微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

1、.第一章 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.2 1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式1.3 工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn).什么是計(jì)算機(jī)控制？能完成什么功能？什么是計(jì)算機(jī)控制？能完成什么功能？計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制控制控制監(jiān)控對(duì)象監(jiān)控對(duì)象顯示顯示監(jiān)控對(duì)象的變化過程監(jiān)控對(duì)象的變化過程（1 1）控制）控制監(jiān)控對(duì)象監(jiān)控對(duì)象 利用利用傳感裝置傳感裝置將被監(jiān)控對(duì)象中的物理參量（如溫度、壓力、將被監(jiān)控對(duì)象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），再將這些代表液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），再將這些代表實(shí)際物理參

2、量的電量送入輸入裝置中實(shí)際物理參量的電量送入輸入裝置中轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量數(shù)字量，則由計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件根據(jù)采集到的物理參量的，則由計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件根據(jù)采集到的物理參量的大小和變化情況以及按照工藝所要求該物理量的設(shè)定值進(jìn)行大小和變化情況以及按照工藝所要求該物理量的設(shè)定值進(jìn)行判斷；然后在判斷；然后在輸出裝置輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號(hào)，并且中輸出相應(yīng)的電信號(hào)，并且推動(dòng)執(zhí)行推動(dòng)執(zhí)行裝置裝置（如調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)）動(dòng)作從而（如調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)機(jī)）動(dòng)作從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)完成相應(yīng)的控制任務(wù)。 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述.涉及到哪些技術(shù)？涉及到哪些技術(shù)？計(jì)算

3、機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感器檢測(cè)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、電子技術(shù)等（2 2）顯示）顯示監(jiān)控對(duì)象的變化過程監(jiān)控對(duì)象的變化過程 將將傳感裝置傳感裝置采集到的被監(jiān)控對(duì)象中的物理參量（如溫度、采集到的被監(jiān)控對(duì)象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），并且在壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），并且在計(jì)算機(jī)的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式計(jì)算機(jī)的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來顯示出來，從而使得操作人員能夠直觀而迅速地了解從而使得操作人員能夠直觀而迅速地了解被監(jiān)控對(duì)象的變化被監(jiān)控對(duì)象的變化過程過程。除此之外除此之外，計(jì)算機(jī)還可以將采集到的，計(jì)算

4、機(jī)還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，起來，隨時(shí)進(jìn)行隨時(shí)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和顯示分析、統(tǒng)計(jì)和顯示并制作并制作各種報(bào)表各種報(bào)表。.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 自動(dòng)控制：就是在沒有人自動(dòng)控制：就是在沒有人直接參與直接參與的情況下，通過的情況下，通過控控制器制器使生產(chǎn)過程自動(dòng)地使生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。運(yùn)行。 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖：自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖：圖圖1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖返回.1.1.1 1.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：就是利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：就是利用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)( (通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工業(yè)

5、控制機(jī)稱工業(yè)控制機(jī)) )來來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程自動(dòng)控制自動(dòng)控制的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。 微型計(jì)算機(jī)圖圖1-2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理返回自控系統(tǒng).計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)以一個(gè)計(jì)算機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)為例：.上述溫度監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制可以上述溫度監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制可以分解為分解為四個(gè)過程四個(gè)過程： 1 1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。生產(chǎn)過程的被控參量（過程信生產(chǎn)過程的被控參量（過程信號(hào)）通過測(cè)量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量或電參數(shù)，再由變號(hào)）通過測(cè)量環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量或電參數(shù)，再由變送器或放大器變換成

6、標(biāo)準(zhǔn)的送器或放大器變換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)電壓信號(hào)或電流信號(hào)； 2 2）A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)或電流信號(hào)經(jīng)過。電壓信號(hào)或電流信號(hào)經(jīng)過A/DA/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換后變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為人們易，并將其轉(zhuǎn)換為人們易于理解的工程量（測(cè)量值）；于理解的工程量（測(cè)量值）； 3 3）實(shí)時(shí)控制決策。實(shí)時(shí)控制決策。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量值與給定值的計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量值與給定值的偏差偏差，按一定的，按一定的控制算法控制算法輸出控制信號(hào)；輸出控制信號(hào)； 4 4）實(shí)時(shí)控制輸出。實(shí)時(shí)控制輸出。控制信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通，通過過調(diào)節(jié)物料流量或能量調(diào)節(jié)物料

7、流量或能量的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)。的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)。.1.1.2 1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)( (工業(yè)控制機(jī)工業(yè)控制機(jī)) )和和生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程兩大部分兩大部分組成。組成。 圖1-3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式1.2.1 1.2.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) （為操作人員提供操作指導(dǎo)為操作人員提供操作指導(dǎo)信息信息） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1-4 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)不直接參與過程控制計(jì)算機(jī)不直接參與過程控制，主要用于對(duì)被控過程的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行，主要用于對(duì)被控過程的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行

8、實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理數(shù)據(jù)采集和處理，進(jìn)行必要的集中記錄、顯示、報(bào)警或打印輸出，對(duì)，進(jìn)行必要的集中記錄、顯示、報(bào)警或打印輸出，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的集中監(jiān)視，并現(xiàn)場(chǎng)狀況的集中監(jiān)視，并為操作人員提供操作指導(dǎo)信息為操作人員提供操作指導(dǎo)信息。.優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是要由人工操作，開環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實(shí)時(shí)性差，不能是要由人工操作，開環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實(shí)時(shí)性差，不能控制多個(gè)對(duì)象?？刂贫鄠€(gè)對(duì)象。主要用于生產(chǎn)初期實(shí)驗(yàn)，過程模型獲取主要用于生產(chǎn)初期實(shí)驗(yàn)，過程模型獲取.1.2.2 1.2.2 直接數(shù)字控制（直接數(shù)字控制（DDCDDC）系統(tǒng)）系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實(shí)時(shí)性好，可以控制

9、多個(gè)回路或?qū)ο?。閉環(huán)結(jié)構(gòu)，控制的實(shí)時(shí)性好，可以控制多個(gè)回路或?qū)ο蟆Ｗ兯推鲌?zhí)行機(jī)構(gòu) 計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)單元對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)單元對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)巡回檢測(cè)，并經(jīng)過，并經(jīng)過輸輸入通道入通道將檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)按照一定的控制規(guī)律進(jìn)按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，得到相應(yīng)的行運(yùn)算，得到相應(yīng)的控制信息控制信息，并通過，并通過輸出通道輸出通道去控制去控制執(zhí)行機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到期望的要求構(gòu)，從而使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到期望的要求.1.2.3 1.2.3 監(jiān)督控制（監(jiān)督控制（SCCSCC）系統(tǒng)）系統(tǒng) a a） SCC+SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)

