单片微机技术.docx
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单片微机技术
向膨胀罐内充入氮气,以防止热媒氧化。
(3)控制室内的S-32控制器
此控制器为美国POWELL公司生产的双回路可编程控制器,它具有4个模拟量输入、4个开关量输入,在两个主控制回路里分别有2个模拟量输出和2个开关量输出,它对来自现场的一次仪表的信号进行采集、显示和运算,并向受控设备发出指令。
二、热媒炉自控原理图分析
原理图见附图,具体分析如下:
(1)按下启炉按钮SB5,KA1线圈得电,KA1(4,7)闭和,燃烧器可以工作。
按下停炉按钮SB6,KA1线圈失电,KA1(4,7)断开,燃烧器停止工作。
(2)转动旋钮SA1,使b、c两点短接,此时燃烧器独立;反之,只有按下启炉按钮SB5后,KA1(4,7)闭合,b、c短接,燃烧器才可工作。
(3)若控制器S-32有报警产生,则DO-21输出24V电压,KA8线圈得电,KA8(5,8)闭合,则KT线圈得电,同时报警器HA发出铃声报警,指示灯HL6亮,并由KT常闭触点延时断开熄灭。
按下报警消音按钮SB7,KA2线圈得电,KA2(3,9)断开,HA消音。
(4)若燃烧器主阀投入,KA3线圈得电,KA3(1,7)断开,DI-23与DI-24信号正端断开;若燃烧器有报警,KA4线圈得电,KA4(4,7)闭合,KA4(2,8)断开,控制器得到燃烧器报警信号;若KA7(4,7)闭合,此时燃烧器正常工作,KA4(2,8)应闭合,控制器得到燃烧器正常工作信号
(5)差压开关PDSL-101动作:
则KA6线圈得电,KA6(4,7)闭合,控制器S-32(1#)的DI-21输入端得到信号,根据其内部程序在DO-21输出24V电压,KA8线圈得电,KA8(5,8)闭合产生声光报警,同时在显示面板上显示相应报警代码。
(6)入炉温度、出炉温度和热媒流量分别通过三个模拟量输入端子输入,经A/D转换,处理,在(1#)S-32控制器面板上显示,并由程序决定是否产生相应的报警。
(7)若控制器有报警输出,KA8线圈得电,KA8(1,7)断开,燃烧器控制线路的F1、F2两点断开,燃烧器停止工作;同样,若KA6(3,9)断开,F1、F2断开,燃烧器停止工作。
(8)排烟温度开关TSH-160动作:
KA5线圈得电,KA5(1,7)断开,控制器S-32(2#)的DI-22得到信号,并经RS-485串行通讯接口将该信号传送给1#控制器,发出声光报警,同时KA5(6,9)闭合,接通灭火电磁阀YV-260的电源。
(9)同6,油换热器出炉温度和水换热器出炉温度,分别通过模拟量输入端子输入,经A/D转换,处理,在(2#)S-32控制器面板上显示,并由程序决定是否产生相应的报警。
(10)根据油换热器出口温度检测值,S-32控制器经过PID运算,在模拟量输出端子AO-21输出4~20mA电流信号,去调节油换热器三通阀的开度,从而达到通过调节热媒流量,进而调节油换热器出口温度的目的。
思考题:
1.什么是开环控制?
2.什么是闭环控制?
3.工程上常常从哪几个方面来评价自动控制系统的总体精度?
4.按自动控制系统的功能分类可分为哪几种控制系统?
5.自动控制系统按元件特性分类可分为哪几种控制系统?
6.自动控制系统按照信号作用特点分类可分为哪几种控制系统?
7.自动控制系统按被控量来分类可分为哪几种控制系统?
8.自动控制系统按参考输入量分类可分为哪几种控制系统?
9.什么是时间顺序控制?
10.什么是条件顺序控制?
11.什么是顺序自动控制系统?
