计算机控制教案

计算机控制技术教案开封大学机电工程学院边 疆课程性质和任务 本课程属于计算机应用类课程，是供自动化专业学生学习的一门学科专业课程，是工学电子类专业的重要课程，是一门实践性、工程性很强的专业技术课程，在高等工科院校的教学中都占有重要的地位。本课程总学时为60学时, 一学期学完。本课程教学的基本任务是使学生在掌握和了解自动控制及计算机控制工作原理和设计方法的基础上，培养学生具有完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制以及系统调试维护的基本知识和能力，为毕业后参与计算机控制系统开发、调试和维护打下初步基础。教学方法与教学手段 教学过程中，始终坚持理论与实践相结合、知识传授与行为养成相结合、面向全体与个别指导相结合、课程教学与日常管理相结合的原则。 应根据学生的认知水平并结合专业特点，选择适当的教学方法，广泛使用启发式、直观式、讨论式等教学方法，调动学生主动学习的积极性。鼓励教学方法的创新，提高课堂教学实效。教学过程中采用多媒体等教学手段。教学目的本课程的教学目的是使学生了解计算机控制系统的基本结构、组成，输入输出接口及通道的相关知识。掌握模拟化设计方法和直接设计方法。培养学生完成简单计算机控制系统设计的能力。教学内容和教学要求（一）绪论1、知识要点和教学要求1）计算机控制系统的组成及特点2）计算机在控制中的典型应用方式3）典型计算机控制系统简介4）工业控制机5）计算机控制系统的研究课题和发展方向2、能力培养要求了解计算机控制的概念，计算机控制系统的组成、分类、特点及典型应用与发展。（二）输入输出接口技术和输入输出通道1、知识要点和教学要求1）概述 2）I/O控制方式3）I/O接口设计4）I/O通道5）D/A转换器6）A/D转换器7）I/O通道的抗干扰措施2、能力培养要求掌握各类I/O接口和I/O通道的构成、工作原理、典型电路及与系统连接的基本知识和应用。（三）数字控制器的模拟化设计1、知识要点和教学要求1）引言2）离散化方法3）PID数字控制器的设计4）数字PID控制算法的改进5）PID数字控制器的参数整定和设计举例2、能力培养要求掌握采用离散化方法进行数字PID控制器及其改进算法设计的原理、参数整定、程序实现及举例。（四）数字控制器的直接设计1、知识要点和教学要求1）最少拍无差系统的设计2）最少拍无波纹系统的设计3）W变换法设计4）纯滞后对象的控制算法大林算法2、能力培养要求掌握数字控制器直接设计法的原理、设计步骤。掌握最少拍无差有波纹、无波纹数字控制器设计以及大林算法。（六）微型计算机控制系统设计1、知识要点和教学要求1）控制系统设计的一般步骤2）微型计算机控制系统的软件3）常用应用程序设计4）设计举例一微型计算机控制直流伺服系统设计5）设计举例二微型计算机温度控制系统设计2、能力培养要求掌握计算机控制系统设计的方法、步骤。了解软硬件设计及常用应用程序，掌握两个实例。（七）多微机控制系统1、知识要点和教学要求1）概述2）多微处理机控制系统的结构形式3）多微处理机系统的通信4）多微处理机控制系统的软件和控制5）集散控制系统简介6）多微处理机控制系统举例2、能力培养要求了解多微处理机系统的基本概念、结构形式、通信方式、并行算法及集散控制系统。（八）计算机控制系统的可靠性保证1、知识要点和教学要求1）控制系统可靠性的基本概念2）提高硬件可靠性的措施3）提高软件可靠性的措施4）电磁干扰的屏蔽与滤除5）控制系统的故障诊断2、能力培养要求了解计算机控制系统的可靠性概念以及抗干扰措施。学时分配建议序号教学内容学时分配1绪论22输入输出接口技术和输入输出通道83数字控制器的模拟化设计84数字控制器的直接设计106微型计算机控制系统设计167多微处理机控制系统88计算机控制系统的可靠性保证8 合计60适用专业本教学大纲适应于高中毕业生及对口招生的毕业生，学制为4年的自动化专业的学生。与其它课程的衔接和分工先修课程：复变函数、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、微机原理与应用、单片机原理、自动控制理论等。在这些课程中应该注意讲授: D/A;A/D；总线等。考试方式与成绩评定标准1）考试方式考试形式采用笔试，题型有：填空、选择、计算题2）成绩评定标准成绩的组成有：笔试80%+作业10%+考勤10%。教学过程设计第一讲电子计算机的发明是本世纪科学技术的卓越成就之一，它的出现使科学技术产生了一场深刻的革命。由于计算机具有强大的逻辑判断、计算和信息处理能力，从而使自动控制达到新的水平，大大提高了生产过程的自动化程度和系统的可靠性。那我们就来具体介绍一下计算机控制系统的一般概念，计算机控制系统的组成、分类、特点及其典型应用和发展。计算机控制的一般概念计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。第二次世界大战中逐步发展起来的经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面获得了很大的成功，在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也已达到相当完善的程度。将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，下图所示。