计算机控制技术1-2章ppt课件(全).ppt

计算机控制技术,目 录,第1章 计算机控制系统概述,1.1.1 计算机控制系统的硬件,主机(CPU) 主机(CPU)向系统的各个部分发出命令，对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、报警处理及逻辑判断等。接口及I/O通道 常用接口包括：并行接口、串行接口、定时器计数器接口、模数转换接口、数模转换接口等。I/O通道包括：模拟量输入通道A/D、模拟量输出通道D/A、数字量输入/输出通道等。外部设备 外部设备用以扩大主机的功能，包括输入设备、输出设备、存储设备等。检测元件及执行机构 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。变送器把传感器的输出信号变成 CPU 所能接收的电压信号。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，如阀、开关、电机等。 操作台和实时时钟 操作台是人机对话的联系纽带。包括作用开关,功能键、显示用LED或CRT显示器件、数字键。,第1章 计算机控制系统概述,1.2 计算机控制系统的分类,1.2.1 操作指导控制系统,操作指导控制系统：计算机的输出是对系统过程参数进行收集、加工和处理，由操作人员根据输出数据进行控制操作。属于开环控制结构。操作指导控制系统适用于尚未摸清控制规律的系统。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。突出特点是简单可靠，缺点是需要人工操作，速度不能太快，而且不能同时控制多个回路。,图1-2 操作指导控制系统,第1章 计算机控制系统概述,1.2.3 计算机监督系统（SCC）,计算机监督系统（SCC）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者DDC计算机，再由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况。,图1-5 SCC+模拟调节器控制,SCC+模拟调节器 SCC监督计算机的作用是收集检测信号及管理命令，按照描述生产过程的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器，与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的。,第1章 计算机控制系统概述,3. SCC+DDC 控制系统 SCC+DDC控制系统是一个两级计算机控制系统：一级为监督级SCC，用于计算最佳给定值。二级为直接数字控制器（DDC）用于把给定值与测量值进行比较，偏差由DDC计算机按照一定的控制规律计算，再经D/A转换器和反多路开关分别控制各个执行机构进行调节。,1.2.3 计算机监督系统（SCC）,图1-6 SCC+DDC控制系统,第1章 计算机控制系统概述,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。包括硬件和软件两部分。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。硬件：包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件：操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序。嵌入式计算机分为： 嵌入式微处理器: 例如STD-BUS、PC104等。 嵌入式微控制器： 例如8051、MCS-96/196 嵌入式DSP处理器：例如TI的TMS320C2000/C5000等 嵌入式片上系统： 例如C8051F系列单片机,第1章 计算机控制系统概述,1.2.4 嵌入式系统,第1章 计算机控制系统概述,PC/104是一种工业计算机总线标准，PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。,（4）嵌入式片上系统： 例如C8051F系列单片机,（1）嵌入式微处理器: 例如PC104,（2）嵌入式微控制器： 例如8051,（3）嵌入式DSP处理器： 例如TI的TMS320C2000/C5000等,1.2.5 现场总线控制系统（FCS ）,1. 现场总线控制系统网络通信与管理的概念联系起来，是数字通信。现场总线控制系统是分布式控制系统DCS的换代产品。,特点： (1)数字化信息传递 (2)分散的系统结构 (3)方便的互操作性 (4)开放的互联网络 (5)传输媒介和拓朴结构,图1-7 现场总线控制系统结构,第1章 计算机控制系统概述,1.3 计算机控制系统的发展趋势,智能控制系统（ICS） 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，将极大地推动科学技术的进步和提高工业自动化系统的水平 。