微型计算机控制技术第二版配套教学课件

微型计算机控制技术课程介绍（一）课程性质⒈选修专业课，或必修课。⒉从理论到实际的必经桥梁。⒊着重解决和处理工程实际问题。在教学过程中，将课堂教学与实验教学有机结合，注意培养同学分析问题、解决问题的方法和能力。⒋主要介绍微型计算机应用在过程控制中的各种技术，重点讲述控制系统的软件、硬件设计方法，以及其间的结合问题。⒌注重理论联系实际。从工程实际出发，在设计方法，即实验技术、操作运行、系统调试等方面进行训练，为毕业设计及将来的实际工作奠定基础。（二）教学目的

通过学习，使同学对微型机在过程控制、智能化仪器方面的应用有比较全的了解，为以后的工作和毕业设计打下基础。（三）教学内容第1章微型计算机控制系统概述第2章模拟量I/O通道接口技术第3章人机交互接口技术第4章常用控制程序的设计第5章IC卡技术第6章总线接口技术第7章过程控制数据处理的方法第8章数字PID及其算法第9章模糊控制技术第10章微型机控制系统的设计（四）教学时数

本课程共4学分，其中课上教学课时64学时，实验16学时。（五）前序课程模拟电路数字电路单片机原理及应用微型计算机原理与接口技术汇编语言（六）本书特点1．以点带面。2．与时俱进。3．软件和硬件相结合。4．实用性强。5．内容精练。6．信息流概念清楚。7．强化练习。8．资源共享。

第一章微型计算机控制系统概述1.1微型计算机控制系统的组成1.2微型机控制系统的分类1.3微型计算机控制系统的发展概况及趋势

微型计算机控制系统硬件由以下部分组成：微型计算机接口电路外部通用设备和工业生产对象等组成1.1微型计算机控制系统的组成微机控制技术图1.1典型微机控制系统原理图图1.1典型微机控制系统原理图1.1微型计算机控制系统的组成1.1.1微型机控制系统的硬件结构1.1.2微型机控制系统的软件1.1.1微型机控制系统的硬件结构1．1．1微型机控制系统硬件结构

一.主机(CPU)指挥部

1．向系统的各个部分发出命令；

2．对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、逻辑判断及报警处理等。

微机控制技术1.1.1微型机控制系统的硬件结构二、接口及I/O通道

1.常用接口

(1)并行接口8255、8155(2)串行接口8251(3)直接存储器传送接口8237(4)中断控制接口8259(5)定时器／计数器接口8253(6)模拟量与数字量之间转换接口DAC0832，

ADC0809等。

微机控制技术1.1.1微型机控制系统的硬件结构2．I/O通道

(1)模拟量输入通道关键部件A/D（把模拟量变成数字量）

(2)模拟量输出通道关键部件D/A（把数字量变成模拟量）

(3)数字量输入/输出通道三.通用外部设备，用以扩大主机的功能显示、打印、存储等微机控制技术1.1.1微型机控制系统的硬件结构四．检测元件及执行机构

1．检测元件：把非电量变成电量（传感器）。如：热电偶、节流装置、压力变送器

2．变送器：把传感器的输出信号变成CPU

所能接收的电压信号。

3．执行机构：接收CPU

输出的控制量并加以动作，以对生产参数进行控制的机构。如：阀、开关、电机等。微机控制技术1.1.1微型机控制系统的硬件结构五、操作台和实时时钟

1．操作台的组成（1）作用开关：电源开关；数据、地址选择开关；操作方式选择开关，等。（2）功能键：向CPU

申请中断、复位键、启动键、打印键、显示键、连接、单步工作方式键等。（3）显示：LED/CRT显示器件显示数据，图、表、流程图等。（4）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。

2．实时时钟微机控制技术1.1.2微型机控制系统的软件1．1．2软件

完成各种功能的计算机程序的总和。系统软件：由厂家提供用以管理计算机本身的程序。应用软件：由用户根据控制系统的需要设计。面向用户的程序。

微机控制技术1.2微型机控制系统的分类

根据被控对象的特点环境要求,

可采用不同类型的控制系统。微机控制技术1.2微型机控制系统的分类1.2.1操作指导控制系统（OPS）1.2.2直接数字控制系统（DDC）1.2.3计算机监督系统（SCC）1.2.4嵌入式系统（EMS）1.2.5物联网系统（ITS）1.2.6现场总线控制系统（FCS）

