課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）33第 四 章 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計[主 要 內(nèi) 容 ]的 控 制 系 統(tǒng)單 片 機(jī) 為 核 心系 列以 51?MCS?????????????????????步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 軟 件插 補(bǔ) 原 理 及 軟 件 程 序軟 件 結(jié) 構(gòu) 與 基 本 組 成軟 件 系 統(tǒng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 硬 件 電 路顯 示 器 接 口 技 術(shù)鍵 盤 接 口 技 術(shù)接 口 技 術(shù) 綜 合 功 能 擴(kuò) 展輸 入 輸 出 端 口 擴(kuò) 展數(shù) 據(jù) 存 儲 器 擴(kuò) 展程 序 存 儲 器 擴(kuò) 展系 統(tǒng) 擴(kuò) 展基 本 組 成 （ 最 小 系 統(tǒng) ）硬 件 系 統(tǒng)[基 本 要 求 ]1、 掌 握 可 以 獨(dú) 立 工 作 的 單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) 的 基 本 電 路 ；2、 了 解 系 統(tǒng) 擴(kuò) 展 的 目 的 和 通 過 外 接 具 有 相 應(yīng) 電 路 的 外 圍 芯 片 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 擴(kuò) 展 的 思路 ；3、 掌 握 8031 擴(kuò) 展 EPROM 的 基 本 電 路 ；4、 掌 握 8031 擴(kuò) 展 RAM 的 基 本 電 路 ；5、 掌 握 8031 同 時 擴(kuò) 展 程 序 存 儲 器 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 的 基 本 電 路 ；6、 掌 握 I/0 接 口 芯 片 8255、 8155 的 使 用 方 法 和 擴(kuò) 展 電 路 ；7、 掌 握 掃 描 式 鍵 盤 接 口 的 結(jié) 構(gòu) 、 輸 入 電 路 、 引 腳 配 置 及 軟 件 設(shè) 計 的 思 路 ；8、 掌 握 LED 顯 示 器 靜 態(tài) 顯 示 接 口 和 動 態(tài) 顯 示 接 口 的 區(qū) 別 ， 8155 控 制 的 動 態(tài)顯 示 電 路 ， 八 段 LED 顯 示 器 字 型 代 碼 確 定 方 式 及 軟 件 設(shè) 計 的 思 路 ；9、 掌 握 步 進(jìn) 電 機(jī) 運(yùn) 行 的 硬 件 配 置 ， 8155 或 8255 與 步 進(jìn) 電 機(jī) 相 電 路 的 連 接 及功 放 電 路 ；10、 理 解 軟 件 設(shè) 計 與 硬 件 設(shè) 計 的 關(guān) 系 ， 了 解 監(jiān) 控 程 序 的 主 要 功 能 和 應(yīng) 用 程 序 開 發(fā)的 指 導(dǎo) 思 想 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）34第 一 節(jié) 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 概 述一 、 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 思 路1． 確 定 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 控 制 方 案 1） 從 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 上 考 慮 是 否 采 用 開 環(huán) 控 制 或 閉 環(huán) 控 制 （ 閉 環(huán) 控 制 還 考 慮 采 用 何 種 檢 測 元 件 ，檢 測 精 度 要 求 如 何 ） ；2） 執(zhí) 行 元 件 采 用 何 種 方 式 ；3） 考 慮 系 統(tǒng) 是 否 有 特 殊 控 制 要 求 對 于 具 有 高 可 靠 性 、 高 精 度 和 快 速 性 要 求 的 系 統(tǒng) 應(yīng) 采 取的 措 施 是 什 么 ？4） 考 慮 微 機(jī) 在 整 個 控 制 系 統(tǒng) 中 的 作 用 ， 是 設(shè) 定 計 算 、 直 接 控 制 還 是 數(shù) 據(jù) 處 理 ， 微 機(jī) 承 擔(dān)哪 些 任 務(wù) ， 為 完 成 這 些 任 務(wù) 微 機(jī) 應(yīng) 具 備 哪 些 輸 入 /輸 出 通 道 、 配 備 哪 些 外 圍 設(shè) 備 。5） 初 步 估 算 其 成 本 。 通 過 整 體 方 案 考 慮 ， 最 后 畫 出 系 統(tǒng) 組 成 的 初 步 框 圖 ， 附 以 說 明 ， 以此 作 為 設(shè) 計 的 基 礎(chǔ) 和 依 據(jù) 。2． 確 定 控 制 算 法1） 建 立 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 ， 確 定 其 控 制 算 法 ， 按 照 規(guī) 定 的 控 制 算 法 進(jìn) 行 控 制 。2） 控 制 算 法 的 正 確 與 否 直 接 影 響 控 制 系 統(tǒng) 的 品 質(zhì) ， 甚 至 決 定 整 個 系 統(tǒng) 的 成 敗 。3） 在 選 擇 控 制 算 法 時 ， 應(yīng) 考 慮 所 選 的 算 法 是 否 能 滿 足 控 制 速 度 、 控 制 精 度 和 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性的 要 求 。3． 選 擇 微 型 計 算 機(jī)對 于 給 定 的 任 務(wù) ， 選 擇 微 機(jī) 的 方 案 不 是 唯 一 的 ， 從 控 制 角 度 出 發(fā) ， 微 機(jī) 應(yīng) 能 滿 足 具 有較 完 善 的 中 斷 系 統(tǒng) 、 足 夠 的 存 儲 容 量 、 完 善 的 輸 入 /輸 出 通 道 和 實 時 時 鐘 等 要 求 。（ 1） 較 完 善 的 中 斷 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) 必 須 具 有 實 時 控 制 性 能 ， 即 系 統(tǒng) 正 常 運(yùn) 行 時 的 實 時 控 制 能 力 和 在 發(fā) 生 故 障 時緊 急 處 理 能 力 。 要 求 微 型 機(jī) 的 CPU 具 有 較 完 善 的 中 斷 系 統(tǒng) 選 用 的 接 口 芯 片 也 應(yīng) 有 中 斷工 作 能 力 ， 保 證 控 制 系 統(tǒng) 能 滿 足 生 產(chǎn) 中 提 出 的 各 種 控 制 要 求 。（ 2） 足 夠 的 存 儲 容 量當(dāng) 內(nèi) 存 容 量 不 足 以 存 放 程 序 和 數(shù) 據(jù) 時 ， 應(yīng) 擴(kuò) 充 內(nèi) 存 ， 有 時 應(yīng) 配 備 適 當(dāng) 的 外 存 儲 器 。