第4章 微机控制系统的选择与接口设计X64

机械电子学第四章微机控制系统的选择与接口设计机械设计制造及其自动化专业课程•第1节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡;第2节微机控制系统的设计思路•第3节微机控制系统的构成与种类•第4节微控系统的软件与程序设计语言•第5节微机应用领域及其选用要点•第10节微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计•第12节常用检测传感器及其接口（★）•第9节数字显示器及键盘的接口电路（★）结构3•1.专用与通用的抉择•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，采用通用控制系统比较合理。•2.硬件与软件的权衡•根据经济性和可靠性的标准权衡决定。4.1系统的抉择与权衡4•1．确定系统整体控制方案•2．确定控制算法---建模，方法•3．选择微型计算机•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•4．系统总体设计•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•5.软件设计4.2微机控制系统的设计思路5•1．微型计算机的系统构成•“微机”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，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，并非是完整的计算机。4.3微型计算机系统构成及种类6•1．微型计算机的系统构成•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。•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。4.3微型计算机系统构成及种类7CPU、MC与MCS的关系8•三大总线微型计算机的基本硬件构成9•2．微型计算机的种类•(1)按组装形式分类•单片机•单板机•微机系统•(2)按微处理机位数分类•位片、4位、8位、16位、32位和64位•(3)按用途分类•控制用；数据处理用•通用型单片机；专用单片机或称专用微控制器4.3微型计算机系统构成及种类10单片机11•结构•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。微型计算机系统12微型计算机系统13微型计算机系统打印机显示终端磁盘驱动器软件微型计算机实时时钟操作台接口接口接口接口D\AA\D多路开关反多路开关开关量输入开关量输出执行机构生产对象通用外部设备主机及操作台外部通道接口检测及变送控制对象传感器变送器14•软件的分类•系统软件、支撑软件、应用软件•操作系统、编程语言、程序集•操作系统•计算机系统的管理程序库。•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。•是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。4.4微机软件与程序设计语言15•软件的分类•系统软件、支撑软件、应用软件•操作系统、编程语言、程序集•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。常使用的大致有三大类：•“机器语言”(MachineLanguage)•“汇编语言”(AssemblyLanguage)•“高级语言”(HighLevelLanguage)。4.4微机软件与程序设计语言16•软件的分类•系统软件、支撑软件、应用软件•操作系统、编程语言、程序集•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)。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。4.4微机软件与程序设计语言17•微型计算机的基本特点：•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•使机电一体化产品具有以下效果：•①小型化；②多功能化；③通用性增大；④提高了可靠性；⑤提高了设计效率；⑥经济效应好；⑦产品(或系统)标准化；⑧提高了维修保养性能。4.5微机的应用领域及选用要点18•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。4.5微机的应用领域及选用要点19•选用要点•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。•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。4.5微机的应用领域及选用要点20•选用要点•总的来说：•4位机常用于较简单、规模较小的系统；•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。4.5微机的应用领域及选用要点21•选用要点•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。4.5微机的应用领域及选用要点22•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，主要包括：•1)可靠地传递各类控制信息•2)能够进行有效的信息转换•满足微机对输入/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；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。•3)阻断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。4.10系统的I/O控制可靠性设计23•1.光电隔离电路•目的•为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作；•方法•首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。•结构•光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示：一、光电隔离电路设计24•1.光电隔离电路•结构一、光电隔离电路设计25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.光电隔离电路•特点•光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换(功率放大)和电平极性转换(+/-)。一、光电隔离电路设计26光电隔离时域检测电路时域响应特性•2、光电耦合隔离电路的应用作用•光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置一、光电隔离电路设计27其他I/O接口多通道地址选择光电耦合光电耦合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•1、弱电/强电转换电路二、信息转换电路设计28G功放电路JKMAC电动机G功放电路JAC电动机G功放电路JG功放电路YADT来自微机开关量•2、数字/脉冲信号转换----并行转换为串行二、信息转换电路设计29A相功放电路B相功放电路C相功放电路光电隔离电路I/O接口微机步进电机•3、数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换•4、电量非电量转换—电磁阀、电液伺服阀二、信息转换电路设计30功放电路速度控制直流伺服电动机速度反馈位置反馈微机D/AA/D•1检测传感器的分类与基本要求•(1)传感器•将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器。•(2)传感器的作用•用于检测机电一体化系统自身和作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。4.12常用检测传感器及接口31•1检测传感器的分类与基本要求•(3)传感器的分类4.12常用检测传感器及接口32非电量型电量二值型模拟型数字型有接点型（微动开关、接触开关、行程开关）无接点型（光电开关、接近开关）电阻型（电位器、电阻应变片）电压、电流型（热电偶）电感、电容型（可变电容）计数型（二值型+计数器）代码型（旋转编码器）传感器•1检测传感器的分类与基本要求•(3)传感器的分类•1)传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传感器。•内部信息传感器：检测机电一体化系统内部状态。主要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以及异常变化等的传感器。•外部信息传感器：检测作业对象的状态和外部环境状态。主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。4.12常用检测传感器及接口33•1检测传感器的分类与基本要求•(3)传感器的分类•2)按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传感器。•3)按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力/力矩、温度、湿度、压力等传感器。•4)按传感器的工作原理分为：电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式。4.12常用检测传感器及接口34•1检测传感器的分类与基本要求•(4)传感器的基本要求•①体积小、重量轻、适应性好。•②精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。•③安全可靠、寿命长。•④便于与计算机对接。•⑤不易受被检测对象和外部环境的影响。•⑥环境适应能力强。•⑦现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。4.12常用检测传感器及接口35•2、传感器的转换原理•(1)光—电转换•当光照射到半导体材料上时，使电阻发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻(或电导)变量4.12常用检测传感器及接口36光电转换光—电转换V△V光△R光•2、传感器的转换原理•(2)热—电阻转换•将半导体材料或导体加热或冷却，使它的电阻发生变化，应用这个效应制作热敏电阻。它将热转换为电阻变量，如图所示。4.12常用检测传感器及接口37△R•2、传感器的转换原理•(3)力—电压转换•外力作用在电阻应变片上，组成电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、R2电阻增大，而电阻R3、R4，阻值减少，使电桥失去平衡，有信号输出；输出电压与压力呈线性关系。应用力—电压转换原理制作压力传感器。4.12常用检测传感器及接口38•2、传感器的转换原理•(4)力—电荷转换•外力作用在压电晶体(铌酸锂、石英晶体等)上时，使其表面产生电荷或电压变化。根据这个原理制作压电传感器，它将应力转换成电荷Q或电压U变量。4.12常用检测传感器及接口39压电转换压电晶体压力张力△Q或△U•2、传感器的转换原理•(5)磁—电转换•线圈内磁芯作上下移动，磁路中磁阻发生变化，利用这个效应制作磁阻传感器。它将磁变转换为交流电压的变化。4.12常用检测传感器及接口40磁电转换~△U•2、传感器的转换原理•(5)磁—电转换•(6)气体—电阻转换4.12常用检测传感器及接口41•3、各类传感器的性能与特点•(1)位移与角度检测传感器•电位差计：检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线型中，行程可从lcm到25cm左右。在回转型中有一转与多转之别，多转型精度容易做得很高。4.12常用检测传感器及接口42ABRCV0r(θ)•3、各类传感器的性能与特点•(1)位移与角度检测传感器•电感式—电涡流4.12常用检测传感器及接口43•3、各类传感器的性能与特点•