10、器的控制系統(tǒng) b b） SCC+DDCSCC+DDC的分級(jí)控制系統(tǒng)的分級(jí)控制系統(tǒng)圖1-6 監(jiān)督控制系統(tǒng)輸出通道輸入通道. 亦稱分布式控制系統(tǒng)。亦稱分布式控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)分布式控制計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用分級(jí)分散型分級(jí)分散型控制原理、控制原理、集中操作集中操作、分級(jí)分級(jí)管理、分散控制、綜合協(xié)調(diào)的管理、分散控制、綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則，將系統(tǒng)，將系統(tǒng)由下至上可分為由下至上可分為現(xiàn)場(chǎng)分布式控制級(jí)、過程控制集現(xiàn)場(chǎng)分布式控制級(jí)、過程控制集中監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)中監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)等，各級(jí)之間通過高等，各級(jí)之間通過高速通訊通道相互連接，傳遞信息，協(xié)調(diào)工作。速通訊通道相互連接，傳遞信息，協(xié)

11、調(diào)工作。1.2.4 1.2.4 集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCSDCS）.1.2.4 1.2.4 集散控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)（DCSDCS） 圖1-7 DCS結(jié)構(gòu)示意圖操作站控制站現(xiàn)場(chǎng)儀表MICSCCDDC生產(chǎn)過程最優(yōu)化，效率提高，成本降低.圖1-8 FCS結(jié)構(gòu)示意圖二層結(jié)構(gòu)二層結(jié)構(gòu)：工作站：工作站-現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表.1.2.6 1.2.6 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體解決方案綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的整體解決方案： 企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERPERP （Enterprise Resources PlanningEnterprise Resour

12、ces Planning）； 生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MESMES （Manufacturing Execution SystemManufacturing Execution System）； 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCSPCS （Process Control SystemProcess Control System）。 計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS-Computer Integrated CIPS-Computer Integrated Process SystemProcess System）.1.3 1.3 工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

13、及特點(diǎn)1.3.1 1.3.1 工業(yè)控制機(jī)的組成工業(yè)控制機(jī)的組成 工業(yè)控制機(jī)包括工業(yè)控制機(jī)包括硬件硬件和和軟件軟件兩部分。兩部分。硬件硬件包括包括主機(jī)主機(jī)(CPU(CPU、RAMRAM、ROM)ROM)板、板、內(nèi)部?jī)?nèi)部總線和外部總線總線和外部總線、人機(jī)接口人機(jī)接口、系統(tǒng)支持功系統(tǒng)支持功能、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道能、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。軟件包括系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件。. 1. 1. 工業(yè)控制機(jī)的硬件組成工業(yè)控制機(jī)的硬件組成主機(jī)板人機(jī)接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通信接口模擬量輸入通道(AI)模擬量輸出通道(AO)數(shù)字量輸入通道(DI)數(shù)字量

14、輸出通道(DO)外部總線內(nèi)部總線圖1-10 工業(yè)控制機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu).1.3.3 工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)(1)(1)可靠性高和可維修性好。可靠性高和可維修性好。 可靠性可靠性：指設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行不發(fā)生故障。：指設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行不發(fā)生故障。 可維修性可維修性：工業(yè)控制機(jī)發(fā)生故障時(shí)，維修快速、：工業(yè)控制機(jī)發(fā)生故障時(shí)，維修快速、簡(jiǎn)單方便簡(jiǎn)單方便(2)(2)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 工業(yè)環(huán)境惡劣，高溫、高濕、腐蝕、振動(dòng)、灰塵、工業(yè)環(huán)境惡劣，高溫、高濕、腐蝕、振動(dòng)、灰塵、電磁干擾。電磁干擾。 (3)(3)控制的實(shí)時(shí)性?？刂频膶?shí)時(shí)性。 具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)能力，要能對(duì)生產(chǎn)過程具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件

15、驅(qū)動(dòng)能力，要能對(duì)生產(chǎn)過程工況變化實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)視和控制。工況變化實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)視和控制。 .(4)(4)完善的輸入輸出通道。完善的輸入輸出通道。 模擬量輸入、輸出、開關(guān)量輸入、輸出、模擬量輸入、輸出、開關(guān)量輸入、輸出、人機(jī)通信設(shè)備等人機(jī)通信設(shè)備等(5)(5)豐富的軟件。豐富的軟件。 (6)(6)適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)精度和運(yùn)算速度。適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)精度和運(yùn)算速度。.2.1 IO2.1 IO端口及地址譯碼技術(shù)端口及地址譯碼技術(shù)2.2 2.2 數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.3 2.3 模擬量輸模擬量輸入入接口與過程通道接口與過程通道2.4 2.4 模擬量輸模擬量輸出出接口與過程通道接口

16、與過程通道2.5 2.5 硬件抗干擾技術(shù)硬件抗干擾技術(shù)第第2 2章章 輸入輸出接口與過程通道輸入輸出接口與過程通道.第第2 2章章 輸入輸出接口與過程通道輸入輸出接口與過程通道接口接口：接口是：接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備（部件與部件之間）交換信（部件與部件之間）交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。接口的含義接口的含義：l狹義上：連接計(jì)算機(jī)和狹義上：連接計(jì)算機(jī)和I/O設(shè)備的部件；設(shè)備的部件；l廣義上：還包括接口電路的管理驅(qū)動(dòng)程序；廣義上：還包括接口電路的管理驅(qū)動(dòng)程序；接口技術(shù)接口技術(shù)：接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間：接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與

17、外部設(shè)備之間如何交換如何交換信息信息的技術(shù)。的技術(shù)。接口的必要性：接口的必要性： 外設(shè)是用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一些機(jī)電設(shè)備外設(shè)是用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一些機(jī)電設(shè)備.外設(shè)處理信息的類外設(shè)處理信息的類型、速度、通信方式與型、速度、通信方式與CPU不匹配不匹配,不能直接掛在總線上不能直接掛在總線上,必須必須通過接口和系統(tǒng)相連通過接口和系統(tǒng)相連.CPU外部外部設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制通常有三類信息：通常有三類信息：數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量開關(guān)量開關(guān)量狀態(tài)信息狀態(tài)信息控制信息控制信息CPU與外設(shè)之間交換信息的種類與外設(shè)之間交換信息的種類.接口的構(gòu)成接口的構(gòu)成數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端

