江苏理工学院智能仪表开卷.docx
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江苏理工学院智能仪表开卷
第一章绪论
基本要求:
了解智能仪表的组成、发展趋势、主要功能特点及基本设计思想和研制步骤。
重点:
智能仪表的组成
难点:
1.智能仪表的功能特点
2.智能仪表的设计方法
1、智能化测量控制仪表的概念:
以单片机为主体的测量控制仪器仪表。
二、智能化测量控制仪表的特点:
1.测量过程自动化
2.测量结果的数据处理(最突出的特点)
a.对随机误差和系统误差进行处理
b.数值处理和非数值处理
3.多功能:
如电力需求分析仪,可测量有功功率、电能、频率、功率因素、峰值等,可预置用电需求计划,并有记录、打印、报警、控制等功能。
三、功能:
数据运算、存储、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正、自适应自学习等功能。
设计重点从模拟和逻辑电路转向单片机、功能部件、接口电路、输入输出通道设计等。
§1.1智能化测量控制仪表的基本组成与发展
智能化测量控制仪表的主体:
单片机。
单片机内部:
CPU、存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口甚至A/D等
1、智能化测量控制仪表的基本组成:
书P1图1.1
2、智能化测量控制仪表的发展。
国内市场上比如:
能自动进行差压补偿的智能节流式流量计、能对各种频谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪、能进行程序控温的智能多段式温度控制仪、能实现数字PID控制和各种复杂控制规律的智能式调节器等。
其发展速度很快的一个重要因素是集成电路和计算机技术的飞速发展。
如80C51、80C552等。
DSP芯片如TMS320系列。
§1.2智能化测量控制仪表的功能特点:
一、传统测控仪表对输入信号测量的准确性和正确性方面不能保证。
书P4图1.3
1、准确性:
智能化测量控制仪表采用自动校准技术消除零点漂移,用校正算法(自校准)消除系统误差,提供数字滤波算法消除随机误差。
2、正确性:
设有自检功能确保对输入信号测量的正确性。
主要功能特点:
利用单片机的数据处理能力,可消除随机误差和系统误差。
2、其他方面功能:
利用数据处理技术对仪表进行非线性特性的校正(线性化);利用串行和并行通讯接口组成自动测控系统等。
(GP-IB的接口能力及总线结构图)
§1.3智能化测量控制仪表的设计方法
1、智能化测量控制仪表设计的主要内容:
1)硬件2)软件3)仪表结构工艺
在设计一台智能仪表时首先应根据仪表要完成的任务确定其具体的功能。
1)在硬件设计时首先考虑单片机的选择。
选择单片机时应考虑的因素:
1.字长:
用于工业现场的单片机和用于通用计算机系统的微处理器不同。
字长为8位、时钟频率为20-30MHZ满足要求。
2.寻址能力:
64K
3.指令功能和执行速度:
111条指令
4.中断能力:
5个基本中断源
5.市场上对该单片机的软硬件支持状况:
80C51
其他几种51系列单片机的选择(了解):
1、AT89C52
内部有3个定时器T0、T1、T2,6个中断源,有256字节内部RAM可供使用,其中:
⑴低128B(00~7FH)可以直接或间接寻址
⑵高128B(80~FFH)只能间接寻址
⑶特殊功能寄存器只能直接寻址,它与高128BRAM是靠寻址方式不同来区分的
2、ADuC831
具备AT89C52的全部资源,另外,还有:
⑴片内扩展的2KB数据XRAM,占用外部数据存储空间的低2KB空间,必须用MOVX指令访问
⑵4KB片内EEPROM数据存储器
⑶8通道12位ADC,可247KSPS高速采样,可实现ADC至RAM的DMA控制器
⑷2路12位电压输出DAC
另外还有:
SPI串行接口,看门狗定时器等。
3、STC89C54RD+
STC89C54RD+单片机在引脚和外形与AT89C52完全兼容,另外扩展了1KB内部XRAM,其地址为000~3FFH,必须使用MOVX指令访问,另有2KBEEPROM数据存储器,可存放非易失性数据。
STC单片机可用普通单片机开发装置开发、在线下载
输入输出接口包括:
1.A/D接口2.D/A接口3.键盘显示器打印机接口4.通信接口
先画电路图,在试验板上调试,PCB板。
2)软件设计常用的程序设计方法:
1.模块法
监控管理程序三大模块:
1.监控主程序2.接口管理程序3.命令处理子程序
2.自顶向下设计方法
