计算机技术电子教案

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1、 微型计算机控制技术（第三版）上海交通大学 谢剑英 贾青 编著国防工业出版社参考书微型计算机硬件软件及其应用周明德 编著 清华大学出版社单片微型计算机原理及其应用陈伟人 编著 清华大学出版社过程装备控制技术及应用王毅 主编 化学工业出版社第1章 计算机控制系统概述第2章 基本输入输出接口技术第3章 过程通道和数据采集系统第4章 程序控制和数值控制第5章 数字PID控制算法第1章 计算机控制系统概述1.1 一般概念1.2 计算机控制系统的一般组成1.3 典型应用方式1.4 典型工业受控对象1.5 国内外主要计算机控制设备介绍1.1.1 自动控制及微型机的概念自动控制系统由被控对象、检测和转换环节

2、、 控制器、执行器组成。开环和闭环控制系统的区别。（方框图）微处理器-计算机的运算器和控制器集成在一 个芯片上称为中央处理单元CPU。微处理器的改进主要表现在几个方面：字长、 速度、集成度。微型机-以微处理器为核心，配有存储器、输 入/输出接口电路及系统总线所构成的计算机。单片机-把CPU、存储器和接口电路集成在一 块芯片上。微处理器的发展第一代（从1971年开始）：4位，典型产 品有Intel4004、Intel4040、Intel8008。 第二代（从1973年开始）：8位，提高集 成度，提高功能和速度。Intel8088、 Zilog的Z-80、Motorola的6800。 第三代（从1

3、978年开始）：16位，第一 代超大规模集成电路微处理器。 第四代（1981年开始）：16位、32位。 2000年11月微处理器芯片进入64位时代 。微计算机的发展第一代（1971年1973年）：4位、低档8 位微型计算机。 第二代（1974年1978年）：中高档8位 机。Intel8080、MC6800、Z-80。 第三代（1978年1981年）：16位，8086 、Z8000、MC68000为CPU。 第四代（1981年1992年）：32位， 80386、80486、Pentium。 第五代（1993年以后）：64位Itanium。1.1.2 计算机控制系统由计算机执行控制器的作用，充分运

4、用计算机 强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力 。开环系统和闭环系统（方框图）计算机处理数字信号，需要模/数和数/模转换 器。计算机控制系统执行控制程序的过程：实时数 据采集、实时计算、实时控制、信息管理。实时、在线、离线的概念实时数据采集-对被控对象的瞬时值按一定的 采样周期进行检测并输入。实时计算-对采集到的表征被控参数的状态量 进行分析，并按已定的控制规律决定进一步的 控制过程。实时控制-根据实时计算结果，将控制信号作 用到控制的执行机构。信息管理-在控制系统中建立信息的共享和管 理。在线（联机）方式-生产过程设备直接与计算 机连接。实时控制-计算机在工艺要求的时间范围内及 时对被控

5、参数进行测量、计算和控制输出。1.1.3 计算机控制的发展1946年世界上第一台电子数字计算机ENICA问 世（图片） 20世纪50年代初，首先在化工生产中实现计算 机的自动测量和数据处理 1954年用计算机构成开环系统 1959年构成闭环计算机控制装置 1965年至1969年进入实用和开始逐步普及的阶 段 1970年进入大量推广和分级控制阶段 80年代后集散控制阶段 90年代后智能控制和现场总线控制系统1.1.4 传统控制系统和计算机控制 系统的不同特点传统控制系统的特点：控制器由模拟电 路构成，缺乏灵活性。 计算机控制系统的特点 由程序实现控制作用 采样控制方式 数字信号处理 综合处理和控

6、制 在线系统与实时系统1.1.5 计算机控制系统的构成方式单回路和多回路系统 集散控制系统（DCS）(框图) 计算机集成生产系统（CIPS） 现场总线控制系统（FCS）（FCS）FCS指应用在生产现场，在微机化测 量控制设备之间实现双向、串行、多节 点的数字通信系统，也称为开放式、数 字化、多点通信的底层控制网络。(图示)1.1.6 计算机控制系统的控制规律程序控制与数字程序控制 顺序控制 PID控制(控制器结构) 前馈控制(换热器的前馈控制) (比较)最优控制 自适应控制(控制系统)预测控制（控制系统） 智能控制：专家控制系统、模糊控制、 神经网络控制系统1.2 计算机控制系统的组成计算机控

7、制系统硬件计算机控制系统软件计算机控制系统的网络结构1.2.1 计算机控制系统硬件计算机主机：CPU和存储器（硬件框图）常规外部设备 输入设备：键盘、鼠标、数字化仪等 输出设备：显示器、打印机、记录仪等 存储设备：磁盘、磁带机等 输入输出通道：计算机和生产过程之间设 置的信息 传递和变换的连接通道。 外部设备：并行接口、串行接口、管理接 口（中断管理、DMA管理、计数/定时等 ） 运行操作台：人机对话1.2.2 计算机控制系统软件系统软件-提供计算机运行和管理的基 本环境，如DOS、Windows、WinNT、 UNIX等以及网络平台。应用软件-包括语言加工软件，如汇编 、编译软件和控制系统的

8、编程软件。1.2.3 计算机控制系统的网络结构按网络各节点之间的关系不同可分为两个大类对等式网络结构（peer-to-peer）：网络 中的两个节点都具有从底层到高层的所 有功能。客户机/服务器结构（client/sever）1.3 计算机控制系统的典型应用数据采集和监视系统：计算机不直接参与 过程控制。（数据采集框图）直接数字控制系统：直接参与闭环控制过 程。（DDC框图）监督控制系统：根据工况改变给定值。1、 SCC+模拟调节器形式2、SCC+DDC系统（监督控制框图） 分布式控制系统（集散控制系统）：分散 控制、集中管理、网络化。（DCS框图）1.4 典型工业受控对象连续过程-采用闭环控

