01微型计算机控制系统概述.ppt

2019/6/4,微机控制技术,1,第1章 微型计算机控制系统概述,1.1 微型计算机控制系统的组成 1.2 微型计算机控制系统的分类 1.3 微型计算机控制系统的发展,2019/6/4,微机控制技术,2,引言,计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。 计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。 计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。,2019/6/4,微机控制技术,3,一个制药车间的自动化生产过程,2019/6/4,微机控制技术,4,1.1微型计算机控制系统的组成,1.1.1 计算机控制系统 1.1.2 计算机控制系统的硬件组成 1.1.3 计算机控制系统的软件组成,2019/6/4,微机控制技术,5,1.1.1计算机控制系统,自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标。自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。,2019/6/4,微机控制技术,6,如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。不能自动消除设定值和被控量的偏差。,1. 开环控制系统,执行器,r,u,q,y,2019/6/4,微机控制技术,7,闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。,2 闭环控制系统,执行器,u,q,r,y,2019/6/4,微机控制技术,8,在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A），如图1.3所示。,3 计算机控制系统,2019/6/4,微机控制技术,9,计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程： （1）信息的获取（实时数据采集） 计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。 （2）信息的处理（实时数据处理） 计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理（对获取的数据分析、比较、处理，按一定的规则运算，进行控制决策）。 （3）信息的输出（实时数据输出） 计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。,计算机控制系统的控制过程,2019/6/4,微机控制技术,10,在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分，硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础，软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。,1.1 计算机控制系统的组成,2019/6/4,微机控制技术,11,1.1.2计算机控制系统的硬件组成,典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。,2019/6/4,微机控制技术,12,图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图,2019/6/4,微机控制技术,13,1. 主机 主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。 目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC、嵌入式处理器等。 它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。 由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。,2019/6/4,微机控制技术,14,2 . 过程控制通道 过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为： （1）模拟量输入通道(AI) 完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。 （2）模拟量输出通道(AO) 目前，多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。,2019/6/4,微机控制技术,15,（3）数字量输入通道(DI) 数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。 （4）数字量输出通道(DO) 数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。,2019/6/4,微机控制技术,16,3. 操作控制台 操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括： （1）作用开关（电源、数据及地址选择开关及方式选择开关） （2）功能键（专用功能，如复位、打印等） （3）LED数码管及CRT或LCD显示 （4）数字键（参数修改）,2019/6/4,微机控制技术,17,4. 通用外设 为了扩大主机的功能，如显示、打印、存储等。,2019/6/4,微机控制技术,18,5. 通讯设备 随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。,2019/6/4,微机控制技术,19,1.1.3 计算机控制系统的软件组成,对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低. 所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。,2019/6/4,微机控制技术,20,1 系统软件,系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。,2019/6/4,微机控制技术,21,2 应用软件,应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。 用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、C# 、C+、VB、VC 等。 目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。,2019/6/4,微机控制技术,22,思考题,1、自动控制系统的分类 2、计算机控制系统的硬件组成及功能 3、计算机软件组成及功能,2019/6/4,微机控制技术,23,1.2计算机控制系统的分类,在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。,2019/6/4,微机控制技术,24,计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为：,1、数据采集系统（DAS） 2、操作指导控制系统（OGC） 3、直接数字控制系统（DDC） 4、监督控制系统（SCC） 5、集散控制系统（DCS）,6、现场总线控制系统（FCS） 7、计算机集成制造系统（CIMS） 8、嵌入式系统（EMS） 9、物联网系统（ITS）,2019/6/4,微机控制技术,25,1. 数据采集系统（Data Acquisition System）是计算机应用于生产过程控制最早也是最基本的一种类型，如图1-6所示，生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和AD通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警等。,图1-6 数据采集系统,2019/6/4,微机控制技术,26,2. 操作指导系统（Operation Guide Control）是基于数据采集系统的一种开环结构，它也可看做生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-7所示：,计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。 该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。 该系统的缺点是需要人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路（尤其是需要严格同步的情况）。,2019/6/4,微机控制技术,27,图1-7 操作制导系统,2019/6/4,微机控制技术,28,图1-8 直接数字控制系统,3. 直接数字控制系统（Direct Digital Control）是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。其一般结构如图1-8所示：,2019/6/4,微机控制技术,29, 作法： 计算机对多个参数进行巡回检测； 将检测值与给定值加以比较； 根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。 特点： 一台计算机可同时控制多回路； 在线实时控制 可靠。 