微机接口与软件编程教学内容.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。微机接口与软件编程-微机接口与软件编程参考书:1、计算机控制系统武汉理工大学出版社2、MCS-51系列单片机实用接口技术李华主编北京航空航天大学出版社3、单片机应用程序设计技术周航慈北航4、MCS单片机应用系统实用指南陈宝江等机械工业出版社主要内容:第一章 计算机控制系统第二章 接口技术(信号变换、A/D、D/A、人机及通信)第三章 总线及通信第四章 DCS系统现场总线及FCS第五章 工业以太网及网络控制第六章 DSP及嵌入式系统计算机抗干扰技术第一章计算机控制系统1-1:计算机控制系统的发展1、开始微
2、机第一代(1976年):INTEL公司的4004(4位)和8008(8位)第二代(1978年):INTEL8080(8位)ZELOGZ80(8位)MOTOROLAM6800(8位)第三代(1980年):INTEL8086(16位)ZELOGZ800(16位)MOTOROLAM68000(16位)第四代(1986年:32位第五代(当今):DSP(数字信号处理)嵌入式接口GALCPLDFPGA2、控制系统开始小型计算机作主机DJS-130机集中式控制分散式控制完全分散式控制(现场总线)网络控制微机控制1-2控制系统的构成及分类一:构成: CPU部分 接口 通信及人机界面单总线控制系统A/DD/AC
3、PURAMROMBUS优点:成本低、冗余度小、代码短缺点:开发周期长、经验需要多适合于:产品开发或小控制系统双总线控制系统(多总线)PC(总线)A/DD/A外总线优点:开发周期短、成本中等、冗余度大缺点:体积大、可靠性稍差、实时性稍差1、 嵌入式系统优点:有OS、开发工具简单、支持高级语言2、 集散式上下位机系统集散式C1PCC2CnCRTPC键盘控制器对象多级网络式控制系统网络控制:现场总线服务器集散式管理功能(MIS)控制功能是网络控制的一个小分支。1-3计算机控制系统的构成一:硬件构成1、 CPU单元(CPU、RAM、EPROMEEPROM)2、 接口电路:I/O、A/D、D/A、脉冲、
4、通信电路、人机交互(LED、数码管、CRT、液晶)二:软件1、 监控程序(自行开发)2、 高级语言(C、DELPHI)3、 操作系统:实时OS(DOS、WINDOWSCE、LINUX)开发工具软件:组态软件、调试软件(断点、单步)、模拟软件第二章计算机接口技术第一节信号变换电路测量对象1、电量:直流、交流2、非电量:温度、速度、压力、流量、湿度3、计算机可接受的量:a、DDZ2(电压220V)测试范围电流010MA电流05V220V010mvb、DDZ3(供电电压24V左右)测试范围电流420MA电流15V+24V_4、温度传感器(1)热电偶mv信号的大小与温差有关a、常用热电偶*铂铑一铂热电
5、偶,一般合金丝直径为0.5毫米,精度高,热电势较大,性能稳定,抗氧化性较好,温度一般在1000医生使用,并可在1300高温炉内长期使用。缺点是价格高,不宜在还原性气氛中使用。铂铑一铂10S铂铑一铂13R铂铑一铂30B(比例值分度)*镍铬一镍硅和镍铬一镍铝热电偶,分度为K。合金丝直径为3毫米,它的热电势较大,精度较高,价格便宜,抗氧化性也较好,可在900以下炉内长期使用。缺点是材质硬。*镍铬硅一镍硅分度为N*镍铬一考铜热电偶,它的热电势很大,灵敏度高,价格便宜,宜在还原性气氛中使用,使用温度不超过600。缺点是易氧化。*铁一康铜热电偶,热电势较大,灵敏度高,价格低廉,宜在600以下还原性气氛中长
6、期使用。缺点是易氧化。(常用的热电偶分度表附图如后)b、特殊热电偶钨铼系一般用在2002000(2500)之间(高温应用)镍铬金铁一般用在0217之间(低温应用)5、应用(1)自由端0(冷端补偿)a、加冷端补偿电路(硬件)b、软件补偿:热电偶存入计算机、温室存入计算机(2)引线的补偿问题热电偶的导线要用“补偿导线”(3)信号放大a、反相比例反放大器V0=(R2/R1)Vib、同相比例放大器。V0=(1+R2/R1)Vi(2)热电阻a、 铂热电阻:Pt100(指在0时电阻的阻值为100欧姆)Pt10铂电阻某个温度的电阻值:温度在0以上时,Rt=R0(1+t)温度在0以下(一般是-2000)时,R
7、t=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)其中,R0是0时的阻值,.90802*10-3/,B=-5.802*10-7/,C=-4.27350*10-12/铂热电阻PT10分度表(ITS-90)分度号PT10R(0)=10.000欧姆铂热电阻PT10分度表(ITS-90)分度号PT10R(0)=10.000欧姆b、 铜热电阻:Cu50(指在0时电阻的阻值为50欧姆)Cu100Rt=R0(1+t),其中,=4.25*10-3/4.28*10-3/铜热电阻Cu50分度表(ITS-90):分度号:Cu50R(0)=50.000欧姆T,-50-40-30-20-10-0R,欧姆39.24241