因此，计算机控制系统，简单地说，就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。计算机控制系统除用于过程控制外，在机电控制、航天技术和各种军事装备中也得到了广泛应用。那么下面我们来看看计算机控制系统的组成。计算机控制系统的组成典型的计算机控制系统结构，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储存、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。（1）由中央处理器、时钟电路、内存储存构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制指令，指挥权系统有条不紊地协调工作。（2）操作台是人-机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台项计算机输入和修改控制参数，发出各种操作指令。（3）通过外围设备主要是为了扩大计算机的功能而配置的。他们用来显示、储存、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器、软盘、硬盘及外存储器等。（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道 。（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号。软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和。系统软件是指由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本省的资源、方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，他们一般不需要用户自行设计编程，只需握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。计算机控制系统的特点计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：（1）在结构上。 计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。（2）连续系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数学等多种信号形式。（3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。现在常用的设计方法有两种，即模拟调节规律离散化设计法和直接设计法。（4）对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件也往往越多、越复杂。（5）在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路，而计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，一个控制经常可采用分时控制的方式而同时控制多个回路。通常，它利用依次巡回的方式实现多路分时控制。(6)采用计算机控制，如分级计算机控制、聚散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程序进一步提高。根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，分别是：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。操作指导控制系统在操作指导系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统。直接数字控制系统直接数字控制DDC系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调制器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。监督计算机控制系统监督计算机控制系统简称SCC系统。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种SCC+DCC控制系统。1.SCC加上模拟调节器的控制系统这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数得最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。2.SCC加上DCC的控制系统这是一种二级控制系统。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最有设定值，送给DCC计算机执行控制。分级计算机控制系统分级式计算机控制已经取代了集中控制方式，这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。典型计算机控制系统简介用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。由于微型计算机具有极好的快速运算、信息储存、逻辑判断和数据处理能力，电动机调速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域应用的一个重要方面。