第六章 计算机控制及接口技术
第六章计算机控制及接口技术
机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着系统的先进性和智能特性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如，卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。
第一节概述
一、计算机控制系统的组成
将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图6-1所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。
图6-1 计算机控制系统基本框图
在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。
典型的机电一体化控制系统结构可用图6-2来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。
（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。
（2）操作台是人—机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CRT显示器等。
（3）通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、软盘、硬盘及外存储器等。
图6-2 典型计算机控制系统的组成框图
（4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中模拟量I/O通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。
（5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如0~10mADC）。
此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。
软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。
系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。
应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。
在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。
二、计算机在控制中的应用方式
根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。
1、操作指导控制系统
如图6-3所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机只
是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作方案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输出的控制量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制。
图6-3 计算机操作指导控制系统示意图
2、直接数字控制系统
直接数字控制DDC（Direct Digital Control）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构如图6-4所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。
图6-4 直接数字控制系统
在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID（比例、积分、微分）调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。
3、监督计算机控制系统（SCC）
在监督计算机控制（Supervisory Computer Control）系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC 计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图6-5所示。
（1）SCC加上模拟调节器的控制系统
这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC 计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务。
图6-5 监督计算机控制系统构成示意图
a）SCC＋模拟调节器系统b）SCC＋DDC系统
（2）SCC加上DDC的控制系统
这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC 计算机执行控制。
通常在SCC系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。
4、分级计算机控制系统
生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图6-6是一个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。
图6-6 计算机分级控制系统
三、典型机电一体化控制系统
1、计算机过程控制系统
用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。图6-7介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧调节。
2、微型计算机控制的电动机调速系统
由于微型计算机具有极好的快速
运算、信息存储、逻辑判断和数据处
理能力，电动机调速系统中的许多控
制要求很容易在计算机中实现。例如，
变流装置的非线性补偿，起动和调速
时选用不同的控制方式或不同的控制
参数，四象限运行时的逻辑切换，在
PWM 型逆变器、交—交变频或某些
生产机械传动控制中要求的电压、电
流基准曲线等。由于采用计算机控制，
可大大提高系统的性能。
图6-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和电流调节器均由计算机实现。
图6-8 计算机控制的双闭环系统
3、计算机数字程序控制系统
采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制系统中。
所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序（或现场输入条件等）而顺序动作的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序控制器（PC或PLC）。可编程序控制器使用方便，可靠性高，应用广泛。
所谓数字程序控制系统是指能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的自动控制系统。数字程序控制系统（通常简称数控）一般用于机床控制系统中，这类机床被称为数控机床。
目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹可以分为点位控制系统和轮廓（轨迹）控制系统。点位控制系统中，被控机构（如刀具）在移动中不进行加工，对运动轨迹没有具体要求，只要能准确定位即可，它适用于数控钻床、冲床等类机床的控制。轮廓控制系统中，被控机构按加工件的设计轮廓曲线连续地移动，并在移动中进行加工，最终将工件加工成所需的形状，它适用于数控铣床、车床、线切割机、绣花机等机床和生产机械的控制。
在图6-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。
图6-9 简单机床数字程序控制系统构成框图
4、工业机器人
工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，它主要由控制器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉等外部反馈信息进行感知、理解、决策，并及时按要求驱动运动装置、语音系统完成相应任务。图6-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计算机，就没有现代的工业机器人。
图6-10 智能机器人的一般结构
第二节工业控制计算机
工业控制计算机是用于工业控制现场的计算机，它是处理来自检测传感器的输入信息，并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。应用于工业控制的计算机主要有单片微型计算机、可编程序控制器（PLC）、总线工控机等类型。
根据机电一体化系统的大小和控制参数的复杂程度，我们可以采用不同的微型计算机。对于小系统，一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单片机或可编程控制器就能满足控制要求。对于数据处理量大的系统，则往往采用基于各类总线结构的工控机，如STD 总线工控机、IBM-PC总线工控机、Multibus工控机等。对于多层次、复杂的机电一体化系统，则要采用分级分步式控制系统，在这种控制系统中，根据各级及控制对象的特点，可分别采用单片机、可编程控制器、总线工控机和微型机来分别完成不同的功能。
一、工业控制计算机的特点及要求
由于工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特点和要求。
1、实时性
实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。为满足实时控制要求，通常既要求从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时地监视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时处理。因此，工业控制计算机应具有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。
2、高可靠性
工业控制计算机通常控制着工业过程的运行，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正确控制。另外，许多用于工业现场工业控制机，环境恶劣，震动、冲击、噪声、高频辐射及电磁波干扰往往十分严重，以上这一切都要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均无故障间隔时间。