18、口控制端口控制端口地址地址譯碼譯碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖緩沖控制控制電路電路外外設(shè)設(shè)ABDBCBCPU(1)從編程角度看從編程角度看,接口內(nèi)部主要包括接口內(nèi)部主要包括一個(gè)或多個(gè)一個(gè)或多個(gè)CPU可可以進(jìn)行讀以進(jìn)行讀/寫操作的寫操作的有地址的有地址的寄存器寄存器,又稱為又稱為I/O端口端口.(2)數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口:雙向的數(shù)據(jù)端口具有鎖存和三態(tài)緩沖功能雙向的數(shù)據(jù)端口具有鎖存和三態(tài)緩沖功能.狀態(tài)端口狀態(tài)端口:只讀端口只讀端口,包含三態(tài)緩沖器包含三態(tài)緩沖器.控制端口控制端口:只寫端口只寫端口,包含鎖存器包含鎖存器. 過程通道是在過程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換

19、的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量出通道、數(shù)字量( (開關(guān)量開關(guān)量) )輸入通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量( (開關(guān)量開關(guān)量) )輸輸出通道。出通道。 AI/AOAI/AO、DI/DO.DI/DO.生產(chǎn)參數(shù)生產(chǎn)參數(shù)輸入通道輸入通道計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)輸出通道輸出通道控制生產(chǎn)過程控制生產(chǎn)過程過程通道過程通道：.顯 示打 印報(bào) 警計(jì)算機(jī)接口電路模擬量輸入通道數(shù)字量輸入通道生產(chǎn)過程模擬量輸出通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道.2.1 2.1 總線擴(kuò)展技術(shù)總線擴(kuò)展技術(shù) （IOIO端口及地址譯碼技術(shù)）端口及地址譯碼技術(shù)）一、一、I/

20、OI/O端口及其編址方式端口及其編址方式1 1、I/OI/O端口端口 （1 1）定義：定義：是接口電路中能被是接口電路中能被CPUCPU直接訪問的直接訪問的寄存器的地址寄存器的地址。CPUCPU 通過這些地址（端口）向接口電路的寄存器發(fā)送命令，通過這些地址（端口）向接口電路的寄存器發(fā)送命令， 讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。 I/OI/O操作：操作：對(duì)對(duì)I/OI/O端口的讀寫操作。端口的讀寫操作。（2 2）端口的作用與類型）端口的作用與類型 作用：作用：CPUCPU通過端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令、讀通過端口向接口電路中的寄存器發(fā)送命令、讀 取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。 類

21、型：類型：命令端口、狀態(tài)端口、數(shù)據(jù)端口。命令端口、狀態(tài)端口、數(shù)據(jù)端口。 .2. I/O2. I/O端口編址方式端口編址方式 （1 1）統(tǒng)一編址：把）統(tǒng)一編址：把I/OI/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，與存端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，與存儲(chǔ)單元統(tǒng)一編址，訪問存儲(chǔ)器的所有指令均可用來訪問儲(chǔ)單元統(tǒng)一編址，訪問存儲(chǔ)器的所有指令均可用來訪問I/OI/O端口。端口。存儲(chǔ)器映射存儲(chǔ)器映射I/OI/O編址方式。編址方式。 （2 2）獨(dú)立編址：有獨(dú)立的）獨(dú)立編址：有獨(dú)立的I/OI/O地址空間，采用專門的地址空間，采用專門的I/OI/O指令來訪問。稱為指令來訪問。稱為I/OI/O映射方式映射方式。 .二、二、I/OI/O端口

22、地址分配端口地址分配（1 1）系統(tǒng)板上的）系統(tǒng)板上的I/OI/O芯片芯片 定時(shí)定時(shí)/ /計(jì)數(shù)器、中斷控制器、計(jì)數(shù)器、中斷控制器、DMADMA控制器、并行接口等控制器、并行接口等（2 2）I/OI/O擴(kuò)展槽上的接口控制卡（適配器）擴(kuò)展槽上的接口控制卡（適配器） 軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、并行、串行通信卡軟驅(qū)卡、硬驅(qū)卡、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、并行、串行通信卡1 1、I/OI/O端口硬件分類端口硬件分類 早期早期IBMPC使用使用10條地址線中的低條地址線中的低10位，位，A0A9尋址范尋址范圍圍0000H03FFH共共1024個(gè)端口，前個(gè)端口，前512個(gè)端口分給主板，后個(gè)端口分給主板，后512

23、個(gè)端口分配給擴(kuò)展槽的常規(guī)外設(shè)。個(gè)端口分配給擴(kuò)展槽的常規(guī)外設(shè)。后來后來PC/AT系統(tǒng)中前系統(tǒng)中前256個(gè)端口個(gè)端口00H0FFH供系統(tǒng)板上的供系統(tǒng)板上的I/O接口芯片使用，后接口芯片使用，后768個(gè)個(gè)100H3FFH供擴(kuò)展槽上的接口控制卡使供擴(kuò)展槽上的接口控制卡使用，其中允許用戶使用的地址是用，其中允許用戶使用的地址是300H31FH。2 2、I/OI/O端口地址分配端口地址分配.系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址系統(tǒng)板上接口芯片的端口地址擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址擴(kuò)展槽上接口控制卡的端口地址I/OI/O芯片名稱芯片名稱端口地址端口地址游戲控制卡游戲控制卡200H200H20FH20FH并行控制卡并行

24、控制卡1 1并行控制卡并行控制卡2 2370H370H37FH37FH270H270H27FH27FH串行控制卡串行控制卡1 1串行控制卡串行控制卡2 23F8H3F8H3FFH3FFH2F8H2F8H2FFH2FFH插件板（用戶）插件板（用戶）300H300H31FH31FH同步通信卡同步通信卡1 1同步通信卡同步通信卡2 23A0H3A0H3AFH3AFH380H380H38FH38FH單顯單顯MDAMDA彩顯彩顯CGACGA彩顯彩顯EGA/VGAEGA/VGA3B0H3B0H3BFH3BFH3D0H3D0H3DFH3DFH3C0H3C0H3CFH3CFH硬驅(qū)控制卡硬驅(qū)控制卡軟驅(qū)控制卡軟驅(qū)

25、控制卡1F0H1F0H1FFH1FFH3F0H3F0H3FFH3FFHPCPC網(wǎng)卡網(wǎng)卡360H360H36FH36FHI/OI/O芯片名稱芯片名稱端口地址端口地址DMADMA控制器控制器1 1DMADMA控制器控制器2 2DMADMA頁面寄存器頁面寄存器000H000H01FH01FH0C0H0C0H0DFH0DFH080H080H09FH09FH中斷控制器中斷控制器1 1中斷控制器中斷控制器2 2020H020H03FH03FH0A0H0A0H0BFH0BFH定時(shí)器定時(shí)器040H040H05FH05FH并行接口芯片并行接口芯片060H060H06FH06FHRT/CMOS RAMRT/CMO

