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计算机控制技术与网络 南大电子科学与工程系张保平课程主要内容1 计算机控制系统2 多机通信与网络 参考教材 1 微型计算机控制技术 于海生等编清华大学出版社2 单片机原理及接口技术 李朝青北京航空航天大学出版社3 计算机网路 刘衍洐等编科学出版社 概述 计算机控制系统广泛用于工业生产和科学研究中 一般称为工控机系统 也称为工业计算机测控系统 目前大体上有4种基本类型 1 智能调节器 单 多回路调节器 2 工控机 工业PC IPC 微机 单片机 3 可编程控制器 PLC 4 集散型控制系统 DCS 工业控制微机IPC应用最为广泛从国内外的计算机测控系统应用来看 在不同的发展阶段 曾经流行过不同种类的工控机 如在上世纪80 90年代 流行的STD 680X CAMAC和VME等 2000年 由IPC构成的计算机测控系统 市场份额超过80亿美元 与PC兼容 受益与PC丰富的软硬件和人才资源 计算机控制系统IPC相关技术硬件部分 总线规范如ISA EISA PCI接口技术如RS 232 485 422 USB 现场总线信号形式如开关量 数字量 模拟量 频率系统设计硬件模块设计传感器 I O技术抗干扰技术可靠性技术 计算机控制系统IPC相关技术软件部分 测量算法控制规律控制算法工控机软件结构人机界面组态软件设计平台通信协议软件可靠性方法 多机通信与网络多机通信与网络 多机通信的基础知识与基本概念共享存储区通信技术PIO通信法SIO通信法OEM通信技术普通局网与工业控制局网集散控制系统通信技术 第一章计算机控制系统概论 1 1计算机控制系统的基本原理和特点1 1 1基本原理实现过程控制的三个主要步骤实时数据采集实时控制决策实时控制输出 1 1 2控制系统的主要特点 1 可靠性高和可维护性好2 环境适应性强3 控制的实时性4 完善的输入输出通道5 丰富的软件资源6 适当的计算精度和运算速度 1 2 控制系统的组成原理 控制器 D A A D 执行机构 被控对象 测量变送 给定量r e 被控量y 工控机 生产过程 1 2控制系统的组成框图 人 机接口 模拟量输入 AI 通道 磁盘适配器 系统支持板 模拟量输出 AO 通道 数字量输入 DI 通道 数字量输出 DO 通道 测量变送 执行机构 电气开关 电气开关 CPU MEM 内部总线 被控对象 工控系统 生产过程 数字量输入通道 1 通道结构 输入缓冲器 输入调理电路 地址译码器 来自生产过程 PC总线 输入调理电路 1 小功率调理电路2 大功率调理电路 5V K C R1 R2 1 3 控制系统工作方式 1 周期性 2 在线和离线方式 3 实时的概念在线系统不一定是一个实时系统 但一个实时系统必定是在线系统 1 4控制系统分类 工业控制系统的五种基本类型 1 数据采集系统DAS2 直接数字控制系统DDC3 计算机监督控制系统SCC4 分级控制系统GCS5 分布式控制系统DCS6 现场总线控制系统FCS 1 DASDataAcquisitionSystem 报表 显示 报警 计算机 A D 测量 测量 监测对象 人工控制或控制装置 2 DDCDirectDigitalControl 打印机 CRT 操作台 控制计算机 A D 测量 执行器 控制对象 DI DO D A 报警 3 SCCSupervisoryComputerControl 生产过程 模拟调节器 SSC计算机 记录显示打印 工艺数据 设定值 调节测量 1 SCC 模拟调节器 3 SCC 生产过程 DDC计算机 SSC计算机 记录显示打印 工艺数据 设定值 调节测量 2 SCC DDC系统 4 GCSGradeControlSystem 企业级经营管理计算机 工厂级监控计算机 控制计算机 DDC 输入 Internet 控制对象 输出 测量 控制计算机 DDC 输入 输出 测量 5 DCSDistributedControlSystem 