jīng)配電變壓器 電壓再次被降至 240V 或 120V 3 傳輸線 高壓傳 輸系統(tǒng)通常由銅線 鋁線或者鍍銅 鍍鋁的鋼線組成 它們懸掛在高大鋼格構(gòu)塔架上 p a g e 1 成串的瓷質(zhì)絕緣體上 由于含鍍層鋼線和鐵塔的使用 增大了塔與塔之間的距離 降低了傳輸線的成本 在當(dāng)前的直線安裝中 每公里高 壓線只需建立 6 個(gè)鐵塔 在 一些地區(qū) 高壓線懸掛于距離較近的木質(zhì)電線桿上 對(duì) 于低壓配電線路 更多的使用 木質(zhì)電線桿 而不是鐵塔 在城市和一些地區(qū) 明線 存在安全危險(xiǎn)或者被認(rèn)為影響美 觀 所以使用絕緣地下電纜進(jìn)行配電 一些電纜內(nèi) 核中空 供低壓油循環(huán) 油可以為 防止水對(duì)封閉線路的破壞提供臨時(shí)保護(hù) 通常使 用管式電纜 三根電纜放入線管中 并填滿高壓油 這些電纜用于傳輸高達(dá) 345KV 的電流 4 輔助設(shè)備 每個(gè)配電系統(tǒng) 包含大量輔助設(shè)備來(lái)保護(hù)發(fā)電機(jī) 變壓器和傳 輸線 系統(tǒng)通常還包括用來(lái)調(diào)整電壓或 用戶端其它電力特性的設(shè)備 為了保護(hù)電力 系統(tǒng)設(shè)施 防止短路和過(guò)載 對(duì)于正常的 開關(guān)操作 采用斷路器 斷路器是大型開 關(guān) 在短路時(shí)或者電流突然上升的情況下自 動(dòng)切斷電源 由于電流斷開時(shí) 斷路器 觸點(diǎn)兩端會(huì)形成電流 一些大型斷路器 如那 些用來(lái)保護(hù)發(fā)電機(jī)和主輸電線的斷路 器 通常浸入絕緣液體里面 如油 以熄滅電流 在大型空氣開關(guān)和油斷路器中 使用磁場(chǎng)來(lái)削弱電流 小型空氣開關(guān)用于商場(chǎng) 工 廠和現(xiàn)代家庭設(shè)備的保護(hù) 在住 宅電氣布線中 以前普遍采用保險(xiǎn)絲 保險(xiǎn)絲由熔點(diǎn) 低的合金組成 安裝在電路中 當(dāng)電流超過(guò)一定值 它會(huì)熔斷 切斷電路 現(xiàn)在絕大 多數(shù)住宅使用空氣斷路器 B 電力系統(tǒng)自動(dòng)化概述 提高生產(chǎn)力 降低成本 是電力 供應(yīng)商一直以來(lái)面對(duì)的問(wèn)題 這就轉(zhuǎn)化為需要管理 者 工程師 操作員 計(jì)劃者 現(xiàn) 場(chǎng)人員和其它人員收集并執(zhí)行決策信息 電力系 統(tǒng)供應(yīng)商遵從這一趨勢(shì) 使設(shè)備變得 智能化 這樣 它們就可以創(chuàng)造并交流信息 術(shù)語(yǔ) 電力系統(tǒng) 描述的是用來(lái)產(chǎn)生 傳輸和分配電能的物理系統(tǒng)的組成設(shè)備集合 術(shù)語(yǔ) 設(shè)備和控制系統(tǒng) 指的是用來(lái) 監(jiān)視 控制和保護(hù)電力系統(tǒng)的設(shè)備集合 電力 系統(tǒng)自動(dòng)化指的是使用 I它們的工 作方式象人 而不是要把使用計(jì)算機(jī)的人類屈從計(jì)算機(jī) 支配的 死板的工作方式 在 類比的意義上 人類的智能被加到計(jì)算機(jī)程序上 它們就顯示 出更聰明的行為和更廣 泛的能力 例如 思維和推理 獲取知識(shí)并把知識(shí)用于解決今天的計(jì) 算機(jī)不能解決的 更復(fù)雜和更困難的問(wèn)題 專家系統(tǒng)是人工智能最成功的例子 面向一種專業(yè)的專 家系統(tǒng)就象該專業(yè)領(lǐng)域的人類專 家那樣工作 對(duì)用戶提出的問(wèn)題提供建議 從人類 專家 抽取來(lái)的專業(yè)知識(shí)被組織在它的知 識(shí)庫(kù)中 準(zhǔn)備好讓使用者檢索 現(xiàn)在 許多 專家系統(tǒng)已可從市場(chǎng)購(gòu)得 更多的專家系統(tǒng)正在 開發(fā)中 知識(shí)工程是人工智能的另一課題 知識(shí)工程是為了研究怎樣用程序模仿人類的的 頭腦 特別是 模擬人腦獲取知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的能力 換句話說(shuō) 知識(shí)工程是要?jiǎng)?chuàng)造 出能夠?qū)W習(xí) 也就是靠它自己能擴(kuò)大其知識(shí)貯存量的計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)視覺(jué)是人工智 能的另一種應(yīng)用 計(jì)算機(jī)視覺(jué)就是使用計(jì)算機(jī)去分析和評(píng)價(jià)視覺(jué)信 息 換句話說(shuō) 計(jì) 算機(jī)能夠看見(jiàn)東西 計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)能從 