3、硬件配置的可装配可扩充性
工业控制计算机的使用场合干差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是与现场相联接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。
4、可维护性
工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施，保证发生故障时故障不会扩散，这也可使故障定位变得容易。
作为计算机控制系统的设计者，应根据机电一体化系统（或产品）中的信息处理量、应用环境、市场状况及操作者特点经济合理优选的工业控制机产品。
二、单片微型计算机
单片微型计算机简称为单片机，它是将CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一块芯片上，同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。自1976年Intel公司首片单片机问世以来，随着集成电路制造技术的发展，单片机的CPU依次出现了8位和16位机型，并使运行速度、
存储器容量和集成度不断提高。现在比较常用的单片机一般具有数十K的闪存、16位的A/D及看门狗等功能，而各种满足专门需要的单片机也可由生产厂家定做。
单片机以其体积小、功能齐全、价格低等优点，越来越被广泛地应用在机电一体化产品中，特别是在数字通信产品、智能化家用电器和智能仪器领域，单片机以其几元到几十元人民币的价格优势独霸天下。由于单片机的数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，它一般只能辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。
单片机的生产厂家和种类很多，如：美国Intel公司的MCS系列、Zilog公司的SUPER系列、Motolora公司的6801和6805系列，日本National公司的MN6800系列、HITACHI公司的HD6301系列等，其中Intel公司的MCS单片机产品在国际市场上占有最大的份额，在我国也获得最广泛的应用。下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。
1、MCS—48单片机系列
MCS—48系列是8位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、8035等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是：（1）8位CPU，工作频率1~6MHz
（2）64字节RAM数据存储器，1K字节程序存储器
（3）5V电源，40引脚双列直插式封装
（4）6MHz工作频率时机器周期为2.5μs，所有指令为1~2个机器周期：
（5）有96条指令，其中大部分为单字节指令；
（6）8字节堆栈，单级中断，2个中断源
（7）两个工作寄存器区
（8）一个8位定时/计数器
2、MCS—51单片机系列
MCS—51系列比48系列要先进得多，也是市场上应用最普遍的机型。它具有更大的存储器扩展能力、更丰富的指令系统和配置了更多的实用功能。MCS—51单片机也是8位的单片机，该系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是：
（1）8位CPU，工作频率1~12MHz
（2）128字节RAM数据存储器，4K字节ROM程序存储器
（3）5V电源，40引脚双列直插式封装
（4）12MHz工作频率时机器周期为1μs，所有指令为1~4个机器周期：
（5）外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器；
（6）2级中断，5个中断源
（7）21个专用寄存器，有位寻址功能
（8）2个16位定时/计数器，1个全双工串行通讯口
（9）4组8位I/O口
3、MCS—96单片机系列
MCS—96系列是16位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，硬件和指令系统的设计上较8位机有很多不同之处。MCS—96单片机系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多种机型。其主要特点是：
（1）16位CPU，工作频率6~12MHz
（2）232字节RAM数据存储器，8K字节ROM程序存储器
（3）48和68两种引脚，多种封装形式
（4）高速I/O接口，能测量和产生高分辨率的脉冲（12MHz时是2μs），6条专用I/O，2条
可编程I/O；
（5）外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器；
（6）可编程8级优先中断，21个中断源
（7）脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号
（8）2个16位定时/计数器，4个16位软件定时器
（9）5组8位I/O口
（10）10位A/D转换器，可接受4路或8路的模拟量输入
（11）6.25μs的16位乘16位和32位除16位指令
（12）运行时可对EPROM编程，ROM/EPROM的内容可加密
（13）全双工串行通讯口及专门的波特率发生器
另外一种16位的单片机是8098单片机，其内部结构和性能与8096完全一样，但外部数据总线却只有8位，因此是准16位单片机。由于8098减少了I/O线，其外形结构简化，芯片的制造成本降低，因此应用非常广泛。MCS—98单片机系列主要有8398、8798等几种机型。
三、可编程序控制器（PC）
在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC（Programable Logic Controller）。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC（Programable Controller）。
图6-11是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号由按扭开关、限位开关、继电器触点等提供各种开关信号，并通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。
图5-11 PLC逻辑控制电路
目前，世界上生产PC的工厂有上百家，总产量已达千万台的数量级，其中通用电气、德克萨斯仪器、Honey-well、西门子、三菱、富士、东芝等公司的产品最为著名，这些公司为开拓市场，竞争十分激烈，竞相发展新的机型系列。而我国在PC技术上，不论是PC的制造水平，还是使用PC的广度与深度，与发达国家相比差距仍比较大。
1、PC的组成原理
PC实际上是一个专用计算机，它的结构组成与通用微机基本相同，主要包括：CPU、存储器、
接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PC的各主要部分。
（1）CPU 与通用微机CPU一样，它按PC的系统程序的要求，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入输入状态表或数据寄存器中；诊断电源、内部电路的故障和编程过程中的语法错误等。PC进入运行状态后，从存储器逐条读入用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务产生相应的控制输出，去启动有关的控制门电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作；完成用户程序规定的逻辑和算术运算等任务；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态表的位状态和数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印和数据通信等内容。
PC的运行方式是采取扫描工作机制，这是和微处理器的本质区别。扫描工作机制就是按照定义和设计的要求连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在PC 的典型扫描机制中，I/O服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描周期。根据不同的PC扫描周期一般为10~100ms。在多数PC中，都设有一个“看门狗”计时器，测量每一次扫描循环的长度，如果扫描时间超过预设的长度（例如150~200ms），系统将激发临界警报。参考图6-12，在同步扫描周期内，除I/O扫描之外，还有服务程序，通信窗口，内部执行程序等。
图6-12 PLC的扫描工作机制
（2）存储器存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序存储器的作用是存放监控程序、命令解释、功能子程序、调用管理程序和各种系统参数等。系统程序是由PC生产厂家提供的，并固化在存储器中。
用户存储器的作用是存储用户编写的梯形逻辑图等程序。用户程序是使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。PC产品说明中提供的存储器型号和容量一般指的是用户程序存储器。
（3）接口模块它是CPU与现场I/O装置和其他外部设备之间的连接部件。PC是通过接口模块来实现对工业设备或生产过程的检测、控制和联网通信。各个生产厂家都有各自的模块系列
供用户选用。PLC模块包括：如下几种类型：
1）数字量I/O模块：完成数字量信号的输入/输出，一般替代继电器逻辑控制。数字量输入模块的技术指标有：输入点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输入电压和输出电流等；数字量输出模块的技术指标有：输出形式、输出点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输出电流、响应时间和开路端电流等。
2）模拟量I/O模块：控制系统中，经常要对电流、电压、温度、压力、流量、位移和速度等模拟量进行信号采集和输入给CPU进行判断和控制，模拟量输入模块就是用来将这些模拟量输入信号转换成PC能够识别的数字量信号的模块，模拟量输入模块的技术指标包括：输入点数、隔离方式、转换方式、转换时间、输入范围、输入阻抗和分辨率等。模拟量输出模块就是将CPU输出的数字信息变换成电压或电流对电磁阀、电磁铁和其他模拟量执行机构进行控制，它的技术指标包括：输出点数、隔离方式、转换时间、输出范围、负载电阻和分辨率等