1．2．1操作指导系统

图1-2操作指导控制系统

微机控制技术1．2．1操作指导系统

1．操作过程：（1）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后输出（显示或打印）。

（提供准确的参照数据）。

（2）现场人员参照显示的数据，根据经验对系统进行调节微机控制技术1．2．1操作指导系统2．应用场合：尚未摸清控制规律的系统，（计算机系统的初级阶段）。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。3．特点：简单、可靠人工操作、慢不能同时控制几个回路。

微机控制技术1．2．2直接数字控制系统（DDC）图1-3DDC控制系统原理图微机控制技术1．2．2直接数字控制系统（DDC）①作法：计算机对多个参数进行巡回检测；将检测值与给定值加以比较；根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。②特点：一台计算机可同时控制多回路；可靠。③控制灵活：每个参数的控制可各异；各参数在不同情况下可采用不同的控制规律；应用广泛。微机控制技术使检测值→给定值

1．2．3计算机监督系统（SCC）作法：系统中，给定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值。送给模拟调节器或DDC

单片机，对生产过程进行控制。

微机控制技术SCC+DDC控制系统1．作法：两级计算机控制系统：（1）SCC

（2)DDC

与前者相比：控制由DDC机实现实时性好、灵活，一台单片机代替多台调节器，可控制多个回路。（如图1-5SCC+DDC控制系统）2．特点：更接近于生产的实际情况，增加了“冗余量”，更可靠。3．应用范围：因为数学模型难以建立，所以此法用起来有困难。

微机控制技术1．2．3计算机监督系统（SCC）

图1-4SCC+DDC控制系统微机控制技术1.2.4嵌入式系统嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。1.2.4嵌入式系统

包括硬件和软件两部分。⑴硬件部分:

处理器/微处理器存储器（EPROM、EEPROM、FlashMemory）外部设备

I/O接口图形控制器等。微机控制技术存储容量有限1.2.4嵌入式系统⑵

软件部分：操作系统(要求实时和多任务操作)

控制着应用程序编程与硬件的交互作用。应用程序。控制着系统的运作和行为；嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS

的工作方式，是独立工作的“器件”。具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。微机控制技术

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点:（1）对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。（2）具有很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。（4）功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有

mW甚至μW

级。微机控制技术1.2.4嵌入式系统据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有半数以上，共350多种衍生产品。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS

常用封装从8个引脚到144个引脚。嵌入式计算机可以分成下面几类[XX]。

微机控制技术1.2.4嵌入式系统1.嵌入式微处理器

(EmbeddedMicroprocessorUnit）（1）与CPU比：在应用中，将EMPU装在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，

EMPU在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。微机控制技术1.2.4嵌入式系统

（2）和工业控制计算机相比：嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低、可靠性高由于电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式处理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、

Power

PC、68000、MIPS、ARM系列等。在一块电路板上装有嵌入式微处理器、存储器、总线、外设等构成单板计算机。如STD-BUS、PC104、等。德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM

产品。我国也有此类产品。微机控制技术1.2.4嵌入式系统2、嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit)

嵌入式微控制器又称单片机。为适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微机控制技术1.2.4嵌入式系统

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多：·

通用系列：

8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、

C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。·

半通用系列：

USB接口：MCU8XC930/931、C540、C541；

I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU

和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。

微机控制技术1.2.4嵌入式系统AMD

公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller。MOTOROLA公司把以PowerPC为基础的

PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP作为

MCU进行推广。微机控制技术1.2.4嵌入式系统3、嵌入式DSP

处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)

（１）ＤＳＰ处理器的特点

DSP

处理器对系统结构和指令进行了特殊设计:

使其适合于执行DSP

算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP

算法正在大量进入嵌入式领域。DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP

功能，过渡到采用嵌入式

DSP

处理器。微机控制技术1.2.4嵌入式系统

（２）嵌入式DSP

处理器构成①DSP

处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP

处理器。如：TI的TMS320C2000/C5000。②在通用单片机或SOC中增加DSP

协处理器。如：Intel的MCS-296

Infineon(Siemens)的TriCore。1.2.4嵌入式系统（３）推动嵌入式

DSP

处理器发展的因素：嵌入式系统的智能化。如：各种带有智能逻辑的消费类产品生物信息识别终端带有加解密算法的键盘

ADSL

接入实时语音压解系统虚拟现实显示等。向量运算、指针线性寻址等微机控制技术DSP处理器的长处1.2.4嵌入式系统4、嵌入式片上系统(SystemOnChip)随着EDI

