第5章微機接口技術(簡).ppt

1、第一節(jié) 微處理器系統(tǒng)接口 一、微處理器系統(tǒng)接口的類型 為構成完整的并有一定控制和運算功能的系統(tǒng)而將一個部件與另外的部件連接起來，這種連接就稱微處理器系統(tǒng)的接口。 微處理器系統(tǒng)的接口可分成四種基本類型 1、內務操作接口 （數(shù)據(jù)、地址、控制三總線） 2、用戶通訊接口 （RS232、485、PS2、USB ） 3、傳感器接口 （ADC、IO） 4、控制接口（DAC、IO、光電耦合）,(一)內務操作接口 微處理器系統(tǒng)的內務操作接口是使微處理器發(fā)揮最基本的處理和控制功能所需的接口。它包括各類總線驅動器、數(shù)據(jù)鎖存器及三態(tài)緩沖器等。,典型的微處理器接口,微型機算計總線,DBE,TSC,HALT,IRQ,BA

2、,D7D0/R/W,A15A0,數(shù)據(jù)總線使能,三態(tài)控制,暫停,中斷請求,RES復位,總線有效,讀/寫,數(shù)據(jù)總線,=,內務操作 接口元件,1時鐘,2時鐘,(二)用戶通信接口 用戶通信接口是指微計算機接收用戶送入的信息或是向用戶送出信息所需要的接口電路。 這類接口有： RS232 RS485/422 PS2 USB IIC、SPI、SMBUS,串行通訊的概念串行通訊：一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。 串行通訊的特點是： 數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成，成本低但送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米。根據(jù)信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分為單工

3、、半雙工和全雙工三種。 主要參數(shù)設置： 波特率數(shù)據(jù)位與停止位數(shù)據(jù)位：5位、8位停止位：1位、1.5位、2位 例：115200，N，8，1,流控制.流控制在串行通訊中的作用 解決丟失數(shù)據(jù)的問題 .硬件流控制 硬件流控制常用的有RTS/CTS（請求發(fā)送/清除發(fā)送）流控制和DTR/DSR（數(shù)據(jù)終端就緒/數(shù)據(jù)設置就緒）流控制 .軟件流控制 一般通過XON/XOFF來實現(xiàn)軟件流控制。 奇偶校驗奇校驗：所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中，“1”的個數(shù)為奇數(shù)，如：1 0110，01010 0110，0001偶校驗：所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中，“1”的個數(shù)為偶數(shù)，如：1 0100，01

4、010 0100，0001.,用戶顯示終端,典型的用戶通信按口電路,(三)傳感器接口 將檢測對象輸入到計算機的接口電路稱為傳感器接口電路。 例如，與壓力傳感器、溫度傳感器、流速指示器、測速計等測試設備相連接的接口電路就是傳感器接口電路的具體例子。 一個典型的微機系統(tǒng)與傳感器接口的電路。,由圖可見，與傳感器接口的電路除了仍需要內務操作接口所用的驅動器、接收器和地址譯碼器等電路外，還需要將模擬量轉換成數(shù)字量。通常模擬量是通過傳感器而得到的。,溫度傳感器,典型的微處理系統(tǒng)的傳感器接口,(四)控制接口 這類接口通常與“傳感器接口”同時使用。 在過程控制中，必須先由傳感器向微處理器提供控制對象的狀態(tài)信息

5、，然后通過微處理器進行處理，通過控制接口來實現(xiàn)微處理器對控制對象的控制。 通常微處理器送出的控制信號功率很弱(為mVA數(shù)量級)，因此必須在控制接口中加以功率放大，才能驅動執(zhí)行部件。執(zhí)行部件可以是控制用的步進電機、控制閥門開閉的線圈、發(fā)光二極管、燈泡等。,以微處理器為基礎的機械控制器,這類接口必須解決以下兩個問題： 1)功率放大問題。 即將低電壓弱電流信號放大到可以驅動控制對象執(zhí)行元件所需的電壓與電流值。 2)數(shù)模轉換問題。 如果執(zhí)行元件是用模擬量控制，則必須，將微處理器送出的數(shù)字量信息轉換為模擬量信息，才能實現(xiàn)對執(zhí)行元件的控制。,3接口電路設計時注意的幾個問題 1)電源的分布 首先應當合理地選