分布式 集散 控制系统 实际上是网络控制系统 DCS的3种常见网络结构类型星型 环型 总线型 操作站 控制站 控制站 控制站 控制站 控制站 控制站 控制站 控制站 控制站 操作站 控制站 控制站 控制站 控制站 星型 环型 总线型 6 现场总线控制系统FCS 控制对象 CAN总线 控制对象 控制对象 控制对象 控制计算机 传感器 1 5计算机控制系统的发展概况 上世纪50年代中期 美国RW 300 控制某化工反应器 成为世界上第一台计算机控制系统1 开创期上世纪55 62年 过程控制 导致中断技术的发明2 DDC时期62 67年 模控到数控3 小型计算机67 72年 SCC4 微机时期72 至今 IPC DCS PLC5 现场总线FCS 始于90年代 德国的PROFIBUS标准 BOSCH公司的CAN总线标准 计算机控制理论的发展过程 1 采样定理奈奎斯特定理指出 时间连续信号转换成离散信号时 需要在一个周期内的采样次数多于2次 如果采样次数不够 将无法恢复丢失的信息奈奎斯特和香农 Shannon 1948取样函数 Sin t t Sa t 取样函数 2 差分方程 代替微分方程 3 Z变换Z f kT 4 状态空间理论5 最优控制与随机控制6 代数系统理论7 系统辨识与自适应控制 k 0 Z kf kT 计算机控制系统的发展趋势 1 推广应用成熟的先进技术PLC 智能调节器 位总线Bitbus 现场总线Fieldbus 以及新型的DCS2 研发智能控制系统分级递阶智能控制系统 模糊控制系统专家控制系统 学习控制系统 神经网络控制系统 学习控制系统 神经网络控制系统 思考题1 1 工控机系统有那些环节组成 2 IPC工控机有什么特点 它和普通PC机有何异同点 3 传感器和变送器有什么区别 第2章接口技术与总线规范 2 1串行通信接口规范2 1 1串行通信控制器作用 串行通信控制器的作用是实现通信的链路协议或格式方式 同步方式USART8250 8251 SIO 异步方式UART8051 同步方式帧格式 面向字符 SYNCSYNC报文头报文 CRC 异步方式帧格式 面向字符 1 0 1 0 2 1 2RS 232C接口规范 EIA标准 接口引脚定义 电气规范 信号类型单端双极性传输距离和抗干扰能力差 电平漂移2 1 3RS 422 423信号类型双端差分驱动点对点 232C 422 423电路原理图 TTL RS 232C TTL TTL TTL RS 422 TTL RS 423 TTL 2 1 4RS 485多点通信链路 主站 VCC 1 从站 N 从站 VCC DATA DATA 2 1 5其它串行设备总线 I2C总线 Inter IntegratedCircuit 2线CAN总线 ControllerareaNetwork 2线SPI总线 SerialPeripheralInterface 3线单总线 1 Wire I2C总线 Inter IntegratedCircuit 总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围设备 I2C总线产生于1980年代 最初为音频和视频设备开发 I2C总线 I2C I2C总线以两线方式进行多机互连采用 线与 方式 漏极开路或集电极开路串行数据线SDA串行时钟线SCL通信协议复杂主要内容 1 主从方式 一次通信总是由主机发起2 数据传输的起停约定3 寻址与仲裁 多主机互连 总线控制权的申请 典型的I2C总线多机结构 单片机A 单片机B A DD A 存储器 LCD驱动器 I2BUS I2C总线数据传输过程 SDA 应答 SCL 结束 开始信号 地址 R W ACK 数据 ACK 数据 1 789 1 789 1 789 ACK CAN总线ControllerAreaNetwork ISO IS11898国际标准广泛用于车载电子 医疗仪器 安全监控等高速低成本的多路网络中方便构成多主机分布式网络系统物理层并没有严格定义 