所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序而顺序动作的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程程序控制器，简称为PC或PCL.。所谓数字程序控制系统是指根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而完成工作的自动控制系统。目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹可以分为点位控制系统和轮廓控制系统。工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。最近，联合国际标准化组织采用的机器人的定义是：“一种可以反复编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。工业机器人是从初步到高级逐步完善起来的，它的发展过程可以分为三代：第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。第三代机器人是智能机器人，目前还没有一个统一和完善的智能机器人定义。工业控制机工业控制机是用于工业控制现场的计算机，其应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特点和要求。（1）实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来时间作出反应的能力。（2）高可靠性 要求工业控制机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均故障间隔时间。（3）硬件配置的可装配可扩充性 硬件模板功能单一化，模板品种多样齐全并尽量采用各种OEM（Original Equipment Manufacture）板级产品，使硬件配置有最灵活的装配性和可扩充性，硬件开发周期降到最小。（4）可维护性 工业控制机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能快速准确地定位。下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是STD总线工业控制机设计思想中最突出的特点，其系统组成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据需要，通过对模块的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象。随着微处理器的更新换代，为了充分利用16位机的性能，通过在原PC总线的基础上增加一个36引脚的扩展插座，形成了AT总线。近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了一下几方面的改进：1）机械结构加固，使微机的抗振性好。2）采用标准模板结构，改进整机结构，用CPU模板取代原有的大底板，使引脚构成积木化，便于维修更换，也便于用户组织硬件系统。3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抗粉尘的能力。4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。计算机控制系统的研究课题和发展方向集散控制系统又称为以微处理器为基础的分散型信息综合控制系统，集散控制在其发展 初期以实现分散控制为主，因而国外一般沿用分散控制系统的名称，即DCS系统（Distributed Control System）。在集散控制系统中，是用以微处理器为基础的过程控制器对生产过程实现分散控制。一个控制器控制一个回路或者若干个回路。在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC.计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机的集成起来，清除”自动化孤岛“，实现多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统。它是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。它利用优化控制方案，删去不必要的功能、简化硬件、巧用软件等技术手段，以较低的投资获得良好的控制效果。所谓智能控制系统就是驱动自主智能及其以实现其目标而而无需操作人员干预的自动控制系统。这类系统必须具有智能调节和执行等能力。第二讲上一节我们简单介绍了一下计算机控制系统。这一节我们来讲一下计算机控制系统的输入输出接口技术和通道。计算机控制系统硬件除主机外还包括两类外围设备：一、常规外围设备；二、被控设备。设备与CPU的总线通过I/O接口和I/O通道相连。总线按使用位置可为分内部总线和外部总线。接口、通道及其功能I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。为什么要设置接口电路？其必要性可归纳成如下几点。1.