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1、1,机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计,微机控制系统； 8086/8088微机的硬件结构特点； 单片机的结构特点及其最小应用系统； 数字显示器及键盘的接口电路； 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计。 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口,2,41 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡,控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。,1 微机控制系统专用与通用的抉择,专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。,3,4,5,专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电
2、路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。,对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。 通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。 实质，这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。,6,2 硬件与软件的权衡,例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。,在设计控制系
3、统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。,7,42 微机控制系统的设计思路,1、确定系统整体控制方案首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制。当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。,其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动。比较其方案的优缺点，择优而选,第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统，应采取哪些措施,8,第四是 考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理微机应承担哪些任务，为完成这些任务
4、微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。,2 确定控制算法 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。由此推出控制算法。 所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制。,每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。例如，机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；位置数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法。另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法,9,3 选择微型计算机,对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、
5、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。,1)较完善的中断系统。 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； 二是在发生故障时紧急处理的能力。出现异常或紧急情况时应报警和处理,10,2)足够的存储容量。 由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。,3)完备的输入输出通道和实时时钟。 开关量输入输出通道；模拟量输入/输出通道；同时具有开关量输入输出通道和模拟量输入/输出通道,11,选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：,1)字长。 微
6、处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。,对于通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器。 对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机(如计算器、家用电器及简单控制等)。 对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位机(如线切割机床等普通机床控制、温度控制等)。 对于计算精度高、处理速度快的系统可选用16位机(如控制算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的数据处理等)。,12,2)速度。 速度的选择与字长的选择可一并考虑。 通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。例如，对于反应缓慢的化工
7、生产过程的控制，可选用慢速的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等。必须用高速的微处理机。,3)指令。 指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。,13,单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM和IO接口)，具有价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。 其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。,选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入/输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。,单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现场使用，便于维
8、护和管理。 其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外使用机器语言编程，编程和调试比较困难。,14,微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有软(硬)磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。 其缺点是成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。,4 系统总体设计,在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、被控制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件和软件功能的分配和协调、接
9、口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。,15,(1)接口设计 通常有下述三种方法可供选用。,1)选用功能接口板。 在功能接口板上，有多组并(串)行数字量输入输出通道，或多组模拟量输入输出通道。 采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统。,2)选用通用接口电路。 在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与CPU的连接方法、编程控制方法就可进行任意扩展。,16,3)用集成电路自行设计接口电路。 在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规模集成电
10、路扩充接口更方便、价廉。 例如，一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用 74LS138译码器和74LS244三态缓冲器等组成输入接口，也可用74LS138译码器和74LS373锁存器等组成输出多组数据的输出接口。,接口设计包括两个方面的内容： 一是扩展接口； 二是安排通过各接口电路输入/输出端的输入/输出信号，选定各信号输入/输出时采用何种控制方式。,17,18,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。,(2)通道设计输入/输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制
11、系统都要有输入/输出通道。,一个系统中可能要有开关量的输入/输出通道、数字量的输入/输出通道或模拟量的输入/输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分需要什么样元器件等。,19,转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号,20,21,0-10mv 4-20mv,22,模拟量输出通道,23,(3)操作控制台设计 微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。,操作员控制台一般应有下列一些功能： 有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、更改控制器参数或其它必要的数据；有一组或几组功能键或
12、转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能； 有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等；,24,控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。,应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义，仔细设计控制台硬件及其相应的控制台管理程序使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。,25,26,27,28,29,30,31,32,33,5 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
13、件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统。通常这些软件一般不需要用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。 应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。,控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。 对于工业控制系统来说由于是实时控制系统，所以要求应用软件能够在对象允许的时间间隔内进行控制、运算和处理。,34,应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计。,1)模块化程序设计法。 在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。 数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值
14、计算等。 过程控制程序主要是使微机按照指定的方法(如PID或直接数字控制)进行计算，然后再输出，以便控制生产过程。,所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。,35,2)结构化程序设计法 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。 常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。,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。,36,6 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。
15、,调试步骤为 硬件调试一软件调试一系统调试。,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，然后固化在EPROM中； 系统调试(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,然后进行现场试验，直至正常运行为止。,37,413 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P或CPU。它是一个大规模集成电路(L
16、SI)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，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。,38,微型计算机(Microcomputer)简称MC或c,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、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。,微型计算机系统(Microcomputer system)简称MCS: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,图4. 1 为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。,微型计算机的基本硬件构成如图4 .2所示,39,40,41,2微型计算机的种类微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的用途范围来进行分类。,(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。,
