《機(jī)電一體化導(dǎo)論》課件-第5章 計(jì)算機(jī)接口及控制技術(shù)

1第5章計(jì)算機(jī)接口及控制技術(shù)2學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：

1.掌握計(jì)算機(jī)接口的組成和功能；

2.熟悉人機(jī)、機(jī)電和外存接口的作用；

3.了解常用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。能力目標(biāo)：

1.分析問(wèn)題的能力；

2.綜合比較問(wèn)題的能力。3學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：

1.計(jì)算機(jī)接口的組成和功能；

2.各種接口的組成及工作機(jī)理；

3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及數(shù)字控制方法。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：

1.接口的組成及工作原理；

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成。4本章主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)接口技術(shù)概述

5.1人機(jī)接口

5.2機(jī)電接口

5.3外存儲(chǔ)器接口

5.4小結(jié)課后作業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

5.55.6計(jì)算機(jī)控接口及制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5§5.1計(jì)算機(jī)接口技術(shù)概述計(jì)算機(jī)接口的組成

5.1.1計(jì)算機(jī)接口的功能

5.1.265.1.1計(jì)算機(jī)接口的組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口主要I/O接口、通信接口、總線(xiàn)接口、外存儲(chǔ)器接口和模擬接口等組成。

接口的概念：實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化各組成要素和子系統(tǒng)相互聯(lián)系的硬件條件。7圖5.1機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中的微機(jī)接口返回

機(jī)電一體化系統(tǒng)按照接口所聯(lián)子系統(tǒng)不同，可分為人機(jī)接口、機(jī)電接口和外存接口三大類(lèi)，如圖5.1所示。ACB85.1.2計(jì)算機(jī)接口的功能

（1）人機(jī)接口必不可少。人機(jī)接口就是I/O接口，包括輸入接口和輸出接口兩類(lèi)。（2）機(jī)電接口起到很重要的作用。按照信息和能量的傳遞方向，又分為信息采集接口（傳感器接口）與控制輸出接口。（3）外存接口提高信息的安全性。返回9§5.2人機(jī)接口鍵盤(pán)及接口

鼠標(biāo)及接口

LED數(shù)碼顯示器接口

CRT顯示器接口

5.2.15.2.25.2.35.2.4打印機(jī)接口

串行和并行通信接口

5.2.55.2.6105.2.1鍵盤(pán)及接口1．鍵盤(pán)的概念鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣。鍵盤(pán)接口是將按鍵這一機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)識(shí)別的電信號(hào)，供CPU讀取。

鍵盤(pán)電路能將鍵的閉合和斷開(kāi)狀態(tài)用“0”和“1”來(lái)表示，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀到CPU內(nèi)部進(jìn)行鍵的識(shí)別。112．鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)

常用鍵盤(pán)是矩陣結(jié)構(gòu)的。矩陣式鍵盤(pán)是指鍵開(kāi)關(guān)按行列排列，形成二維矩陣的結(jié)構(gòu)，如圖5.2所示3×3的9鍵鍵盤(pán)。圖5.2鍵盤(pán)的矩陣結(jié)構(gòu)123．鍵盤(pán)的處理流程

處理鍵盤(pán)陣列需解決兩個(gè)問(wèn)題：

一是判別是否有鍵按下；二是判別哪一個(gè)鍵被按下。圖5.3為實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)處理工作的程序流程。圖5.3鍵處理程序流程返回任務(wù)1任務(wù)2任務(wù)3任務(wù)4135.2.2鼠標(biāo)及接口1．鼠標(biāo)的概念

鼠標(biāo)是一個(gè)控制計(jì)算機(jī)屏幕上光標(biāo)移動(dòng)的小型手控輸入設(shè)備。2．鼠標(biāo)接口鼠標(biāo)按接口分為串行通信鼠標(biāo)（常用RS-232C串口通信）、總線(xiàn)鼠標(biāo)（通過(guò)專(zhuān)用接口板與主機(jī)總線(xiàn)擴(kuò)展槽連接）、和USB鼠標(biāo)（USB接口）等。145.2.3LED數(shù)碼顯示器接口1．LED顯示器的概念