12.简述热媒炉自动控制原理。
第四章 单片计算机技术
第一节 单片计算机概述
教学内容:
单片计算机结构
在工业自动化系统中,单片计算机承担了智能化的任务。
由于单片计算机(简称单片机)在体积、功耗、价格和操作性能等方面的优势,它已得到广泛的应用。
单片机的典型结构如图4-1所示。
它在一块芯片上集成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器
ROM、定时/计数器和多种功能输入I/O,图4-1单片机典型结构
如并行I/O、串行I/O和A/D转换器等。
1.单片机的特点
(1)结构上大多采用Harvard结构,即数据存储空间与程序存储空间相互分离开来,而目前一般计算机常用的是VonNeumann结构,即数据与程序合用一个存储空间。
(2)单片机虽然主要作控制用,但单片机的功能是通用的,并不是功能单一的专用芯片。
它仍可以象微处理器那样广泛用于各个方面。
(3)单片机片内的RAM是作数据存储器,它用来存放需处理的随机数据,而不是当作高速数据缓冲器(Cache)来用。
2.单片机的CPU结构
单片机的CPU结构一般可分为两种:
一种是独立型的,如Intel公司的8048、8051、8096,Mostek公司的3870(F8)等,它们的结构及指令系统和原有系列的CPU有很大的不同;另一种是兼容型的,如Motoroia公司的6801,Rockweil公司的6500/1等,这一类单片机早期是把原有系列的CPU和相应的RAM、ROM、I/0接口芯片集成在一块芯片上,这样可与原有系列相兼容。
独立型CPU采用了面向控制的结构和指令系统,这样可以提高指令的执行速度和效率。
如htel公司的8051单片机为了适应控制所需的大量位操作,CPU中专门增加了一个布尔处理器,这样,用8051的指令来设计控制程序就十分方便。
兼容型单片机由于与原有的微处理器兼容,因此开发应用都十分方便,但是芯片的效率不及独立型单片机。
近来的兼容型单片机在与原有的微处理器相兼容的基础上,结构也有很大的改进。
如Rockweil公司的6500/21采用了双CPU,这样可以更好地处理外部异步工作问题,并克服了因单个CPU而存在多重高速中断的响应失效问题,这两个CPU都是增强型的6502,它们除了可以执行6502的原有指令外,还含有40条新指令(其中包括8位乘法指令)。
3.单片机存储器的结构
单片机中的RAM有片内RAM和片外RAM两类。
片外RAM的使用同一般微处理器的方式一样,当片内RAM不够用时,可以外接常用的2114、6116、6264等芯片。
单片机中的ROM有片内ROM(掩膜式ROM)、片内EPROM/EEPROM和外接EPROM/EEPROM等几种。
片内带掩膜式ROM的单片机适合定型的大批量产品,成本低;片内带EPROM的单片机适合于研制产品样机,允许设计者改进,新型的片内带EPROM的单片机都带有编程保密的特性,可以防止非法读出片内EPROM中的信息;片外接EPROM的单片机则能扩展较大容量的EPROM,但要把单片机有关的I/0端口用作数据和地址总线的缓冲器,这减少了单片机I/0端口的个数。
但由于外接EPROM的单片机价格便宜、使用方便、灵活,因此应用十分广泛。
随着EEPROM(电可改写的只读存储器)的广泛应用,EEPROM也集成在单片机内。
这样,不但给用户编程固化带来方便,也使用户不必担心关闭电源而丢失信息的问题。
一般单片机把数据存储器和程序存储器作为两个独立的存储空间分别进行寻址。
目前常用的单片机寻址范围可达64K字节以上,有的可为128K字节。
4.单片机输入输出的结构
(1)多功能的I/0。
早期的单片机有定时/计数器和并行I/0,进而发展到有串行I/0和A/D转换,后来发展到有PWM、DMA控制和高速输入输出部件HSI0。
单片机的指令系统一般都支持上述各种I/O操作。
(2)各种专用I/0。
有的单片机(特别是4位单片机)的I/O都带有特殊的功能:
如有的并行I/0直接带有LCD驱动器或荧光显示驱动器,有的则具有锁相、频率合成、字生和声音合成的功能,使单片机可以直接用在相应的应用系统中。
(3)快速的片外数据通路。
单片机的片外数据通路,早期仅通过并行I/0端口来实现,进而用串行I/0端口进行远程通讯。
目前有的单片机已增设DMA控制的功能,如Intel公司的UPI-452和Zilog公司的Super8等,UPI-452不仅有DMA控制,还有128字节FIFO缓冲器功能,可以直接与80286/80386进行数据传送。
5.单片机的软件
为了提高单片机指令的利用和执行的效率,大量使用的是汇编语言,单片机一般是借用其它通用微机系统(如IPM-PC机)来汇编编程,所以目前单片机所配备的汇编语言大多数是交叉汇编语言。
单片机上所使用的高级语言有两类:
一类是用来控制和执行相应的任务,它们都作为固件固化在单片机的ROM中,这类语言有BASIC和FORTH,如MCS-51和Z8系列都有固化上述两种语言的单片机。
另一类是用来编程的这类语言有PL/M和C,它们也是在其它通用微机上交叉编译来实现的。
另外,目前Intel等少数几家公司在单片机上配备了实时多任务执行软件(或MONITOR),如在8051单片机上配备了IRML51实时多任务操作系统,IRMX-81己应用于BITBUS分布式控制系统中。
第二节 寄存器及其扩展电路
教学内容:
8098单片机仅有256字节的片内RAM,并不能存放程序,也难以储存大量的数据。
因此,一般情况下,8098单片机应用系统需要为其配置片外存储器(ROM和RAM)。
这里简单介绍8098单片机应用系统中内外存储器的编址方法、存储器空间功能分析、存储器的控制与管理,CCR寄存器、片外存储器等内容。
存储器的编址方法
8098单片机采取片内数据存储器、片外程序存储器(ROM)和片外数据存储器(RAM)统一编址原则。
这一点,与MCS-51系列单片机不同。
8098单片机可寻址的存储器空间为
图4-2 存储器映象
64K字节。
存储器的地址分配见图4-2。
0000H一00FFH该区段是片内RAM的寻址范围,也可为片外存储器所用。
片内由特殊功能寄存器和寄存器文件两个部分组成,只能存储数据,不能存放程序。
片外用时,本空间一般只存放程序,常被开发系统使用,但因范围较小,程序长度受到限制。
0100H-lFFFH供外部存储器(程序或数据存储器)使用,也可以当作输入/输出端口I/0口)。
lFFFH-lFFEH这两个存储单元分别被定义为端口3(P3)与端口4(P4)的寄存器,仅在P3、P4作为并行1/0口时使用。
2000H—2011H该区段的18个单元供中断矢量用。
它们代表的单元内容为中断服务程
序入口地址。
例如,某中断服务程序的入口地址为2080H,它的低字节8OH可存于2000H单元,高字节2OH可存于2001H单元(一般规则:
偶数地址单元存放低字节;奇数地址单元存放高字节)。
2012H-207FH这段空间称为"工厂测试代码区",一般为芯片制造厂家所用。
其中的专用单元之一2018H叫做"芯'片配置字节",它与CCR寄存器密切相关,用来规定总线控制方式和就绪控制方式等。
用户可以使用该区段的全部单元。
2080H-3FFFH存储程序的主要空间。
当单片机复位时,总是从2080H开始执行初始化程序。
用户必须利用这个空间。
4000H一0FFFFH本空间分配给片外存储器(程序或数据存储器)使用,也可以作为输入'输出端口(I/O口)。
第三节 并行I/0接口电路
教学内容:
8098单片机的各个端口是它和外部交换信息的主要渠道。
而8098单片机为48引脚结
构,为了扩宽渠道,必须把PLH也作为并行输入/输出端口(I/O)使用。
并行I/O口电路见图4-3。
图中,P3口除作为数据总线使用外;还可以兼作并行I/0口。
当对P3或P4口进行读操作时,可使74LS138译码器的
或
,为低电平(低电平
有效),从而选中地址1FFFH或lFFH。
因为此时
与
或
