微机电力自动装置原理第6章自动低频减载课件

第六章电力系统自动低频减载及其他安全自动控制装置6.1概述6.2自动低频减载6.3其他安全装置1

6.1概述

6.1.1电力系统自动低频减载的含义电网出现严重故障时,所以发电机都满负荷发电也依然不能满足功率缺额条件下,电网频率不断往下掉.即出现低频的情况发生，.电力系统自动控制装置一检测到出现低频的情况，立即将部分用户的电拉掉断电。称为电力系统自动低频减载。例如：一般情况小发电厂A,向系统B输送的功率为PA。出现事故的情况有二：(1)当发电厂A发生故障时，使系统B的发电功率少了PA，若系统B运行机组的备用容量远小于PA，则造成电网严重的功率缺额，引起电网频率大幅度降低。如果不及时采取果断措施，切除部分负荷。将影响的安全运行或造成整个电网系统崩溃的危险。

2（2）设双回输电线路传输的功率为PA比较交大，当其中一回路发生三相短路时，继电器保护装置正确动作，将故障电路拆除。但是由于输送的功率PA已经超出一回路运行的暂态稳定极限功率，如不及时减少传输功率，则可能由于系统稳定遭到破坏而导致系统解列，同样会造成受端B系统更严重的缺电，使系统遭到破坏。可见：当发生第一种事故如能迅速切除系统B部分负荷；发生第二种事故时如能迅速减少输送功率，就可以避事故的扩大。这只能靠自动低频减载装置来完成。3第二节自动低频减载一、概述A、电力系统故障造成功率缺少很大，频率降低很多时，如不及时处理，会带来的危害？1、汽轮机叶片发生共振而引起断裂。称机械破坏。f<45HZ2、当系统故障造成功率缺少很大，频率降低很多时，f<45~47HZ时，水泵汽泵转速下降，发电机转速下降，发电机输出电压下降。还不断往下掉，将使发电机运行遭到破坏，而造成频率崩溃现象。3、系统故障造成功率缺少很大，频率降低很多时，励磁机、发电机等的转速相应降低，发电机输出电压降低，和电动机转速也降低增加了系统无功的不足使电压水平不断下降，频率下降，一旦频率下降到45~45HZ，中枢电压下降到某临界值时将出现电压崩溃现象。4、系统崩溃瓦解电力系统功率缺少，频率下降，水泵汽泵转速下降，发电机转速下降，发电机输出电压下降。系统功率进一步减少---系统电压、频率进一步下降。中枢点上电压低于某临界值。出现电压崩溃后，不补救，系统就会崩溃瓦解。5问题1、什么叫频率崩溃现象？电力系统功率缺少，频率下降，水泵汽泵转速下降，发电机转速下降，发电机输出电压下降。功率进一步减少---系统电压、频率进一步下降到47~48HZ。中枢点上频率低于某临界值。系统频率就崩溃瓦解。问题、什么叫电压崩溃现象？电力系统功率缺少，频率下降，水泵汽泵转速下降，发电机转速下降，发电机输出电压下降。系统功率进一步减少---系统电压下降、频率进一步下降到45~46HZ。系统电压就崩溃瓦解。最巨后产生大面积停电事故。

6二、电力系统频率静态特性

1、电力系统负荷的频率静态特性的含义电力系统频率静态特性是指由于电力系统功率的缺少△Ph，频率就降低△f，首先是负载本身的负荷调频效应----少吸收功率△PL。若电力系统功率的缺少△Ph不太严重，负载本身的负荷调频效应----少吸收功率△PL=系统功率的缺少△Ph。且能与发电机所发出的功率保持平衡。即定义电力系统功率的缺额△Ph的多少所所对应的频率下降量△f，称为电力系统负荷的频率静态特性。73、电力系统频率静态特性的计算示例例6-1已知：机组总额定容量为450MW，系统中负荷功率为430MW，负荷调节系数KL*=1.5，发生事故时突然切除额定容量100MW的发电机组，如不采取措施，求事故下的稳态频率值。解：9

三、电力系统频率动态特性1、电力系统频率动态特性的含义电力系统受到干扰过程中，系统各节点频率随时间的变化---fx(t),称为电力系统频率动态特性。或者为电力系统由于有功功率遭到破坏，而引起系统频率发生变化。频率从正常稳定态过渡到另外一个稳定态。所经历的过程。用fx(t)表示。2、电力系统频率动态特性的特点：（1）在扰动过程中，各母线电压的相角变化不同，所以各母线电压的频率fi不同。fi=fx+△f,（2）用fx(t)=fi-△f表示电力系统频率动态特性（3）频率从正常稳定态过渡到另外一个稳定态，所经历的过程主要决定于缺少功率的多少和系统中所有转动部分的机械惯性的大小（包括汽轮机、发电机同步补赏机、电动机及拖动机械等）。103、同步发电机的惯性与电力系统频率动态特性的关系4、电力系统频率动态特性fx(t)的求解忽略负载负载机械拖动机械的转动惯量的影响。只考虑发电机组转动惯量在频率调节的作用。将电力系统等值于发电机组11（2）电力系统频率变化等值机组的运动方程，同理可写为：135、电力系统频率动态特性曲线图由△f随时间t的变化方程，画出其特性曲线，如图6-2所示。146、