6、擇整個系統(tǒng)是共用一個中央穩(wěn)壓電源還是每一塊印制電路板各 用單獨的電源。 采用中央電源的優(yōu)點是較省電，并且由于各塊印制電 路板無單獨電源，從而使其溫度不 致太高，缺點是可靠性差，電源一旦出故障，整個系統(tǒng)就不能工作。采用分散的一塊電路板配一個穩(wěn)壓電源，其優(yōu)點是可靠性顯著提高，缺點是各板工作溫升較高，穩(wěn)壓電源元件較多。為了消除輸入與輸出端可能出現(xiàn)的寄生振蕩，還要求并聯(lián)容量大小不一的鉭電容。圖是這兩種電源方案的示意圖。,中央穩(wěn)壓電源,一板一穩(wěn)壓電源,干擾渠道示意圖,三、接口電路的抗干擾,2接口電路的抗干擾措施 在控制器與驅動器之間的接口電路中，少不了由弱電轉強電的電感性負載，以及用來通斷電感負載的觸點

7、，這些都是產生強電干擾的干擾源。 對于這種干擾，首先是采取吸收的方式，抑制其產生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導。,(1)強電干擾吸收電路 在電感負載斷開時，會產生過電壓，,強電干擾,阻容抗干擾電路,R,R,R,R,R,M 3,R,C,W,C,C,通,斷,UL,E,t,UL=L*di/dt,通,斷,t,UL,E,S,W,UW,對于強電干擾，除用RC電路外，還采用二極管和穩(wěn)壓二極管來吸收過電壓。,強電干擾吸收電路,(2)驅動接口的隔離 為了防止驅動器接口中的強電干擾及其他干擾信號進入控制器，通常采用光電隔離。,驅動接口的隔離措施,(3)變送接口的隔離 對于由檢測器傳來的模擬信號，通常采用差動運算

8、放大器來隔離干擾，其原理如圖所示。,檢測器 輸入信號,差動式運算放大器抗干擾原理,模擬信號抗干擾接口電路,遠距離數(shù)字信號抗干擾接口電路,近距離抗干擾電路,對于由近距離的檢測器發(fā)出的數(shù)字或脈沖信號，不必再經過放大，可采用圖所示抗干擾電路。由R1和C1組成濾波器，濾去高頻干擾。由于經過RC濾波器后的脈沖信號往往有脈動和抖動，為了改善脈沖前沿，故增加一級斯密特電路來整形。,3接地系統(tǒng)的抗干擾措施 防止從接地系統(tǒng)傳來的干擾，主要方法是切斷接地環(huán)路，通常采用下述措施： (1)單點接地 由于接地點遠離而形成的環(huán)路，可采用圖a所示單點接地的方法來切斷。 (2)并聯(lián)接地 由于多個設備采用公用地線串聯(lián)接地而形成

9、的環(huán)路，可用如圖b所示并聯(lián)接地的方法來切斷。,抗干擾接地系統(tǒng) a)單點接地系統(tǒng) b）并聯(lián)接地系統(tǒng),(3)光電隔離 對于用長線傳輸?shù)臄?shù)字信號，可用光耦合器來切斷接地環(huán)路。圖為控制器與主機分離的控制系統(tǒng)，采用雙重光電隔離來切斷多點接地環(huán)路的例子。圖中1、2、3表示不同的接地點。采取這種措施，不僅能消除公用接地線及其引進的干擾，而且能解決長線驅動和阻抗匹配問題，因此可用普通導線代替價格昂貴的同軸電纜或扁平電纜進行長線傳輸。 接地線要有足夠的截面積，以免電阻過大影響接地電位。,光電隔離接地系統(tǒng),四、接口電路的應用 (一)數(shù)字輸入輸出接口電路 1開關量輸入接口電路 圖為較簡單的接口轉換電路，當其中一個觸

10、點(如K1)閉合，光耦合件的發(fā)光二極管電路導通，二極管發(fā)光照射光敏三極管，使其也導通，輸出高電平；反之輸出低電平。,光電耦合的接口轉換電路,開關輸入電路中最大的問題是防止接點的抖動，因為一般接點均有抖動，且由閉合變斷開時的抖動現(xiàn)象比斷開變閉合時顯著。為了防止抖動，除上述電路中用RC電路以外，還可采用施密特電路或RS觸發(fā)器。圖示出了RS觸發(fā)器的消振原理和波形圖。,RS觸發(fā)器消振原理,2開關量輸出的接口電路 開關量輸出電路是將計算機輸出的TTL電平轉換為控制繼電器、指示燈等所需的開關狀態(tài)信號，并由此去控制有接點或無接點開關的開閉。這種電路一般采用光電耦合電路加功率晶體管驅動電路，或采用隔離變壓器電