（ 3） 完 備 的 輸 入 /輸 出 通 道 和 實 時 時 鐘根 據(jù) 控 制 系 統(tǒng) 的 要 求 不 同 ， 有 的 要 求 有 開 關(guān) 量 輸 入 /輸 出 通 道 ； 有 的 要 求 有 模 擬量 輸 入 /輸 出 通 道 ； 有 的 要 求 同 時 有 開 關(guān) 量 輸 入 /輸 出 通 道 和 模 擬 量 輸 入 /輸 出 通 道 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）35對 于 需 要 實 現(xiàn) 外 部 設(shè) 備 和 內(nèi) 存 之 間 快 速 、 批 量 交 換 信 息 的 采 用 直 接 數(shù) 據(jù) 通 道 。 實 時 時 鐘 在過 程 控 制 中 給 出 時 間 參 數(shù) ， 記 下 某 事 件 發(fā) 生 的 時 刻 ， 同 時 使 系 統(tǒng) 能 夠 按 照 規(guī) 定 的 時 間 順 利完 成 各 個 操 作 。選 擇 微 機(jī) 時 ， 還 應(yīng) 考 慮 成 本 高 低 、 程 序 編 制 難 易 及 擴(kuò) 充 輸 入 /輸 出 接 口 是 否 方 便 等因 素 ， 從 而 確 定 是 選 擇 單 片 機(jī) 、 單 板 機(jī) 或 是 微 型 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 單 片 機(jī) 具 有 價 格 低 ， 體積 小 ， 可 滿 足 很 多 場 合 的 應(yīng) 用 ， 但 需 要 開 發(fā) 系 統(tǒng) 對 其 軟 硬 件 進(jìn) 行 開 發(fā) 。 單 板 機(jī) 也 具 有 價 格低 ， 體 積 小 ， 適 于 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場 使 用 ， 便 于 維 護(hù) 和 管 理 。 器 缺 點(diǎn) 是 內(nèi) 存 容 量 小 ， 接 口 電 路 少 ，需 要 使 用 機(jī) 器 語 言 編 程 ， 編 程 和 調(diào) 試 比 較 困 難 。 微 型 計 算 機(jī) 系 統(tǒng) 具 有 豐 富 的 系 統(tǒng) 軟 件 ， 程序 編 制 和 調(diào) 試 都 很 方 便 ， 系 統(tǒng) 機(jī) 內(nèi) 存 大 且 有 大 容 量 的 外 存 儲 器 ， 都 有 數(shù) 據(jù) 通 道 ， 可 實 現(xiàn) 快速 批 量 的 信 息 交 換 。 但 其 成 本 高 ， 用 于 控 制 一 個 小 系 統(tǒng) 時 ， 不 能 充 分 利 用 系 統(tǒng) 機(jī) 的 全 部 功能 ， 抗 干 擾 能 力 差 。二 、 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 基 本 硬 件 組 成任 何 一 個 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 都 由 硬 件 和 軟 件 兩 部 分 組 成 ， 硬 件 是 軟 件 的 運(yùn) 行 的 基 礎(chǔ) ， 而 配置 了 軟 件 的 硬 件 才 具 有 控 制 功 能 ， 數(shù) 控 系 統(tǒng) 通 過 與 硬 件 軟 件 的 密 切 配 合 實 現(xiàn) 各 種 功 能 。 在機(jī) 床 行 業(yè) ， 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 對 象 主 要 包 括 各 種 機(jī) 床 ， 如 車 床 、 銑 床 、 鉆 床 、 磨 床 等 ， 在 其它 行 業(yè) 控 制 對 象 還 有 許 多 ， 如 機(jī) 器 人 、 焊 接 機(jī) 、 彎 管 機(jī) 等 。 在 使 用 中 各 種 控 制 對 象 各 不 相同 ， 但 其 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 組 成 的 基 本 原 理 是 一 致 的 。 控 制 系 統(tǒng) 的 硬 件 組 成 如 圖 4-1。圖 4-1 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 基 本 組 成 框 圖圖 4-1 中 ， 如 是 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) ， 則 沒 有 反 饋 電 路 ， 不 帶 檢 測 裝 置 。在 以 單 片 機(jī) 為 核 心 的 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 大 多 采 用 MCS-51 系 列 單 片 機(jī) 的 8031 芯 片 ，經(jīng) 過 擴(kuò) 展 存 儲 器 、 接 口 和 面 板 操 作 開 關(guān) 等 ， 組 成 功 能 較 完 善 的 、 抗 干 擾 性 能 較 強(qiáng) 的 控 制 系統(tǒng) 。 8031 內(nèi) 部 包 含 一 個 8 位 CPU， 128 字 節(jié) 的 RAM， 兩 個 16 位 的 定 時 器 ， 四 個 8位 并 行 口 ， 一 個 全 雙 工 串 行 口 ， 可 擴(kuò) 展 的 程 序 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 64KB， 有 5 個 中 斷 源 。硬 件 設(shè) 計 主 要 介 紹 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 擴(kuò) 展 、 接 口 及 控 制 電 路 。第 二 節(jié) 系 統(tǒng) 擴(kuò) 展課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）36在 以 8031 單 片 機(jī) 為 核 心 的 控 制 系 統(tǒng) 中 必 須 擴(kuò) 展 程 序 存 儲 器 ， 用 以 存 放 控 制 程 序 。 勇士 ， 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 的 存 儲 器 容 量 較 小 ， 不 能 滿 足 實 際 需 要 ， 好 要 擴(kuò) 展 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 。 這 種 擴(kuò) 展就 是 配 置 外 部 存 儲 器 （ 包 括 程 序 存 儲 器 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 ） 。 另 外 ， 在 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 雖 然 設(shè)置 了 若 干 并 行 I/O 接 口 電 路 ， 用 來 與 外 圍 設(shè) 備 連 接 ， 但 但 外 圍 設(shè) 備 較 多 時 ， 僅 有 幾 個 內(nèi)部 I/O 接 口 是 不 夠 的 ， 因 此 ， 單 片 機(jī) 還 需 要 擴(kuò) 展 輸 入 輸 出 接 口 芯 片 。一 、 程 序 存 儲 器 的 擴(kuò) 展MCS-51 系 列 單 片 機(jī) 的 程 序 存 儲 器 空 間 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 空 間 是 相 互 獨(dú) 立 的 。 