《机电一体化系统设计》 微机控制的选择与设计.ppt

1 机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计 微机控制系统 8086 8088微机的硬件结构特点 单片机的结构特点及其最小应用系统 数字显示器及键盘的接口电路 微机应用系统的输入 输出控制的可靠性设计 常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 2 4 1专用与通用的抉择 硬件与软件的权衡 控制系统的设计就是选用微机 设计接口 选用控制形式和动作控制方式的问题 1微机控制系统专用与通用的抉择 专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品 3 4 5 专用控制系统的设计问题 实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统 以便与执行元件和检测传感器相匹配 或重新设计制作专用集成电路 把整个控制系统集成在一块或几块芯片上 对于多品种 中小批量生产的机电一体化产品来说 由于还在不断改进 结构还不十分稳定 特别是对现有设备进行改造时 采用通用控制系统比较合理 通用控制系统的设计 主要是合理选择主控制微机机型 设计与其执行元件和检测传感器之间的接口 并在此基础上编制应用软件的问题 实质 这就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题 6 2硬件与软件的权衡 例如运算与判断处理等 适宜用软件来实现 而在其余大多数情况下 对于某种功能来说 既可用硬件来实现 又可用软件来实现 因此 控制系统中硬件和软件的合理组成 通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定 在设计控制系统时 对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施 7 4 2微机控制系统的设计思路 1 确定系统整体控制方案首先应了解被控对象的控制要求 构思微机控制系统的整体方案 通常 先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制 当采用闭环控制时 应考虑采用何种检测传感元件 检测精度要求如何 其次考虑执行元件采用何种方式 是电动 气动还是液动 比较其方案的优缺点 择优而选 第三要考虑是否有特殊控制要求 对于具有高可靠性 高精度和快速性要求的系统 应采取哪些措施 8 第四是考虑微机在整个控制系统中的作用 是设定计算 直接控制还是数据处理 微机应承担哪些任务 为完成这些任务微机应具备哪些功能 需要哪些输入 输出通道 配备哪些外围设备 2确定控制算法所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式 由此推出控制算法 所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制 每个控制系统都有一个特定的控制规律 因此 每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法 例如 机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法 位置数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法 另外 还有各种最优控制的控制算法 随机控制和自适应控制的控制算法 9 3选择微型计算机 对于给定的任务 选择微机的方案不是唯一的 从控制的角度出发 微机应能满足具有较完善的中断系统 足够的存储容量 完善的输入 输出通道和实时时钟等要求 1 较完善的中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性能 实时控制包含两个意思 一是系统正常运行时的实时控制能力 二是在发生故障时紧急处理的能力 出现异常或紧急情况时应报警和处理 10 2 足够的存储容量 由于微型计算机内存容量有限 当内存容量不足以存放程序和数据时 应扩充内存 有时还应配备适当的外存储器 3 完备的输入 输出通道和实时时钟 开关量输入 输出通道 模拟量输入 输出通道 同时具有开关量输入 输出通道和模拟量输入 输出通道 11 选择微型计算机除应满足上述几点要求外 从不同的被控制对象角度而言 还应考虑几个特殊要求 1 字长 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数 字长直接影响数据的精度 寻址能力 指令的数目和执行操作的时间 对于通常的顺序控制 程序控制可选用1位微处理器 对于计算量小 计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机 如计算器 家用电器及简单控制等 对于计算精度要求较高 处理速度较快的系统可选用8位机 如线切割机床等普通机床控制 温度控制等 对于计算精度高 处理速度快的系统可选用16位机 如控制算法复杂的生产过程控制 要求高速运行的机床控制 特别大量的数据处理等 12 2 速度 速度的选择与字长的选择可一并考虑 通常 微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定 例如 对于反应缓慢的化工生产过程的控制 可选用慢速的微处理器 对于高速运行的加工机床 连轧机的实时控制等 必须用高速的微处理机 3 指令 指令条数越多 针对特定操作的指令就多 这样会使程序量减少 处理速度加快 13 单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分 CPU EPROM RAM和I O接口 具有价格低 体积小等特点 可满足很多场合的应用 