集散控制系统（DCS） 以微型计算机为基础的分散型控制系统，采用分散控制，集中管理的基本设计思想。以及分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代的工业生产和管理要求计算机集成制造系统（CIMS） 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有机地集成起来，实现多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能控制系统。可编程序控制器(PLC) PLC几乎全都采用微处理器作为主控制器，而采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而使其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境界,第1章 计算机控制系统概述,2.1 存储器及I/O接口的编址方式,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.1.1 编址方法,线选法指将某一位地址线连到扩展电路的片选端，作为该芯片的片选信号，通常是低电平有效。扩展RAM或I/O的地址确定法：连片选信号的地址线为低电平0，RAM 区或I/O口地址由CPU寻址确定，其他没用到的地址线为高电平1。线选法的优点是节省译码电路，连线简单，但扩展的存储器芯片地址不连续，地址空间没有充分利用，适宜于不太复杂的场合。,2.1.1 编址方法,第2章 计算机控制系统的接口技术,例2-1 用线选法扩展三片6264RAM的电路，写出各芯片的地址空间以及分析过程。,1.线选法,2.1.1 编址方法,(1)部分译码法 74LS139译码器 逻辑功能表,第2章 计算机控制系统的接口技术,2地址译码法:用低位地址线做扩展电路的片内寻址线，对剩余的高位地址线经过译码器译码作为片选控制，称为地址译码法。根据选用的高位地址线(通常是扩展电路占用后余下的高位地址线)全部或几位经过译码作为片选控制，又分为部分译码和全译码。,2.1.1 编址方法,第2章 计算机控制系统的接口技术,例2-2 用部分译码法扩展三片6264RAM，写出各芯片的地址空间以及分析过程。,图23 部分译码法扩展三片6264RAM电路,第2章 计算机控制系统的接口技术,编址 方法,部分译码法,74LS138译码器,2.1.1 编址方法,1.全译码时存储器芯片地址连续，地址空间得到了 充分利用，没有地址重叠，部分译码有地址重叠问题。2.线选法用于扩展多片程序存储器时，不能形成0000H为起始地址的程序存贮空间，因此对8051和8751的端必须接高电平，使用片内0000H0FFFH的地址空间，而对8031由于复位后从0000H 地址开始执行程序，并且中断入口地址都分布在该区域内，必须保留该空间，就需要选用全译码，不能使用线选译码，或者选用单片EPROM，使其脚接地，使其地址空间安排在程序存储器区即可。3.线选法还有地址重叠及空间不连续问题。,第2章 计算机控制系统的接口技术,编址方法小结,2.1.2 程序存储器的扩展,常用程序存储器芯片有：2716，2732，2764，27128，27256，27512等，另外还有电可擦除电可编程的EEPROM，如2817A，2864A也可作为程序存储器。对于8031扩展多片外部程序存储器时，可用全译码法进行编址。一方面可形成0000H为起始地址的EPROM空间，保证程序执行和中断入口地址；另一方面地址连续，节约空间。通常情况下，使用单片程序存储器即可满足要求。,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.1.3 数据存储器的扩展,MCS51系列单片机片内有128个字节的RAM区（8032、8052有256个字节)，可用作工作寄存器区、堆栈区、数据缓冲区等，对于要求大容量RAM区的系统如数据采集系统，就要扩展数据存储器。常用的数据存储器芯片有：6116，6264，62256等。MCS51对外部数据存储器的操作指令有四条： 1MOVX A，Ri ；(P2)(Ri)A i=0，1 读 2MOVX Ri，A ；(A)(P2)(Ri) i=0，1 写 3MOVX A，DPTR ；(DPTR)A 读 4MOVX DPTR，A ；(A)(DPTR) 写其中1-2条指令是以R0或R1作指针对外部数据存储器页面寻址，页号由当前P2口锁存器内容决定，这两条指令适宜于寻址容量较小的外部数据存储器。3-4指令是以16位的DPTR作指针的，可对64K字节的外部数据存储器寻址。