《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1-3DDC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1-4SCC+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1-4SCC+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、FlashMemory）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0.1MIPS到2000MIPS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(EmbeddedMicroprocessorUnit）（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、PowerPC、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-bitMicroprocessorModuleBasedontheIntel386EX),1.2.4嵌入式系统,2、嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit)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：MCU8XC930/931、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PowerPC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(EmbeddedDigitalSignalProcessor)（）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、FFT、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-296Infineon(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(SystemOnChip)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SystemOnChip(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(SingleChipMicrocomputer)，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(ProgrammableLogicalController)，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