其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发 选择微机时 还应考虑成本高低 程序编制难易以及扩充输入 输出接口是否方便等因素 从而确定是选用单片机 单板机 还是选用微型计算机系统 单板机也具有价格较低 体积较小的特点 适合于生产现场使用 便于维护和管理 其缺点是内存容量较小 接口电路少 另外使用机器语言编程 编程和调试比较困难 14 微型计算机系统有丰富的系统软件 可用高级语言 汇编语言编程 程序编制和调试都很方便 系统机内存容量大且有软 硬 磁盘等大容量的外存储器 通常都有数据通道 可实现内外存储器之间的快速批量信息交换 其缺点是成本较高 当用来控制一个小系统时 往往不能充分利用系统机的全部功能 抗干扰能力差 4系统总体设计 在总体设计时 要综合考虑硬件和软件措施 解决微机 被控制对象和操作者三者之间可靠的 适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题 保证系统能正常地运行 设计中主要考虑硬件和软件功能的分配和协调 接口设计 通道设计 操作控制台设计 可靠性设计等问题 15 1 接口设计通常有下述三种方法可供选用 1 选用功能接口板 在功能接口板上 有多组并 串 行数字量输入 输出通道 或多组模拟量输入 输出通道 采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小 可靠性高 但功能插板价格较贵 一般只用来组成较大的系统 2 选用通用接口电路 在组成一个较小的控制系统时 有时采用通用接口电路来扩展接口 由于通用接口电路是标准化的 只要了解其外部特性与CPU的连接方法 编程控制方法就可进行任意扩展 16 3 用集成电路自行设计接口电路 在某些情况下 不采用通用接口电路 而采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便 价廉 例如 一个控制系统需要输入多组数据或开关量 可用74LS138译码器和74LS244三态缓冲器等组成输入接口 也可用74LS138译码器和74LS373锁存器等组成输出多组数据的输出接口 接口设计包括两个方面的内容 一是扩展接口 二是安排通过各接口电路输入 输出端的输入 输出信号 选定各信号输入 输出时采用何种控制方式 17 18 如果要采用程序中断方式 就要考虑中断申请输入 中断优先级排队等问题 若要采用直接存储器存取方式 则要增加直接存储器存取 DMA 控制器作为辅助电路加到接口 2 通道设计输入 输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件 每个控制系统都要有输入 输出通道 一个系统中可能要有开关量的输入 输出通道 数字量的输入 输出通道或模拟量的输入 输出通道 在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道 每个通道由几部分组成 各部分需要什么样元器件等 19 转换 保护 滤波 隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号 20 21 0 10mv4 20mv 22 模拟量输出通道 23 3 操作控制台设计微型计算机控制系统必须便于人机联系 通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台 操作员控制台一般应有下列一些功能 有一组或几组数据输入键 数字键或拨码开关等 用于输入或更新给定值 更改控制器参数或其它必要的数据 有一组或几组功能键或转换开关 用于转换工作方式 起动 停止或完成某种指定的功能 有一个数字显示装置或显示屏 用于显示各状态参数及故障指示等 24 控制板上应有一个 急停 按钮 用于在出现事故时停止系统运行 转入故障处理 应当指出 控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息相关 设计时必须明确这些转换开关 按钮 键盘 数字显示器和状态 故障指示灯等的作用和意义 仔细设计控制台硬件及其相应的控制台管理程序 使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠 即使操作失误也不会引起严重后果 25 26 27 28 29 30 31 32 33 5软件设计微机控制系统的软件主要分两大类 即系统软件和应用软件 系统软件包括操作系统 诊断系统 开发系统和信息处理系统 通常这些软件一般不需要用户设计 对用户来说 基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了 应用软件都要由用户自行编写 所以软件设计主要是应用软件设计 控制系统对应用软件的要求是实时性 针对性 灵活性和通用性 对于工业控制系统来说由于是实时控制系统 所以要求应用软件能够在对象允许的时间间隔内进行控制 运算和处理 34 应用软件的最大特点是具有较强的针对性 即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计 1 模块化程序设计法 在微机控制系统中 大体上可以分为数据处理和过程控制两大基本类型 数据处理主要是数据的采集 数字滤波 标度变换以及数值计算等 过程控制程序主要是使微机按照指定的方法 如PID或直接数字控制 进行计算 然后再输出 以便控制生产过程 所谓 模块 实质上就是能完成一定功能 相对独立的程序段 这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法 35 2 结构化程序设计法结构化程序设计方法 给程序设计施加了一定的约束 它限定采用规定的结构类型和操作顺序 因此能编写出操作顺序分明 便于查找错误和纠正错误的程序 常用的结构有直线顺序结构 