微型计算机控制系统概述.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,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,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构 1.1.2 微型机控制系统的软件,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,111 微型机控制系统硬件结构 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。,微机控制技术,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,二、 接口及 I/O 通道 1. 常用接口 (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,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,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,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,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 CPU 所能接收的电压信号。 3执行机构： 接收 CPU 输出的控制量并加以动作， 以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,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,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/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,1.1.2 微型机控制系统的软件,112 软件 完成各种功能的计算机程序的总和。 系统软件：由厂家提供 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,1.2 微型机控制系统的分类,1.2.1 操作指导控制系统（OPS） 1.2.2 直接数字控制系统（DDC） 1.2.3 计算机监督系统（SCC） 1.2.4 嵌入式系统（EMS） 1.2.5 物联网系统（ITS） 1.2.6 现场总线控制系统（FCS）,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系统， （计算机系统的初级阶段）。 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）, 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； 可靠。 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）,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,1作法：两级计算机控制系统： （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1-5 SCC + DDC 控制系统 ） 2特点：更接近于生产的实际情况，增加了“冗余量”，更可靠。 3应用范围：因为数学模型难以建立，所以此法用起来有困难。,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,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。,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 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。,微机控制技术,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, 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。,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。 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。,微机控制技术,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,1.2.5 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。,1.2.5 物联网系统（ITS）,1.2.5 物联网系统（ITS）,1.2.5 物联网系统（ITS）,1.2.5 物联网系统（ITS）,物联网终端主要由外围接口模块、核心处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。,1.2.5 物联网系统（ITS）,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。,12 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,126 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,126 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,126 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,126 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1-8 现场总线控制系统结构,126 现场总线控制系统（FCS）,现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表， 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,126 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 (Local area network)； 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,126 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,126 现场总线控制系统（FCS）,现场总线控制系统 是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构 的通信网络。 是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者 的结合。 具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分 散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技 术特点。,126 现场总线控制系统（FCS）, 保证控制系统可以适应目前工业界对 数字通信和自动控制的需求，且使其 与 Internet网 互连构成不同层次的 复杂网络成为可能。 代表了工业控制体系结构发展的一种 方向。,13 单片微型计算机 统的发展概况及趋势,1.3.1 单片微型计算机 1.3.2 可编程逻辑控制器 1.3.3 FPGA系统 1.3.4 工业PC 1.3.5 微型计算机控制系统的发展趋势,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,131 单片微型计算机,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,微机控制技术,133 现场可编程门阵列（FPGA）,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。,微机控制技术,133 现场可编程门阵列（FPGA）,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。,133 现场可编程门阵列（FPGA）,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。,133 现场可编程门阵列（FPGA）,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。,133 现场可编程门阵列（FPGA）,SOPC设计软件,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。,图1.10 PC机、单片机和FPGA通信图,4FPGA与DS