《微机接口技术简》PPT课件.ppt

第一节微处理器系统接口一 微处理器系统接口的类型为构成完整的并有一定控制和运算功能的系统而将一个部件与另外的部件连接起来 这种连接就称微处理器系统的接口 微处理器系统的接口可分成四种基本类型1 内务操作接口 数据 地址 控制三总线 2 用户通讯接口 RS232 485 PS2 USB 3 传感器接口 ADC IO 4 控制接口 DAC IO 光电耦合 一 内务操作接口微处理器系统的内务操作接口是使微处理器发挥最基本的处理和控制功能所需的接口 它包括各类总线驱动器 数据锁存器及三态缓冲器等 典型的微处理器接口 微型机算计总线 DBE TSC HALT IRQ BA D7 D0 R W A15 A0 数据总线使能 三态控制 暂停 中断请求 RES复位 总线有效 读 写 数据总线 内务操作接口元件 1时钟 2时钟 二 用户通信接口用户通信接口是指微计算机接收用户送入的信息或是向用户送出信息所需要的接口电路 这类接口有 RS232RS485 422PS2USBIIC SPI SMBUS 串行通讯的概念串行通讯 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯 串行通讯的特点是 数据位传送 传按位顺序进行 最少只需一根传输线即可完成 成本低但送速度慢 串行通讯的距离可以从几米到几千米 根据信息的传送方向 串行通讯可以进一步分为单工 半双工和全双工三种 主要参数设置 波特率数据位与停止位数据位 5位 8位停止位 1位 1 5位 2位例 115200 N 8 1 流控制 流控制在串行通讯中的作用解决丢失数据的问题 硬件流控制硬件流控制常用的有RTS CTS 请求发送 清除发送 流控制和DTR DSR 数据终端就绪 数据设置就绪 流控制 软件流控制一般通过XON XOFF来实现软件流控制 奇偶校验奇校验 所有传送的数位 含字符的各数位和校验位 中 1 的个数为奇数 如 10110 010100110 0001偶校验 所有传送的数位 含字符的各数位和校验位 中 1 的个数为偶数 如 10100 010100100 0001 用户显示终端 典型的用户通信按口电路 三 传感器接口将检测对象输入到计算机的接口电路称为传感器接口电路 例如 与压力传感器 温度传感器 流速指示器 测速计等测试设备相连接的接口电路就是传感器接口电路的具体例子 一个典型的微机系统与传感器接口的电路 由图可见 与传感器接口的电路除了仍需要内务操作接口所用的驱动器 接收器和地址译码器等电路外 还需要将模拟量转换成数字量 通常模拟量是通过传感器而得到的 温度传感器 典型的微处理系统的传感器接口 四 控制接口这类接口通常与 传感器接口 同时使用 在过程控制中 必须先由传感器向微处理器提供控制对象的状态信息 然后通过微处理器进行处理 通过控制接口来实现微处理器对控制对象的控制 通常微处理器送出的控制信号功率很弱 为mV A数量级 因此必须在控制接口中加以功率放大 才能驱动执行部件 执行部件可以是控制用的步进电机 控制阀门开闭的线圈 发光二极管 灯泡等 以微处理器为基础的机械控制器 这类接口必须解决以下两个问题 1 功率放大问题 即将低电压弱电流信号放大到可以驱动控制对象执行元件所需的电压与电流值 2 数模转换问题 如果执行元件是用模拟量控制 则必须 将微处理器送出的数字量信息转换为模拟量信息 才能实现对执行元件的控制 3 接口电路设计时注意的几个问题1 电源的分布首先应当合理地选择整个系统是共用一个中央稳压电源还是每一块印制电路板各用单独的电源 采用中央电源的优点是较省电 并且由于各块印制电路板无单独电源 从而使其温度不致太高 缺点是可靠性差 电源一旦出故障 整个系统就不能工作 采用分散的一块电路板配一个稳压电源 其优点是可靠性显著提高 缺点是各板工作温升较高 稳压电源元件较多 为了消除输入与输出端可能出现的寄生振荡 还要求并联容量大小不一的钽电容 图是这两种电源方案的示意图 中央稳压电源 一板一稳压电源 干扰渠道示意图 三 接口电路的抗干扰 2 接口电路的抗干扰措施在控制器与驱动器之间的接口电路中 少不了由弱电转强电的电感性负载 以及用来通断电感负载的触点 这些都是产生强电干扰的干扰源 对于这种干扰 首先是采取吸收的方式 抑制其产生 然后采取隔离的方法 阻断其传导 1 强电干扰吸收电路在电感负载断开时 会产生过电压 强电干扰 阻容抗干扰电路 R R R R R M3 R C W C C 通 断 UL E t UL L di dt 通 断 t UL E S W UW 对于强电干扰 除用RC电路外 还采用二极管和稳压二极管来吸收过电压 强电干扰吸收电路 2 驱动接口的隔离为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器 通常采用光电隔离 驱动接口的隔离措施 3 变送接口的隔离对于由检测器传来的模拟信号 