图6.-3系统频率动态曲线分析（1）电力系统当产生功率缺口时若不加调节，系统频率fx将随时间t指数地减小。如a,b俩条曲线。（2）当系统自动低频减载，但是减载功率小于功率缺口时，曲线如e所示，最后会趋于新的平衡fb(~)。但是频率不能恢复到额定值fe。（3）当系统自动低频减载，但是减载功率大于功率缺口时，曲线如c所示,系统频率会恢复到额定频率fe.----这就是系统自动低频减载的原理所在。152、假设正常运行时，系统负荷为PLN，额定频率fN与恢复到的频率之差为△f，最大断开功率△PLmax,最大缺少功率△Phmax,于是有：

17

解：希望恢复频率的标么值为：18（二）自动低频减载装置的工作顺序A、规则：对于各种可能发生的事故都要求自动低频减载装置能作出恰当的反应。切除相应的负荷，既不能过多也不能过少，只有分批切除，以适应不同功率缺额的需要。所以根据启动频率的不同，低频减载可以分若干级，也就是若干轮。B、如何确定自动低频减载装置的工作级数？（1）选择第一级启动频率f1.他在48。5~49HZ之间。（2）选择第末级频率fn.他在46~46。5HZ之间。（3）频率级差数n的确定：n=(f1-fn)/△f+119（3）按选择性确定级差的操作A、要考虑的因素：测量误差，时间段内的频率变化量，频率的裕量等：所以：有21

（四）每级切除负荷的限制1、为什么要限制？因为切除过多会使频率恢复过高，高于额定值。这样也不能稳定系统频率，所以每级切除的负荷应受到恢复频率的限制。22

2、每级切除负荷的计算

23五、自动低频减载装置

（一）装置原理接线-----图6-61、由：电力系统+变电站+自动低频减载装置等组成。2、自动低频减载装置由：f---低频继电器+△t延时单元+EX跳闸执行单元（每个单元管不同的功率）等组成。3、f---低频继电器：有模拟式和数字式俩种。数字式的见图6-8、6-9。他由三个频率测量单元，可分别完成高频监视，低频闭锁，低频启动等功能。25266.2.28288总线控制器使用举例图6.10是一个利用8288总线控制器构成系统总线的简化图。29图6.10利用8288构成系统总线306.3总线裁决器8289

6.3.18289引线及简单功能说明总线裁决器8289引线如图6.11所示。8289的20条引线分成如图所示的几类。31图6.11总线裁决器8289引线图32为由处理器来的处理器状态信号。为锁定信号。为通用请求锁定信号。RESB和这两个输入信号根据输入电平不同可组合成多种不同的工作方式。如表6.1所示。CLK为输入裁决器的时钟,通常由时钟发生器的CLK端提供。ANYRQST为任意请求信号。为忙信号。为通用总线请求信号。3334为地址允许信号。为系统总线/保留总线选择输入信号。356.3.2优先级控制及工作方式1.优先级控制主要有如下几种:(1)并行优先级控制并行优先级控制如图6.12所示。(2)串行优先级控制8289串行优先级控制如图6.13所示。由1号8289到3号8289的优先级依次降低。

36图6.12并行优先级控制37图6.13串行优先级控制382.8289的工作方式前面已经提到,8289有4种工作方式。(1)IOB方式(2)保留总线方式(3)单总线方式(4)IOB与保留混合方式396.4可编程并行接口82556.4.1外部引线及内部结构1.外部引线8255的外部引线如图6.14所示。D0~D7为双向数据信号线,用来传送数据和控制字。为读信号线,与其他信号线一起实现对8255接口的读操作。40为写信号线,与其他信号一起实现对8255的写操作,通常接系统总线的。为片选信号线,当它为低电平(有效)时,才能选中该8255芯片,也才能对8255进行操作。A0,A1为口地址选择信号线。RESET为复位输入信号。PA0~PA7为A口的8条输入输出信号线。PC0~PC78条线根据其工作方式可作为数据的输入或输出线,也可以用作控制信号的输出或状态信号的输入线,具体情况将在本节后面做介绍。41图6.14可编程并行接口8255引线图422.内部结构8255的内部结构框图如图6.15所示。从图6.15中可以看到,左边的信号与系统总线相接，而右边是与外设相连接的3个口。3个口均为8位。为了控制方便,将8255的3个口分成A,B两组。其中A组包括A口的8条线PA0~PA7和C口的高4位PC4~PC7。B组包括B口的8条线PB0~PB7和C口的低4位PC0~PC3。A组和B组分别由软件编程来加以控制。