只要是互补电平 差动输入和输出 与485相似传输速率1Mbps 40m IC芯片PCA82C250 单总线 1 Wire 电源与信号共用总线窃电技术 主机 无源设备传感器 思考题2 1 简要说明RS 232 RS 422和RS 485接口标准的特点 主要电气规范 传送距离 波特率 2 CAN总线的主要特点是什么 3 嵌入式系统中有那些外设总线 第三章控制算法与控制规律 3 1控制系统的性能及其指标3 1 1控制系统的稳定性控制系统在给定输入或外界扰动作用下 过度过程可能有以下4种情况 A发散振荡B衰减振荡C等幅震荡D非周期衰减 过度过程曲线 A发散振荡 B衰减振荡 C等幅振荡 D非周期衰减 t y t y t y t y t t t t 3 1 2控制系统动态指标 y0 y tp ts ess y t ym B2 B1 t 0 超调量ts调节时间 相对误差tp峰值时间 衰减比N振荡次数ess稳态误差 时域指标 超调量 调节时间ts相对误差峰值时间tp衰减比 振荡次数N稳态误差ess 超调量 y ym y 100 调节时间ts 相对误差 0 02 或0 05 y y 峰值时间tp反映了系统对输入信号反应的快速性 衰减比 B1 B2 振荡次数N反映了控制系统的阻尼特性 定义为进入稳态前 穿越的稳态值的次数的一半 图中为N 1 5 y t y 稳态误差ess ess y0 y 3 1测量算法 3 1 1数字滤波主要用于克服随机误差 具有高精度 高可靠性 高稳定性的特点 一般不受频率限制 低频段和高频段都可以 特别适合于低频段 与模拟滤波器相比 优点十分明显 1 软件实现 无须硬件上的各种匹配问题2 多通道信号输入 可以共用一个数字滤波器 降低成本 3 滤波特性可以通过改变程序或参数来实现 非常方便 常用滤波方法包括一阶惯性滤波 限幅滤波 中值滤波 算术平均滤波 滑动平均滤波 加权滑动平均滤波 复合滤波和卡尔曼滤波等 1 一阶惯性滤波适合低频Yn aXn bYn 1 X输入 Y输出2 限幅滤波 Yn Yn 当 Yn Yn 1 Yn 1 当 Yn Yn 1 3 中值滤波和算术平均值滤波 Y X1 X2 XN X X X 为 X1 XN 的中间值 Y 1 N Xi i 1 N 中值滤波 算术平均值滤波 4 滑动平均滤波和加权滑动平均滤波 Y 1 N CiXn i i 0 N 加权系数法设 设为控制对象的纯滞后时间 则有 1 e e 2 e n 1 C0 1 C1 e CN 1 e n 1 校正算法 零点校正 量程校正 非线性校正等 3 2控制算法微分方程 u t KPe t 1 TI e t dt de t dt TD 0 t PID算法 应用最为广泛 最成熟 模拟PID控制算法数字PID控制算法 3 2PID控制算法 1 位置型数字PID算法 2 增量型数字PID算法 3 速度型数字PID算法不完全微分 a 理想微分b数字完全微分c模拟不完全微分d数字不完全微分 纯微分PID控制算法 纯微分PID算法为完全微分PID控制算法 微分作用在一个周期内完全释放 纯微分PID控制器的传递函数 GC S KP 1 1 TIS TDS 纯微分PID方块图 KP KP TIS KPTDS U t e t 思考题3 1 计算机控制系统常常采用那些滤波算法 每种算法适用于何种场合 2 工程中为什么要采用不完全微分PID控制算法 第四章多机通信技术 4 1概述4 2多机共享存储区通信技术4 3多机PIO通信技术4 4标准总线多机通信技术4 5多机SIO通信技术 4 2多机共享存储区通信技术 4种基本物理结构形式 1 总线共享存储区结构 M1 M2 M3 BC I O I O P1 P2 P3 2 矩阵开关式共享存储器 M1 M2 M3 矩阵开关KC I O1 I O2 P1 P2 P3 I O3 M1 M2 Mn P1 P2 Pn I O1 I O2 I On 3 多端口共用存储器 本质型和非本质型多端口存储器 本质型多端口电路复杂 有两个以上独立访问的通道 