譬如說(shuō) 照片 圖畫 影物等 等的視覺(jué)信 息中辨認(rèn)或分辨那些在計(jì)算機(jī)程序中已確定地分類的物體 這種系統(tǒng)可以比人類 的 眼睛更有效地工作 例如 檢查空中攝影圖片以辨認(rèn)特定的物體 例如 導(dǎo)彈 轟炸 p a g e 6 機(jī) 戰(zhàn)艦 可以幫助戰(zhàn)場(chǎng)上的總司令作出決定 教育可能是人工智能的另一種應(yīng)用 與傳統(tǒng)的 CBT 計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練 不同 人工智能的 CBT 能根據(jù)學(xué)生的知識(shí) 經(jīng)驗(yàn) 強(qiáng)點(diǎn)與弱點(diǎn)調(diào)整教學(xué) 結(jié)果 人工智能的 CBT 比常規(guī)的 CBT 有效得多 In t e l l i g e n t Ro b o t s Un i t 4 Co m p u t e r s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n 這一節(jié)介紹計(jì)算機(jī)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu) 描述了指令如何存儲(chǔ)和譯碼 并解釋了指 令執(zhí)行周 期怎樣分解成不同的部分 從最基本的水平來(lái)講 計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單執(zhí)行存儲(chǔ)在 存儲(chǔ)器中的二進(jìn)制編碼指令 這些指令按 照二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制編碼結(jié)果 對(duì)于通用可編程計(jì)算機(jī) 四個(gè)必要部件是存儲(chǔ)器 中央處理單元 CPU 或簡(jiǎn)稱 處理器 外部處理器總線 輸入 輸出系統(tǒng) 存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令和數(shù)據(jù) CPU 讀取 和解釋指令 讀每條指令所需的數(shù)據(jù) 執(zhí)行指令所需的操作 將結(jié)果存回存 儲(chǔ)器 C PU 所需的操作之一是從外部設(shè)備讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù) 這利用輸入 輸出系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 外 部處理器總線是一套能在其他計(jì)算機(jī)部件之間傳送數(shù)據(jù) 地址和控制信息的電導(dǎo)線 存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器是由一套連續(xù)編號(hào)的單元所組成 每個(gè)存儲(chǔ)單元是一個(gè)能存 二進(jìn)制信息 的寄存器 單元的編號(hào)稱為地址 初始地址為 0 制造商定義處理器的一 個(gè)字長(zhǎng)為單元的整 數(shù)長(zhǎng) 在每個(gè)字中 各位表示數(shù)據(jù)或指令 對(duì)于英特爾 8086 87 和摩托羅拉 MC68000 微處 理器來(lái)說(shuō) 一個(gè)字是 16 位長(zhǎng) 但每個(gè)存儲(chǔ)單元僅為 8 位 因此兩個(gè) 8 位單元來(lái)存取獲得一 個(gè)數(shù)據(jù)字長(zhǎng) 為了使用存儲(chǔ)器中的內(nèi)容 處理器 必須取來(lái)右邊的內(nèi)容 為了完成這一次讀取 處理器 把所需單元的二進(jìn)制編碼地址放 到外部處理器地址總線的地址線上 然后 存儲(chǔ)器允許處理 器讀取所尋址的存儲(chǔ)單 元的內(nèi)容 讀取存儲(chǔ)單元的內(nèi)容的這一過(guò)程并不改變?cè)搯卧膬?nèi)容 存儲(chǔ)器中的指令 存儲(chǔ)器中的指令由 CPU 取來(lái) 除非發(fā)生程序轉(zhuǎn)移 它們按在存儲(chǔ)器 中出現(xiàn)的順序來(lái) 執(zhí)行 用二進(jìn)制形式所寫的指令叫做機(jī)器語(yǔ)言指令 一種得到 指令 有效 形式的方 法是將 這些 位分成段 如圖 3 4A 2 所示 每一段都包含一個(gè)不同類型信息的 代 碼 在簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)中 每條指令可分為四段 每段有四位 每條指令包括操作代碼 或操 作碼 每條指令有唯一的操作碼 操作數(shù)地址 立即數(shù) 轉(zhuǎn)換地址 在一 個(gè)實(shí)際的指令集中 有很多指令 也有大量的存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù) 為了增 加 存儲(chǔ)單元的數(shù)目 