26、S RAM070H070H07FH07FH協(xié)處理器協(xié)處理器0F0H0F0H0FFH0FFH.三、三、I/OI/O端口地址譯碼端口地址譯碼1 1、端口地址譯碼、端口地址譯碼 在執(zhí)行在執(zhí)行I/O指令時(shí)，指令時(shí)，CPU首先把所要訪問首先把所要訪問端口的地址端口的地址放放 到地址總線上（既選中該端口），到地址總線上（既選中該端口）， 然后才能對(duì)其進(jìn)行然后才能對(duì)其進(jìn)行讀或讀或 寫操作寫操作， 將總線上的地址信號(hào)轉(zhuǎn)換為某個(gè)端口的將總線上的地址信號(hào)轉(zhuǎn)換為某個(gè)端口的“使能使能”信信 號(hào)，號(hào)， 這個(gè)操作就稱為端口地址的譯碼，這個(gè)操作就稱為端口地址的譯碼， 實(shí)現(xiàn)譯碼這個(gè)實(shí)現(xiàn)譯碼這個(gè)“媒媒 介介”就為就為I/O地址

27、譯碼電路地址譯碼電路。2 2、I/O地址譯碼電路工作原理及作用地址譯碼電路工作原理及作用（1 1）作用：作用：把地址和控制信號(hào)進(jìn)行邏輯組合，把地址和控制信號(hào)進(jìn)行邏輯組合， 從而產(chǎn)生對(duì)從而產(chǎn)生對(duì) 接口芯片的接口芯片的選擇信號(hào)選擇信號(hào)。.（3 3）譯碼電路的輸出信號(hào)：譯碼電路的輸出信號(hào)：把輸入的地址線和控制線經(jīng)過邏輯組把輸入的地址線和控制線經(jīng)過邏輯組 合后，所產(chǎn)生的輸出信號(hào)線合后，所產(chǎn)生的輸出信號(hào)線就是就是 1 1根根 選中線選中線，低電平有效。，低電平有效。（2 2）譯碼電路的輸入信號(hào)：譯碼電路的輸入信號(hào)：包括來自系統(tǒng)總線的包括來自系統(tǒng)總線的地址線和控制線地址線和控制線。 地址線：地址線：把把1

28、010位地址線分成高位位地址線分成高位/ /低位兩部分地址線。低位兩部分地址線。高高 位地址線位地址線輸入譯碼電路，輸入譯碼電路， 并和控制信號(hào)經(jīng)過邏并和控制信號(hào)經(jīng)過邏 輯組合后，產(chǎn)生片選信號(hào)，選中接口芯片。輯組合后，產(chǎn)生片選信號(hào)，選中接口芯片。 低低 地址線不參加譯碼地址線不參加譯碼， 直接連到被選中的接口芯直接連到被選中的接口芯 片，去選中接口芯片內(nèi)部的寄存器，片，去選中接口芯片內(nèi)部的寄存器， 實(shí)現(xiàn)片內(nèi)實(shí)現(xiàn)片內(nèi) 端口尋址端口尋址。 控制線：控制線：AEN、IOR、IOW、SBHE、I/OCS16等。等。.3 3、譯碼電路的形式及組成、譯碼電路的形式及組成 譯碼電路形式可分成固定式和開關(guān)（可

29、選）式等幾種。譯碼電路形式可分成固定式和開關(guān)（可選）式等幾種。（1）固定式：固定式：譯出的譯出的I/O地址不能改變，不靈活（接口中用地址不能改變，不靈活（接口中用 到的端口地址不能改變），到的端口地址不能改變）， 一般由一般由IC芯片或芯片或 譯碼器組成。譯碼器組成。（2）開關(guān)式：開關(guān)式：地址可以改變，地址可以改變， 一般由地址開關(guān)、譯碼器和一般由地址開關(guān)、譯碼器和 比較器組成。比較器組成。（3）另外，采用）另外，采用GAL（PAL）器件來構(gòu)建地址譯碼電路。）器件來構(gòu)建地址譯碼電路。4 4、地址譯碼的譯碼方法、地址譯碼的譯碼方法 （1 1）要求產(chǎn)生單個(gè)端口時(shí)，采用全譯碼方法。）要求產(chǎn)生單個(gè)端口

30、時(shí)，采用全譯碼方法。（2 2）要求產(chǎn)生多個(gè)端口時(shí)，采用部分譯碼方法。）要求產(chǎn)生多個(gè)端口時(shí)，采用部分譯碼方法。（3 3）要求產(chǎn)生的端口可變時(shí)，采用地址開關(guān)的譯碼方法。）要求產(chǎn)生的端口可變時(shí)，采用地址開關(guān)的譯碼方法。.I/O端口地址部分譯碼方法圖端口地址部分譯碼方法圖譯譯碼碼器器控制線控制線地址線高位地址線高位接接口口芯芯片片CS地址線低位地址線低位芯片中寄存器（端口）芯片中寄存器（端口）.5 5、地址譯碼電路的類型、地址譯碼電路的類型 （1 1）單個(gè)端口單個(gè)端口的地址譯碼電路（無需片選信號(hào)）的地址譯碼電路（無需片選信號(hào)） （2 2）單個(gè)）單個(gè)接口接口的譯碼電路（需要一個(gè)片選信號(hào)）的譯碼電路（需要

31、一個(gè)片選信號(hào)） （3 3）多個(gè)接口多個(gè)接口的地址譯碼電路（需要產(chǎn)生多個(gè)接口芯片的的地址譯碼電路（需要產(chǎn)生多個(gè)接口芯片的 片選信號(hào)）片選信號(hào)） 6、譯碼器和、譯碼器和I/O地址譯碼電路地址譯碼電路 譯碼器是一種能實(shí)現(xiàn)譯碼功能的元件，是一種譯碼器是一種能實(shí)現(xiàn)譯碼功能的元件，是一種IC芯片。芯片。I/O地址譯碼電路是一種電路，它一般除了譯碼器作為核心地址譯碼電路是一種電路，它一般除了譯碼器作為核心芯片之外，還需要一些其他門電路或元器件作為輔助芯片，芯片之外，還需要一些其他門電路或元器件作為輔助芯片，一起進(jìn)行邏輯組合，組成一個(gè)能一起進(jìn)行邏輯組合，組成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)I/O端口地址譯碼功能端口地址譯碼功能