程 序 存 儲 器尋 址 空 間 為 64kB（ 0000H~0FFFFH） ， 其 中 8051、 8751 片 內(nèi) 有 4kB 的 ROM 或EPROM， 8031 片 內(nèi) 不 帶 ROM。 當(dāng) 片 內(nèi) ROM 不 夠 或 采 用 8031 芯 片 時 ， 需 擴(kuò) 展 程 序存 儲 器 。 用 作 程 序 存 儲 器 的 器 件 時 EPROM 和 E2PROM， 常 用 EPROM。MCS-51 單 片 機(jī) 擴(kuò) 展 外 部 程 序 存 儲 器 的 硬 件 電 路 如 圖 4-2 所 示 。圖 4-2 MCS-51 單 片 機(jī) 程 序 存 儲 器 的 擴(kuò) 展 原 理 圖由 于 MCS-51 單 片 機(jī) 的 P0 口 是 分 時 復(fù) 用 的 地 址 /數(shù) 據(jù) 總 線 ， 因 此 ， 在 進(jìn) 行 程 序 存 儲器 擴(kuò) 展 時 ， 必 須 用 地 址 鎖 存 器 鎖 存 地 址 信 號 。 通 常 地 址 鎖 存 器 可 使 用 帶 三 態(tài) 緩 沖 輸 出 的 八D 鎖 存 器 74LS373 或 8282， 也 可 用 帶 清 除 端 的 八 D 鎖 存 器 74LS273， 常 用74LS373。 當(dāng) 用 74LS373 作 為 地 址 鎖 存 器 時 ， 鎖 存 端 G 可 直 接 與 單 片 機(jī) 的 鎖 存 控 制 信號 端 ALE 相 連 ， 在 ALE 下 降 沿 進(jìn) 行 地 址 鎖 存 。根 據(jù) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 對 程 序 存 儲 器 容 量 要 求 的 不 同 ， 常 用 的 擴(kuò) 展 芯 片 包 括EPROM2716（ 2KB×8） 、 2732（ 4KB×8） 、 2764（ 8KB×8） 、 27128（ 16KB×8） 、27256（ 32KB×8） 和 27512（ 64KB×8） 等 。 以 上 6 種 EPROM 均 為 單 一 +5V 電 源供 電 ， 工 作 電 流 為 75mA~100mA,讀 出 時 間 最 大 為 250ns,其 中 A0~A15 是 地 址 線 。 不 同的 芯 片 口 擴(kuò) 展 的 存 儲 容 量 的 大 小 不 同 ， 因 而 提 供 高 8 位 地 址 的 P2 斷 口 線 的 數(shù) 量 各 不相 同 。 圖 4-3 為 EPROM2764A 和 鎖 存 器 74LS373 與 單 片 機(jī) 8031 進(jìn) 行 程 序 存 儲 器 擴(kuò) 展 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）37圖 4-3 8031 擴(kuò)展 EPROM2764A 的連接圖課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）38二 、 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 的 擴(kuò) 展8031 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 有 128 字 節(jié) 的 RAM 存 儲 器 。 CPU 提 供 對 內(nèi) 部 的 RAM 具 有 豐 富的 操 作 指 令 。 但 在 用 于 實 時 數(shù) 據(jù) 采 集 和 處 理 時 ， 僅 靠 片 內(nèi) 提 供 的 128 字 節(jié) 的 數(shù) 據(jù) 存儲 器 是 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 不 夠 的 ， 在 這 種 情 況 下 ， 可 利 用 MCS-51 的 擴(kuò) 展 功 能 ， 擴(kuò) 展 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲器 。圖 4-4 是 單 片 機(jī) 擴(kuò) 展 外 部 RAM 的 電 路 原 理 圖 。圖 4-4 單 片 機(jī) 擴(kuò) 展 外 部 RAM 的 電 路 原 理數(shù) 據(jù) 存 儲 器 只 使 用 WR、 RD 控 制 線 而 不 用 PSEN。 正 因 為 如 此 ， 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 與 程序 存 儲 器 地 址 可 完 全 重 疊 ， 均 為 0000H~0FFFFH， 但 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 與 I/O 口 及 外 圍 設(shè) 備是 統(tǒng) 一 編 址 的 ， 即 任 何 擴(kuò) 展 的 I/O 口 及 外 圍 設(shè) 備 均 占 用 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 地 址 。 圖 4-4 中 。P0 口 為 RAM 的 復(fù) 用 地 址 /數(shù) 據(jù) 線 ， P2 口 用 于 對 RAM 進(jìn) 行 頁 面 尋 址 （ 根 據(jù) 其 容 量 不 同 ，所 占 用 的 P2 端 口 不 同 ） ， 在 對 外 部 RAM 讀 /寫 其 間 ， CUP 產(chǎn) 生 RD/WR 信 號 。在 8031 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 。 靜 態(tài) RAM 最 常 用 ， 由 于 這 種 存 儲 器 的 設(shè) 計 無 需 考 慮刷 新 問 題 ， 因 而 它 與 CPU 的 接 口 很 簡 單 。 最 常 用 的 靜 態(tài) RAM 是 6116（ 2KB×8）和 6264（ 8KB×8） 、 62256（ 32KB×8） 等 。 單 一 +5V 電 源 供 電 ， 額 定 功 耗 分 別 為160mW 和 200mW,典 型 存 取 時 間 均 為 200ns,管 腳 分 別 為 24 和 28 線 。 圖 4-5 為 6264與 8031 的 硬 件 連 接 圖 。從 圖 中 可 知 ： 6264 的 片 選 接 8031 的 P2.7， 第 二 片 選 CS2 接 高 電 平 ， 保 持 一SC直 有 效 狀 態(tài) 。 因 6264 是 8kB 容 量 的 RAM， 故 用 到 13 根 地 址 線 。 8031 在 訪 問 6264時 ， 可 以 用 以 下 指 令 ：movx @dptr,a； A 中 內(nèi) 容 傳 至 外 部 RAM或 movx a, @dptr； 外 部 RAM 內(nèi) 容 傳 至 A 中對 于 圖 4-5 所 示 電 路 ， 6264 的 地 址 范 圍 為 6000H~7FFFH， 共 8kB。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）39圖 4-5 8031 擴(kuò) 展 6264 的 連 接 圖三 、 I/O 口 的 擴(kuò) 展課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）40在 MCS-51 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 ， 單 片 機(jī) 本 身 提 供 給 用 戶 使 用 的 輸 入 、 輸 出 口 線 并 不 多 ， 只 有P1 口 和 部 分 P3 口 線 。 