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微型计算机实时控制系统第1章绪论第1章绪论微机实时控制系统是指以微机为核心的控制系统；“实时”体现在能在指定的时间内完成系统功能和对外作出响应的系统。在实时控制中，系统的正确性不仅仅依赖于控制算法的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。微型计算机实时控制系统的设计往往包含有下述基本问题：•I/O接口、中断系统、采样定理、数字滤波、闭环控制、PID调节、最优和自适应控制、串、并行通讯以及分布式计算机系统等。•由此可见，对微机实时控制系统设计的要求是必须兼有硬件和软件的知识下面以几个简单的实例来说明这类系统的组成及设计者要完成的工作。1．微机控制晶闸管中频电源熔炼用中频电源，是将工频交流整流成直流后再逆变成中频（1000Hz），利用中频电流流过感应线川时，在工件中产生涡流，而发热直到熔化的目的。系统示意图如下：SCR整流桥SCR逆变桥+-工件炉子1#机2#机水压Ifuf～380v硬件设计的任务：•专用微机系统设计；•SCR触发信号的产生：光电隔离，驱动放大电路；•主回路同步信号的产生及输入电路；•过压、过流信号的检测及输入电路；.SCR整流桥SCR逆变桥+-工件炉子1#机2#机水压Ifuf软件设计(即系统控制软件)包括：•顺序控制程序•SCR的数字触发程序•电压、电流的调节器•过压、过流、失水等故障保护程序•自检及工况显示程序.SCR整流桥SCR逆变桥+-工件炉子1#机2#机水压ufIf2．P-FMS（Pseudo-FlexibleManufactureSystem）准柔性制造系统•由中央计算机统一管理与控制的，含有一群自动化机床并且有物流系统（如：无人小车）连接起来的计算机群控自动线亦称为FMS•即：FMS=中央计算机+一群数控机床+物流系统P-FMS属于经济型的或准FMS它的特征：•降低了自动化的程度；•放弃了无人化的要求，在P-FMS中，某些工位，或某些工序将由人来执行。•即：P-FMS=中央计算机+一群数控机床+物流系统+人工工位浦沅工程机械总厂P-FMS的控制系统示意图：.bf386(xenix)终端1STD通讯机终端2终端3无人小车MC1MC2装卸、质检工位摇臂钻床立式车床硬件设计任务：•bf386与STD的接口•STD机与MC的CNC系统即SIEMENS8ME的接口；•STD机与无人小车的计算机系统的接口；•bf386与终端的接口；•无人小车的研制。•STD与两台加工中心MC1,2（光纤通讯）的接口。.bf386(xenix)终端1STD通讯机终端2终端3无人小车MC1MC2软件设计的任务：•上述接口间的通讯程序；（STD工业控制计算机、Z80CPU、程序长度：8kB）•全线的实时控制程序（前台作业）；•生产计划调度管理程序（后台作业）；•P-FMS系统仿真程序；•质量管理程序；•CAPP程序；•加工工艺优化程序。bf386(xenix)终端1STD通讯机终端2终端3无人小车MC1MC23．FK6--700加弹机微机实时监测系统FK6-700加弹机是德国产品（80年代国际先进水平）；该系统有九台加弹机，要求在工艺室和电工值班室分别集中监测和数据处理；要求监测的参数有（每台FK6-700机）：•3台电机的转速、电流、电压信号；•27个热箱的温度信号；•216根断丝报警信号；•无移丝、无润滑等9个报警信号。监控系统功能需求对工艺室上位机的要求：•实时采集数据；•随时保存最近5分钟的各种模拟量的数据（波形）；•按班、日、月、年进行统计报表；•工艺参数的实时修改等。对电工班的集中监测要求是：•集中监测各种工况参数；•及时发现报警故障信息；•及时响应与处理现场的监控需求。