条件结构 循环结构和选择结构 其特点是程序本身易于用程序框图描述 易于构成模块 操作顺序易于跟踪 便于查找错误和测试 36 6系统调试微机控制系统设计完成以后 要对整个系统进行调试 调试步骤为硬件调试一软件调试一系统调试 硬件调试包括对元器件的筛选及老化 印制电路板制作 元器件的焊接及试验 安装完毕后要经过连续考机运行 软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试 使其正确无误 然后固化在EPROM中 系统调试 联调 主要是指把硬件与软件组合起来 进行模拟实验 正确无误 然后进行现场试验 直至正常运行为止 37 4 1 3微型计算机的系统构成及种类 1微型计算机的系统构成人们常用 微机 这个术语 该术语是三个概念的统称 即微处理机 微处理器 微型计算机 微型计算机系统的统称 微处理机 Microprocessor 简称 P或CPU 它是一个大规模集成电路 LSI 器件或超大规模集成电路 VLSI 器件 器件中有数据通道 多个寄存器 控制逻辑和运算逻辑部件 有的器件还含有时钟电路 为器件的工作提供定时信号 控制逻辑可以是组合逻辑 也可以是微程序的存储逻辑 可以执行机器语言描述的系统指令 是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件 并非是完整的计算机 38 微型计算机 Microcomputer 简称MC或 c 它是以微处理机 CPU 为中心 加上只读存储器 ROM 随机存取存储器 RAM 输入 输出接口电路 系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机 微型计算机系统 Microcomputersystem 简称MCS 将配有系统软件 外围设备 系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统 图4 1为微处理机 微型计算机 微型计算机系统的相互关系 微型计算机的基本硬件构成如图4 2所示 39 40 41 2 微型计算机的种类微型计算机可以按组装形式 微处理机位数 微处理机的用途范围来进行分类 1 按组装形式分类按组装形式可将微型计算机分为单片机 单板机和微机系统等 单片机在一块集成电路芯片 LSI 上装有CPU ROM RAM以及输入 输出端口电路 该芯片就被称为单片微型计算机 SCM SingleChipMicrocomputer 简称单片机 例如Intel公司的MCS48系列 51系列 96系列等 其外观如图4 3所示 42 43 特点 集成度高 功能强 通用性好 具有体积小 重量轻 能耗低 价格便宜 可靠性高 抗干扰能力强和使用方便等独特优点 使用 它很容易使各种机电 家电产品智能化 小型化 过程控制自动化 在不显著增加机电一体化系统 或产品 的体积 能耗及成本的情况下 大大增加其功能 提高其性能随着单片机性能的提高和功能的增强 目前 单片机已广泛应用于家用电器 机电产品 仪器仪表 办公室自动化产品 机器人等机电一体化产品上 44 2 单板机 如图4 4所示 将微型计算机的基本体系CPU 一定容量的ROM和RAM 输入 输出端口 I O电路 以及一些辅助电路分别作成LSI芯片 并将它们配置在一块印制电路板上 用电缆线和外部设备直接连接起来 这样的计算机就叫做单板微型计算机 简称单板机 例如TP801是以8位微处理器 如Z80 为核心组装的8位单板机 SDK86是以16位微处理器 Intdel8086 8088 为中央处理器组装的16位单板机 45 46 在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器 可完成一些简单的数据处理和编辑功能 用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低 在简易数控机械设备 检测设备 工业机器人等领域中得到了广泛应用 3 微型计算机系统根据需要 将微型计算机 ROM RAM I O接口电路 电源等组装在不同的印制电路板上 然后组装在一个机箱内 再配上键盘 CRT显示器 打印机 硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件 就构成了一个完整的微型计算机系统 47 如目前国内使用较多的IBM PC 如IBMPCXT 80286 80386 80486 80586 PII P P 等 CROMEMCO公司的SystemI 等都是多板微型计算机系统 如图4 5所示 48 2 按微处理机位数分类按微处理机位数可将微型计算机分为位片 4位 8位 16位 32位和64位等机种 所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数 即可同时传送数据的总线宽度 3 按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机 对单片机来说 可分为通用型和专用型 49 工业控制计算机简介 工业控制计算机系统硬件组成的一般形式 用在工业环境 适应工业要求的计算机系统 是处理来自检测传感装置的输入 并把处理结果输出到执行机构来控制生产过程 同时可对生产进行监督 管理的计算机系统 简称 工业控制机 或 工控机 典型的工业计算机测控系统如图所示 工业控制机系统由两大部分组成 即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程输入 输出 I O 子系统 50 51 工业控制机分类1 可编程序控制器 PLC PLC是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的 它的低端即为继电器逻辑控制的代用品 高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统 