的推广和VLSI

设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是

SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核作为SOC

设计公司的标准库，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL

等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。微机控制技术1.2.4嵌入式系统

嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。

与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。微机控制技术1.2.4嵌入式系统

本书后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽然以8051系列单片机为主进行讲述，所涉及的基本原理可适合任何一种嵌入式CPU。微机控制技术1.2.5物联网系统（ITS）物联网系统（InternetofThingsSystem，ITS）第三次信息革命。该系统通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。实际上它也是一种微型计算机控制系统，只不过更加庞大而已。1.2.5物联网系统（ITS）1.2.5物联网系统（ITS）1.2.5物联网系统（ITS）1.2.5物联网系统（ITS）物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块以及网络通信模块组成。通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。1.2.5物联网系统（ITS）物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。1．2．６现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统在20世纪90年代兴起，将网络通信与管理的概念联系起来，采用数字通信，改变了传统的信息传送方式。

微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）一、现场总线控制系统是分布式控制系统的换代产品

1．系统全部采用数字信息传递 （传统的DCS（分布式系统）中，底层到控制站之间用420mA

电流传送）信息传递数字化后，在通信质量和连线方式上有重大突破。微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）2．分散的系统结构（1）DCS中：采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构（2）FCS中：①把I/O单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表②每个仪表都含有CPU

具有测量、校正、调节、诊断等功能；③靠网络协议将各节点联系起来统筹工作；④节点出问题只影响其本身，不影响全局。微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）3．方便的互操作性不同结构的FCS产品，可组成统一的系统。4．开放的互联网络（1）FCS技术级标准均采用开放式政策，面向所有的产品制造商和用户。（2）通信网络可以和其它系统网络、高速网络相连，即用户可共享网络资源。微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）5．传输媒介和拓朴结构

FCS采用数字通信方式：①改变了传统的信息交换方式、信号形式和系统结构。②改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。③改变了系统的设计及调试方法，开创了控制领域的新纪元。微机控制技术二．FCS控制结构微机控制技术图1-8现场总线控制系统结构1．2．6

现场总线控制系统（FCS）

现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，用于过程自动化构成FCS的基本设备如下：①变送器功能：检测、变换和补偿，

PID控制和运算功能。如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。②执行器；功能：信号驱动、执行功能阀门特性自校验和自诊断功能输出特性补偿（内含调节阀）功能

PID控制和运算等功能分类：电动、气动两大类。微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）③服务器和网桥服务器下接Hl和H2，上接局域网LAN(Localareanetwork)；网桥上接H2，下接Hl。④辅助设备

H1/气压、Hl／电流、电流／Hl转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。⑤监控设备工程师站：供现场总线组态操作员站：供工艺操作与监视计算机站：用于优化控制和建模。微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）

FCS

的核心是现场总线（§5.4）现场总线技术是90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。

微机控制技术1．2．6

现场总线控制系统（FCS）现场总线控制系统①是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。②是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。③具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技术特点。

1．2．6

现场总线控制系统（FCS）④保证控制系统可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的需求，且使其与Internet网

互连构成不同层次的复杂网络成为可能。代表了工业控制体系结构发展的一种方向。1．3单片微型计算机

统的发展概况及趋势1.3.1单片微型计算机1.3.2可编程逻辑控制器1.3.3FPGA系统1.3.4工业PC1.3.5微型计算机控制系统的发展趋势1．3．1单片微型计算机单片微型计算机

(SingleChipMicrocomputer)，是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。特点是设计者可根据实际需要进行单片机系统开发、设计，因而更加方便、灵活，且成本低。微机控制技术1．3．1单片微型计算机

与微型计算机相比，单片机具有以下特点：

1．集成度高，功能强

2．结构合理

3．抗干扰能力强

4．指令丰富

5.省电微机控制技术1．3．2可编程逻辑控制器1．3．2可编程逻辑控制器可编程控制逻辑器

(ProgrammableLogicalController)，简称PLC。是继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物。PLC

采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为存储器及I/O接口。其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影。微机控制技术1．3．2可编程逻辑控制器一、PLC的功能

(1)条件控制

(2)定时控制

(3)计数控制

(4)顺序控制

(5)模／数(A/D)、数／模(D/A)转换

(6)数据处理

(7)通讯与联网微机控制技术广泛应用在控制系统中1．3．2可编程逻辑控制器2．PLC的特点

(1)可靠性高

(2)编程容易

(3)组合灵活

(4)输入／输出功能模块齐全

(5)安装方便

(6)运行速度快

微机控制技术单片机的发展与应用更增强了PLC的功能1．3．2可编程逻辑控制器3．PLC的分类根据PLC的功能，可分为三类：

(1）低档PLC(2）中档PLC(3）高档PLC微机控制技术1．3．3现场可编程门阵列（FPGA）现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I／O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I／O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。微机控制技术1．3．3现场可编程门阵列（FPGA）1．FPGA的特点（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。（3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。（5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