因 此 ， 在 大 部 分 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 設(shè) 計 中 都 不 可 避 免 的 要 在 單 片 機(jī)外 部 擴(kuò) 展 I/O 端 口 。 由 于 MCS-51 的 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 RAM 和 I/O 口 的 是 統(tǒng) 一 編 址 的 ，因 此 用 戶 可 以 把 外 部 64KB 的 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 空 間 的 一 部 分 接 口 作 為 擴(kuò) 展 外 圍 I/O 的 地址 空 間 。 這 樣 單 片 機(jī) 就 可 以 象 訪 問 外 部 RAM 存 儲 器 一 樣 訪 問 外 部 接 口 芯 片 ， 對 其 進(jìn) 行讀 /寫 操 作 。常 用 的 I/O 擴(kuò) 展 集 成 芯 片 分 為 三 種 類 型 ：（ 1） 專 用 I/O 擴(kuò) 展 芯 片 。這 類 芯 片 專 用 于 擴(kuò) 展 I/O 口 ， 如 8255。 8255 是 一 種 常 用 的 8 位 并 行 輸 入 /輸 出接 口 芯 片 ， 其 內(nèi) 部 具 有 三 個 可 編 程 選 擇 其 工 作 方 式 的 通 道 A、 B 和 C， 用 于 與 外 部設(shè) 備 接 口 。 其 中 C 可 在 “方 式 ”字 控 制 下 分 成 兩 個 4 位 通 道 ， 分 別 與 數(shù) 據(jù) 通 道 A和 B 配 合 輸 出 控 制 信 號 (包 括 外 設(shè) 選 通 信 號 和 中 斷 申 請 信 號 )和 輸 入 外 設(shè) 狀 態(tài) 信 號 。通 道 C 具 有 按 位 置 /復(fù) 位 功 能 。（ 2） I/O 擴(kuò) 展 復(fù) 合 芯 片這 類 芯 片 除 了 能 擴(kuò) 展 I/O 口 外 ， 還 能 通 過 它 擴(kuò) 展 其 他 外 圍 功 能 電 路 ， 如8155。 8155 內(nèi) 部 有 256 字 節(jié) 的 靜 態(tài) RAM， 兩 個 8 位 并 行 I/O 口 （ PA 和 PB 口 ） 和一 個 6 位 并 行 I/O 口 （ PC 口 ） 。 兩 個 8 位 并 行 I/O 口 可 工 作 于 基 本 輸 入 輸 出 方 式 或 選通 輸 入 輸 出 方 式 。 PC 口 可 編 程 為 輸 入 或 輸 出 或 作 為 PA 口 和 PB 口 的 控 制 信 號 線 。8155 設(shè) 置 有 一 個 14 位 二 進(jìn) 制 減 法 定 時 器 /計 數(shù) 器 ， 可 用 來 定 時 或 對 外 部 事 件 計 數(shù) 。 它具 有 多 路 轉(zhuǎn) 換 的 地 址 和 數(shù) 據(jù) 總 線 ， 即 地 址 /數(shù) 據(jù) 總 線 復(fù) 用 。（ 3） TTL 電 路 芯 片這 一 類 芯 片 廣 泛 應(yīng) 用 于 MCS-51 單 片 機(jī) I/O 擴(kuò) 展 芯 片 。 主 要 有 ： 通 過 P0 口 擴(kuò) 展的 各 種 類 型 的 鎖 存 器 及 三 態(tài) 緩 沖 器 ， 如74LS373、 74LS273、 74LS367、 74LS374、 74LS377、 74LS244 等 。通 過 串 行 口 擴(kuò) 展 的 主 要 是 位 移 寄 存 器 74LS164、 74LS165 等 。4． 其 他 功 能 芯 片MCS-51 還 可 以 使 用 具 有 各 種 專 用 功 能 的 外 圍 芯 片 ：如 ： 8259： 可 編 程 中 斷 控 制 器 （ 8 個 中 斷 源 ） ；8279： 可 編 程 鍵 盤 /顯 示 控 制 器 ；8253： 可 編 程 通 用 定 時 器 ；8251、 8273： 可 編 程 通 信 控 制 器 等 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）41圖 4-6 8031 擴(kuò) 展 8255 的 連 接 圖四 、 單 片 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 裝 置 硬 件 擴(kuò) 展 框 圖課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）42用 8031 單 片 機(jī) 組 成 CNC 系 統(tǒng) ， 其 數(shù) 控 裝 置 如 圖 4-7 所 示 。 該 系 統(tǒng) 按 模 塊 化 設(shè) 計 ， 圖 4-7 8031 的 I/O 擴(kuò) 展 系 統(tǒng)它 主 要 由 主 控 系 統(tǒng) 板 、 CRT 控 制 板 、 鍵 盤 操 作 板 和 存 儲 控 制 板 等 組 成 。 若 采 用 LED顯 示 ， LED 控 制 板 、 鍵 盤 操 作 板 可 由 一 塊 鍵 盤 /顯 示 操 作 板 代 替 ， 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 常 采用 該 形 式 。 系 統(tǒng) 主 控 制 板 以 8031 為 控 制 器 ， 板 上 包 含 內(nèi) 存 為 8～ 16KB 的 RAM（ 供用 戶 輸 入 和 調(diào) 試 加 工 程 序 用 ） ， 內(nèi) 存 為 16KB 的 EPROM。由 圖 可 知 ， 系 統(tǒng) 中 的 RAM 與 EPROM 及 編 程 I/O 擴(kuò) 展 芯 片 的 數(shù) 據(jù) 線 和 低 8 位 地址 線 在 8031 地 址 鎖 存 信 號 輸 出 端 ALE 及 地 址 鎖 存 器 控 制 下 ， 公 用 一 組 8031 的 8位 總 線 （ P0 口 ） ， 而 8 位 地 址 及 片 選 信 號 ， 則 由 8031 的 另 一 組 8 位 總 線 （ P2 口 ）結(jié) 合 譯 碼 器 提 供 。 因 8031 的 外 部 ROM 由 PSEN 信 號 選 通 ， 外 部 RAM 和 擴(kuò) 展 I/O端 口 由 W/R 信 號 選 通 ， 所 以 RAM 與 EPROM 的 地 址 可 以 重 復(fù) 。8031 的 P1 口 輸 出 環(huán) 形 分 配 脈 沖 信 號 （ 軟 件 環(huán) 形 分 配 ） 或 輸 出 控 制 指 令 經(jīng) 環(huán) 形 分 配 器輸 出 環(huán) 形 分 配 脈 沖 信 號 （ 硬 件 環(huán) 形 分 配 ） ， 經(jīng) 光 電 隔 離 和 驅(qū) 動 放 大 電 路 驅(qū) 動 步 進(jìn) 電 機(jī) 。8031 的 P3 口 在 其 第 二 功 能 情 況 下 ， 可 完 成 回 轉(zhuǎn) 刀 架 、 主 軸 脈 沖 發(fā) 生 器 （ 光 電 編 碼 器 ） 信號 及 外 部 中 斷 控 制 等 工 作 。 可 編 程 的 I/O 擴(kuò) 展 芯 片 在 監(jiān) 控 程 序 控 制 下 掃 描 鍵 盤 （ 或 鍵 盤/LED 數(shù) 碼 顯 示 控 制 板 ） ； 并 輸 出 組 合 邏 輯 信 號 ， 以 控 制 主 軸 電 動 機(jī) 的 速 度 轉(zhuǎn) 換 。CRT 控 制 系 統(tǒng) 是 以 視 頻 控 制 器 為 主 芯 片 的 擴(kuò) 展 電 路 。 