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微型计算机控制技术 陈应麟2010 02 02 内容提要 概述微机控制系统设计的基本要求和特点微机控制系统设计的一般步骤微机控制系统设计方法微机控制系统设计实例小结 微型计算机控制系统的设计既是一个理论问题 又是一个工程实际问题 因此 设计微型计算机控制系统必须具备一定的硬件基础知识 软件设计能力以及综合运用知识的能力 在进行计算机控制系统设计时 大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序 第八章微型计算机控制系统设计 1微型计算机控制系统设计的基本要求和特点一 系统设计的基本要求1 系统操作性能要好操作性能好 包括两个含义 即使用方便和维修容易 这个要求对控制系统来说是很重要的 硬件和软件设计时都要考虑这个问题 当我们在配置软件时 就应考虑配置什么样的软件才能降低对操作员专业知识的要求 应用程序是由用户自己编制或修改的 如果应用程序采用机器语言直接编写 显然是十分麻烦的 应尽可能采用汇编语言 配上高级语言 以使用户便于掌握 在硬件配置方面 应该考虑使系统的控制开关不能太多 太复杂 而且操作顺序要简单等等 2 通用性好 便于扩充计算机控制系统可以控制多个设备和不同的过程参数 但各个设备和控制对象的要求是不同的 而且控制设备还有更新 控制对象还有增减 系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象 使系统不必大改动就能很快适应新的情况 这就要求系统的通用性要好 能灵活地进行扩充 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总线结构 以便在需要扩充时 只要增加插件板就能实现 3 可靠性要高可靠性高 是控制系统设计最重要的一个基本要求 一旦系统出现故障 将造成整个生产过程的混乱 引起严重后果 特别是对CPU模块的可靠性要求更应严格 目前 计算机控制系统或PLC控制系统常用的有如下一些方法来保证可靠性 1 采用双机系统用两台计算机或PLC作为控制系统的核心控制器 从而提高了系统的可靠性 双机系统中 两台计算机或PLC的工作方式一般有如下3种 A 备份工作方式一台机投入系统运行 另一台虽然也处于运行状态 但只作为系统的热备份机 当投入运行的系统出现故障时 专用程序切换装置便自动地把备份机无缝地切入系统 故障排除后的系统 则作为备份机 这样使系统不会因主机故障而影响正常工作 热备系统要有硬件的备份 还必须有相应的软件支持备份数据 图8 1是采用罗克韦尔自动化公司的PLC5可编程控制器组成的热备系统 从图可以看到 对处理器和网络都进行了备份 有效地保证了系统的可靠性 图8 1罗克韦尔自动化公司的PLC热备系统实例 B 主从工作方式两台控制机同时投入系统运行 在正常情况下 分别执行不同的任务 一台承担整个系统的主要控制任务 称主机 另一台则执行一般的数据处理或部分设备的控制等工作 称从机 当主机发生故障时 它就自动脱离系统 让从机承担起系统的所有控制任务 以保证系统的正常运行 C 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 如图8 2所示 如果两台微型计算机输出结果相符合 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 如果核对结果不符 说明一台系统工作出错 此时封闭输出 同时通知两台主机对前一次进行重复处理 然后对结果再进行核对 以排除随机类故障 如多次核对结果仍不相同 则说明其中一台主机发生故障 此时通过一定的故障诊断程序来判别故障 并将有故障的系统切换下来 图8 2双工工作方式 2 采用分布式控制系统分布式控制系统是分级分布式的工作方案 它是用多台基本控制器分别控制各被控对象 而上一级计算机则进行监督和管理 这种分散控制的系统可使故障对整个系统的影响最小 也就是说 如果其中某一台控制器出现故障 其影响只是局部的 而它的控制任务可以由上级机来接管 如果上级机出现故障 则基本控制器仍然可以独立维持被控对象的控制 所以大大提高了整个系统的可靠性 4 设计周期要短 价格要便宜5 满足工艺上要求设计人员在对该系统设计前 必须对该被控对象生产工艺要有一定的熟悉或了解 要和搞该项目工艺人员接触 密切与工艺人员结合 才能设计出符合工艺要求和性能指标良好的控制系统 二 系统设计的特点1 软 硬件结合更紧密 对计算机系统设计人员要求高 在进行控制系统设计时 