解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题I/O接口电路为完成时序配合和通信联络功能，通常都设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。2.解决CUP和外围设备之间的数据格式装换和匹配问题。3.解决CUP的负载能力和外围设备端口选址问题。所谓锁存器，就是输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。典型的锁存器逻辑电路是 D 触发器电路。 在数据传输中，用来弥补不同数据处理速率速度差距的存储装置叫做缓冲器。I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。为使计算机和被控制对象之间能够连同起来，除了需要I/O接口电路外，还需要I/O通道，由它将从被控制对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量的形式，送入计算机。I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备之间信息交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率的交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起。I/O信号的种类在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。（一）数据信息 分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。（二）状态信息 状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。（三）控制信息 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的。计算机和外部的通信方式计算机和外部交换信息又称为通信。按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。（一）并行通信并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。其优点是传送 速度快、信息率高。其缺点是传输线多，成本高。（二）串行通信串行通信是数据按位进行传送的。1.全双工方式CUP通过串行接口和外围设备相接。串行接口和外围设备间除公共地线外，有二根数据传输线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接收数据，这种串行传送方式就成为全双工方式，信息传输效率较高。2.半双工方式CUP也通过串行接口和外围设备相接。但是串行接口和外围设备间除公共地线外，只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送，这称半双工方式，信息传输效率低些。3.同步通信采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。4.异步通信标准的异步通信格式如图起始位与停止位由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，故接收端完全不知道传送端何时将进行数据的传送。发送端准备要开始传送数据时，发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位（逻辑0）及低电位的停止位（逻辑1），它们分别是所谓的起始位和停止位，也就是说，当传送端要开始传送数据时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位，而当传送结束后，再将电位降至低电位。接收端会因起始位的触发（因电压由低电位升至高电位）而开始接收数据；并因停止位的通知（因电压维持在低电位）而明确数据的字符信号已经结束；当加入了起始位及停止位也才比较容易达到多字符的接收能力。起始位固定为1位，而停止位则有1、1. 5、2位等多种选择，如何选择呢？只要通信双方协议通过即可，没有强制规定。校验位为了预防错误的产生，使用校验位作为检查的机制。校验位即是用来检查所传送数据的正确性的一种核对码，这之中又分成奇校验与偶校验两种，分别是检查字符码中1的数目是奇数或偶数。以偶校验为例，“A”的ASCII码是41H（16进制），将它以2进制表示时，是其中1的数目是2，因此校验位便是0，使1的数目保持偶数；同样的，校验位是奇校验时，“A”的校验位便是1，使1的数目为3而保持在奇数。接收者重新计算奇偶校验位，如果新的计算值正确，那么表示正常。如果新的计算值错误，那么接收端就会收到一些指示，表示此次接收的数据有误。 程序控制方式程序控制I/O方式。是指CPU和外围设备之间的信息传送，是在程序控制下进行的。（一）无条件I/O方式所谓为条件I/O方式是指不必查询外围设备的状态即可进行信息传送的I/O方式。即在此种方式下，外围设备总是处于就绪状态。无条件传送方式的工作原理如图（二）查询式I/O方式查询式I/O方式，也称为条件传送方式。按查询式传送，CUP和外围设备的I/O接口除需设置数据端口外，还要有状态端口。查询式I/O接口电路原理（四）查询式I/O方式的优缺点及使用条件从理论上看，查询式比无条件传送方式可靠，接口电路简单，不占用中 断输入线，同时查询程序也简单，易于设计调试。