3）专用和智能接口模块：上述的接口模块都是在PC的扫描方式下工作的，能满足一般的继电器逻辑控制和回路调节控制，然而对于同上位机通信、控制CRT和其他显示器、连接各种传感器和其他驱动装置等工作需要专门的接口模块完成。专用和智能接口模块主要有：扩展接口模块、通信模块、CRT/LCD控制模块、PID控制模块、高速计算模块、快速响应模块和定位模块等（4）编程器为用户提供程序的编制、编辑、调试和监控的专用工具，还可以通过其键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话功能。各个厂家为自己的PC提供专用的编程器，不同品牌的PC编程器一般不能互换使用。
（5）外部设备一般PC都可以配置打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕显示器等外围设备。
2、PC的性能特点
（1）存储器可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM。
（2）数字量输入/输出端子具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数多少是决定PC的控制规模的主要参数。
（3）计数器和定时器在PC的逻辑顺序控制中，替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计数继电器。
（4）标志（软继电器）在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分的标志具有保持作用。
（5）平均扫描时间指扫描用户程序的时间，决定了PC的控制响应速度。
（6）诊断由通电检查和故障指示的软件完成
（7）通信接口一般采用RS232接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。
（8）编程语言一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立的控制系统流程图和顺序功能图等语言。
除上述一般特性外，高性能的PC还具有下列特性：
（9）数据传送和矩阵处理功能可以满足工厂管理的需要。
（10）PID调节功能备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制的要求。
（11）远程I/O功能输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和系统成本。
（12）图形显示功能借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。方便操作者监控系统的运行。
（13）冗余控制控制系统设计中，备用一台同样的PC系统作为待机状态，当原系统出现故
障时，系统会自动切换，使待机的PC投入运行，从而提高控制的可靠性。
（14）网络功能通过数据通道与其他数台PC连接或与管理计算机连接，以构成控制网络，实现大规模生产管理系统。
3、PC的结构特点
PC的结构分成单元式和模块式两种。
（1）单元式特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。它是将所有的电路都装在一个机箱内，构成一个整体。为了实现输入输出点数的灵活配置和易于扩展，通常都有不同点数的基本单元和扩展单元，其中某些单元为全输入和全输出型。
（2）采用积木式组成方式在机架上按需要插上CPU、电源、I/O模块、及各种特殊功能模块，构成一个综合控制系统。这种结构的特点是CPU与各种接口模块都是独立的模块，因此配置很灵活，可以根据不同的系统规模要求选用不同档次的CPU等各种模块。由于不同档次模块的结构尺寸和连接方式相同，对I/O点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维护都非常方便。目前大的PC控制系统均采用该种结构。这种结构形式的PC除了各种模块外，还需要用主基板、扩展基板及基板间连接电缆将各模块联成整体。
四、总线工控机
总线工控机是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机，它具有丰富的过程输入/输出接口功能、迅速响应的实时功能和环境适应能力。总线工控机的可靠性较高，如：STD总线工控机的使用寿命达到数十年，平均故障间隔时间（MTBF）超过上万小时，且故障修复时间（MTTR）较短。总线工控机的标准化、模板式设计大大简化了设计和维修难度，且系统配置的丰富的应用软件多以结构化和组态软件形式提供给用户，使用户能够在较短的时间内掌握和熟练应用。
下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。
1、STD总线工业控制机
STD总线最早是由美国的Pro-log公司在1978年推出的，是目前国际上工业控制领域最流行的标准总线之一，也是我国优先重点发展的工业标准微机总线之一，它的正式标准为IEEE—961标准。按STD总线标准设计制造的模块式计算机系统，称为STD总线工业控制机。
开发STD总线的最初目的是为了推广一个面向工业控制的8位机总线系统。STD标准可以支持几乎所有的8位处理机。如Intel的8080，Motorola的6800，Zilog公司的Z80，Nationnal公司的NSC800等。在16位机大量生产之后，改进型的STD总线可支持16位处理机，如8086，68000，80286等。为了进一步提高STD总线系统的性能，新近已推出了STD32位总线。
图6-13 用STD总线工业控制机组成的计算机控制系统
STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是STD总线工业控制机设计思想中最突出的特点，其系统组成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据需要，通过对模板的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象、不同生产规模的生产过程的工业控制机。现在STD工业控制机已广泛应用于工业生产过程控制、工业机器人、数控机床、钢铁冶金、石油化工等各个领域，成为我国中小型企业和传统工业改造方面主要的机型之一。
典型STD总线工控机系统的构成如图6-13所示，其突出特点是：模块化设计，系统组成、修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制软件开发的难度大幅降低。因此，在用STD总线进行控制系统设计的主要硬件设计工作是选择合适的标准化功能模板，并将这些模板通过STD总线连接成所需的控制装置。下面分别介绍各种模板的特点。
（1）数字量I/O模板数字量I/O模板用于处理开关信号的输入和输出，其主要功能是滤波、电平转换、电气隔离和功率驱动等。工业上常用的开关信号有BCD码、计数和定时信号、各种开关的状态、指示灯的亮和灭、晶闸管的导通和截止、电动机的启动和停止等等。这些开关
信号可通过数字量I/O模板经总线与CPU模板相连。针对不同的开关信号，有各种各样的数字量I/O模板可供选用。图6-14是一种典型的数字量I/O模板电路原理。
图6-14 数字量I/O模板原理框图
（2）模拟量I/O模板模拟量I/O模板用于处理模拟信号的输入和输出，其主要功能是对微处理机和被控对象之间的模拟信号进行A/D和D/A转换。STD总线工控机也有多种多样的模拟量I/O模板可供选用，图6-15所示是一种光电隔离型A/D模板的结构示意图，D/A模板的结构与之类似。在模板选用时主要考虑系统中信号的最高频率、电平范围、信号数量等参数及系统对信号的转换速度、精度及分辨率等要求，以既满足控制系统需要又不造成过大的浪费为原则。
图6-15 光电隔离型A/D模板的结构示意图
（3）信号调理模板信号调理模板用于在传感器与A/D转换器之间、D/A转换器与执行元件之间对信号进行调理，其主要功能有非电量转换、信号形式变换、信号放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等。典型的信号调理模板产品有热电偶、热电阻、I/V（电流/电压）转换、前置放大板、隔离放大板等。图6-16是信号调理模板的应用事例。信号调理模板应根据传感器与执行机构的要求来匹配，并应充分地考虑信号的信噪比、放大增益的可调范围、零点的调整方法、滤波的通带增益和阻带衰减率等参数。
图6-16 信号调理模板应用
（4）CPU模板STD总线所支持的微处理器有Z80、8080、8086、80286、80386、80486以及MCS51/96系列单片机等。选用时应根据所设计的控制方法的复杂程度、计算工作量、采样周期等来情况选择合适字长和执行速度的CPU模板，或选择带有专门算法或DMA（直接存储器存取）通道的CPU模板。
（5）存储器模板CPU板上一般都有一定容量的工作存储器，但有些控制系统往往还需要选用专用的存储器扩展插件，如有电池支持的RAM插件、EPROM插件、EEPROM插件等。存储器的扩展应根据控制系统的程序量、需存储的数据量以及程序和数据存储和运行方式来合理选择。
（6）其它特殊功能模板STD总线工控机还可提供多种具有特殊功能的模板，如步进电机和伺服电机控制模板、机内仪表和远程仪表接口模板等。当系统中有该类控制时，应优先选用特殊功能模板，以减少硬件设计工作量和获得较高的性价比。
STD总线工控机系统的设计除简单的硬件设计外，主要是软件设计。STD总线工控机上可以运行多种丰富的支持软件，如STD-DOS（一种与MS-DOS兼容，专用于STD总线工控机的操作系统）、ROM-DOS（一种与MS-DOS兼容，并吧DOSAA代码固化在EPROM中运行的操作系统）、VRTX嵌入式实时多任务操作系统等，并提供丰富的标准算法程序库，因此软件的开发也是相对比较容易的，通常只需开发适用于所设计的控制系统的应用软件即可。应用软件开发的主要工作是：借助于支持软件提供的各种开发工具，利用程序库中所提供的各种标准计算和控制算法程序，针对所设计系统的特点和要求，开发专用的接口软件，将选用的各种标准模块和算法程序连接和拼装成所需的控制系统应用软件。
2、PC总线工业控制机
IBM公司的PC总线微机最初是为了个人或办公室使用而设计的，它早期主要用于文字处理、或一些简单的办公室事务处理。早期产品基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。大底板上具有8088处理器，加上一些存储器，控制逻辑电路等。加入I/O扩充槽的目的是为了外接一些打印机、显示器、内存扩充和软盘驱动器接口卡等。
随着微处理器的更新换代，为了充分利用16位机如Intel80286等的性能，通过在原PC总线