如果我們使用同樣的方法 地址段的指令一定長(zhǎng)于 16 位 除了增 加指 令長(zhǎng)度外 還有很多增加微處理器尋址范圍的方法 可變指令段 多字指令 多 尋址模式 可變指令長(zhǎng)度 我們不將詳細(xì)討論它們 為了有效利用存儲(chǔ)空間和處理時(shí)間 大多 存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)器中代表代碼的信息 數(shù)計(jì)算機(jī)提供了不同長(zhǎng)度和表示 方法的處理數(shù)據(jù)能力 能被處理器識(shí)別的各種不同表示稱作 數(shù)據(jù)類型 常用的數(shù)據(jù) 類型有 位 二進(jìn)制碼 十進(jìn)制數(shù)字 4 位字節(jié) BCD 字節(jié) 8 位 字 2 個(gè) 字節(jié) 雙字 4 個(gè)字節(jié) 有一些處理器提供了可處理其他數(shù)據(jù)類型 例如單精 度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類 32 位 和雙精度 浮點(diǎn)數(shù)據(jù) 64 位 等的指令 還有另一類的數(shù)據(jù) 特征數(shù)據(jù) 通常也表示為 8 位 在標(biāo)準(zhǔn) 鍵盤上 每個(gè)計(jì)算機(jī)終端鍵和鍵的組合 例如 s h i f t 和 c o n t r o l 功能鍵 有定為美國(guó)信息交換 標(biāo)準(zhǔn)碼的 7 位碼 我們也 關(guān)注不同存儲(chǔ)技術(shù)的特征 對(duì)主存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器類型 在數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用中 來(lái) 說(shuō) 我們需用它臨時(shí)存儲(chǔ)信息 并逐次地從不同單元寫入或獲得信息 這種類型的存 儲(chǔ)器 稱作隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器 RAM 在某些情況下 我們不想讓存儲(chǔ)器中的信息丟失 因此我們 愿使用特殊技術(shù)寫入存儲(chǔ)器 如果寫入只在物理改變連接時(shí)才能實(shí)現(xiàn) 那么這種存儲(chǔ)器稱為 只讀存儲(chǔ)器 ROM 如果相互連接的模式可由程序設(shè)定 那 存儲(chǔ)器叫做可編程只讀存儲(chǔ)器 PROM 如果需要實(shí)現(xiàn)改寫的情況 我們有可擦的 可編程只讀存儲(chǔ)器 EPROM 電可 擦除的 PROM 縮寫為 EEPROM 中央處理單元 CPU CPU 的工作是從存儲(chǔ)器中取回指令并執(zhí)行 CPU 的結(jié)構(gòu)如圖 3 4A 3 它有四個(gè)主 要部 件 算術(shù) 邏輯單元 一系列存儲(chǔ)器 一個(gè)內(nèi)部處理器總線和控制器 CPU 的 這些及其其他部件和它們?cè)谥噶钪芷诘姆窒韺⒃诤竺娴恼鹿?jié)中說(shuō)明 算術(shù) 邏輯單元 算術(shù) 邏輯單元 ALU ALU 提供很廣泛的算術(shù)操作 包括加 減 乘 除 它也 完成布爾邏輯操作 例如 與 或 二進(jìn)制算術(shù)求補(bǔ) 其他操作 例如字比較也 可達(dá)到 計(jì) 算機(jī)任務(wù)的主要部分包括 ALU 但為了利用 ALU 指令 需要大量的數(shù)據(jù) 移動(dòng) 寄存器 CPU 內(nèi)的一系列寄存器是用于存儲(chǔ)信息的 p a g e 7 指令寄存器 當(dāng)一條指令取回來(lái) 它被復(fù)制到指令寄存器內(nèi) 并被譯碼 譯碼意 味著檢 查操作代碼并用于確定執(zhí)行順序的各步 CPU 的編程器模型 可由編程器檢查或修 改的寄存器集稱為 CPU 的編程器模型 由 指令集操作或明顯受硬件輸入或數(shù)據(jù)操作 的結(jié)果影響的一類寄存器是模型中表示的寄存器 標(biāo)志寄存器 執(zhí)行順序不僅由指令 而且也由前面指令的結(jié)果來(lái)確定 例如 如果在 ALU 中進(jìn)行加法運(yùn)算 加法的結(jié)果 不論結(jié)果是正 負(fù)或 0 存儲(chǔ)在稱為標(biāo)志寄存器 狀態(tài)寄存 器或條件寄存器中 如果下一指令是一個(gè)條件轉(zhuǎn)移指令 標(biāo)志字需要檢驗(yàn)以確定是否需要轉(zhuǎn) 移 程序計(jì)數(shù)器 指令指針 下一指令的地址位于稱作程序計(jì)數(shù)器的寄存器中 數(shù) 據(jù)寄存器 當(dāng)一指令用寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 指令中的寄存器參考被稱作寄存器尋址 利 用內(nèi)部寄存器存數(shù)據(jù)的原因在于它們能使指令更短 執(zhí)行速度更快 