微型计算机控制系统概述

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1、第 一 章 微 型 计 算 机 控 制 系 统 概 述1.1 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 组 成1.2 微 型 机 控 制 系 统 的 分 类1.3 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 概 况 及 趋 势 微 型 计 算 机 控 制 系 统 硬 件 由 以 下 部 分 组 成 ： 微 型 计 算 机 接 口 电 路 外 部 通 用 设 备 和 工 业 生 产 对 象 等 组 成 1.1 微型计 算机控制系统 的组 成 微 机 控 制 技 术图 1.1 典 型 微 机 控 制 系 统 原 理 图 图 典 型 微 机 控 制 系 统 原 理 图 1.1 微型计 算机控制系统

2、 的组 成1.1.1 微 型 机 控 制 系 统 的 硬 件 结 构1.1.2 微 型 机 控 制 系 统 的 软 件 1.1.1 微型机控制系统 的硬件结 构1 1 1 微 型 机 控 制 系 统 硬 件 结 构 一 .主 机 ( CPU ) 指 挥 部 1 向 系 统 的 各 个 部 分 发 出 命 令 ； 2 对 被 测 参 数 进 行 巡 回 检 测 、 数 据 处 理 、 控 制 计 算 、 逻 辑 判 断 及 报 警 处 理 等 。 微 机 控 制 技 术 1.1.1 微型机控制系统 的硬件结 构二 、 接 口 及 I/O 通 道 1. 常 用 接 口 (1)并 行 接 口 825

3、5、 8155 (2)串 行 接 口 8251 (3)直 接 存 储 器 传 送 接 口 8237 (4)中 断 控 制 接 口 8259 (5)定 时 器 计 数 器 接 口 8253 (6)模 拟 量 与 数 字 量 之 间 转 换 接 口 DAC0832， ADC0809 等 。 微 机 控 制 技 术 1.1.1 微型机控制系统 的硬件结 构 2 I/O 通 道 (1) 模 拟 量 输 入 通 道 关 键 部 件 A/D（ 把 模 拟 量 变 成 数 字 量 ） (2) 模 拟 量 输 出 通 道 关 键 部 件 D/A（ 把 数 字 量 变 成 模 拟 量 ） (3) 数 字 量 输

4、 入 /输 出 通 道三 . 通 用 外 部 设 备 ， 用 以 扩 大 主 机 的 功 能 显 示 、 打 印 、 存 储 等 微 机 控 制 技 术 1.1.1 微型机控制系统 的硬件结 构四 检 测 元 件 及 执 行 机 构 1 检 测 元 件 ： 把 非 电 量 变 成 电 量 （ 传 感 器 ） 。 如 ： 热 电 偶 、 节 流 装 置 、 压 力 变 送 器 2 变 送 器 ： 把 传 感 器 的 输 出 信 号 变 成 CPU 所 能 接 收 的 电 压 信 号 。 3 执 行 机 构 ： 接 收 CPU 输 出 的 控 制 量 并 加 以 动 作 ， 以 对 生 产 参 数

5、 进 行 控 制 的 机 构 。 如 ： 阀 、 开 关 、 电 机 等 。 微 机 控 制 技 术 1.1.1 微型机控制系统 的硬件结 构五 、 操 作 台 和 实 时 时 钟 1 操 作 台 的 组 成 （ 1） 作 用 开 关 ： 电 源 开 关 ； 数 据 、 地 址 选 择 开 关 ； 操 作 方 式 选 择 开 关 ， 等 。 （ 2） 功 能 键 ： 向 CPU 申 请 中 断 、 复 位 键 、 启 动 键 、 打 印 键 、 显 示 键 、 连 接 、 单 步 工 作 方 式 键 等 。 （ 3） 显 示 ： LED/CRT 显 示 器 件 显 示 数 据 ， 图 、 表

6、、 流 程 图 等 。 （ 4） 数 字 键 ： 用 以 送 入 数 据 或 修 改 控 制 系 统 参 数 。 2 实 时 时 钟 微 机 控 制 技 术 1.1.2 微型机控制系统 的软 件1 1 2 软 件 完 成 各 种 功 能 的 计 算 机 程 序 的 总 和 。 系 统 软 件 ： 由 厂 家 提 供 用 以 管 理 计 算 机 本 身 的 程 序 。 应 用 软 件 ： 由 用 户 根 据 控 制 系 统 的 需 要 设 计 。 面 向 用 户 的 程 序 。 微 机 控 制 技 术 1.2 微型机控制系统 的分类 根 据 被 控 对 象 的 特 点 环 境 要 求 , 可 采

