第四章微机控制系统选择与接口设计ch

1、第四章第四章微机控制系统的选择与接口设计微机控制系统的选择与接口设计 微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统：常用的微机控制系统： 专用微机控制系统专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。核心部件为单片机和单板机。 通用微机控制系统通用微机控制系统 核心部

2、件为可编程控制器和工核心部件为可编程控制器和工业计算机。业计算机。 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。的问题。（1）专用专用/ /通用微型计算机的选择通用微型计算机的选择 1）专用控制系统的构成与特点专用控制系统的构成与特点 构成：构成：具有机械、电子有机结合的紧凑结构，具有机械、电子有机结合的紧凑结构，由专用由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言。机器代码或语言。 特点：特点：可靠性强，成本低，但适应能力较差。可靠

3、性强，成本低，但适应能力较差。 应用：应用：用于大批量生产的机电一体化产品。用于大批量生产的机电一体化产品。 构成：构成：控制系统以通用微型计算机为核心，控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。用平台软件系统。 特点：特点：适应性强，但成本高，应采取一定的适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。抗干扰措施等特点。 应用：应用：适用于多品

4、种、中小批量生产的机电适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。一体化产品。 任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。是确定或选用微机控制系统研究内容之一。 主要依据主要依据经济性经济性、可靠性可靠性、适用性适用性等要求来等要求来决定。决定。 主要用通用分离元件组成的控制系统主要用通用分离元件组成的控制系统最好采用最好采用软件软件来实现对机电一体化产品的主要来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，不需焊接，易于调整，适控制功能，接口少

5、，不需焊接，易于调整，适应能力强，但成本较高。应能力强，但成本较高。 主要用专用集成元件组成的控制系统主要用专用集成元件组成的控制系统最最好选用好选用硬件硬件实现对机电一体化产品的主要控制功实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。 1 1微型计算机的系统构成微型计算机的系统构成 人们常用人们常用“微机微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，这个术语。该术语是三个概念的统称，即即微处理机微处理机(微处理器微处理器)、微型计算机微型计算机、微型计算机系统微型计算机系统的统的统称。称。 微处理机微处理机(Microprocessor

6、)简称简称CPU。它是一个大规模。它是一个大规模集成电路集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件器件，器件中有中有数据通道数据通道、多个、多个寄存器寄存器、控制逻辑控制逻辑和和运算逻辑部件运算逻辑部件，有，有的器件还含有的器件还含有时钟电路时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制，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，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，控制等的

7、中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。并非是完整的计算机。 微型计算机微型计算机(Microcomputer)简称简称MC。它是。它是以微处理机以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器、随机存取存储器(RAM)、输入输出接、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口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。算机。 上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度上述微处理机、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、系统总线接口的微将配有系统软件

8、、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为型计算机称为微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputer system)，简称，简称MCS。一般由一般由数据总线数据总线、地址总线地址总线和和控制总线控制总线相连；相连；主存储器主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路模集成电路(LSI)(LSI)，主要有，主要有RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)和和ROM(Read Only MemoryROM(Read Only Memory），通常），通常ROMROM存储固定程序和存储

9、固定程序和数据，而输入输出数据和作业领域的数据由数据，而输入输出数据和作业领域的数据由RAMRAM存储。存储。输入输出装置输入输出装置主要执行数据和程序的输入输出，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。操作面板或键盘也属于输入装置，执行元件的信息。操作面板或键盘也属于输入装置，如下图所示。如下图所示。 微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出输出信号控制功能主要由信号控制功能主要由硬件硬件和和软件软件设计来保证。设计来保证。 在在硬件设计硬件

10、设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括：控制系统设计的重要环节之一。主要包括： 1）能可靠地能可靠地传递传递各类控制信息，能够输入有关运动机构的各类控制信息，能够输入有关运动机构的状态信息。状态信息。 2）能够进行有效的信息能够进行有效的信息转换转换 满足微机对输入满足微机对输入/ /输出信息类型的转换要求。如：输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；并行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号转换；并行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱电转换。的转换与匹配；电

11、量与非电量的转换；强电与弱电转换。 3）具有具有阻断阻断干扰信号进入微机控制系统的能力干扰信号进入微机控制系统的能力 主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。一、一、光电隔离电路设计光电隔离电路设计1. 1. 光电隔离电路的基本工作原理与组成光电隔离电路的基本工作原理与组成光电隔离电路主要由光电耦合器（G）的光电转换元件组成。输入信号（来自微机）（去执行系统）输出信号去微机来自机械系统GGVc+5vVc+12vVc+5vR1R1R2R274LS04a)b) 1）可将输入可将输入/ /输出两部分的供电电源和电路的地线分离输出两部分的供电电源和电路的