由發(fā)光二極管組成的顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)LED顯示器。

2．LED顯示器的組成

7段“8”字形LED顯示器由7個(gè)發(fā)光段構(gòu)成，如圖5.5（a）所示。15圖5.57段LED顯示器結(jié)構(gòu)(a)(b)(c)163．LED顯示器的工作原理

7段LED顯示數(shù)字5的原理如圖5.6所示。圖5.67段LED顯示器原理返回175.2.4CRT顯示器接口CRT顯示器為陰極射線(xiàn)顯示器，是通過(guò)其接口電路（顯示適配器）與主機(jī)相連的。返回185.2.5打印機(jī)接口1．打印機(jī)的類(lèi)型打印機(jī)是基本輸出設(shè)備之一，能進(jìn)行硬拷貝。按印字原理，包括針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)三種。2．打印機(jī)的接口因打印機(jī)有串行和并行之分，因此它與主機(jī)之間的接口也有串行與并行兩種。返回195.2.6串行和并行通信接口1．串并通信接口的概念計(jì)算機(jī)和外部交換信息又稱(chēng)為通信（Communication）。按數(shù)據(jù)傳送方式分為串行通信和并行通信兩種基本方式。實(shí)現(xiàn)這兩種方式的接口電路分別稱(chēng)為串行接口和并行接口。202．串行通信的方式串行通信是數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送的。在傳輸過(guò)程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度，一位一位的串行傳送和接收。串行通信又分為4種方式：21

③同步通信：采用同步通信時(shí)，將許多字符組成一個(gè)信息組，通常稱(chēng)為信息幀。④異步通信：字符是一個(gè)個(gè)的傳輸。②半雙工方式：只有一根數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能一個(gè)方向傳送。①全雙工方式：可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。224．并行通信及其接口

并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線(xiàn)同時(shí)傳送。8255A是Intel公司的通用可編程輸入輸出接口芯片，它可用于8位并行數(shù)據(jù)的I/O接口。返回3．串行通信的接口

8251是Intel公司的可編程同步異步串行接口芯片，它具有同步發(fā)送、異步發(fā)送、同步接收和異步接收功能。23§5.3機(jī)電接口信息采集接口

控制輸出接口

2.3.12.3.2245.3.1信息采集接口1．模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換接口是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的接口。2．模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)（1）分辨率：是指能使轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化1的最小模擬輸入量。分辨率為8位表示它可以對(duì)滿(mǎn)量程的1/28＝1/256的增量作出反應(yīng)。（2）量程：指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。25

（3）轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示法。如滿(mǎn)量程為10V的8位A/D轉(zhuǎn)換器，其絕對(duì)精度為±1/2×10/28＝±19.5mV，相對(duì)精度為1/28×100％≈0.39％。（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間：是指啟動(dòng)A/D到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。（5）工作溫度范圍：返回265.3.2控制輸出接口1．?dāng)?shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器的概念

D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置。2．?dāng)?shù)/模轉(zhuǎn)換器的工作原理若D/A轉(zhuǎn)換器的相對(duì)數(shù)字輸入量為D，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸入基準(zhǔn)參考電壓為VR，而它的模擬輸出電壓為VA，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系可表示為：27

式中，n為數(shù)字量的位數(shù)，bi為第i位代碼（等于0或1），2-n為第i位的權(quán)值。從上面兩式可得D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為D可表示為由于VR為常數(shù)，模擬量輸出VA與數(shù)字量D一一對(duì)應(yīng)。283．?dāng)?shù)/模轉(zhuǎn)換器的參數(shù)（1）分辨率：表示當(dāng)輸入數(shù)字量變化1時(shí)，輸出模擬量變化的大小。對(duì)于一個(gè)N位的D/A轉(zhuǎn)換器其分辨率為（2）穩(wěn)定時(shí)間（3）輸出電平（4）輸入編碼（5）溫度范圍返回29§5.4外存儲(chǔ)器接口軟盤(pán)接口