同时有效,允许外部数据通过74LS244数据缓冲器而进入单片机。
当对P3或P4口进行写操作时,
或
亦有效。
又因此时有
与
或
同时有效,
图4-3重建P3、P4为并行I/0接口电路
单片机可通过74LS273和74LS05向片外输出数据。
选用74LS05作为输出口部件,目的是模仿8098芯片,P3、P4的漏极开路输出。
由于74LS05是集电极开路的反相器,输出信号经过之后被倒相一次,为了使最后输出信号与原信号极性一致,需要在地址锁存器74LS273的前面再加上一个反相器。
第四节 串行I/0接口电路
教学内容:
一、四种工作方式
在8098单片机的48个引脚中,TXD/P
可被设置为串行数据输出口;RXD/P
可被设置为串行数据输出口R×D/P2。
1可被设置为串行数据输入口。
此外,8098单片机内部还有三个寄存器[SP-CON/SP-STAT,SBUF(TX)/SBUF(RX),BAUD-RATE]专门为串行通信服务。
8098单片机串行I/0接口有四种工作方式。
方式0通常叫做移位寄存器方式,亦称同步方式。
移位寄存器里的数据并不能自行移位,它的动作受专门的信号控制,也就是说,要想移位寄存器工作,需要向其时钟输入端CLK送去移位脉冲,接收一个脉冲便移位一位,该脉冲由TXD端提供。
参与发送或接收的数据出入于RXD端。
用方式0传送的数据以8位二进制为一组,一次可以传送多组(数据场)。
组与组之间不出现其他代码。
移位寄存器运行时,每一组数据按照先低位后高位的顺序依次移出或移入。
其时序见图4-4。
图4-4串行接口方式0时序
方式1标准异步通信方式,数据格式如下:
一个起始位(低电平),8个数据位(先低位,后高位,即D0—D7),1个停止位(高电平)。
发送时,10位数据按照上述顺序从TXD端移出;接收时,也遵循该顺序从RXD端引入。
它们所需要的移位脉冲由8098单片机的内部时钟电路提供。
方式1的数据格式如图4-5所示。
图4-5串行接口方式1的数据格式
方式2异步通信方式,数据格式如下:
一个起始位(低电平),8个数据位(先低位、后高位,即D0一D7),一个可编程的第9数据位Ds,1个停止位(高电平)。
可见,它是11位二进制数为一组,收发数据时的出入端及其移位顺序和方式1相同。
方式2的数据格式如图4-6所示。
图4-6串行接口方式2、3的数据格式
方式3与方式2基本相同,其差异是:
在不设置奇偶校验的情况下,用方式3通信时,接收一方的串行接口电路,每得到一组数据便向自身的CPU申请中断,希望取走数据;而方式2则取决于收到的可编程第9数据位D8,D8=1时申请中断,Ds=0时禁止中断。
方式3的数据格式与方式2相同。
二、控制串行接口的三个专用寄存器
1.串行接口控制/状态寄存器SP-CON/SP-STAT
该寄存器中的高3位(D5-D7)为SP-STAT的内容。
低5位〈D。
一D4〉为SPCON的内容,其数据格式如图4-7所示。
该寄存器地址=llH。
2.串行接口数据缓冲器SBUF(TX)/SBUF(RX)
本寄存器地址=07H。
处于发送状态的计算机,其内部SBUF(TX)用于存放待发送的数据;处于接收状态的计算机,其内部的SBUF(RX)用于存放接收到的数据,可供自身的CPU读取。
不论是SBUF(TX)还是SBUF(RX),它们一旦变空或装满,便可向自身的CPU提出中断请求。
3.波特率寄存器BAUD-RATE
该寄存器地址为OEH。
在8098单片机内部,有一个波特率发生器(16位),其功能是产生数据通信所需要的波特率。
波特率发生器的运行状况是以波特率寄存器的内容为依据的。
虽然波特率寄存器为8位,但必须向其写入16位无符号数,其中最高位Dl5恒为1,用以说明波特率发生器的时钟由XTAL
端提供,Do~D14为无符号整数,用于决定波特率值。
图4-7SP-CON/SP-STAT的数据格式
第五节 定时器
教学内容:
一、定时器1
定时器1(TMR1)是16位硬件定时器,简称T1,地址=0AH。