监测系统拓扑结构图：RXDTXDRXDTXDRXDTXDRXDTXDRXDTXD…RS-422STD0#LX-286STD1#STD2#STD9#•STD0#—电工班值班机，物理网的主控机、拥有对全网通信的控制能力；•STD1#~9#—下位机，承担对FK6-700加弹机的实时数据采集及报警任务；•STD0#~9#机为24小时工作制•Lx-386—上位机，逻辑上的主机，实现对整个系统的管理和数据统计处理等工作。STD0#TXDRXDLX-286STD1#STD2#STD9#…RS-422采用双主机的结构的原因是：•Lx-286为普通的微机，不适合于长期连续工作；•本系统只要求每天至少开机一次即可。系统设计者的任务：•总体结构设计；•通信协议制定；•下位机系统软件设计；•上位机管理软件设计；•值班机通信软件和管理软件设计。STD0#LX-286STD1#STD2#STD9#…RS-4224.温湿度监控系统.586通信模块温控器温控器2#湿控器n#…RS-232CRS-485值班机风机空调去湿机加湿机加湿机去湿机空调风机风机空调去湿机加湿机本系统用于对档案馆各库房的温湿度集中监控温湿度控制器采用8051单片机系统；4台设备采用双向晶闸管作控制交流电源的通断；设计者的任务：（1）系统总体设计；（2）温控器硬件设计；（3）通信网络设计、制定通信协议；(本网为主从式总线网，协议参考“高级数据链路层协议”（HDLC）制定；)（4）下位机软件设计；（5）上位机软件设计；（6）值班机硬软件设计。对于目前在各领域实时控制中微机应用情况，上述四个不同的系统，有一定的代表性；从中可以看出，在微机实时控制系统的开发和研制中，要求具备有哪些方面的知识和掌握哪些方面的技能。本课程的教学内容将围绕二个目标进行组织：一、面向装置级的微机控制系统设计硬件—能自行研制出专用微机系统软件—能开发出相应的实时控制程序二、面向微机测控网络的控制系统设计硬件—高档微机系统（网络）的接口技术（标准总线、串行通讯）软件—实时数据库及其应用、操作系统及其与用户程序接口技术、各类开发工具的使用技术等。本课程教学内容第2章XENIX操作系统及其应用第3章单片机测控网络中的接口技术第2.1节串行接口标准第2.2节测控网络中的通信协议第4章TPBUG-A监控程序的分析第5章微机实时控制系统实例第5.1节微机控制中频电源第5.2节工程机械远程监控系统第2章XENIX操作系统及其在微机实时控制系统中的应用技术第2章XENIX操作系统及其在微机实时控制系统中的应用的技术一、XENIX的由来和特点：•XENIX是UNIX操作系统的变种；•UNIX是一个通用的，多用户、多任务、交互型的操作系统；•XENIX有以下五个主要特点：1．树形分级结构的文件系统，允许用户根据需要自由装卸；2．文件是没有内部结构的字符流序列，外部设备和目录均视为普通文件；3．提供了命令程序语言shell，既可象键盘命令那样直接使用，又可象高级语言进行编程，功能很强，使用方便；4．外层提供了大量的语言和子系统，以满足各种用户需要；5．所有软件系统均用C语言编写，甚至本身也有90%用C语言编写，易于修改、维护和移植。XENIX的主要特点：二、XENIX系统的整体结构1．分为三个层次：核心层，shell层和用户层；如下图所示。.用户1用户n……Shell命令Shell命令解释程序系统调用捕俘处理文件子系统缓冲池字符块设备驱动程序硬件控制硬件进程通讯进程调度存贮管理进程控制子系统用户Shell命令层Shell层（外壳）核心层（内核）说明：上述图可简化为：用户1→﹕用户n→Shell实用程序→系统调用核心功能→硬件核心功能：管理和控制硬件，主管I/O传送，调度进程执行等；shell层：是用户层与核心的界面，用户态的程序不能直接访问核心的程序和数据，用户的一切要求都经由shell与核心及硬件打交通。*XENIX分时系统的两层含义：①进程分时：即两个以上进程交错在一台CPU上处理；②用户分时：即两个以上联机用户同时使用一台计算机。2．Shell的概念：①shell功能：•从一个文件（终端文件，用户文件或XENIX系统文件）读取命令行；•执行各种解释及变换；•然后通过使用系统原语（系统调用）来执行出结果。