PLC是以微处理器为主的工业控制器 以扫描方式采集来自工业现场的信号 PLC的典型结构如图所示 PLC主要功能有 条件控制即逻辑运算功能 定时控制 计数控制 步进控制 A D D A转换 数据处理和级间通讯等 PLC的特点是 工作可靠 可与工业现场信号直接连接 积木式组合 编程操作容易 易于安装及维修等 52 53 2 单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图所示 它要处理数字和模拟两种基本信号 外部接口衔接器 PeripheralInterfaceAdapter 简称PIA 54 单回路调节器多用于过程控制系统 其控制算法多采用PID算法 可取代模拟控制仪表 单回路调节器的主要特点是 1 实现了仪表和计算机一体化 2 具有丰富的运算和控制功能 3 有专用的系统组态器 4 人一机接口灵活 5 便于级间通信 6 有继电保护和自诊断功能 目前 单回路调节器在控制算法上实现了自适应 自校正 自学习 自诊断和智能控制等控制方式 单回路调节器性能的提高 加速了仪表的更新换代 目前 单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领域 55 3 总线式工业控制机总线式工业控制机是依赖于某种标准总线 按工业化标准设计 由包括主机在内的各种I O接口功能模板组成的计算机 例如 PC总线工业控制计算机 STD总线工业控制计算机以及Q BUs Multibus VMEbus PCL总线等 总线式工业控制机的典型结构如图所示 总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点 1 取消 计算机系统母板 2 采用开放式总线结构 3 各种I O功能模板可直接插在总线槽上 4 选用工业化电源 5 可按控制系统的要求配置相应的模板 6 便于实现最小系统 56 57 目前 这类工业控制机应用较为广泛 如在过程控制 电力传动 数控机床等方面STD总线工控机及PC总线工业控制机都有成功的经验 4 分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统 简称为集散控制系统 它是利用计算机技术对生产过程进行集中监视 操作 管理和分散控制 集散控制系统采用标准化 模块化和系列化设计 由过程控制级 控制管理级和生产管理组成 它是一个以通信网络为纽带 采用集中显示操作管理 控制相对分散的多级计算机网系统结构 具有配置灵活 组态方便等优点 典型的具有三层结构模式的集散型控制系统如图所示 58 59 集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及监测系统中 特别是在大型钢铁厂 电站 机械及石油化工类企业中都有成功的应用的实例 60 4 28086 8088微机的硬件结构特点 在PC系列微机中 应用较广泛的是Intel公司的86系列 而8086 8088是Intel系列的16位 准16位微机 是86系列微机 包括Pentium和PentiumPro高性能奔腾 发展的基础 8086与8088的内部结构类似 都由算术逻辑单元ALU 累加器 专用和通用寄存器 指令寄存器 指令译码器 定时器控制电路等组成 4 2 18086 8088CPU的主要结构特点 1 8086 8088的内部体系结构 其内部的运算器 寄存器及内部数据总线都为16位 其外部数据总线则不同 8086为16位 8088为8位 61 2 指令系统功能强 8086有100多条指令 能完成数据传送 算术运算 包括乘法除法 循环移位 字符串操作 控制传送和处理器管理等工作 算术运算可以按字或字节带符号或无符号 二进制或十进制的方式进行运算 3 多种寻址方式适用于高级语言中的数组和记录等数据结构 4 20位地址线 寻址范围可达1048576字节 即1M字节 的存储空间 5 16位I O端口地址线 可寻址64K端口地址 62 6 中断功能强 可处理内部软件中断和外部中断请求 中断源允许达256个 7 具有管理DMA操作和多处理器工作的能力 4 2 28086 8088CPU的最大与最小工作模式 8086 8088CPU的这两种模式是由CPU内部的硬件结构决定的 当CPU的引脚MN MX接到 5V时 8086 8088工作于最小模式MN MX接地 8086 8088则工作于最大模式 63 所谓最小工作模式是指单处理器系统 即系统中只有8086或8088一个微处理器 在这种系统中 8086 8088提供所有的总线控制信号 因此 系统中的总线控制逻辑电路被减到最少 最大工作模式是相对于最小模式而言的 其特征是系统中可以包括两个或多个微处理器 即允许多个处理器一起工作 系统的控制信号由总线控制器提供 在8086 8088最大工作模式系统中 主处理器为8086 8088 其它处理器称为协处理器 与8086 8088配合的协处理器有两个 一个是数值协处理器8087 一个是输入输出协处理器8089 64 8087是一种专用于数值运算的处理器 能实现多种类型的数值操作 比如高精度的整数和浮点运算 也可以进行超越函数 如三角函数 对数函数 的计算 8089有一套专门用于输入 输出操作的指令系统 它可以直接为输入 输出设备服务 使8086 8088不再承担这类工作 所以 在系统中加入8089后 会明显提高主处理器的效率 尤其是在输入 输出频繁的场合 4 2 38086 8088引脚的功能定义 8086 8088CPU是一个具有40根引脚 双列直插式结构LSI芯片 图4 6为8086 8088CPU的引脚功能定义 65 1 地址 数据复用线 2 地址 状态复用线 3 高8位总线允许 状态 保持请求 保持响应 数据发送 接受信号 66 其引脚可以分成五种类型 只传送固定信息的引脚 如引脚32为读信号面 其传递的信息是固定的 电平的高低代表不同信息的引脚 