地址寄存器 內(nèi)部寄存器也可用于儲(chǔ)存存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的地址 這種情況下 指令 字包含寄 存器數(shù) 例如一個(gè)寄存器地址 寄存器中包含用于指令中的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的地 址 這種尋址 方式叫做寄存器直接尋址 寄存器的內(nèi)容指向存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù) 總線 是一套分組的電導(dǎo) 內(nèi)部處理器總線 內(nèi)部處理器總線使數(shù)據(jù)在內(nèi)部存儲(chǔ)器間移動(dòng) 線 它能在 CPU 的功能塊間傳送數(shù)據(jù) 地址和控制信息 當(dāng)兩個(gè)寄存器連到總 線上時(shí) 源 寄存器中的數(shù)據(jù)可傳到目的寄存器中 控制器 一個(gè)總 控制器 控制器提 供了程序周期內(nèi)取自寄存器每條指令的控制信號(hào)的適宜順序 程序周期是由許多指令 周期組成 每個(gè)指令周期可分為它部件的機(jī)器周期 每個(gè)機(jī)器周期由 許多時(shí)鐘周期 組成 例如圖 3 1A 4 為了取回一條指令 程序計(jì)數(shù)器中的地址放到在時(shí)鐘周期 C 1 上升沿的 外部總線的地址線上 同時(shí) 利用控制線上的一個(gè)代碼 CPU 通知所有連 接到總線上的設(shè) 備 即 CPU 正執(zhí)行一個(gè) 操作碼取回 的機(jī)器周期 存儲(chǔ)器允許存 儲(chǔ)器尋址去選擇包含指令 的存儲(chǔ)器單元 在 C2 段 控制器將 讀 命令放到控制總 線上 允許存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線 上 然后在 C3 段 控制器將數(shù)據(jù)選通到指令寄 存器中 并從控制總線再移動(dòng)讀命令 在 C4 段 控制器在地址總線上再移地址并開 始譯指令的操作代碼部分 來(lái)看一看執(zhí)行需要說(shuō) 明步驟 譯碼操作或許會(huì)在 操作碼 取回 機(jī)器周期的末端花費(fèi)幾個(gè)更多的時(shí)鐘周期 外部提示請(qǐng)求 停止正常的指令處 理順序往往是必要的 一種外部提示請(qǐng)求是復(fù)位 請(qǐng)求 在不可恢復(fù)故障的情況下 計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)可要求自身復(fù)位 這帶來(lái)的影響是初始化系統(tǒng) 中所有重要寄存器 并從標(biāo)志 存儲(chǔ)單元 通常是 0 單元開始執(zhí)行指令 在正常事件過(guò)程中更通常的啟動(dòng)服務(wù) 是中斷請(qǐng)求 來(lái)自外部設(shè)備的一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)可 使 CPU 立即執(zhí)行實(shí)施必要?jiǎng)幼鞯?服務(wù)子程序 當(dāng)完成服務(wù)子程序后 處理器將從最初被中 斷的地方繼續(xù)執(zhí)行 第三 種類型的輸入是總線請(qǐng)求 或直接存儲(chǔ)器尋址請(qǐng)求 有一個(gè)終端接口來(lái)存儲(chǔ)正文的 所有特征 直到接到一個(gè) 回車 然后 接口請(qǐng)求使用系統(tǒng)總線 此時(shí) 數(shù)據(jù)以盡 可快的速 度被傳遞給存儲(chǔ)器 這種方式下 處理器僅變?yōu)橥Ｖ?直到傳遞完成 總 線 總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的通信系統(tǒng) 在 CPU 控制下 一個(gè)數(shù)據(jù)源設(shè)備和一個(gè)數(shù) 據(jù)目 的設(shè)備被允許在短時(shí)傳輸下連接到總線上 外部處理器總線 內(nèi)部處理器總線通過(guò)位于微處理器集成電路上的一組總線緩沖 區(qū)連 接到外部處理器總線上 系統(tǒng)總線 微計(jì)算機(jī)板能夠通過(guò)一個(gè)連接器與外部系統(tǒng)總線相聯(lián)而能與其他板進(jìn) 行通信 計(jì)算機(jī)輸入和輸出 CPU 外部的一組寄存器是與輸入 輸出系統(tǒng)有關(guān)的 I O 系統(tǒng)在接口處利用控制 地址 數(shù)據(jù)線通過(guò) I O 寄存器來(lái)與外部處理器總線連接 有兩種方法用于尋址 I O 寄存器 第一種方法 稱為 I O 映射的輸入 輸出 操 作碼本身有專門的 I O 指令 尋址在接口中 稱為 I O 口的標(biāo)號(hào)寄存器 第二種尋 址 I O 寄存器的方法給出了位于 CPU 尋址寄存器范圍內(nèi)的 I O 口地址 這叫 做存 儲(chǔ)器映射的 I O 當(dāng)然 