当发生对同一存储单元 读 和 写 时 内部检测电路采取 先写后读 逻辑 如果是两个 写 采取 先后排队 以免发生冲突 IDT7132本质型双端口存储器 CELR WL BUSYLA0 A9LI O0 I O9L CERR WR BUSYRA0 A9RI O0 I O9R 非本质型多端口 存储器 多端口 端口选择控制器 P1 P2 P3 4 总线窗口共享存储器 公用及专用存储器 PA PB 公用及专用存储器 总线窗口 地址变换 3种基本逻辑结构形式 虚拟结构信箱结构通信池结构 虚拟结构 自用与共享结合 主存与辅存的结合问题 程序中使用虚地址 经地址变换器变换并映射到实地址 有两种常用方法 1 硬件总线窗口2 智能总线窗口 信箱结构 逻辑功能单一 自用与共享分开 提供一个较小的共享区作通信使用 仿效邮政信箱格式 建立分格式逻辑结构 PC2 PC1信件 PC3 PC1信件 PCN PC1信件 PC1 PCN信件 PC2 PCN信件 PCN 1 PCN信件 PC1信箱N 1个分格 PCN信箱N 1个分格 共享存储区 信箱结构 通信池结构 自用与共享分开 共享区不再分格 存储容量小 结构简单 根据各机使用要求 临时分配使用权 因此 使用权的分配及管理 比较复杂 4 3多机系统PIO通信法 4 3 1主从式一台主机 若干台从机控制方式中断 查询单I O接口PIO信道双I O接口PIO信道 单I O接口PIO信道 主机 I O I O I O 从机 从机 从机 从机作为外围设备看待 双I O接口PIO信道 主机 I O I O I O 从机 从机 从机 I O I O I O PIO信道 4 3 2双机PIO通信 通信协议异步传输数据字节间无启停包装 通过握手联络信号实现传输控制 流量控制 应答式停 等流控制技术 与 滑动窗口流控制技术 主从方式一次通信总是由主机发起 网络寻址因没有地址线 要根据网络拓扑结构具体解决 比较复杂 差错控制比较紧偶合系统 误码率低 一般无须差错控制总线驱动距离较远时 数据和握手线都要有总线驱动 高层协议进程之间的连接 靠高层对话层协议实现 发送方发送 唤醒字节 把接收方的接收程序唤醒 实现双方进程的同步 4 3 3星形结构的多机PIO系统 主从结构只有主机是共享资源 存取控制方式点名式轮询法顺序查询请求选择法中断 星型多机系统结构 主机 I O I O I O 从机 从机 从机 I O I O I O PIO信道 硬件组成举例 intel8086 RD WR AD0 AD7 8255A 8255A 8255A 8051单片机 A DD A 生产过程 8051单片机 A DD A 8051单片机 A DD A 通信协议 非标准 自定义 标志8 类型3 最后包1 变量序号3 大小1 正文长度8 包序号8 正文N 校验8 bit 4 3 4链式和环行结构多机PIO系统 PIO MCU PIO PIO MCU PIO PIO MCU PIO 环行结构三机容错系统的PIO通信 三台主机每台机有两个双向PIO口A口为数据帧 B口为命令帧输出采用3选2判决电路 通信1通信2主机1 CPUS 100总线接口 S 100总线 存储器M 开关量接口 模拟量接口 通信1通信2主机2 CPUS 100总线接口 S 100总线 存储器M 开关量接口 模拟量接口 通信1通信2主机3 CPUS 100总线接口 S 100总线 存储器M 开关量接口 模拟量接口 执行机构 4 4标准总线多机通信 OEM OEM OriginalEquipmentManufacturer原设备生产商 支持多机系统 1 STD标准总线IEEE 9618位机56线 16位机64线 数据总线 地址总线 逻辑电源 辅助电源 控制线 2 S 100总线3 Multibus多总线IEEE 796信息传输协议线 总线仲裁线等共86线 Multibus总线定义 86线分为6类 地址线 数据线 信息传送协议线 总线仲裁线 中断控制线 共用线 1 地址线 22线 ADR0 ADR19 INH1 