如引脚33为MN MX 其高电平为最小工作模式 低电平为最大工作模式 在最大和最小工作模式下有不同定义的引脚 每一个引脚可传送两种信息即在不同时刻传送不同信息的引脚 一般称这类引脚为分时复用引脚 如AD AD15 是地址和数据的分时复用线 A代表地址 D代表数据 输入和输出分别传送不同信息的引脚 如引脚31为RQ GT0 输入时传送总线请求 输出时传送总线请求允许信号 67 ADl5 ADo AddressDataBus 地址 数据总线 输入 输出 三态 分时复用 每个周期开始时 T1 用作地址总线 输出存储器或I O口地址 然后8086内部的一个多路开关将它转换成数据总线Dl5 D0 用来传输数据 直到总线周期结束 在DMA方式 这些信号线悬空 A19 S6 A18 S5 A17 S4 A16 A3 Address Status 地址 状态线 三态输出 分时输出地址和状态 S6始终为低电平 即恒等于零 S5表明中断允许标志位的状态 S5 1时表明CPU可以响应中断的请求 S5 0时表明禁止屏蔽中断 S4和S3用于表示当前访问存储器所用的段存储器 S4和S3的编码状态见表4 1 68 69 BHE S7 BusHighEnable status 高8位总线允许 状态 输出 三态 低电平有效 在T1时 它用于把数据的高8位送到数据总线D15 D8 连接到高8位数据总线上的字长为8位的外设 通常用BHE实现选通功能 在T2 T3 TW和T4时输出S7 S7是高电平有效 在 保持响应 时 此引线处于高阻抗状态 BHE和A0组合可以表示数据总线上传送的信息是字还是字节 且可指示字节在哪个8位数据线上传送 见表4 2 70 HOLD HoldRequest 保持请求 输入 高电平有效 它是总线上的其它主控设备请求使用总线的信号 HLDA HoldAcknowledge 保持响应 输出 若8086同意让出总线 则向发出HOLD信号的主设备发出此保持响应HLDA信号 DT R DataTransmit Receive 数据发送 接收信号 输出 三态 它控制双向驱动器的数据传输方向 当它为低电平时 CPU接收数据 当它为高电平时 CPU发送数据 INTR InterruptRequest 中断请求 输入 高电平有效 CPU在每条指令的最后一个时钟周期对它进行取样 然后决定是否进入中断响应周期 在中断响应周期中 CPU接收中断源发来的中断向量 借助设置在存储器中的中断向量表 查到相应的中断服务程序的入口地址 INTA InterruptAcknowledge 中断响应 输出 低电平有效 在中断响应周期中 INTA用作读选通信号 71 RESET 复位 输入 高电平有效 它至少保持四个时钟周期的高电平 使CPU停止操作 并使内部的标志寄存器 段寄存器和指令队列复位到起始状态 READY 准备就绪 输入 高电平有效 这是被访问的存储器或I O设备发来的回答信号 表示数据传送已准备就绪 若CPU执行存储器读 写或I O读 写操作 而存储器或I O设备没有准备好 则在此线上给出低电平 CPU自动插入一个或几个等待周期 Tw 其目的是使CPU能和各种不同速度的存储器或I 0同步 72 TEST 测试 输入 当CPU执行WAIT指令时 每隔5个时钟周期对TEST信号进行一次测试 如果TEST是高电平时 CPU则进入踏步状态 重复执行WAIT指令 如果TEST是低电平时 CPU执行下一条指令 S2 S1 S0 总线周期状态 输出 这三条信号线的编码表达了CPU总线的操作性质 见表4 3 在最大模式中 CPU通过8288总线控制器利用这三个状态信息产生访问存储器和I O的控制信号 73 74 RQ GT0 RQ GT1 RequestGrant 请求 同意 输入 输出 双向 这两条线是在最大方式中总线的请求 同意信号 是供两个外部处理器用来请求和获得总线控制权的 这两个信号的功能和在最小方式中的HOLD HLDA是一样的 所不同的是这两条信号线是双向的 而HOLD和HLDA是单向的 这两条线专为利用协处理器8087 I O处理器8089 本地方式 来构成多处理器系统而设计的 这两条线可同时联系两个主控设备 RQ GT1的优先权高于RQ GT0 LOCK 封锁 输出 三态 低电平有效 LOCK总线封锁信号 用软件设置 即在一条指令的前面加上 LOCK 前缀 在该条指令执行过程中 此信号向总线上其它主控设备表明 不允许它们占用总线 该指令执行完 它便失去作用 75 QS0 QS1 指令队列状态信号 输出 用它表示8086 8088指令队列状态 如表4 4所示 76 4 2 48086CPU最小工作模式系统的典型配置 图4 7a示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之一 图4 7b示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之二 77 内部三态门总是允许输出的 78 79 4 2 58086CPU最大工作模式系统的典型配置 图4 8a示出了8086最大工作模式系统的典型配置之一 在结构上与最小模式系统的主要区别是增设了一个总线控制器8288和一个总线仲裁器8289 它们可以构成8086CPU为核心的多处理器系统 图4 8b示出了8086最大工作模式系统的典型配置之二 图中8288对CPU发出的控制信号进行变换和组合 发出对存储器和I O端口的读 写信号和对锁存器8282 总线收发器8286的控制信号 使总线控制功能更加完善 80 实现多处理器对总线资源的共享控制 81 由8288提前一个时钟周期发出信号 以便与较慢的存储器和外部设备配合 82 由于与CPU一起使用的存储器不只一个 这就产生选片问题 一般采用译码器来选片 图4 14为3 8译码器 74LSl38 的引脚配置 该芯片有三个片选端G1 G1A和G2A当G1 1 G1A 0 G2A 0时 