43图6.158255的内部结构框图446.4.28255的工作方式8255有3种工作方式。这些工作方式可用软件编程来指定。这里我们首先对每一种工作方式进行说明。1.工作方式0,又称为基本输入输出方式在此方式下,可分别将A口的8条线、B口的8条线、C口高4位对应的4条线和C口低4位对应的4条线定义为输入或输出。45表6.28255方式0之下的输入输出组合462.工作方式1,即选通输入输出方式在这种方式下,A口和B口仍作为数据的输出口或输入口,同时还要利用C口的某些位作为控制和状态信号。(1)方式1下A口、B口均为输出①为输出缓冲器满信号,低电平有效。②为外设响应信号,低电平有效。③INTR为中断请求信号,高电平有效。④INTE为中断允许状态。47图6.16方式1下,A、B口均为输出的信号定义48图6.17方式1下的数据输出时序49(2)方式1下A口、B口均为输入与方式1下两口均为输出类似,为实现选通输入,则同样要利用C口的信号线。其定义如图6.18所示。在口为输入时所用到的控制信号的定义如下:①为低电平有效的输入选通信号。②IBF为高电平有效的输入缓冲器满信号。③INTR为中断请求信号,高电平有效。④INTE为中断允许状态。50图6.18方式1下A、B口均为输入时的信号定义51523.工作方式2,又称双向输入输出方式A口工作于方式2之下时,各信号的定义如图6.20所示。图中未画B口和C口的其他引线。当A口工作在方式2时,其控制信号、、、IBF及INTR与前面的叙述是一样的,所不同的主要是:①因为在方式2之下,A口既作为输出又作为输入,因此,只有当有效时,才能打开A口输出数据三态门,使数据由PA0~PA7输出。53②此时A口输入、输出均具备锁存数据的能力。③在这种方式下,A口的数据输入或数据输出均可引起中断。54图6.20方式2下的信号定义55图6.21方式2下的时序图566.4.3方式控制字及状态字1.控制字8255的控制字由8位二进制数构成,各位的控制功能如图6.22所示。2.状态字当8255的A口、B口工作在方式1或A口工作在方式2时,通过读C口的状态,可以检测A口和B口的状态。57图6.228255的控制字格式58图6.23C口的按位操作控制字格式59图6.24A、B口均为方式1输入时的状态字60图6.25A、B口均为方式1输出时的状态字61图6.26A口在方式2工作时的状态字626.4.48255的寻址及连接使用8255占外设编址的4个地址,即A口、B口、C口和控制寄存器各占一个外设接口地址。对同一个地址分别可以进行读写操作。根据这种寻址结构,可以方便地将8255连接到系统总线上,如图6.27上所示。由图6.27可见,8255与8088总线连接是比较容易的。只是图中为了简化起见未画出AEN的形成。63表6.38255的寻址64图6.27PC机中8255的连接65利用全部A0~A15地址线连接两片8255构成外设接口,其连接图如图6.28所示。由图中的译码电路可以看到,两片8255的接口地址分别为FBC0H~FBC3H和FBC4H~FBC7H。66图6.288255连接到8088系统总线上67图6.298255与打印机的连接68图6.30打印机的工作时序696.4.5初始化及应用举例8255可编程接口芯片的初始化十分简单,只要将控制字写入8255的控制寄存器即可实现。INIT55:MOVDX,0383HMOVAL,10000011BOUTDX,ALMOVAL,00001101BOUTDX,AL70若利用此打印机接口打印一批字符,且字符串长度在当前数据段的BLAK单元中,要打印的字符在由DATA单元开始的当前数据段中顺序排列,则打印程序如下:PRINT:MOVAL,BLAKMOVCL,ALMOVSI,OFFSETDATAGOON:MOVDX,0382HPWAIT:INAL,DXANDAL,02HJNZPWAIT;等待不忙71MOVAL,［SI］MOVDX,0380HOUTDX,AL;送数据MOVDX,0382HMOVAL,00HOUTDX,ALMOVAL,40HOUTDX,AL;送脉冲INCSIDECCLJNZGOONRET72若利用图6.27所示的8255的接口地址,在方式1下,8255与打印机的连接图如图6.31所示。如图6.30所示,打印机接收一个字符后,会送出一个低电平的响应信号。

73图6.318255与打印机的另一种连接74下面就是对8255进行初始化的程序:MOVDX,0383HMOVAL,10100000BOUTDX,ALMOVAL,00001101BOUTDX,AL75定时与计数

定时或计数的工作实质均体现为对脉冲信号的计数。如果计数的对象是标准的内部时钟信号，由于其周期恒定，故计数值就恒定地对应于一定的时间，这一过程即为定时。如果计数的对象是与外部过程相对应的脉冲信号（周期可以不相等），则此时即为计数。76定时与计数的实现方法

硬件法：专门设计一套电路实现定时与计数，特点是需要花费一定硬设备，而且电路制成之后，定时值及计数范围不能改变。软件法：利用一段延时子程序来实现定时操作，特点，无需太多的硬设备，控制比较方便，但在定时期间，CPU不能从事其它工作，降低了机器的利用率。

软、硬件结合法：设计专门的具有可编程特性的芯片来控制定时和计数的操作，而这些芯片具有中断控制能力，定时、计数到时能产生中断请求信号，因而定时期间不影响CPU的正常工作。

77定时/计数器芯片8253Intel8253是8086/8088微机系统常用的定时/计数器芯片；具有定时与计数两大功能；同类型的定时/计数器芯片还有Intel8254等。

788253的一般性能概述1、每个8253芯片有3个独立的16位计数器通道；2、每个计数器通道都可以按照二进制或二—十进制计数；3、每个计数器的计数速率可以高达2MHz；4、每个通道有6种工作方式，可以由程序设定和改变；5、所有的输入、输出电平都与TTL兼容；798253内部结构：数据总线缓冲器

8253内部实现与CPU数据总线连接的8位双向三态缓冲器用以传送CPU向8253的控制信息数据信息以及CPU从8253读取的状态信息，包括某一时刻的实时计数值。

808253内部结构：读/写控制逻辑控制8253的片选及对内部相关寄存器的读/写操作，它接收CPU发来的地址信号以实现片选、内部通道选择以及对读/写操作进行控制。