8、.40043.55545.70647.85450.000T,010203040506070R,欧姆50.00052.14454.28556.42658.56560.70462.84264.981T,8090100110120130140150R,欧姆67.12069.25971.40073.54275.68677.83379.98282.134铜热电阻Cu100分度表(ITS-90):分度号:Cu100R(0)=100.00欧姆T,-50-40-30-20-10-0R,欧姆78.4882.8087.1191.4195.71100.00T,010203040506070R,欧姆100.00104
9、.29108.57112.85117.13121.41125.68129.96T,8090100110120130140150R,欧姆134.24138.52142.80147.08151.37155.67156.96164.27热电阻变换电路如下(测温电桥)V0=(Rt/(R+Rt)-R1/(R1+R))*E(3)半导体PN结或集成温度传感器PN结极电流:IN=IS(e(UD/UT)-1)其中,IS反向饱和电流,UT:温度电压常量,常温下,UT26mv,UD:加在二极管两端的电压集成温度传感器AD590AD590:单片集成两端感温电流源,它的主要特性如下:1、流过器件的电流(mA)等于器件所
10、处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:mA/K式中:流过器件(AD590)的电流,单位为mA;T热力学温度,单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化,电流变化1mA,相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55+150范围内,非线性误差为0.3。其测温电路为:(4)其他:变换器分类变换原理变换器名称典型应用电参数式变换器电阻式移动电位器触电改变电阻电位器位移、压
11、力改变电阻丝或片的几何尺寸电阻丝应变片半导体应变片位移、力力矩、应变利用电阻的温度物理效应(电阻温度系数)热丝计气流流速、液体流量电阻温度计温度、辐射热热敏电阻温度利用电阻的光敏物理效应光敏电阻光强利用电阻的温度物理效应电阻温度计温度电容式改变电容的几何尺寸电容式压力计位移、压力电容式微音器声强改变电容介质的性质和含量电容式液面计液位、厚度含水量测量仪含水量电感式改变磁路几何尺寸、导磁体位置来改变变换器电感电感变换器位移、压力利用压磁物理效应压磁计力、压力改变互感差动变压器位移、压力频率式利用改变电的或机械的固有参数来改变谐振频率涡流传感器压力振弦式压力传感器压力振简式气压传感器气压石英晶体谐
12、振式传感器压力光纤式光线在光导纤维中折射传播光纤式传感器微位移、核辐射、力、电气体式利用材料的物理化学反应气体式传感器速度电量交换器电势温差热电势热电偶温度、热流热电堆热辐射电磁感应感应式变换器气体浓度霍尔效应霍尔片磁通、电流光电效应光电池光强电荷光致电子发射光发射管光强、放射性辐射电离电离室离子计数、放射性压力效应压电传感器力、加速度变换器分类变换原理变换器名称典型应用二、信号变换电路1、运算放大器(OPAMP)(1)通用uA741(F007)(2)四运放F324(3)高精度运放OP07(4)斩波稳零运放7650(5)高输入阻抗OP-Amp104108欧姆IF34710121013欧姆5G2
13、82、测量放大器V01-V02=(1+R2/R1)Vi;()*附图:常用热电偶的分度表:2-2多通路模拟信号输入/出技术一、 干簧继电器及多路开关1、干簧继电器优点:接触电阻小缺点:体积大2、多路开关CD4051CD4097(16路(单)/8路(双)优点:价格便宜;便于集成。缺点:接触电阻大100200;A/D输入电阻100K10M二、 采样保持(Sample/Hold)器1、 原因:A/D转换需要时间原理:实际电路:芯片: LF398(原理电路图见上图) 高速S/H:AD344;AD585;3s达到0.01%精度 高分辨率S/H:AD389:SHA1144达到0.003%精度三、 滤波器(F