芯片才被选通 否则输出均为高电平 A B C为三位输入端 输出端的逻辑功能如表4 6所示 83 84 A16A15A14A13A12 A0 0110000000000000 01101111111111111 85 86 87 88 89 各组成部分及有关引脚的功能分述如下 1 数据端口A B和C8255A内部包含3个8位的输入输出端口A B和C 通过外部的24根输入 输出线与外设交换数据或进行通信联络 端口A和端口B都可以用作一个8位的输入口或8位的输出口 C口既可以作为一个8位的输入口或输出口用 又可作为两个4位的输入输出口 C口上半部分和C口下半部分 使用 还常常用来配合A口和B口工作 分别用来产生A口和B口的输出控制信号和输入A口和B口的端口状态信号 90 各端口在结构和功能上有不同的特点 数据端口A B C8255有3个8位的I O端口 设计人员可以用软件使它们分别作为输入端口或输出端口 端口A 对应了1个8位的数据输入锁存器和1个8位的数据输出锁存 缓冲器 所以口A作为输入或输出时 数据均受到锁存 端口B 对应了一个8位的数据输入缓冲器和1个8位的数据输出锁存器 缓冲器 所以口B作为输入端口时 不会对数据进行锁存 而作为输出端口时 数据会受到锁存 91 端口C 与口B基本一致 对应了一个8位数据输入缓冲器和1个8位的数据输出锁存 缓冲器 所以口C作为输入端口时 对数据不作锁存 而作为输出端口时 对数据进行锁存 在使用中 端口A和B通常作为独立的输入端口或输出端口 端口C则配合端口A和B的工作 就是口C通过控制命令被分成2个4位端口 每个4位端口包含1个4位的输入缓冲器和1个4位的输出缓冲器 他们分别用来为端口A和B输出控制信号和输入状态信号 92 与3个端口相连的24根输入输出引线分别是PA7 PA0 PB7 PB0 和PC7 PC0这些线都与外部设备相连 具体作用与端口的工作方式有关 2 A组和B组控制逻辑这是两组根据CPU的编程命令控制8255A工作的电路 它们内部有控制寄存器 用来接收CPU送来的命令字 然后分别决定A组和B组的工作方式 或对端口C的每一位执行置位 复位等操作 93 A组控制逻辑 端口A和端口C的上半部分 PC7 PC4 B组控制逻辑 端口B和端口C的下半部分 PC3 PC0 这两组控制逻辑都从读写控制逻辑接受命令信号 从内部数据总线接收控制字 然后向各有关端口发出相应的控制命令 3 数据总线缓冲器这是一个双向三态的8位缓冲器 用作8255A和系统数据总线之间的接口 通过这个缓冲器和与之相连的8位数据总线D7 D0接收CPU送来的数据或控制字 外设传送给CPU的数据或状态信息 也要通过这个数据总线缓冲器送给CPU 94 4 读 写控制逻辑这部分电路用来管理所有的内部或外部数据信息 控制字或状态字的传送过程 它接收从CPU的地址总线和控制总线来的信号 并产生对A组和B组控制逻辑进行操作的信号 系统送到读 写控制逻辑的信号包括 RESET复位信号 高电平有效 该信号有效时 将8255A控制寄存器内容都清零 并将所有的端口 A B和C 都置成输入方式 CS片选信号 低电平有效 由地址总线经I O端口译码电路产生 只有当该信号有效时 CPU与8255A之间才能进行通信 也就是CPU可对8255A进行读 写等操作 95 RD读信号 低电平有效 当为低时 CPU可从8255A读取数据或状态信息 WR写信号 低电平有效 当WR有效时 CPU可向8255A写入数据或控制字 A1A0端口选择信号 在8255A内部有3个数据端口 A B C 和一个控制字寄存器端口 当A1A0 00时 选中端口A A1A0 01时 选中端口B A1A0 10时 选中端口C A1A0 11时 选中控制字寄存器端口 96 97 8255A的控制字 8位 8255A有两类控制字 一类控制字用于定义各端口的工作方式 称为方式选择控制字 另一类控制字用于对C端口的任一位进行置位或复位操作 称为置位复位控制字 D7位也称为这两个控制字的标志位方式选择控制字的D7位总是1 置位复位控制字的D7位总是0 98 下面介绍这两个控制字的具体格式 1 方式选择控制字8255A具有3种基本的工作方式 在对8255A进行初始化编程时 应向控制字寄存器写入方式选择控制字 用来规定8255A各端口的工作方式 方式O 基本输入输出方式方式1 选通输入输出方式方式2 双向总线I O方式 99 注意 当系统复位时 8255A的RESET输入端为高电平 使8255A复位 所有的数据端口都被置成输入方式 当复位信号撤除后 8255A继续保持复位时预置的输入方式 如果希望它以这种方式工作 就不用另外再进行初始化 100 3个数据口的工作方式 端口A可工作于3种方式中的任一种 端口B只能工作于方式0和方式l 而不能工作于方式2 端口C常被分成两个4位的端口 除了用作输入输出端口外 还能用来配合A口和B口工作 为这两个端口的输入输出操作提供联络信号 101 102 MOVA 95H MOVDPTR 0FBH MOVX DPTR A 103 2 置位 复位控制字端口C的数位常用作控制或应答信号 通过对8255A的控制口写入置位 复位控制字 可使端口C的任意一个引脚的输出单独置1或置0 或者为应答式数据传送发出中断请求信号 在基于控制的应用中 经常希望在某一位上产生一个TTL电平的控制信号 利用端口C的这个特点 只需要用简单的程序就能形成这样的信号 从而简化了编程 104 105 1例如 设一片8255A的口地址为60H 63H PC5平时为低电平 要求从PC5的引脚输出一个正脉冲 可以用程序先将PC5置1 输出一个高电平 再把PC5清O 输出一个低电平 结果 PC5引脚上便输出一个正脉冲 实现这个功能的程序段如下 MOVAL 00001011BOUT63H ALMOVAL 00001010BOUT63H AL MOVA 0BHMOVX63H AMOVA 0AHMOVX63H A 106 方式0基本输入输出 