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1、第四章,机电一体化系统的微机 控制系统的选择与设计,目 录,4.1 微机控制系统 4.2 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计 4.3 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口,4.1 微机控制系统,微机控制系统的设计主要包括： 选用微机 设计接口 选用控制形式 动作控制方式等,一、微机控制系统专用与通用、硬件与软 件的权衡与决择,1、专用与通用的抉择 专用适合于大批量生产的机电一体化产品； 通用控制系统适合于多品种、中小批量生产的机电一体化产品；,如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，必须选用专用控制系统；,专用控制系统的设计的方法：,1）就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统
2、2）重新设计制作专用集成电路,通用控制系统的设计的步骤：,1）合理选择主控制微机机型 2）设计接口 3）编制应用软件,实质上是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。,（2）硬件与软件的权衡,由经济性和可靠性的标准权衡决定。,能用通用的LSI芯片来组成电路的，则最好采用 硬件 。,必须使用分立元件组成硬件时，最好采用软件；,二、控制系统的设计思路,1、确定系统整体控制方案 1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制；,2）执行元件采用何种方式；,3）考虑系统是否有特殊控制要求及采取的措施是什么？,4）考虑微机在整个控制系统中的作用,5）初步估算其成本。 6）画出系统组成的初步框图,
3、2、确定控制算法,建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。,控制算法的选择标准：,控制速度 控制精度 系统稳定性,3、选择微型计算机,（1）对微型计算机的要求 1）较完善的中断系统 必须具有实时中断能力,2）足够的存储容量,随机存储器（RAM）：,存放数控程序及中间运算结果。,只读存储器（ROM）：,存放系统程序。,可擦除的ROM包括,EPROM 紫外光可擦除 E2PROM 电可擦除 KEPROM 带键保护,3）完备的输入/输出通道和实时时钟,完备的输入输出通道包括：,1）开关量输入/输出通道 2）模拟量输入/输出通道 3）直接数据通道,选择微型计算机还应考虑以下几个特
4、殊要求：,1）字长 2）速度 3）指令,字长直接影响:,数据的精度 寻址的能力 指令的数目 执行操作的时间,一般说：,通常的顺序控制、程序控制可选用 1 位微处理器,对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用 4 位机；,对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用 8 位机,对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用 16 位以上的微机。,速度,速度的选择可根据被控对象而定,指令,对指令的要求是：系统要有有较丰富的 逻辑判断指令 外围设备控制指令,（2）微机系统的类型,单片机 单板机 可编程序控制器（PLC） 总线型工业控制计算机 微机,微机系统的选择的依据：,成本高低 程序编制难易 扩充
5、输入/输出接口是否方便等,1）单板机,特点：,价格低，体积小，便于现场应用和维护管理 内存小，接口电路小 使用机器语言编程,2）单片机,特点,受集成度限制，片内存储器容量较小； 可靠性高； 易扩展 ； 控制功能强； 有固定的开发软件,3）可编程序控制器,特点： 控制程序可变，具有很好的柔性； 可靠性强、适用于工业环境； 编程简单，使用方便； 功能完善 体积小、重量轻、易于装入机器内部,4）总线型工业控制计算机,特点： 提高设计效率，缩短设计和制造周期 提高了系统的可靠性； 便于调试和维修； 能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能,总线类型：,ISA总线 VESA 总线 PCI总线 AGP标准
6、 STD总线,ISA总线:,ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。,VESA 总线:,VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的32位局部总线，简称为VL (VESA local bus) 总线。,PCI总线,PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行
7、的总线之一。 它支持33MHZ的时钟频率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位。 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。,AGP标准,随着90年代Pentium系列微处理器的出现，要求的总线频率都在66MHz或者66MHz以上，由于PCI总线的频率只有33MHz，这样就成了超高速系统的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，而推出了AGP（Accelerated Graphics Port）标准。,STD总线:,STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制微型机的
8、标准系统总线。 STD总线采用小板结构，高度模块化，是一种以小尺寸插板结合LSI技术建立了一种以功能模块的方法来进行面向控制的系统设计。STD它被国际标准化会议定名为IEEE961。,5）微机：,具有丰富的系统软件 编程、调试方便 系统内存大 数据输入输出速度快 成本较高，抗干扰能力差,4、系统总体设计,依据： 整体方案初框图 设计要求 微机类型,设计中主要考虑以下问题：,硬件与软件功能的分配与协调 接口设计 通道设计 操作控制台设计 可靠性设计等问题。,遵循的原则是：,硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；,（1）接口设计,首先要合理地使用已有的接口 其次当通用接口不够
