微机应用系统设计v1.0

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1、1. 系统设计的原则与步骤1.1 微机应用系统的一般构成微机应用系统由硬件系统(计算机+控制电路)和软件系统(系统软件+应用软件)两大部分构成。1、 应用系统的硬件组成微机应用系统的硬件的一般构成框图。由图1可以看到，应用系统由如下几大部分组成。1) 微机微机是整个应用系统的核心，其他所有设备都要在它的控制和管 理下进行工作，因此称它为主机。在系统控制或监测过程中，主机能 自动接收被控或被测对象送来的各种信息。在微机内，按人们事先安 排好的程序，对这些信息进行加工运算、判别及分析，并做出相应的 处理和控制决策，以信息形式再回送给被控或被测的对象，从而实现 对被控或被测对象的自动控制与管理。微机

2、中的程序和有关的初始数 据是人们事先编排好的。在操作前，通过输入设备将其输入或事前固 化在ROM中。一旦系统被引导启动，微机就会按顺序取出一条条所存 贮的指令执行。而系统就会按人们预先设想的规律，一步一步地完成 整个系统的控制和监测过程。应用系统中的微机可以由前面提到的8088或其他CPU构成，也可以 由单板机、单片机等构成。图1 微机应用系统硬件的一般组成2) 常规外围设备(1) 输入设备：主要用于程序和数据的输入，常见的有纸带阅读机、键盘、鼠标器和光笔等。(2) 输出设备：主要用于程序处理后的信息或数据的输出。它把处理过的各种信息和数据，以人们能够直观接受的外形(如字符、数字、图形)提供给

3、操作人员，以便操作人员能及时了解微机内部及整个应用系统的工作情况。常见的输出设备有打印机、X-Y记录仪和显示器等。(3) 外存贮器：主要用来存贮程序及有关的数据，如磁带机、磁盘(硬盘和软盘)、光盘等。3) 外部接口设备外部接口设备是应用系统与被控或被测对象之间进行信息变换和信息传递的设备。它包括输入接口和输出接口。接口设备通常应具备以下功能：(1) 数据通道：它能为微机提供一个输入/输出数据的通道。(2) 信息格式的匹配与变换：接口应具备输入/输出信息，实现信息格式的匹配与变换功能，如A/D、D/A转换，串并、并串转换及其他信息格式的转换等。(3) 输入/输出电平匹配：微机的输入/输出电平往往

4、是TTL电平，而被控对象所要求的输入/输出电平的规格较多，为此，接口应具备电平转换功能。(4) 负载匹配：微机的输出负载能力是比较小的，为了使系统能够控制大功率的被控对象，接口也应具备驱动和功率放大 的能力。(5) 同步：微机的工作速度是比较高的，而一般受控对象所要求的控制速率却较低。这样，为了使微机的工作速度和外界 受控对象所要求的控制速度相匹配，就要由接口设备的同步机 构来实现内、外部系统的速度同步。尽管对微机接口设备要求较多，但并不是每种接口都具备上述所有功能。接口要求功能的多少往往视接口连接的对象而 定。目前各器件生产厂家都生产了配套的输入/输出接口芯片，因此使接口设计变得比较容易，通

5、常只要做少量的硬件工作就 可以将微机与被控或被测对象连接起来。4) 操作控制台及监视报警设备微机应用系统在正常工作时，并不需要人直接参与。但是无论如何，必须使人机保持密切的联系。这是因为系统在运行过程中，操作人员需要对运行状态进行监视和了解，在系统发生故障时，必须能自动报警，尔后，操作人员通过控制台上的按键干预。另外，当需要修改控制程序和控制参数时，同样也要通过控制台上的键盘或按键对系统的工作进行干预。根据上述要求，操作控制台应包含控制按键、面板显示和报警显示器等。在某些系统中，为了调试和工作方便，在控制台上还装有手动转换装置，以便在人工方式时，对被控对象进行操纵。2、应用系统的软件构成要使微

6、机应用系统能正常工作，就必须在微机内存中存放一定的程序。系统管理需要程序，对某些对象进行控制和监测也需要程序。可以这么说，微机应用系统的硬件是系统的躯体，而软件(即各种程序和数据的集合)是整个系统的灵魂。不同的控制对象和不同的控制任务，在系统软件构成上会有很大区别。一般来说，只有系统硬件确定以后，才能完全确定如何配置系统的软件。但是，这并不意味着系统的软件构成是不可捉摸的。一般根据其功能，软件系统大体可以分成以下几个部分。1) 用户程序在微机应用系统中，对每个控制对象或控制任务都一定配有相 应的控制程序，这些程序用来完成对各被控对象的不同控制。例如 ，我们要控制一台机床，对构件进行切削加工，就

