机电一体化中的微型计算机系统.ppt

第三章机电一体化中微型计算机控制系统及接口设计 第三章微机控制系统及接口技术 讲师 吴龙 3 2机电一体化中微型计算机系统 3 2 1微型计算机的基本构成人们常用 微机 这个术语 该术语是三个概念的统称 即微处理机 微处理器 微型计算机 微型计算机系统的统称 第三章微机控制系统及接口技术 微处理机 Microprocessor 简称CPU 它是一个大规模集成电路 LSI 器件或超大规模集成电路 VLSI 器件 器件中有数据通道 多个寄存器 控制逻辑和运算逻辑部件 有的器件还含有时钟电路 为器件的工作提供定时信号 控制逻辑可以是组合逻辑 也可以是微程序的存储逻辑 可以执行机器语言描述的系统指令 是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件 并非是完整的计算机 第三章微机控制系统及接口技术 微型计算机 Microcomputer 简称MC 它是以微处理机 CPU 为中心 加上只读存储器 ROM 读写存储器 RAM 输入 输出接口电路 系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机 上述微处理机 微型计算机都是从硬件角度定义的 而计算机的使用离不开软件支持 一般将配有系统软件 外围设备 系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统 Microcomputersystem 简称MCS 第三章微机控制系统及接口技术 CPU MC与MCS的关系 第三章微机控制系统及接口技术 微型计算机的基本硬件构成 一般由数据总线 地址总线和控制总线相连 主存储器又叫内部存储器 目前这些存储器均是大规模集成电路 LSI 主要有RAM和ROM 通常ROM 只读 存储固定程序和数据 而输入 输出数据和作业领域的数据由RAM存储 输入 输出装置主要执行数据和程序的输入 输出 以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息 辅助存储装置可作为存储器使用 操作面板或键盘也属于输入装置 如下图所示 第三章微机控制系统及接口技术 微型计算机的基本构成 第三章微机控制系统及接口技术 3 2 2微型计算机的分类 1 按组装形式分类按组装形式可将微型计算机分为单片机 单板机和微机系统等 1 单片机 如图所示 在一块集成电路芯片 LSI 上装有CPU ROM RAM以及输入 输出端口电路 该芯片就称为单片微型计算机简称单片机 第三章微机控制系统及接口技术 单片机的设计充分考虑了机械的控制需要 它独有的硬件结构 指令系统和输入 输出 I O 能力 提供了有效的控制功能 故又称为微控制器 同时 它与通用微处理器一样 具有很强的运算功能 因而它不但是一种高效能的过程控制机 同时也是有效的数据处理机 随着单片机性能的提高和功能的增强 使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念 第三章微机控制系统及接口技术 单片机优点 集成度高 功能强 通用性好 特别是体积小 重量轻 能耗低 价格便宜 而且可靠性高 抗干扰能力强和使用方便 目前 单片机已广泛应用于家用电器 机电产品 仪器仪表 办公室自动化产品 机器人等的机电一体化 上至航天器 下至儿童玩具 均是单片机的应用领域 第三章微机控制系统及接口技术 将微型计算机的基本体系CPU 一定容量的ROM和RAM 输入 输出端口 I O电路 以及一些辅助电路分别做成LSI芯片 并将它们配置在一块印制电路板上 用电缆线和外部设备直接连接起来 这样的计算机叫做单板微型计算机 简称单板机 2 单板机 如下图所示 第三章微机控制系统及接口技术 在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器 可完成一些简单的数据处理和编辑功能 用单板机实现机电产品的机电一体化成本低 在机械设备的简易数控 检测设备 工业机器人的控制等领域中得到广泛应用 第三章微机控制系统及接口技术 根据需要 将微型计算机 ROM RAM I O接口电路 电源等组装在不同的印制电路板上 然后组装在一个机箱内 再配上键盘 CRT显示器 打印机 硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件 就构成了一个完整的微机系统 3 微型计算机系统 第三章微机控制系统及接口技术 按微处理机位数可将微型计算机分为位片 4位 8位 16位 32位和64位等机种 所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数 即可同时传送数据的总线宽度 4位机目前多做成单片机 即把微处理机 1 2KB的ROM 64 128KB的RAM I O接口做在一个芯片上 主要用于单机控制 仪器仪表 