其 中 包 括 有 8KB 的 靜 態(tài)RAM（ 存 放 被 顯 示 的 字 形 和 圖 形 ， 稱 顯 示 存 儲 器 ） 、 8KB 的 EPROM（ 存 放 漢 字 、 同計 數(shù) 器 組 成 “字 符 發(fā) 生 器 ”） 、 鎖 存 器 及 其 他 緩 沖 器 和 邏 輯 電 路 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）43第 三 節(jié) 其 它 接 口 設(shè) 計一 、 鍵 盤 接 口 設(shè) 計1、 鍵 盤 輸 入 應(yīng) 解 決 的 問 題鍵 盤 在 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 中 是 一 個 很 關(guān) 鍵 的 部 件 ， 它 能 實 驗 向 計 算 機(jī) 輸 入 數(shù) 據(jù) 、 傳 送 命令 等 功 能 ， 是 人 工 干 預(yù) 計 算 機(jī) 的 主 要 手 段 。 鍵 盤 實 質(zhì) 是 一 組 按 鍵 開 關(guān) 的 集 合 。 通 常 ， 按 鍵所 用 開 關(guān) 為 機(jī) 械 彈 性 開 關(guān) ， 利 用 了 機(jī) 械 觸 點(diǎn) 的 合 、 斷 作 用 。 由 于 機(jī) 械 觸 點(diǎn) 的 彈 性 作 用 ， 一個 按 鍵 開 關(guān) 在 閉 合 或 斷 開 時 都 不 會 馬 上 穩(wěn) 定 地 接 通 或 斷 開 ， 在 閉 合 及 斷 開 地 瞬 間 均 伴 有 連串 的 抖 動 ， 抖 動 的 時 間 長 短 由 按 鍵 的 機(jī) 械 特 性 決 定 ， 一 般 為 5ms~10ms， 這 是 一 個 很重 要 的 時 間 參 數(shù) ， 在 很 多 場 合 都 要 用 到 。鍵 的 閉 合 與 否 ， 反 應(yīng) 在 電 壓 上 就 是 呈 現(xiàn) 高 電 平 或 低 電 平 ， 如 果 高 電 平 表 示 斷 開 ， 那 么低 電 平 就 表 示 閉 合 ， 所 以 通 過 電 平 的 高 低 狀 態(tài) 的 檢 測 ， 便 可 以 確 定 按 鍵 是 否 按 下 。 為 了 確保 CPU 對 按 鍵 動 作 只 確 認(rèn) 一 次 ， 必 須 消 除 抖 動 的 影 響 。消 除 按 鍵 的 抖 動 ， 通 常 有 硬 件 、 軟 件 兩 種 方 法 ： 硬 件 消 除 抖 動 常 用 雙 穩(wěn) 態(tài) 消 抖 合 濾 波消 抖 電 路 ， 在 按 鍵 較 少 時 用 得 比 較 多 ； 如 果 按 鍵 較 多 ， 硬 件 消 抖 將 無 法 勝 任 ， 因 此 常 采 用軟 件 的 方 法 消 抖 ， 在 第 一 次 檢 測 到 有 鍵 按 下 時 ， 執(zhí) 行 一 段 延 時 10ms 的 子 程 序 后 再 確認(rèn) 該 鍵 電 平 是 否 仍 保 持 閉 合 狀 態(tài) 電 平 ， 如 果 保 持 閉 合 狀 態(tài) 電 平 ， 則 確 認(rèn) 真 正 有 鍵 按 下 ， 從而 消 除 了 抖 動 的 影 響 。2、 按 鍵 接 口 設(shè) 計鍵 盤 接 口 設(shè) 計 有 兩 種 形 式 ： 獨(dú) 立 式 按 鍵 接 口 設(shè) 計 和 矩 陣 式 鍵 盤 接 口 設(shè) 計 。獨(dú) 立 式 按 鍵 就 是 按 鍵 相 互 獨(dú) 立 ， 每 個 按 鍵 各 接 一 根 輸 入 線 ， 一 根 輸 入 線 上 的 按 鍵 工 作狀 態(tài) 不 會 影 響 其 它 輸 入 線 上 的 工 作 狀 態(tài) 。 因 此 ， 通 過 檢 測 輸 入 線 的 電 平 狀 態(tài) 可 以 和 容 易 判斷 哪 各 按 鍵 被 按 下 了 。 獨(dú) 立 式 按 鍵 電 路 配 置 靈 活 ， 軟 件 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 但 每 各 按 鍵 需 占 用 一 個接 口 線 ， 在 按 鍵 數(shù) 量 較 多 時 ， 輸 入 口 浪 費(fèi) 大 ， 電 路 結(jié) 構(gòu) 顯 得 繁 雜 ， 故 此 種 鍵 盤 使 用 于 按 鍵較 少 或 要 求 速 度 較 高 得 場 合 。矩 陣 式 鍵 盤 使 用 于 按 鍵 數(shù) 量 較 多 得 場 合 ， 它 由 行 線 和 列 線 組 成 ， 按 鍵 位 于 行 、 列 交 叉點(diǎn) 上 。 如 一 個 3×3 的 行 、 列 結(jié) 構(gòu) 可 以 構(gòu) 成 一 個 9 個 按 鍵 的 鍵 盤 ， 同 樣 4×4 的 行 、列 結(jié) 構(gòu) 可 以 構(gòu) 成 一 個 含 有 16 個 按 鍵 的 鍵 盤 等 。 很 明 顯 ， 在 按 鍵 數(shù) 量 較 多 時 ， 矩 陣 鍵 盤于 獨(dú) 立 式 鍵 盤 相 比 ， 要 節(jié) 省 很 多 I/O 口 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）44圖 4-8 8155 擴(kuò)展 I/O 口組成的行列式鍵盤二 、 顯 示 器 接 口 設(shè) 計在 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 中 ， 常 用 的 顯 示 器 有 ： 發(fā) 光 二 極 管 顯 示 器 （ LED） ； 液 晶 顯 示 器（ LCD） ； 熒 光 屏 顯 示 器 。 近 年 來 也 開 始 使 用 CRT 接 口 ， 顯 示 一 些 漢 字 和 圖 形 。 前 三種 顯 示 器 都 有 兩 種 顯 示 結(jié) 構(gòu) ； 段 顯 示 （ 7 段 、 8 段 和 “米 ”字 型 等 ） 和 點(diǎn) 陣 顯 示（ 5×7,5×8,8×8 點(diǎn) 陣 ） 。 三 種 顯 示 器 中 ， 以 熒 光 屏 顯 示 器 亮 度 最 高 ， 發(fā) 光 二 極 管 次 之 ， 而液 晶 顯 示 器 最 弱 ， 為 被 動 顯 示 器 ， 必 須 有 外 光 源 。 LED 顯 示 器 較 簡 單 。 因 此 在 簡 單 的系 統(tǒng) 中 常 采 用 。圖 4-9 8155 擴(kuò) 展 LED課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）45三 、 其 它 輔 助 電 路輔 助 電 路 包 括 復(fù) 位 電 路 ， 時 鐘 電 路 及 報 警 指 示 電 路 。1、 復(fù) 位 及 時 鐘 電 路2、 時 鐘 電 路3、 報 警 指 示 電 路4、 的5、五 、 步 進(jìn) 電 機(jī) 接 口 電 路步 進(jìn) 電 機(jī) 又 稱 為 脈 沖 電 動 機(jī) 。 它 的 作 用 是 將 脈 沖 電 信 號 轉(zhuǎn) 變 為 相 應(yīng) 的 角 位 移 。 步 進(jìn) 電機(jī) 的 角 位 移 與 脈 沖 數(shù) 成 正 比 ， 其 轉(zhuǎn) 速 與 脈 沖 數(shù) 成 正 比 。 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 脈 沖 分 配 采 用 軟 件 或 硬件 實 現(xiàn) 。1、 脈 沖 分 配 器（ 1） TTL 集 成 脈 沖 分 配 器目 前 大 都 采 用 可 靠 性 高 、 外 形 尺 寸 小 且 使 用 方 便 的 集 成 脈 沖 分 配 器 。 