9、时应进行接口的扩展；,1）接口设计的方案, 选用功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路,接口设计方案选择的依据是：,控制要求 能够得到何种元件 扩展接口的方便程度,选用功能接口板,优点：,硬件工作量小 可靠性高 缺点： 价格较贵 一般只用来组成较大的系统,选用通用接口电路,如： 8255：三个8位并行口 8243：四个4位并行口 8251：串行口 8279：专用键盘显示控制芯片 适用于 组成较小的控制系统。,用集成电路自行设计接口电路,可设计任意要求的接口，价格低，但可靠性差。 如： 74LS138：三-八译码器 74LS373：八位锁存器 74LS244：三态缓冲器等,2）
10、接口的设计内容,如何扩展接口； 如何安排通过各接口电路I/O端的输入/输出信号，选定各信号输入/输出时采用何种控制方式。,（2）通道设计,包括： 通道类型 通道组成 通道芯片的选择,1）通道类型：,开关量输入/输出通道 模拟量输入/输出通道 数字量输入/输出通道,开关量输入/输出通道,模拟量输入/输出通道,数字量输入输出通道,2）通道的组成 开关量通道的组成：,功率驱动等,硬件去抖电路及工作原理,简易数控步进电机的控制通道组成,采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成,控制计算机与PWM功放的接口方法,模拟量通道的组成：,输入通道： 信号处理装置 采样单元 采样保持器 A/D转换等 输出通道
11、： D/A转换 放大器等,模拟量输出通道,模拟量输入通道,（3）操作控制台设计,操作控制台主要是为现场操作人员使用的,简易操作控制台,其功能包括：,1）有一组或几组数据输入键 2）有一组或几组功能键或转换开关,3）有一个数字显示装置或显示屏,4）有“急停”按钮，,对于比较小的控制系统，可通过重新设计一个键盘管理程序将原系统所带的输入键盘进行改造。,操作员控制台的特点：,实用性 可靠性好 操作方便 成本高 要占用输入/输出接口 缺乏必要的数字显示和状态显示,5、软件设计,软件的设计主要是应用软件的设计；,控制系统对应用软件的要求：,实时性 针对性 灵活性 通用性,应用软件的设计方法有两种：,1）
12、模块化程序设计 2）结构化程序设计,6、系统调试,调试的步骤是： 硬件调试软件调试系统调试,硬件调试包括：,元器件的筛选及老化 印制电路板的制作 元器件的焊接和试验 连续考机运行,软件调试包括：,各模块的分别调试 固化到EPROM中,系统调试：,整机模拟实验 现场实验,4.7 微机应用系统的输入/输出控制的 可靠性设计,微机应用系统对硬件电路的要求是：,1、能够可靠地传动控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；,2、能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入/输出信息的转换要求；,3、应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。,一、光电隔离电路设计,1、光电隔离电路
13、原理,2、光电隔离电路的作用：,（1）可将输入与输出两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电；,（2）可以进行电平转换；,（3）提高驱动能力。,3、光电耦合器的分类,适用于输入信号频率在100KHz以下的系统,1）普通型,2）高速型,适用于输入信号频率在100KHz以上，但负载较小的系统。,3）达林顿输出型,可直接驱动频率较低的负载,4）可控硅输出型,常用于大功率的隔离驱动场合,2、光电耦合隔离电路应用,将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。,二、信息转换电路设计,1、弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制系统一般要经过功率放大后，才
14、能驱动各类执行元件。,弱电转强电的几种电路原理图,2、数字脉冲转换,应用在驱动元件为步进电动机的系统中。,3、数/模，模/数转换,4、电量转非电量,三、输入/输出控制电路示例,4.8,机电一体化系统中的检测传感器,一、检测传感器的分类与基本要求,1、分类,1）按作用分,2）按输出信号的性质分,3）按传感器的用途分类,2、机电一体化系统对传感器的基本要求,1）体积小、重量轻，对整机的适应性好 2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高,3）安全可靠、寿命长,4）便于与计算机联接,5）不易受被测对象性的影响，也不影响外部环境；,6）对环境条件适应能力强,7）现场处理简单、操作性好,8）价格便宜
15、,二、传感器的特性参数,1、静态特性 1）量程 2）线性范围 3）线性度,4）灵敏度,5）精确度 6）分辨率 7）迟滞 8）稳定性,2、动态特性,幅频特性 相频特性,三、传感器的选用原则及注意事项,包括产品的应用环境、使用条件和维护条件,1）根据使用要求选择传感器,2）确定传感器的具体参数,根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求。,改善传感器的性能的技术：,1）平均技术 2）差动技术 3）稳定性技术 4）屏蔽技术和隔离,三、传感器与微机的接口,1、基本接口方式,（1）模拟量接口方式 （2）开关量接口方式 （3）数字量接口方式,2、模拟量接口方式,单通道直接型 多通道一般型 多通道同步型 多通道并行输入型,单通道直接型,最简单的形式，应用范围窄。,多通道一般型,特点：,节省硬件成本，但转换速度更慢 常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。,多通道同步型,特点：,结构节省硬件，但转换速度比较慢，且误差增加； 多用于转换速度、精度要求不高，须同时采集、分时转换的控制系统。,多通道并行输入型,