②shell作为一种特殊的程序设计语言，与一般高级语言比较有许多不同点：•shell是解释性的，可以交互地解释和执行命令，并提示信息；•shell处理的对象通常是文件，或字符串，或命令语句；•shell直接调用一些系统原语，与系统关系更密切；•shell语言程序易写易调试，灵活性较强，但执行速度不如其他高级语言快；•XENIX的高级语言程序都在shell控制下工作。三、XENIX的功能1、存贮管理对内存空间进行合理分配及科学的释放，采用“首次适应算法”，分配以64个字节为一个单位；2、设备管理：将外部设备分为两大类（块设备和字符设备）含：驱动、开关、读写及中断处理等。3、文件管理：含：索引结点管理程序：空闲盘块管理程序；目录文件管理程序；文件表管理程序；磁盘存贮器的分配和释放，同样采用“首次适应算法”，分配单位为512个字节；4、处理机管理：主要是进程管理，含：进程调度；进程间通讯；进程控制等。四、XENIX的文件系统：1．XENIX文件系统的特点1）是无结构的流式文件，文件即为有序字符的集合；文件系统对文件的管理不涉及文件内部的数据结构，该结构是由它的应用程序来决定。（另一种为记录式文件，文件即为数据记录的集合）。2）一个文件的最大长度为10亿个字节。XENIX中万事都离不开文件，文件是XENIX的核心3）文件可跨目录连接，文件系统和文件卷均可装可卸例：In/usr/peng/memos/usr/lin/pengmemos•则将/usr/peng中的memos文件与/usr/lin中的pengmemos连接;•本命令用于从多个用户共享一个文件或使一个文件出现在多个目录中。2．XENIX的文件分类：1）普通文件：通常所论的文件；2）目录文件：由一个或多个目录项所构成的特殊文件；目录项---等长，由两部分组成，即文件名（≤14个字节）和索引结点编号（2个字节）3）特殊文件：对每一个外设都看作一个特殊文件，并存放在dev(device)目录文件中，例如：/dev/tey---终端；/dev/Lp---打印机3．文件的的访问权限1）文件使用者：分文件主、同组用户、其他用户三类。2）文件的三种存取权限：读、写和执行3）对文件的使用，三种用户允许各自的许可权（由文件主指定）其省缺值为：文件主可读、写，其它用户只能读，不能写。4．XENIX的目录结构---层次化树形文件结构.rootbinusrdevlibtmppengLinwu(ed)(cmd)(x·c)(mail)(a.out)(x·c)(mail)(tty2a)(lp)(tty2b)典型结构图rootbinusrdevlibtmppengLinwu(ed)(cmd)(x·c)(mail)(a.out)(x·c)(mail)(tty2a)(lp)(tty2b)root---根目录，常用“/”表示；/bin---含有许多常用的XENIX命令的目录；/usr---含每个用户个人目录的目录；/dev---各种设备的专用目录/lib---C语言及其他程序所需库文件目录；/tmp---临时文件目录。例：一个典型的文件全路径名：/usr/joe/project/A，即文件A在名为joe用户的project目录之中。五、XENIX操作系统的使用：1．用户登录当接通电源并启动XENIX系统后，XENIX将在所有已联机的终端上显示“Login”，等待用户登录进入系统。1）作为超级用户登录：Login:root↙Passwd:bf386↙（注：不显示）#2）作为普通用户登录：Login:peng↙Passwd:PFMS↙（注：不显示出来）%2．用户注销用户退出XENIX系统时，需进行注销：按Ctrl-d或键入：Logout↙即可。3．终止系统运行需严格按以下步骤，否则将可能导致系统出错。1）注销退出；2）作为超级用户登录；3）按/etc/haltsys↙4）等待系统显示同意关电源后，再关机。4．命令和命令行一旦注册进入XENIX系统后，用户便可从键盘通过shall命令使用XENIX系统。*一个命令是一个英文单词的编写，对应某一个程序