系统设计人员必须把系统要实现的任务和功能合理地分配给硬件和软件 既要考虑系统的价格 又要考虑系统满足实时性要求的工作速度 做到硬件软件合理权衡 并尽量节省机器时间和内存空间 硬件设计采用大规模集成电路 这不但使组件减少 而且对设计人员所需要的电子线路技术要求较低 在软件设计时 控制系统设计人员往往可以借用计算机厂家提供的系统软件 而主要任务是进行应用程序的设计 后者应根据控制对象和系统的具体要求选择恰当的控制算法 2 研制手段调试工具采用较高的开发工具 由于微型计算机控制系统所用器件集成度高 没有检测点 一般只有简单的控制面板 故所编写的程序难以在自身系统上调试 加之 硬件和程序往往同时研制 程序又必须在实时条件下完成复杂的输入输出操作 硬件的各个部件彼此通过总线连接 内部状态不能直接沟通 因而硬件和程序的故障往往混杂在一起 难以分析和排除 这样 用一般的测试手段和工具 已不能适应要求 需要有比较高级的开发工具 如采用微型计算机开发系统MDS MicrocomputerDeve1opmentSystem 作为支援 以帮助用户开发和调试控制系统 2微型计算机控制系统设计的一般步骤一 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 熟悉其工艺过程 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 二 选择微处理器和外围设备1 微型机的选择微处理器是整个控制系统的核心 应从以下几个方面考虑是否符合控制系统的要求 1 字长与一般计算机一样 微处理器字的长短会直接影响数据的精度 指令的数目 寻址能力和执行操作的时间 一般说来 字越长 对数据处理越有利 但从减少辅助电路的复杂性和降低成本的角度考虑 字短些为宜 所以应根据不同对象和不同要求 恰当选择 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 用户应根据系统要求选择与寻址范围有关的合理的内存容量 3 指令种类的数量一般来说 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 程序量减少 字较短的微处理器 通常指令条数也会少一些 4 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 微处理器一般都包含有通用寄存器组 程序计数器 堆栈指示器 变址寄存器 累加器等 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 6 中断处理能力在控制系统中 中断处理往往是主要的一种输入输出方式 三 建模和控制算法确定工业生产中计算机控制系统控制效果的优劣 很重要的问题之一是由算法的优劣决定的 算法建立在控制对象的数学模型上 即描述各控制量与各输出量之间的数学关系 四 系统总体方案设计硬件总体方案设计 主要包含内容 1 确定系统的结构和类型2 确定系统的构成方式3 现场设备选择 包括传感器 变送器和执行机构的选择 这些设备的选择要正确 它是影响系统控制精度的重要精度之一 4 其他方面的考虑 人机联系方式 系统的机柜或机箱的结构设计及抗干扰的问题 在总体方案设计中选择了计算机以后要做下面几项工作 A 估计内存储器容量 进行内存分配内存储器容量主要根据控制程序量和数据量以及堆栈大小来估计 并要考虑到是否需要外存储器以及内存容量能方便地扩充 不同功能的程序最好分配在不同的内存区域 并要注意到便于系统的扩展和有利于工作速度的提高 B 过程通道和中断处理方式的确定确定过程输入输出通道是总体设计中重要的内容 通常应根据控制对象所要求的输入输出参数的个数 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 数据采集和传输所需的输入输出通道数 数据传输率和数据流量 输入输出通道是串行操作还是并行操作 输入输出通道是随机选择 还是按某种预定的顺序工作 模拟量输入输出通道中字长选择多少位 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 一般用硬件处理中断响应速度比较快 但要配备中断控制部件 用程序处理中断响应的速度要慢一些 但它比较灵活 一旦情况发生变化 改变比较容易 C 系统总线的选择系统总线的选择对通用性很有意义 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 标准化也十分不利 2 软件总体设计方案先画出较高一级的方框图 