818253内部结构：控制字寄存器在8253的初始化编程时，由CPU写入控制字，以决定通道的工作方式，此寄存器只能写入，不能读出。

828253内部结构：计数通道0#、1#、2#三个独立的、结构相同的计数器/定时器通道；每个通道包含一个16位计数寄存器存放计数初始值；一个16位的减法计数器；一个16位的锁存器；838253内部结构：计数通道0#、1#、2#锁存器在计数器工作的过程中，跟随计数值的变化；接收到CPU的读计数值命令时，锁存计数值，供CPU读取；读取完毕之后，输出锁存器又跟随减1计数器变化。另外，计数器的值为0的状态，还反映在状态锁存器中，可供读取。

848253的外部引脚8253芯片的24个引脚分为两组，一组面向CPU，另一组面向外部设备

858253的外部引脚86D0~D7双向数据线,用以传送数据和控制字。

输入信号,低电平有效。读控制信号,低电平有效。写控制信号,低电平有效。87A0、A1为8253的内部计数器和一个控制寄存器的编码选择信号,其功能如下:A1A000可选择计数器001可选择计数器110可选择计数器211可选择控制寄存器A0、A1与其他控制信号,如共同实现对8253的寻址。88CLK0~2是每个计数器的时钟输入端。计数器对此时钟信号进行计数。CLK最高频率可达2MHz。GATE0~2门控信号,即计数器的控制输入信号,用来控制计数器的工作。OUT0~2计数器输出信号,用来产生不同方式工作时的输出波形。898253的工作方式8253共有6种工作方式；各方式下的工作状态不同；输出的波形也不同；其中比较灵活的是门控信号的作用。由此组成了8253丰富的工作方式、波形908253内部3个相同的16位计数器，均能以6种方式工作方式0(计数结束产生中断)计数器对CLK输入信号进行减法计数,每一个时钟周期计数器减1设定该方式后，计数器的输出OUT变低设置装入计数值时也使输出OUT变低计数减到0时，输出OUT变高，该输出信号可作为中断请求信号使用91方式0(续)在计数过程中可以改变计数值，若是8位计数，则写入新值后的下一个脉冲按新值计数；若是16位计数，则在写入第一个字节后，停止计数，写入第二个字节后的下一个脉冲按新值计数。在计数过程中，可由GATE信号控制暂停。当GATE＝0时，暂停计数；当GATE＝1时，继续计数；92方式1(可编程单稳)计数值装入计数器后,要由门控信号GATE上升沿启动计数，计数器的OUT输出低电平计数结束时，计数器的OUT输出高电平由OUT端得到从GATE上升沿开始，直到计数结束时的负脉冲若要再次获得所需宽度的负脉冲，可用GATE上升沿重新触发一次计数器93方式1(续)若在形成单个负脉冲的过程中改变计数值不会影响正在进行的计数。新的计数值只有在前面的负脉冲形成后,又出现GATE上升沿才起作用若在形成单个负脉冲的过程中又出现GATE上升沿，则当前计数停止，后面的计数以新装入的计数值开始工作，所得到的负脉冲的宽度将包括前面未未计完的部分94方式2(频率发生器)计数器装入初值，开始工作后,计数器的输出OUT将连续输出一个时钟周期宽的负脉冲，两负脉冲之间的时钟周期数就是计数器装入的计数初值GATE用做控制信号，当其为低电平时，强迫OUT输出高电平。当其为高时，分频继续进行计数周期应包括负脉冲所占的那一个时钟周期，即计数减到1时开始送出负脉冲计数过程中，若改变计数值，则不影响当前的计数过程，而在下一次分频时，采用新的计数值95方式3(方波发生器)这种方式可以从OUT得到对称的方波输出。当计数值N为偶数时，则前N/2计数过程中，OUT为高，后N/2计数过程中，OUT为低；当计数值N为奇数时，则前(N+1)/2计数过程中，OUT为高，后(N-1)/2计数过程中，OUT为低；GATE为低电平时，强迫OUT输出高电平；当GATE为高电平时，OUT输出对称方波产生方波过程中，若装入新的计数值，则方波的下一个电平将反映新计数值所规定的方波宽度96方式4(软件触发选通)设置此方式后,输出OUT立即变为高电平。一旦装入计数值,计数立即开始。计数结束时，OUT输出一个宽度为一个时钟周期的负脉冲，计数开始时刻不受GATE控制GATE为高电平时，计数才进行，GATE为低电平时，禁止计数若在计数过程中装入新的计数值，计数器从下一个时钟周期开始以新的计数值进行计数97方式5(硬件触发选通)设置此方式后,OUT输出为高电平。GATE的上升沿使计数开始。当计数结束时由输出端OUT送出一宽度为一个时钟周期的负脉冲在此方式下,GATE电平的高低不影响计数,计数由GATE的上升沿启动若在计数结束前,又出现GATE上升沿,则计数从头开始98从8253的6种工作方式中可以看到门控信号GATE十分重要,而且对不同的工作方式,其作用不一样。现将各种方式下,GATE的作用列于表6.4中。99表6.4GATE信号功能表1008253的控制字8253有一个8位的控制字寄存器，其格式如下：

