第4章 微机控制系统的选择及接口设计

返回目录回看结束放映1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的抉择、硬件与软件的权衡第二节微机控制系统的设计思路第三节微机控制系统的构成与种类第四节微机控制系统的软件与程序设计语言第五节微机应用领域及其选用要点第六节8086/8088CPU的硬件结构特点第七节Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入／输出扩展接口第八节单片机的硬件结构特点及其最小应用系统第九节数字显示器及键盘的接口电路第十节微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计第十一节可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例习题与思考题返回目录回看结束放映2不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。第一节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡返回目录回看结束放映3专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，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。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。1.专用与通用的抉择返回目录回看结束放映42.硬件与软件的权衡无论是采用通用控制系统还是专用控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能，例如运算与判断处理等，却适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，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。在用分立元件组成硬件的情况下，就可以考虑是否采用软件，能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。返回目录回看结束放映5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首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有应采取哪些措施。第四是考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入／输出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。返回目录回看结束放映62．确定控制算法对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。返回目录回看结束放映7每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。例如，机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。在选择控制算法时，应注意控制算法对系统的性能指标有直接影响，因此，应考虑所选定的算法是否‘能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求,就是说，应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选择不同的控制算法。返回目录回看结束放映8当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。返回目录回看结束放映93．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I/O通道和实时时钟等要求。返回目录回看结束放映10（1）较完善的中断系统微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时紧急处理的能力。返回目录回看结束放映11（2）足够的存储容量由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器，如单板机通常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备2~8KB以上的只读存储器，监控程序及调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件固化。返回目录回看结束放映12（3）完备的输入／输出通道和实时时钟输入／输出通道是外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入／输出通道，有的要求有模拟量输入／输出通道，有的则同时要求有开关量输入／输出通道和模拟量输入／输出通道。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。返回目录回看结束放映13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，还应考虑几个特殊要求:1)字长微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。返回目录回看结束放映142）速度速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。返回目录回看结束放映153)指令一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能够满足控制要求。返回目录回看结束放映16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。单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行开发。单板机:价格较低、体积较小，但内存容量较小，接口电路少微型计算机系统:微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。但成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。返回目录回看结束放映174）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，其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。其中硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性标准进行权衡，可靠性问题主要是制定可靠性设计方案，采取可行的可靠性措施。返回目录回看结束放映18①接口设计接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入／输出端的输入／输出信号，选定各信号输入／输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。返回目录回看结束放映19②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。返回目录回看结束放映20开关量、数字量的输入／输出比较简单。开关量输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题。开关量输出要解决功率驱动问题等。开关量和数字量的输入／输出都要通过前面设计的接口电路。模拟量输入／输出通道比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样单元、采样保持器和放大器、A／D转换器等组成。模拟量输出通道主要由D／A转换器、放大器等组成。返回目录回看结束放映21③操作控制台设计微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计一个操作员控制台。返回目录回看结束放映225）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。返回目录回看结束放映23应用软件的设计方法有两种，即模块化程序结构化程序①程序模块化设计方法在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块程序设计法。返回目录回看结束放映24②程序结构化设计方法结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。返回目录回看结束放映25③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。硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。返回目录回看结束放映26第三节微型计算机的系统构成及种类1．微型计算机的系统构成人们常用“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。微处理机(Microprocessor)简称