的基础上增加一个36引脚的扩展插座，形成了A T总线。这种结构也称为ISA（Industry Standard Architecture）工业标准结构。
PC/A T总线的IBM兼容计算机由于价格低廉，使用灵活，软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一。一些公司研制了与PC/A T总线兼容的诸如数据采集、数字量、模拟量I/O等模板，在实验室或一些过程闭环控制系统中使用。但是未经改进的PC/A T总线微机，其设计组装形式不适于在恶劣工业环境下长期运行。比如，PC/A T总线模板的尺寸不统一、没有严格规定的模板导轨和其他固定措施，抗振动能力差；大底板结构功耗大，没有强有力的散热措施，不利于长期连续运行；I/O扩充槽少（5～8个），不能满足许多工业现场的需要。
为克服上述缺点，使PC/A T总线微机适用于工业现场控制，近几年来许多公司推出了PC/A T 总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进：
（1）机械结构加固，使微机的抗振性好。
（2）采用标准模板结构。改进整机结构，用CPU模板取代原有的大底板，使硬件构成积木化，便于维修更换，也便于用户组织硬件系统。
（3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。
（4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。
（5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。
采用PC总线工业控制机有许多优点，尤其是支持软件特别丰富，各种软件包不计其数，这可大大减少软件开发的工作量，而且PC机联网方便，容易构成多微机控制与管理一体化的综合系统、分级计算机控制系统和集散控制系统。
表6-1给出了三种常用工业控制计算机的性能比较关系。
表6-1 三种常用工业控制计算机的性能比较
第三节计算机接口技术
计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外围设备，一类是常规外围设备，如键盘、CRT显示器、打印机、磁盘机等；另一类是被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。由于计算机存储器的功能单一（保存信息）、品种有限（ROM、RAM）、存取速度与CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接连接到CPU总线上。而外围设备种类繁多，有机械式、机电式和电子式；有的作为输入设备、有的作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。因此，仅靠CPU及其总线是无法承担上述工作的，必须增加I/O接口电路和I/O通道才能完成外围设备与CPU的总线相连。I/O接口是计算机控制系统不可缺少的组成部分。
一、接口、通道及其功能
1、I/O接口电路
I/O接口电路也简称接口电路。它是主机和外围设备之间交换信息的连接部件（电路）。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。接口电路主要作用如下：（1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题
主机的CPU是高速处理器件，比如8086-1的主频为10MHz，1个时钟周期仅为100ns，一个最基本的总线周期为400ns。而外围设备的工作速度比CPU的速度慢得多。如常规外围设备中的电传打字机传送信息的速度是毫秒级；工业控制设备中的炉温控制采样周期是秒级。为保证CPU的工作效率并适应各种外围设备的速度配合要求，应在CPU和外围设备间增设一个I/O接口电路，满足两个不同速度系统的异步通信联络。
I/O接口电路为完成时序配合和通信联络功能，通常都设有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。通过接口电路，CPU通常采用查询或中断控制方式为慢速外围设备提供服务，就可保证CPU和外围设备间异步而协调的工作，既满足了外围设备的要求，又提高了CPU 的利用率。
（2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题
CPU是按并行处理设计的高速处理器件，即CPU只能读入和输出并行数据。但是，实际上要求其发送和接收的数据格式却不仅仅是并行的，在许多情况下是串行的。例如，为了节省传输导线，降低成本，提高可靠性，机间距离较长的通信都采用串行通信。又如，由光电脉冲编码器输出的反馈信号是串行的脉冲列，步进电动机要求提供串行脉冲等等。这就要求应将外部送往计算机的串行格式的信息转换成CPU所能接收的并行格式，也要将CPU送往外部的并行格式的信息转换成与外围设备相容的串行格式，并且要以双方相匹配的速率和电平实现信息的传送。这些功能在CPU控制下主要由相应的接口芯片来完成。
（3）解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题
即使是CPU和某些外围设备之间仅仅进行并行格式的信息交换，一般也不能将各种外围设备的数据线、地址线直接挂到CPU的数据总线和地址总线上。这里主要存在两个问题，一是CPU 总线的负载能力的问题：二是外围设备端口的选择问题。因为过多的信号线直接接到CPU总线上，必将超过CPU总线的负载能力，采用接口电路可以分担CPU总线的负载，使CPU总线不致于超负荷运行，造成工作不可靠。CPU和所有外围设备交换信息都是通过双向数据总线进行的，如果所有外围设备的数据线都直接接到CPU的数据总线上，数据总线上的信号将是混乱的，无法区分是送往哪一个外围设备的数据还是来自哪一个外围设备的数据。只有通过接口电路中具有三态门
的输出锁存器或输入缓冲器，再将外围设备数据线接到CPU数据总线上，通过控制三态门的使能（选通）信号，才能使CPU的数据总线在某一时刻只接到被选通的那一个外围设备的数据线上，这就是外围设备端口的选址问题。使用可编程并行接口电路或锁存器、缓冲器就能方便的解决上述问题。
此外，接口电路可实现端口的可编程功能以及错误检测功能。一个端口通过软件设置既可作为输入口又可作为输出口，或者作为位控口，使用非常灵活方便。同时，多数用于串行通信的可编程接口芯片都具有传输错误检测功能，如可进行奇/偶校验、冗余校验等。
2、I/O通道
I/O通道也称为过程通道。它是计算机和控制对象之间信息传送和变换的连接通道。计算机要实现对生产机械、生产过程的控制，就必须采集现场控制对象的各种参量，这些参量分两类：一类是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，如温度、压力、流量、速度、位移等。另一类是数字量（或开关量），即时间上和数值上都不连续的量。如表示开关闭合或断开二个状态的开关量；按一定编码的数字量和串行脉冲列等。同样，被控对象也要求得到模拟量（如电压、电流）或数字量两类控制量。但是如前所述，计算机只能接收和发送并行的数字量，因此，为使计算机和被控对象之间能够连通起来，除了需要I/O接口电路外，还需要I/O通道，由它将从被控对象采集的参量变换成计算机所要求的数字量（或开关量）的形式，送入计算机。计算机按某一数学公式计算后，又将其结果以数字量形式或转换成模拟量形式输出至被控制对象，这就是I/O 通道所要完成的功能。
应当指出，I/O接口和I/O通道都是为实现主机和外围设备（包括被控对象）之间信息交换而设的器件，其功能都是保证主机和外围设备之间能方便、可靠、高效率的交换信息。因此，接口和通道紧密相连，在电路上往往结合在一起了。例如，目前大多数大规模集成电路A/D转换器芯片，除了完成A/D转换，起模拟量输入通道的作用外，其转换后的数字量保存在片内具有三态输出的输出锁存器中，同时具有通信联络及I/O控制的有关信号端，可以直接挂到主机的数据总线及控制总线上去，这样A/D转换器也就同时起到了输入接口的作用，有的书中把A/D转换器也统称为接口电路。大多数集成电路D/A转换器也一样，都可以直接挂到系统总线上，同时起到输出接口和D/A转换的作用。但是在概念上应当注意到两者之间的联系和区别。
二、I/O信号的种类
在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类。
1、数据信息
数据信息是主机和外围设备交换的基本信息，通常是8位或16位的数据，它可以用并行格式传送，也可以用串行格式传送。数据信息又可以分为数字量、模拟量、开关量和脉冲量。
（1）数字量数字量是指由键盘、磁盘机、拨码开关、编码器等输入的信息，或者是主机送给打印机、磁盘机、显示器、被控对象等的输出信息。它们是二进制码的数据或是以ASCII码表示的数据或字符（通常为8位的）。
（2）模拟量来自现场的温度、压力、流量、速度、位移等物理量也是一类数据信息。一般通过传感器将这些物理量转换成电压或电流，电压和电流仍然是连续变化的模拟量，要经过A/D 转换变成数字量，最后送入计算机。反之，从计算机送出的数字量要经过D/A转换，变成模拟量，最后控制执行机构。所以模拟量代表的数据信息都必须经过变换才能实现交换。
（3）开关量开关量表示两个状态，如开关的闭合和断开、电动机的启动和停止、阀门的打开和关闭等。这样的量只要用一位二进制数就可以表示。
（4）脉冲量它是一个一个传送的脉冲列。脉冲的频率和脉冲的个数可以表示某种物理量。
如检测装在电机轴上的脉冲信号发生器发出的脉冲，可以获得电机的转速和角位移数据信息。
2、状态信息
状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设备所处的工作状态的信息。它作为两者交换信息的联络信号。输入时，CPU读取准备好（READY）状态信息，检查待输入的数据是否准备就绪，若准备就绪则读入数据，未准备就绪就等待。输出时，CPU读取忙（BUSY）信号状态信息，检查输出设备是否已处空闲状态，若为闲状态则可向外围设备发送新的数据，否则等待。
3、控制信息
控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的。控制信息随外围设备的不同而不同，有的控制外围设备的启动、停止；有的控制数据流向，控制输入还是输出；有的作为端口寻址信号等。
三、计算机和外部的通信方式
计算机和外部交换信息又称为通信（Communication）。按数据传送方式分为并行通信和串行通信两种基本方式。
1、并行通信
并行通信就是把传送数据的n位数用n条传输线同时传送。其优点是传送速度快、信息率高。并且，通常只要提供二条控制和状态线，就能完成CPU和接口及设备之间的协调、应答，实现异步传输。它是计算机系统和计算机控制系统中常常采用的通信方式。但是并行通信所需的传输线（通常为电缆线）多，增加了成本，接线也较麻烦，因此在长距离、多数位数据的传送中较少采用。