通 常 采 用 的 TTL集 成 電 路 脈 沖 分 配 器 有 三 相 、 四 相 、 五 相 和 六 相 ， 其 型 號 分 別 為YB013、 YB014、 YB015 以 及 YB016， 均 為 18 個 管 腳 直 插 式 封 裝 。 如 圖 4-3 為YB013 的 脈 沖 分 配 器 的 管 腳 圖 。圖 4-3 YB013 管 腳 圖1） 各 端 口 功 能選 通 輸 出 控 制 ——控 制 滿 脈 沖 分 配 器 是 否 輸 出 一 定 順 序 的 脈 沖 。0E清 零 ——在 輸 出 一 定 順 序 的 脈 沖 前 ， 對 脈 沖 分 配 器 進(jìn) 行 起 來 ， 以 便 使 其 正 常 工 作 。RA0、 A1 勵 磁 方 式 控 制 —— 的 通 電 方 式 ， 選 擇 通 電 相 數(shù) 和 拍 數(shù) 。例 如 ， 三 相 脈 沖 分 配 器 ： 、 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 單 三 拍0A1工 作 ； 、 A1 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 雙 三 拍 工 作 ，0A0 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 2－ 1 相 通 電 ， 形 成 六 拍 工 作 。課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）46四 相 脈 沖 分 配 器 ： 、 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 單 四 拍 工 作 ；0A1、 A1 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 雙 四 拍 工 作 ；0A0 、 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 2－ 1 相 通 電 八 拍 工 作 ； A0、 A1 狀態(tài) 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 2－ 3 相 通 電 八 拍 工 作 。五 相 脈 沖 分 配 器 ： 、 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 單 五 拍 方 式 工 作 ；0A1、 A1 狀 態(tài) 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 三 相 通 電 五 拍 方 式 工 作 ； A0 狀 態(tài) 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 3—2 相 通0電 十 拍 方 式 工 作 。六 相 脈 沖 分 配 器 ： 、 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 單 六 拍 工 作 ；01、 A1 狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 所 需 通 電 六 拍 方 式 工 作 ； A0 、0狀 態(tài) 脈 沖 分 配 器 輸 出 的 脈 沖 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 以 3—2 相 通 電 十 二 拍 工 作 ； A0、 A1 狀 態(tài) 使步 進(jìn) 電 機(jī) 以 3——4 相 通 電 十 二 拍 工 作 。一 般 情 況 下 ， 該 芯 片 的 兩 個 輸 入 控 制 端 、 可 以 直 接 接 地 。 如 工 作 方 式 為1E24 相 4 拍 ， 只 需 將 、 接 地 即 可 。 這 樣 ， 芯 片 所 剩 控 制 端 有 方 向 控 制 端 ：0A1＋ 、 — 、 選 通 輸 出 控 制 端 、 時 鐘 脈 沖 輸 入 端 CP 及 清 零 端 。 要 正 確 控 制 步? R進(jìn) 電 動 機(jī) ， 必 須 正 確 使 用 這 些 信 號 。2） 脈 沖 分 配 器 使 用 舉 例以 三 相 脈 沖 分 配 器 為 例 ， 假 設(shè) 要 求 三 相 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 以 雙 三 拍 方 式 工 作 ， 這 時 脈 沖 分 配器 工 作 真 值 表 見 表 4-1， 脈 沖 分 配 器 接 線 圖 見 圖 4-4， 圖 中 CP 的 上 升 沿 使 脈 沖 分 配 器改 變 輸 出 狀 態(tài) ， 因 此 CP 的 頻 率 決 定 了 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， P 端 控 制 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn)向 ： P=1 為 正 轉(zhuǎn) ， P=0 為 反 轉(zhuǎn) 。圖 4-4 YB013 脈 沖 分 配 器 接 線 圖 表 4-1 脈 沖 分 配 器 工 作 真 值 表（ 2） COMS 集 成 脈 沖 分 配 器 CH250CH250 是 產(chǎn) 生 驅(qū) 動 三 相 步 進(jìn) 電 動 機(jī) 所 需 的 控 制 脈 沖 的 專 用 集 成 電 路 ， 它 可 輸 出 雙 三 拍課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）47或 六 拍 的 脈 沖 信 號 ， 封 裝 形 式 為 16 腳 直 插 式 ， 功 能 引 腳 見 圖 4-5， 真 值 表 見 表 4-2， 其 使 用 方 法 為 ：1） 雙 三 拍 工 作將 CH250 按 圖 4-6 接 線 便 構(gòu) 成 雙 三 拍 工 作 方 式 ， 當(dāng) 接 通 電 源 瞬 間 R3 為 高 電 位 ，對 CH250 復(fù) 位 ， 使 其 進(jìn) 入 雙 三 拍 工 作 方 式 ， 當(dāng) 對 電 容 充 電 完 畢 R3 變 為 低 電 位 （ 0狀 態(tài) ） ， CH250 便 可 正 常 工 作 ， P 端 控 制 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 向 ------P=1 時 為 正 轉(zhuǎn) ， P=0 時 為 反 轉(zhuǎn) 。表 4-2 CH250 真 值 表CP EN J3R J3L J6R J6L 功 能↑ 1 1 0 0 0 雙 三 拍 正 轉(zhuǎn)↑ 1 0 1 0 0 雙 三 拍 反 轉(zhuǎn)↑ 1 0 0 1 0 單 六 拍 正 轉(zhuǎn)↑ 1 0 0 0 1 單 六 拍 反 轉(zhuǎn)0 ↓ 1 0 0 0 雙 三 拍 正 轉(zhuǎn)0 ↓ 0 1 0 0 雙 三 拍 反 轉(zhuǎn)0 ↓ 0 0 1 0 單 六 拍 正 轉(zhuǎn)0 ↓ 0 0 0 1 單 六 拍 反 轉(zhuǎn)↓ 1 φ φ φ φ 不 變φ 0 φ φ φ φ 不 變0 ↑ φ φ φ φ 不 變1 φ φ φ φ φ 不 變圖 4-5 CH250 脈 沖 分 配 器 引 腳 功 能 圖 4-6 CH250 雙 三 拍 工 作 方 式 接 線2） 三 相 六 拍 工 作將 CH250 按 圖 4-7 接 線 便 構(gòu) 成三 相 六 拍 工 作 方 式 ， 當(dāng) 接 通 電 源 瞬間 R6 為 1， 對 CH250 復(fù) 位 ， 當(dāng) 對電 容 充 電 完 畢 R6 變 為 0， CH250便 進(jìn) 入 三 相 六 拍 工 作 方 式 ， P=1課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）48時 為 正 轉(zhuǎn) ， P=0 時 為 反 轉(zhuǎn) 。