第四章微机控制系统的选择及接口设计PPT课件VIP

第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节专用与通用 硬件与软件的抉择和权衡 专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品 对于多品种 中小批量生产的机电一体化产品 由于还在不断改进 结构还不十分稳定 特别是对现有设备进行改造时 采用通用控制系统比较合理 控制系统中硬件和软件的合理组成 通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定 第二节微机控制系统的设计思路 1 确定系统整体控制方案先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制其次考虑执行元件采用何种方式第三要考虑是否有特殊控制要求第四是考虑微机在整个控制系统中的作用最后应初步估算其成本 2 确定控制算法 建立该系统的数学模型 确定其控制算法 第二节微机控制系统的设计思路 3 选择微型计算机 对于给定的任务 选择微机的方案不是唯一的 从控制的角度出发 微机应能满足具有较完善的中断系统 足够的存储容量 完善的输入 输出通道和实时时钟等要求 第二节微机控制系统的设计思路 选择微型计算机除应满足上述几点要求外 从不同的被控制对象角度而言 还应考虑字长 速度 指令等几个特殊要求 选择微机时 还应考虑成本高低 程序编制难易以及扩充输入 输出接口是否方便等因素 从而确定是选用单片机 单板机 还是选用微型计算机系统 第二节微机控制系统的设计思路 4 系统总体设计 系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计 其主要依据是整体方案的框图 设计要求及所选用的微机类型 第二节微机控制系统的设计思路 1 接口设计 通常选用的微型计算机都已配备有相当数量的可编程序的输入输出通用接口电路 在进行接口设计时 首先要合理地使用这些接口 当通用接口不够时 应进行接口的扩展 扩展接口的方案较多 耍根据控制要求及能够得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定 通常有下述三种方法可供选用 第二节微机控制系统的设计思路 1 选用功能接口板2 选用通用接口电路3 用集成电路自行设计接口电路 第二节微机控制系统的设计思路 2 通道设计输入 输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件 每个控制系统都要有输入 输出通道 一个系统中可能要有开关量的输入 输出通道 数字量的输入 输出通道或模拟量的输入 输出通道 在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道 每个通道由几部分组成 各部分选用什么样元器件等 3 操作控制台设计 第二节微机控制系统的设计思路 5 软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类 即系统软件和应用软件 系统软件包括操作系统 诊断系统 开发系统和信息处理系统 通常这些软件一般不需要用户设计 对用户来说 基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了 而应用软件都要由用户自行编写 所以软件设计主要是应用软件设计 模块化程序设计法结构化程序设计法 第二节微机控制系统的设计思路 6 系统调试微机控制系统设计完成以后 要对整个系统进行调试 调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试 第二节微机控制系统的设计思路 第三节微型计机的系统构成及种类 1 微型计算机的系统构成 CPU MC与MCS的关系 微机的基本构成 第三节微型计机的系统构成及种类 2 微型计算机的种类 1 按组装形式分类 第三节微型计机的系统构成及种类 第三节微型计机的系统构成及种类 微型计算机系统 第三节微型计机的系统构成及种类 2 按微处理机位数分类 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 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 第三节微型计机的系统构成及种类 3 按用途分类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 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 第三节微型计机的系统构成及种类 第四节微机软件与程序设计语言 软件是比程序意义更广的一个概念 内含极其丰富 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 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 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 第五节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 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 第五节微机的应用领域及选用要点 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 计算机外设控制 磅秤自动化 交通与能源管理等 多采用8位机 换句话说 4位机常用于较简单 规模较小的系统 或产品 16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统 8位机则用于中等规模的系统 由于单片机的迅速发展 它的功能更强 性能更完善 逐渐满足各种应用领域的要求 应用范围不断扩大 不但用于简单小系统 而且不断被复杂大系统所采用 第五节微机的应用领域及选用要点 第十节可编程控制器 见可编程控制器专题 第十一节微机应用系统的输入 输出控制的可靠性设计 微机应用系统的输入 输出是通过硬件电路和软件共同完成的 对其硬件电路的要求是 能够可靠地传递控制信息 并能够输入有关运动机构的状态信息 能够进行相应的信息转换 以满足微机对输入 输出信息的转换要求 如D A A D转换 并行数字量转换成串行电脉冲 电平的转换与匹配 电量与非电量之间的转换 弱电与强电的转换以及功率的匹配等 应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力 以提高系统的可靠性 一 光电隔离电路设计 1 光电隔离电路 光电隔离电路的作用主要有以下几个方面 1 可将输入与输出端两部分电路的地线分开 各自使用一套电源供电 这样信息通过光电转换 单向传递 又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大 一般为1011 1013 寄生电容很小 一般为0 5 2pF 因此 干扰信号很难从输出端反馈到输入端 从而起到隔离作用 2 可以进行电平转换 如上图a所示电路 通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V 3 提高驱动能力 隔离驱动用光电耦合器件 如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件 不但具有隔离功能 而且还具有较强的驱动负载能力 微机输出信号通过这种光电耦合器件后 就能直接驱动负载 一 光电隔离电路设计 几种常用光电辐合器结构原理图 一 光电隔离电路设计 2 光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向 后向通道以