7、必须配备一个切 削加工程序。通常这种为了各种应用目的(控制、监测等)而编制的程 序称为应用程序或用户程序。编写应用程序的工作一般都由用户自 己开发完成。用户可以根据微机应用系统的资源配备情况，确定使 用何种语言来编写用户程序，既可以用高级语言也可以用汇编语言 。高级语言功能强，且比较近似于人们日常生活用语习惯，因此比 较容易编写。而用汇编语言编写的程序则具有执行速度快、对硬件 及端口操作灵活、占用存储器少的特点。目前，人们通常用高级语 言和汇编语言混合编程的方法来编写用户程序。在微机应用系统中 ，用户程序是一个用于对被控对象进行直接控制的程序。因此，它 将对控制对象产生决定性的影响，即用户程序

8、的优劣，会给系统的 精度、可靠性及工作效率带来致命的影响。2) 常用子程序库一个微机应用系统的基本功能要受到硬件结构和系统拥有的资源的限制。例如，一般不能用硬件进行数制变换和数据采集等，而这样一些功能是应用系统要经常用到的。为此，我们采用子程序的方式来满足系统用户程序的要求。所谓子程序，就是将一些特定功能编成一个个专用程序段，放在子程序库中，系统需要使用时，可以随时调用。子程序库中的子程序都编成标准的形式，一般都要规定入口参数、入口地址、出口参数等。只要按其规定，即可在主程序中随意调用。1.2 应用系统的设计原则和要求微机应用系统的基本设计原则和要求，在不同规模和要求的系统中大体是相同的。因此

9、，这些共同的原则和要求在设计前或设计过程中都必须予以很好的考虑。1. 操作性能要好微机应用系统的操作性能好，就是指系统的人机界面要友好，操作起来简单、方便，并且便于维护。为此，在设计整个系统的硬件和软件时，应处处为用户想到这一点。在设计系统软件时，就应该考虑配备什么样的软件和环境能降低操作人员对某些专业知识的要求。2. 通用性好，便于扩展通常一个微机应用系统在工作时都能同时控制几台设备。但是，在大多数情况下，各个设备的控制要求往往是有差别的。另外，所控制的设备也不是一成不变的，而是要经常不断地进行更新。这样，就要求系统不仅能适应各种不同设备的要求，而且也要考虑在设备更新时，整个系统不需要做大的

10、改动就能马上适应新的配置。因此，系统就需要有好的通用性，而且在必要时能灵活地进行扩展。微机应用系统要达到这样的要求，就必须尽可能地采用标准化设计。3. 可靠性高对任何微机应用系统来说，尽管各种各样的要求很多，但可靠性是最突出和最重要的一个基本要求。因为，一个系统能否长时期安全可靠地正常工作，对一个工厂来说将要影响到整个装置、整个车间，乃至整个工厂的正常生产。一旦发生故障，就会造成整个生产过程的全面混乱甚至瘫痪，从而引起严重后果，所以对可靠性有很高的要求。特别是作为控制核心的微机，其可靠性要求则更高。4. 设计周期短、价格便宜在研制微机应用系统时，应考虑的一个重要因素是设计周期短、价格便宜。目前

11、科学技术发展十分迅速，各种新的技术和产品不断出现，这就要求所设计的微机应用系统能跟上形势的发展。如果研制周期太长，会使产品失去竞争能力和实用价值。所以，微机应用系统不能搞大而全，应考虑实际情况来确定系统的设计规模。这样既可以缩短设计周期又可以降低系统的设计费用。在进行系统设计时，要仔细核算以降低整个系统的成本，在保证功能和性能的前提下，低的价格才有竞争力。5. 对环境的适应性要好在开发微机应用系统时，一定要考虑到其应用环境，保证在现场的环境下可靠地工作。例如，有的地方电源电压波动很大，有的地方环境温度变化剧烈，有的地方湿度很大，有的地方振动很厉害，而有的工作环境有粉尘、盐雾、腐蚀等等。这些外界