然后将大的方框图分成小的放框图 直到能表达清楚为止 软件总体方案还应考虑确定系统的数学模型 控制策略 控制算法 3 系统总体方案将上面的硬件总体方案和软件总体方案构成系统的总体设计方案 五 硬件和软件的具体设计在具体设计阶段 必须认真考虑和反复权衡硬件和软件的比例 这是因为硬件和软件有一定的互换性 有些用硬件完成的功能也可以用软件来完成 多用硬件完成一些功能 可以改善性能 加快工作速度 但增加了硬件成本 若用软件代替硬件功能 虽可减少元件数 但系统工作速度相应降低 所以在设计一个新的控制系统时 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 若生产量大 则硬件器件应尽量减少 多用软件来完成相应功能 虽然软件研制比较复杂且研制费用也较大 但若生产量大 分摊到每一个系统上的软件费用相应地就减少了 硬件和软件设计过程必须同时进行 两者相辅相成 系统设计步骤示意图 六系统联调 把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序 程序调试完成后 还要进行在线仿真 然后进行试运行 经过一段考机和试运行后 即可投入正式运行 3微型计算机控制系统设计主要讲怎样选择和配置一个控制系统以及对总线负载的考虑 一 系统的选择和配置可供选择的配置方案有 1 购买现成的计算机系统或PLC控制器这是一种比较方便快捷的配置方案 采用这种方案时 需要考虑的具体问题有 购买什么样的计算机控制系统或PLC 系统应有多大的内存容量 怎样配置过程输入输出通道 需要多少外部设备 是否需要配置外存储器以及配置多大的外存容量 应该购买哪些现成的系统软件 怎样配置应用软件等 对PLC系统 也要考虑I O模块 电源 通信能力 软件开发工具和速度等 2 采用标准功能模块构成系统标准模块是具有一定功能 尺寸大小一样的印刷电路板 这些模板用相同的系统总线连接起来 如PC总线等 构成不同要求和不同配置的系统 采用这种方案构成系统的优点是 对系统设计人员的技术熟练程度要求较低 构成系统灵活 配置比较合理 检测 调试 开发比较容易 故障查找和排除较方便 可以共享大量硬件 软件 有利于缩短研制周期 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 扩充方便 3 自己动手设计控制系统当现成产品无法满足控制要求时 只能采用由微处理器 ROM RAM和各种接口器件组成 并自己动手设计控制系统的方法 二 总线负载的考虑不论采用哪一种方案构成控制系统 都与系统总线有关 因此总线的性能 特别是总线的负载能力 必须慎重考虑 1 单向总线的负载单向总线 指的是信息的传输只有一个方向的总线 如地址总线及大部分控制总线 负载问题的考虑 把一个TTL电平兼容的器件输出端接到另一个TTL电平兼容器件的输入端 正常情况下 信号电平总是能满足的 引起电平偏移的原因之一 是在系统设计时负载考虑不周而引起的 电平偏移会使整个系统的稳定性 可靠性 抗干扰能力大为降低 严重时会使系统不能正常工作 甚至会损坏器件 因此在进行系统设计时 必须仔细分析系统各环节的负载问题 采取必要措施 避免电路过载 TTL与MOS器件输入输出电流时不一样的 图表8 1所示 表8 1所列为TTL器件和MOS器件输入电流和输出电流的数值 它表示这些器件工作时需要多大的驱动电流以及本身具有多大的驱动能力 由表8 1可见 MOS器件的输入电流较小 驱动能力也差 一个MOS器件一般只能驱动一个标准7L 的TTL系列器件或4个低功耗肖特基TTL器件74LS 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 从表8 1可见 TTL器件输出电流较大 而MOS器件输入电流较小 驱动能力也差 因此 一个标准TTL器件能驱动1个左右的TTL器件 一个TTL器件能驱动10个以上的MOS器件 而一个MOS器件只能驱动一个标准74系列的TTL器件或者4个低功耗的肖特基74LS器件 但它可以驱动10个左右的MOS器件 如果总线上负载超过允许范围 为保证系统可靠操作 必须加缓冲驱动器 例如 某MOS器件的微处理器 其地址总线A0 A9的负载情况如图8 4所示 MOS器件只能驱动一个TTL器件的负载 图8 4中所示情况 虽然A0 A6的负载没有超过允许值 但A7 A9既带4个MOS器件 又带一个标准的TTL器件 已经超载 解决的办法是在A7 A9线上加驱动器 或者把标准TTL译码器换成74LS低功耗器件 图8 4地址总线的负载示意图 当一级驱动缓冲器不能满足要求时 可以用两级驱动器 