通常采用差动运算放大器来隔离干扰 其原理如图所示 检测器输入信号 差动式运算放大器抗干扰原理 模拟信号抗干扰接口电路 远距离数字信号抗干扰接口电路 近距离抗干扰电路 对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号 不必再经过放大 可采用图所示抗干扰电路 由R1和C1组成滤波器 滤去高频干扰 由于经过RC滤波器后的脉冲信号往往有脉动和抖动 为了改善脉冲前沿 故增加一级斯密特电路来整形 3 接地系统的抗干扰措施防止从接地系统传来的干扰 主要方法是切断接地环路 通常采用下述措施 1 单点接地由于接地点远离而形成的环路 可采用图a所示单点接地的方法来切断 2 并联接地由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路 可用如图b所示并联接地的方法来切断 抗干扰接地系统a 单点接地系统b 并联接地系统 3 光电隔离对于用长线传输的数字信号 可用光耦合器来切断接地环路 图为控制器与主机分离的控制系统 采用双重光电隔离来切断多点接地环路的例子 图中1 2 3表示不同的接地点 采取这种措施 不仅能消除公用接地线及其引进的干扰 而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题 因此可用普通导线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输 接地线要有足够的截面积 以免电阻过大影响接地电位 光电隔离接地系统 四 接口电路的应用 一 数字输入 输出接口电路1 开关量输入接口电路图为较简单的接口转换电路 当其中一个触点 如K1 闭合 光耦合件的发光二极管电路导通 二极管发光照射光敏三极管 使其也导通 输出高电平 反之输出低电平 光电耦合的接口转换电路 开关输入电路中最大的问题是防止接点的抖动 因为一般接点均有抖动 且由闭合变断开时的抖动现象比断开变闭合时显著 为了防止抖动 除上述电路中用RC电路以外 还可采用施密特电路或RS触发器 图示出了RS触发器的消振原理和波形图 RS触发器消振原理 2 开关量输出的接口电路开关量输出电路是将计算机输出的TTL电平转换为控制继电器 指示灯等所需的开关状态信号 并由此去控制有接点或无接点开关的开闭 这种电路一般采用光电耦合电路加功率晶体管驱动电路 或采用隔离变压器电路加功率晶体管驱动电路 采用隔离变压器的驱动电路 来自CPU K Vi 24V VCC Y1 CP 采用光耦合器的驱动电路 K R2 R1 Vi VLC VT 12V 24V 5V K 固体电子继电器电磁式继电器的优点是结构简单 且额定电压高 额定电流大 但易磨损和接触不良 且开关动作的速度相对较慢 固体电子继电器没有活动部件和触点 也就是无磨损和接触不良等问题 开关时间也很短 二 模拟输入 输出接口电路1 D A转换器与CPU的接口及程序设计D A转换器与CPU连接的方式有多种 有用锁存器连接 有用可编程接口8255或PIO连接 到底采用哪种方法由D A转换器的结构形式及系统的要求确定 输入电路的程序设计首先要考虑模拟 数字输入输出电路与微机之间信息交换采用的方式 1 无条件传输2 查询方式 3 中断方式 4 DMA方式 作业1简述接口电路的类型 2接口电路中的干扰源有哪些 各采取哪些措施进行抗干扰 第二节单片微型计算机一 概述 一 单片机的特点单片微型计算机简称为单片机 即在一块芯片上集成了CPU RAM ROM 定时 计数器和多种I O 单片机可看成一个不带外围设备的微型计算机 它具有体积小 功能强 价格便宜等优点 被广泛用于机电一体化产品和机电一体化系统中 单片机结构上采用数据存储空间与程序存储空间相互分离的结构 它的功能是通用的 可以像一般的微处理器广泛应用在各个方面 单片机上的RAM作为数据存储器用 而不是当作高速数据缓冲存储器用 单片机主要有以下特点 1 受集成度限制 片内存储容量较小 一般ROM小于4 8K RAM小于256字节 但根据需要可在外部扩展至64K字节 2 ROM与RAM严格分工 ROM为程序存储器 只存放程序指令及常数 表格等RAM则为数据存储器 3 为了满足工业控制需要 有很强的位处理功能和丰富的条件分支转移逻辑 CPU逻辑控制功能及运行速度远高于一般通用8位CPU 如8085 Z80等 4 一般片内或系统内无监控程序或系统通用管理软件 只放置用户调试好的应用程序 但也有在片内固化有TinyBASIC语言 Forth语言的单片机 二 系统配置系统配置即为满足人机对话和测控对象连接需要而配置的外围设备及其接口电路 如键盘 显示器 打印机 A D D A等 1 显示器和8031的接口图给出了6位共阴极显示器和803l的接口逻辑 图中8155的PA口控制显示器的阴极电位 称为扫描口 PB口控制各位显示器的显示字形 称为段数据输出口 采用一位一位轮流点亮各位的方法 扫描 