1．3．3现场可编程门阵列（FPGA）2．片上可编程系统（SOPC）SOPC（SystemonaProgrmmableChip，系统可编程芯片设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。1．3．3现场可编程门阵列（FPGA）SOPC迅速发展的原因（1）密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市；（2）第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形。（3）提高他们的设计效率并缩短上市时间；（4）封装体积减小，产品尺寸也减少了，性能增强。1．3．3现场可编程门阵列（FPGA）SOPC设计软件3．FPGA与单片机FPGA取代现有的全部微型机接口芯片，实现微型机系统中的存储器、地址译码等多种功能。利用FPGA可以把多个微型机系统的功能电路集成在一块芯片上。

图1.10PC机、单片机和FPGA通信图4．FPGA与DSP

将FPGA与DSP结合，以便在集成度、速度和系统功能方面满足DSP应用的需要。由于FPGA器件内部提供了RAM，双口RAM和FIFO-RAM，所以利用FPGA设计DSP系统，同时具备DSP处理器的灵活性和固定功能的DSP芯片的实时性。FPGA＋DSP结构的最大特点：组态灵活，通用性强，适用于模块化设计，能够提高算法的效率；开发周期较短，易于维护和扩展，适用于实时信号处理。用FPGA硬件实现大量的低层信号预处理算法所处理的数据，同时兼顾速度和灵活性。高层处理算法采用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。

图1.11FPGA与DSP相结合实现并行流水结构1．3．4工业PC机1．3．4工业PC机工业PC机与个人计算机的差别：（1）用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板；（2）将母板分为PC插件（若干），如CPU板，存储板

等；（3）把原PC电源改为工业电源；（4）采用密封机箱，内部压送风；（5）配相应的工业软件。（6）既利用了PC机丰富的资源，又在结构上实现了模块化。微机控制技术1．3．4工业PC机工业PC与一般PC机比较1．3．5微型计算机控制系统的发展趋势1．大力推广应用成熟的先进技术成熟技术是发展和推广的重点项目.

这些技术有：

(1)普及应用可编程序控制器(PLC)(2)广泛使用智能化调节器

(3)采用新型的DCS和FCS（4）FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠微机控制技术1．3．5微型计算机控制系统的发展趋势2．大力研究和发展智能控制系统

(1)分级递阶智能控制系统

(2)模糊控制系统

(3)专家控制系统

(4)学习控制系统随着多媒体计算机和人工智能计算机的发展，应用自动控制理论和智能控制技术来实现先进的计算机控制系统，必将大大推动科学技术的进步和提高工业自动化系统的水平。微机控制技术1．3．5微型计算机控制系统的发展趋势3．单片机的应用将更加深入随着电子技术的发展，单片机的功能将更加完善，因而单片机的应用也更加普及。单片机的应用将深入到人们的各个领域，将成为智能化仪器、中、小型控制系统应用最多的一种微型计算机。计算机发展迅速，以计算机为主体有的控制技术日新月异。微机控制技术第二章模拟量输入/输出通道的接口技术前言2.1多路开关及采样-保持器

2.2模拟量输出通道的接口技术

2.3模拟量输入通道接口技术第二章模拟量输入/输出通道的接口技术

在微型机控制系统与智能化仪器中被测物理量多为模拟量，而计算机只能接收数字量。在检测/控制系统中必须先把传感器输出的模拟量转换成数字量，才能送到计算机进行数据处理，实现控制或显示。能够变模拟量为数字量的器件称作模/数转换器（简称A/D转换器）。微机控制技术第二章模拟量输入/输出通道的接口技术经计算机处理后的以数字量输出。大多数执行机构只能接收模拟量。（如电动执行机构、气动执行机构以及直流电机等）必须把数字量变成模拟量即完成数/模转换（简称D/A转换）。可见:A/D、D/A转换是微型机接收、处理、控制模拟量参数过程中必不可少的环节。微机控制技术2．1多路开关及采样／保持器

多路开关、采样/保持器是微型机控制系统的重要元件，是计算机进行多路控制、采集数据必不可少的组成部分。本节主要介绍他们的原理及应用。微机控制技术2．1多路开关及采样／保持器