11、路加功率晶體管驅動電路。,采用隔離變壓器的驅動電路,來自CPU,K,Vi,+24V,VCC,Y1,CP,采用光耦合器的驅動電路,K,R2,R1,Vi,VLC,VT,+12V,+24V,+5V,K,固體電子繼電器 電磁式繼電器的優(yōu)點是結構簡單，且額定電壓高，額定電流大，但易磨損和接觸不良，且開關動作的速度相對較慢。固體電子繼電器沒有活動部件和觸點，也就是無磨損和接觸不良等問題，開關時間也很短。,(二)模擬輸入輸出接口電路 1DA轉換器與CPU的接口及程序設計 DA轉換器與CPU連接的方式有多種。有用鎖存器連接，有用可編程接口8255或PIO連接。到底采用哪種方法由DA轉換器的結構形式及系統(tǒng)的要求

12、確定。,輸入電路的程序設計首先要考慮模擬、數(shù)字輸入輸出電路與微機之間信息交換采用的方式。 1、無條件傳輸 2、查詢方式。 3、中斷方式。 4、DMA方式,作業(yè) 1簡述接口電路的類型。 2接口電路中的干擾源有哪些？各采取哪些措施進行抗干擾？,第二節(jié) 單片微型計算機 一、概述 (一)單片機的特點 單片微型計算機簡稱為單片機，即在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種IO。單片機可看成一個不帶外圍設備的微型計算機，它具有體積小、功能強、價格便宜等優(yōu)點，被廣泛用于機電一體化產品和機電一體化系統(tǒng)中。 單片機結構上采用數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間相互分離的結構。它的功能是通用的，可以像一般

13、的微處理器廣泛應用在各個方面。單片機上的RAM作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當作高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器用。單片機主要有以下特點：,1)受集成度限制，片內存儲容量較小，一般ROM小于48K，RAM小于256字節(jié)，但根據(jù)需要可在外部擴展至64K字節(jié)。 2)ROM與RAM嚴格分工，ROM為程序存儲器，只存放程序指令及常數(shù)、表格等RAM則為數(shù)據(jù)存儲器。 3)為了滿足工業(yè)控制需要，有很強的位處理功能和豐富的條件分支轉移邏輯。CPU邏輯控制功能及運行速度遠高于一般通用8位CPU，如8085、Z80等。 4)一般片內或系統(tǒng)內無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理軟件，只放置用戶調試好的應用程序。但也有在片內固化有Tiny BASI

14、C語言、Forth語言的單片機。,(二)系統(tǒng)配置 系統(tǒng)配置即為滿足人機對話和測控對象連接需要而配置的外圍設備及其接口電路，如鍵盤、顯示器、打印機、AD、DA等。 1顯示器和8031的接口 圖給出了6位共陰極顯示器和803l的接口邏輯。圖中8155的PA口控制顯示器的陰極電位，稱為掃描口，PB口控制各位顯示器的顯示字形，稱為段數(shù)據(jù)輸出口。采用一位一位輪流點亮各位的方法(掃描)，實現(xiàn)顯示器的動態(tài)顯示。,顯示器和8031接口,8031,共陰極顯示器,2鍵盤和8031的接口 圖描述了個4x4鍵盤與8031的接口電路。鍵盤的引線接到P1口的低4位，鍵盤的行線通過二極管連線到P1口的高4位。P10P13作

15、為鍵輸入線，P14P17作掃描輸出線，初態(tài)時P14P17全為“0”。當鍵盤上沒有鍵合時，INT為高電平當鍵盤上任一鍵閉合時，INT端變低，向CPU發(fā)出中斷請求，若CPU開放外部中斷，則響應中斷請求，執(zhí)行中斷服務程序掃描鍵盤。,4x4鍵盤和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微打印機與8031的接口,作業(yè)： 試設計一單片機應用系統(tǒng)： 單片機采用8031； 擴展一片2764； 擴展一片6264； 利用通用芯片8255擴展IO口，并用來擴展8位數(shù)碼管顯示。,第三節(jié)

