机电一体化第五章计算机控制接口技术.ppt
第五章 计算机控制接口技术,第一节 计算机控制接口技术设计分析第二节 PLC可编程控制器原理及应用 第三节 单片机控制系统设计 第四节 AK可编程序控制器原理及应用 第五节 A/D、D/A转换控制器原理及设计,第一节 计算机控制接口技术设计分析,1 计算机控制系统组成计算机控制系统由：计算机、计算机控制器、计算机输出接口电路、驱动控制器、执行设备、应用软件、传感器、放大器等组成。其中软件包括采集软件，分析处理软件，检测输出控制和自动控制软件等。2 可编程序控制器分类(1)单片机控制器(2)PLC可编程序控制器(3)AK可编程序控制器(4)A/D、D/A转换控制器3 可编程序语言(1)汇编语言（单片机，PLC）(2)BASIC语言（AK、A/D、D/A）(3)C语言（单片机、PLC、AK、A/D、D/A）(4)VC编程（AK、A/D、D/A）(5)VB编程（AK、A/D、D/A）(6)LABwindows编程(AK、A/D、D/A),下一页,4.计算机控制器的设计要求(1)具有完善的过程输入/输出功能。(2)具有实时控制功能。(3)具有高可靠性。(4)具有较强的环境适应性和抗干扰能力。(5)具有齐全的软件。5.计算机控制系统的应用特点(1)可编程序控制器系统。主要特点如下：控制程序可变。可靠性高。编程简单，使用方便。功能完善。体积小、质量轻、易于安装使用。(2)AK可编程序控制器。主要特点如下：控制程序可变,具有很好的设计性。可靠性高。编程简单。功能完善。结构简单。控制精度高。,上一页,下一页,(3)A/D-D/A转换控制器系统。主要性能特点是：数据采集与分析处理。控制程序可设定。控制程序可设定。功能齐全。数据采集控制，控制信号输出精度高。结构简单。(4)单片机应用系统。用单片机组成的微机控制系统具有以下特点：受集成度限制。可靠性高。易扩展。控制功能强。单片机系统的开发提高到了一个新水平，为应用提供方便。(5)总线型工业控制计算机系统。总线结构的工业控制机从内总线入手，将如图5-1的各方框设计制造成“标准”和印刷电路板插件（亦称为模块）。此系统具有如下的优点：提高设计效率、缩短设计和制造周期。提高系统的可靠性。便于调试和维修。能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能。,上一页,返 回,返 回,图5-1 总线型工控机组成图,第二节 PLC可编程控制器原理及应用,一、PLC的组成及工作原理1.硬件组成PLC的硬件主要由CPU模块、I/O模块两部分组成。图52为硬件组成框图。(1)CPU模块。(2)存储器。(3)I/O接口模块。智能I/O接口模块。外设通讯接口模块。开关量I/O接口是按强电要求设计的，即输入输出接口可直接与强电设备相连，为了使PLC免受电力线、电气噪声、负载的感性冲击或外设接线的干扰，I/O接口中均设计了光电耦合隔离电路，各I/O接口电路图参见图53所示。,下一页,返 回,图5-2为硬件组成框图,返 回,2.编程器编程器是供用户开发、调试和监视PLC工作的必备工具。(1)便携式编程器由键盘、LED或LCD数码显示器、工作方式选择开关、外设接口组成。(2)CRT智能式编程器。其硬件主体是个人计算机（PC机）3.PLC的工作原理(1)读取现场信息。(2)执行用户程序。(3)输出控制信号。PLC的整个工作过程可用图5-4所示。4.PLC实现继电器开关量控制原理,见图5-5。,上一页,下一页,图5-4 PLC工作流程图,返 回,图5-5 PLC控制继电器开关电路,二、PLC的编程语言和编程方法1.PLC的基本控制操作及指令系统任何复杂的逻辑控制过程均由基本的控制操作组成，它们包括：输入输出操作、逻辑操作、计数及复位操作、移位寄存器操作、移位指令、主控母线操作、转移操作、脉冲发生器、置位复位、空操作、程序结束操作等。