沒(méi)有任何存儲(chǔ)器單元在同一尋址下作 I O 單元 存儲(chǔ)器映 射方法的益處之一是存儲(chǔ)器尋址方式的全部范圍可用于 I O 寄存器尋址 Fu n d a m e n t a l s o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r s 單片機(jī)是本世紀(jì)兩大引起爭(zhēng)論的重大發(fā)明創(chuàng)新即數(shù)字計(jì)算機(jī)與集成電路發(fā)展的頂 p a g e 8 點(diǎn) 單片機(jī)有這樣兩種結(jié)構(gòu)類型 一些使用了哈佛結(jié)構(gòu)的分離的程 序 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 另一 些被通用計(jì)算機(jī)和微處理器廣泛采用的是普林斯頓結(jié)構(gòu) 遵循在程序存儲(chǔ)器與 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之 間沒(méi)有邏輯區(qū)別的原理 概括地講 單片機(jī)的特征是將計(jì)算機(jī)的所有 部件都合并到一個(gè)單一的裝置上 只讀存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器 ROM ROM 通常用于 永久的 不易變的應(yīng)用程序的存儲(chǔ) 許多微計(jì)算 機(jī)和微控制器要有大量應(yīng)用場(chǎng)合 因此這些設(shè)備的生產(chǎn)要求在制造過(guò)程中 程序存儲(chǔ)器中的 內(nèi)容要保證長(zhǎng)久不變 顯然 由于在生產(chǎn)后不能產(chǎn)生變化 因此這意味著要有一個(gè) ROM 代 碼開發(fā)的嚴(yán)格的 方法 這一開發(fā)過(guò)程不僅包括利用其硬件仿真能力的復(fù)雜開發(fā)系統(tǒng)的仿真 還包括強(qiáng) 大的軟件工具的應(yīng)用 一些生產(chǎn)商提供了包括帶用戶可編程存儲(chǔ)器范圍內(nèi)設(shè)備的附加 ROM 可選項(xiàng) 其中最簡(jiǎn) 單的設(shè)備是在微處理器模式下運(yùn)算 把一些輸入 輸出線用 作地址和數(shù)據(jù)總線來(lái)訪問(wèn)外部存 儲(chǔ)器 雖然帶有限定 I O 和改進(jìn)的外部電路 但這 種類型的設(shè)備能夠像單片機(jī)派生的功能那 樣工作 這些無(wú) ROM 設(shè)備的應(yīng)用在生產(chǎn)電 路中通常是偶數(shù) 其容量不能調(diào)整 定制的單片 ROM 的開發(fā)成本 但與傳統(tǒng)的基于電 路的微處理器相比 在 I O 和其他芯片上仍有很大的 節(jié)省 ROM 設(shè)備的更精確的替 代可通過(guò)不同形式的帶有背頁(yè)式 EPROM 可擦寫編程 ROM 插座或由 EPROM 取代 RO M 的設(shè)備而獲得 這些設(shè)備本質(zhì)上比相等的 ROM 設(shè)備要 昂貴 但確實(shí)提供了完全等 效的電路 帶 EPROM 的設(shè)備時(shí)少量的應(yīng)用場(chǎng)合具很大誘惑 它 們可提供單片設(shè)備的 優(yōu)點(diǎn) 單片 I O 等等 以及靈活的用戶編程的方便性 寫存儲(chǔ)器 讀 寫存儲(chǔ)器 RAM RAM 是用于程序執(zhí)行過(guò)程中對(duì)對(duì)工作變量和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 存儲(chǔ) 寫存儲(chǔ)器 器 的大小隨設(shè)備的類型而變 但它與處理器有相同的特征寬度 4 8 16 位等 特 殊功能 寄存器 例如棧指針或定時(shí)寄存器通常合并到 RAM 區(qū) 在哈佛類型的微計(jì)算 機(jī)中 RAM 和寄存器常常沒(méi)有實(shí)際分離 因此在一個(gè)微處理器系統(tǒng)情況下 沒(méi)有必要 把 RAM 和處理器 寄存器區(qū)分開 中央處理單元 中央處理單元 CPU CPU 更象 任何一種微處理器 微計(jì)算機(jī)和微控制器的許多應(yīng)用 包括 BCD 碼的處理 例如 數(shù)據(jù)顯示 因此 普遍發(fā)現(xiàn) CPU 能很好地處理這一類型的數(shù) 據(jù) 由于許多控制器 的應(yīng)用包括開或關(guān)單個(gè)輸出線或讀取單個(gè)線 因此對(duì)測(cè)試 設(shè)定和復(fù)位 存儲(chǔ)器或 I O 的獨(dú)立的位 它們通常也是很好的設(shè)備 這些線很容易與雙套設(shè)備來(lái)接口 例 如 開關(guān) 恒溫器 固態(tài)繼電器 閥 電動(dòng)機(jī) 等等 串行輸入 輸出 輸出 串行輸入 輸出 串行輸入和輸出在不同的微處理器中策略有一些改變 大多數(shù)設(shè)備提 供允許 用戶選擇哪些針腳是輸入端哪些是輸出端 并行輸入 