第九章微机控制系统设计与实践本章主要介绍系统设计的要

西南科技大学网络教育1第九章微机控制系统设计与实践本章主要介绍系统设计的要求、特点，讨论系统设计的内容和步骤西南科技大学网络教育29.1微机控制系统设计的基本要求和特点一、基本要求1．系统操作性能要好操作性能的好坏包括两个含义：使用是否灵活、方便；维修是否容易。2．通用性好、便于扩充要使控制系统达到这样的要求，设计时必须使系统设计标准化，并尽可能采用通用的系统结构总线(如S—100、STD等)以便在需要扩充时，只要增加插件板就能实现。接口部件最好采用通用的LSI接口芯片，在速度允许的情况下，尽可能把接口硬件部分的操作功能用软件来实现，以减少系统的复杂程度。进行控制系统的设计时，各设计指标应留有一定的余量，这样也能便于系统的扩充，如CPU的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道等指标。西南科技大学网络教育33.可靠性要高为提高微机控刖系统的可靠性，目前常用如下一些方法：(1)采用双机系统。用两台微机作为控制系统的核心控制器．从而提高丁系统的可靠性。双机控制系统中，两台微型机的工作方式一般有如下三种：①备份工作方式。一台微机投入系统运行。另一台虽然也处于运行状态，但脱离控制系统，而只作为系统的备用机。②主从工作方式。两台微机同时投入系统运行，在正常情况下，分别执行不同的任务，其中一台承担整个系统的主要控制任务(称其为主机)，另一台则执行一般的数据处理或部分设备的控制任务(称其为从属机)。当主机发生故障时，它就自动脱离系统，而让从属机承担起系统所有的控制任务，以保证控制系统的正常运行。西南科技大学网络教育4③双工工作方式。在这种工作方式中，两台主机同时投入系统运行，在任何一个时刻都同步执行同一个任务，并把结果送到一个专门的装置进行核对，如果两台微机输出结果相符合，说明两台都处于正常状态，则可以把核对后的结果输出到被控对象或设备。如果核对不符合，说明一台机器工作出错，这时就封锁输出，同时通知两台主机对前一步进行重复处理，然后对结果进行再核对，以排除随机故障。(2)采用集散控制系统集散控制系统是分级分布式控制方案，它是用多台以微处理器为核心的基本控制器分别控制各个被控对象，而上一级计算机则进行监督和管理。4.设计周期要短、价格要便宜在满足精度、速度和其它性能要求的前提下，应缩短设计周期和尽可能采用价格低的元器件，以降低整个控制系统的费用。西南科技大学网络教育5上述几点是设计微机控制系统时，应考虑的基本要求，其它如精度、速度，体积、重量及监视手段等，对不同的系统均有特定的要求，也必须足够重视。二、设计特点微机控制系统设计具有如下明显特点：1.由于系统中使用的大部分都是可编程LSI组件，所以系统设计越来越简化，通用性也愈来愈强。2.从研制手段和调试工具来说，因为系统存储窖量有限，软、硬件设计也不可能一次成功，所以一般要求微机或单片机开发系统MDS(MicrocomputerDevelopmentSystem)作为支援，以加快微机控制系统的开发过程。西南科技大学网络教育69.2微机控制系统设计的一般步骤微机控制系统设计，虽然随控制对象、设备种类、控制方式、规模大小等而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的，具体如下：一、确定控制任务在进行系统设计之前，必须对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析，熟悉其工艺流程，才能根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的任务。然后用时序图和控制流程图来描述控制过程和控制任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。二、选择微处理器和外围设备微处理器是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从以下几个方面考虑是否符合控制系统的要求。西南科技大学网络教育71.字长在过程控制领域中。