硬盤(pán)接口

移動(dòng)硬盤(pán)和U盤(pán)接口

光盤(pán)驅(qū)動(dòng)接口

5.4.15.4.25.4.35.4.4305.4.1軟盤(pán)接口1．軟驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)微機(jī)系統(tǒng)對(duì)軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的控制是通過(guò)軟盤(pán)接口向軟盤(pán)控制器(FloopyDiscController,FDC)發(fā)出命令及參數(shù)，由FDC選中軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(FloopyDiscDriver,FDD)完成相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。微機(jī)軟驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.15所示。圖5.15微機(jī)軟驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)312．軟盤(pán)控制器軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器一般通過(guò)接口電路與主機(jī)的CPU相連，接口電路就稱(chēng)作軟盤(pán)控制器，其組成如圖5.16所示。圖5.16軟驅(qū)接口電路組成返回325.4.2硬盤(pán)接口1．硬盤(pán)系統(tǒng)的組成

微機(jī)的硬盤(pán)系統(tǒng)也是由硬盤(pán)控制器和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，如圖5.17所示。圖5.17硬盤(pán)系統(tǒng)的組成332．硬盤(pán)接口一般來(lái)說(shuō)，硬盤(pán)接口就是指硬盤(pán)控制器與硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之間的接口。目前，硬盤(pán)接口主要主要采用IDE(IntelligentDriverElectronics)接口和SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口。返回345.4.3移動(dòng)硬盤(pán)和U盤(pán)接口

新型移動(dòng)硬盤(pán)主要采用USB和IEEE1394接口與主機(jī)相連。其中USB接口移動(dòng)硬盤(pán)以臺(tái)式機(jī)或筆記本硬盤(pán)為核心，加裝IDE轉(zhuǎn)USB的控制系統(tǒng)組建的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。U盤(pán)通常采用USB接口。返回355.4.4光盤(pán)驅(qū)動(dòng)接口

光盤(pán)是采用光學(xué)方法讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的一種存儲(chǔ)技術(shù)。圖5.19為光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的組成框圖。圖5.19光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成框圖返回36§5.5計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

5.5.15.5.2計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法

5.5.3375.5.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖5.20所示。圖5.20計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖382．機(jī)電一體化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.21所示，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備。（1）計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件。（2）操作臺(tái)是人-機(jī)對(duì)話(huà)的聯(lián)系紐帶。（3）通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。

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（4）I/O接口與I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。（5）傳感器是將被測(cè)非電量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量。

圖5.21典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖

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軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是由計(jì)算機(jī)的制造廠(chǎng)商提供的，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)本身的資源和方便用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)的軟件。應(yīng)用軟件是用戶(hù)根據(jù)要解決的控制問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序。返回415.5.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

根據(jù)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用方式，可把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為四類(lèi)：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)，監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)如圖5.22所示，計(jì)算機(jī)只是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行采集，然后根據(jù)控制算法計(jì)算出供操作人員參考、選擇的操作方案和最佳設(shè)定值等，操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。42圖5.22計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖432．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl,DDC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.23所示。圖5.23直接數(shù)字控制系統(tǒng)

443．監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

在監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制（SupervisoryComputerControl，SCC）系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過(guò)程參量檢測(cè)值，按照所設(shè)計(jì)的控制算法計(jì)算出最佳設(shè)定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī)，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。其構(gòu)成示意圖如圖5.24所示。

SCC系統(tǒng)有兩種類(lèi)型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。45圖5.24監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖464．分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程是比較復(fù)雜的。如用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。圖5.25是一個(gè)四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中過(guò)程控制級(jí)為最底層，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)字控制；車(chē)間管理級(jí)負(fù)責(zé)本車(chē)間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理；工廠(chǎng)管理級(jí)負(fù)責(zé)全廠(chǎng)各車(chē)間生產(chǎn)協(xié)調(diào)；企業(yè)（公司）管理級(jí)負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)。47圖5.25計(jì)算機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng)返回485.5.3計(jì)算機(jī)數(shù)字控制方法1．?dāng)?shù)字PID控制是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。2．最少拍控制所謂最小拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某個(gè)典型輸入在最少的采樣周期內(nèi)（最少拍）達(dá)到采樣點(diǎn)上無(wú)靜差的穩(wěn)態(tài)，且閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)具有如下形式：式中，n為可能情況下的最小正整數(shù)。493．