2.指令编程要点(1)PLC编写执行程序时，是按照指令的先后顺序依次逐条执行的，所以，要求设计程序中的指令顺序要求必须正确。(2)按工作流程图编程时，必须根据信息流的方向，自上而下，从左到右的顺序编写控制指令程序。(3)各种继电器的触点，在编程中可以重复使用，使用次数不受限制。(4)输出继电器线圈（包括定时器）在一个程序中只能使用一次，假如在程序中同一个输出继电器线圈号出现两次以上，则应改成只有一个输出线圈的电路。(5)计数器、移位寄存器有两个或更多的输入支路，应按工作流程图给定的顺序设计编程(6)程序的执行是从第一条指令到指令结束，完成一个机器扫描周期。,上一页,下一页,三、PLC控制系统设计1.PLC控制系统设计步骤(1)首先要分析控制任务，了解被控对象的工艺过程，画出工艺控制流程图。(2)确定输入、输出的类型、点数，正确选择输入装置及输出装置的规格、型号。(3)合理选择PLC类型及控制规模。(4)编制输入、输出接点的现场代号与PLC内部地址编号的对照表。(5)根据工艺流程、结合控制输入、输出对照表，画出PLC控制的工作流程图。(6)按照控制工作流程图编写控制程序。(7)用编程器将用户设计的控制程序送入PLC。(8)进行系统控制模拟调试，检查和修改控制程序的语法及控制参数。(9)进行PLC控制系统硬件的安装连线，设计PLC外围电路，将输入输出装置与PLC连接起来，进行性能调试。(10)对整个系统进行在线调试，检验所设计的控制参数，控制工作状态，控制工作的稳定性、可靠性。排除设计系统和程序中存在的问题。(11)正式投入使用。,上一页,下一页,2.PLC的选用方法正确地选用PLC对于保证设计整个系统的技术指标起着重要的作用。PLC的选用主要包括PLC容量估算、PLC功能选择和I/O模块选择。PLC的容量估算涉及两方面内容，即用户程序存储器及数据存储器的容量和控制I/O点数。(1)计算输入输出点数。常用PLC的I/O点数之比为32。(2)计算存储容量。PLC存储器容量与控制系统的复杂程度、运算数据量的大小、程序结构优劣等有关。(3)PLC的功能选择。由于一般的机电一体化系统为单机自动控制模式，PLC一般用来实现顺序控制，所以只要选用具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的PLC就可以了。如果控制任务较复杂，包含了数值计算（如PID）、模拟量处理等内容，就必须选用具有数值计算功能、模/数和数/模转换功能的PLC。(4)I/O模块选择。输入模块的选择，输入模块分为数字和模拟两种。数字量输入又分为直流、交流和脉冲三种；模拟量输入分为电压和电流输入两种。,上一页,下一页,3.输出模块的选择输出模块按输出方式分为继电器输出、晶体管输出及双向晶闸管输出三种。4.智能I/O接口的选择智能I/O模块的共同特点是模块本身带有CPU。5.通信接口的选择。应注意选用同一型号或系列的PLC，以便相互兼容。6.PLC外电路设计的一般原则(1)控制系统配套电器的选用原则。提高工作可靠性。采用小型化的低压电器。采用新型的低压电器。采用卡轨式安装和装配形式(2)中间继电器的配置原则。图5-6为中间继电器接入I/O模块的实例。(3)熔断器的安装原则。(4)输入/输出联锁触点的接入方法。一般情况下，对于一些典型电路，如电动机正反转电路，把互锁的触点分别接入PLC的输入、输出回路，形成双回路设计方案，如图5-7所示。(5)限位开关接入方法。(6)设备接地方法。,上一页,返 回,返 回,图5-6 中间继电器接入I/O模块实例,图5-7 联锁触点接入方法示意图,第三节 单片机控制系统设计,一、单片机控制系统的组成单片机控制系统分为两种基本形式：一种称为最小应用系统，另一种称为扩展应用系统。1.