32、的電路的電路?？梢?，譯碼器并不是。可見，譯碼器并不是I/O地址譯碼電路的全部，而地址譯碼電路的全部，而是其中的一部分。是其中的一部分。.四、四、I/OI/O端口譯碼電路設(shè)計(jì)舉例端口譯碼電路設(shè)計(jì)舉例 1、固定式單個(gè)端口地址譯碼電路的設(shè)計(jì)、固定式單個(gè)端口地址譯碼電路的設(shè)計(jì) （1）要求：要求：設(shè)計(jì)一個(gè)端口地址為設(shè)計(jì)一個(gè)端口地址為2F8H的譯碼電路。的譯碼電路。 （2）分析：分析：由于是單個(gè)端口地址的譯碼電路，不需要片選信號(hào)由于是單個(gè)端口地址的譯碼電路，不需要片選信號(hào) CS ，故采用，故采用全譯碼方法全譯碼方法。10 根地址線全部作為譯根地址線全部作為譯 碼電路的輸入線，參加譯碼。并從題目要求的端口碼

33、電路的輸入線，參加譯碼。并從題目要求的端口 地址是地址是2F8H，可知，可知10位輸入地址線的取值是：位輸入地址線的取值是： A9A0對(duì)應(yīng)的值為對(duì)應(yīng)的值為1011111000 （3）設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：能夠?qū)崿F(xiàn)上述地址線取值的譯碼電路有很多種，一能夠?qū)崿F(xiàn)上述地址線取值的譯碼電路有很多種，一 般采用門電路就可以實(shí)現(xiàn)，而且很方便。常用的門般采用門電路就可以實(shí)現(xiàn)，而且很方便。常用的門 電路有：與門、或門、非門及與非、或非等。本例電路有：與門、或門、非門及與非、或非等。本例 設(shè)計(jì)采用的門電路有設(shè)計(jì)采用的門電路有 74LS04 非門、非門、74LS20 四輸入四輸入 端與非門、端與非門、74LS30 八輸入端與

34、非門、八輸入端與非門、 74LS32 或門或門 和和74LS133十三輸入端與非門中的幾個(gè)。十三輸入端與非門中的幾個(gè)。.地址線地址線A11 A10 A9A8A7A6A5A4A3A2A1 A0二進(jìn)制二進(jìn)制001011111000十六進(jìn)制十六進(jìn)制2F874LS30（與非門）（與非門）& &A8A7A6A5A4A3A274LS20(與非門與非門)& &A1A0AENIOR74LS32（或門）（或門）1 12F8HA9 Y0.2、固定式單個(gè)接口電路地址譯碼電路的設(shè)計(jì)、固定式單個(gè)接口電路地址譯碼電路的設(shè)計(jì) （1）要求：要求：設(shè)計(jì)一個(gè)片內(nèi)擁有設(shè)計(jì)一個(gè)片內(nèi)擁有8個(gè)端口個(gè)端口的

35、接口電路的的接口電路的I/O地址譯碼地址譯碼 電路，其端口地址為電路，其端口地址為310H317H。 （2）分析：分析：由于接口芯片內(nèi)部包括由于接口芯片內(nèi)部包括8個(gè)端口地址，應(yīng)先選中芯片，個(gè)端口地址，應(yīng)先選中芯片， 再從選中的芯片內(nèi)部選端口，因此，需要產(chǎn)生片選信再從選中的芯片內(nèi)部選端口，因此，需要產(chǎn)生片選信 號(hào)號(hào) CS， 故故采用部分譯碼方法采用部分譯碼方法。 從題目要求端口地址從題目要求端口地址 范圍為范圍為310H317H可知，其輸入地址線的取值為：可知，其輸入地址線的取值為： A9A0對(duì)應(yīng)的值為對(duì)應(yīng)的值為 1100010?，其中，其中低低 3 位不參加地位不參加地 址譯碼電路譯碼址譯碼電

36、路譯碼，這，這3位地址變化范圍為位地址變化范圍為 000111，可，可 滿足在接口芯片內(nèi)部尋址滿足在接口芯片內(nèi)部尋址8個(gè)端口的要求。個(gè)端口的要求。 高高7位的地位的地 址線固定不變，作為門電路的輸入。址線固定不變，作為門電路的輸入。 因此，在保證這因此，在保證這 7 根輸入線取值不變的條件下，根輸入線取值不變的條件下， 輸出線為低電平的任輸出線為低電平的任 何一種邏輯組合電路，何一種邏輯組合電路， 都能滿足本例題設(shè)計(jì)要求。都能滿足本例題設(shè)計(jì)要求。 （3）設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：考慮到是考慮到是單個(gè)接口電路，只需一個(gè)片選信號(hào)單個(gè)接口電路，只需一個(gè)片選信號(hào)CS，故采，故采 用用IC門電路來組成譯碼電路。門電路

37、來組成譯碼電路。.地址線地址線A11 A10 A9A8A7A6A5A4A3A2A1 A0二進(jìn)制二進(jìn)制001100010？十六進(jìn)制十六進(jìn)制3107 1 174LS30&A9A4A7A6A5A3AENA874LS27CS.（1）要求：要求：某微機(jī)系統(tǒng)，包含某微機(jī)系統(tǒng)，包含8個(gè)接口電路個(gè)接口電路，每個(gè)接口擁有，每個(gè)接口擁有4個(gè)端口，個(gè)端口， 試設(shè)計(jì)地址譯碼電路，其地址分配在試設(shè)計(jì)地址譯碼電路，其地址分配在200H21FH。（2）分析：分析：由于要求每個(gè)接口包含由于要求每個(gè)接口包含4個(gè)端口，故個(gè)端口，故采用部分譯碼方法采用部分譯碼方法。 為了滿足產(chǎn)生為了滿足產(chǎn)生8個(gè)片選信號(hào)個(gè)片選信號(hào)CS0CS

38、7的要求，只采用的要求，只采用IC門門 電路就不行了，需要啟用譯碼器。電路就不行了，需要啟用譯碼器。 （2-4：74LS139、3-8：74LS138、4-16：74LS154）（3）設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：輸入地址線的取值為輸入地址線的取值為A9A0對(duì)應(yīng)的值為對(duì)應(yīng)的值為10000CBA?，其，其 中最低中最低2位未參加地址譯碼電路，用于尋址位未參加地址譯碼電路，用于尋址4個(gè)端口。個(gè)端口。 A4A2用于譯碼，高用于譯碼，高5位作為譯碼器的控制信號(hào)。位作為譯碼器的控制信號(hào)。 3 3、固定式多個(gè)接口電路地址譯碼電路的設(shè)計(jì)、固定式多個(gè)接口電路地址譯碼電路的設(shè)計(jì).地址線地址線A4A3A2A1A0作用作用芯片片選芯