圖 4-7 三 相 六 拍 接 線 圖2、 功 率 放 大 器脈 沖 分 配 器 的 輸 出 功 率 很 小 ， 遠(yuǎn) 不 能 滿 足 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 要 求 ， 必 須 將 它 放 大 以 產(chǎn) 生 足 夠大 的 功 率 驅(qū) 動 步 進(jìn) 電 機(jī) 正 常 運(yùn) 轉(zhuǎn) 。根 據(jù) 步 進(jìn) 電 機(jī) 矩 頻 特 性 ， 隨 著 運(yùn) 行 頻 率 的 增 高 （ 轉(zhuǎn) 速 加 快 ） ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 帶 負(fù) 載 的能 力 下 降 。 這 一 現(xiàn) 象 產(chǎn) 生 的 原 因 主 要 是 ： 作 為 功 率 放 大 器 負(fù) 載 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 是 電 感 負(fù) 載 。 當(dāng)改 變 通 電 狀 態(tài) 時 ， 通 電 繞 組 （ 例 如 B 相 ） 的 電 流 將 從 零 逐 漸 增 大 ， 該 繞 組 中 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電勢 使 電 流 按 指 數(shù) 規(guī) 律 上 升 ， 并 將 電 源 一 部 分 能 量 轉(zhuǎn) 換 成 勢 能 存 儲 在 （ 電 感 ） 繞 組 中 。 電 流的 時 間 常 數(shù) 為τ =L /R (4-1)im式 中 ： L ——步 進(jìn) 電 機(jī) 一 相 繞 組 的 平 均 電 感 量 ；R——通 電 回 路 的 電 阻 ， 它 包 括 繞 組 電 阻 、 功 率 放 大 器 輸 出 級 內(nèi) 阻 及 串 聯(lián) 電 阻 。而 斷 電 繞 組 （ 例 如 A 相 ） 電 流 是 下 降 的 ， 這 時 存 儲 于 繞 組 中 的 勢 能 將 以 電 流 形 式 釋放 出 來 ， 使 電 流 按 指 數(shù) 規(guī) 律 下 降 ， 其 時 間 常 數(shù) 為τ d= L /RD (4-2)m式 中 ： RD——放 電 回 路 的 電 阻 ， 它 包 括 繞 組 電 阻 、 續(xù) 流 二 極 管 正 向 電 阻 等 。這 樣 就 使 得 繞 組 中 電 流 緩 慢 增 加 和 緩慢 下 降 ， 即 電 流 波 形 有 不 陡 的 前 沿 和 后 沿 ，如 圖 4-8（ a） 所 示 。 嚴(yán) 重 時 可 變 成 圖4-8（ b） 所 示 波 形 ， 致 使 步 進(jìn) 電 機(jī) 各 相 繞組 電 流 幾 乎 同 時 存 在 ， 所 以 電 動 機(jī) 負(fù) 載 能力 下 降 ， 嚴(yán) 重 時 不 能 啟 動 。 為 了 提 高 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 動 態(tài) 特 性 ， 必須 改 善 電 流 波 形 ， 使 電 流 前 、 后 沿 更 陡 些 。 其 方 法 有 ： （ 1） 電 阻 法 從 式 (4-2)知 ， 增 大 功 率 放 大 器 負(fù) 載 回 路的 電 阻 R 可 以 使 電 流 上 升 的 時 間 常 數(shù) 減 小 ， 從而 使 電 流 上 升 變 陡 。 辦 法 是 在 步 進(jìn) 電 機(jī) 繞 組 回路 串 聯(lián) 一 個 電 阻 R0， 如 圖 4-9 所 示 。 圖 中 ：圖 4-8 電 流 波 形圖 4-9 電 阻 法 改 善 動 態(tài) 特 性課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）49L——步 進(jìn) 電 機(jī) 繞 組 的 電 感 ；R ——步 進(jìn) 電 機(jī) 繞 組 的 電 阻 。m這 時 電 動 機(jī) 電 流 增 長 的 時 間 常 數(shù) 為（ 4-3）0' RLmi???電 阻 法 的 缺 點(diǎn) 是 明 顯 的 ， 在 串 聯(lián) 電 阻 R0 上 消 耗 了 一 部 分 功 率 ， 將 其 轉(zhuǎn) 換 成 熱 能 ，給 設(shè) 備 散 熱 帶 來 了 困 難 ， 也 降 低 了 功 率 放 大 器 的 功 率 。 優(yōu) 點(diǎn) 是 線 路 簡 單 ， 適 用 于 小 功 率 步進(jìn) 電 機(jī) ， 串 聯(lián) 電 阻 值 也 不 宜 大 于 10Ω（ 2） 雙 電 源 法1） 工 作 原 理導(dǎo) 通 狀 態(tài) 時 功 率 放 大 器 負(fù) 載 回 路 電 流 （ 也 就 是 電 動 機(jī) 繞 組 的 電 流 ） 為（ 4-4）)1(imeREI???式 中 ： E——電 源 電 壓 。電 流 的 增 長 率 為（ 4-5） imeLEdtI???（ 4-5） 式 表 明 ， 增 高 電 源 電 壓 E 可 以 有 效 地 改 善 電 流 上 升 沿 的 陡 度 。 步 進(jìn) 電 機(jī) 額 定 相電 壓 是 規(guī) 定 的 ， 不 允 許 在 高 于 額 定 電 壓 下 長 時 間 工 作 。 為 此 ， 采 用 雙 電 源 電 路 ， 在 功 率 放大 器 導(dǎo) 通 初 始 時 ， 加 上 比 額 定 電 壓 高 幾 倍 的 電 源 供 電 ， 使 電 動 機(jī) 繞 組 電 流 從 零 很 快 增 長 ，當(dāng) 電 流 升 到 接 近 額 定 值 時 切 斷 高 壓 電 源 而 由 額 定 電 壓 為 繞 組 提 供 正 常 工 作 電 流 。 電 路 原 理如 圖 4-10。圖 4-10 雙 電 源 原 理 圖 圖 4-11 雙 電 源 供 電 電 流 波 形它 由 兩 電 源 組 成 ， 即 高 電 壓 電 源 和 額 定 電 壓 電 源 。 當(dāng) 控 制 脈 沖 到 來 時 ， 觸 發(fā) 單 穩(wěn) 翻 轉(zhuǎn)成 高 電 平 ， 使 T2 處 于 “導(dǎo) 通 ”狀 態(tài) ， 其 內(nèi) 阻 很 小 ， 壓 降 可 忽 略 。 T1 在 控 制 脈 沖 作 用下 也 處 于 “導(dǎo) 通 ”狀 態(tài) 下 ， 壓 降 也 可 以 忽 略 。 e 點(diǎn) 電 壓 Ue≈ En， 二 極 管 D2 為 反 壓 處于 截 止 狀 態(tài) ， 切 斷 En， 高 壓 電 源 通 過 T1 和 T2 給 電 動 機(jī) 繞 組 WA 供 電 ， 使 電 流 快 速 上 升 ，課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）50當(dāng) 接 近 額 定 電 流 值 時 單 穩(wěn) 自 動 翻 轉(zhuǎn) 成 低 電 平 ， T2 截 止 ， D2 處 于 正 向 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ， 接 通En， En 通 過 D2 和 T1 為 電 動 機(jī) 繞 組 WA 供 電 ， 維 持 所 需 的 額 定 電 流 In 。 