Tl实际上也是一个16位计数器,只要8098单片机上电,便开始工作。
当其内容为OFFFFH再加上1时,T1溢出并等于零,然后又重新计数。
只要8098单片机处于通电状态,Tl总是这样周而复始地工作,不受任何其他因素干扰,也不允许以任何形式向它设置初值,因此,Tl又称为自由运动定时器。
Tl可以同时为单片机系统中的所有环节服务(如果需要它服务的话〉,为它们提供准确的定时值。
T1的当前值可以从TIMER1中读出,但只允许一次读出16位,而不能按字节分两次读取。
Tl的输入信号是系统时钟CLOCK(代号为T),每经历8T时间,T1的内容增1。
当8098单片机的晶体振荡器频率fOCS=12MHZ,系统状态周期T=3×1/12=025μs间,由此可以求出Tl的最长定时时间:
T1max=10000H×T=65536×0.25=163.84ms
T1溢出,可以产生定时器中断(若中断允许的话)。
如果我们利用软件来记录Tl中断的次数,那么,定时范围便可以扩大了,即
定时时间=中断次数×T1max
当TI溢出而发出的中断请求被CPU响应时,计算机开始执行中断服务程序,其入口地址由中断矢量2000H单元的内容决定。
单片机系统复位时,T1被清零。
二、定时器2
定时器2(TIMER2)是16位硬件定时器,简称T2,地址=0CH。
T2也是一个16位计数器,只要为其提供时钟源,T2即开始工作。
当其内容为OFFFFH再加上1时,T2溢出并等于零,然后又重新计数。
虽然T2也具有不可写的性质,但有别于TI。
它不是自由运行定时器,其时钟源也不由系统时钟CLOCK提供,而是从高速输入通道HSI引入计数脉冲。
脉冲的每次跳变(正跳变和负跳变)都使T2增1,因此,可以说T2是事件计数器。
T2当前值的读取方法与Tl相同。
T2的定时范围及其扩展使用方法也与Tl相同。
与TI比较,T2的复位方式具有较大灵活性,可供它复位的复位源有三种。
第六节 A/D及D/A转换器
教学内容:
一、模/数转换器工作原理
在8098单片机中,有两个专用寄存器与模/数转换器的工作情况直接相关,它们是A/D
命令寄存器和A/D结果寄存器。
1.A/D命令寄存器
A/D命令寄存器(AD一COMMAND)8位,地址=02H。
它的数据格式见图4-8。
AD-
COMMAND工作原理如下:
向02H单元写入一条命令仅能进行一个通道的A/D转换,若要多通道工作,必须分时
图4-8A/D命令寄存器
多次写入命令。
但应注意,当某次转换正在进行时,若又启动了另一次新的转换,将会使正在进行的转换撤消。
由于AD-COMMAND为双缓冲结构,当第一个命令启动的A/D转换正在进行时,第二个命令照样可以写入该寄存器中,但此命令必须是由HSO用规定的时刻启动,保证二个命令照样可以写入到该寄存器中,但此命令必须是由HSO所规定的时刻启动,保证上一次转换结束后再开始新的转换过程。
'
只要启动一次A/D转换,A/D结果寄存器便被清零。
鉴于此,存放于A/D结果寄存器中的某一次转换结果必须及时转换,不然,上一次结果未取走,后一次转换过程又开始,势必造成原来的结果无效。
2.A/D结果寄存器
A/D结果寄存器(AD-RESULF)长度16位,地址=02H、03H。
它的数据格式见图4-9所示。
该寄存器不能按字而只能按字节分两次读取。
一般采用查询方式或中断方式来判断
图4-9A/D结果寄存器
A/D转换是否已经结束。
(l)查询方式
10位ADC被启动后,CPU不断查询02H单元的D3位,若D3=0,证明转换完毕,应及时读取结果;反之,可以隔一段时间,再次查询。
显然,这种方式比较浪费CPU的时间。
为节约时间起见,可以在接近168T时开始测试02H单元的D3位以判断A/D转换是否完成。
(2)中断方式-
A/D转换结束时,自动提出中断请求,若CPU响应中断,便执行事先编制好的中断服务程序,读取转换结果并根据需要进行数据处理。
这种方式的优越性显而易见,但四个模拟量输入通道中,只有ACH7具备中断功能,所以,中断方式也有一定的局限性。