一般选择8位或16位字长的微处理器，就能达到一般的控制要求。2.寻址范围和寻址方式微处理器地址码长度反映了它可寻址的范围。寻址范围表示了系统中可存放的程序和数据量，用户应根据系统的要求，选择在寻址范围之内的合理的内存容量。微处理器的寻址方式一般有直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址等，选择恰当的寻址方式，会使程序长度大大减少。3．指令种类和数量一般来说，某种微处理器的指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，编程灵活方便，程序长度减少。西南科技大学网络教育84．内部寄存器的种类和数量微处理器内部结构也是关系到系统性能的重要方面。常见的8位微处理器，一般都包含有通用寄存器组、程序计数器、堆栈指针、累加器、程序状态字寄存器等。它们的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加快了执行速度。5.微处理器的速度微处理器的速度，应该与被控制对象的要求相适应，过高要求会给系统的安装、调试带来不必要的麻烦。6.中断处理能力在微机控制系统中，中断处理往往是主要的一种输入输出方式。微处理器中断功能的强弱，往往涉及到整个系统实时控制的能力以及硬件和应用程序的布局。除上述六个方面以外，微处理器的LSI外围电路的配套，器件的来源、软件的支持等也是设计人员必须考虑的因素。工业控制系统中，对常规的计算机外围设备一般要求不高。在多数情况下，有一台电传机(或打印机)和一台监视器即可。西南科技大学网络教育9三、确定控制算法在直接数字控制系统中，最常用的是数字PID控制算法及其改进形式，此外还有离散域内数字控制器的直接设计方法、模糊控制算法等。系统所用的算法，要根据控制对象的不同特性和要求恰当地选择。四、系统总体方案设计一般需要考虑以下几个方面。1．估计内存容量，进行内存分配内存储器所需容量主要根据控制程序的大小、所采集和处理的数据量以及堆栈的大小来估计，同时还应考虑内存储器容量的扩充是否方便和是否需要外存储器等。2．过程通道和中断处理方式的确定通常应根据控制对象所要求的输入输出参数的性质和个数，来确定系统输入输出通道。在估算和选择通道时，应着重考虑如下几点：西南科技大学网络教育10(1)数据采集和传输所需的输入输出通道数；(2)是否所有的输入输出通道都使用同样的数据传输率，它们是否都处理相等的数据流量；(3)输入输出通道是串行操作还是并行操作；(4)输入输出通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；(5)模拟量输入输出通道中，字长应选择多少位。中断方式和优先级别应根据被控对象的要求和微处理器为其服务的频繁程度来确定。3．系统总线的选择系统总线的选择对微机控制系统的通用性很有意义。非标准的系统总线会给使用和维护带来不便，对系统的系列化和标准化也非常不利。经过对上述各项认真处理后，就可以画出整个系统概略的框图。西南科技大学网络教育11五、硬件和软件的具体设计在设计一个新的微机控制系统统时，必须在硬件和软件之间相互权衡。一般的原则是：要看所设计的控制系统的生产量，若生产量太，则硬件器件应尽量减少，多用软件来完成相应功能。硬件和软件设计过程必须同时进行，两者相辅相成。微机控制系统的设计步骤流程图如图所示。西南科技大学网络教育129.3微机控制系统设计应考虑的重要问题一、系统的选择和配置微机控制系统可供选择的配置方案有如下几种：1.购买现成的微机系统2．用现成的单板微机进行扩充3．采用标准功能模块构成系统标准模块是具有一定功能、尺寸大小相同的印刷电路板(如STD总线模块)。这种模块采用相同的系统总线连接起来，可构成不同要求和不同配置的系统。采用这种方法构成系统的优点是：①对系统设计人员的技术熟练程度要求较低；②构成系统灵活，配置比较合理；③检测、调试、开发比较容易；④故障查找和排除比较方便；西南科技大学网络教育13⑤可以共享大量硬件、软件，有利于缩短研制周期；⑥可先用通用模板组成标准系统，再扩充专用模板，使通用性和专用性获得较合理的统一；⑦便于扩充。