2．1．1多路开关

2．1．2采样／保持器微机控制技术

2．1．1多路开关多路开关的主要用途

(1)把多个模拟量参数分时地接通送入A/D转换器即完成多到一的转换。称为多路开关。

(2)把经计算机处理后输出且由D/A转换器转换成的模拟信号按顺序输出到不同的控制回路/外部设备，即完成一到多的转换。称多路分配器或反多路开关。微机控制技术

2．1．1多路开关2.多路开关的种类：(1)单向多路开关，如AD7501（8路），AD7506（16路）。(2)双向多路开关，如CD4051（8路），CD4067（16路）。(3)差动输入多路开关如CD4052(双4通道),CD4053(三重二通道)CD4097(双8通道)。(4)多路输入/多路数出矩阵多路开关如8816（16入8出）等。微机控制技术

2．1．1多路开关3.半导体多路开关（1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排（2）直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；（4）可采用正或负双极性输入；（5）转换速度快，通常导通/关断时间为1μs

有些产品已达到几十～几百ns。（6）寿命长，无机械磨损；（7）接通电阻低，一般小于100Ω,有的可达几个Ω。（8）断开电阻高，通常达109Ω以上。

微机控制技术广泛应用

2．1．1多路开关1.CD40512.CD4067B/CD4097B3.多路开关的扩展微机控制技术1.CD4051

微机控制技术图2-1CD4051

原理电路图01001.CD40511.CD40510001

1.CD4051（1）CD4051的组成：

①逻辑转换单元完成TTL到CMOS的转换。输入电平范围大:数字量为3～15V，模拟量可达15VP-P。②二进制3：8译码器对选择输入端C、B、A的状态进行译码，以控制所选电路TG的开/关，使某一路开关接通，将输入和输出通道接口。③电子开关TG

用来接通或断开输入/输出通道。

微机控制技术±15V1.CD4051（2）控制原理

①禁止输入端INH②3个通道选择输入端C、B、AC、B、A的信号编码用来选择8个通道之一被接通。微机控制技术INH接高电平所有通道全部断开1.CD4051（3）用法

①用作多路开关

8进1出②用作分路路开关

1进8出微机控制技术改变C、B、A的值,改变接通的通道1.CD4051表2-2CD4051真值表输入状态接通通道INHCBACD405100000#00011#00102#……01117#微机控制技术2.CD4067B/CD4097B2.CD4067B/CD4097B CD4067B和CD4097B相比:

·

相同:原理基本，

·

不同:CD4067B单16路，双向、

4个选择控制端:D、C、B、ACD4097B双8路，双向、

3个选择控制端:C、B、A

CD4051单8路，双向、

3个选择控制端:C、B、A微机控制技术2.CD4067B/CD4097B110102.CD4067B/CD4097B矩阵式多路开关（补充）INOUT输入选择输出选择可将一个输入信号传至到任选输出通道3.多路开关的扩展3.多路开关的扩展

（1）由于被测参数多，应用中需要扩展。（2）作法：

·

将两个多路开关串联可成倍增加路数。

·

采用译码器可组成通路更多的多路开关。微机控制技术3.多路开关的扩展

（2）扩展方法输入通道:不变，只是把2#CD4051的8个通道编号为8—15。输出通道:把两个CD4051的OUT/IN并联。通道选择控制管脚C、B、A同名并联，并分别接到D2、D1和D0。禁止端:用做两个CD4051的选择控制，由D3控制。当D3=0时，1#CD4051工作，2#截止。当D3=1时，正好相反。微机控制技术3.多路开关的扩展

由于两个多路开关只有两种状态，1#

多路开关工作，2#

就得停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址（或数据）总线。微机控制技术3.多路开关的扩展微机控制技术图2-4CD4051的扩展电路

（3）扩展电路由两个CD4051构成的16通道多路开关OUT/IN端连在一起两片IN端并联两片IN端串联非门100103.多路开关的扩展（3）工作原理图2-8中，改变数据总线D2~D0（或地址总线A2～A0）的状态即可得到分别选择IN7～IN0的8个通道之一。D3用来控制两个多路开关的INH输入端的电平。其真值表，如表3-4所示。微机控制技术3.多路开关的扩展INHCBA接通通道00000#00011#00102#……01117#10008#10019#101010#……111115#微机控制技术（3）真值表·INH为0：选通1#芯片（1N0～IN7）·INH为1：选通2#芯片（IN8~IN15）·