1016.5.48253的寻址及连接1.寻址8253占用4个接口地址,地址由、A0、A1来确定。

102当对8253的计数器进行读操作时,可以读出计数值,具体实现方法有如下两种:①使计数器停止计数时,先写入控制字,规定好RL1和RL0的状态——也就是规定读一个字节还是读两个字节。②在计数过程中读计数值。这时读出当前的计数值并不影响计数器的工作。由于计数值是16位的，而读取的瞬时值，要分两次读取，故读取计数值之前，要用锁存命令，将相应通道的计数值锁存在锁存器中，然后分两次读入，先读低字节，后读高字节。当控制字中，D5、D4=00时，控制字的作用是将相应通道的计数值锁存的命令，锁存计数值在读取完成之后，自动解锁。

1032.连接为了用好8253,读者必须能熟练地将它连接到系统总线上。图6.35就是8253与8088系统总线连接的例子。

在图6.35中,主要解决了8253与8088总线的连接。通过译码器,使8253占FF04H~FF07H四个接口地址。假如在连接中采用了部分地址译码方式,使A0不参加译码,则8253的每一个计数器和控制寄存器分别占用两个接口地址。104图6.358253与8088系统总线的连接105图6.36PC机中8253的连接简图1068253的初始化编程

要使用8253，必须首先进行初始化编程，初始化编程包括设置通道控制字和送通道计数初值两个方面，控制字写入8253的控制字寄存器，而初始值则写入相应通道的计数寄存器中。

1078253的初始化编程初始化编程包括如下步骤：(1)写入通道控制字，规定通道的工作方式(2)写入计数值，若规定只写低8位，则高8位自动置0，若规定只写高8位，则低8位自动置0。若为16位计数值则分两次写入，先写低8位，后写高8位。D0：用于确定计数数制，0，二进制；1，BCD码

108有两种初始化顺序：①逐个对计数器进行初始化。

图6.37一个计数器的初始化顺序109摘录该段程序如下:MOVAL,36H;计数器0,双字节,;方式3,十六进制计数OUT43H,AL;写入控制寄存器MOVAL,0OUT40H,AL;写低字节OUT40H,AL;写高字节

110图6.38另一种初始化编程顺序②先写所有计数器的方式字,再装入各计数器的计数值,如图6.38所示。

111由于规定工作在方式3,在OUT0输出端可以获得对称方波。下面是对计数器1的初始化程序:MOVAL,54H;计数器1,只写低字节,方式2,二进制计数OUT43H,AL;写入控制寄存器MOVAL,18;将低字节计数值18写入计数器1OUT41H,AL112下面是对计数器2的初始化程序:MOVAL,0B6H;选择计数器2,写双字节,方式3,二进制计数OUT43H,AL;装入控制寄存器MOVAX,533HOUT42H,AL;送低字节MOVAL,AHOUT42H,AL;装入高字节113下面我们以图6.35所示的连接图为例,写出8253的初始化程序。请读者分析此程序的初始化顺序以及各计数器的工作方式。SET8253:MOVDX,0FF07HMOVAL,36HOUTDX,ALMOVAL,71HOUTDX,ALMOVAL,0B5HOUTDX,ALMOVDX,0FF04H114MOVAL,0A8HOUTDX,ALMOVAL,61HOUTDX,ALMOVDX,0FF05HMOVAL,00HOUTDX,ALMOVAL,02HOUTDX,ALMOVDX,0FF06HMOVAX,0050H115OUTDX,ALMOVAL,AHOUTDX,AL从以上的叙述中可以看到,8253在应用上具有很高的灵活性。通过对外部输入时钟信号的计数,可以达到计数和定时两种应用目的。116可编程串行接口8250串行接口与通信

数据通信分为并行通信与串行通信 并行通信：利用多条数据传输线将数据的各位同时传送。 特点：传输速度快，适用于短距离通信。117串行接口与通信

串行通信：利用一条传输线将数据一位一位地顺序传送。 特点：通信线路简单，成本低，适用于远距离通信，但传输速度慢。

118串行通信方式 串行通信分为同步通信(SYNC)与异步通信（ASYNC）两种方式。119异步通信及其协议 异步通信以一个字符为传输单位，通信中两字符间的时间间隔不固定，同一个字符中两个相邻位代码间的时间间隔固定。120 通信协议：通信双方约定的一些规则。 传送一个字符的信息格式：规定有起始位、数据位、奇偶校验位、停止位等121

起始位：逻辑”0”，表示传输字符的开始。 数据位：数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。从最低位开始传送，靠时钟定位。 奇偶校验位：校验数据传送的正确性。 停止位：一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位：表示当前线路上没有数据传送。122

波特率：表示每秒传送的二进制位数。 例：数据传送速率为120字符/秒，每一个字符为10位，则波特率为10×120＝1200波特。123

异步通信按字符传输，接收设备收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内和发送设备保持同步即可正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准。124同步串行通信 同步通信以一帧为传输单位，每帧包含多个字符。 通信过程中，每个字符间的时间间隔相等，且每个字符中各相邻位代码间的时间间隔也固定。125数据传送方式单工方式

半双工方式

全双工方式

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图6.40异步串行通信数据格式单工方式数据按照一个固定方向传送，即一方只能作为发送站，另一方只能作为接收站。半双工方式

每次只能一个站发送，另一个站接收。通信双方可轮流进行发送和接收。全双工方式允许通信双方同时进行发送和接收。需要两条传输线。

计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式。

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图6.40异步串行通信数据格式信号传输方式：基带传输方式和频带传输方式