39、片片選芯片內(nèi)部端口芯片內(nèi)部端口 174LS138AA2A4A6A7A9AENA3BCG2AG1Y0A5G2BY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7CS1CS1CS2CS3CS4CS5CS6CS7A8.4 4、開關(guān)式單個(gè)端口地址譯碼電路的設(shè)計(jì)、開關(guān)式單個(gè)端口地址譯碼電路的設(shè)計(jì)（1）要求：要求：設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè) I/O 地址可以改變的地址可以改變的端口地址譯碼電路，端口地址譯碼電路， 并且在并且在300H3FFH范圍內(nèi)可以任意選擇一個(gè)端口。范圍內(nèi)可以任意選擇一個(gè)端口。（2）分析：分析：要實(shí)現(xiàn)地址可選必須在電路中增加地址開關(guān)和相關(guān)要實(shí)現(xiàn)地址可選必須在電路中增加地址開關(guān)和相關(guān) 的中介元件（比較器）。的中介元件（

40、比較器）。 為滿足為滿足256種選擇，每次只選擇種選擇，每次只選擇1個(gè)端口，應(yīng)采用全個(gè)端口，應(yīng)采用全 譯碼法，譯碼法，10位地址線不分高位地址線不分高/低全部參加譯碼。低全部參加譯碼。（3）設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 根據(jù)可選地址的選擇范圍，確定地址開關(guān)的位數(shù)，根據(jù)可選地址的選擇范圍，確定地址開關(guān)的位數(shù)， 題目要求題目要求256種選擇，故采用種選擇，故采用8位地址開關(guān)位地址開關(guān)DIP8。 地址開關(guān)不能直接接在系統(tǒng)地址線上，需通過中地址開關(guān)不能直接接在系統(tǒng)地址線上，需通過中 介元件（比較器或異或門）進(jìn)行地址轉(zhuǎn)移。采用介元件（比較器或異或門）進(jìn)行地址轉(zhuǎn)移。采用 8位比較器位比較器74LS688。. 74LS68

41、8工作原理工作原理：有兩組輸入分別是：有兩組輸入分別是P和和Q，各有，各有8位。比較位。比較 結(jié)果有兩種，即結(jié)果有兩種，即 A=B 和和 AB。當(dāng)。當(dāng)G端為低，且端為低，且P組組=Q組時(shí)，組時(shí)， P=Q輸出線為低；當(dāng)輸出線為低；當(dāng)P組組Q組時(shí)，組時(shí)，P=Q輸出線為高。輸出線為高。 從題目要求的地址范圍從題目要求的地址范圍300H3FFH可知，可知， 譯碼電路的輸入線譯碼電路的輸入線 地址的取值為：地址的取值為：A9A0為為11S7S0，通過比較器把開關(guān)的狀態(tài)，通過比較器把開關(guān)的狀態(tài) 轉(zhuǎn)移到地址線轉(zhuǎn)移到地址線A0A7的取值了。的取值了。 8位地址開關(guān)有位地址開關(guān)有 256 種狀態(tài)組合，種狀態(tài)組合

42、， 撥動(dòng)撥動(dòng) DIP8 開關(guān)，開關(guān)， 就可以在就可以在 300H3FFH范圍內(nèi)任意選擇端口地址了。范圍內(nèi)任意選擇端口地址了。.74LS688A0A2A4A3A5A6A174LS10P0P1P2P3P4P5P6P7Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7A7VccS0S2S4S3S5S6S1S7DIP8AENGP=Q1A8A9&Y.5 5、可選式端口地址譯碼器、可選式端口地址譯碼器 例：設(shè)計(jì)擴(kuò)展板上的例：設(shè)計(jì)擴(kuò)展板上的I/O端口地址譯碼器電路，要求讓擴(kuò)展板端口地址譯碼器電路，要求讓擴(kuò)展板 上上每個(gè)接口芯片的內(nèi)部端口數(shù)目為每個(gè)接口芯片的內(nèi)部端口數(shù)目為4，并且端口地址可選，并且端口地址可選 地址范圍

43、地址范圍300H31FH 。端口地址端口地址接口芯片地址接口芯片地址地地 址址 線線A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0二進(jìn)制值二進(jìn)制值1 1 0 0 0 0 0 0. . . .1 1 0 0 0 1 1 10 0. . . .1 1.A2A3A574LS138ABCAENG1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7823782598254825574LS85A0A1A2A3B0B1B2B3A=BABA6A7A8A9A=BVCCA4S0S1S2S3地地 址址 線線A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0二進(jìn)制值二進(jìn)制值1 1 0 0 0 0 0 0

44、. . . .1 1 0 0 0 1 1 10 0. . . .1 1.2.2 2.2 數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道數(shù)字量含義：數(shù)字量含義：數(shù)值量信號(hào)是以二進(jìn)制的邏輯數(shù)值量信號(hào)是以二進(jìn)制的邏輯“1”和和“0”出出現(xiàn)的。如：開關(guān)的合與開，指示燈的亮與滅，現(xiàn)的。如：開關(guān)的合與開，指示燈的亮與滅，繼電器的吸合與釋放，馬達(dá)的啟動(dòng)與停止，閥繼電器的吸合與釋放，馬達(dá)的啟動(dòng)與停止，閥門的打開與關(guān)閉等。門的打開與關(guān)閉等。開關(guān)量（數(shù)字量）的種類開關(guān)量（數(shù)字量）的種類按類型分有電平式和觸點(diǎn)式兩種按類型分有電平式和觸點(diǎn)式兩種電平式為電平式為高電平高電平或或低電平低電平；觸點(diǎn)式為觸點(diǎn)觸點(diǎn)式

45、為觸點(diǎn)閉合閉合或觸點(diǎn)或觸點(diǎn)斷開斷開。.按電源分有有源和無源兩種按電源分有有源和無源兩種有源即直接提供高、低電平有源即直接提供高、低電平;無源即提供物理觸點(diǎn)，或感應(yīng)器件。無源即提供物理觸點(diǎn)，或感應(yīng)器件。常見的數(shù)字信號(hào)有：常見的數(shù)字信號(hào)有：編碼數(shù)字編碼數(shù)字（二進(jìn)制或十進(jìn)制）：如成組拔碼開（二進(jìn)制或十進(jìn)制）：如成組拔碼開關(guān)設(shè)置控制給定值或控制參數(shù)，用絕對(duì)編碼的編碼關(guān)設(shè)置控制給定值或控制參數(shù)，用絕對(duì)編碼的編碼器檢測(cè)位置等。器檢測(cè)位置等。開關(guān)量：開關(guān)量：如按鈕或轉(zhuǎn)換開關(guān)的啟如按鈕或轉(zhuǎn)換開關(guān)的啟/停、閥門的開停、閥門的開/閉，指示燈亮閉，指示燈亮/滅等。滅等。 數(shù)字脈沖列信號(hào)：數(shù)字脈沖列信號(hào)：如光電脈沖編