,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.2.2 8255A的操作方式,图2-8 8255A的方式控制字格式,图2-9 8255A的C口按位置位/复位控制字,第2章 计算机控制系统的接口技术,1. 8255A的控制字,8255A有以下3种基本工作方式。方式0：基本输入输出方式。方式1：选通输入输出方式。方式2：双向传送方式，仅用于PA口。这3种工作方式通过对方式控制字的编程来确定。,1）方式0：是基本的输入输出，方式0适用于无条件地传送数据的设备。这种方式下，数据简单地写入指定端口，输出数据带锁存功能。或从指定端口读入数据，输入不锁存。不需要应答信号。PA和PB口定义为方式0时，端口PC为1个8位的基本I/O口或2个4位的基本I/O口。在方式0工作方式下，PA，PB，PC7PC4，PC3PC0，可定义为输入输出，有16种不同的组合。,2.2.2 8255A的操作方式,第2章 计算机控制系统的接口技术,2. 8255A的三种操作方式,2）方式1：是选通输入输出方式（应答I/O方式），PA口和PB口定义为方式1时，PC口的某些位为状态控制线，其余作I/O线。适用于具有握手信号的输入输出设备，如打印等。 方式1输入：当PA，PB口工作于方式1输入时，8255A的逻辑结构如图2-10所示。,2.2.2 8255A的操作方式,第2章 计算机控制系统的接口技术,3）方式2： 仅适用于PA口，此时PA口成为8位双向三态数据口，即发送又接收数据。PB口仍为I/O口，PC口高5位工作状态控制线。低3位作I/O线。8255A方式2适用于多CPU并行通讯场合，其逻辑结构如图2-12所示。,2.2.2 8255A的操作方式,图2-12 8255A方式2逻辑结构,第2章 计算机控制系统的接口技术,（2）控制电路,（3）延时子程序 表2-4已定出各道工序的动作时间，最大公 约数T=500ms，以此作为延迟时间，编写延时子程序。（4）建立注塑机控制信息表,2.2.3 接口方法,40h,0,0,0,0,0,0,1,返回,20H,0,0,0,0,0,1,0,卸工件,10H,0,0,0,0,1,0,0,开模,08H,0,0,0,1,0,0,0,加热,04H,0,0,1,0,0,0,0,送料退回,02H,0,1,0,0,0,0,0,送料进给,01H,1,0,0,0,0,0,0,合模,十六进制信息,CT1,CT2,CT3,CT4,CT5,CT6,CT7,功能,第2章 计算机控制系统的接口技术,表2-5 注塑机控制信息表,（5）注塑机控制程序流程图,2.2.3 接口方法,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.3 8155与MCS51接口技术,2.3.1 8155的结构,Intel 8155是一种可编程多功能并行接口芯片。片内有三个并行口PA、PB和PC，其中PA和PB为8位口，PC为6位口，一个可编程的14位定时计数器和256个字节的RAM区，可以用作I/O口和RAM扩展，是单片机系统中常用的接口电路。,图2-15 8155的结构,第2章 计算机控制系统的接口技术,无操作,x,x,x,1,写内部寄存器,0,1,1,0,读内部寄存器,1,0,1,0,写RAM单元（地址为xx00HxxFFH）,0,1,0,0,读RAM单元（地址为xx00HxxFFH）,1,0,0,0,操作,控制信号,2.3.2 8155 RAM/IO口寻址方法,在 0时，8155被选中，AD0AD7是低8位地址/数据复用线，与MCS51的P0口连接。 是8155 RAM和I/O口选择线，当 0时，选中8155片内RAM，地址为00H0FFH 当 1时，选中三个I/O口PA、PB、PC。地址分配如表2-6所示。CPU对8155RAM和内部寄存器的操作如表2-7所示。,表2-7 CPU对8155的操作控制,表2-6 8155 I/O口编址,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.3.3 命令寄存器及状态寄存器,2.8155的状态字格式,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.3.4 8155的定时器/计数器,8155的定时器/计数器是一个14位的减法计数器。它的计数初值可设在0002H3FFFH之间。它的计数速率取决于时钟T1的频率，最高可达4MHz。它有四种操作方式，不同的方式下引脚TO输出不同的波形。