3.结构化程序设计:
a.顺序结构b.选择结构c.循环结构
以上三种结构可嵌套任意层数
优点:
利用该三种结构可构成任意程序。
缺点:
1.执行速度慢,占用存储器多。
2.只采用三种结构,某些复杂任务实现困难。
第二章智能化测量控制仪表的专用微处理器
基本要求:
了解80C51系列单片机的特点和结构。
重点难点:
1.80C51系列单片机的特点2.80C51系列单片机的结构3.80C51单片机的系统扩展
2.180C51系列单片机的特点
80C51系列单片机在片内集成了:
CPU、并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM、片内ROM等。
80C51系列单片机分为无片内ROM型(80C31)和带片内ROM型(80C51、87C51、89C51)。
80C51系列单片机在存储器上采用ROM和RAM分开结构;七种寻址方式;111条指令;5个中断源。
2.280C51单片机的结构
2.2.1基本组成:
书P11图2.1
2.2.2引脚功能
80C51单片机通常采用40引脚双列直插式封装。
书P14图2.3
2.380C51单片机的存储器结构
80C51单片机的存储器结构组成:
四个存储器空间:
1)64K内部ROM2)64K外部ROM3)128B内部RAM4)64K外部RAM。
书P16图2.5
80C51单片机特殊功能寄存器一览表:
书P18表2-2
工作寄存器组选择由程序状态字寄存器PSW中的两位RS0和RS1决定。
RS1、RS0与工作寄存器组的关系:
RS1
RS0
工作寄存器组
0
0
0组(00H~07H)
0
1
1组(08H~0FH)
1
0
2组(10H~17H)
1
1
3组(18H~1FH)
2.480C51单片机的CPU时序
CPU执行一条指令所需的时间以机器周期为单位,80C51单片机的一个机器周期包括12个振荡周期,分为6个S状态:
S1~S6。
指令的执行速度与其需要的机器周期数有关,机器周期数越少速度越快。
2.580C51单片机的复位信号与复位电路
80C51单片机在启动时需要复位,使CPU和系统的各个部件处于一种确定的状态。
80C51单片机复位电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路。
复位以后不影响片内RAM内容。
2.680C51单片机的并行I/O口
80C51单片机有4个并行I/O口:
P0、P1、P2、P3,每个口都有8根引脚,都是双向通道,每个引脚都能独立地用作输入或输出。
80C51单片机并行I/O口一位的逻辑图:
书P22图2.10
P0、P2口用作地址/数据总线,P3口用其第二功能,可以对外形成地址、数据和控制三总线。
在利用三总线时需在P0口加接一地址锁存器,而P2口不用。
单片机与外部存储器、I/O端口的连接:
书P24图2.11
2.780C51单片机的指令系统
2.7.1指令和助记符:
指令是一组二进制代码。
助记符一般采用英文单词缩写。
2.7.2指令的字节数:
一条指令通常由操作码和操作数组成。
1)单字节指令2)双字节指令3)三字节指令
2.7.3寻址方式(寻址:
寻找操作数的地址。
)
1.寄存器寻址2.直接寻址3.立即寻址4.寄存器间接寻址5.变址寻址6.相对寻址7.位寻址
可以位寻址的SFR:
书P30表2-4
2.880C51单片机的汇编语言程序设计
2.8.1汇编语言格式与伪指令
1.设置程序起始地址-ORG
ORGnnnn
2.定义字节-DB
标号:
DB项或项表
3.定义字-DW
标号:
DW项或项表
4.保留存储器空间-DS
标号:
DS表达式
5.为标号赋值-EQU
字符名EQU表达式
6.源程序结束-END
END
2.8.2应用程序设计
设计应用程序时首先要确定算法。
一般先编写一个主程序框架,再编写各个功能子程序。
2.980C51单片机的定时器/计数器
80C51单片机内部有两个16位定时器/计数器:
T0和T1。
定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。
定时器/计数器的工作方式由TMOD和TCON编程决定。
2.9.1定时器/计数器的控制寄存器与逻辑结构
方式控制寄存器TMOD的控制字格式:
书P56
运行控制寄存器TCON的控制字格式:
书P57
1)方式0和方式1
以定时器/计数器T1为例,方式0为13位定时器/计数器,由TL1的低5位和TH1的8位构成。
方式1为16位定时器/计数器,TL1和TH1均为8位。