最小应用控制系统最小应用系统是指用一片单片机，由晶振电路、复位电路、电源与外设驱动电路组成的控制系统。这种系统使用片内带有ROM或EPROM作程序存储器的单片机。图5-8表示注塑机单片机控制系统。2.扩展应用控制系统在某些控制系统中，因单片机本身硬件资源的限制而需要对它进行扩展，经扩展后的单片机控制系统称为扩展应用控制系统，图5-9所示是扩展控制系统的综合框图。控制系统功能扩展分为以下几个部分：(1)基本控制系统扩展。(2)人-机对话通道扩展。(3)输入通道扩展。(4)输出通道扩展。,下一页,返 回,图5-8 注塑机单片机控制系统原理图,返 回,图5-9 控制系统扩展综合图,二、单片机控制系统设计单片机控制系统的设计内容主要包括硬件设计、应用软件设计和系统仿真调试三个部分。其设计程序如下：1 硬件设计单片机控制系统的硬件设计包括：单片机选型、基本控制系统扩展设计、I/O口扩展设计、人-机通道设计、前向通道接口设计和后向通道接口设计等。在扩展通道接口设计中应遵循如下原则：(1)尽可能选择典型电路，并且要符合常规用法。(2)控制系统扩展。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。(4)单片机片外电路应与单片机的电气性能参数及工作时序匹配。(5)应十分重视可靠性及抗干扰设计。(6)单片机外接电路较多时，必须考虑其负载驱动能力。,上一页,下一页,2.应用软件设计在软件设计上，根据程序控制流程、变量选用及控制算法等都存在最佳设计的问题，一个优良的控制软件应具备以下特点：(1)软件结构清晰、简捷、流程合理。(2)各功能程序应采用模块化编程，这样既便于调试，又便于移植。(3)程序存储区、数据存储区规划合理、尽可能减少存储器空间的占用。(4)运行状态实现标准化管理。各功能程序模块调用时的运行状态、运行结果以及运行要求都应设置状态标志（位或字节），以便主程序查询，程序的转换、运行或控制都可通过状态标志条件来进行。(5)软件抗干扰设计。软件抗干扰是单片机控制系统提高可靠性的有力措施。(6)为了提高控制系统的可靠性，在控制软件中应设计自诊断程序。系统在工作运行前先运行自诊断程序，检查各硬件的特征状态参数是否正常。,上一页,下一页,三、单片机芯片选择1.单片机芯片正确选择分析单片机控制系统的核心器件是单片机芯片，它提供的功能和资源对整个控制系统所需要的支持电路、接口硬件设计以及软件设计起着关键性的作用。单片机硬件资源极大地影响着整个控制系统的成本和复杂程度。资源丰富的单片机可以大大减少硬件外围接口芯片与存储器扩展芯片的数量，使成本降低，结构简单，目前单片机的价格与外围接口芯片的价格已相差无几。2.单片机芯片选择时应考虑的问题(1)要尽可能选择设计者较为熟悉，曾经接触过的单片机系列。(2)要选择有丰富的应用软件、开发工具及成熟辅助电路支持的单片机系列。(3)根据系统性能要求选择合适的单片机。,上一页,下一页,3.MCS-51系列单片机的性能 表5-3分别列出INTEL系列单片机的基本特性。,上一页,下一页,四、D/A转换芯片的选择方法1.D/A转换芯片的选择选择D/A转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。(1)数字输入特性的选择。(2)模拟输出特性。(3)锁存特性。(4)参考电压源。2.12位D/A芯片接口控制系统设计实例为了提高精度，需要用比8位高的D/A芯片，这里仅以AD7542为例说明12位D/A转换原理及接口技术。图5-10为AD7542与8031接口电路。图5-11中，要转换的12位数据低8位存在片内RAM的50H单元中，高4位数据存放在51H中，试编写D/A转换程序设计。,上一页,下一页,返 回,图5-10 AD7542与8031接口电路,返回,图5-11 人-机通道配置示意图,五、单片机控制通道接口设计1.