46、碼器檢測(cè)速度、如光電脈沖編碼器檢測(cè)速度、晶閘管的脈沖觸發(fā)器等。晶閘管的脈沖觸發(fā)器等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：幅值離散，可用一位或多位二進(jìn)制碼表示。幅值離散，可用一位或多位二進(jìn)制碼表示。.2.2.1 2.2.1 數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù)數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù) 1.1.數(shù)字量輸入接口數(shù)字量輸入接口 在總線結(jié)構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)中在總線結(jié)構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)中,任一時(shí)刻任一時(shí)刻只能有一個(gè)設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備利利用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線應(yīng)通過輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)線應(yīng)通過三態(tài)門三態(tài)門與系與系統(tǒng)相連統(tǒng)相連.輸入設(shè)備的輸入設(shè)備的I/O 接口要起到三態(tài)門的作用。接口要起到三態(tài)門的作用。.1.1.數(shù)字量輸入接口數(shù)字量輸

47、入接口 緩沖器緩沖器防止外設(shè)數(shù)據(jù)干擾數(shù)據(jù)總線。防止外設(shè)數(shù)據(jù)干擾數(shù)據(jù)總線。 三態(tài)門緩沖器三態(tài)門緩沖器74LS244，用來取得設(shè)備的輸入狀態(tài)信，用來取得設(shè)備的輸入狀態(tài)信息，可同時(shí)輸入息，可同時(shí)輸入8個(gè)開關(guān)狀態(tài)。個(gè)開關(guān)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)：可用如下指令完成可用如下指令完成8個(gè)開關(guān)量個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)采集：的狀態(tài)采集： MOV DX, port IN AL, DX 其中其中port為片選端口的地址，在為片選端口的地址，在初始化程序中分配。初始化程序中分配。三態(tài)門緩沖器三態(tài)門緩沖器74LS244用來隔離用來隔離輸入和輸出線路，起緩沖作用。輸入和輸出線路，起緩沖作用。.2.數(shù)字量輸出接口數(shù)字量輸出接口鎖存器鎖存器

48、 在總線結(jié)構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)中在總線結(jié)構(gòu)的微機(jī)系統(tǒng)中,CPU送出的數(shù)據(jù)送出的數(shù)據(jù)以廣以廣播的形式在數(shù)據(jù)線上傳出播的形式在數(shù)據(jù)線上傳出.CPU要利用總線不停的要利用總線不停的傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù),總總線上的數(shù)據(jù)變化快線上的數(shù)據(jù)變化快,如何使慢速設(shè)備有如何使慢速設(shè)備有足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù)足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù)? CPU 總線總線輸出設(shè)備輸出設(shè)備1輸出設(shè)備輸出設(shè)備2輸出設(shè)備輸出設(shè)備3輸出設(shè)備輸出設(shè)備4. 輸出設(shè)備利用鎖存器接受輸出設(shè)備利用鎖存器接受CPU輸出的數(shù)據(jù)輸出的數(shù)據(jù):(1)使某輸出設(shè)備鎖存器的控制端處于使某輸出設(shè)備鎖存器的控制端處于觸發(fā)狀態(tài)觸發(fā)狀態(tài),數(shù)據(jù)通數(shù)據(jù)通過該鎖存器過該鎖存器;(2)當(dāng)觸發(fā)信號(hào)消失當(dāng)觸

49、發(fā)信號(hào)消失,數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器中數(shù)據(jù)鎖存在鎖存器中, 外設(shè)側(cè)外設(shè)側(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不隨總線側(cè)數(shù)據(jù)的變化而變化不隨總線側(cè)數(shù)據(jù)的變化而變化,使使慢速的外設(shè)有足夠的時(shí)慢速的外設(shè)有足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù)間處理數(shù)據(jù).2.2.數(shù)字量輸出接口數(shù)字量輸出接口 匯編匯編 MOV AL,8FHMOV AL,8FH MOV DX,221H MOV DX,221H OUT DX,AL OUT DX,ALC C語言：語言： outportb(0 x221,0 x8f)outportb(0 x221,0 x8f).2.2.2 數(shù)字量輸入通道1 1、數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)、數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)如如圖圖2.62.6所示。主要由輸入緩沖器、輸

50、入調(diào)理電路、輸所示。主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。入地址譯碼電路等組成。圖2-6 數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu).2、輸入調(diào)理電路、輸入調(diào)理電路作用作用：將信號(hào)經(jīng)：將信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換、安全保護(hù)安全保護(hù)、消除抖動(dòng)消除抖動(dòng)、濾波濾波、隔離隔離處理后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的處理后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(hào)邏輯信號(hào)。(1) 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理信號(hào)轉(zhuǎn)換處理邏輯上表現(xiàn)為邏輯上表現(xiàn)為“1”或或“0”，信號(hào)形式為電壓、，信號(hào)形式為電壓、電流信號(hào)或開關(guān)的通斷，幅值范圍不符合數(shù)字電路電流信號(hào)或開關(guān)的通斷，幅值范圍不符合數(shù)字電路的要求（標(biāo)準(zhǔn)的要求（標(biāo)準(zhǔn)TTL電平電平05V），需經(jīng)轉(zhuǎn)換處理。），需經(jīng)轉(zhuǎn)換處理。(2

51、) 安全保護(hù)措施安全保護(hù)措施對(duì)可能出現(xiàn)的輸入對(duì)可能出現(xiàn)的輸入過電壓過電壓（穩(wěn)壓管）、（穩(wěn)壓管）、瞬瞬間尖峰間尖峰（穩(wěn)壓管、壓敏電阻）或（穩(wěn)壓管、壓敏電阻）或極性接反極性接反（二極（二極管）的情況，采取安全保護(hù)措施。管）的情況，采取安全保護(hù)措施。.(3) (3) 消除機(jī)械抖動(dòng)影響消除機(jī)械抖動(dòng)影響操作按鈕、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)等機(jī)械操作按鈕、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)等機(jī)械裝置在通裝置在通/ /斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，體現(xiàn)在計(jì)算斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輸入上是輸入信號(hào)在機(jī)輸入上是輸入信號(hào)在0 0、1 1間多次振蕩，可能間多次振蕩，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤控制導(dǎo)致錯(cuò)誤控制。消除抖動(dòng)電路消除抖動(dòng)電路.(4)(4)濾