8155内有两个寄存器存放操作方式码和计数初值，初值占14位，高两位定义输出方式，其格式如下：,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.4 键盘与显示接口,2.4.1 LED显示器接口,(a) 管脚配置 (b) 共阴极 (c) 共阳极,第2章 计算机控制系统的接口技术,1. LED显示器的结构,2.4.1 LED显示器接口,2.LED显示方式：LED的显示方式分为静态显示和动态显示两种方式。,图2-18 并口静态显示,第2章 计算机控制系统的接口技术,静态显示 静态显示指当显示字符时，发光二极管一直保持导通或截止，直到下次显示新的字符为止。其特点是显示亮度高、稳定、CPU效率高，适用于显示位数不太多的场合。在MCS-51系统中可用并口或串口来实现。,2.4.1 LED显示器接口,静态显示程序清单： ORG 2000H MAIN： MOV R7，#08H； 显示数据个数 MOV R0，#7FH； 显示缓冲区78H-7FH DL0: MOV A，R0 ADD A，#0BH； 加偏移量 MOVC A，A+PC； 查表 MOV SBUF，A DL1： JNB T1，DL1 CLR TI DEC R0 DJNZ R7，DL0 RET DSEGTAB：DB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H；0，1，2，3，4字形码 92H，82H，0F8H , 80H，90H； 5，6，7，8，9字形码 88H，83H，0C6H，0A1H，86H，84H；A，B，C，D，E，F字形码,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.4.1 LED显示器接口,2)动态显示,图2-20 并口动态显示,并口动态显示电路8155 PA口输出作位选控制线，每次输出只有一位为高电平，其余为低电平。PB口输出为段选码。每次延时1ms，由于视觉暂留，看起来就象8个LED同时点亮。 8155控制口为7F00H；PA口：7F01H；PB：7F02H；PC口：7F03H，并且PA和PB口均为基本输出方式。暂且将PC口定为输入方式。,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.4.1 LED显示器接口,表2-11 LED和数据的对应关系,BCD数,40H,41H,42H,43H,拆字,（40H）低四位,（40H）高四位,（41H）低四位,（41H）高四位,（42H）低四位,（42H）高四位,（43H）低四位,（43H）高四位,（50H）,（51H）,（52H）,（53H）,（54H）,（55H）,（56H）,（57H）,显示,LED0,LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED6,LED7,第2章 计算机控制系统的接口技术,设在8031片内RAM区43H-40H单元中存放有4个字节的数据，低位在低址，高位在高址，并且以57H-50H作为缓冲区。,2.4.1 LED显示器接口,图2-21 动态显示程序流程图,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.4.2 键盘接口,键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，是输入数据或命令的设备。如果闭合键的识别是 由专用硬件实现就称之为编码键盘，如果是由软件来识别就称之为非编码键盘。1. 键盘工作原理,图2-22 键盘结构,第2章 计算机控制系统的接口技术,图2-26 键盘去除抖动,2.4.2 键盘接口,第2章 计算机控制系统的接口技术,2. 键盘的工作方式,根据CPU对键盘的扫描方法不同，键盘的工作方式可分为3种。第一种，程控扫描方式。该方式利用CPU空闲时扫描键盘。第二种，定时扫描方式。CPU每隔一定的时间(如10ms)，对键盘进行扫描。第三种，中断扫描方式。当有键按下时，向CPU申请中断，使CPU转向键盘扫描，以提高CPU的效率。,2.4.3 8155键盘显示器接口,图2-24是一个实用的8155键盘显示器接口电路，LED采用动态显示，其段选码由PB口输出，位选码由PA口输出。键盘的行线由PC口输入，列线由PA口输出。,图2-24 8155键盘显示器接口,设8155的 连8031的P2.7， 连P2.0，则8155的口地址为： 命令、状态寄存器地址：7F00H PA口地址： 7F01H PB口地址： 7F02H C口地址： 7F03H 定时器低8位地址： 7F04H 定时器高6位地址： 7F05H 设待显示数据入口在8031片内RAM（43H）-（40H）中，显示缓冲区为（57H）-（50H）。 键盘扫描程序出口：键值在累加器A中,第2章 计算机控制系统的接口技术,2.4.3 8155键盘显示器接口,键盘输入程序流程图,第2章 计算机控制系统的接口技术,