《计算机控制》第1章.ppt

第一章 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 微型机控制系统的分类 1.3 微型计算机控制系统的发展 概况及趋势,微型计算机控制系统硬件由以下部分组成： 微型计算机 接口电路 外部通用设备 和工业生产对象等组成,1.1 微型计算机控制系统的组成,微机控制技术,图1.1 典型微机控制系统原理图,1.1 微型计算机控制系统的组成,111 微型机控制系统硬件结构 硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。 一.主机( CPU ) 指挥部 1向系统的各个部分发出命令； 2对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、逻辑判断及报警处理等。 最常用的CPU是51系列,微机控制技术,1.1 微型计算机控制系统的组成,二、 接口及 I/O 通道 1. 常用接口（可编程接口芯片） (1)并行接口 8255、8155 (2)串行接口 8251 (3)直接存储器传送接口 8237 (4)中断控制接口 8259 (5)定时器计数器接口 8253 (6)模拟量与数字量之间转换接口 DAC0832， ADC0809等。,微机控制技术,1.1 微型计算机控制系统的组成,2I/O 通道 (1) 模拟量输入通道 关键部件 A/D（把模拟量变成数字量） (2) 模拟量输出通道 关键部件 D/A（把数字量变成模拟量） (3) 数字量输入/输出通道 三. 通用外部设备，用以扩大主机的功能 显示、打印、存储等,微机控制技术,1.1 微型计算机控制系统的组成,四检测元件及执行机构 1检测元件： 把非电量变成电量（传感器）。如：热电偶、节流装置、压力变送器 2变送器： 把传感器的输出信号变成A/D转换接口或CPU 所能接收的电压信号。 3执行机构： 接收 CPU或D/A转换接口输出的控制量并加以动作，对生产参数进行控制的机构。如：阀、开关、电机等。,微机控制技术,1.1 微型计算机控制系统的组成,五、操作台和实时时钟 1操作台的组成 （1）作用开关：电源开关；数据、地址选择开关；操作方式选择开关，等。 （2）功能键：向 CPU 申请中断、复位键、启动键、 打印键、显示键、连接、单步工作方式键等。 （3）显示：LED/LCD/CRT 显示器件显示数据，图、表、流程图等。 （4）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。 2实时时钟,微机控制技术,1.1 微型计算机控制系统的组成,112 软件 完成各种功能的计算机程序的总和。 系统软件：厂家提供用以管理计算机本身的程序。 应用软件：由用户根据控制系统的需要设计。 面向用户的程序。,微机控制技术,1.2 微型机控制系统的分类,根据被控对象的特点 环境 要求, 可采用不同类型的控制系统。,微机控制技术,121 操作指导系统,图1-2 操作指导控制系统,微机控制技术,121 操作指导系统,1操作过程： （1）计算机只对系统过程参数进行收集、 加工处理，而后输出（显示或打印）。 （提供准确的参照数据）。 （2）现场人员参照显示的数据， 根据经验对系统进行调节,微机控制技术,121 操作指导系统,2应用场合： 尚未摸清控制规律的非快速系统， （计算机控制系统的初级阶段）。 用来摸索新系统的数学模型和控制规律。 3特点： 简单、可靠 人工操作、慢 不能同时控制几个回路。,微机控制技术,122 直接数字控制系统（DDC）,图1-3 DDC控制系统原理图,微机控制技术,122 直接数字控制系统（DDC）,1. 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。 2. 特点： 一台计算机可同时控制多回路；可靠。 3. 控制灵活： 每个参数的控制可各异； 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,123 计算机监督系统（SCC）,1.作法： 系统中，给定值不是人为预先给定， 而是由计算机按照描述生产过程的数学模型， 计算出最佳给定值。 送给模拟调节器 或 DDC 单片机， 对生产过程进行控制。,微机控制技术,SCC+DDC控制系统,2组成：两级计算机构成的控制系统：（1）SCC（2) DDC ;与前者相比：控制由 DDC 机实现实时性好、灵活，一台单片机代替多台调节器，可控制多个回路。（ 如图1-4 SCC + DDC 控制系统 ） 3特点：更接近生产的实际情况，增加了“冗余量”，更可靠。 4应用范围：因为数学模型难以建立，此法用起来有困难。,微机控制技术,123 计算机监督系统（SCC）,图1-4 SCC + DDC 控制系统,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,存储容量有限,1.2.4 嵌入式系统, 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。,微机控制技术,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。 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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,（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 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。,微机控制技术,成都英创信息技术有限公司生产的ETR186-1嵌入式网络模块,i386-Engine (C/C+ Programmable, 32-bit Microprocessor Module Based on the Intel386EX) ,1.2.4 嵌入式系统,2、嵌入式微控制器 ( Microcontroller Unit ) 嵌入式微控制器又称单片机。 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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,AMD 公司，将 Am186CC/CH/CU 等嵌入式 处理器称之为 Microcontroller 。 