基带传输方式：传输线路上直接传输未加调制的二进制信号。要求传送线的频带较宽，传输的数字信号是矩形波。基带传输方式仅适于近距离和速度较低的通信。

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图6.40异步串行通信数据格式频带传输方式：传输经过调制的模拟信号发送方用调制器把数字信号转换成模拟信号，接收方用解调器将收到的模拟信号转换成数字信号。实现调制和解调任务的装置称为调制解调器(MODEM)。采用频带传输时，通信双方各接一个调制解调器，将数字信号寄载在模拟信号(载波)上加以传输。通信线路可以是电话交换网，也可以是专用线。

129

图6.40异步串行通信数据格式常用调制方式：调幅、调频和调相

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图6.40异步串行通信数据格式串行接口标准

计算机或终端(数据终端设备DTE)的串行接口电路与调制解调器MODEM等(数据通信设备DCE)之间的连接标准。

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图6.40异步串行通信数据格式RS-232C标准

RS-232C是一种标准接口，D型插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器

132微机之间的串行通信按照RS-232C标准实现。如果使用电话线进行通信，计算机和MODEM之间的连线根据RS-232C标准连接

133RS-232C接口有25根连线，只有9个经常使用TXD（2）：发送数据线，输出。发送数据到MODEM。RXD（3）：接收数据线，输入。接收数据到计算机或终端。RTS（4）：请求发送，输出。计算机通过此引脚通知MODEM，要求发送数据。CTS（5）：允许发送，输入。发出CTS作为对RTS的回答，计算机才可以进行发送数据。134DSR（6）：数据装置就绪(即MODEM准备好)，输入。CD（8）：载波检测(接收线信号测定器)，输入。表示MODEM已与电话线路连接好。135如果通信线路是交换电话的一部分，则至少还需如下两个信号：RI（22）：振铃指示，输入。DTR（20）：数据终端就绪，输出。计算机收到RI信号以后，发出信号到MODEM作为应答，以建立通信链路。GND（7）：地136逻辑电平：RS-232C标准采用EIA电平，规定：“1”的逻辑电平位于-3V~-15v，“0”的逻辑电平位于+3V~+15V。

EIA电平与TTL电平完全不同，必须进行电平转换，MCl488完成TTL电平到EIA电平的转换，MCl489完成EIA电平到ITL电平的转换。

137可编程串行接口8250 8250的外部引线及内部结构简图138CS0,CS1,：输入片选信号A0,A1,A2：内部寄存器地址 ：地址选通信号。DISTR、CPU读寄存器选通信号。DOSTR,CPU写寄存器选通信号。RCLK为接收时钟信号。SIN为串行信号输入端。为清除发送信号。为请求发送信号。139数据终端准备好信号。数据装置准备好信号。接收线路信号检测信号。振铃指示信号。用户编程指定的输出端。CSOUT选片输出信号。DDIS为驱动器禁止信号。BAUDOUT为波特率输出。140INTR为中断请求输出信号。SOUT为串行输出信号。XTAL1、XTAL2为外部时钟端。D0~D7双向数据线。MR为主复位输入信号,高电平有效。141表6.6MR功能1422.8250的工作过程这里我们简要说明8250的工作过程。(1)发送数据CPU执行有关程序,可将要发送的数据写到8250的发送数据寄存器中(见图6.42)。(2)接收数据由通信对方来的数据在接收时钟RCLK作用下,通过SIN逐位进入接收移位寄存器。1433.内部寄存器现在介绍8250的一些内部寄存器。只有了解这些内部寄存器各位的功能,才能用好8250。我们介绍这些内部寄存器的出发点也在于此。以下10个内部寄存器与用户编程使用8250有关。

(1)通信控制字寄存器:一个8位的寄存器

确定数据格式，如数据位数、奇偶校验位及停止位等。144图6.43通信控制字145图6.44通信状态字(2)通信状态寄存器通信状态寄存器是一个8位寄存器:接收和发送数据的状态。146

D0为1时表示8250已接收到一个完整的字符,处理器可以从8250的接收数据寄存器中读取。D1是越限状态标志。D2为奇偶校验错标志。D3为结构错标志。D4为线路间断标志。D5为1时表示发送数据寄存器空。D6为1时表示发送移位寄存器中无数据。D7位恒为0。147(3)发送数据寄存器(4)接收数据寄存器(5)除数锁存器:

16位，由下式求出除数锁存器应锁存的除数:f外部时钟频率，F所需波特率除数148(6)中断允许寄存器图6.45中断允许字1497、中断标志寄存器:中断标志寄存器为8位,高5位为0,只用低3位作8250的中断标志。

8250包括4个中断源,优先级顺序如下:

接收器线路状态中断 接收数据寄存器满中断 发送数据寄存器空中断 modem状态中断

150中断标志字151(8)MODEM控制寄存器

8位的寄存器,用以控制MODEM或其他数字设备。D0位表示数据终端准备好。D1位为1时,8250的输出低电平,向MODEM发出请求发送信号,也以此来通知MODEM,串行接口8250已准备好。D2位和D3位分别用以控制8250的输出信号和152D4位用来控制循环检测,实现8250自测试。在D4=1,即自测试情况下,中断仍能进行。当D4=0时,8250正常工作。