人-机通道设计 人-机通道的配置如图5-11所示，人-机通道的具体配置完全是根据实际需要而定的。人机通道采用I/O扩展方法获得口地址空间，然后与人机对话专用芯片连接 2.输入通道接口设计单片机控制系统常用的前向通道结构类型。前向通道在单片机一侧有三种类型：数据总线、并行I/O口和定时/计数器口。(1)A/D转换接口技术根据A/D芯片与单片机连接方式以及控制系统的要求，A/D转换采样的方式主要有以下三种：程序查询方式、定时采样方式、中断方式。图5-12给出了该芯片的实用接口电路。程序查询方式以图512为例，先选择模拟量的一个输入通道，发出启动A/D转换信号，用程序查询INT1脚是否为“0”，若是“0”则表示A/D转换结束，执行读A/D结果数据操作。定时采样方式。中断方式。完成上面任务的程序由两部分组成，一部分是主程序，另一个部分是INT1的中断服务程序。主程序流程如图513所示。中断服务程序如图514所示。,上一页,下一页,返 回,图5-12 ADC0809与8031的接口电路,返 回,图513 A/D转换中断方式的主程序框图,图5-14 A/D转换中断方式服务程序,(2)开关信号及频率信号接口技术。在输入通道中除模拟量外，还有一部分是离散数字量信号，主要有开关信号和频率信号两种 开关输入信号的电路隔离，在机电一体化系统中，机械开关信号一般为电信号，需要把强电部分与弱电的单片机系统在电路上隔离开来，最常用的是使用光电耦合。开关信号的干扰抑制措施。,上一页,下一页,六、单片机控制系统应用程序设计1.直流电动机控制系统程序设计直流电动机控制系统设计技术要求：(1)循环工作，可由外界开关控制电机起动；(2)控制直流电机的转速从零升至最高，升速时间任意设定；(3)控制直流电机在最大转速下稳定工作，时间可任意设定；(4)控制直流电机的转速从最大值降到零，减速时间为5 s；(5)控制直流电机停机3 s，接着重复上述步骤；(6)控制程序采用C语言，单片机用8096。具体的直流电机控制系统的程序流程图如图515所示，控制程序设计方法如下：程序入口。置SP。选择P2.5，使其输出为高电平。等待时间。选择PWM输出。读开关值是否为零。将升速值写入PWMCONTROL。稳定工作时间。将减速值写入PWMCONTROL。停止工作时间,上一页,下一页,返 回,图5-15 直流电动机控制系统程序流程图,2.步进电动机控制系统程序设计步进电动机控制系统的设计技术要求:(1)循环工作，可由外界中断；(2)控制步进电机的正转，速度从零升至最高；(3)控制步进电机停止工作5 s；(4)控制步进电机的反转，速度从最高值降到零。步进电动机控制程序设计所要编写的程序也是不需要外界输入控制参数，整个程序是按照控制要求编制好，如需要改参数，要在源程序中进行修改。具体的步进电动机控制系统的程序流程图如图516所示。,上一页,下一页,图5-16 步进电动机控制系统程序的流程图,3.开关量控制系统程序设计开关量控制系统程序的设计技术要求：(1)循环控制，可由外界中断；(2)实现8个开关的顺序延时控制，5 s后按反序延时闭合控制；(3)延时时间为10 s。设计的控制程序是不需要外界输入控制参数的，整个程序是事先编制好的，如需更改参数，要在源程序中进行修改。在明确了具体的程序要求后，就可绘制出程序方框图了。具体的开关量控制系统的程序流程图如图517所示：,上一页,返 回,图5-17 开关量控制系统程序的流程图,第四节 AK可编程序控制器原理及应用,一、AK可编程序控制器组成及工作原理1.AK可编程序控制器组成AK系列可编程序控制器与任何一种计算机组成计算机控制系统，可输出多路控制电压信号、频率信号、实现开关量控制、电机调速控制、多功能信号源功能。