MOTOROLA 公司把以 Power PC 为基础的 PPC505 和 PPC555 亦列入单片机行列。 TI 公司亦将其 TMS320C2XXX 系列 DSP 作为 MCU 进行推广。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,3、嵌入式 DSP 处理器( Embedded Digital Signal Processor) （）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。,微机控制技术,（）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。,1.2.4 嵌入式系统,1.2.4 嵌入式系统,（）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,微机控制技术,DSP 处理器的长处,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,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。,1.2.4 嵌入式系统,本书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。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,现场总线控制系统在 20 世纪 90 年代兴起， 将网络通信与管理的概念联系起来， 采用数字通信， 改变了传统的信息传送方式。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,一、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。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,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。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,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。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,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。,微机控制技术,二FCS控制结构,微机控制技术,图1-5 现场总线控制系统结构,125 现场总线控制系统（FCS）,用于过程自动化构成 FCS 的基本设备如下： 变送器 功能：检测、变换和补偿，PID 控制和运算功能。 如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。 执行器； 功能：信号驱动、执行功能 阀门特性自校验和自诊断功能 输出特性补偿（内含调节阀）功能 PID 控制和运算等功能 分类：电动、气动两大类。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）, 服务器和网桥 服务器下接 Hl 和 H2，上接局域网 LAN ； 网桥上接 H2，下接 Hl。 辅助设备 H1/气压、Hl电流、电流Hl转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。 监控设备 工程师站：供现场总线组态 操作员站：供工艺操作与监视 计算机站：用于优化控制和建模。,微机控制技术,125 现场总线控制系统（FCS）,FCS 的核心是现场总线（5.4） 现场总线技术是 90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。,微机控制技术,1.3微型计算机控制系统的发展概况及趋势,131 单片微型计算机 单片微型计算机 (Single Chip Microcomputer)， 是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。 特点是设计者可根据实际需要进行单片机系统开发、设计，因而更加方便、灵活，且成本低。,微机控制技术,1.3 微型计算机控制系统的发展概况及趋势,与微型计算机相比，单片机具有以下特点： 1集成度高，功能强 2结构合理 3抗干扰能力强 4指令丰富 5. 省电,微机控制技术,132 可编程逻辑控制器,132 可编程逻辑控制器 可编程控制逻辑器 ( Programmable Logical Controller )，简称 PLC。 是继电器逻辑控制系统 与 微型计算机技术相结合的产物。 PLC 采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为 存储器及I/O接口。 其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美 的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力 得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。 应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、 机器人到工业局部网络无不有它的踪影。,微机控制技术,132 可编程逻辑控制器,一、PLC 的功能 (1) 条件控制 (2) 定时控制 (3) 计数控制 (4) 顺序控制 (5) 模数(A/D)、数模(D/A)转换 (6) 数据处理 (7) 通讯与联网,微机控制技术,广泛应用在控制系统中,132 可编程逻辑控制器,2PLC 的特点 (1)可靠性高 (2)编程容易 (3)组合灵活 (4)输入输出功能模块齐全 (5)安装方便 (6)运行速度快,微机控制技术,单片机的发展与应用更增强了 PLC 的功能,132 可编程逻辑控制器,3PLC的分类 根据 PLC 的功能，可分为三类： (1）低档PLC (2）中档PLC (3）高档PLC,微机控制