如图8 5所示 CPU板上有地址总线驱动器 用来驱动其它模板 存储板和接口板上也有地址驱动器 用来驱动各自板上的器件 图8 5某系统地址总线驱动器配置图 2 双向总线的负载双向总线指的是信息在总线上传送的方向有两个 如微型计算机的数据总线 其信息传送方向可能从CPU到存储器或外部接口 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要比单向总线复杂得多 为说明双向总线的负载问题比单向总线复杂化 举常见的多器件双向传送的情况 如果A是MOS器件 B C D是TTL器件 那么B C D三者之一作为源器件是没有问题的 如果A作为源器件 B C D作为负载器件 则就会出现 个MOS器件驱动 个TTL器件的超载问题 图8 7多器件双向传送的负载问题 一个错误的总线配置 图8 8错误的总线配置 设计者为了提高微处理器的负载能力 在数据总线上加了一个TTL的双向总线驱动器74LS245 用它来驱动4个MOS存储器和4个TTL器件 该线路设计错误所在是当一个MOS存储器进行读操作时 距会出现一个MOS器件驱动了3个MOS器件和5个TTL器件 出现最严重的超载情况 双向总线负载设计方法 以单片机代替常规模拟调节器 构成具有数字PID和智能控制功能的双回路通用控制系统 专用微型计算机系统设计1标准微机系统的设计 选择CPU 连接地址线 连接存贮体 连接I O接口 4工业控制系统设计实例 2专用微机控制系统的设计 选择确定应用目标 确定实时时钟和中断结构 系统的线路设计和结构设计 系统软件及应用程序设计 温度控制系统设计实例 过程控制系统中 以温度控制系统为最常见 最基本的工艺参数之一 温度控制系统是生产过程自动化的重要任务之一 典型反馈式温度控制系统如图所示 一电阻炉温度控制系统1设计任务在某实验装置中 要求按照控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化 同时监测B点的温度 一旦B点的温度超过允许值 就发出报警信号 并停止加热 2电路原理图 硬件电路 3温度测量电路 检测元件选用镍铬 镍铝热电偶 分度号为EU 适用于0 1000 的温度测量范围 相应输出电压为0mV 41 32mV 变送器由毫伏变送器和电流 电压变送器组成 毫伏变送器用于把热电偶输出的0 41 32mV变换成0 10mA范围内的电流 电流 电压变送器用于把毫伏变送器输出的0 10mA电流变换成0 5V范围内的电压 4接口电路 8031的接口电路有ADC0809 8155和2732等 本系统采用ADC0809型A D转换器 作为温度测量电路的输入接口 8155用于键盘和显示接口 2732作为8031外部程序 ROM 存储器 5温度控制电路 电阻炉的温度通过调节加热丝的加热功率来实现 双向可控硅和加热丝串接在交流回路 由可控硅导通时间决定加热丝的加热功率 可控硅输出功率与导通时间的关系如图 过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲 可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通 过零同步脉冲由过零触发电路产生 6数字控制器的数学模型电阻炉可近似为一个带纯滞后的一阶惯性环节 即式中各参数可根据系统的飞升特性曲线确定 采用大林算法设计数字控制器如下 第六章 7控制系统程序设计 主程序 中断服务子程序 T1中断服务程序 T0中断服务程序 8T0中断服务子程序T0中断服务程序是此系统的主体程序 用于启动A D转换 读入采样数据 数字滤波 越限温度报警和越限处理 大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等 在T0中断服务程序中 要用到一系列子程序 如 采样子程序 数字滤波子程序 越限处理程序 大林算法程序 标度变换程序和温度显示程序等 二智能温度仪表控制系统1 温度仪表控制系统结构图 2 系统硬件原理图 1 微机系统采用MCS51系列的单片机 从应用角度出发 目前用单片机构成的控制系统构成 主要是单片机有很多优点 a 集成度高单片的8031内含有128B的RAM 4个8位并行口 1个全双工的串行口 2个16位定时 计数器 片内的时钟振荡器 两种优先级的5个中断源的中断结构 64K的程序存储器地址空间和64K的数据存储器地址空间 并且 由于集成度高 焊点少 可靠性也大大提高 b 速度快 处理能力强 8031指令系统含有大量的算术运算 布尔运算和逻辑判断 转移指令 并且有丰富的位操作功能 