它由译码电路，时钟信号、8255、8253（8254）信号转换电路、输出接口电路等组成。如图518所示。2.AK控制器工作原理 AK控制原理方框图如图519所示。,下一页,返 回,图5-18 AK可编程序控制器方框图,图5-19 AK可编程序电路原理图,二、AK可编程序控制器设计1.AK系列可编程序控制器器件的选择(1)8255器件的选用。(2)8253（8254）器件的选择。芯片控制的方式是由双向的数据线与计算机系统连接，通过控制字组的写入来设定8255的工作方式，由于它具有功能强，编程简单方便，使用灵活，在设计AK时选用8255可满足设计要求。(2)8253（8254）器件的选择。为便于更好的应用8253（8254）芯片，具体工作方式介绍如下方式1：可编程的单脉冲发生器，此方式用来产生一个程序控制脉冲宽度的单脉冲。方式2：比例式脉冲产生器，此方式可以用来控制输出信号的工作周期（信号高电位的比例）。方式3：方波产生器，工作于此方式可以作为分频器用。工作原理类似方式2 方式4：软件触发方式，本方式以软件输入计数值做计时器起动。方式5：硬件触发方式，本方式操作以外部GATE引脚信号来起动计时器工作。AK可编程控制器电路原理方框图如图519所示。,上一页,下一页,2.控制器程序设计方法(1)界面设计(2)控制参数的程序设计：试验调试性的控制方式，输出控制信号频率设计采用人机对话方式，由人为选择输入控制参数的大小，工作时间，输出控制时间，工作频率采用人机对话方式，由控制要求任意设定输入参数。自动控制方式，输出控制的信号频率，根据控制参数要求采用固定式，输出控制工作时间采用固定式，也可以设计成判断式。(3)C语言程序设计函数定义。(4)AK控制器初始化程序的设计。(5)输出信号频率控制程序设计。(6)控制工作时间程序设计。(7)8255输出控制信号程序设计。(8)控制输出信号结束程序设计。3.双路输出信号控制程序清单,上一页,返 回,第五节 A/D、D/A转换控制器原理及设计,一、A/D-D/A转换控制器组成及工作原理1.A/D-D/A转换控制器组成它的组成由A/D模数转换芯片、D/A数模转换芯片、可编程8253、8254芯片、DC/DC隔离电源、6 MHz时钟、译码器等器件组成。如图520所示。2.A/D-D/A转换控制器工作原理A/D-D/A转换控制器模拟输入部分由模拟通道开关、缓冲放大器、A/D转换芯片（含采样保持器）、通道控制电路、先进先出（FIFO）存储器接口电路、A/D触发电路组成。A/D有两种方式：软件选择方式和自动采集方式。A/D转换的工作控制起动方式由定时计数器8254的0通道输入，有三种触发控制方式:单次触发控制程序判别法外输入电压控制法,下一页,A/D转换器当作控制器的工作原理是：利用A/D转换器中的8255、8253芯片功能，按照上节讨论的AK控制器功能，根据设计使用要求，设计相应的软件，就可以实现自动控制功能，分别输出多种控制信号，达到了计算机控制使用要求。二、A/D-D/A转换控制器设计1.A/D转换器结构形式(1)多路并行口A/D通道，每通道有独自的采样保持器与A/D转换器，它的组成如图5-21 所示。(2)多路通道共享A/D转换器，图5-22是它的框图，此种较上述形式速度慢，因为每路的转换只能串行。由于采用了多个S/H和多路开关，采集时间间隔小于3 s。,上一页,下一页,返回,图5-21 并行多通道A/D转换器方框图,图5-22 串行多通道A/D转换器方框图,2.D/A转换器结构形式(1)多通道D/A转换器，每个通道有独立的数字寄存器及D/A转换器。它的组成如图523所示。(2)多通道共享D/A转换器，如图524所示。,上一页,下一页,图5-23 多路D/A转换器方框图,图5-24 多通道共享D/A转换器方框图,3.A/D、D/A转换控制器设计原理(1)芯片的选择方法。