为适应并行通信的需要，目前已设计出许多种并行接口电路芯片。如Z—80系列的PIO、M6800系列的PIA、Intel系列的8255A等，都是可编程的并行I/O接口芯片，其中的各个端口既可以设定为输入口，又可以设定为输出口，具有必要的联络、控制信号端，在微机控制系统中选用这些接口芯片构成并行通信通路十分方便。
2、串行通信
串行通信是数据按位进行传送的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接收。串行通信又分为全双工方式和半双工方式、同步方式和异步方式。
（1）全双工方式CPU通过串行接口和外围设备相接。串行接口和外围设备间除公共地线外，有二根数据传输线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接收数据，这种串行传送方式就称为全双工方式，信息传输效率较高。
（2）半双工方式CPU也通过串行接口和外围设备相接。但是串行接口和外围设备间除公共地线外；只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送，这称半双工方式，信息传输效率低些。但是对于像打印机这样单方向传输的外围设备，只用此半双工方式就能满足要求了，不必采用全双工方式，可省一根传输线。
（3）同步通信采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。在每帧信息的开始加上同步字符，接着字符一个接一个地传输（在没有信息要传输时，要填上空字符，同步传输不允许有间隙）。接收端在接收到规定的同步字符后，按约定的传输速率，接收对方发来的一串信息。相对于异步通信来说，同步通信的传输速度略高些。
（4）异步通信标准的异步通信格式如图6-17所示。由图可见，每个字符在传输时，由一个“1跳变到“0”的起始位开始。其后是5到8个信息位（也称字符位），信息位由低到高排列，即第一位为字符的最低位，最后一位为字符的最高位。其后是可选择的奇偶校验位，最后为“1”的停止位，停止位为l位、1位半或2位。如果传输完一个字符后立即传输下一个字符，那么后
一个字符的起始位就紧挨着前一个字符的停止位了。字符传输前，输出线为“1”状态，称为标识态，传输一开始，输出线状态由“1”变为“0”状态，作为起始位。传输完一个字符之后的间隔时间输出线又进入标识态。
图6-17 标准的异步通信数据格式
为适应串行通信的需要，已设计出许多种串行通信接口芯片，如Z—80系列的SIO、M6800系列的ACIA和Intel系列的8251A等，都是可编程的，既可以接成全双工方式又可接成半双工方式，既可实现同步通信，又可实现异步通信。
四、I/O控制方式
我们知道，外围设备种类繁多，它们的功能不同，工作速度不一，与主机配合的要求也不相同，CPU采用分时控制，每个外围设备只在规定的时间片内得到服务。为了使各个外围设备在CPU控制下成为一个有机的整体，协调的、高效率的、可靠的工作，就要规定一个CPU控制（或称调度）各个外围设备的控制策略，或者叫控制方式。
通常采用的有三种I/O控制方式：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取方式。在进行微机控制系统设计时，可按不同要求来选择各外围设备的控制方式。
1、程序控制方式
程序控制I/O方式，是指CPU和外围设备之间的信息传送，是在程序控制下进行的。它又可分为无条件I/O方式和查询式I/O方式。
（1）无条件I/O方式所谓无条件I/O方式是指不必查询外围设备的状态即可进行信息传送的I/O方式。即在此种方式下，外围设备总是处于就绪状态。如开关、LED显示器等。一般它仅适用于一些简单外围设备的操作。
无条件传送方式的工作原理如图6-18所示。CPU和外围设备之间的接口电路通常采用输入缓冲器和输出锁存器。由地址总线和M/IO信号端经端口译码器译出所选中的I/O端口，用WR、RD信号决定数据流向。
图6-18 无条件传送方式I/O接口电路原理图
微机原理与接口技术试题库(含答案)
一、问答题 1、下列字符表示成相应的ASCII码是多少？ （1）换行0AH （2）字母“Q”51H （3）空格20H 2、下列各机器数所表示数的范围是多少？ （1）8位二进制无符号定点整数； 0~255 （2）8位二进制无符号定点小数；0.996094 （3）16位二进制无符号定点整数；0~65535 （4）用补码表示的16位二进制有符号整数；-32768~32767 3、(111)X=273，基数X=？16 4、有一个二进制小数X=0.X1X2X3X4X5X6 (1)若使X≥1/2，则X1……X6应满足什么条件? X1=1 若使X＞1/8，则X1……X6应满足什么条件？X1∨X2 ∨X3=1 (2) 5、有两个二进制数X=01101010，Y=10001100，试比较它们的大小。 （1）X和Y两个数均为无符号数；X＞Y （2）X和Y两个数均为有符号的补码数。X 1. 在8086CPU 中，当M/ ——IO = 0，——RD = 1，—— WR = 0时，CPU 完成的操作是（ D ）。 （A ）存储器读 （B ）I/O 读 （C ）存储器写 （D ）I/O 写 2. 在标志寄存器中，用于说明计算结果为0的标志是（ C ） （A ）C 标志 （B ）A 标志 （C ）Z 标志 （D ）S 标志 3. 两片8259A 采用主从级连方式，最多能接收（ B ） （A ）8级中断 （B ）15级中断 （C ）16级中断 （D ）级中断 4. 异步通信所采用的数据格式中，停止位的位数错误的是( D ) （A ）1位 （B ）1.5位 （C ）2位 （D ）2.5位 5. 下面哪一条语句是采用寄存器间接寻址的（ B ） （A ）MOV AX ，BX （B ）MOV AL ，[BX] （C ）MOV AX ，20 （D ）MOV AX ，BUF 6. 计算机系统总线按其功能可划分为数据总线、地址总线和（ A ） （A ）控制总线 （B ）同步总线 （C ）信号总线 （D ）中断总线 7. 在PC/XT 机中，NMI 的中断向量在中断向量表中的位置是 ( C ) （A ）由程序指定的 （B ）由DOS 自动分配的 （C ）固定在0008H 开始的4个字节中 （D ）固定在中断向量表首 8. 在两片8259A 级联的中断系统中，从片的INT 端接到主片的IR4端，则初始化主、从片ICW3的数据格式分别是（ B ） （A ）01H 和40H （B ）10H 和04H （C ）10H 和40H （D ）01H 和04H 9. CPU 与输入/输出端口是通过哪些指令来完成信息交换（ C ） （A ）MOV （B ）MOVSB （C ）IN 或OUT （D ）STOSB 10. 在标志寄存器中，符号标志是（ S ） （A ）C 标志 （B ）A 标志 （C ）Z 标志 （D ）S 标志 11. CPU 与输入/输出接口电路是通过端口寄存器进行信息交换，这些端口寄存器包括了状态端口、控制端口和（ B ） （A ）信息端口 （B ）数据端口 （C ）存储器端口 （D ）命令端口 12. 8088微处理器可寻址访问的最大I/O 空间为( B ) (A) 1KB (B) 64KB (C) 640KB (D) 1MB 13. CPU 与输入/输出端口是通过哪些指令来完成信息交换（ C ） （A ）MOV （B ）MOVSB （C ）IN 或OUT （D ）STOSB 14. 在标志寄存器中，用于说明计算结果为0的标志是（ C ） （A ）C 标志 （B ）A 标志 （C ）Z 标志 （D ）S 标志 15. 下面哪一个命题是正确的（ C ） （A ）负数的反码与其真值数相同 （B ） 负数的补码与其真值数相同 （C ）正数的原码、反码、补码与其真值数相同 （D ）[＋0]反码 ＝11111111B 16. 在实模式下进行编写汇编程序，每一个逻辑段的大小不能超过（ B ） （A ）32KB （B ）64KB } 第一章 1、计算机控制系统是由哪几部分组成的画出方框图并说明各部分的作用。 答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。 1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。 2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。 3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。 2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么为什么在计算机控制系统中要考虑实时性 （1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。 . （2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。 3.计算机控制系统有哪几种典型形式各有什么主要特点 （1）操作指导控制系统（OIS） 优点：结构简单、控制灵活和安全。 缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。 （2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统） 优点：实时性好、可靠性高和适应性强。 （3）监督控制系统（SCC） - 优点：生产过程始终处于最有工况。 （4）集散控制系统 优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。 （5）现场总线控制系统 优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。 （6）PLC+上位系统 优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。 } 第二章 1、什么是工业控制计算机它们有哪些特点 答：工业控制计算机是将PC机的CPU高速处理性能和良好的开放式的总线结构体系引入到控制领域，是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。 特点如下： 可靠性高；实时性好；环境适应性强；模块化设计，完善的I/O通道；系统扩充性好；系统开放性好；控制软件包功能强。 微机控制技术的发展概况及趋势 微机控制技术是以微型计算机作为机电一体化的控制器，结合微型计算机的工作原理和接口设计，相应的控制硬件和软件以及它们的配合，实现对控制对象的控制的一门技术。它的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，随着科学技术的发展，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。 