微型计算机控制系统及接口设计

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1、微型计算机控制系统及接口设计,微型计算机控制系统及接口设计,微型计算机控制系统及接口设计认识项目 项目一 控制系统的一般设计思路 项目二 微型计算机系统 项目三 单片微型计算机 项目四 机电一体化技术系统中的接口技术 微型计算机控制系统及接口设计实验项目 项目一 P1口输入、输出实验 项目二 8255输入、输出实验 项目三 AD转换实验,微型计算机控制系统及接口设计认识项目,项目一 控制系统的一般设计思路,专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择 1. 专用与通用的抉择 专用控制系统： 适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。 通用控制系统： 适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。 2.

2、硬件与软件的权衡 根据经济性和可靠性的标准权衡决定。 例：分立元件组成硬件-软件 利用LSI芯片组成电路-软件,微型计算机控制系统及接口设计,微型计算机控制系统及接口设计,控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。 1、确定系统整体控制方案 （1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。 （2）考虑执行元件采用何种方式。 （3）要考虑是否有特殊控制要求。 （4）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，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些

3、外围设备。 （5）应初步估算其成本。,微型计算机控制系统及接口设计,2、确定控制算法 建立该系统的数学模型，确定其控制算法。 数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。 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，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 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； 直线算法： 或 圆弧算法： 或 直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法； 位置数字伺服系统中常用的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

4、自适应控制的控制算法。,微型计算机控制系统及接口设计,3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量 （3）完备的输入输出通道和实时时钟 （4）特殊要求：字长、速度、指令 (1、单板机、单片机； 2、可编程控制器； 3、普通PC机； 4、STD总路线控制； 5、工业控制PC机。 ),微型计算机控制系统及接口设计,4、系统总体设计 设计中主要考虑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。 （1）接口设计 并行接口（8255A） 串行接口（8251A） 计数器定时器（8253/8254） 选用方法： 选用功能接口板（适用组成较大系统）。 选

5、用通用接口电路（适用较小的控制系统）。 用集成电路自行设计接口电路。 接口设计包括两个方面的内容：,微型计算机控制系统及接口设计, 扩展接口； 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。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。 （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。每个控制系统都要有输入输出通道。 开关量、数字量的输入输出比较简单。 模拟量输入输出通道比较复杂。,微型计算机控制系统及接口设计,（3）操作控制台设计 一般要单独设计一个操作员控制台。 有一组或几组数据输入键（数字键或拔码开关等），用于输

6、入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据。 有一组或几组功能键或转换开关，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。 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。,微型计算机控制系统及接口设计,5、软件设计 系统软件 系统软件包括操作系统、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 应采用模块式结构，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D、D/A转换程序、PID算法程序等

7、。设计者的任务主要是把这些具有一定功能的子程序进行排列组合，使其成为一个完成特定功能的应用程序。 6、系统联调：对工业生产现场和模拟装置进行调试。,微型计算机控制系统及接口设计,1、简述机电一体化系统控制微机的主要类型 2、高速运行的机床和普通机床如线切割机床分别应选用几位的微机为佳。 3、如何选择控制系统类型?,课内问题,微型计算机控制系统及接口设计认识项目,微型计算机控制系统及接口设计,项目二 微型计算机系统,一、微型计算机的基本构成 “微机”是三个概念的统称：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

8、成电路（LSI）器件，或超大规模集成电路（VLSI）器件。 微型计算机（Microcomputer）简称uC或MC。它是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（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。配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机。,微型计算机控制系统及接口设计,微型计算机系统硬件组成,微型计算机控制系统及接口设计,微型计算机系统硬件组成,微型计算机控制系统及接口设计,二、微型计算机的分类 1、按组装形式分类 （1）单片机 在一块集成电路芯片（LS

9、I）上装有CPU、ROM、RAM以及输入/输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机，简称单片机，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。 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、机械设备、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。,微型计算机控制系统及接口设计,（2）可编程控制器 PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各种开关信号，通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。,微型计算机控制系统及接口设计,（3）普通PC

10、机 将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微机系统。 如目前国内使用较多的IBM-PC（IBM-PC XT、286、386、486、586等）,微型计算机控制系统及接口设计,（4）STD总线工业控制机 其突出特点是：模块化设计，系统组成、修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制软件开发的难度大幅降低。,微型计

11、算机控制系统及接口设计,微型计算机控制系统及接口设计,（5）微型计算机系统 IBM公司的PC总线微机最初是为个人或办公室使用而设计的，早期主要用于文字处理或一些简单的办公室事务处理。早期产品是基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。 PC/AT总线的IBM兼容计算机由于价格低廉、使用灵活、软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一 推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进 （1）机械结构加固，使微机的抗震性好。 （2）采用标准模板结构。 （3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。 （4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适

12、于在恶劣的工业环境下工作。 （5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。,微型计算机控制系统及接口设计,几种常用的工业控制计算机的性能比较关系,微型计算机控制系统及接口设计,2、按微处理机位数分类 一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等几种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数。 4位机目前多做成单片机。主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等。 8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。 16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。 32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。称之为超级微型机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调

13、度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。,微型计算机控制系统及接口设计,3、按用途分类 分为控制用和数据处理用微型计算机。 对单片机来说为通用型和专用型。 通用型单片机，如MCS51。 专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。其内部系统结构或指令系统都是特殊设计的（甚至内部已固化好程序）。,微型计算机控制系统及接口设计,三、程序设计语言与微机软件 1、程序设计语言 程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。 目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”（machine language）、“汇编语言”（ass

14、embly language）、“高级语言”（high level language）。 2、操作系统 所谓操作系统，就是计算机系统的管理程序库。 3、程序库 计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库（或软件包）。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象（产品）的特殊性较强，其程序库的形成较难。,微型计算机控制系统及接口设计,四、计算机在控制中的应用方式 1、操作指导控制系统 在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。 如：在机械工业生产的过程中，对各物理参数进行周期性或随机性的自动测量，并显示，打印和记录结果供操作人员观测，对间接测量的

15、参数或指标进行计算、存贮、分析判断和处理，并将信息反馈到控制中心，制定新的对策。 在具体的生产过程中对加工零件的尺寸，刀具磨损情况进行测量，并对刀具补偿量进行修正，以保证加工的精度要求。,微型计算机控制系统及接口设计,2、直接数字控制系统 直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。,微型计算机控制系统及接口设计,3、监督计算机控制系统 在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器

16、或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。 SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统的构成示意图如图5-5所示。 （1）SCC+模拟调节器的控制系统。 （2）SCC+DDC的控制系统。,微型计算机控制系统及接口设计,(a）SCC模拟调节器系统； (b）SCCDDC系统,微型计算机控制系统及接口设计,4、分级计算机控制系统 过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。,