机电一体化 课件 5.1 单片机控制及接口技术

任务5.1单片机控制及接口技术

5机电一体化控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术1单片机简介2

ARM单片机3

以ARM单片机为微控器组成的控制系统及其接口技术

控制器是机电一体化系统的中枢，其任务是：按编制的程序指令，完成机械工作状态或工业现场各种物理量的实时信息采集、加工和处理、分析和判断、作出相应的调节校正与控制决策，发出摸拟或数字形式的控制信号，控制执行机构动作，实现机电一体化系统的目标动作。导读

在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等具体情况，正确地选择工业控制计算机系统。按软硬件结构及应用特点，通常分为三种类型：

单片机控制器或嵌入式单片机控制器、

可编程控制器（PLC）、总线型工业控制计算机。任务5.1单片机控制及接口技术

计算机的三种应用发展形态

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。由于该系统是由单一芯片构成的，所以简称单片机(singlechip)。任务5.1单片机控制及接口技术

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.单片机简介——（1）应用任务5.1单片机控制及接口技术

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程。单片机的编程软件，有汇编语言，C语言。1.单片机简介——（2）工作过程任务5.1单片机控制及接口技术

按单片机处理的字长，即每次能够处理的二进制的位数，有4位，8位，16位，32位单片机，位数越多，处理速度越快，运算能力越高，价格也越高。单片机的选用不是位数越多，功能越多就越好，他们各自有自己的应用领域，各有专长。

1.单片机简介——（3）分类4位单片机：主要应用在计算器，家用电器上，产品有NECupd75xx系列，NS公司的COP400系列。8位单片机：控制功能较强，品种最为齐全，应用最广，主要应用在工业控制，智能仪表，家用电器，办公自动化等，代表有Intel公司的MCS-51系列，Microchip公司PIC16xx，PIC17XX系列。荷兰Philips公司的80c51系列Atmel公司的AT89系列（同MCS-51兼容）。16位单片机：运算速度高于8位机，主要用在过程控制，智能仪表，家用电器等。主要有Intel公司的MCS-96、98系列Motorola公司的M68HC16系列。TI公司的MSP430系列。其中以MSP430性能优越，应用广泛。32位单片机：是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。代表产品有Inetel公司的MCS-80960系列‘Motoola的M68300系列，ARM系列单片机，主要应用于汽车，航空航天，高级机器人，军事装备等方面。其中ARM单片机占了绝大部分的市场，应用最广泛的。任务5.1单片机控制及接口技术1）受集成度限制，片内存储量较小。2）可靠性高。单片机芯片是按工业测控环境要求设计的，常用信号通道均集成在片内，传输可靠，受干扰小；程序指令、常数、表格等均固化在ROM中，不易损坏。3）易扩展。单片机芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入/输出口，很容易构成所需规模的计算机控制系统。4）控制功能强。为满足工控要求，其指令系统有丰富的条件转移指令、I/O口逻辑操作及位处理功能。5）一般片内无通用管理软件及监控程序，软件开发量大。1.单片机简介——（4）由单片机组成的控制器系统特点任务5.1单片机控制及接口技术ARM单片机是以ARM处理器为核心的一种单片微型计算机，是近年来随着电子设备智能化和网络化程度不断提高而出现的新兴产物。2.ARM单片机任务5.1单片机控制及接口技术LQFP64封装的STM32F103xx一共有51个I/O口;LQFP64封装的芯片I/O口有PA、PB、PC、PD四组;PA～PC每组16个（PX0～PX15），PD只有三个引脚PD0～PD2LQFP是薄型QFP（Low-profileQuadFlatPackage）,是日本电子机械工业会对QFP外形规格所作的重新制定

，根据封装本体厚度分为QFP（2.0-3.6mm厚）、LQFP(1.4mm厚）、TQFP(1.0mm厚）三种。2.ARM单片机——（1）引脚（

STM32F103xx）任务5.1单片机控制及接口技术STM32F103xx增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)。丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC（

模拟数字转换器:Analog-to-digitalconverter)）、3个通用16位定时器和一个PWM定时器。还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。2.ARM单片机——（2）特点（

STM32F103xx）任务5.1单片机控制及接口技术3.以ARM单片机为微控器组成的控制系统及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术许多ARM芯片内置有USB控制器,有些芯片甚至同时有USBHost和USBSlave控制器。USB是通用串行总线（UniversalSerialBus）的缩写。是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。最新一代是USB4，传输速度为40Gbit/s，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W，新型TypeC接口允许正反盲插。（1）USB接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术任务5.1单片机控制及接口技术RS232接口，是现在主流的计算机通用串行接口之一，是符合美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准；原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232），也就是通常我们所说的com口，主要用于计算机与外部设备之间的通讯连接。RS是推荐标准的简称（2）RS232串行通信接口技术任务5.1单片机控制及接口技术一般是用在单片机串口与电脑的TTL电平转换上。RS-232接口有DB25接口和DB9接口两种，现在普通使用的基本上都是DB9接口，DB25接口基本上不再使用。RS232引脚定义1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5GND信号地线6DSR数据准备好7RTS发送请求8CTS发送清除9RI振铃指示（2）RS232串行通信接口技术任务5.1单片机控制及接口技术随着数字技术的发展，由单片机构成的控制系统日益复杂，尤其是在要求响应速度快、实时性强、控制量多的应用场合，使用多个单片机结合PC机构成分布式系统是个很好的解决方案。（3）RS485串行通信接口技术RS232接口因其传输速率慢、传送距离短而无法满足通信系统的要求，实际系统中往往使用RS485接口标准。任务5.1单片机控制及接口技术

为改进RS232通信距离短、速率低的缺点，EIA在基于RS422的基础上制定了RS485接口标准。RS485是平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，它的最大传输距离为1200米，实际可达3000米，传输速率最高可达10Mbit/s。所以，一般在要求通信距离为几十米到上千米时，会广泛采用RS-485串行通信。RS485有两种：一种是半双工模式,只有DATA+和DATA-两线另一种是全双工模式,有四线传输信号:T+,T-,R+,R-。全双工模式时可认为是RS422。RS485两线一般定义为:“A,B”或“Date+,Date-”即常说的

“485+,485-”RS485四线一般定义为:“Y,Z,A,B”注：RS-485（或RS-422）通信建议一定要接地线,因为RS-485(或RS-422)通信要求通信双方的地电位差小于1V。即:半双工通信接3根线(+A、

－B、地),全双工通信接5根线(+发、－发、+收、－收、地)。为了安全起见,建议通信机器的外壳接大地。任务5.1单片机控制及接口技术RS-485的+A接对方的+A、－B接对方的－B、GND(地)接对方的GND(地)RS-422的接线原则:“+发”接对方的“+收”

“－发”接对方的“－收”、“+收”接对方的"+发““－收”接对方的“－发”、GND（地）接对方的GND（地）一定要将GND(地)线接到对方的GND(地),除非确保通信双方都已经良好共地。典型的全双工多机通信任务5.1单片机控制及接口技术工业控制中的应用随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革;而工业控制的网络化，更拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。这将是CAN技术开发应用的一个主要的方向CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)的简称，是由德国Bosch公司在1986年为汽车监测和控制而设计的。属于现场总线的范畴，是一种高性能、高可靠性、易于开发和低成本的串行总线。（4）CAN接口技术任