本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机及系统的发展应用，计算机控制系统的发展趋势，这几个方面来阐述微机控制技术的发展概况及相关趋势。 计算机控制系统在60年代引入控制领域当时计算机是控制调节器的设定点, 具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称为计算机监控系统。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统,简称集中控制系统。这种控制系统即常说的直接数字控制(DDC)系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。这个控制系统由于只有一台计算机而且没有分层，所以非常有利于集中控制盒运算的集中处理，并且能得到很好的反映，并且，各个控制规律都可以直接实现。但是，如果生产过程复杂，则该系统的可靠性就很难保证了。系统的危险性过于集中, 一旦计算机发生故障, 整个系统就会停顿。[7] 70 年代随着电子技术的飞速发展,随着大规模集成电路的出现和发展, 集散控制系统（DCS）出现，之后在此基础上，随着生产发展的需要而产生了一种更新一代的控制系统，即分布式控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构下层负责完成各种现场级的控制任务,上层负责完成各种管理、决策和协调任务。 90年代以来，随着各个学科的发展和交叉融合，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起, 利用计算机网络作为控制工具的综合性控制系统，计算机集成系统（CIPS）应运而生。它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，并且终将成为未来控制系统的发展趋势。 我国工业控制发展的道路是比较曲折的，20世纪80年代末到90年代初，我国市场上大都是首先引进了成套设备，在引进成套设备的同时相继引进了各种工控系统，来填充国内在这方面的不足，90年代后，在我国一批科学家的带领下，我国逐渐有了自己设计的控制系统和装置，建立自己的实验室，生产出属于自己版权的产品，然后在原有技术的基础上进行二次开发和应用，从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。[1] 目前国内的工控机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品（例如RADISYS、ROCKWELL、INTEL等）经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难，现已完全退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升；各类芯片和各类器件、生产设备在国际市场基本可平等选购；软件资源的可移植性可节省大量的人力、物力。在这些有利条件下，国内一些厂商抓住机会快速崛起，利用本土综合竞争优势逐步将国外品牌挤出国内工控市场。某些企业以每年超过100%的资产增长速度，鼎立于国内的工控市场，而且 《微机控制与接口技术》练习题 一、问答题 1 一个好的工业控制计算机系统应具有哪些主要特点？ 2 常用的工业控制计算机有哪几种？ 3 简述工业PC机的结构。 4 STD总线工业控制机的模板主要有哪些？ 5 什么叫总线？总线分为哪几类？总线由哪几部分组成？ 6 什么是系统总线？常用的系统总线有哪些？ 7 什么是设备总线？常用的设备总线有哪些？ 8 什么是接口？为什么要在CPU与外设之间设置接口？ 9 接口电路的硬件一般由哪几部分组成？ 10 接口电路的结构有哪几种形式？ 11 为什么两个端口可以共用一个端口地址？ 12 CPU与接口之间有哪几种传送数据的方式？ 13 I/O端口地址的编址有哪两种方式，试说明它们的区别。 14 参加I/O端口地址译码的一般有哪些信号线？ 15 什么是中断？定时与中断在微机系统中有什么作用？ 16 什么叫同步通信方式？什么叫异步通信方式？它们各有什么优缺点？ 17 设异步传输时，每个字符对应1个起始位、7个数据位、1个校验位和1个停止位，如果波特率为9600bit/s，则每秒钟能传输的最大字符数是多少？ 二、选择题 1．下列设备系统中，一般不与系统总线直接连接的是（） A. 外设 B.I/O 接口 C.ROM D.RAM 2．RS-232C 接口标准中，规定逻辑“1”MARK 状态电平为（） A.+3V～+15V B.+3V～+5V C. －5V～－3V D.－15V～－3V 3．8255 工作在方式1 输入时，将端口C 的第4 位(PC 4 ) 置位，应执行（）操作。 A.10001000B →端口C B.00010000B →端口C C.10001000B →控制字寄存器 D.00001001B →控制字寄存器 4．串行异步通信协议所规定的一帧数据中，允许最长的一帧数据共有（）位。 A.13 B.7 C.12 D.8 5．CPU与外设交换数据，中断驱动I/O方式，是( ) A. 以CPU为主动方 B. 以存储器为主动方 C. 以外设为主动方 D. 外设直接和存储器交换数据 6．CPU与外设交换数据，当采用程序控制I/O方式时，是( )。 A. 以CPU为主动方 B. 以存储器为主动方 C. 以外设为主动方 D. 外设直接和存储器交换数据 7． 8250接口芯片支持( )通信。 A.异步串行 B.同步串行 C.同步与异步串行 D.并行 8．同步串行通信与异步串行通信比较，以下说法错误的是( ) A.异步通信按字符成帧，同步通信以数据块成帧 ()()() ∑∑==-=-+ m r r n k k r n x b k n y a n y 0 1 5-1 什么是离散控制系统，它有什么特点？它是如何组成的。 答：由离散的变量构成或将连续的变量离散成离散变量而构成的控制系统就是离散控制系统。 离散控制系统的特点：它的结果可分为两部分，一部分结果可直接用连续系统的相应结果导出，另一部分则是离散控制系统所特有的。 离散控制系统的组成：输入变量，状态变量和输出变量。 5-2 什么是Z 变换及反Z 变换，我们主要利用它干什么？ Z 变换: 对采样函数x *(t)作拉氏变换，再引入一个新的复变量z ，即可得到采样函数的Z 变换。记作 : )]([)(*t x Z z X = 一般，采样函数的变量直接用k 表示，即x(k)=x(kT),这样 k k k k z x z k x t x Z z X -∞ =-== =∑0 * )()]([)( Z 反变换： 由X(z)求出脉冲序列（即采样函数x *(t)），称为Z 反变换。 可分别记作 1 -Z ［X(z) ］= x *(t) 脉冲序列 1 -Z ［X(z) ］= x(k) 数值序列 它的作用：可用它来演算或直接分析离散控制系统。 5-3 什么是差分方程，我们主要利用它干什么？ 答：对采样系统进行分析研究时，首先也要建立它的数学模型。连续系统用微分方程来描述，采样系统不能用微分方程来描述，而只能用差分方程来描述。差分方程的一般形式： 5-4 什么是脉冲传递函数，我们主要利用它干什么？ 脉冲传递函数：定义：在初始条件为零情况下，环节或系统输出脉冲序列的Z 变换)(z C 与输入脉冲序列的z 变换)(z R 之比称为脉冲传递函数，即 计算机控制技术的发展及趋势 张赟枫 自动化1304 0901130425 一、计算机控制技术的发展 1、第一代工业计算机控制技术 第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80 年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。 2、第二代工业计算机控制技术 1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场。美国著名杂志《CONTROL ENGINERRING》在当时就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。 90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的 限制，使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。 3、迅速发展和普及的第三代工控机技术 PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进了新技术的诞生。作为新一代主流工控机技术，CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。采用模块化的CompactPCI总线工控机技术开发产品，可以缩短开发时间、降低 《微机控制与接口技术》期末复习题 一、填空题 1.________________________________________________ 计算机控制系统的发展大致经过三个阶段_______________________________________ 、集中式控制、______ 阶段，目前朝着___________ 和现场总线控制系统的方向发展。 2?微机总线主要由 ______ 、地址总线、_______ 、电源线和地线四部分组成 3. ______ 和 ____ 是微机接口通信中采用的两种通信方式。 4.单片机是将CPU ,RAM,ROM, _________ 、_______ 和串行通讯接口等部件制作在一块 集成芯片中的微型计算机。具有 ________ 、体积小、______ 、功耗低等。 5.CPU对I/O端口地址的编址方式有两种：________ 、 ____ o 6.________________________________ 总线是显示计算机系统中______ 的通道。计算机总线分为_______________________ 、___________________________ 、系 统总线三部分 7.______________________________________ 接口电路具有寻址、输入\输出、、联络、_______________________________________ 等功能。 & CPU和接口电路之间的的数据传送方式主要有________ 、终端传送方式、和______ 传送方式。 9.________________________________________ 工业pc机系统由工业控制主机、、、信号调理模块等组成。 10._________________ 微机接口是与的连接部分，它包括硬件和软件两部分。 二、名词解释 1.中断： 2.串行通信： 3.DSP： 4.