计算机控制技术与网络2010.ppt

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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(Shann

8、on),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Zf(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

9、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-4

10、22,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(InterIntegratedCircuit)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,

11、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,1789,1789,1789,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

12、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

13、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

14、,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,

15、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,X2XN,X*;,X*,X*为,X1XN,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

16、,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

17、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

18、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/BUSYLA0A9LI/O0I/O9L,/CERR/WR/BUSYRA0A9RI/O0I/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

19、,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.,PC2PC1信件,PC3PC1信件,PCNPC1信件,PC1PCN信件,PC2PCN信件,PCN-1PCN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

20、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

21、.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,AD0AD7,8255A,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,M

22、CU,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),OEMOriginalEquipmentManufacturer原设备生产商(支持多机系统)1.STD标准总线IE

23、EE-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，ADR0ADR19，/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)DAT0DAT15,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/I

24、ORC,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

25、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

26、=2SMODfosc/12/32/(28TH1)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T

27、1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

28、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