微型计算机控制系统技术电子教案2012

计算机控制技术主讲：谢宏湖南大学电气与信息工程学院自动化工程系CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.2教材和参考书目：微型计算机控制技术潘新民王燕芳编著高等教育出版社CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.3第一章微型计算机控制系统概述计算机控制系统的组成1计算机控制系统的分类2计算机控制系统发展概况与趋势3CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.41.1微型计算机控制系统的组成1.1微型计算机控制系统的组成1、微机控制系统硬件结构主机、I/O接口、通用外部设备、检测元件及执行机构（模拟信号和数字信号）、操作台。2、微机控制系统软件（1）系统软件：操作系统、诊断系统、开发系统、信息处理。（2）应用软件：1）过程监视：巡回检测程序、数据处理程序、报警程序、操作面板程序、数字滤波和标度变换程序、过程分析程序2）过程控制计算：控制算法程序（PID、最优化控制、串级调节、比值调节…）,事故处理程序、信息管理程序。3）公共服务程序CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.51.1微型计算机控制系统的组成CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.61.1智能控制的基本概念CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.71.2微型计算机控制系统分类1、操作指导控制系统只具有输入采样通道，计算机采集过程参数、计算和输出结果，由人工对给定值或阀门等操作;适用于实验新的数学模型或调试新的控制程序。2、直接数字控制系统（DDC:DirectDigitalControl）具有输入采样通道/输出控制通道，计算机巡回检测，控制算法计算，输出控制执行机构；给定值由人工给定。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.81.2微型计算机控制系统分类CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.91.2微型计算机控制系统分类CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.101.2微型计算机控制系统分类CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.111.2微型计算机控制系统分类3、计算机监督控制系统（SCC:SupervisoryComputerControl）SCC计算机按照生产过程的数学模型，计算最佳给定值，使生产过程处于最优工作状态。（1）SCC+模拟调节器：特别适用于老设备的技术改造；（2）SCC+DDC：可调整控制规律，具有双机控制功能，提高了可靠性。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.121.2微型计算机控制系统分类CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.131.2微型计算机控制系统分类CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.141.2微型计算机控制系统分类4、分布控制系统（DCS:DistributedControlSystem用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。（1）分散过程控制级：由工作站点分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制（故障分散）；分散过程控制级收集的数据供监督控制级调用，接受监督控制级发送的信息。（2）计算机监督控制级：对生产过程的监视与操作，确定分散过程控制级最优给定量。（3）生产管理级：根据监督控制级提供的信息和生产任务要求，编制系统工作情况表、审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，对下一级下达命令。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.151.2微型计算机控制系统分类5、计算机集成制造系统（CIMS:ComputerIntegratedManufacturingSystem）CIMS是在DCS系统之后发展起来的更高一级的控制系统，是对市场信息、生产规划、销售等进行全面和统一管理的综合技术，即管理加制造，它包括计算机技术、自动控制技术、制造技术、信息技术、管理技术、网络技术、系统工程等学科。CIMS的结构采用多任务分层体系结构，其基本控制思想是采用递阶控制。应用如柔性制造CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.161.2微型计算机控制系统分类6、现场总线控制系统（FCS:FieldbusControlSystem）现场总线控制系统的特点：（1）数字化的信息传送：信息交换全部使用数字信号；（2）分散的系统结构：智能节点；（3）方便的互操作性：产品的异构和兼容；（4）开放的互联网络：共享网络资源；2000年1月4日通过IEC61158.3～6标准，该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：①基金会现场总线FF(原有的技术规范IEC61158)；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Intferbus。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.171.3微型计算机控制系统发展概况及趋势一、微型计算机的种类1、单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）Atmega64CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.181.3微型计算机控制系统发展概况及趋势CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.191.3微型计算机控制系统发展概况及趋势CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.201.3微型计算机控制系统发展概况及趋势8088/8086CPU最小模式MCS-51单片机结构CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.211.3微型计算机控制系统发展概况及趋势2、数字信号处理器（DSP：digitalsignalprocessor，DSP支持单时钟周期的乘-加运算.）TMS320F240CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.221.3微型计算机控制系统发展概况及趋势CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.231.3微型计算机控制系统发展概况及趋势CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.241.3微型计算机控制系统发展概况及趋势FBDSPUSB510DSP仿真器DSP的主要供应商有TI，ADI，Motorola,Lucent和Zilog等，其中TI占有最大的市场份额。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.251.3微型计算机控制系统发展概况及趋势TI公司现在主推四大系列DSP1）C5000系列（定点、低功耗）：C54X，C54XX，C55X相比其它系列的主要特点是低耗，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、PDA、GPS等应用。处理速度在80MIPS--400MIPS之间。C54XX和C55XX一般只具McBSP同步串口、HPI并行接口、定时器、DMA等外设。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存储器扩展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX则不能直接使用。两个系列的数字IO都只有两条。2）C2000系列（定点、控制器）：C20X，F20X，F24X，F24XX，C28x该系列芯片具有大量外设资源，如：A/D、定时器、各种串口（同步和异步），WATCHDOG、CAN总线/PWM发生器、数字IO脚等。是针对控制应用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有该系列有异步串口可以和PC的UART相连。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.261.3微型计算机控制系统发展概况及趋势3）C6000系列：C62XX，C67XX，C64X该系列以高性能著称，最适合宽带网络和数字影像应用。32bit，其中：C62XX和C64X是定点系列，C67XX是浮点系列。该系列提供EMIF扩展存储器接口。该系列只提供BGA封装，只能制作多层PCB。且功耗较大。同为浮点系列的C3X中的VC33现在虽非主流产品，但也仍在广泛使用，但其速度较低，最高在150MIPS。3、混合信号处理器（MSP）丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.271.3微型计算机控制系统发展概况及趋势其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.281.3微型计算机控制系统发展概况及趋势4、可编程逻辑控制器（PLC:ProgrammableLogicalControl）CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.291.3微型计算机控制系统发展概况及趋势CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniv.301.3微型计算机控制系统发展概况及趋势S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块S7-200CPU上已经集成了一定数量的数字量I