实现显示器的动态显示 显示器和8031接口 8031 共阴极显示器 2 键盘和8031的接口图描述了 个4x4键盘与8031的接口电路 键盘的引线接到P1口的低4位 键盘的行线通过二极管连线到P1口的高4位 P10 P13作为键输入线 P14 P17作扫描输出线 初态时P14 P17全为 0 当键盘上没有键合时 INT为高电平当键盘上任一键闭合时 INT端变低 向CPU发出中断请求 若CPU开放外部中断 则响应中断请求 执行中断服务程序扫描键盘 4x4键盘和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 微打印机与8031的接口 作业 试设计一单片机应用系统 单片机采用8031 扩展一片2764 扩展一片6264 利用通用芯片8255扩展IO口 并用来扩展8位数码管显示 第三节可编程序控制器的程序编制 日本OMRON公司生产的可编程序控制器 在我国应用很广泛 它主要用于工业过程控制和自动化制造和机械加工等领域 OMRON生产的PLC有大 中 小型及超小型机 十几种型号 其中C20 C20P C28P C40P C60P为超小型机 I O的电数从几十点扩展到140点 C120 C200H为小型机 C200H最多可达384点 C500 C1000H为中型机 I O电数为512点和1024点 C1000H采用多处理器结构 功能齐全 C2000H为大型机 它采用积木式的结构 使它功能更齐全 容量大 速度快 I O点数可达到2048点 下面我们以C20为例介绍PLC的基本结构 性能指标 I O通道和继电器编号 基本编程指令及编程实例 一C20机的基本结构 1 微处理机包括CPU I O终端 用户存储器 它用扫描的控制方式 根据用户存储器中提供的程序进行工作 这部分是PLC的核心部分 2 I O端口主要是用来连接外部输入输出设备的 3 编程器通过编程器将用户程序送入存储器 编程器的工作方式有三种 1 编程方式 PROGRAM 在这种方式下 PLC不执行用户程序 可以读写用户程序 还可以编辑 修改源程序 2 运行方式 RUN 运行用户程序 在这种方式下 用户可以通过编程器上的显示屏 监视运行过程中的I O状态 通道状态 系统扫描时间 线路状态等 3 监控方式 MONITOR 除具有运行方式下的全部功能外 还可以在PLC运行时强制I O状态为复位或置位 改变计时器和计数器的预置值 改变通道的预置数据 二 C20的主要性能指标 三 I O通道和继电器编号 PLC在执行程序时 要执行各种指令 指令操作的对象是内部变量单元 C系列机将输入输出和内部变量单元分为通道和继电器区 每个输入输出通道和每个继电器区中的继电器都有对应的编号 1 通道C20有5个输入通道 通道号 00 04有5个输出通道 通道号 05 09有9个内部辅助继电器通道 通道号 10 18有10个保持继电器通道 通道号 HR00 HR09每个通道由16个继电器组成 136点 160点 2 继电器号它由两部分组成 XXXX通道号通道的第几个继电器例如 0100第二个通道 第一个继电器 输入通道1015内部输助继电器编号C20有48个计时器计数器 编号为 TIM CNT00 47 计时时间为0 1 999 9S 计数个数为1 9999个 C20还有8个暂存继电器 TR0 7 16个专用辅助继电器 为专门指令配备的 四 C20的基本指令1 逻辑条件指令 1 LDLD NOTLD称为起始指令 也就是起用常开接点 LD NOT是起用常闭接点 编程时要常用到这两个指令 2 ANDAND NOTAND串联常开接点 AND NOT串联常闭接点 3 OROR NOTOR并联常开接点 OR NOT并联常闭接点 4 AND LDOR LDAND LD块与指令 无操作数 OR LD块或指令 无操作数 块与和块或 实际上是两组接点间的串联与并联 2 输出指令 1 OUT输出指令 2 keep锁存指令实际上是R S触发器 它有两个输入 FUN11 端 第一次用作置位 第二次用作复位 3 定时 计数输出指令TIM计时器号 计时时间CNT计数器号 计数个数3 编码格式 地址指令数据0000LD0000 举例 例1 ANDOR NOTLDOUT 0000LD00000001AND00010002OR0002OUT0500 例2 ANDLD 0000LD00000001OR00010002LD00020003OR00030004AND LD0005OUT0500 例3 使用ORLD LD0000AND0001LD0002AND0003OR LDOUT0500 例4 使用keep LD0000置位输入LD0001复位输入Keep 11 0505将0505锁存住 直到状态为复位信号 继电器才复位 END 01 例5使用TIM LD0000AND NOT0001TIM00 0075LDTIM00OUT0500END 例6使用CNT LD0000输入0