INH2为地址禁止线 用来禁止同一模块中的ROM或RAM 避免地址的重叠引起的冲突 2 数据线 17根 DAT0 DAT15 BHEN线 用来选择是字节传送还是字传送 3 信息传送协议线 5根 MRDC 存储器读命令线 MWTC 存储器写命令线 IORC I O读命令线 IOWC I O写命令线 XACK 应答信号线 主 从模板 4 中断控制线 9根 INT0 INT7 8跟中断请求线 0最高 INTA中断响应线5 总线仲裁线 6根 为支持多机系统而设置 BCLK总线时钟 与CPU并不同步 BPRN总线优先级输入线 BPRO总线优先级输出线 BUSY总线忙 BREQ总线请求 CBRQ公共请求 6 共用线 27根 地线8 电源14 保留3 及以下2根INIT初始启动CCLK固定时钟 Multibus多机系统的通信机制 Multibus多机系统中采用了4种通信方法 1 总线共享存储器通信法2 双端口共享存储器通信法3 双微机PIO通信法4 双微机SIO通信法 4 4SIO通信法 1 总线标准RS 232C 442 449 4852 常用串行接口芯片MC 6850 Intel8251 MCS 513 51系列单片机UART 通用异步收发器内部结构控制器SCON 数据缓冲器SBUF波特率发生器T1控制方式中断或查询 51UART 内部结构 Acc SCON SBUF S R SBUF T1 S R TXD RXD 51SCON SBUF寄存器 SCON串口控制器SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISBUF数据缓冲器 波特率计算 工作方式 波特率方式0 扩展并口fB0 fosc 12方式1 8位数据 T1为方式2 fB1 2SMODfosc 12 32 28 TH1 方式2 9位数据fB2 2SMODfosc 64方式3 9位数据fB3 fB1 8051串行通信编程举例 发送程序试编写51单片机UART发送子程序 查询方式 发送数据在内存30H 5FH中 已知系统时钟fosc 11 059MHz 采用奇校验发送 UART工作模式为3 9位 波特率为9600bps SMOD 0 TPRG MOVSCON 11000000b UART为方式3MOVTMOD 00100000b T1为方式2MOVTL1 XL 波特率为9600bps XL 0fdHMOVTH1 XH XL XH SETBTR1 启动T1工作 MOVR0 30H 发送数据首地址NEXT MOVA R0 取一个数据 MOVC P 奇校验CPLC MOVTB8 C 装入校验位 MOVSBUF A 发送 JNBTI 等待字节发送结束 CLRTI 清除发送中断标志 INTR0 下一个数据 CJNER0 60H NEXT 是否全部发完RET 返回主程 异步通信协议 双机通信采用的简单协议命令帧 应答帧 Y N 多机通信请求帧 应答帧 Y N 信息帧 开始字头 1 开始字头 2 命令字 长度高位 长度低位 备用字 数据块0 64K 校验字符 多机网络形式 双机通信点 点多机通信主从式星型主从式总线型主机控制方法点名式轮询请求选择 思考题4 试编写51单片机UART接收子程序 中断方式 接收数据为ASCII码字符 存放在地址为30H开始的内存中 CR为结束字符 采用奇校验接收 如校验出错 停止接收 转出错处理 标号为ERR 已知系统时钟fosc 11 059MHz UART工作模式为3 9位 波特率为9600bps SMOD 0 第五章普通局域网与工控局域网 5 1概述计算机网络1 相互通信2 资源共享通信子网与资源子网WAN MAN LAN端点与结点 通信子网与资源子网 主计算计 主计算计 主计算计 终端 终端 A B C D E F 通信子网 资源子网 通信子网拓扑结构 4种基本形态星形总线形环形网络形 星形 总线形 环形 网络形 复合结构 总线逻辑环 树形 计算机网络体系 计算机网络是一个庞大的系统 功能和结构都十分复杂