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1、华北电力大学 2020年6月28日,机电一体化系统设计,本章教学目标及要求,重点掌握以下内容： 微机的作用及机电一体化系统对其基本要求； 微机控制系统的设计问题与设计步骤； 微机的系统构成、种类与选用要点； 单片机硬件结构特点及系统配置； 数字显示器及键盘的接口电路； 电气控制与PLC 微机应用系统的I/O控制及可靠性设计 PROTEL软件应用,第四章 微机控制系统的选择及接口设计,第四章 微机控制系统的选择及接口设计,第一节 微机控制系统设计的一般知识 第二节 微机控制系统的设计思路 第三节 微机控制系统的构成与种类 第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点
2、 第八节 单片机硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 第十节 微机应用系统输入输出控制可靠性设计 习题与思考题,第一节 微机控制系统设计的一般知识,一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求 1.作用： 将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。,2. 基本要求,（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求； （2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬件、软件的容错能力； （3）经济性，在满足任务要求前提下，使系统成本尽可能低； （4）可维护性，检测和维
3、修方便； （5）可扩展性，使系统能在不做大的变动条件下很快适应新的情况。,第二节 微机控制系统的设计思路,不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。 由于采用微机作为机电一体化系统的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。 通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。,二、微机控制系统设计,随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系
4、统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。 微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统： 专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。 通用微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业计算机。,4.2.1 微机控制系统硬件与软件抉择和权衡,在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 （1）专用/通用微型计算机的选择 1）专用控制系统的构成与特点 用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧
5、凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。,2）通用控制系统的构成与特点,构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。 特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。 实质上就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 /匹配,任何微机控制系统的控制功能，可以由硬
6、件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。 主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。 主要用通用分离元件组成的控制系统最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。 主要用专用集成元件组成的控制系统最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。如三相步进电机的硬环分使用CH250集成芯片要好于触发器搭接的环形分配器。,由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。,（3）应有必要的抗干扰
7、措施,4.2.2 微机控制系统的设计思路,（1）确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线 从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）传感元件选用（含精度）选用/设计执行元件考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）控制系统成本核算。 确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证总体方案技术/经济评价总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案,（2）确定控制算法,目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系
8、统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。 常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。,（3）微型计算机选择,任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。 1）较完善的适时中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力
9、，如数控机床的伺服控制；二是在发生故障时紧急处理的能力，这些控制要求微机具有较完善的中断系统。 2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ） 有效保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。 3）完善的输入/输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。 4）实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。,5）字长与速度 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据精度、寻址能力、指令数目和执行速度。字长短时，指令执行速度就慢，为保证实时控制，就必须选用速度快的机器。同理，字长长时就可选用速度稍慢的机器。 6）指令 一般说来，指令条数越多，程序越少越灵活。
10、对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量。 7）类型选择 根据成本高低、程序编制难易以及扩充I/O接口是否方便等因素，确定是选用单片机、单板机，还是微型计算机系统。,（3）微型计算机选择,（4）接口设计,接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排各接口电路输入输出端的信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。 接口扩展方法： 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 输入输出控制方式 顺序？查询？中断？DMA？如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存
11、取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。,（5）操作控制台设计,微机控制系统为便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，它一般不使用微机所带的键盘，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计。,（6）软件设计,微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件用户只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，设计方法有两种，即模块化程序和结构化程序。 程序模块化设计方法:在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫作一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能
12、、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫作模块程序设计法。 结构化程序设计方法:给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有顺序结构、选择结构、循环结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。,（7）系统调试,微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试。 硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行； 软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然
13、后固化在EPROM中； 系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。,第三节 微型计算机的系统构成及种类,1微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。 微处理机(Microprocessor)简称CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言描述的系统指令，
14、是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。,微型计算机(Microcomputer)简称MC。它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。 上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputer system)，简称MCS。,CPU、MC与MCS的关系,微型计算机的基本硬件构成,一般由数据总线、地址总线和控制总线相连；主存储器又叫内部存储器，目前
15、这些存储器均是大规模集成电路(LSI)，主要有RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory），通常ROM存储固定程序和数据，而输入输出数据和作业领域的数据由RAM存储。输入输出装置主要执行数据和程序的输入输出，以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存储装置可作为存储器使用；操作面板或键盘也属于输入装置，如下图所示。,2微型计算机的种类,(1)按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。 1)单片机（如下图所示） 在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入输出端口电路，该
16、芯片就称为单片微型计算机(SCM-Single Chip Microcomputer)简称单片机。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96系列等。,单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入输出(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又称为微控制器(Microcontroller)。 同时，它与通用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而它不但是一种高效能的过程控制机，同时也是有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念。 目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。,单片机应用系统： 单片机应用系统由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础。软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。 单片机程序设计语言： 机器