控制灵活： 每个参数的控制可各异（而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效的实现各种各样的从常规到复杂先进的控制方式）； 各参数在不同情况下可采用不同的控制规律； 应用广泛。,微机控制技术,使检测值给定值,2019/6/4,微机控制技术,30,4.监督计算机控制系统（Supervisory Computer Control）是OGC系统与常规仪表控制系统或DDC系统综合而成的一种两级的计算机控制系统。如图1-9所示 ：,图1-9 监督计算机控制系统,2019/6/4,微机控制技术,31,该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器（模拟控制器或DDC），改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。 该系统的优点是安全性较高，当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制（增加了冗余量）。 下位机直接参与生产过程，要求实时性好，可靠性高和抗干扰能力强。 上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。,2019/6/4,微机控制技术,32,5. 集散控制系统（Distributed Control System）又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。如图1-10所示。 过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。,2019/6/4,微机控制技术,33,图1-10 集散控制系统,2019/6/4,微机控制技术,34,6. 现场总线控制系统（Field Bus Control System） 现场总线控制系统是分布式控制系统的换代产品 1系统全部采用数字信息传递传统的 DCS（分布式系统中，底层到控制站之间用 420mA 电流传送）信息传递数字化后，在通信质量和连线方式上有重大突破。 2分散的系统结构 （1）DCS 中： 采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 （2）FCS中： 把 I/O 单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表； 每个仪表都含有 CPU具有测量、校正、调节、诊断等功能； 靠网络协议将各节点联系起来统筹工作； 节点出问题只影响其本身，不影响全局。,2019/6/4,微机控制技术,35,3方便的互操作性 不同结构的 FCS 产品，可组成统一的系统。 4开放的互联网络 （1）FCS 技术级标准均采用开放式政策，面向所有的产品制造商和用户。 （2）通信网络可以和其它系统网络、高速网络相连，即用户可共享网络资源。 5传输媒介和拓朴结构 FCS 采用数字通信方式： 改变了传统的信息交换方式、信号形式和系统结构。 改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。 改变了系统的设计及调试方法，开创了控制领域的新纪元。,2019/6/4,微机控制技术,36,现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络，如图1-11所示。 在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一。,2019/6/4,微机控制技术,37,图1-11 现场总线控制系统,2019/6/4,微机控制技术,38,7. 计算机集成制造系统（CIMS） 计算机集成制造的概念是在70年代美国的哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式。 随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。 CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。由于其涉及面广，应用存在的困难较多，所以许多CIMS工程在规划中都提出了整体规划分步实施的策略。尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实使企业真正走向现代化的方向。,2019/6/4,微机控制技术,39,图1-11 CIMS的递阶控制示意图,2019/6/4,微机控制技术,40,8.嵌入式系统（EMS）,嵌入式系统:一般指非 PC 系统，有计算机功能 但又不称之为计算机的设备或器材。,包括硬件和软件两部分。 硬件部分: 处理器/微处理器 存储器（ EPROM、EEPROM、 Flash Memory ） 外部设备 I/O 接口 图形控制器等。,2019/6/4,微机控制技术,41, 软件部分： 操作系统 ( 要求实时和多任务操作 ) 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 应用程序。 控制着系统的运作和行为； 嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中 BIOS 的工作方式，是独立工作的“器件”。 具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。,2019/6/4,微机控制技术,42,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器 特点: （1）对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 （2）具有很强的存储区保护功能。 由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件 模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 （3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最 高性能的嵌入式微处理器。 （4）功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW 甚至 W 级。,2019/6/4,微机控制技术,43,据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过1000多种， 流行体系结构有 30 几个系列， 其中 8051 体系的占有半数以上， 共 350 多种衍生产品。 嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB， 处理速度从 0.1 MIPS 到 2000 MIPS 常用封装从 8 个引脚到 144 个引脚。 嵌入式计算机可以分成下面几类XX。,2019/6/4,微机控制技术,44,1. 嵌入式微处理器 ( Embedded Microprocessor Unit） （1）与 CPU 比： 在应用中，将 EMPU 装在专门设计的电路板上， 只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 为了满足嵌入式应用的特殊要求， EMPU 在功能上和标准微处理器基本一样， 但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。,2019/6/4,微机控制技术,45,（2）和工业控制计算机相比： 嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低、可靠性高 工业PC由于电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 嵌入式处理器主要有 Am186/88、386EX、 SC-400、 Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。 在一块电路板上装有嵌入式微处理器、存储器、总线、外设等构成单板计算机。 如 STD-BUS、PC104等。 德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式、名片大小的嵌入式计算机系列 OEM 产品。 我国也有此类产品。,2019/6/4,微机控制技术,46,2、嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit)又称单片机。 为适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多： 通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 半通用系列：USB 接口： MCU 8XC930/931、C540、C541；I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU 和兼容系列。 目前 MCU 占嵌入式系统约 70 的市场份额。,2019/6/4,微机控制技术,47,3、嵌入式 DSP 处理器 ( Embedded Digital Signal Processor, EDSP ) （）处理器的特点 DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计: 使其适合于执行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也 较高。 