特别适用于多个按一定规律顺序工作的生产机械或生产过程的控制。在查询式 I/O方式下，CPU必须不断的读取状态字和检测状态字。需要大量的重复查询，效率底下。I/O方式的选择必须符合实时控制的要求。对于查询式I/O方式，满足实时控制要求的使用条件是：“所有外围设备的服务时间的总和必须小于或等于任一外围设备的最短响应时间”。中断控制I/O方式（一）中断控制I/O时应解决的问题在8086系统中，有两类中断，即外部中断和内部中断，对I/O处理一般都采用外部中断。所谓外部中断，就是通过I/O接口硬件向CPU发出中断求救信号，从而引起一个中断处理过程。中断处理特别是多重中断处理必须要解决四个问题。第一，保存现场和恢复现场。第二，正确判断中断源。第三，实时响应。第四，按优先权顺序处理（二）中断优先级问题的解决通常在微型计算机系统及微型计算机控制系统中对于中断优先级采用三种办法来解决。1.软件查询方式使用软件查询方式时要借助于简单的硬件接口电路。如下图2.雏菊链法雏菊链法是得到中断优先级的一个简单硬件方法。其作法是在每个外围设备对应的接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路，电路构成一个链，称为雏菊链，由雏菊链来控制中断回答信号的通路。3.专用硬件方式在微机系统或微机控制系统中更多的是采用专用硬件芯片中断控制器来进行中断优先级管理的。假设系统中有n个中断控制的外围设备，按最短响应时间由小到大的排列为1，2，3，n。各外围设备的最短响应时间为C1，C2，C3，Cn。各外围设备实际服务时间为S1，S2，S3，Sn。第i个外围设备服务时间最长，令Si=Smax则必须满足 外围设备1： 外围设备2： 外围设备i：直接储存器存取方式DMA方式DMA I/O方式是不经CPU，而在外设和储存器之间直接高速交换数据。为了实现这种交换，需增加一种硬件设备DMAC，把通常要执行一段程序来完成的数据传送过程由DMAC自动地以硬件的速度完成之，大大的提高了数据传送速度。为了实现数据的高速传送，DMAC要同时占据数据总线、地址总线和控制总线。通常数据传送的过程：当外围设备准备就绪，要进行DMA操作时，向DMAC发出DMA请求，DMAC收到请求后，再向CPU发总线信号，若CPU接受DMAC的总线请求，则发出DMA响应信号，同时将总线释放，交由DMAC控制下，在内存和外围设备之间自动完成数据传送，DMA过程结束，DMA向CPU发出结束信号，将总线控制权交给CPU。第三讲I/O接口设计的任务是根据生产过程和生产机械控制或管理的要求及外围设备的特性，选定各被控设备的I/O控制方式，设计出合适的I/O接口硬件电路和相应的接口控制程序，使CPU和被控制设备之间能适时、可靠的交换信息。I/O接口的编址方式I/O接口的编址方式，通常有两种编址方式，一种是I/O接口与储存器统一编址，另一种是I/O接口独立编址。(一）I/O接口独立编址方式这种编址方式是将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，互不影响。设有专门的输入指令(IN)和输出指令(OUT)来完成I/O操作。8086微处理器的I/O接口也是属于独立编址方式的。8086输入输出指令可以分为两大类：一类是直接的输入输出指令，(如IN AL，55H；OUT 70H，AX)，另一类是间接的输入输出指令(如IN AX，DX；OUT DX，AL)(二)I/O接口与存储器统一编址方式。统一编址方式也称为存储器映象I/O寻址方式。即每一个I/O接口占一个存储单元地址。两种方式各有优缺点 。独立编址方式的优点是：（1）内存地址空间与I/O接口的地址空间相互独立，所以译码电路相对简单。（2）使用专门的I/O指令，程序清晰易读，执行时间短，快速性好。其缺点是：（1） 只用I/O指令访问I/O接口，功能有限，没有访问存储器的指令丰富。（2）要采用专用I/O周期和专用的I/O控制线，区分存储器与I/O接口访问，使微处理器复杂化。 统一编址方式的优点是： （1）不需要专门的I/O指令，数据处理功能强； （2） I/O接口与存储器部分公用译码和控制电路，有利于I/O程序的设计。其缺点是：（1）I/O接口占用一部分存储器的地址空间；（2）不设置专门的I/O指令，在程序中不容易区分哪些指令是访问存储器、哪些指令是访问外设，所以程序不易阅读。 I/O接口的编址方式是由所选定的微处理器决定了的，接口设计时应按所选定的处理器所规定的编址方式来设计I/O接口地址译码器。I/O接口与系统的连接I/O接口是CPU和外围设备之间的连接界面。典型的IO接口和外部的连接如下图8255A是一种通用可编程并行I/O接口芯片，在PC中常用于传递键盘信息、扬声器信息等。8255A有三种工作方式： 方式0、 方式1、 方式21.方式0：基本输入输出方式这种方式下，端口与外设间不需要联络信号。8255A的3个端口都可以工作在该方式下，并由控制字规定为输入或输出。当8255A的端口工作在方式0时，CPU只要用输入或输出指令就可以与外设进行数据交换。因此，方式0也称为无条件的输入/输出方式。2.方式1：选通输入输出方式这种方式下，只有A口和B口可以作为8位的输入或输出端口，C口主要作为A、B两个端口输入/输出时的联络信号。且A口和B口无论输入或输出都有数据锁存功能。该方式下CPU与8255A间可以用中断方式或查询方式进行信息交换。 