屮断系统： 5.可编程的硬件定时： 6.并行通信： 三、简答题 1.可编程中断控制器8259A协助CPU处理哪些中断事务？ 一.设计题目任务及要求 1. 设计题目：水温控制系统的设计 2. 设计要求： 设计一个水温控控制系统，对象的传递函数：G （s ）= e 1 s 10020 -50s ,炉子为电炉结构，单相交流2220V 供电。温度设定值：室温～100℃，可以根据要求任意调节。要求： （1） 画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路以及主电路； （2） 阐述电路的工作原理； （3） 采用对象为大滞后的算法，求出U （k ）； （4） 画出闭环数字控制的程序框图。 二.设计任务分析 1.系统设计： 该系统由AT89C51单片机系统、PID 控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示、加热丝功率控制等等组成。 Ⅰ.典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a ）所示的几部分组成，其中调节器由微型机来完成。 图（a ） 温度控制系统组成框图 Ⅱ.给定信号如何给计算机 温度给定值可以通过计算机键盘输入（键盘与单片机连接），也可以通过数学表达式由程序自动设定，还可以用拨码盘，一般拨码盘常用于过程控制的控制柜（化工企业）。 为了便于讨论，本设计假定由人工键盘输入温度给定值。 Ⅲ.温度的监测与调节 理想的情况是采用A/D转换器作为输入通道，当精度要求不高时，可以半导体热敏电阻测量温度，和通过单稳态触发器输出的脉冲宽度来实现温度检测和输入。用热敏电阻也是一种常用的方式。热敏电阻作为半导体的效果往往决定于环境和计算机应用程序配合的结果。 可以采用温度范围为0～120℃的热敏电阻来构成所需要的电路，不用热电偶的原因是：因为热电偶在低温段线性差，它只是在高温段准确。 2.控制方案 本系统中把晶闸管电阻炉温度变送器统一称为被控对象。电阻炉系统是个自衡系统，可以近似为一个一阶惯性环节和一个延迟环节，传递函数可以表示为： 在检测的基础上，我们采用数字PID调节规律，把炉内温度控制的设定值与实测值进行比较，是静态误差最小。 理论分析和实践证明电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以用一个一阶惯性环节和一个延迟环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统的简化动态结构图如图（b） 第一章： 1.1什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？ 硬件由主机、外设、输入输出通道、检测元件和执行机构组成，软件则由系统软件和应用软件两部分组成。 1.2计算机控制系统怎么分类，按功能分为几类？ 可以按系统的功能、控制规律或控制方式等分类。按功能分类可以分为一下几类： 操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统1.4计算机控制系统的发展趋势主要表现在哪几个方面？ 1）以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流； 2）PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展； 3）面向测管一体化的DCS系统； 4）控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展。 计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS)后，将朝着现场总线控制系统(FCS)的方向发展。 第二章： 2.1单片机检查判断A/D转换结束的方法 程序延时方式（同步方式） 通过查阅手册了解A/D转换一个数据所需时间，在CPU启动A/D转换之后，执行一个固定延时程序，延时应大于或等于A/D的转换时间，然后CPU再读取A/D的转换结果程序查询方式 转换完成EOC信号通过并行端口，送入CPU。 在CPU启动A/D转换之后 CPU不断查询A/D的转换结束信号 一旦该信号有效，CPU读取A/D转换结果 中断方式 用A/D转换结束信号向微机系统发出中断申请，CPU采用中断方式读取A/D转换结果。 2.2逐次逼近式A/D转换 注释：每一次的相加或者相减均为上一个数据的1/2的值，若V0 目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9) 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。 第1章习题解答 1、冯诺依曼计算机的内涵是什么？这种计算机程序运行是由指令流驱动的还是数据流驱动的？ 答：冯诺依曼计算机的内涵： 由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。 数据和计算机指令采用二进制数形式表示，存储在计算机内部存储器中。 计算机工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。事先编制好的由计算机指令组成的程序在执行前先装入存储器，控制器依据程序中的指令顺序周而复始地取出指令、分析指令、执行指令，根据指令的功能进行相应的运算，直到完成全部指令操作为止. 程序的运行是通过指令流来驱动的。 2、微型计算机系统有哪三个层次？试简述它们的内涵及其联系和区别。 答：微型计算机系统的三个层次：微处理器、微型计算机和微型计算机系统。 三者的内涵： 微处理器是利用大规模集成电路技术，将组成计算机的核心部件——运算器和控制器集成在一块硅片上的集成电路，简称MPU，习惯上称CPU。 微型计算机则是以微处理器为核心，配以内存储器、输入/输出（I/O）接口电路，通过总线结构连接而构成的裸机。 微型计算机系统是由微型计算机配以相应的外围设备（如键盘、显示器、打印机、外存储器等）、电源和其他辅助设备(如面板、机架等)，以及控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统。 它们三者之间是从局部到全局的关系。单纯的微处理器和单纯的微型计算机都不能独立工作。只有微型计算机系统才是完整的计算系统，才可正常工作。 3、为什么把微型计算机的基本结构说成是总线结构？试简述总线结构的优点。 答：在微型计算机中，各组成部分之间是通过总线（包括地址总线、数据总线、控制总线）连接在一起而构成一个整体的，它们之间的信息交换也是通过总线进行。CPU通过总线与存储器和I/O接口电路连接，I/O接口和外设也是通过总线连接，即使在CPU内部，它的各功能部件也是通过总线相连的。因此微型计算机的基本结构就是总线结构。 微型计算机采用总线结构后，系统中各功能部件之间的相互关系变为各部件面向总线的单一关系。一个部件只要满足总线标准，就可直接连接到采用这种总线标准的系统中。这使得系统的设计与构造非常方便，同时也便于系统的扩充、升级和维修。 4、微型计算机硬件系统由哪些部分组成？各组成部分的功能是什么？ 答：微型计算机硬件系统主要由CPU、存储器、I/O接口电路、输入/输出设备、总线，以及电源和一些辅助设备构成。 CPU：微机系统的核心部件，是运算和指挥控制中心。 存储器：包括内存和外存，是微机系统的存储和记忆部件，用以存放数据和程序。 I/O接口电路：CPU与输入/输出设备的连接与信息交换不能直接进行，I/O接口电路充当了二者之间的“桥梁”。 输入/输出设备：计算机与外界（人或其他设备，包括另一台计算机）联系和沟通的桥梁，用户通过输入/输出设备与微机系统互相通信。 总线：以上各组成部分是通过总线连接在一起构成一个整体的，各部件之间的信息运载和传输由总线承担。 5、计算机分那几类？各有什么特点？ 答：传统上分为三类：大型主机、小型机、微型机。大型主机一般为高性能的并行处理系统，存储容量大，事物处理能力强，可为众多用户提供服务。小型机具有一定的数据处理能力，提供一定用户规模的信息服务，作为部门的信息服务中心。微型机一般指在办公室或家庭的桌面或可移动的计算系统，体积小、价格低、具有工业化标准体系结构，兼容性好。 6、微处理器应包含的最基本功能部件是哪些? 答: 算术逻辑单元,寄存器阵列,控制器部件。 7、微计算机应包含的最基本功能部件是哪些? 习题一 2、为什么要在CPU与外设之间设置接口？ 在CPU与外设之间设置接口主要有4个原因： （1）CPU与外设二者的信号不兼容，包括信号线的功能定义、逻辑定义和时序关系 （2）CPU与外设的速度不匹配，CPU的速度快，外设的速度慢 （3）若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率 （4）若外设直接由CPU控制，会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。 3、微型计算机的接口一般应具备那些功能？ 微机的接口一般有如下的几个功能： （1）执行CPU命令的功能：CPU将对外设的控制命令发到接口电路中的命令寄存器（命令口）中，在经分析去控制外设 （2）返回外设状态的功能：通过状态寄存器（状态口）完成，包括正常工作状态和故障状态 （3）数据缓冲的功能：接口电路中的数据寄存器（数据口）对CPU于外设间传送的数据进行中转 （4）设备寻址的功能：CPU某个时刻只能和一台外设交换数据，CPU发出的地址信号经过接口电路中的地址译码电路来选中I/O设备 （5）信号转换的功能：当CPU与外设的信号功能定义、逻辑关系、电平高低及工作时序不兼容时接口电路要完成信号的转换功能 （6）数据宽度与数据格式转换的功能：由于CPU处理的数据都是并行的，当外设采用串行传送方式时，接口电路就要完成串、并之间的转换，并进行数据格式的转换。 8、CPU与接口之间有哪几种传送数据的方式？它们各应用在什么场合？ CPU与接口之间的数据传送方式主要有查询方式、中断方式和DMA方式：（1）查询方式：主要用于CPU不太忙且传送速度不高的情况下。无条件传送方式作为查询方式的一个特例，主要用于对简单I/O设备的控制或CPU 明确知道外设所处状态的情况下。 （2）中断方式：主要用于CPU的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理 （3）DMA方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送的场合。 9、分析和设计接口电路的基本方法是什么？ 分析和设计接口电路通常采用两侧分析法和硬软件结合法相结合： （1）两侧分析法：CPU一侧，主要是了解CPU的类型、它提供的数据线的宽度、地址线的宽度、控制线的逻辑定义、时序关系的特点；外设一侧，主要是了解被连接外设的外部特性及被控外设的工作过程 （2）硬软件结合法：硬件设计主要是合理选用外围接口芯片、有针对性地设计附加电路；软件设计可以采用汇编语言（或高级语言）直接对低层硬件编程，也可以采用DOS系统功能调用和BIOS调用编程。 