16、 可編程序控制器的程序編制,日本OMRON公司生產的可編程序控制器，在我國應用很廣泛，它主要用于工業(yè)過程控制和自動化制造和機械加工等領域。 OMRON生產的PLC有大、中、小型及超小型機，十幾種型號。其中C20、C20P、C28P、C40P、C60P為超小型機，I/O的電數(shù)從幾十點擴展到140點。C120、C200H為小型機，C200H最多可達384點。C500、C1000H為中型機，I/O電數(shù)為512點和1024點，C1000H采用多處理器結構，功能齊全。C2000H為大型機，它采用積木式的結構，使它功能更齊全，容量大，速度快，I/O點數(shù)可達到2048點。,下面我們以C20為例介紹PLC的基

17、本結構，性能指標，I/O通道和繼電器編號，基本編程指令及編程實例。 一 C20機的基本結構,1、微處理機 包括CPU、I/O終端、用戶存儲器。它用掃描的控制方式，根據(jù)用戶存儲器中提供的程序進行工作，這部分是PLC的核心部分。 2、I/O端口 主要是用來連接外部輸入輸出設備的。 3、編程器 通過編程器將用戶程序送入存儲器。編程器的工作方式有三種： （1）編程方式（PROGRAM） 在這種方式下，PLC不執(zhí)行用戶程序，可以讀寫用戶程序，還可以編輯、修改源程序。,（2）運行方式（RUN）： 運行用戶程序，在這種方式下，用戶可以通過編程器上的顯示屏，監(jiān)視運行過程中的I/O狀態(tài)、通道狀態(tài)、系統(tǒng)掃描時間、

18、線路狀態(tài)等。 （3）監(jiān)控方式（MONITOR）： 除具有運行方式下的全部功能外，還可以在PLC運行時強制I/O狀態(tài)為復位或置位，改變計時器和計數(shù)器的預置值，改變通道的預置數(shù)據(jù)。,二、C20的主要性能指標：,三、I/O通道和繼電器編號： PLC在執(zhí)行程序時，要執(zhí)行各種指令，指令操作的對象是內部變量單元。 C系列機將輸入輸出和內部變量單元分為通道和繼電器區(qū)。每個輸入輸出通道和每個繼電器區(qū)中的繼電器都有對應的編號。 1、通道 C20有5個輸入通道，通道號：0004 有5個輸出通道，通道號：0509 有9個內部輔助繼電器通道，通道號：1018 有10個保持繼電器通道，通道號：HR00HR09 每個通道

19、由16個繼電器組成。,136點,160點,2.繼電器號 它由兩部分組成： XX XX 通道號 通道的第幾個繼電器 例如： 0100 第二個通道，第一個繼電器，輸入通道 1015 內部輸助繼電器編號 C20有48個計時器計數(shù)器，編號為：TIM/CNT 0047，計時時間為0.1999.9S，計數(shù)個數(shù)為19999個。 C20還有8個暫存繼電器（TR0-7），16個專用輔助繼電器（為專門指令配備的）。,四、C20的基本指令 1；邏輯條件指令 （1）LD LD-NOT LD稱為起始指令，也就是起用常開接點； LD-NOT是起用常閉接點，編程時要常用到這兩個指令。 （2）AND AND-NOT AND

20、串聯(lián)常開接點； AND-NOT 串聯(lián)常閉接點。 （3）OR OR-NOT OR 并聯(lián)常開接點； OR-NOT 并聯(lián)常閉接點。 （4）AND-LD OR-LD AND-LD 塊與指令，無操作數(shù)； OR-LD 塊或指令，無操作數(shù)。 塊與和塊或，實際上是兩組接點間的串聯(lián)與并聯(lián)。,2、輸出指令 （1）OUT 輸出指令 （2）keep 鎖存指令 實際上是R-S觸發(fā)器，它有兩個輸入 （FUN 11） 端，第一次用作置位，第二次用作復位。 （3）定時、計數(shù)輸出指令 TIM 計時器號 # 計時時間 CNT 計數(shù)器號 # 計數(shù)個數(shù) 3、編碼格式： 地址 指令 數(shù)據(jù) 0000 LD 0000,舉例： 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 置位輸入 LD 0001 復位輸入 Keep(11) 0505 將0505鎖存 住，直到狀態(tài)為復位 信號，繼電器才復位。 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 輸入0000通斷3次 LD 0001 時,CNT接通 CNT 47 #0003 繼電器0500輸出 LD CNT4