I/O接口扩展通常选用的微型计算机系统配有通用可编程程序I/O接口电路。但是选用的通用计算机系统用于控制生产对象时，往往接口和内存不够用，必须扩展I/O 接口及内存容量。(一)地址译码器的扩展扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口(寄存器)的编址、选址问题。扩展的地址译码电路不仅要提供接口芯片的片选信号，而且还能对芯片内的I/O端口(寄存器)寻址。地址译码要用译码器。微机系统中最常用的是74LS13874LS138 为3 线8 线译码器，其工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。(二)负载能力的扩展扩展的I/O接口和存储器的数据线都同时接在CUP的数据总线上，地址都挂到地址总线上，控制线都挂到控制总线上。 系统总线的负载能力较强，但其负载能力还是有限的，不能无限制的增加，特别是当设计者自己设计微机控制系统时，更有必要考虑CPU各总线的负载能力。微机系统中，通常采用TTL器件和MOS器件。其中，TTL又分标准TTL器件74，和低功耗肖特基TTL器件74LS。I/O接口设计的方法、步骤及设计举例（一）I/O接口设计的方法、步骤接口设计的任务包括确定各外围设备的控制方式，接口硬件电路设计和接口控制软件设计，如果一个微机控制系统比较小，I/O接口少，I/O接口设计可能比较简单。如果系统较大，所带常规外围设备和被控设备较多时，I/O接口的设计就可能比较复杂。对于这类系统可按下述步骤进行设计。首先，了解分析常用外围设备或被控设备与CPU之间信息交换的要求，如要求什么联络信号、I/O数据格式、I/O线数量、最短响应时间和服务时间估算、确定I/O控制方式。其次，考虑硬件和软件的功能分配，综合考虑速度、成本、特性、设计难易程度等因素，合理印分配硬件和软件完成功能第三，进行I/O端口的数量统计、数据流向安排和端口地址号分配。第四，I/O接口硬件电路的扩展设计，包括扩展方案选择、地址译码器扩展和负载能力扩展等。第五，I/O接口控制软件设计。最后，进行接口硬件和软件联调，如发现问题，再返回前面各步重新调整、修改，直到所设计的接口硬件和软件能满足快速、可靠、方便的实现CPU和备外围设备之间的信息交换要求为止。GAL在接口电路中的应用通用阵列逻辑器件(Generic Array Logic，缩写GAL)是可编程逻辑器件(ProgrammableLogic Device缩写PLD)之一种，除GAL外，PLD器件还包括PROM、FPLA(现场可编程逻辑阵列)、PAL(可编程阵列逻辑电路)、EPLD(能擦写编程逻辑器件)。（一)GAL的主要性能和优点。1)采用电擦除工艺、门阵列可重编程，改写GAL方便、快速，使用GAL器件进行逻辑电路设计，使系统设计灵活、方便，按逻辑代数式设计电路和修改电路都方便，可使电路结构做到更加合理、紧凑、可靠性高。2)采用高性能的E2CMOS工艺，具有高速(1240ns)和低功耗(和CMOS电路相当)性能，可减轻电源负荷，降低温升，提高可靠性。3)具有加密单元，可防止他人未经许可而抄袭电路设计，从而提高整个系统的保密性。4)系统体积缩小，可靠性提高。据统计，一个GAL器件在功能上可替代412个中小规模集成器件，从而可使系统体积缩小，简化印刷电路板设计，提高系统可靠性。5)可写入电子标签，便于文档管理和复制电路。6)大量使用GAL可降低系统制造和维护管理成本。(二)GAL16V8的基本结构和简单工作原理GAL16V8器件有8个引出端固定作为输入端，另外8个输入/输出引出端也可配置为输入模式。因此， GAL16V8器件最多可有16个输入端，输出端最多为8个。这也是器件型号中两个数字的含义。 GAL16V8器件有8个输入缓冲器，8个三态输出缓冲器，8个输出反馈/输入缓冲器，1个系统时钟CP输入缓冲器和1个三态输出使能OE输入缓冲器；与阵列由88个与门构成，共形成64个乘积项，每个乘积项有32个输入；含8个输出逻辑宏单元OLMC（或阵列包含在OLMC中），其中前3个和后3个OLMC输出端都有反馈线连接到相邻单元的OLMC。I/O通道在计算机控制系统中，I/O通道是连接计算机和工业对象(生产过程或生产机械等)的必不可少的重要部分。I/O通道的主要任务是将由检测器件测取的各种参量变换成计算机所能接收的信息形式送入计算机。因此，I/O通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。I/O通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道四种，如下图。模拟量输入通道模拟量输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。目前普遍采用的是公用运算放大器和AD转换器的结构形式，其组成方框图如图所示模拟量输入通道主要由以下几部分组成：信号预处理装置一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。标度变换器是把经由各种传感器得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。采用有源滤波器或无源滤波器，进行信号滤波，消除干扰信号。转换后的电信号与被测参量呈现非线性，应作适当处理，使之接近线性化。