12、地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），），寄生的电容很小（寄生的电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输出），因而干扰信号很难从输出端反馈到输入端。端反馈到输入端。 2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。级功率放大作用。例如图例如图4.39a，通过光电耦合器可以很方，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为便地把微机的输出信号变为12V。 3）提高对负载的驱动能力。提高对负载的驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，隔离驱动用光电耦合器件，如达林

13、顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但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。出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。普通型信号隔离用光电耦合器件普通型信号隔离用光电耦合器件高速型光电耦合器件高速型光电耦合器件达林顿管输出光电耦合器件达林顿管输出光电耦合器件晶闸管输出型光电耦合器件晶闸管输出型光电耦合器件光电耦合隔离电路在机电控制系统中的基本配置光电耦合隔离电路在机电控制系统中的基本配置其他I/O接口多通道地址选择光电耦合光

14、电耦合CPU后向接口光电耦合前向接口光电耦合A/DD/A或执行机构地址选择 将将被检测对象的各种被检测对象的各种物理变化量物理变化量转换成转换成电信号电信号的一种变换器的一种变换器。 被用于检测被用于检测机电一体化系统自身机电一体化系统自身和和作业对象作业对象、作业环境作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。动作提供信息。1）传感器的作用主要分为：）传感器的作用主要分为：内部信息传感器内部信息传感器和和外部信息传外部信息传感器感器。 内部信息传感器内部信息传感器 检测机电一体化系统内部状态。检测机电一体化系统内部状态。主要包括：检测位置、速度、

15、力主要包括：检测位置、速度、力/ /力矩、温度以及异常变化力矩、温度以及异常变化等的传感器。等的传感器。 外部信息传感器外部信息传感器 检测作业对象和外部环境状态。检测作业对象和外部环境状态。主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/ /湿度传感湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。温仪，激光测距机等。2 2）按输出信号的性质可分为：）按输出信号的性质可分为：开关型开关型、模拟型模拟型和数字型数字型传传感器（计数型和代码型）感器（计数型和代码型）。l开关型传感器

16、开关型传感器的输入物理量达到临界值以上，输出为“1”（ON），该值以下输出为“0”（OFF）。图4.59l模拟型传感器模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的，连续变化的电量。图4.60 模拟型传感器工作原理a)b)l计数型数字传感器计数型数字传感器，发出的脉冲数与输入量成正比。比如增量式光电编码盘；l代码型数字传感器代码型数字传感器，输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值。比如绝对值型光电编码盘。图4.61b)a)b)3 3）按传感器的用途分为）按传感器的用途分为：位移和位置、速度和加速度、力位移和位置、速度和加速度、力和力矩、温度、湿度传感器等和力矩、温度、湿度传感器

17、等。4 4）按传感器的基本工作原理分为：）按传感器的基本工作原理分为：电阻式、电容式、电感电阻式、电容式、电感式、电磁式、光电式式、电磁式、光电式。各种测量传感器的基本特性参数可参看教材。各种测量传感器的基本特性参数可参看教材。体积小、重量轻。体积小、重量轻。精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。安全可靠、寿命长。安全可靠、寿命长。便于与计算机对接。便于与计算机对接。不易受被检测对象和外部环境的影响，环境适应能力不易受被检测对象和外部环境的影响，环境适应能力强。强。现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。 例

18、子例子诺基亚5800XM电阻式触摸屏苹果iPhone电容式触摸屏返回返回 1 1）位移、位置传感器；）位移、位置传感器； 2 2）速度、加速度传感器；）速度、加速度传感器； 3 3）力、压力和扭矩传感器；）力、压力和扭矩传感器； 4 4）温度、湿度、气敏传感器；）温度、湿度、气敏传感器； 5 5）物位传感器；）物位传感器； 6 6）流量传感器；）流量传感器； 7 7）视觉、触觉传感器。）视觉、触觉传感器。 掌握好掌握好各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，是是正确选用传感器的重要依据之一。正确选用传感器的重要依据之一。 各类传感器的主要性能及优缺点，在