定时器T1方式0和方式1逻辑结构:
书P58图2.25
2)方式2
定时器T1方式2逻辑结构:
书P58图2.26
3)方式3
定时器T0方式3逻辑结构:
书P59图2.27
80C52:
T2,其控制寄存器T2CON地址为C8H。
T2CON控制字格式:
书P60
T2定时器操作方式:
书P60表2-6
1)常数自动装入方式
当T2工作于此方式时,由TL2和TH2构成16位计数器,RCAP2L和RCAP2H组成16位常数寄存器。
常数自动重新装入方式时定时器T2的逻辑结构:
书P61图2.28
2)16位捕捉方式
捕捉方式时定时器T2的逻辑结构:
书P62图2.29
3)串行口波特率发生器方式
80C51定时/计数器在进行定时或计数之前要初始化,初始化步骤:
1.确定工作方式,即给TMOD写入控制字。
2.设置初值,将初值写入寄存器TL0、TH0或TL1、TH1。
3.对中断控制寄存器IE置初值,即决定是否开放定时器中断。
4.使TCON中TR0或TR1置位,以启动定时/计数器。
2.1080C51单片机的串行口
80C51单片机在与外设或其他计算机之间交换信息时,通常采用并行通信和串行通信方式。
2.10.1串行通信方式与串行口控制寄存器
串行通信分为异步传送和同步传送。
1.异步串行通信方式
异步通信字符格式:
书P66图2.31
在串行通信中有个反映串行通信速率的重要指标:
波特率。
波特率不等于时钟频率,时钟频率通常是波特率的16或64倍。
2.同步串行通信方式
同步传送格式:
书P67图2.32
串行通讯中数据传送方式:
书P67图2.33(80C51串行口组成)
串行口控制寄存器SCON格式:
书P67
串行口工作方式:
书P68表2-7
波特率系数控制寄存器PCON格式:
书P69
2.10.2串行口应用举例
书P72例2-18
2.1180C51单片机的中断系统
2.11.1中断的概念
中断就是CPU暂时终止当前正在执行的程序转而执行中断服务子程序。
中断的类型:
1.屏蔽中断。
2.非屏蔽中断。
3.软件中断。
中断系统的任务:
1.开中断、关中断。
2.中断的排队。
3.中断的响应。
4.中断撤除。
2.11.2中断申请与控制
80C51单片机的中断系统由若干个SFR组成:
1)定时器运行控制寄存器TCON
2)中断允许寄存器IE
3)中断优先级寄存器IP
4)串行口控制寄存器SCON
80C51有5个中断源:
外部中断0外部中断1T0T1串行口
定时器控制寄存器TCON格式:
书P75
串行口控制寄存器SCON格式:
书P75
中断允许寄存器IE格式:
书P76
中断优先级寄存器IP格式:
书P76
2.11.3中断响应
80C51单片机的5个中断源及其优先级固定查询次序:
书P77表2-8
响应中断的条件:
1.没有同级或更高级别的中断正在得到相应。
2.等到当前正在执行的指令执行完毕后,CPU响应新的中断申请。
3.若正在执行的指令是RETI或任何访问IE或IP的指令,要在执行完该指令以及其后的一条指令后才响应新的中断。
80C51单片机5个中断源中,响应后系统能通过硬件自动清0的有:
1.T0或T1的中断请求标志TF0或TF1。
2.外部中断0或1的中断请求标志IE0或IE1。
80C51单片机对于串行口的中断请求标志TI和RI不予以自动撤除。
80C51单片机中断系统的初始化:
1.开中断。
2.确定各中断源优先级。
3.若是外部中断,应规定是低电平触发还是负边沿触发。
中断处理包括:
1.保护现场。
2.为中断服务。
编写中断服务程序时需注意:
1.如果中断服务程序的长度超过8个地址单元,应在中断入口地址处安排一条转移指令。
2.若执行当前中断服务程序时需要禁止更高级中断源,则要用指令关闭中断。
3.在保护和恢复现场前关中断。
4.及时清除不能被硬件自动清0的中断请求标志。
2.1280C51单片机的节电工作方式
80C51单片机的两种节电工作方式:
1.空闲方式2.掉电方式
特殊功能寄存器PCON格式:
书P82
2.12.2节电方式的应用:
书P83
2.1380C51单片机的系统扩展
2.13.1程序存储器扩展:
1.地址线2.数据线3.控制线
2.13.2数据存储器扩展
80C51单片机采用哈佛式存储器结构,程序存储器和数据存储器在物理上是独立的,且各自具有不同的控制信号。
2.13.3并行I/O端口扩展
对于无ROM型单片机,由于P0和P2口不能再用作并行I/O口,所以很多情况下需要进行外部并行I/O口扩展。
为了唯一选中某个外部存储器单元或外部I/O端口,必须进行两种选择操作:
片选和字选。