在INH为0的前提下，由

C、B、A的编码决定被选通的通道。3.多路开关的扩展※若需要通道数很多，可通过译码器控制CD4051的控制端INH，把多个CD4051芯片组合起来，构成更多通道或差动输入系统。

※对于其它多路开关芯片同样适用。微机控制技术讨论2．1．2

采样／保持器

1．采样／保持器的用途2．采样／保持器工作原理3．常用采样／保持器微机控制技术1．采样／保持器的用途1．采样／保持器（Sample/Hold）的用途（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换；（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；（4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。微机控制技术2．采样／保持器工作原理2．采样／保持器工作原理（1）S／H有两种工作方式：①采样方式采样／保持器的输出跟随模拟量输入电压。②保持方式采样／保持器的输出保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消（即再度接到采样命令）时为止。。微机控制技术2．采样／保持器工作原理微机控制技术图2-9描述上述采样／保持过程的示意曲线图3．常用采样／保持器3．常用采样／保持器

·AD公司

AD582、AD585、AD346、AD389、ADSHC—85。

·

国家半导体公司

LF198/298/398等。微机控制技术3．常用采样／保持器（1）LF198/298/398的结构

·

结构由双极型绝缘栅场效应管组成（低偏差电压和宽频带）使用一个单独的端子实现输人偏置电压的调整，

·

特点采样速度快，保持下降速度慢，精度高等特点。允许带宽1MHz，输入电阻为1010Ω。作为单一的放大器时，其电流增益精度为0.002％，采样时间小于6μs时，精度可达0.01％。微机控制技术3．常用采样／保持器

当保持电容为1μF时，其下降速度为5mV／min。结型场效应管与MOS电路相比：抗干扰能力强，且不受温度影响。设计保证，即使是在输入信号等于电源电压时，也可以将输入馈送到输出端。

LF198的逻辑输入全部为具有低输入电流的差动输入允许直接与TTL、PMOS、CMOS电平相连。其门限值为1.4V。

LF198供电电源可以从5V到18V。微机控制技术3．常用采样／保持器

图2-6LF198LF298LF398原理图微机控制技术3．常用采样／保持器（2）LF198／LF298／LF398芯片引脚功能

·

VIN：模拟量电压输入；

·

VOUT：模拟量电压输出；

·

逻辑、逻辑参考：控制S/H的工作方式。引脚8

接高电平，采样低电平，保持。

·

偏置（OFFSET）：可用外接电阻调整S/H的偏差

·

CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。

·

V+、V-：电源引脚。电源变化范围为5V到10V。

微机控制技术2．2D／A转换器及其接口技术

典型的微型机控制系统由模拟量输入通道、微型机、模拟量输出通道组成其中：

·

模拟量输入通道主要完成模拟量（Analog）到数字量（Digital）的转换。

·

微型机主要完成数据处理、控制量计算、输出等。

·

模拟量输出通道主要完成数字量（Digital）到模拟量（Analog）的转换D/A转换器分类1.按D/A转换器输出方式分类电流输出型：如DAC0832，AD7522等。电压输出型：如AD558，AD7224等。(单极性输出、双极性输出)。2.按输入数字量位数分类有8位、10位、12位和16位等。3.结构:

双D/A（AD7528）、4通道D/A（AD7226）转换器串行D/A转换器（DAC80）等。4.其它:

直接接收BCD码（如AD7525）。直接输出4～20mA标准电流的D/A转换器（如AD1420/1422）。2．2D／A转换器及其接口技术2.2.18位D/A转换器及其接口技术2.2.2高于8位的D/A转换器及其接口技术2．2.18位D／A转换器及其接口技术

1．普通型D/A转换器DAC08322．D/A转换器的输出方式3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计

微机控制技术1．普通型D/A转换器DAC0832

1．普通型D/A转换器DAC0832

·

美国数据公司产品，8位D/A转换器。

·

与CPU完全兼容。

·

采用CMOS工艺:功耗低，输出漏电流误差较小。

·

特殊的电路结构可与TTL逻辑输入电平兼容。微机控制技术1．普通型D/A转换器DAC0832微机控制技术（1）DAC0832的结构及原理图2-7

②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1

（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1

（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1

（2）LE（2）=WR2×1．普通型D/A转换器DAC0832微机控制技术①内部结构二级缓冲，一级转换，逻辑电路图2-14中，为寄存器命令。当＝l时，寄存器的输出随输入而变化；＝0时，数据被锁存在寄存器中。②寄存器命令控制（1）LE（1）=ILE×CS×WR1