习题二 第1章微型计算机系统 〔习题〕简答题 （2）总线信号分成哪三组信号 （3）PC机主存采用DRAM组成还是SRAM组成 （5）ROM-BIOS是什么 （6）中断是什么 （9）处理器的“取指－译码－执行周期”是指什么 〔解答〕 ②总线信号分成三组，分别是数据总线、地址总线和控制总线。 ③ PC机主存采用DRAM组成。 ⑤ ROM-BIOS是“基本输入输出系统”，操作系统通过对BIOS 的调用驱动各硬件设备，用户也可以在应用程序中调用BIOS中的许多功能。 ⑥中断是CPU正常执行程序的流程被某种原因打断、并暂时停止，转向执行事先安排好的一段处理程序，待该处理程序结束后仍 返回被中断的指令继续执行的过程。 ⑨指令的处理过程。处理器的“取指—译码—执行周期”是指处理器从主存储器读取指令（简称取指），翻译指令代码的功能（简称译码），然后执行指令所规定的操作（简称执行）的过程。 〔习题〕填空题 （2）Intel 8086支持___________容量主存空间，80486支持___________容量主存空间。 （3）二进制16位共有___________个编码组合，如果一位对应处理器一个地址信号，16位地址信号共能寻址___________容量主存空间。 （9）最初由公司采用Intel 8088处理器和（）操作系统推出PC机。 ② 1MB，4GB ③ 216，64KB （9）IBM,DOS 〔习题〕说明微型计算机系统的硬件组成及各部分作用。 〔解答〕 CPU：CPU也称处理器，是微机的核心。它采用大规模集成电路芯片，芯片内集成了控制器、运算器和若干高速存储单元（即寄存器）。处理器及其支持电路构成了微机系统的控制中心，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。 存储器：存储器是存放程序和数据的部件。 外部设备：外部设备是指可与微机进行交互的输入（Input）设备和输出（Output）设备，也称I/O设备。I/O设备通过I/O接口与主机连接。 总线：互连各个部件的共用通道，主要含数据总线、地址总线和控制总线信号。 〔习题〕区别如下概念：助记符、汇编语言、汇编语言程序和汇编程序。 〔解答〕 助记符：人们采用便于记忆、并能描述指令功能的符号来表示机器指令操作码，该符号称为指令助记符。 汇编语言：用助记符表示的指令以及使用它们编写程序的规则就形成汇编语言。 汇编语言程序：用汇编语言书写的程序就是汇编语言程序，或称汇编语言源程序。 二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称：计算机控制与接口技术课程设计班级：自动化1001班 学号：201004134008 姓名：章琴 指导教师：周凤星 二○一三年十二月 一、设计题目和设计要求 1. 设计题目：水温控制系统的设计 2. 设计要求 设计一个水温控控制系统，对象的传递函数：G （s ）= e 1 s 10020 -50s ,炉 子为电炉结构，单相交流2220V 供电。温度设定值：室温～100℃，可以根据要求任意调节。要求： （1） 画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路以及主电路； （2） 阐述电路的工作原理； （3） 采用对象为大滞后的算法，求出U （k ）； （4） 画出闭环数字控制的程序框图。 二、设计任务分析 1．系统设计： 该系统由单片机系统、PID 控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示、加热丝功率控制等组成。 Ⅰ.典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a ）所示的几部分组成，其中调节器由微型机来完成。 图（a ） 温度控制系统组成框图 Ⅱ.给定信号如何给计算机 温度给定值可以通过计算机键盘输入，键盘与单片机连接，也可以通过数学表达式由程序自动设定，还可以用拨码盘，一般拨码盘常用于过程控制的控制柜（化工企业）。 为了便于讨论，本设计假定由人工键盘输入温度给定值。 Ⅲ.温度的监测与调节 理想的情况是采用A/D 转换器作为输入通道，当精度要求不高时，可以半导体热敏电阻测量温度，和通过单稳态触发器输出的脉冲宽度来实现温度检测和输入。用热敏电阻也是一种常用的方式。热敏电阻作为半导体的效果往往决定于环境和计算机应用程序配合的结果。 图（b ）是带热敏电阻的单稳态触发器。 智慧树知到《计算机控制技术》章节测试含答 案 智慧树知到《计算机控制技术》章节测试含答案绪论单元测试 1.计算机控制技术是实现自动化的主要方法和手段。A :对B: 错答案： 【对】 第一章单元测试 1.自动控制系统是指在没有人参与的情况下，通过控制器使 生产过程自动地按照预定规律运行的系统。（）A:错B:对答案: 【对】 2.操作指导控制系统的最大优点是：结构简单，控制灵活和 安全。（）A:对B:错答案： 【对】 3.直接数字控制的特点是：闭环结构，控制的实时性好，可 以控制多个回路或对象。（）A:错B:对答案： 【对】 4.在现代工业屮，计算机控制系统的工作原理的基本步骤是 O o A :实时控制输出B:实时控制决策C:实时数据采集D:实时数据传输答案： 【实时控制输出；实时控制决策；实时数据采集】 5.在现代工业屮，计算机控制系统由计算机和两大部分组 成。（）A:过程通道B:外部设备C:生产过程D:被控对象答案: 【生产过程】 &微型计算机控制系统的硬件由（）组成。A :主机B:输入输出通道C:测量变送与执行机构D:外部设备答案： 【主机；输入输出通道；测量变送与执行机构；外部设备】 7.计算机控制系统主要有六类，分别是直接数字控制系统.操 作指导控制系统?计算机监督控制系统.（）.现场总线控制系统. 综合自动化系统。O A:计算机集成制造系统B:数控系统C:分布式控制系统D:计算机集成过程系统答案： 【计算机集成制造系统】 8.分布式控制系统DCS包括（）,形成分级分布式控制。A : 集屮监控级B:现场设备级C:过程控制级D:综合管理级答案：【集屮监控级；现场设备级；过程控制级；综合管理级】 9.分布式控制系统DCS的最大优点是：结构简单，控制灵活和安全。（）A:错B:对答案： 【错】 10.计算机监督控制系统（SCC）中，SCC计算机的作用是 （）o A :当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作B:按照一定的数学模型计算给定植并提供给DDC计算机C:接收测量值和管 理命令并提供给DDC计算机D:SCC计算机与控制无关答案：【按照一定的数学模型计算给定植并提供给DDC计算机】 微机控制与接口技术作业（二） 一、填空题 1.8086是 16 位的微处理器，其内部数据通路为 16 位,其对外数据总线为 16 位；8088内部 数据通路为 16 位, 其对外数据总线为 8 位。 2一个微计算机应包含: 微处理器 , 存储器 , I/O接口电路，系统总线基本功能部件。 3 EU 是8086/8088微处理器的执行部件，BIU 是8086/8088微处理器的总线接口部件。 二、判断下列论述是否正确，不正确的请加以改正。 （1）INT指令执行后，堆栈顶部三个栈单元（SP）、（SP）+2、（SP）+4依次保存FLAGS、断点IP值、断点CS值。不对，堆栈顶部三个栈单元（SP）、（SP）+2、（SP）+4依次保存的应是断点IP值、断点CS值、FLAGS。 （2）中断类型号是中断向量表中存放相应中断向量的首地址。不对，中断类型号×4才是相应中断向量的首地址。 三、分析以下程序回答问题 XOR AX, AX （1）程序段完成什么工作？ MOV BX, M 答：将X数组中的n个元素之和存放在RESULT单元中。 SUB BX, 2 （2）定义一个适合这段程序的数据段。 LOP1: ADD AX , X[BX] DA TA SEGMENT SUB BX, 2 X DW n DUP(？) JGE LOP 1 M DW 2n MOV RESULT, AX N DW n RET RESULT DW ? DA TA ENDS 四、8086/8088在什么时候及什么条件下可以响应一个外部INTR中断请求？中断向量表在存储器的什么位置？向量表的内容是什么？8086如何将控制转向中断服务程序？ 答：（1）8086/8088在当前指令执行完且IF=1的情况下可以响应一个外部INTR中断请求。 （2）中断向量表在存储器的0段0000—03FFH区域，向量表存放中断处理程序的入口地址。 （3）8086/8088响应INTR中断请求时，首先在连续的两个总线周期中发出INTA#负脉冲，在第二个INTA#信号期间，中断源经数据总线向8086/8088送出一字节中断向量“类型码”。8086/8088收到“类型码” 后将其乘4形成中断向量表的入口，从此地址开始的4个单元中读出中断服务程序的入口地址（IP、CS），取指令执行将控制转向中断服务程序。 五、一个微机系统中包含以下器件：微处理器8088一片，并行接口8255A一片（设备号：A口—40H，B口—41H， C口—42H，控制口—43H），定时器8253一片（设备号：计数器0—50H，计数器1—51H，计数器2—52H，控制口53H），中断控制器8259A一片（设备号：A0H，A1H）。现将8255的A口连接一输入设备，工作在0方式。 B口连接一输出设备，也工作在0方式。PC4作为输出设备的选通输出端且低电平有效。8253计数器0工作于“模式0”，计数常数为80H，进行二进制计数。8259A的ICW2给定为60H，工作于电平触发方式，全嵌套中断优先级，数据总线无缓冲，采用中断自动结束方式。请编写初始化程序（注意：控制字中可0可1位选0，8255未用端口设成输入方式）。 答：MOV AL, 91H ; 8255初始化OUT 43H, AL MOV AL,30H ; 8253初始化OUT 53H, AL MOV AL, 80H ;设8253计数初值OUT 50H , AL MOV AL, 00H OUT 50H , AL MOV AL, 1BH ; 8259A初始化OUT A0H , AL MOV AL, 60H OUT A1H , AL MOV AL, 03H OUT A1H , AL IN AL, 40H PUSH AX MOV AL, 09H OUT 43H , AL POP AX ; OUT 41H , AL MOV AL, 08H OUT 43H , AL MOV AL , 09H OUT 43H , AL 微机控制与接口技术作业（三）计算机接口技术复习题(含答案)
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