電 流 波 形 見圖 4-11。 圖 中 當(dāng) 期 間 為 單 穩(wěn) 態(tài) 被 觸 發(fā) 為 高 電 平 ， 由 En 供 電 ； 當(dāng) t=tb 以 后 ，bt??0單 穩(wěn) 自 動 翻 轉(zhuǎn) 成 低 電 平 ， 由 En 供 電 。 其 中 t 可 由 式 （ 4-4） 求 出 得（ 4-6）mnHiRIt??l?式 中 ： ——要 求 高 電 壓 電 源 供 電 ， 電 流 達(dá) 到 的 數(shù) 值 。nI2） 雙 電 源 實 用 電 路圖 4-12 高 低 壓 供 電 實 用 電 路 圖 4-12 為 高 低 壓 供 電 實 用 電 路 （ 只 畫 出 一 相 ） ， 用 脈 沖 變 壓 器 代 替 原 理 圖 中“單 穩(wěn) ”的 功 能 ， 它 的 工 作 原 理 為 ： 電 路 中 各 晶 體 管 均 工 作 在 開 關(guān) 狀 態(tài) 。 當(dāng) 控 制 脈 沖 到 來時 ， T1、 T3、 T4 均 處 在 “開 ”狀 態(tài) （ 即 導(dǎo) 通 ） ， 同 時 脈 沖 變 壓 器 B 的 副 級 產(chǎn) 生 一 定 寬度 的 脈 沖 電 流 使 T2 工 作 在 “開 ”狀 態(tài) ， 使 D2 二 極 管 處 于 負(fù) 偏 置 而 截 止 將 電 動 機(jī) 繞 組 與電 源 斷 開 。 高 壓 電 源 通 過 為 步 進(jìn) 電 機(jī) 一 相 繞 組 供 電 ， 使 其 電 流 上 升 沿 變 陡 。 經(jīng) 過 時HE間 后 脈 沖 電 流 消 失 ， 使 處 于 “關(guān) ”（ 即 截 止 ） 狀 態(tài) ， 切 斷 高 壓 電 源 與 電 動 機(jī) 繞 組 的 回 路 ，二 極 管 正 向 偏 置 導(dǎo) 通 ， 接 通 額 定 電 壓 電 源 與 電 動 機(jī) 繞 組 的 回 路 ， 通 過 為 電 動 機(jī) 供 電 ， 提 供電 動 機(jī) 所 需 的 額 定 電 流 。 可 通 過 調(diào) 整 脈 沖 變 壓 器 磁 芯 和 電 阻 ， 改 變 脈 沖 電 流 寬 度 ， 滿 足 對tb 的 要 求 。（ 3） 電 阻 法 改 善 電 流 波 形 的 后 沿步 進(jìn) 電 機(jī) 的 電 流 后 沿 是 按 指 數(shù) 規(guī) 律 下 降 的 ， 為 提 高 電 動 機(jī) 的 動 態(tài) 特 性 ， 對 電 流 后 沿 需要 改 善 ， 要 求 當(dāng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 通 電 狀 態(tài) 改 變 時 ， 前 一 相 的 電 流 很 快 釋 放 到 零 。上 節(jié) 已 經(jīng) 高 論 過 ， 為 防 止 功 率 放 大 器 輸 出 級 晶 體 管 被 擊 穿 ， 需 要 在 負(fù) 載 回 路 中 并 聯(lián) 一個 起 續(xù) 流 作 用 的 二 極 管 。 電 動 機(jī) 電 流 后 沿 好 壞 主 要 由 續(xù) 流 回 路 所 決 定 。 其 時 間 常 數(shù) 為課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）51(4-7)mDdRL???式 中 ： ——續(xù) 流 二 極 管 正 向 電 阻 ； ——繞 組 電 阻 。DRmR式 4-7 表 明 ， 為 了 改 善 電 流 波 形 后 沿 而 減 小 續(xù) 流 回 路 的 時 間 常 數(shù) ， 可 以 在 續(xù) 流 回 路 中串 聯(lián) 一 個 電 阻 ， 增 大 回 路 電 阻 值 。 時 間 常 數(shù) 為s（ 4-8）smDdRL??'?注 意 ， 由 于 回 路 串 聯(lián) 電 阻 使 功 率 放 大 器 輸 出 級 晶 體 管 在 截 止 瞬 間 需 承 受 的 電 壓 增高 ， 該 電 壓 等 于 續(xù) 流 二 極 管 正 向 壓 降 、 串 聯(lián) 電 阻 的 壓 降 及 電 源 電 壓 三 者 之 和 。 因 為sR三 極 管 工 作 于 開 關(guān) 狀 態(tài) ， 導(dǎo) 通 時 壓 降 可 以 忽 略 ， 其 導(dǎo) 通 電 流 近 似 為 E/ 。 當(dāng) T 截mR止 瞬 間 晶 體 管 集 電 極 電 壓 為 （ 即 T 承 受 之 電 壓 ）(4-9))1()1(msDmsDREURE????式 中 ： ——續(xù) 流 二 極 管 正 向 壓 降 ； 為 簡 化 可 將 其 忽 略 。U因 此 ， 選 用 串 聯(lián) 電 阻 時 應(yīng) 滿 足(4-10)????????1ERCms式 中 ： ——晶 體 管 基 極 開 路 時 集 -射 極 擊 穿 電 壓 。C3、 光 電 隔 離 電 路 在 數(shù) 控 機(jī) 床 系 統(tǒng) 中 ， 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 隔 離 電 路 是 光 隔 離 器 （ 又 稱 光 耦 合 器 ） 。 它 由發(fā) 光 器 件 和 受 光 器 件 組 成 ， 并 密 封 在 一 起 ， 形 成 一 個 組 合 器 件 。 聯(lián) 接 發(fā) 光 源 的 引 線 做 為 輸入 端 ， 聯(lián) 接 受 光 器 件 的 引 線 作 為 輸 出 端 。 當(dāng) 輸 入 端 加 電 信 號 時 ， 激 發(fā) 發(fā) 光 器 件 發(fā) 光 。 受 光器 件 受 光 后 ， 由 于 光 敏 效 應(yīng) 產(chǎn) 生 光 電 流 通 過 輸 出 端 輸 出 ， 實 現(xiàn) 以 光 為 媒 介 的 電 信 號 傳 輸 。而 輸 入 端 和 輸 出 端 在 電 氣 上 是 絕 緣 的 。數(shù) 控 系 統(tǒng) 經(jīng) 常 采 用 的 光 隔 離 器 封 裝 形 式 有 管 形 和 雙 列 直 插 式 。（ 1） 發(fā) 光 器 件數(shù) 控 機(jī) 床 系 統(tǒng) 光 隔 離 器 件 都 采 用 紅 外 發(fā) 光二 極 管 ， 其 伏 安 特 性 如 圖 所 示 。 當(dāng) 加 在 發(fā) 光 二極 管 的 正 向 電 壓 大 于 某 一 值 時 ， 開 始 產(chǎn)FU生 正 向 電 流 ， 圖 4-13 所 示 的 正 向 電 壓 值I圖 4-13 紅外發(fā)光二極管伏安特性課程設(shè)計指導(dǎo)書（第四章）52為 1V。 正 向 電 壓 再 繼 續(xù) 增 大 ， 通 過 發(fā) 光 二FU極 管 的 正 向 電 流 迅 速 增 大 ， 壓 降 近 似 保 持 不 變 ，其 值 不 超 過 1.3V。 若 正 向 電 壓 增 加 過大 時 ， 正 向 電 流 過 大 ， 發(fā) 光 二 極 管 會 因 此 而 被 燒 壞 。 所 以 在 使 用 時 通 過 LED 的 正 向電 流 應(yīng) 小 于 其 允 許 的 最 大 電 流 。FKI從 圖 4-13 還 可 以 看 到 ， 當(dāng) 發(fā) 光 二 極 管 加 反 向 電 壓 時 ， 開 始 反 向 電 流 很 小 ， 且RI基 本 不 隨 反 向 電 壓 而 變 化 。 但 當(dāng) 反 向 電 壓 增 加 到 時 ， 反 向 電 流 急 劇 增 大 ， 稱 這 時 發(fā)RU光 二 極 管 被 反 向 擊 穿 。（ 2） 受 光 器 件用 于 數(shù) 控 機(jī) 床 系