A/D、D/A转换器设计应对如下几方面提出明确要求：模拟量输入、输出范围、信号源与负载阻抗是多少，输入输出电压的极性。对数字量编码的要求，是二进制、十进制，还是二进制的补码形式。系统的逻辑电平是TTL、DTL、高压CMOS、还是低压CMOS。系统允许的漏码。输入信号的特性是什么?采样信号是否经过滤波，以及信号的有限带宽频率。系统环境条件。,上一页,下一页,(2)D/A转换器设计要求：需要的分辨率、精度、线性度各是多少。逻辑电平及数码形式是什么，数据输入是串行还是并行方式。输出需要的电流形式还是电压形式，满刻度是多少。参考电压类型是什么，固定的、可变的、内部的还是外部的。输出电压是双极性，还是单极性。数字量接口的特性是什么，对速度有何要求，期望的数据变化间的最短时间是多少，系统要求数据刷新后到输出达到所期望的值的时间是多少。温度范围。,上一页,下一页,(3)A/D转换器设计要求：模拟输入范围，被测量信号的分辨率是多少。例如：10位、12位、14位、16位、18位等。线性误差需要多少，相对精度及刻度的稳定性是多少。在周围环境温度变化下，各种误差限制在什么范围内，在任何条件下是否允许漏码。完成一次转换需要的时间。系统电源稳定性的要求是多少，由于电源变化，引起的允许误差是多少。输入信号的特性是什么，是否为采样信号，是否经过滤波以及信号的最高频率。电源切断时是否损坏有源信号源的精度（对CMOS的多路开关是安全的，因当电源切断时，开关是打开的。而对于JFET开关是接通的，因此有损坏信号源的可能，应予注意）。,上一页,下一页,(4)采样保持器设计要求：输入信号范围是多少。多路通道切换率是多少，期望的采样保持器的采集时间是多少 所需精度（包括增益，线性度及偏置误差）是多少。在保持期间允许的电压下降是多少。通过多路开关及信号源的串联电阻的保持器，旁路电路引起偏差是多少。(5)时钟电路设计要求：时钟频率的大小选择：2 MHz、6 MHz、10 MHz等。时钟的频率与常用器件8255、8253、8254等应匹配。时钟的输出电压，精度应符合总体要求。(6)电路设计中注意的问题：接地。印刷电路板的布线。抗供电电源干扰。,上一页,下一页,三、A/D-D/A转换控制器应用程序设计,1.A/D-D/A转换控制器口地址的选用方法UA板有八个口地址可以编程操作，其中一个A/D数据口是16位的，其余为8位。通过对口地址的编程实现控制工作。表54为某一种口地址的功能表。2.A/D采集驱动程序设计(1)普通采集方式编程方法。(2)定时触发，自动通道扫描方式的编程。(3)使用FIFO自动数据采集编程。3.多通道高速数据采集程序设计(1)采集程序设计所用语言的选择。(2)采集程序设计分析。采集程序设计流程图如图525所示。(3)多路信号数据采集程序设计实例清单,上一页,下一页,图5-25 数据采集程序流程图,返回,4.多路输出计算机控制程序设计(1)计算机控制程序设计流程如图526所示。(2)计算机控制程序设计分析：函数初始化。变量初始化。A/D转换器初始化。输出控制信号程序。输出工作时间程序。I/O口输出电压控制程序设计：输出控制频率信号结束 控制程序结束：(3)多路输出信号控制程序设计实例清单：,上一页,下一页,返回,图5-26 A/D计算机控制程序流程图,习题与思考题,1 计算机控制系统由哪几部分组成？2 计算机控制接口单元有几种？分别说明应用何场合？3 计算机控制方法有几种？分别用于哪些场合？4 PLC可编程序控制器的主要特点？5 AK系列可编程序控制器的特点？6 单片机有哪几部分组成？如何达到设计要求？7 AK系列可编程控制器程序设计方法，举例说明。8 单片机控制程序设计方法，举例说明。9 举例说明采集程序设计方法。10 控制程序设计采用何种语言？为什么？11 AK系列可编程序控制器设计方法？12 单片机控制器设计方法？,上一页,返回,