Input output 方式 它适用于 不需要用应答信号的简单输入 输出场合 A口和B口可作为8位的端口 c口的高4位和低4位可作为两个4位的端口 这4个端口中的任何一个既可作输入也可作输出 从而构成16种不同的输入输出组态 C口的两半部分也可以合在一起 构成一个8位的端口 这样8255A可构成3个8位的I O端口 或两个8位 两个4位的I O端口 以适应各种不同的应用场合 方式0的功能 107 如果要使各个端口都工作于方式0 则方式控制字的格式为 108 109 110 MOVA 9AH MOVDPTR 63H MOVX DPTR A 111 112 113 300ns 250ns 10 150ns 114 115 116 400ns 100ns 30ns 20ns 350ns 117 118 2 方式1方式1也称为选通输入 输出 StrobeInput Output 方式 在这种方式下 A口和B口作为数据口 均可工作于输入或输出方式 而且 这两个8位数据口的输入 输出数据都能锁存 但它们必须在联络 handshaking 信号控制下才能完成I O操作 端口C的6根线用来产生或接受这些联络信号 选通输入 输出方式又可分以下几种情况 1 选通输入方式如果A口和B口都工作于选通输入方式 则它们的端口状态 联络信号和控制字如图所示 119 当A口工作于方式1 并作输入端口时 端口C的PC4 PC5和PC3用作端口A的状态和控制线 当B口工作于方式1 并作输入端口时 端口C的PC2 PC1和PC0作端口B的状态和控制线 端口C还余下两位PC6和PC7 它们仍可用作输入或输出 由方式选择控制字中的D3位来定义PC6和PC7的传送方向 D3 l时 PC6和PC7作输入 D3 O时 PC6和PC7作输出 120 数据选通信号表示外设已经准备好数据 输入缓冲器满信号表示A口已经接收数据 中断请求信号请求CPU接收数据 121 INTE InterruptEnable 中断允许信号这是一个控制8255A是否能向CPU发中断请求的信号 它没有外部引出脚 在A组和B组的控制电路中 分别设有中断请求触发器INTEA和INTEB 只有用软件才能使这两个触发器置l或清0 其中INTEA由置位 复位控制字中的PC4位控制 INTEB由PC2位控制 当我们对8255A写入置位 复位控制字使PC4位置l时 INTEA被置l 表示允许A口中断 若PC4位清0 则禁止A口发中断请求 也就是使A口处于中断屏蔽状态 122 同样 可以通过编程PC2位来控制INTEB 允许或禁止B口中断 特别要注意的是 由于这两个触发器无外部引出脚 因此PC4或PC2脚上出现高电平或低电平信号时 并不会改变中断允许触发器的状态 123 INTR InterruptRequest 中断请求信号它是8255A向CPU发出的中断请求信号 高电平有效 只有当STB IBF INTE三者都高时 INTR才能被置为高电平 也就是说 当选通信号结束 已将输入设备提供的一个教据送到输入缓冲器中 输入缓冲器满信号IBF已变成高电平 并且中断是允许的情况下 8255A才能向CPU发出中断请求信号INTR CPU响应中断后 可用IN指令读取数据 读信号RD的下降沿将INTR复位为低电平 INTR通常和8259A的一个中断请求输入端IR相连 通过8259A的输出端INT向CPU发中断请求 A口的中断请求信号INTRA由PC3引脚输出 B口的中断请求信号INTRB由PC0引脚输出 124 最小500ns 最大400ns 最大300ns IN指令 125 说明 当外设数据准备好 送到端口数据线PA7 PA0或PB7 PB0后 发出一个负脉冲选通信号STB 使A口打开锁存器接收数据 选通信号发出后 经tSIB时间 IBF有效 它作为对输入设备的回答信号 用于通知外设输入缓冲器已满 不要再送新的数据过来 选通信号结束后 经tSIT时间 若STB IBF和INTE三者同时为高电平 使INTR有效 这个信号可向CPU发中断请求 CPU相应中断后 通过执行中断服务程序中的IN指令 使读信号RD有效 低电平 126 读信号有效后经tRIT时间后 使INTR变低 清除中断 读信号结束后 数据已读入累加器经tRIB时间 1BF变低 表示缓冲器已空 一次数据输入的过程结束 通知外设可以再送一个新的数据 127 2 选通输出方式如果A口和B口都工作于选通输出方式 它们的联络控制信号和控制字的格式如图10一13所示 在这种方式下 A口和B口都作输出口 端口C的PC3 PC7和PC6 作A口的联络控制信号 PC0 PC1 和PC2作B口的联络控制信号 端口C余下的两位PC4和PC5可作输入或输出 当方式选择字的D3 1时 PC4和PC5作输入 时 D3 0PC4和PC5作输出 128 外设响应信号表示外设已经接收到数据 输出缓冲器满信号表示CPU已经输出了数据 中断请求信号请求CPU再次输出数据 PC6 129 说明 当CPU向端口A输出数据以后 在WR的上升沿使OBFA变为低电平 当外设接收到数据以后 发出一个负脉冲ACKA送给8255A 使OBFA变为高电平 ACKA和OBFA都变为高电平以后 如果INTEA允许 则8255A发出中断请求信号 以便使CPU再次输出数据 WR的下降沿使INTRA恢复低电平 可以通过对PC6的置位和复位来设置INTEA 130 tAOB tAIT 800ns 350ns 350ns 131 B口 方式1 输出 可通过对PC2置位或复位来设置INTEB 132 4 4单片机的结构特点及其最小应用系统 单片机 Single chipMicrocomputer 的典型结构如图4 25所示 目前常用的MCS一48 5l 96系列单片机的主要性能参数见表4 15 其中MCS一51系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳 应用较多的系列产品 133 134 135 