9、制方式，以数值 控制为主。离散过程-采用开环控制方式，以逻辑 控制为主。以批次为主的过程-在一个批次内的生 产以连续过程为主，批次的转换以离散 过程为主。1.5 国内外主要计算机控制 设备介绍罗克韦尔自动化公司Honeywell的TDC3000Foxboro的I/AS基于PC总线的工业控制机第2章 基本输入输出接口技术2.1 MCS-51单片机的系统结构2.2 通用输入输出接口2.3 基本人机交互设备与计算机的接口2.4 打印机与微型计算机的接口2.1MCS-51单片机的系统结构振荡器及 定时电路CPU64KB总线 扩展控制中断中断控制并行口串入 串出4KB程序 存储器128B数据 存储器2个

10、16位 定时器/计 数器可编程I/O可编程串 行口2.2.1 接口的概念接口-指介于主机和外围设备之间的控 制逻辑部件。接口的作用 锁存-解决主机与外设工作速度不匹配问题 。 隔离-避免CPU和外设同时向数据总线输出 数据。 联络-保证每次信息传送收发双方都处于准 备就绪状态。 变换-当外设传送的信息不符合CPU要求时 ，需要通过接口电路进行变换。 接口的形式 通用接口-并行I/O接口、串行I/O接口、 DMA管理、中断管理、计数/定时器等。 专用接口-A/D、D/A、I/O多路转换器等。 I/O数据信号的种类 数据信息（双向）：包括数字量、模拟量、 开关量。 状态信息（单向）：由外设输入 控

11、制信息（单向）：CPU发送给外设 I/O接口的编址方式：独立编址、统一编 址 微处理管理I/O的方式：查询、中断、直 接存储器存取DMA程序查询方式-数据的传送靠程序来控 制。CPU定时查询外围设备的状态。外 设准备好即传送。 中断控制方式-当外设向CPU发出中断 请求，若这是CPU是开中断、中断允许 的话， CPU响应中断，保护断点和现场 ，然后转入中断源的中断服务程序执行 。同时清除中断请求触发器。当中断处 理完后恢复现场和断点，使CPU返回断 点，继续执行主程序。 直接存储器存取（DMA）方式-外围设 备和存储器之间直接进行数据传送， CPU脱离对总线的控制。2.2.2 基本可编程并行接

12、口并行接口-输入输出数据是按一个字或一个 字节的全部位数同时并行地传送。 Intel8255A是常用的通用并行I/O芯片。 Intel8255A有A、B、C三个8位的输入输出数据 端口，通常A口和B口作为数据端口，C口作为 控制或状态信息端口。 Intel8255A有三种工作方式：方式0是基本输入 输出方式；方式1是选通输入输出方式；方式2 是双向传送方式。端口A有方式0、1、2；端 口B只有方式0和1；端口C的高4位随端口A， 低4位随端口B。端口的工作方式通过控制字确定。 Intel8255A的应用实例（8255A应用接口图）可编程并行接口Intel8255A的方式控制字D0（B组：端口C

13、的下半部）-1=输入；0=输 出D1（B组：端口B）-1=输入；0=输出D2（B组）-方式选择：0=方式0；1=方式1D3 （A组：端口C的上半部）-1=输入；0=输 出D4 （A组：端口A）-1=输入；0=输出D5、 D6（ A组方式选择）-00=方式0；01=方 式1；1=方式2D7-置方式标志：1=有效。2.2.3 基本可编程串行接口串行接口-数据的输入输出只有一根通信电线 ，按通信规程约定的编码格式一位接一位的串 行传送。 Intel8251A是通用的同步/异步收发器。 Intel8251A分为五个部分：接收控制和接收器、 发送控制和发送器、调制和解调控制器、读/写 控制器、数据总线缓

14、冲器。 Intel8251A的工作方式（同步或异步、传送的波 特率、字符格式）由方式选择字确定。 Intel8251A 的方式控制字、命令控制字、状态 控制字。 Intel8251A的应用实例（8251A应用接口图）可编程串行接口Intel8251A的方式控制字D1、D0-波特率系数：00=同步方式，01=异步 x1，10=异步x16，11=异步x64。 D3、D2-字符长度：00=5位，01=6位，10=7 位，11=8位。 D5、D4-奇偶校验：x0=无校验，01=奇，11= 偶 D7、D6-（ D1、D000时，异步）帧控制： 00=不确定，01=1个停止位，10=1.5个停止位， 11

15、=2个停止位。 D7、D6-（ D1、D0=00时，同步）x0=内同步 ，x1=外同步，0x=2个同步字符，1x=单个同步 字符。可编程串行接口Intel8251A的命令字D0-TxEN，发送允许：1=允许，0=屏蔽 D1-DTR，数据终端准备好：1=迫使DTR输出 为0。 D2-RxE，接受允许：1=允许，0=屏蔽 D3-SBRK，送终止字符：1=迫使TxD为0，0= 正常工作。 D4-ER，错误标志复位：1=全部复位 D5-RTS，请求发送 D6-IR，内部复位 D7-EH，外部搜索方式：1=启动搜索同步字 符。可编程串行接口Intel8251A的状态字D0-TxRDY D1-RxRDY D2-TxE D3-PE：1=奇偶错误 D4-OE：1=溢出错误，在下一个输入字符为 可用前，CPU没有把字符读走。 D5-FE：帧错误（只用于异步方式），接受到 的字符格式不符合规定（例如缺少停止位等） D6-SYNDET D7-DSR2.3.1 键盘的基本结构