14、ilter)可分为:低通、高通、带通集成滤波器(RC)(FIT-Vi)2-3D/A转换器一、 原理:T型电阻网络V0=-VRef(dn-1*2n-1+dn-2*2n-2d0*20)/2n二、 权电流D/A芯片的主要指标1、 分辨率:8位,10位,12位,16位,24位2、 线性度:1LB3、 D/A建立日期:6负VDZ6正 集成稳压电源:1403a、MC1403;b、LH0070(V0=10.0000.02%V)2、 电压极性: 加反向器 VRef加为-5V3、 8位D/A芯片与P接口:DAC0830/31/32(8位DAC芯片)MOVDPTR,#7FFFHMOVA,#*MOVXDPTR,AD
15、AC0830/8031/8032的逻辑结构几种接口方式: 直接输出式单缓冲器方式(常量)8031D07UPP27RDWR0832XFERWR2CSWR1 双缓冲器同步方式:用于n个D/A同时输出MOVDPTR,#7FFFHMOVA,10HMOVXDPTR,AMOVA,20HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#BFFFHMOVXDPTR,A3月18日4.十位和十二位D/A转换器10位D/AAD7520/7530/753312位D/ADAC1208/1209/1210DAC1230/1231/12328位微型计算机接口(1)某些D/A芯片内部没有寄存器(2)有二级管(缓冲寄存器)如无缓冲器的AD
16、7520(10位)如图:DAC1230,如图:A.DAC1230与16位微型计算机B.DAC1230与8位微型计算机BYTE1/BYTE2低电平开启底四位BYTE1/BYTE2高电平开启高八位地址:低四位0011111111113FFFHf高八位0111111111117FFFHffff12位DAC寄存器1101111111110DFFFHMOVDPTR#3FFFHMOVA,OXHMOVXDPTR,AMOVDPTR#7FFFFHMOVDPTR#0DFFFHMOVXDPTRA2.4A/D转换器ddd一、A/D转换器的种类及原理1、种类(1)逐次渐进比较(2)双积分式A/D(3)并行A/D转换器(
17、4)V-F转换(5)-2、原理(1)逐次渐进比较a.转换时间短b.精度高c.易受干扰(2)双积分式a.精度高,价格便宜b.一般BCD码输出的与数字仪表接口方便c.抗干扰性好d.时间长3-10秒(3)并行A/D转换器a.转换时间短b.电路结构复杂c.同步并行3月21日Vlogicb)电荷平衡式V/f转换器fVoLTS-VsIs。单稳T1=V/dv/dt=fos/CINT(IR-IIN)/(IIN/CINT)fout=1/(tos+T1)=IIN/(tos*IR)=VIN/(IRRIN*t)优点:与计算机UP接口很少,只一根线即可输出脉冲(频率)可调精度比较高(10k-100kHz)(5)-A/D
18、芯片高精度芯片A/D位数为16-24位转换速度几百K原理:电荷平衡式(和V-f基本相同)用得较多的MIPS公司TI德州仪器公司主要做DSP二、A/D芯片的主要技术指标*1.分辨率(Resolution)选择:应根据控制对象,并非越高越好如:01000V误差1V-10位01000V误差10V-8位01500.5-10位01000.5-8位2变化误差(QuantizingError)1LB(1位)0.5LB差一位0.5LB3.偏移误差(OffsetError)一般不管输入信号为0,输出不为0引起的误差。4满度误差(FullScaleError)由VRef引起的误差5线性度误差*6绝对误差三、A/D
19、转换器的选择1根据精度确定A/D转换器的分辨率(位数)2A/D转换的速率(应根据采样的速度选)每秒钟能够完成A/D次数逐次渐进比较0809127us8000次/S例如:温度的变化一般是3-20S双积分310次/S速度(高速运动物体速度以毫秒级量化)高速A/D逐次渐进比较压力,流量15S注意:抗干扰。(多采几次,数字滤波)3是否需要S/H(采样保持器)4价格及与计算机接口价格a)首选CPU带A/Db)价格因素与计算机的接口电平与位数与up相容并行输入串行输入BCD码upI/O一般计算机(如8031)I/O口。有4个8位I/O口:P0数据线P2地址线P3定时器P1用户5参考电压5V,10V参考电压
20、10V允许正负信号输入AD574四、A/D与up的接口1逐次渐进比较A/D芯片与8位计算机接口8位A/DADC08010804/0809(8路8位A/D.分辨率8位)VRefCRAIN7IN08路模拟开关A/DEoc8路EASTARTIN0CBAVRef8位AE8031WRP2.774LSS73GA/D0809D0D7ScartALEOEIN7DB。+。+CBA与地址线相连+CBA7FFB7FFD7FFEA0111111111111110B0111111111111101C0111111111111011+DBIN7A/D0809D0D7ScartALEOEG74LSS738位AE8031WR
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