輸出 輸出 具有終端設(shè)備的串 行通信通用的方法是用少量的線進(jìn)行連接 這種通信 并行輸入 輸出 業(yè)可開發(fā)用于連 接特殊功能的芯片或?qū)讉€(gè)微計(jì)算機(jī)連在一起 公用異步和同步通信系統(tǒng)要 求協(xié)議 能提供成幀 開始和停止 信息 這可由硬件設(shè)施或 U S ART 通用 同步 異步 接 收 發(fā)送器 來(lái)使處理器從低電平 占時(shí) 細(xì)目中解脫出來(lái) 僅需選擇一個(gè)波特率和其 他 可能的選項(xiàng) 停止位的數(shù)目 奇偶檢驗(yàn) 等等 以及裝載 或讀取 串行發(fā)送器 或接收器 的緩沖區(qū) 相應(yīng)格式的串行化再由硬件電路來(lái)完成 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器設(shè)備 計(jì)數(shù)器設(shè)備 單片機(jī)的許多應(yīng)用技術(shù)要求有精確估計(jì)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間 這可經(jīng)仔細(xì) 定時(shí) 器 計(jì)數(shù)器設(shè)備 評(píng)定程序每一分支的執(zhí)行時(shí)間來(lái)確定 但這很快會(huì)變?yōu)槿繜o(wú)效 除 了最簡(jiǎn)單的程序 較合 人意的方法是 用定時(shí)電路來(lái)精確獨(dú)立計(jì)算精確的時(shí)間增量 經(jīng)過(guò)一段預(yù)定時(shí)間后 產(chǎn)生一 個(gè)中斷 這種類型的定時(shí)器通常被安排去預(yù)載所要求 的計(jì)數(shù)值 然后 定時(shí)器減小這一數(shù)值 當(dāng)計(jì)數(shù)器減小為 0 時(shí) 產(chǎn)生一中斷或設(shè) 置一個(gè)標(biāo)志 較好的定時(shí)器有自動(dòng)再加載初始計(jì)數(shù)值 的能力 這使程序員從再加載計(jì)數(shù)器和存取定時(shí)器再啟動(dòng)前所經(jīng)過(guò)的時(shí)間的責(zé)任 中解脫出 來(lái) 如果需要連續(xù)精確的定時(shí)中斷 否則 這是必要的 例如 在一個(gè)時(shí)鐘 內(nèi) 有時(shí)與定 時(shí)器相關(guān)的是事件計(jì)數(shù)器 這一設(shè)備通常有一特殊輸入針 它可直 接驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器 定時(shí)元件 大多數(shù)微計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘電路只需要簡(jiǎn)單的定時(shí)元件 若要 達(dá)到最大性能 必 定時(shí)元件 須用一個(gè)晶體來(lái)保證達(dá)到最大時(shí)鐘頻率 而不是超過(guò) 許多時(shí)鐘電路也把電阻和電容用作低 成本定時(shí)元件或由外部源來(lái)驅(qū)動(dòng) 如果微計(jì)算 機(jī)的外部需要同步的話 這后一種方案是很有 用的 A p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m 此部分的主要目的是滿足讀者對(duì)自動(dòng)過(guò)程控制的需要和激勵(lì)讀者來(lái)學(xué)習(xí) 自動(dòng) 過(guò)程控制 與持續(xù)過(guò)程變量 溫度 壓力 流量 成分和期望操作值一類的量有關(guān) 正 p a g e 9 如我們?cè)诤罄m(xù)的 章節(jié)中所看到的 過(guò)程本身是動(dòng)態(tài)的 變化不斷發(fā)生 并且如果激勵(lì) 未加入 重要的過(guò)程變 量 與安全有關(guān)的變量 產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率 將不能獲得 期望值 為了強(qiáng)化概念 讓我們來(lái)考慮一個(gè)過(guò)程流通過(guò)濃縮流加熱的熱變換器 其 過(guò)程框圖如 圖 4 1A 1 此單元的目的是把一過(guò)程流從某一入口溫度 Ti t 加熱到某一 期望出口溫度 T t 如前所 述 熱介質(zhì)是濃縮流 只要對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有熱損失 過(guò)程流所獲得的能量等同于濃縮流釋放的熱量 也就是說(shuō) 熱變換器和管子均絕緣 在這種情況下 釋放的熱量就是濃縮流濃縮的潛熱 在此過(guò)程中 有許多變量可變 化 從而造成出口溫度偏離期望值 如果發(fā)生此情況 激 勵(lì)必須加入以更正此偏差 也就是說(shuō) 激勵(lì)將控制出口溫度以維持其期望值 完成此目的的一種方法是首先測(cè)量 溫度 T t 然后與期望值比較 基于此比較值 確定 