(二)采样单元采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是把已变换成统一电压信号(040mV)的测量信号按序或随机的接到采样保持器或直接接到数据放大器上。采样单元一般由开关矩阵及其逻辑控制电路组成。逻辑控制电路是在软件或通道控制电路的控制下，保证以一定的速度和所要求的次序一个一个的选择被测模拟信号的输入。开关矩阵是由称为模拟开关的开关构成的。模拟开关是指以某种方式接通或断开模拟信号的元件或电路。模拟开关分两类，一类为机械式触点或开关，如干簧(或湿簧)继电器、水银继电器等。另一类模拟开关是晶体管开关、场效应管开关和光电耦合开关。（三）采样保持将直接将模拟量送入AD转换器进行转换总需要一定时间，完成量化与编码的操作，完成一次AD转所需要的时间为孔径时间。在转换过程中，如果模拟量产生变化，将直接影响转换比较。所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。(四)数据放大器采样单元或经采样保持电路后的被测电压信号通常是040mV的弱信号，需经过运算放大器放大，从而提高输出电平，实现阻抗匹配，或经差分放大提高共模抑制比，然后才能送A/D转换器。采样后的信号是一系列近似平顶的脉冲波，既含有直流成分又含有交流成分。最重要的是平顶部分，平顶下降直接影响测量精度。数据放大器都采用直流放大器。(五)A/D转换器A/D转换器是模拟量输入通道的核心部分。采样与量化(一)采样过程所谓采样过程(简称采样)是用采样开关(或采样单元)将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。采样开关两次采样的间隔时间T，为采样周期。（二）量化过程量化过程就是用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。第四讲模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路所组成。输出保持一般有两种方案，一种是数字量保持方案，另一种是模拟量保持方案，从而决定模拟量输出通道也有两种基本结构形式。（一）一个输出通路设置一个D/A转换器的结构形式(二)多个输出通路共用一个D/A转换器的结构形式模拟输入通道的工作过程简单说来就是采样和量化过程。而模拟输出通道的工作过程基本上是模拟量输入通道工作过程的逆过程。数字量输入输出通道（一）数字量输入通道这些输入信号分为编码数字(二进制数或十进制数)、开关量和脉冲列等三类，它们都属于数字信号，因此，微机控制系统中应设立数字量输入通道。随输入数字信号的类型不同，数字量输入通道的结构也不同。编码数字，可以直接接到并行接口电路的输入端上。脉冲列，使用软件计数法，或加硬件计数器，后接到并行端口上。开关信号，经过电平转换电路，将触电的通断转换为高电平和低电平，最后接到并行端口上。(二)数字量输出通道数字量输出通道输出的数字信号有三类：编码数字(二进制或二一十进制)、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。编码数字可直接从Io接口电路的输出端口送出，一般输出数据需要锁存。要求输出脉冲列的对象，输出通道加脉冲产生及其控制电路。开关量输出有：TTL电平逻辑信号输出、电子无触电开关输出和继电器输出。D/A转换器D/A转换器是把数字量转换成模拟量的器件，是模拟量输出通道的重要组成部分。D/A转换器按其工作方式可分成并行和串行两种。并行D/A转换器又可分成电流相加型和电压相加型。并行DA转换器转换速度快，应用较多。串行DA转换有特殊用途，在某些情况下必须采用它，如步进电动机的控制。数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。为了把一个数字量转换成模拟量，必须把每一位上的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量相加，得到的总的模拟量就与数字量成正比.D/A转换器主要由电阻网络和运算放大器两部分组成。常用的电阻网路有两种：权电阻网络和T型电阻网络。串行DA转换器的基本工作原理是先把数字量转换成一系列的脉冲，一个脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到和数字量成正比的总的模拟量输出。常用D/A转换器及其与CPU的连接DAC0832是双列直插式20引脚集成电路芯片。内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁存器，分别由LE1，LE2控制。 高电平：寄存器直通 低电平：寄存器锁存 可以用下面两种方法使DAC0832工作于单缓冲方式。第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在不锁存状态。第二种方法是使输入寄存器工作在不锁存状态，而使DAC寄存器工作在锁存状态，就是将ILE接高电平而CS和WR1都接低电平，这样，输入寄存器的锁存信号处于无效状态，即输入寄存器的输出跟随输入而变化。DAC0832是电流型输出的，有电流输出1和电流输出2。 通常要求D/A转换的输出是电压而不是电流，因此，需在DAC0832的输出端接一运算放大器，将电流信号转换为电压信号。按应用要求的不同，DAC0832可以接成单极性电压输出方式，也可以接成双极性电压输出方式。