功能模块的划分，一般应遵循这样一些原则：(1)功能模块系列中有一块或几块基本模板，板上除CPLI外。还应包括ROM、RAM、I/O通道、定时器以及通信接口等。这样，就可使这一基本模板成为一台完整的微机，即基板计算机；(2)基板应具有驱动其它功能板的能力；(3)各模板与公共总线之间应有隔离措施；(4)各扩展模板的功能应力求单一，以求灵活。一般来说还应有扩展功能模板：如存储器板、并行I/O通道板、DMA控制板、模拟I/O通道板、通信控制板和高速运算板等。4．用芯片从头开始设计并构成系统这是一种用微处理器或单片机、EPROM、RAM和各种接口器件自己动手设计控制系统的方法。西南科技大学网络教育14二、总线负载的考虑（一）单向总线的负载所谓单向总线，是指信息的传输只有一个方向的总线，如地址总线和大部分控制总线都属单向总线。一个MOS器件一般只能驱动一个标准74XXX的TTL系列器件或4个低功耗肖特基TTL器件74LSXXX，但是它可以驱动10个左右的MOS器件。而一个TTL器件能驱动10个左右的TTL器件，或者能驱动10个以上的MOS器件。系统设计时，如果全部采用MOS器件，并且接在总线上的输入端数小于10，或者虽然采用少量的TTL器件，但负载数目仍然在允许范围之内，这时可以不加缓冲器，这样既降低了系统成本，也简化了系统设计。如果总线上的负载超过允许范围，则为了保证系统能可靠工作，必须加缓冲驱动器，对于单向传送的总线，负载问题比较简单，只要把挂在总线上的所有负载(不管是MOS器件还是TTL器件)的输入电流按IIH和IIL分别累加起来，然后与IOH和IOL分别比较，若两个参数中有一个超过允许值，就说明已超载，必须加总线驱动器。随着驱动器的增加，当用一级驱动器不能满足要求时，可以用两级驱动器。西南科技大学网络教育15（二）双向总线的负载所谓双向总线，是指信息在总线上传送的方向有两个，如微机的数据总线．其信息传送方向可能从CPU到存储器或外围接口，也可能从存储器或外部接口传送到CPU。双向总线的负载问题可用如下办法加以解决：在系统较小的情况下，外围器件尽量采用MOS器件，这样可以减少负载，省去驱动器；对于较大的系统，当需要MOS和TTL器件混用时，最好把双向总线分为两类，所有的MOS器件接在一类总线上，所有TTL器件接在另一类总线上。为了连接这两类总线，接在MOS器件的总线允许接一个74LS245双向驱动器，用它和TTL总线相连。一般地说，ROM和RAM存储器都是MOS器件，当用TTL器件作为输入或输出接口时，可对输入接口和输出接口分别进行考虑。输入接口器件只提供数据(作为源器件)，可把它们接在MOS器件总线上；输出接口器件(负载器件)，可作为单向总线考虑。因此．只要在MOS总线上加一个74LSXXX缓冲器，通过它驱动各输出接口即可，也可以用74LS04(六反相器)作为缓冲器，此时成本可大大降低。西南科技大学网络教育16三、屏蔽与接地l.接地根据国家标准《计算站场地技术要求》(GB2887—82)，地可分为以下四种：(1)计算机系统的直流地是计算机系统中所有逻辑电路的共同参考点。直流地有两个作用：其一是消除各路电流在一公共地线上所产生的噪声；其二是避免形成磁场和地电位差的回路，以免产生噪声耦合。计算机系统直流地的接地方法一般有两种：其一是直流地悬浮，也就是直流地与大地严格绝缘(地电阻一般在lM以上)，这样既能防止交流电网的各种干扰引入数字电路，又能防止电器设备漏电引入计算机系统，而发生烧毁事件；其二是真流地接大地，但要求两地相接电阻不得大于4，以消除外壳上大量静电荷沉积。对于较小的工业计算机系统，直流地悬浮为好。微机系统中的直流地又分为信号地和电源地。理论上二者等电位，最终也要接在一起。但实际上有所不同。西南科技大学网络教育17(2)交流工作地就是把计算机系统中所有交流电设备作二次接地，以确保人身和设备的安全，(3)安全保护地，即把与电器设备带电部分的绝缘金属外壳接地，以防触电。(4)防雷保护地。2．屏蔽屏蔽是最常用的抗干扰方法。屏蔽虽可消除外部噪声，但使用不当则会引起不良影响，下面是屏蔽应遵守的两条原则：原则一：为了减少或消除由于屏蔽所引起的反馈，电子线路的屏蔽罩必须连接到该线路的信号地。原则二：屏蔽应当在输入信号零电压基准点接地