数字滤波、F F T、谱分析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入式领域。 DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。,2019/6/4,微机控制技术,48,（）嵌入式 DSP 处理器构成 DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、 增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器。 如：TI 的 TMS320C2000/C5000。 在通用单片机或 SOC 中增加 DSP 协处 理器。 如：Intel 的 MCS-296 Infineon ( Siemens ) 的 TriCore。,2019/6/4,微机控制技术,49,（）推动嵌入式 DSP 处理器发展的因素： 嵌入式系统的智能化。 如：各种带有智能逻辑的消费类产品 生物信息识别终端 带有加解密算法的键盘 ADSL 接入 实时语音压解系统 虚拟现实显示等 向量运算 指针线性寻址等,DSP 处理器的长处,2019/6/4,微机控制技术,50,4、嵌入式片上系统 ( System On Chip ) 随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是 System On Chip ( SOC )。 各种通用处理器内核作为 SOC 设计公司的标准库，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL 等语言描述，存储在器件库中。 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。,2019/6/4,微机控制技术,51,嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。 本课程后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽然以 8051 系列单片机为主进行讲述，所涉及的基本原理 可适合任何一种嵌入式 CPU。,2019/6/4,微机控制技术,52,9. 物联网系统（ITS）,物联网系统（Internet of Things System，ITS） 第三次信息革命。 该系统通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。实际上它也是一种微型计算机控制系统，只不过更加庞大而已。,2019/6/4,微机控制技术,53,2019/6/4,微机控制技术,54,2019/6/4,微机控制技术,55,物联网终端,2019/6/4,微机控制技术,56,物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块、电源管理模块以及网络通信模块组成。通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。,物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。,2019/6/4,微机控制技术,57,1.3微型计算机控制系统的发展趋势,主要知识点： 1、常用控制装置种类 2、微型计算机控制系统的发展趋势,2019/6/4,微机控制技术,58,1、单片微型计算机 2、可编程逻辑控制器 3、FPGA系统 4、工业PC 5、可编程调节器,1、控制装置种类,2019/6/4,微机控制技术,59,随着微电子技术与超大规模集成技术的发展，计算机技术的另一个分支超小型化的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机诞生了。它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调制器、 图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。,1）单片微型计算机,2019/6/4,微机控制技术,60,单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言的通用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其软件开发环境正在逐步改善。目前，市场上已推出面向单片机结构的高级语言，如早期的Archimedes C和Franklin C，现在的Keil C51、DynamicC等语言。 由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。 单片机的应用从4位机开始，历经8位、16位、32位四种。但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里，8位单片机因其品种多、功能强、价格廉， 目前仍然是单片机系列的主流机种。,2019/6/4,微机控制技术,61,2）可编程控制器,可编程逻辑控制器简称可编程控制器或PLC，是计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电气控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机，主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成，外观如下图所示。,2019/6/4,微机控制技术,62,可编程控制器（PLC）特点： 一种数字运算操作的电子系统,专为工业环 境下应用而设定; 采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出； 应用广泛-不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色； PLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；,2019/6/4,微机控制技术,63,现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。 FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的IO单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和IO资源。 一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。 FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。,3 ）现场可编程门阵列（FPGA）,2019/6/4,微机控制技术,64,1FPGA的特点 （1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 （3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 （4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。,2019/6/4,微机控制技术,65,2片上可编程系统（SOPC） SOPC（System on a Progrmmable Chip，系统可编程芯片 设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。 SOPC迅速发展的原因 （1）密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市； （2）第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形 。 （3）提高他们的设计效率并缩短上市时间； （4）封装体积减小，产品尺寸也减少了，性能 增强。,2019/6/4,微机控制技术,66,SOPC设计软件,2019/6/4,微机控制技术,67,3FPGA与单片机 FPGA取代现有的全部微型机接口芯片，实现微型机系统中的存储器、地址译码等多种功能。利用FPGA可以把多个微型机系统的功能电路集成在一块芯片上。,2019/6/4,微机控制技术,68,PC机、单片机和FPGA通信,2019/6/4,微机控制技术,69,4FPGA与DSP 将FPGA与DSP结合，以便在集成度、速度和系统功能方面满足DSP应用的需要。由于FPGA器件内部提供了RAM、双口RAM和FIFO-RAM，所以利用FPGA设计DSP系统，同时具备DSP处理器的灵活性和固定功能的DSP芯片的实时性。,2019/6/4,微机控制技术,70,FPGADSP结构的最大特点： 组态灵活，通用性强，适用于模块化设计，能够提高算法的效率； 开发周期较短，易于维护和扩展，适用于实时信号处理。 用FPGA硬件实现大量的低层信号预处理算法所处理的数据，同时兼顾速度和灵活性。 高层处理算法采用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP 芯片来实现。,2019/6/4,微机控制技术,71,FPGA与DSP相结合实现并行流水结构,2019/6/4,微机控制技术,72,总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算