12、因素在系统设计中必须加以考虑，采用必要的措施保证微机应用系统安全可靠地工作。1.3 微机应用系统设计的基本内容和步骤1. 需求分析确定系统的功能需求分析是在仔细了解用户需求的基础上进行的。因此，首先必须详细了解用户的需求。调查用户要利用微机应用系统实现的功能。例如，对于测量系统，应该了解要测量的参数是什么，采用什么传感器，信号大小与形式，放大器要求，测量精度，如何显示，如何输出结果等。对于控制系统，还要仔细调查用户的要求、工艺过程、控制精度等等。此外，在了解用户要求完成测控功能的同时，还必须认真了解未来微机应用系统的工作环境，包括电源的稳定性，干扰大小以及环境的温度、湿度等等。总之，开发设计人

13、员一定要非常认真仔细地进行需求调查，必须强调需求调查和分析是后续工作的依据，其后所做的一切都是以满足用户需求为目的的。针对用户的需求，仔细分析测控对象的工作过程，明确微机系统应如何去做，用时间和控制流图来描述这些工作过程。2. 选择基本微机系统硬件系统设计在设计微机应用系统时，通常总是先选择一个最基本的微机系统，然后对它进行扩展，并配上相应的软件，从而形成一个实用的应用系统。由于微机是整个应用系统的核心，所以它的选择是否合适，将对整个系统产生决定性的影响。基本微机系统选择中应考虑的依据大致有以下四个方面。1) 微处理器的字长微处理器的字长会直接对系统精度、指令多少、寻址能力、处理速度等产生影响

14、，由此必然导致应用领域的不同。一般来说，微处理器的字长愈长，对数据处理愈有利，处理速度也可以进一步提高。但是，并不是字长愈长愈好，在选择时，应根据应用实际情况及性能价格比综合考虑。2) 微处理器的工作速度微处理器的工作速度一般取决于系统的主频，目前常见的是几兆赫到上千兆赫。速度的选择应使其与被控对象的要求相适应或稍留一点余量，过高的要求会给系统的安装和调试带来不必要的困难。因为在高速工作时，引线之间的串扰及信号延时是非常令人头痛的问题。3) 系统结构对环境的适应性不同的微机系统对环境的适应能力是不同的。例如，市面上出售的一般IBM-PC微机，通常只能适用于办公室或实验室这样的室内环境，如果将它

15、用于工业控制环境就会产生诸多问题。在工业控制领域中，最好选用具有工业控制总线(STD总线)的工控机。因为它具有抗振、抗干扰等优良性能，能较好地适应工业领域的恶劣环境。3. 确定整个应用系统的硬件结构硬件系统设计在基本微机系统选定以后，就可以根据被控对象的具体要 求来确定系统的结构。1) 通道划分及输入/输出方式的确定根据被控对象所要求的输入/输出参数的数目，就可以确定 整个系统应该有几个输出通道。当然，有的通道可以由几个被 控设备共用，由硬件(或软件)来输入/选择切换。另外，根据被 控对象要求，确定采用哪一种输入/输出方式更合适。一般说来 ，采用中断方式处理器效率较高，但硬件费用会稍高一些，而

16、 查询方式硬件价格较低，但处理器效率比较低，速度较慢。在 一般小型的应用系统中，由于速度要求不高，控制的对象也较 少，此时，大多采用查询方式。2) 内存分配一般基本微机系统都对内存分配作了具体的规定。用户在使用已有的内存区时，应注意不要使用户程序占用微机系统的基本工作区。如果用户认为内存不够，需要进行扩展，那么应按说明书的要求，在空余的内存区进行扩展。根据需求分析，设计者可以估计出未来的系统大约要占多大的ROM用以存放用户程序和不变的数据，需要多少RAM用以存放经常要改变的数据。从而在留有一定余量的基础上，可以确定内存的大小。此后，根据系统设计方便，可以对选定的ROM和RAM分配内存地址。3) 确定接口和外设除了专用外设，可以购买现成的设备。对于应用系统中所需的测控部件，如有合适的也尽量购买成品部件。若需自己设计开发，那就需要根据用户的要求仔细加以确定。例如，根据系统要求的精度，该选用多少位的A/D和D/A变换器，根据所需求的力矩大小决定选择什么样的步进电机等等。4) 选择电源微机应用系统的故障多发点就包括电源部分。根据系统的硬件配置，可以粗略估计系统电源需