家用电器 游戏机等中 2 按微处理机位数分类 第三章微机控制系统及接口技术 8位机有单片和多片之分 主要用于控制和计算 16位机功能更强 性能更好 用于比较复杂的控制系统 可以使小型机微型化 32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品 人们把这些产品称为超级微机 它具有面向高级语言的系统结构 有支持高级调度 调试以及开发系统用的专用指令 大大提高了软件的生产效率 第三章微机控制系统及接口技术 按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机 对单片机来说 可分为通用型和专用型 通用型单片机 即通常所说的各种系列的单片机 它可把开发的资源 如ROM I O接口等 全部提供给用户 用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序 因此通用型单片机可作为系统或产品的微控制器 适用于各种应用领域 3 按用途分类 第三章微机控制系统及接口技术 专用单片机或称专用微控制器 是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机 为满足某一领域应用的特殊要求而开发的单片机 其内部系统结构或指令系统都是特殊设计 甚至内部已固化好程序 第三章微机控制系统及接口技术 3 2 3程序设计语言与微机软件 1 程序设计语言程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言 是人机对话的工具 目前使用的程序设计语言大致有三大类 即 机器语言 MachineLanguage 汇编语言 AssemblyLanguage 高级语言 HighLevelLanguage 第三章微机控制系统及接口技术 2 操作系统所谓操作系统 OS OperatingSystem 就是计算机系统的管理程序库 它是用于提高计算机利用率 方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件 操作系统可以看成是用户与计算机的接口 用户通过它而使用计算机 它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序 或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的一组服务程序集合 第三章微机控制系统及接口技术 3 程序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库 或软件包 目前 微型计算机积累的程序非常丰富 而且可以通用 而在机械控制领域 由于被控对象 产品 的特殊性较强 其程序库的形成较难 但是 随着微型计算机的普及与应用 其应用程序将不断丰富 也将会形成各式各样的程序库 第三章微机控制系统及接口技术 微机的应用领域及选用要点 微型计算机的基本特点是小型化 超小型化 具有一般计算机的信息处理 计测 控制和记忆功能 价格低廉 且可靠性高 耗电少 故用微机构成机电一体化系统 或产品 具有以下效果 小型化 应用LSI技术减少了元件数量 简化了装配 缩小了体积 多功能化 利用了微机以信息处理能力 控制能力为代表的智能 通用性增大 容易用软件更改和扩展设计 提高了可靠性 用LSI技术减少了元器件 焊点及接续点数量 增加了用软件进行检测的功能 提高了设计效率 将硬件标准化用软件适应产品规格的变化 能大大缩短产品开发周期 经济效果好 降低了零件费 装配成本 电源能耗 通过硬件标准化易于实现大量生产 进一步降低成本 产品 或系统 标准化 硬件易于标准化 提高了维修保养性能 产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则 易于运用故障自诊断功能 第三章微机控制系统及接口技术 1 应用领域微机的应用范围十分广泛 下面仅列举一些典型应用领域 1 工业控制和机电产品的机电一体化 2 交通与能源设备的机电一体化 3 家用电器的机电一体化 4 商用产品机电一体化 5 仪器 仪表机电一体化 6 办公自动化设备的机电一体化 7 信息处理自动化设备 8 导航与控制 第三章微机控制系统及接口技术 2 选用要点不同领域可选用不同品种 不同档次的微机 生产系统自动化 机床自动化 数控机床一般应用8位或16位微机系统 特别是控制系统与被控对象分离时 可使用单板机 多板机微机系统 像家用电器 商用产品 计算机一般装在产品内 故应采用单片机或微处理器 然而 这类产品处理速度不高 处理数据量不大 处理过程又不太复杂 故主要采用4位或8位微机 在要求很高的实时控制及复杂的过程控制 高速运算及大量数据处理等场合 如智能机器人 导航系统 信号处理系统应主要使用16位与32位微机 对一般的工业控制设备及机电产品 汽车机电一体化控制 智能仪表 计算机外设