1.线选法
线选法利用单片机的一根空闲高位地址线选中一个外部扩展I/O口芯片。
书P87图2.41
2.地址译码法:
书P88
第四章智能化测量控制仪表的ADC和DAC接口
基本要求:
了解智能仪表的过程通道接口技术,掌握A/D,D/A转换接口及数据采集系统的设计方法。
重点难点:
1.DAC接口技术
2.ADC接口技术
3.数据采集系统
智能化测量控制仪表的工作过程:
书P171图4.1
§4.1A/D及D/A转换器的主要技术指标
4.1.1A/D转换器的主要技术指标
1.分辨率2.精度3.量程(满刻度范围)4.线性度误差5.转换时间
4.1.2D/A转换器的主要技术指标:
书P172
§4.2DAC接口技术
DAC的功能是将数字量转换为与其成比例的模拟量。
几种常用DAC芯片的特点及性能:
书P173表4-1
将电流型DAC芯片连接成电压输出方式:
书P173图4.2(同相)
将电流型DAC芯片连接成电压输出方式:
书P173图4.2(反相)
将电流型DAC芯片连接成电压输出方式:
书P173图4.2(双极性)
4.2.1常用DAC芯片的接口方法
1.无内部锁存器的DAC接口方法:
书P175图4.3
采用双组缓冲器的10位DAC接口:
书P175图4.4
2.带内部锁存器的DAC接口方法
DAC0832逻辑框图:
书P176图4.5
DAC0832与80C51单片机的接口:
书P176图4.6
二路DAC0832与80C51的接口:
书P177图4.7
书P179例4-3和图4.8P180例4-4和图4.9图4.10
4.2.2利用DAC接口实现波形发生器书P183~188
4.2.3串行DAC与80C51单片机的接口方法
书P190例4-9和图4.18
§4.3ADC接口技术
ADC的功能是将输入模拟量转换为与其成比例的数字量。
它是智能化测量控制仪表的一种重要组成器件,按其工作原理分为:
比较式ADC,积分式ADC以及VFC式ADC(电压-频率转换式)。
几种常用A/D芯片的特点和性能:
书P193表4-2
4.3.1比较式ADC接口:
书P194图4.19
ADC0809的原理结构框图:
书P195图4.20
ADC0809的工作时序:
书P195图4.21
ADC0809的引脚排列:
书P196图4.22
ADC0809与单片机80C51的接口:
书P196图4.23
AD574A与80C51接口电路:
书P201图4.27
AD578的管脚排列:
书P202图4.28
AD578的工作时序:
书P202图4.29
AD578与单片机8751的接口电路:
书P203图4.30
4.3.2积分式ADC接口
有些智能化测量控制仪表要求能在工业现场使用,现场通常存在很强的干扰,如大功率电机的磁场等,而被测信号往往是微弱的直流信号,如果不能有效地抑制干扰测量结果则没有意义,这时可考虑采用积分式ADC。
双积分式ADC的原理及工作波形:
书P204图4.31
ICL7135的引脚排列:
书P205图4.32
ICL7135输出时序:
书P206图4.33
ICL7135与单片机的接口电路:
书P207图4.34
书P208例4-14例4-15
三积分式AD原理及工作波形:
书P212图4.35
三积分式ADC中的计数器:
书P213图4.36
4.3.3串行ADC与80C51单片机的接口方法
书P213~217例4-16和图4.39
§4.4数据采集系统(书P217)
在智能化测量控制仪表中,为了能够实现对外界各种模拟信号的测量,必须要采用数据采集系统将信号送入仪表中,数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经通道。
第五章智能化测量控制仪表的键盘与显示器接口技术
§5.1LED显示器接口技术
LED是近似于恒压的元件。
发光二极管显示器驱动的方法:
1.静态驱动方法:
给欲点亮的LED通以恒定的电流。
2.动态驱动方法:
给欲点亮的LED通以脉冲电流。
5.1.1七段LED显示器
七段LED数码显示器的连接:
书P237图5.2
七段数码显示器的段码表:
书P237表5.1
硬件译码BCD数码管与80C51单片机接口:
书P238图5.3例5-15-2
单个七段LED数码管与80C51单片机接口:
书P240图5.4例5-35-4
多位七段LED数码管与80C51单片机接口:
书P242图5.5例5-55-6
5.1.2串行接口8位共阴LED驱动器MAX7219(书P245~253)
§5.2键盘接口技术
键盘由一组按压式或触摸式开关构成阵列。