153图6.48MODEM状态字(9)MODEM状态寄存器

MODEM状态寄存器用以提供MODEM或其他外设加到8250上的控制线的信号状态以及这些控制线的状态变化。MODEM状态寄存器的低4位分别对应CTS，DSR,RI和RLSD。当某位为1时，表示自上次读该寄存器之后，相应的输入信号状态已经改变。当某位为0时，表示相应的输入信号状态无改变。154该寄存器D4位的状态是输入信号反相之后的状态。在自测试时,该位的状态等于MODEM控制寄存器位的状态。此寄存器的D5位对应输入状态的反相,自测试时为的状态。D6位对应输入信号的反相,自测试时为OUT1的状态。D7位对应状态的反相,自测试时为OUT2的状态。1553.8250的寻址及连接8250内部有10个与我们编程使用有关的寄存器,利用选片CS0、CS1和可以选中8250。

利用片上的A0、A1、A2三条地址线最多可选择8个寄存器。再利用通信控制字的最高位可选中除数锁存器。有的寄存器只读或者只写，还可以利用读写信号加以选择。

8250占用7个接口地址。156表6.78250的寻址157图6.498250的连接1584.初始化及其应用8250初始化时,通常首先使通信控制字的D7=1,即使DLAB为1。在此条件下,将除数低8位和高8位分别写入8250内部的除数锁存器。然后再以不同的地址分别写入通信控制字、MODEM控制字及中断允许字等等。159图6.508250的初始化顺序160在图6.49中8250的地址为03F8H到03FFH。根据该图,对8250进行初始化的程序如下:

INT50:MOVDX,3FBHMOVAL,80HOUTDX,AL;将通信控制寄存器D7=1即DLAB=1MOVDX,3F8HMOVAL,60H

OUTDX,AL;锁存除数低8位INCDXMOVAL,0161OUTDX,AL;锁存除数高8位MOVDX,3FBHMOVAL,0AHOUTDX,AL;初始化通信控制寄存器MOVDX,3FCHMOVAL,03HOUTDX,AL;初始化MODEM控制器MOVDX,3F9HMOVAL,0OUTDX,AL;写中断允许寄存器162若采用查询方式发送数据,且要发送数据的字节数放在BX中,要发送的数据顺序存放在以SEDATA为首地址的内存区中,则发送数据的程序如下:SEDPG:MOVDX,3FDHLEASI,SEDATAWAITSE:INAL,DXTESTAL,20HJZWAITSEPUSHDXMOVDX,3F8HMOVAL,［SI］163OUTDX,ALPOPDXINCSIDECBXJNZWAITSE同样,在初始化后,可以利用查询方式实现数据的接收。下面是8250接收一个数据的程序:164REVPG:MOVDX,3FDHWAITRE:INAL,DXTESTAL,1EHJNZERRORTESTAL,01HJZWAITREMOVDX,3F8HINAL,DXANDAL,7FH165下面仍以图6.49所示的连接形式为例,说明利用中断方式,通过8250实现串行异步通信的过程。为了便于叙述,我们设想系统以查询方式发送数据,以中断方式接收数据,则对8250的初始化的程序如下:INISIR:MOVDX,3FBHMOVAL,80HOUTDX,AL;置DLAB=1MOVDX,3F8HMOVAL,0CH166OUTDX,ALMOVDX,3F9HMOVAL,0;置除数为000CH,规定波特率为9600波特OUTDX,ALMOVDX,3FBHMOVAL,0AHOUTDX,AL;初始化通信控制寄存器MOVDX,3FCHMOVAL,0BH167OUTDX,AL;初始化MODEM寄存器MOVDX,3F9HMOVAL,01HOUTDX,AL;初始化中断允许寄存器STI;允许接收数据寄存器满产生中断该程序对8250进行初始化,并在初始化完时(假如其他接口初始化在此之前)开中断。168接收中断服务程序可如下编写:RECVE:PUSHAXPUSHBXPUSHDXPUSHDSMOVDX,3FDHINAL,DXTESTAL,1EHJNZERRORMOVDX,3F8H

169INAL,DXANDAL,7FHMOVBX,OFFSETBUFFERMOV［BX］,ALMOVDX,INTRERMOVAL,20H;将EOI命令发给中断控制器8259OUTDX,ALPOPDSPOPDXPOPBXPOPAXSTIIRET170

