微机控制系统及接口设计

第四章微机控制系统及接口设计4.1概述4.2微型计算机的系统构成与种类4.4单片机的硬件结构特点及应用4.5可编程逻辑控制器(PLC)4.6微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计4.7机电一体化系统中的检测传感器4.1概述一、专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择产品需要控制功能控制形式动作控制方式需要知识1微机控制理论数字电路软件设计需要知识2生活生产工艺设计人员分析综合总体设计要求选用微机设计接口选用控制形式动作控制方式各专业人员通力协作详细设计两个问题专用与通用抉择硬件与软件权衡1．专用与通用的抉择专用控制系统通用控制系统大批量生产新产品要求紧凑多品种、中小批量生产现有设备进行改造选用适当的通用IC芯片设计制作专用集成电路选主机应用软件设计接口专用化2、硬件与软件的权衡基本原则：通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定；在必须用分立元件组成硬件的情况下，不如采用软件；（无需焊接，调整方便）如果能用通用的LSI芯片来组成所需的电路，则最好采用硬件。（价廉、可靠、速度快）分立元件软件LSI有利程度定性比较分立元件软件LSI特别注意控制系统比起机械装置来，环境适应能力较差，存在电噪声干扰问题，例如在一般车间现场条件下使用就容易出障；电子装置的维修需要专门的技术工具，一般机械操作人员不易掌握；提高可靠性，必须特别注意采取必要的措施。二、控制系统的一般设计思路就采用微机的控制系统而言，其一般设计步骤为：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了解被控对象的控制要求比较选择控制方式开环控制闭环控制传感元件比较选择驱动方式电动气动液动考虑特殊控制要求提出采取的措施高可靠性高精度快速性微机任务与功能计算？控制？数据处理？I／O通道外围设备整体方案成本综合整体方案框图与说明2、确定控制算法物理模型----〉数学模型---〉控制算法由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的．随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。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于实现最少拍控制的控制算法；还有各种最优控制的控制算法、随机控制与自适应控制的控制算法。3、选择微型计算机较完善的中断系统。系统正常运行时的实时控制能力；在发生故障时紧急处理的能力。足够的存储容量。内存（RAM，ROM），外存完备的输入／输出通道和实时时钟外部过程和主机交换信息的通道。信息包括开关量；模拟量。外部设备和内存之间快速、批量交换倍息，还应有直接数据通道。实时时钟在过程控制中给出时间参数，记下某事件发生的时刻，同时使系统能按规定的时间顺序完成各种操作。3、选择微型计算机字长字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。速度速度的选择与字长的选择可—并考虑。指令通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能满足控制要求。成本、编程、扩展因素3、选择微型计算机（1）单片机价低、体积小，应用广缺点是需要专用开发系统（2）单板机价低、体积小缺点内存小、接口电路少，机器语言编程。（3）微型计算机软件丰富，调试方便，内存大；成本高、小系统资源浪费，抗扰差。4、系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。主要依据是整体方案例框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微型机、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。接口设计微型计算机都已配备有相当数量的可编程序的输入／输出通用接口电路。首先要合理地使用微机接口，当通用接口不够时，应进行接口的扩展。扩展方案较多，要根据控制要求及能够得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定。通常有下述三种方法可供选用。①选用功能接口板。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选用通用接口电路较小的控制系统时用。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；③用集成电路自行设计接口电路采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便、价廉。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。例如：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上。通道设计开关量I/O输入解决电平转换、去抖及抗干扰问题。输出解决功率驱动问题。简单。数字量I/O简单。模拟量I/O比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样单元、采样保持器和放大器、A／D变换器等组成。模拟量输出通道主要由D/A转换、放大器等组成。操作控制台设计控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，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，一般要单独设计一个操作员控制台。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(数字键或拔码开关等)，用于输入或更新给定值、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。5、软件设计软件设计主要是应用软件设计。应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。设计方法程序模块化设计方法。程序结构化设计方法。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。调试步骤为硬件调试——软件调试——系统调试。硬件调试包括对元件的筛选、老化、印刷电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完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。调试后，多需修改和调整。4．2微型计算机的系统构成与种类一、微型计算机的系统构成1、“微机”这个术语是微处理机(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uP或CPU。是一个LSI或VLSI器件，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。可执行机器语言描述的系统指令。并非是完整的计算机。微型计算机(Microcomputer)简称PC或MCPC=CPU+ROM（RAM）+I/O电路+BUS电路微型计算机系统(MicrocomputerSystem)简称MCSMCS=MC+系统软件+外设+电源一、微型计算机的系统构成CPU三总线主存储器（ROM、RAM）I/O装置（键盘、显示、传感器、信息执行元件等）一、微型计算机的系统构成二、工业控制计算机系统的基本要求具有完善的过程输入/输出功能具有实时控制功能具有可靠性具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有丰富的软件三、微型计算机的种类1．按组装形式分类(1)单片机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，该芯片就被称为单片微型计算机。例如Intel公司的MCS48系列、5l系列、96系列等。为了增强实时控制能力，绝大多数单片机的芯片上还集成有定时器／计数器，部分单片机还集成有A／D、D/A转换器和PWM等功能部件。(例如8098）单片机具有的集成度高、功能强、通用性好，特别是体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。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，有效的控制功能，故又被称为微控制器。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。相关信息据统计，我国的单片机年容量已达1－3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。市场信息厂家简介NEC、MOTOROLA、philips、Atmel、EPSON、intel、Microchip、neon(亿恒)、华邦电子、HITACHI（日立）、Zilog、EMC、Toshiba、MITSUBISHI(三菱）、TI(德州仪器)、FUJITSU(富士通)、HOLTEK(盛群)、SAMSUNG(三星)、National(国半)、AMD单片机资料查询（周立功单片机）（中国单片机综合服务网）(武汉力源电子股份有限公司)(单片机世界)将微型计算机的基本体系CPU、—定容量的ROM和RAM、输入／输出端口(I／O电路)以及一些辅助电路分别作成LSI芯片，并将它们配置在一块印刷电路板上，用电缆线和外部设备直接联接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP－801是以八位微处理器(如Z－80)为核心组装的8位单板机，SDX－86是以十六位微处理器(Intel8086)为中央处理器组装的十六位单板机。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域得到广泛应用。(2)单板机根据需要，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(如IBM－PCXT、286、386、486、586等)、CROMEMCO公司的SystemI、II、III等都是多板微型计算机系统。(3)微型计算机系统近几年来许多公司推出了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。工控机——一体化工作站总线型工控机STD总线工业控制机典型的STD总线工控机系统的构成如图5-13所示，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。总线型工控机特点提高设计效率，缩短设计和制造周期。提高系统可靠性。便于调试和维修。能适应技术发展的需要。（4）PLC构成PLC特点程序可变，柔性好。可靠性强，适于工业环境。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。PLC与通用微处理机的区别①扫描工作机制是PLC与通用微处理机的基本区别。②在理论上，微机可以编程，形成PLC的多数功能，然而通用微机不是专门为工业