（2）LE（2）=WR2×②寄存器命令控制（1）（8位数据锁存器控制8位DAC寄存器控制根据不同的接法，可将DAC0832设计成单缓冲、双缓冲、直通三种工作方式②寄存器命令控制（1）（②寄存器命令控制（1）（②寄存器命令控制（1）（1．普通型D/A转换器DAC0832（2）DAC0832的引脚功能①数据

·D7～D0：数字量输入

·IOUT1：DAC电流输出1。

·IOUT2：DAC电流输出2。②控制

·CS：片选信号

·ILE：输人锁存允许信号

·WR1：输入锁存器写选通信号

·WR2:DAC寄存器写选通信号

·XFER：数据传送控制信号

·Rfb:反馈电阻微机控制技术D7～D0=0FFHIOUT1

输出最大值D7～D0=00HIOUT1

输出为0IOUT2=常数-IOUT1采用单极性输出时，IOUT2

接地为外部运算放大器提供反馈电阻（可用片内电阻/外接电阻）1．普通型D/A转换器DAC0832·VREF：参考电压输入线。要求外接一精密电源。当VREF为±10V(或±5V)时，可获得满量程四象限的可乘操作。微机控制技术输出电压的极性两者符号之积输出电压的数值取决于输入的数字量1．普通型D/A转换器DAC0832③电源与地

·Vcc：数字电路供电电压，一般为+5V~+15V。

·AGND：模拟地。

·DGND：数字地。两种不同性质的地，应单独连接，但在一般情况下，最后总有一点接在一起，以提高抗干扰的能力。微机控制技术2．D/A转换器的输出方式2．D/A转换器的输出方式

（1）电压输出外接一级运算放大器，构成单极性电压输出；（图2-8）外接两级运算放大器，构成双极性电压输出。（图2-9）（2）电流输出直接输出电流。微机控制技术2．D/A转换器的输出方式微机控制技术图2-8DAC0832单极性电压输出电路P29极性与VREF反相；数值与输入数字量相关VREF可接：±5V±10V

微机控制技术图2-9DAC0832双极性电压输出电路P30VOUT2=-[R3

×I3]=-[R3×(I1+I2)]∑I32．D/A转换器的输出方式注意：①Vout1与VREF反相②Vout2与输入反相③R1=2R，R2=R，R3=2R

图2-9可求出D/A

转换器的总输出电压微机控制技术（2-1）代入R1、R2、R3的值，可得2．D/A转换器的输出方式设VREF=+5V，则由式（2-1）可得出：当VOUT1=0V时，VOUT2=-5V；

VOUT1=-2.5V时，VOUT2=0V；

VOUT1=-5V时，VOUT2=+5V。微机控制技术双极性输出时输入数字量与输出模拟量之间的关系见表2-7P302．D/A转换器的输出方式设VREF=+5V，则由式（2-1）可得出：D7

…D0VOUT1VOUT2000000000V-5V10000000-2.5V0V11111111-5V+5V。微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计包括三个方面：（1）数字量输入（2）模拟量输出（3）外部控制信号的连接微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计（1）数字量输入端的连接考虑两个问题：①位数

D/A转换器的位数是否与微型机匹配？匹配，可直接连接；不匹配，可将数字量分批传送。

②

D/A转换器的内部是否设有输入锁存器？若没有，须在CPU与D/A转换器之间增设锁存器；若有，则可直接连接。微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计（2）外部控制信号的连接①片选信号，由地址线经译码器控制。②写信号，由微型机的信号控制。③启动信号，启动信号常为片选及写信号的合成。④参考电平，由输出极性决定。微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计（3）D/A转换器与微型机的接口及程序设计应用举例

8位D/A

转换器与8031单片机的接口。

选用DAC0832，分析：

·

数据位数

·

单极性电压输出

·DAC0832内部含有两极数字量锁存器，直接与

8031接口。

微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计图2.10含锁存器的D/A转换器与单片机的连接微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计

图2.10中，DAC0832工作于双缓冲方式：用P2.1控制，用P2.0

控制，信号同时控制和。锁存允许信号ILE接高电平。微机控制技术分析：LE（1）=CS&WR1&ILELE（2）=WR2&分析：LE（1）=CS&WR1&ILELE（2）=WR2&①执行MOVX@DPTR,A中LE(1)=1,指令执行完毕，LE(1)=0P2.1=0P2.0=1②执行MOVX@DPTR,A中LE(1)=1,指令执行完毕，LE(1)=0P2.1=0P2.0=13.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计