以什么來(lái)更正偏差 濃縮流的 流量可用于更正偏差 也就是說(shuō) 如果溫度高于期望值 那么 到熱變換器的濃縮流的 流量 能量 可調(diào)節(jié)減少 如果溫度低于期望值 那么到熱變換器的 濃縮流的流量 能量 可調(diào)節(jié)增加 所有這些均可由操作者人工完成 并且如果過(guò)程簡(jiǎn)單明 了 這將 不成問(wèn)題 然而 在大多數(shù)過(guò)程控制工廠中 均有數(shù)百個(gè)變量必須保持期望值 那 么 更正過(guò)程將需要大量的操作人員 因此 我們希望自動(dòng)的完成此控制 這就是說(shuō) 我 們需 要一些不用操作人員介入就可控制這些變量的設(shè)備 這就是我們所說(shuō)的自動(dòng)過(guò)程 控制 為完成此目的 必須設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng) 一種可能的控制系統(tǒng)和其基本元件 如圖 5 1A 2 所示 首先是測(cè)量過(guò)程流的出口溫度 完成此任務(wù)的是傳感器 熱電偶 阻抗溫度儀 系統(tǒng) 溫度計(jì) 電熱調(diào)節(jié)器等 傳感器會(huì)與熱敏電偶相連 熱敏電 偶從傳感器采一輸出點(diǎn) 并把 其轉(zhuǎn)換為足夠強(qiáng)的信號(hào)傳遞給一控制器 控制器接受 與溫度相關(guān)的信號(hào) 并與期望值相比較 依賴于此比較值 控制器可確定怎樣保持 溫度在期望值 基于此決定 控制器給終端控制元 件傳送另一信號(hào) 其反過(guò)來(lái)操作流 量 前面的段落介紹了控制系統(tǒng)的四個(gè)基本元件 它們是 傳感器 通常稱為主 要元件 熱敏電偶 通常稱為次要元件 控制器 控制系統(tǒng)的 腦 終端控制系統(tǒng) 經(jīng)常為控制閥但不總是 一般其它終端控制元件為可變的 速度泵 傳 送機(jī)和電動(dòng)機(jī) 這些元件的重要性在于它們執(zhí)行的是在每一個(gè)控制系統(tǒng)中所必須的三 個(gè)基本操作 這些 操作是 測(cè)量 M 傳感器和熱偶電阻的組合元件經(jīng)常測(cè) 量被控變量 設(shè)定 D 基于測(cè)量值 控制器決定怎樣維持變量在期望值 執(zhí)行 A 作為控制器決定后的結(jié)果 系統(tǒng)必須采取一定的措施 通常有終端控 制元件 完成 如上所述 在每一個(gè)控制系統(tǒng)中這三個(gè)基本操作 M D 和 A 都會(huì)存在 在某 些系統(tǒng) 中 決定 執(zhí)行操作相當(dāng)簡(jiǎn)單 而在另一些系統(tǒng)中操作很復(fù)雜 工程人員設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)時(shí)必 須確保采取的措施要影響控制變量 也就是說(shuō) 采取的措施要影響測(cè)量 值 否則 系統(tǒng)是不 可控的且有可能弊大于利 Se n s o r s a n d Tr a n s m i t t e r s 在第一單元中 我們了解了控制系統(tǒng)的四個(gè)基本元件是傳感器 變送器 控制器 和終端 控制元件 我們也知道了這些元件執(zhí)行每一個(gè)控制系統(tǒng)的三個(gè)基本操作 測(cè)量 M 設(shè)定 D 和執(zhí)行 A 本部分隨著控制器較詳細(xì)的研究 簡(jiǎn)單介紹一下 傳感器和變送器 傳感器和變送器執(zhí)行的是控制系統(tǒng)的測(cè)量 M 操作 傳感器產(chǎn)生 一個(gè)機(jī)械的或與測(cè)量 的過(guò)程變量相關(guān)的類似的現(xiàn)象 反過(guò)來(lái) 變送器把這一現(xiàn)象轉(zhuǎn)換 為可以傳遞的信號(hào) 因此 信號(hào)與過(guò)程變量相關(guān) 存在與傳感器 變送器組合元件相 關(guān)的三個(gè)重要術(shù)語(yǔ) 通過(guò)測(cè)量的過(guò)程變量的高低數(shù)值 來(lái)設(shè)定儀表的范圍 也就是說(shuō) 可以考慮使用標(biāo)有刻度的壓力傳感器 變送器來(lái)測(cè)量 20 表壓 到 50 表壓間的過(guò)程壓 力 我們可以說(shuō) 傳感器 變送器組合元件的范圍是 20 50 表壓 儀表 的測(cè)量范圍與 高低壓數(shù)值間的范圍是不同的 上述的壓力儀表測(cè)量范圍是 30 表壓 總之 我們必 須明確高低數(shù)值來(lái)限定儀表的范圍 也就是說(shuō) 兩個(gè)數(shù)值必須給出 儀表的測(cè)量范圍 與兩個(gè)數(shù)值間的范圍是不同的 最后確定 低壓數(shù)值作為儀表的零點(diǎn) 儀表的零點(diǎn)并 不一定 就是零 上述例子中 儀表的零點(diǎn)是 20 表壓 其他工業(yè)傳感器有 壓力 流量 溫度和水平面 有時(shí)候 獲得描述傳感器 熱敏電阻 