第四章 机电传动控制

第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计第四章机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计4.1微机控制系统4.28086/8088微机的硬件结构特点4.3Z80CPU的结构特点及存储器、输入/输出扩展接口4.4单片机的结构特点及其最小应用系统4.5数字显示器及键盘的接口电路4.6可编程逻辑控制器（PLC）的构成及应用举例4.7微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计4.8常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计概述微机控制系统控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。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。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。4.1微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡1）专用与通用的抉择第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计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。2）硬件与软件的权衡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。采用硬件：价廉、可靠性高、处理速度快。采用软件：不需要焊接、易于修改。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计4.2微机控制系统的设计思路1.确定系统整体控制方案了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。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，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，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。最后应初步估算其成本。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计2.确定控制算法首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。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。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；第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计3.选择微型计算机要求：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。1）较完善的中断系统即有实时控制系统：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。2）足够的存储容量当内存容量不足以存放程序时，应配备外存储器。如单板机通常配有盒式磁带机，用于存储程序和数据。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计3）完备的输入/输出通道和实时时钟开关量输入/输出通道；模拟量输入/输出通道；还有几个特殊要求：字长、速度、指令、成本高低等。4.系统总体设计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。（1）接口设计当通用接口不能满足要求时，需扩展接口：选用功能接口板；选用通用接口电路；用集成电路自行设计接口电路。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计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。（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。（3）操作控制台设计微型计算机控制系统必须有一个现场操作人员使用的控制台便于人机联系。控制台设计时必须明确转换开关、按钮、键盘、指示灯等的作用和意义。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计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。应用软件的设计必须具有实时性、针对性、灵活性和通用性。6.系统调试调试步骤为硬件调试→软件调试→系统调试。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计4.3微型计算机的系统构成及种类1.微型计算机的系统构成“微机”，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CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计微型计算机(Microcomputer)简称MC。它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、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算机。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputersystem)，简称MCS。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计CPU、MC与MCS的关系第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计微型计算机的硬件构成主要由数据总线、地址总线、控制总线相连接。微机的基本硬件构成存储固定程序和数据存储输入/输出数据和作业领域数据执行数据和程序的输入和输出第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计2.微型计算机的种类微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的用途范围来分类。（1）按组装形式分类按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。1）单片机在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入／输出端口电路，该芯片就称为单片微型计算机(SCM-SingleChipMicrocomputer)简称单片机。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计特点：集成度高、功能强、通用性好；体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便。单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入／输出(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又称为微控制器(Microcontroller)。目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计2）单板机将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的ROM和RAM、输入／输出端口(I/O电路)以及一些辅助电路分别做成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计3）微型计算机系统根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个完整的微机系统。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计（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。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。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。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计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。（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。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计4.4微机软件与程序设计语言（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。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计（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)。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计4.68086/8088微机的硬件结构特点在PC系列微机中，应用较广泛的是Intel公司的86系列。而8086/8088是Intel系列的16位/准16位微机是86系列微机（包括Pentium和PentiumPro高性能奔腾）发展的基础。8086与8088的内部结构类似，都由算术逻辑单元ALU、累加器、专用和通用寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时器控制电路等组成。4.6.18086/8088CPU的主要结构特点1）8086/8088的内部体系结构。其内部的运算器、寄存器第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计及内部数据总线都为16位；其外部数据总线则不同：8086为16位、8088为8位。因此，8086可以一次从存储器中读一个字，而8088一次只能从存储器中读一个字节。（2）指令系统功能强。8086有100多条指令，能完成数据传送、算术运算(包括乘法除法)、循环移位、字符串操作、控制传送和处理器管理等工作。算术运算可以按字或字节带符号或无符号、二进制或十进制的方式进行运算。（3）多种寻址方式适用于高级语言中的数组和记录等数据结构。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计（4）20位地址线。寻址范围可达1048576字节(即1MB字节)的存储空间。（5）16位I/O端口地址线。可寻址64K端口地址。（6）中断功能强。可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达256个。（7）具有管理DMA操作和多处理器工作的能力。4.6.28086/8088CPU的最大与最小工作模式8086/8088CPU的这两种模式由CPU内部的硬件结构决定。当CPU的引脚MN/MX接到+5V时，8086/8088工作于最小模式。MN/MX接地，8086/8088则工作于最大模式。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计所谓最小工作模式是指单处理器系统，即系统中只有8086或8088一个微处理器。在这种系统中，8086/8088提供所有的总线控制信号，因此，系统中的总线控制逻辑电路被减到最小。这些特征就是最小工作模式名称的由来。最大工作模式是相对于最小模式而言的。其特征是系统中可以包括两个或多个微处理器，即允许多个处理器一起工作，系统的控制信号由总线控制器提供。在8086／8088最大工作模式系统中，主处理器为8086／8088，其他处理器称为协处理器，与8086／8088配合的协处理器有两个，一个是数值协处理器8087，一个是输入输出协处理器8089。第4章微机控制系统的选择及接口设计机电一体化系统设计8087是一种专用于数值运算的处理器，能实现多种类型的数值操作，比如高精度的整数和浮点运算，也可以进行超越函数(如三角函数、对数函数)的计算。通常情况下，由于这些运算是用软件方法来完成的，占用CPU很多运行时间，而8087是用硬件方法实现这些运算的，所以