19、各类传感器的主要性能及优缺点，在机械工程测试技机械工程测试技术术等课程已进行了较全面的学习。等课程已进行了较全面的学习。l补充：补充：视觉传感器视觉传感器（图像传感器）（图像传感器） CMOS图像传感器图像传感器CCD图像传感器CMOS是指是指 Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体。互补金属氧化物半导体。CCD是指是指 Charge Coupled Device，电荷，电荷耦合器件。耦合器件。 速度快，集成度高，功耗低，速度快，集成度高，功耗低，但开口率低（有效感光面积但开口率低（有效感光面积小），分辨率低。小），分辨率低。开口率

20、远高于开口率远高于CMOS，但制造复杂，功耗高。但制造复杂，功耗高。人体胶囊式无线内窥微机电系统（华南理工大学，2007）（1）传感器的选用原则）传感器的选用原则 主要是依据主要是依据传感器的使用要求传感器的使用要求和和被控制对象的控被控制对象的控制精度要求制精度要求选择适用的传感器。选择适用的传感器。（2）传感器选用的注意事项）传感器选用的注意事项 在确保在确保主要性能参数和指标主要性能参数和指标的条件下，适当可放的条件下，适当可放宽次要的性能和指标要求，以便获得较高的性能价宽次要的性能和指标要求，以便获得较高的性能价格比。注意：不能盲目的追求传感器各种性能指标格比。注意：不能盲目的追求传感

21、器各种性能指标均高的传感器选择方法或原则。均高的传感器选择方法或原则。 1）平均技术）平均技术缩小检测误差缩小检测误差 包括包括误差平均效应误差平均效应和和数据平均处理数据平均处理。 误差平均效应误差平均效应：多个传感器同时测量，输出取总和；：多个传感器同时测量，输出取总和； 数据平均处理数据平均处理：相同条件下重复测量多次，然后取平：相同条件下重复测量多次，然后取平均。均。 2）差分技术）差分技术减少非线性误差减少非线性误差 3）稳定性处理）稳定性处理通过材料的时效处理，元件的筛选，通过材料的时效处理，元件的筛选，来提高传感器可靠性和寿命来提高传感器可靠性和寿命 4）屏蔽和隔离）屏蔽和隔离提

22、高抗外界干扰的能力提高抗外界干扰的能力两个概念：两个概念：标定：标定：传感器在出厂前均要进行标定，即在明传感器在出厂前均要进行标定，即在明确其输入输出关系的前提下，用国家标准计量确其输入输出关系的前提下，用国家标准计量仪器确定输出电量与输入非电量之间的关系。仪器确定输出电量与输入非电量之间的关系。校准：校准：用户在使用传感器前，或在使用过程中用户在使用传感器前，或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是测量精度，这个复测过程就是“校准校准

23、”。校准与标定的内容基本相同，其目的也基本相校准与标定的内容基本相同，其目的也基本相同。在使用前进行校准时，所使用的测量仪器同。在使用前进行校准时，所使用的测量仪器应至少比被校准传感器的精度应至少比被校准传感器的精度高一个等级高一个等级。 由于传感器检测到的原始信号比较微弱，需中间由于传感器检测到的原始信号比较微弱，需中间转换处理电路将信号放大成易于检测或处理的电压转换处理电路将信号放大成易于检测或处理的电压或电流信号，再经调制解调、或电流信号，再经调制解调、A/DA/D转换、转换、D/AD/A转换等转换等输出能满足计算机处理的要求和匹配的检测信号。输出能满足计算机处理的要求和匹配的检测信号。

24、 注意：传感器的检测处理电路通常与所选用的传注意：传感器的检测处理电路通常与所选用的传感器密切相关，一般由传感器生产厂家提供选择。感器密切相关，一般由传感器生产厂家提供选择。控制系统设计时，选择设计是非常重要的。控制系统设计时，选择设计是非常重要的。 主要包括主要包括检测测量电路检测测量电路和和信号放大转换电路信号放大转换电路两部两部分。分。 a. 模拟型测量电路模拟型测量电路调制、放大、解调、滤波、调制、放大、解调、滤波、A/D转转换处理。换处理。 电参量电参量：电阻、电容、电感；：电阻、电容、电感； 电量电量：电压、电流。：电压、电流。基本转换电路把电参量转换成电量。基本转换电路把电参量转