動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)對(duì)于系統(tǒng) 分析是很重要的 一旦得知測(cè)量間隔 增益即可容易獲得 考慮一 個(gè)范圍為 0 200 表壓得電子壓力傳感器 變送器 增益被定義為輸入變化量除以輸出變化量 或激勵(lì)函 數(shù)變化量除以響應(yīng)變化量 在這種情況下 輸出是電子信號(hào) 4 20 毫安 輸入是 p a g e 10 過(guò)程壓力 0 200 表壓 因此 KT 20 m A 4 m A 16 m A m A 0 08 200 p s i g 0 p s i g 200 p s i g p s i g 15 p s i g 3 p s i g 12 p s i g p s i g 0 06 300 F 100 F 200 F F 考慮的另一個(gè)例子是范圍在 100 300 F 的氣動(dòng)溫度傳感器 熱敏電阻 增益為 KT 也就是說(shuō) 傳感器 變送器的增益是輸出測(cè)量范圍與輸入測(cè)量范圍的比率 上述 的兩個(gè)例子表明傳感器 變送器的增益是超過(guò)其完全操作范圍的常量 大多數(shù)傳感 器 變送器都是這種情況 然而 也有一些象用于測(cè)量流的微分壓力 h 傳感器不是這種 情況 的例子 微分壓力傳感器冷處理孔處的微分壓力 微分壓力與測(cè)定體積流的速率 F 的平方 有關(guān) 即 F 2 a h 描述當(dāng)測(cè)量范圍為 0 Fm a x g p m 的測(cè)定體積流時(shí) 輸出信 號(hào)形式為微分壓力熱敏電阻的 公式為 16 M F 4 F 2 F m a x 2 式中 M F 輸出信號(hào) 毫安 F 測(cè)定體積流 從等式中可知 變送器的增益獲得如下 KT 標(biāo)稱增益為 d M F 2 16 F d F Fm a x 2 KT 16 Fm a x 0 1 0 2 0 5 1 0 0 75 1 50 1 0 2 0 此表達(dá)式說(shuō)明增益不是常量 而是一個(gè)時(shí)間的函數(shù) 流量越大 增益越大 明確 的說(shuō) F At F m a x KT K T 0 0 因此 實(shí)際上增益在零到兩倍標(biāo)稱增益間變化 在流體控制系統(tǒng)中這就造成了 非線性 目前 大多數(shù)生產(chǎn)廠家均提供產(chǎn)生潛入變送器的 嵌入式開方器的微分壓力 熱敏電阻 大多數(shù)傳感器 變送器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比過(guò)程快 因此 時(shí)間常數(shù)和空載時(shí)間 經(jīng)常被忽略 從而傳遞函數(shù)有純?cè)鲆娼o出 然而 當(dāng)考慮動(dòng)態(tài)特性時(shí) 一次或二次系 統(tǒng)的儀表傳遞函數(shù)通 KT 常表示為 G s s 1 或 G s KT s 2 s 1 2 P Co n t r o l l e r s a n d PI Co n t r o l l e r s 為了維持參考點(diǎn) 反饋控制器做出決定的方法是通過(guò)在被控量與參考點(diǎn)差別的基 礎(chǔ)上 計(jì)算輸出 在本單元中 我們將通過(guò)描述其操作的公式著眼于最普通的控制器 比例控制器 P 比例控制器 除了在這里不考慮的開 斷控制器 比例控制器是最簡(jiǎn) 單的控制器 描述其操作的方程 式如下 m t m K c r t c t 或 式中 m t m K c e t m t 控制器的輸出 p s i g 或 m A r t 參考點(diǎn) p s i g 或 m A c t 被控量 p s i g 或 m A 這是熱敏電 阻的信號(hào) e t 誤差信號(hào) p s i g 或 m A 參考點(diǎn)與被控量的差別 K c 控制器增益 p s i m A 或 p s i m A m 偏差值 p s i g 或 m A 此值的意義在于它是誤差為零時(shí)的輸出 在中比例 的刻度 控制器中 此值通常被設(shè)定為 9 p s i g 或 12 m A 因?yàn)檩斎肱c輸出范圍是相同 的 3 15 p s i g 或 4 20 m A 輸入信號(hào)和輸出信號(hào)以及 參考點(diǎn)有時(shí)候也可用分 數(shù)或百分?jǐn)?shù)來(lái)表示 可以有趣的看到等式 5 3A 1 描述的是一個(gè)反作用控制器 如 果控制器變量 c t 超過(guò)參考點(diǎn) r t 誤差變負(fù) 并且等式表明控制器的輸出 m t 下降 在數(shù)學(xué)上顯示正作用 控制器的一般方法是使控制器的增益 Kc 為負(fù) 然而 p a g e 11 必須牢記 在工業(yè)控制器中沒(méi)有負(fù)增 益 只有正增益 反 正開關(guān)可以做到這一點(diǎn) 當(dāng)做正作用控制器的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析時(shí) 負(fù)增益 Kc 被使用 等