键盘分为编码式键盘和非编码式键盘。
1.按键识别2.反弹跳3.串键保护(书P253)
处理串键的技术:
1.两键同时按下2.n键同时按下3.n键锁定
5.2.1编码键盘
静态编码键盘接口电路:
书P255图5.11
5.2.2非编码键盘
4*4非编码矩阵键盘接口:
书P255图5.12
行扫描法按键识别:
书P256图5.13
键位与行列线关系:
书P256表5-10
串键保护流程图:
书P256图5.14
第2行第一列有键按下时的矩阵键盘接口:
书P258图5.15
接口总线方向反转后的矩阵键盘接口:
书P258图5.15
单片机80C51通过8155实现的键盘显示接口电路:
书P259图5.16例5-9例5-10
5.2.3键值分析(书P263~273)
§5.38279可编程键盘/显示器芯片接口技术
5.3.18279的工作原理
8279分为两部分:
键盘部分和显示部分。
8279引脚图:
书P273图5.20
8279的内部逻辑结构:
书P2724图5.21
5.3.28279的数据输入、显示输出及命令格式
1.数据输入
2.显示输出
(1)键盘、显示器工作模式设置命令(书P277~281)
左端输入方式写入过程:
书P278
右端输入方式写入过程:
书P278
K2、K1、K0用于设置键盘的工作方式定义:
书P279
(2)扫描频率设置命令(3)读FIFO堆栈的命令(4)读显示RAM命令(5)写显示RAM命令(6)显示屏蔽消隐命令(7)清除命令(8)中断结束/显示出错方式命令
状态字:
5.3.38279的接口方法
用8279实现键盘/显示器接口:
书P283图5.23例5-125-13
8279工作程序框图:
书P284图5.24
§5.4液晶显示器LCD接口技术
5.4.1LCD显示器的工作原理和驱动方式
LCD显示器工作原理:
液晶的扭曲-向列效应。
LCD显示器采用交流驱动,驱动方式:
静态和动态。
LCD的基本驱动电路及波形:
书P290图5.25
1/3偏压法驱动原理:
书P290图5.26
5.4.2点阵式液晶显示模块
EA-D系列点阵式液晶显示模块外部特性:
书P291表5-15
EA-D20040AR的内部结构:
书P291图5.27
EA-D20040AR显示地址码:
书P292表5-16
CGROM和CGRAM字符表:
书P293表5-17
CGRAM自定义字符:
书P294表5-18
EA-D20040AR显示命令:
(书P294~297)
(1)清显示命令
(2)光标返回命令(3)设置输入方式命令(4)显示/开关控制命令
(5)光标或显示屏移动命令(6)功能设置命令(7)设置CGRAM地址命令(8)设置DDRAM地址命令(9)读忙标志和地址命令(10)向CGRAM或DDRAM写数据命令(11)从CGRAM或DDRAM读数据命令
点阵字符型液晶显示模块与单片机80C51的直接方式接口:
书P298图5.285.29例5-145-15
5.4.3点阵图型液晶显示模块(书P305~312)
书P308图5.31例5-16
第六章智能化测量控制仪表的通信接口
基本要求:
掌握智能仪表的串行通信接口技术、了解并行通信接口技术。
重点:
串行通信接口
难点:
智能仪表与上位机的数据通信
本章主要介绍目前普遍使用的RS-232标准的串行通信接口和IEEE-488标准的并行通信接口。
§6.1串行通信接口(书P314~321)
串行通信是将数据一位一位地传送,适合远距离传输,主要用于集散型的工业控制系统中。
6.1.1RS-232标准
串行数据传送格式:
书P314图6.1
完整的RS-232C接口信号有25根线,其中15根线组成主信道。
RS-232C标准接口上的信号线分为4类:
1.数据信号2.控制信号3.定时信号4.地
6.1.2串行通信方式
根据时钟控制数据发送和接受的方式,串行通信分为同步通信和异步通信。
书P319图6.4
§6.2串行通信的实现
6.2.1仪表相互之间的通信(书P321~325)
6.2.2仪表与上位机之间的通信(书P325~339)
智能化测量控制仪表与上位计算机(例如IBM-PC)之间的数据通信通常采用串行通信方式。
IBM-PC机内装有异步通信适配器板,其主要特点:
1.波特率范围大。
2.具有优先级的中断系统提供对发送、接受的控制以及错误、线路状态的检测中断。
3.可编程设置串行通信数据长度、奇偶校验位、停止位位数。
4.具有全双缓冲机构。
5.独立的接收器时钟输入
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