25、换成电量。 调制：调制：使得测量信号具有区别于其他杂散信号的特征，以使得测量信号具有区别于其他杂散信号的特征，以提高其抗干扰能力。提高其抗干扰能力。 解调：解调：与调整相反的过程，还原测量信号。与调整相反的过程，还原测量信号。 b. 数字型测量电路数字型测量电路光电转换、放大整形、检测量编光电转换、放大整形、检测量编码。码。 可以可以采用采用细分细分的方法提高传感器分辨率：使传感器的输出的方法提高传感器分辨率：使传感器的输出变化变化1/n个周期计一个数，个周期计一个数，n为细分数。为细分数。 c. 开关型测量电路开关型测量电路实质是实质是对开关信号进行功率放大。对开关信号进行功率放大。 传感器

26、信号放大转换电路主要包括：传感器信号放大转换电路主要包括： 电桥电路电桥电路测量阻抗、感抗、电容量等测量阻抗、感抗、电容量等电参量电参量的电量的电量（电压、电流等）转换。（电压、电流等）转换。 放大电路放大电路由运算放大器、晶体管等组成。将检测到由运算放大器、晶体管等组成。将检测到的微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率的微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率放大等）。采用放大等）。采用屏蔽屏蔽、滤波滤波、正确接地正确接地来提高放大信号的来提高放大信号的质量或品质。质量或品质。 调制与解调电路调制与解调电路对传感器输出的微弱、缓慢变化信对传感器输出的微弱、缓慢变化信号，由一

27、般直流放大和信号传输电路，将产生零点漂移等号，由一般直流放大和信号传输电路，将产生零点漂移等干扰信号。采用调制的方法先把直流变成某种频率的交流干扰信号。采用调制的方法先把直流变成某种频率的交流信号，再经放大器放大，最后解调将交流信号还原成直流信号，再经放大器放大，最后解调将交流信号还原成直流信号。信号。 A/DA/D、D/AD/A转换电路转换电路实现检测输入、计算机处理、输实现检测输入、计算机处理、输出执行信号之间的匹配转换。出执行信号之间的匹配转换。 微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出的信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算的信号有模拟、数字、

28、开关型信号，为了与计算机匹配，需要相应的接口电路。机匹配，需要相应的接口电路。 模拟量接口电路、数字量接口电路、开关量接模拟量接口电路、数字量接口电路、开关量接口电路口电路。 模拟量接口电路模拟量接口电路有采样保持电路；有采样保持电路； 数字量、开关量接口电路数字量、开关量接口电路有三态（低电平，高有三态（低电平，高电平，高阻态）缓冲器。电平，高阻态）缓冲器。1)1)输入放大器输入放大器l根据被分析的信号幅值大小，对于超过限额的电压幅根据被分析的信号幅值大小，对于超过限额的电压幅值，可以采用值，可以采用衰减器衰减器加以衰减，对于太小的幅值，则加以衰减，对于太小的幅值，则采用采用输入放大器输入放

29、大器加以放大。加以放大。l输入放大器上往往设有输入放大器上往往设有DCDC和和ACAC选择挡。有时分析的信选择挡。有时分析的信号是交变信号与直流分量的叠加，但若感兴趣的只是号是交变信号与直流分量的叠加，但若感兴趣的只是交变信号，这时就交变信号，这时就可用可用ACAC挡来消除直流分量挡来消除直流分量，ACAC挡成挡成为隔直电路。为隔直电路。2)2)抗频混滤波器抗频混滤波器l为了避免产生频率混淆，一般使信号在进入为了避免产生频率混淆，一般使信号在进入A/DA/D（模数（模数转换）之前，先通过一个模拟式低通滤波器，滤除信转换）之前，先通过一个模拟式低通滤波器，滤除信号中不必考虑的高频成分。这种用途的

30、滤波器称为号中不必考虑的高频成分。这种用途的滤波器称为抗抗频混滤波器频混滤波器。3)3)采样保持电路采样保持电路l这个电路在这个电路在A/DA/D转换器之前，是为转换器之前，是为A/DA/D进行转换期间，进行转换期间，保持输入信号不变而设置的。保持输入信号不变而设置的。 通常用于模拟输入信号通常用于模拟输入信号变化率较大的信号。变化率较大的信号。l要求采样时，要求采样时，存储电容存储电容尽快充电，以跟随参量变化。尽快充电，以跟随参量变化。保持时，存储电容漏电流必须接近于零，以便使输出保持时，存储电容漏电流必须接近于零，以便使输出值保持不变。值保持不变。4)4)模拟多路开关模拟多路开关l分别或依次把各传感器输出的模拟量与分别或依次把各传感器输出的模拟量