52、波處理濾波處理長(zhǎng)線傳輸、電路內(nèi)外部干擾，使輸入長(zhǎng)線傳輸、電路內(nèi)外部干擾，使輸入信號(hào)中帶有干擾信號(hào)，造成計(jì)算機(jī)的誤讀信號(hào)中帶有干擾信號(hào)，造成計(jì)算機(jī)的誤讀出錯(cuò)。出錯(cuò)。方法方法：RCRC濾波電路濾波電路等。等。(5)(5)隔離處理隔離處理用于現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的用于現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的隔離保護(hù)，保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全。使測(cè)控隔離保護(hù)，保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全。使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)，但不直接發(fā)生生電的聯(lián)系電的聯(lián)系。價(jià)格低廉，可靠性好。價(jià)格低廉，可靠性好。方法：方法：光電耦合器件隔離、變壓器磁光電耦合器件隔離、變壓器磁隔離隔離。.2.2.3 數(shù)字量輸出

53、通道1、數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)如下圖所示。主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等組成。圖2-9 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu). 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的不同，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、閥門等觸器、電機(jī)、閥門等，可以選用不同的功率放大器，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動(dòng)輸出通道開關(guān)量驅(qū)動(dòng)輸出通道。常用的有三極。常用的有三極管輸出驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管輸管輸出驅(qū)動(dòng)電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路等。出驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路等。 .(1)(1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路小功率直流驅(qū)動(dòng)電

54、路 功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路 達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路 繼電器驅(qū)動(dòng)電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路晶閘管驅(qū)動(dòng)電路 .2.3 2.3 模擬量輸入接口與過程通道模擬量輸入接口與過程通道任務(wù)任務(wù)：從系統(tǒng)中檢測(cè)模擬信號(hào)，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信：從系統(tǒng)中檢測(cè)模擬信號(hào)，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口送入計(jì)算機(jī)。號(hào)，經(jīng)接口送入計(jì)算機(jī)。模擬量信號(hào)的檢測(cè)與處理模擬量信號(hào)的檢測(cè)與處理測(cè)量流程：測(cè)量流程：例如，溫度檢測(cè)（例如，溫度檢測(cè)（1000以下，傳感器為鎳鉻鎳鋁以下，傳感器為鎳鉻鎳鋁或鎳鉻鎳硅熱電偶）或鎳鉻鎳硅熱電偶）非電模擬量參數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（非電模擬

55、量參數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（mV，A，V，R，C）統(tǒng)一的電流信號(hào)（）統(tǒng)一的電流信號(hào)（420mA）模擬電壓信號(hào)）模擬電壓信號(hào)（05V，010V）。）。.1 1、傳感器、傳感器概念概念：非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，稱為：非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，稱為“傳感傳感器器”。傳感器的輸出信號(hào)有多種形式，如。傳感器的輸出信號(hào)有多種形式，如電壓、電流、電壓、電流、頻率、脈沖、電阻、電容、電感值頻率、脈沖、電阻、電容、電感值等，輸出信號(hào)的形等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。式由傳感器的原理確定。常用傳感器如：光敏傳感器常用傳感器如：光敏傳感器 、溫度傳感器、溫度傳感器 、壓敏、壓敏傳感器傳感器 、超聲傳感器、超聲傳

56、感器 、流量傳感器、流量傳感器 、壓力傳感器、壓力傳感器 、轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器 、位置傳感器、位置傳感器 、電壓、電壓/ /電流傳感器電流傳感器 、濕、濕敏傳感器等。敏傳感器等。 2 2、變送器、變送器概念概念：將傳感器輸出的：將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（420mA(DDZ-)420mA(DDZ-)，010mA(DDZ-)010mA(DDZ-)）的變換電路，稱為的變換電路，稱為“變送器變送器”。.常用變送方式：采用變送器芯片常用變送方式：采用變送器芯片AD590AD590、AD693 AD693 等；等；采用可控恒流源采用可控恒流源

57、 ；采用運(yùn)算放大器；采用運(yùn)算放大器 。目的目的：提高信號(hào)遠(yuǎn)距離輸送抗干擾能力，減少信號(hào)衰：提高信號(hào)遠(yuǎn)距離輸送抗干擾能力，減少信號(hào)衰減；為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供方便。減；為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供方便。3 3、I/VI/V變換變換無源無源I/V變換采用精密電阻器實(shí)現(xiàn)；有源變換采用精密電阻器實(shí)現(xiàn)；有源I/V變換采用變換采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。4、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器.2.3.1 模擬量輸入通道的組成模擬量輸入通道的組成組成：信號(hào)調(diào)理或I/V變換，多路轉(zhuǎn)換器，采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器，接口及控制邏輯等。 圖2-14 模擬量輸入通道結(jié)構(gòu).工作過程：工作過程：過程參數(shù)過程參數(shù)由傳

58、感元件和變送器測(cè)量并由傳感元件和變送器測(cè)量并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電流或電壓電流或電壓形式后，再送形式后，再送至多路開關(guān)至多路開關(guān)，在，在微機(jī)的控制下，由多路開關(guān)將各過程參數(shù)微機(jī)的控制下，由多路開關(guān)將各過程參數(shù)依次依次進(jìn)進(jìn)行行采樣采樣和和A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測(cè)。，實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的巡回檢測(cè)。傳感器（傳感器（Transducer） 非電量非電量電壓、電流電壓、電流 變送器（變送器（Transformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)I/V變換變換多路轉(zhuǎn)換器（多路轉(zhuǎn)換器（Multiplexer） 多選一多選一采樣保持器（采樣保持器（Sample Holder，S/H）保證變換時(shí)信號(hào)恒定不

59、變保證變換時(shí)信號(hào)恒定不變A/D變換器（變換器（A/D Converter）模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 .2.3.2 2.3.2 信號(hào)調(diào)理和信號(hào)調(diào)理和I/VI/V變換變換1.1.信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路：信號(hào)調(diào)理電路：主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的變換、主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。 （1 1）非電信號(hào)的檢測(cè)）非電信號(hào)的檢測(cè)不平衡電橋不平衡電橋RRttRtR00)()(pt熱敏電阻三線制接線圖熱敏電阻

60、測(cè)量電橋電路.2. I/V2. I/V變換變換 功能：將變送器輸出的統(tǒng)一信號(hào)功能：將變送器輸出的統(tǒng)一信號(hào)010mA010mA或或420mA420mA，變換成標(biāo)準(zhǔn)變換成標(biāo)準(zhǔn)05V05V電壓信號(hào)。電壓信號(hào)。（1 1）無源）無源I/VI/V變換變換 阻容濾波阻容濾波輸出限幅輸出限幅(1)輸入輸入：010mA； 電阻值：電阻值：R1=100, R2=500(精密電阻）；精密電阻）； 輸出輸出：05V(2)輸入輸入：420mA；電阻值：電阻值：R1=100,R2=250；輸出：輸出：15V 圖2-19 無源I/V變換電路. 定義：按一定的時(shí)間間隔T，把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬量信號(hào)，轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0、T、2 T、K T的一連串脈沖輸出信號(hào)的過