6.7A/D及D/A变换器接口

6.7.1数字到模拟(D/A)变换器1.D/A变换器的基本原理及技术指标典型的D/A变换器芯片通常由模拟开关、权电阻网络、缓冲电路等组成,其框图如图6.54所示。171图6.54典型D/A变换器芯片的组成框图172D/A变换器的主要技术指标有:(1)分辨率分辨率表示D/A变换器的1个LSB(最低有效位)输入使输出变化的程度。(2)精度它表示由于D/A变换器的引入,使其输出和输入之间产生的误差。D/A变换器的误差主要由下面几部分组成:①非线性误差。②温度系数误差。173③电源波动误差。误差的表示方法有两种:绝对误差和相对误差。完整的D/A变换电路还应包括与D/A芯片输出相接的运算放大器。这些器件也会给D/A变换器带来误差。考虑到这些因素是相对独立的,因此D/A变换器的总精度如用均方误差来表示,则可写为:ε2总=ε2非线性+ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放标准差为ε总=ε2非线性+ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放(6―1)(6―2)174若某系统要求D/A变换电路的总误差必须小于0.1%。已知某D/A芯片的最大非线性误差为0.05%。那么根据式(6―1)可以确定,电源波动、温度漂移和运算放大器所引起的均方误差为ε2电源波动+ε2温度漂移+ε2运放=又假设,后三者是相等的,则经计算可得ε电源波动=ε温度漂移=ε运放=0.05%175(3)变换时间(4)动态范围2.典型的D/A变换器芯片举例(1)引线及其功能D/A变换器DAC0832的引线及内部结构简图如图6.55和6.56所示。176图6.55DAC0832的引线图177图6.56DAC0832内部结构图178AC0832为20条引线的芯片,各引线定义如下:D0~D7——8条输入数据线;ILE——输入寄存器选通命令,它与、配合使输入寄存器的输出随输入变化;——选片信号;——写输入寄存器信号;——写变换寄存器信号;——允许输入寄存器数据传送到变换寄存器;179VREF——参考电压输入端,其电源电压可在-10V~+10V范围中选取;IOUT1、IOUT2——D/A变换器差动电流输出;Rfb——反馈端,接运算放大器输出;AGND——模拟信号地;DGND——数字信号地;VCC——电源电压,可用+5V(或+15V)180(2)工作时序D/A芯片DAC0832的工作时序如图6.57所示。

从DAC0832芯片的内部结构框图可以看出,D/A变换是分两个步骤进行的。181图6.57DAC0832的工作时序182(3)DAC0832的几种典型输出连接方式①单极输出电路。单极性输出电路如图6.58所示。D/A芯片输出电流i经输出电路转换成单极性的电压输出。图6.58(a)为反相输出电路,其输出电压为:(6―3)图6.58(b)是同相输出电路,其电压输出为:(6―4)183图6.58单极性输出电路(a)反相输出;(b)同相输出184②双极性输出电路。由电路参数计算可得到最后的输出电压表达式为设U1为0~-5V,则选取UREF为+5V。那么UOUT=0~10V-5V=-5V~5V(6―6)

(6―5)185图6.59双极性输出电路186④DAC0832与8088微处理器的连接。图6.60中的双极性输出端为UOUT。当D/A变换器输入端的数据从00H~FFH变化时,UOUT输出将在-5~+5V之间变化。如果想要单极性0~+5V输出,那么只要使UREF=-5V,然后直接从运算放大器A1的输出端输出即可。在图中的输出端接一个680~6800pF的电容是为了平滑D/A变换器的输出,同时也可以提高抗脉冲干扰的能力。187图6.60DAC0832与PC/XT总线的连接图188设D/A的端口地址为278H,则用8088汇编语言书写的、能产生锯齿波的程序如下:;用D/A产生锯齿波的程序DAOUT:MOVDX,278H;端口地址送DXMOVAL,00H;准备起始输出数据LOOP:OUTDX,ALDECALJMPLOOP;循环形成周期锯齿波

189在图6.60的基础上,请阅读下面的程序,判断UOUT的波形。START:MOVDX,0278HNEXT1:INCALOUTDX,ALCMPAL,0FFHJNENEXT1NEXT2:DECALOUTDX,ALCMPAL,00HJNENEXT2JMPNEXT11906.7.2模拟到数字(A/D)变换器1.A/D变换器的基本工作原理及结构(1)A/D变换器的基本工作原理逐次反馈型A/D变换器的基本工作原理及变换过程和用天平称某一物体重量的过程十分相似。例如,某一个12位的A/D变换器,其最大输入的模拟电压为5V。那么,该A/D变换器输出的对应值就为FFFH。其最低有效位1位所代表的模拟电压值称为量化间隔Δ(或称当量)。Δ的定义为191最大输入电压A/D变换器的量化电平数目(6―7)(6―8)192现设输入模拟电压为4.5V,其具体变换过程如下:位序号比较表达式二进制值b114.5V-2048×1.22mV=2V＞01b102V-1024×1.22mV=0.75V＞01b90.75V-512×1.22mV=0.125V＞01b80.125V-256×1.22mV＜00b70.125V-128×1.22mV＜00b60.125V-64×1.22mV=0.046V＞01b50.046V-32×1.22mV=0.0069V＞01b40.0069V-16×1.22mV＜00b30.0069V-8×1.22mV＜00

193b20.0069V-4×1.22mV=0.0021V＞01b10.0021V-2×1.22mV＜00b00.0021V-1×1.22mV＞01(2)A/D变换器的结构框图一种逐次反馈型A/D变换器的结构框图如图6.61所示。从图中可以看到,它由5大部分组成:接口控制逻辑、逐次变换寄存器、D/A变换器、比较器及三态驱动器。在有的A/D变换器芯片中,还包含有参考电源等其他附属电路。194图6.61逐次反馈A/D变换器结构框图1952.A/D变换器的主要技术指标(1)精度A/D变换器的总精度由各种因素引起的误差所决定。这些误差有:

①量化误差。A/D变换器的量化误差决定于A/D变换器的转换特性。一般的A/D变换器的转换特性如图6.62所示。量化误差用绝对误差可表示为量化误差=1/2×量化间隔196197用相对误差可表示为量化误差=也有人用1/2LSB来表示量化误差。②非线性误差。③电源波动误差。例如,手册中给出AD574的电源灵敏度为:+13