DAC 1210(与DAC 1208、DAC 1209是一个系列)是双列直插式24引脚集成电路芯片。内部有输入寄存器和DAC寄存器两个缓冲输入寄存器；一个精密硅一铬R-2RT形网络和12个CMOS电流开关；是电流相加型D/A转换器。DAC1210具有以下特点：1. 线性规范只有零位和满量程调节；2. 与所有的通用微处理机直接接口；3. 单缓冲、双缓冲或直接数字数据输入；4. 与TTL逻辑电平兼容；5. 全四象限相乘输出。DAC1210是电流相加型D/A转换器，有IOUT1和IOUT2两个电流输出端，通常要求转换后的模拟量输出为电压信号，因此，外部应加运算放大器将其输出的电流信号转换为电压输出。DAC1210与DAC0832的差别在于分辨率。 DAC1210具有12位分辨率， DAC0832具有8位。DACl210有12位数据输入线，当与8位的数据总线相接时，因为CPU输出数据是按字节操作的，那么送出12位数据需要执行两次输出指令，比如第一次执行输出指令送出数据的低8位，第二次执行输出指令再送出数据的高4位。与8位DAC0832接口电路不同的是，除了数据总线D7D0与DAC1210高8位DI0DI7直接相连，D3D0还要与DAC1210低4位DI8DI11复用，因而控制电路也略为复杂。把低8位和高8位同时送入DAC1210的12位输入寄存器，需用两级数据缓冲结构。DA转换器电流输出方式DA转换器输出方式一般分为电压输出和电流输出两种。在过程计算机控制中，通常要求采用直流010mA或420mA电流输出，下图中画出D/A转换的电流输出电路。DA转换器选择和使用D/A转换器是模拟量输出通道的核心部分，在设计时应慎重选择。首先在总体方案上，应先确定是采用多通路共有一个D/ A转换器的方案，还是一个通路使用一个D/A转换器的方案。在具体选择D/A转换器时，主要应考虑下列几个问题。1分辨率D/A转换器的分辨率表示当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为分辨率=满刻度值2N2稳定时间稳定时间是D/A转换器转换速率的量度，是指D/A转换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所给定的百分数误差范围内所需要的时间。一般为几十纳秒到几微秒。3输入编码输入编码为二进制编码、BCD码、符号一数值码等。4线性误差任何两个相邻数码之间的差应是1LSB，一个理想的转换器输出应该是一条直线。5输出方式和极性6温度范围7使用调整第五讲上一节我们将了D/A转化器的一些情况，下面我将一下A/D转化器。（一）计数器式A/D转换器计数器式A/D转换器由计数器、D/A转换器及比较器组成。其原理框图如图(二)双积分式A/D转换器如图所示，双积分式A/D转换器的主要部件有积分器、比较器、计数器和标准电压源。在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间T1或T2又正比于输入电压，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压V在固定积分时间T内的平均值。(三)逐次逼近式A/D转换器逐次次逼近式A/D转换器电路原理框图如图下所示。它主要由N位逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分所组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位D3 = 1，其余为0， 此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即Uo = 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量Ui = 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当Ui Uo，则保留D3 = 1；再对下一位D2进行比较，同样先使D2 = 1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为Uo = 12再进入比较器，与Ui = 9比较，因Ui Uo，则使D2 = 0；再下一位D1位也是如此，D1 = 1即1010，经D/A转换为Uo= 10，再与Ui= 9比较，因Ui Uo，则使D1 = 0；最后一位D0 = 1, 即1001经D/A转换为Uo= 9，再与Ui= 9比较，因Ui Uo，保留D0 = 1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。A/D转换器的主要技术参数1.分辨率分辨率通常用转换后数字量的位数表示。分辨率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。对于一个N位的A/D转换器其分辨率为分辨率=满刻度值2N2.量程量程是指所能装换的电压范围。3.转换精度转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。有绝对精度和相对精度两种表示法。4转换时间转换时间是指启动A/D到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件，转换时间相差很大。5工作温度范围较好的A/D转换器的工作温度为一4085，较差的为070。