下面以MCS一51系列产品为例 对其结构特点和应用作简要说明 1 MCS一51系列单片机的结构特点 MCS一51系列单片机包括8051 8751和8031三种产品 其硬件设计简单灵活 8051片内有4KB的ROM 用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商 在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM 显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的 程序一经写入片内ROM 用户也无法改变程序 所以8051用在批量较大 1000片以上 时 经济上才合算 136 8051单片机包含中央处理器 程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 定时 计数器 并行接口 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线 地址总线和控制总线等三大总线 现在我们分别加以说明 中央处理器 中央处理器 CPU 是整个单片机的核心部件 是8位数据宽度的处理器 能处理8位二进制数据或代码 负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的工作 完成运算和控制输入输出功能等操作 137 数据存储器 RAM 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元 它们是统一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用于存放用户数据 所以 用户能使用的的RAM只有128个 可存放读写的数据 运算的中间结果或用户定义的字型表 程序存储器 ROM 8051共有4096个8位掩膜ROM 用于存放用户程序 原始数据或表格 定时 计数器 8051有两个16位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向 138 并行输入输出 I O 口 8051共有4组8位I O口 P0 P1 P2或P3 用于对外部数据的传输 全双工串行口 8051内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该串行口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使用 中断系统 8051具备较完善的中断功能 有两个外中断 两个定时 计数器中断和一个串行中断 可满足不同的控制要求 并具有2级的优先级别选择 时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路 用于产生整个单片机运行的脉冲时序 但8051单片机需外置振荡电容 139 140 MCS一51系列单片机的引脚如图4 26所示 其引脚功能可分为三大部分 1 I O口线P0 P1 P2 P3共四个8位口 P0 P2 电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器 另外还有一个数据输出的驱动和控制电路 这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器 外部程序存储器和I O扩展口 而不能象P1 P3直接用作输出口 P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8 AB15 P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0 AB7 外部的程序存储器由PSEN信号选通 数据存储器则由WR和RD读写信号选通 因为216 64k 所以8051最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器 141 3 电源及时钟Vcc Vss XTAL1 XTAL28051的时钟有两种方式 一种是片内时钟振荡方式 但需在18和19脚外接石英晶体 2 12MHz 和振荡电容 振荡电容的值一般取10p 30p 另外一种是外部时钟方式 即将XTAL1接地 外部时钟信号从XTAL2脚输入 2 控制口线PSEN 片外取指控制 ALE 地址锁存控制 EA 片外存储器选择 RESET 复位控制 P1口为8位准双向口 每一位均可单独定义为输入或输出口 P3口为准双向口 为适应引脚的第二功能的需要 增加了第二功能控制逻辑 在真正的应用电路中 第二功能显得更为重要 实现第二功能必须在相应的输出锁存器中写入 1 142 143 144 其应用特性为 1 I O口线不能都用作用户I O线 除805l 8751外真正可完全为用户使用的I O口线只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口 2 I O口的驱动能力 P0口可驱动8个TTL门电路 P1 P2 P3则只能驱动4个TTL门电路 145 3 P口是双重功能口 其引脚功能如下 引脚名引脚号功能Vcc40875l的编程 805l或875l的检验和正常运行时的电源 5V Vss40接地电平 P0口39 328位双向I O口 也是访问外存储器的低位地址和数据总线 在编程和校验时 用于数据的输入和输出 P1口1 88位双向I O口 在编程和校验时 用于接受低位地址字节 146 P2口21 288位双向I O口 在访问外存储器时 输出高位地址字节 在编程和检验时 它也能接受高位地址和控制信号 P3口10 178位双向I O口 实现第二功能时 必须在相应的输出锁存器里写入 l RST VDD9从低到高 约3V 的跳变使805l复位 若Vcc降到低于规定值 而VDD在规定值范围 约为5V 内 则V