设:第一级地址为0FDFFH，第二级地址为0FEFFH，则完成图2.10所示的D/A转换程序为：

START：MOVDPTR，#0FDFFH；建立D/A转换器地址指针

MOVA，#nnH；待转换的数字量送AMOVX@DPTR，A；输出D/A转换数字量

INCDPH；求第二级地址

MOVX@DPTR，A；完成D/A转换微机控制技术3.8位D/A转换器与微型机的接口及程序设计

图2.10加以改动:

·

将P2.0接到和两个控制端，P2.1不用，即可实现单缓冲方式。

·

只要执行上述程序段中的前3条指令，便可同时打开两级数据寄存器，完成D/A

转换。

·

在无特殊要求时，尽量采用单缓冲形式。

·

只有在要求同时输入两个或两个以上数据的情况下，才需要采用两级缓冲的形式。微机控制技术单缓冲方式接线图2．2．2高于8位D/A转换器及其接口技术

增加D/A转换器的位数可提高转换精度，更高位数D/A转换器的原理与8位D/A

转换器基本一样,

不同的是在与微型机进行接口时，数据要分两次或三次输入。微机控制技术2．2．2高于8位D/A转换器及其接口技术1．12位D/A转换器AD6672.高于8位D/A转换器及其接口1．12位D/A转换器AD6671．12位D/A转换器AD667(图2.11) ①片内含两级数据输入锁存器，②建立时间短和精度高的特点。③总线逻辑由4个独立寻址的锁存器组成。分为两级，第一级:包括3个4位寄存器，第二级:12位D/A

转换器。

微机控制技术可以方便的与4位、8位、12位、16位微型机接口避免产生虚假的模拟量输出1．12位D/A转换器AD667图2.11AD667的原理结构图微机控制技术1．12位D/A转换器AD667表2.7AD667真值表A1A2A3A4操作1××××无操作×1111无操作01110选通第一级低四位寄存器01101选通第一级中四位寄存器01011选通第一级高四位寄存器00111从第一级向第二级置数00000所有锁存器均透明微机控制技术允许两个及以上寄存器同时被选通A1A2A3A4操作1××××无操作×1111无操作01110选通第一级低四位寄存器01101选通第一级中四位寄存器01011选通第一级高四位寄存器00111从第一级向第二级置数00000所有锁存器均透明2.高于8位D/A转换器及其接口2.高于8位D/A转换器及其接口

【例】以AD667为例介绍12位D/A转换器与8031的接口连接及程序设计的方法。

微机控制技术2.高于8位D/A转换器及其接口图2.1212位D/A转换器AD667与8031的接口

微机控制技术2.高于8位D/A转换器及其接口（1）硬件电路设计

·AD667由两级缓冲器组成。8031为8位机。待转换的数字量分低8位和高4位两步传入AD667。

·

由P2口产生的高8位地址信息,

经74LS138产生AD667的片选信号由P2.1、P2.0控制输入寄存器的选通信号。微机控制技术·

各寄存器的地址分析

G1CBAP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.010000001

低8位寄存器╰—

……—╯10高4位和12位D/ A转换器

2.高于8位D/A转换器及其接口（2）软件设计

·

地址确定将低8位地址设为0FFH

则AD667的地址为81FFH和82FFH。

·

将数据分批传送:

先将待传送的数据按照要求的格式排列好，并存放在以DATA为首地址的内部RAM中。

·

编程微机控制技术2.高于8位D/A转换器及其接口图2.12所示的12位D/A转换程序：MOVR0，#DATA；建立数据存放地址指针MOVDPTR，#81FFH ；建立D/A地址指针MOVA，@R0MOVX@DPTR，A ；传送低8位数据INCDPH；修改D/A地址INCR0；指向高4位数据存放的RAM单元MOVA，@R0；取高4位数据MOVX@DPTR，A ；传送高4位数据及进行12位D/A转换微机控制技术2.3模拟量输入通道接口技术

模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够将模拟量转换成数字量称为模一数转换器， 简称A／D转换器。微机控制技术2.3模拟量输入通道接口技术A／D转换器的种类:（1）按转换原理分①计数器式结构简单，转换速度慢，现在基本不用。②双积分式精度高，抗干扰能力强，但速度较慢，常用于数字电压表。③逐次逼近型速度较快，结构比较简单，是计算机系统中应用最多的一种。④并行A/D

速度最快，但结构复杂，价钱贵，一般用于军事。微机控