二、数/模转换器工作原理
8098单片机也具备数/模转换器(DAC)功能,不过,其模拟量的表现形式为宽度可变的脉冲波,亦称PWM波。
高速输出通道HSO可以产生PWM波,而端口2的第五位脚PWM/P2。
5也可以输出PWM波,这里介绍后者。
PWM/P2,5引脚输出的PWM波,其频率固定,而脉冲宽度取决于待转换的数字量。
PWM波的产生与IOC
和PWM一CONTROL两个专用寄存器有关。
1.输入/输出控制寄存器
输入/输出控制寄存器(IOC1)长度8位,地址=16H。
IOC1是一种只写寄存器,它的Do位IOC1,0,决定引脚PWM/2,5的功能。
当IOC1,0=1时,PWM/P2·5引脚可以输出PWM波,而当IOC1,0=0时,它只能输出开关信号。
2.脉冲宽度调制寄存器
脉冲宽度调制寄存器(PWM-CON-TROL)长度8位,地址=17H。
PWM-CONTKOL也是一种只写寄存器,写入数据后,PWM波的宽度随之而定。
因为该寄存器的内容只能在OOH-OFFH之间变化,所以PWM波宽度的可调节范围时一定的。
(1)PWM发生器及其工作原理
PWM发生器主要由PWM-CONTROL、8位循环计数器、比较器和RS触发器等组成,其结构框图见图4-10。
只要8098单片机上电后,8位循环计数器即开始工作。
每接收一个脉冲(系统状态时钟)便计数一次,当其内容为OFFH再加1时,发生溢出,RS触发器的S端被置1,引脚PWM/P2,5端变成高
电位。
图4-10PWM发生器
将某一个要转换的数字量写入到PWM-CONTROL中,其值不断地与8位循环计数器的内容比较,二者相等时,比较器向RS触发器的R端送去一个高电平脉冲,使PWM/P2,5端变为低电位。
由此可见8位循环计数器的内容控制PWM/P2,5端出现高电平的时间PWM-CONTROL控制PWM/P2,5端出现低电平的时间,二者相互配合便形成了宽度可变的脉冲波。
(2)PWM发生器的应用
在交流电机调速系统中,PWM的应用范围极广。
直流PWM技术是一个正在发展中的新领域,就中小容量范围而言,晶体管直流脉宽调速系统大有取代晶闸管直流调速之势。
以PWM发生器为基础的交流变频技术,近年来取得了极大的发展。
如果将8098单片机PWM/P2·5引脚输出的脉冲信号送至一个功率放大器,然后加在直流电机的电上,只要PWM波的宽度发生变化,便能调节电机转速。
第七节高速输入通道HSI
教学内容:
一、高速输入通道HSI的结构
HIS部件的结构见图4-11。
图4-11HSI部件的结构
二、高速输入通道EISI工作原理
跳变检测器按照HSLMODE寄存器规定的工作方式对HSI
~HSI
四个通道的输入信号进行监视与检测(每个时钟周期T内自动检测一次),并将有关引脚电平状态的检测结果送至HSI-STATUS的各个对应奇数位,同时,还将有关事件是否已经发生的信息送入FIFO单元(T
的当前值也一起进入)。
先进先出FIFO单元是一个存储区,可以按照事件发生的先后顺序存放7条记录,每条记录为20位数据(事件是否发生占据4位,T
的当前值占据16位)。
保持寄存器是一个20位的寄存器,可以存放一个事件的记录。
只要保持寄存器为空,FIFO单元中的第一个事件(最先进入FIFO区内的事件)便进入保持寄存器,随后的其它事件依次前移。
若FIFO单元和保持寄存器均满,新出现的事件因进入不了FIFO区域而被丢失。
保持寄存器中有关事件是否已经发生的信息进入HSI-STATUS的各偶数位,它们与前述四个奇数位的内容组合成为8位数据。
当我们依次读取HIS-STATUS和HSI-TIME的内容后,保持寄存器变空,FIFO单元中的队列前移,最前面的一条记录进入保持寄存器,最后面的一个空间可以接收新的事件信息。
三、HSI部件的中断功能
当IOC1。
7=1时,FIFO存储区装
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