它执行一条单字节的乘法指令仅需4 s 这个速度足以满足工业过程控制系统的要求 c 可扩充性能好 寻址范围大另外 8031还具有特殊的多机通信功能 很适合于用作分布式控制系统中的直接控制级 该温度仪表控制系统的EPROM采用2764共8K 用作程序存储 RAM用6116共2K 主要用来存放现场的计算结果 显示数据等 控制和显示参数的缺省值驻留在EPROM中 由于一些用户设置的参数需要长期保存 为了防止意外失电以及关机后丢失这些数据 对RAM采用了掉电保护措施 8031有4个双向口 其中P0与P2是地址 数据专用口 P3为功能口 要接中断申请信号 读 写信号及通信信号线等 这样 实际上只留下C口可供用户使用 因此 必须再扩充I O口用于输入输出以及键盘和显示的扫描 2 接口 本系统采用8255A和8243两个I O口 单片机P1口扩展8243用作显示和键盘的动态扫描与刷新 8255A有3个口 A口用于A D输入 B口用于D A输出 C口用于开关和指示灯的控制等 8255A是可编程I O接口电路 它有8位数据线和24条I O线 分成A B C3个口 每个口8位 各口的功能可由程序设定为输入 输出 位控或双向 并且可不附加逻辑电路而直接与CPU接口 这里选用A口来接受A D的转换线号 B口作为输出口送D A转换 C口控制2个CD4051模拟开关和7个信号灯 8255A与RAM统一编址 A0与A1接在8031的A0与A1上 片选信号为A15 执行上电复位 它的地址安排为 口A 8000H口B 8001H口C 8002H控制口 8003H 3 模入通道 A D芯片用5G14433 三位半 双斜率型ADC 抗干扰能力强 转换速度8 10次 s 多路开关 采用CD4051 8通道模拟开关 4 模出通道 两路核心为D A转换器 用一个D A多路开关CD4051 D A转换器选用AD7532是一个带储存器的8位DAC 输出经V I转换后送出0 10mA恒流信号到执行器 通道输入输出都采用光电隔离 提高系统的抗干扰能力 3 软件编制整个应用程序与分管理和控制两部分 1 管理程序 对显示LFD进行动态刷新 控制指示灯 处理键盘的扫描和响应 进行掉电保护 执行中断服务 2 控制程序 对被控过程进行采样 数据处理 根据控制算式进行计算和输出等 系统采用模块化结构设计方法 即整个控制软件由许多独立的小模块组成 它们之间通过软件接口连接 原则是模块内数据关系紧凑 模块间数据关系松散 按功能形成积木化结构 主控程序仅用作条件判断和子程序调用之用 管理程序充分利用单片机的中断源 单片机共有5个中断源 该系统充分利用 a 定时器T1中断源 作为动态扫描键盘 显示刷新的定时器以2ms定时 中断优先级为低 工作在方式0 b 定时器T0中断源以1s定时 10次0 1s 用作采样周期定时和双回路工作时的D A输出之动态切换 中断优先级为低 工作在方式1 c INT0中断源作为掉电保护处理 当检测到掉电信号时 封锁对RAM的读 写 以防止数据丢失 它工作在高优先级 d INT1中断源作为A D转换器采样中断工作在高优先级 功能是将5G14433采样值的BCD码放入内存以供处理 e 通信中断源当系统与上位机构成集散系统时 作为下位机的本控制器只用作采样 显示和输出 其它控制权利全部交上级机 通信中断负责信息传递 波特率可供任选 2 控制程序有以下几部分 a 数字滤波程序 用中值法对采样值进行数字滤波 以消除常态干扰 b 非线性校正程序 A D采样值为热电偶的毫伏信号 而计算时应采用相应的温度值 因此 必须根据热电偶分度表将毫伏值转换成温度值 毫伏 温度曲线是一非线性曲线 将它等分成30段 每段的对应温度存入EPROM中的非线性表中 每段内认为是线形关系的 如图8 20所示 如采样值为ti 则对应温度值计算如下 c 二进制 十进制转换程序 完成数制转换 d 参数初始化程序 e 器件初始化程序 完成对8255A等预置控制字 对中断源设置控制字 优先级字和定时器常数 f 自整定程序 g 测量值显示字程序 将非线性校正后的温度值转成十进制的7段码进行显示 h 报警子程序 根据报警组态和上下限值判断对象当前是否处于报警状态 并控制相应的报警灯 k BCD码转换成7段码子程序 l 手动控制程序 m PID控制程序 n 自适应控制程序 o 多字节加 减 乘 除法程序 三 啤酒发酵控制系统设计1 控制系统组成及结构图 1 组成该系统以微型计算机 PC 为核心 配以模入 模出通道 数字输入 输出通道以及各种外部设备 打印机 显示 报警 操作控制等几部分组成 该系统主要是按发酵温度曲线的变化进行控制 2 啤酒发酵计算机