7、 用 不 同 类 型 的 控 制 系 统 。 微 机 控 制 技 术 1.2 微型机控制系统 的分类1.2.1 操 作 指 导 控 制 系 统 （ OPS）1.2.2 直 接 数 字 控 制 系 统 （ DDC）1.2.3 计 算 机 监 督 系 统 （ SCC）1.2.4 嵌 入 式 系 统 （ EMS）1.2.5 物 联 网 系 统 （ ITS）1.2.6 现 场 总 线 控 制 系 统 （ FCS） 121 操作指导 系统 图 1-2 操 作 指 导 控 制 系 统 微 机 控 制 技 术 121 操作指导 系统 1 操 作 过 程 ： （ 1） 计 算 机 只 对 系 统 过 程 参

8、数 进 行 收 集 、 加 工 处 理 ， 而 后 输 出 （ 显 示 或 打 印 ） 。 （ 提 供 准 确 的 参 照 数 据 ） 。 （ 2） 现 场 人 员 参 照 显 示 的 数 据 ， 根 据 经 验 对 系 统 进 行 调 节 微 机 控 制 技 术 121 操作指导 系统2 应 用 场 合 ： 尚 未 摸 清 控 制 规 律 的 系 统 ， （ 计 算 机 系 统 的 初 级 阶 段 ） 。 用 来 摸 索 新 系 统 的 数 学 模 型 和 控 制 规 律 。 3 特 点 ： 简 单 、 可 靠 人 工 操 作 、 慢 不 能 同 时 控 制 几 个 回 路 。 微 机 控

9、制 技 术 122 直接数 字控制系统 （DDC） 图 1-3 DDC控 制 系 统 原 理 图 微 机 控 制 技 术 122 直接数 字控制系统 （DDC） 作 法 ： 计 算 机 对 多 个 参 数 进 行 巡 回 检 测 ； 将 检 测 值 与 给 定 值 加 以 比 较 ； 根 据 偏 差 ， 按 适 当 的 控 制 规 律 对 系 统 进 行 控 制 。 特 点 ： 一 台 计 算 机 可 同 时 控 制 多 回 路 ； 可 靠 。 控 制 灵 活 ： 每 个 参 数 的 控 制 可 各 异 ； 各 参 数 在 不 同 情 况 下 可 采 用 不 同 的 控 制 规 律 ； 应 用

10、 广 泛 。 微 机 控 制 技 术使 检 测 值 给 定 值 123 计 算机监 督系统 （SCC）作 法 ： 系 统 中 ， 给 定 值 不 是 人 为 预 先 给 定 ， 而 是 由 计 算 机 按 照 描 述 生 产 过 程 的 数 学 模 型 ， 计 算 出 最 佳 给 定 值 。 送 给 模 拟 调 节 器 或 DDC 单 片 机 ， 对 生 产 过 程 进 行 控 制 。 微 机 控 制 技 术 SCC+DDC控 制 系 统1 作 法 ： 两 级 计 算 机 控 制 系 统 ： （ 1） SCC （ 2) DDC 与 前 者 相 比 ： 控 制 由 DDC 机 实 现 实 时 性

11、 好 、 灵 活 ， 一 台 单 片 机 代 替 多 台 调 节 器 ， 可 控 制 多 个 回 路 。 （ 如 图 1-5 SCC + DDC 控 制 系 统 ）2 特 点 ： 更 接 近 于 生 产 的 实 际 情 况 ， 增 加 了 “ 冗 余 量 ” ， 更 可 靠 。 3 应 用 范 围 ： 因 为 数 学 模 型 难 以 建 立 ， 所 以 此 法 用 起 来 有 困 难 。 微 机 控 制 技 术 123 计 算机监 督系统 （SCC） 图 1-4 SCC + DDC控 制 系 统 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统嵌 入 式 系 统 一 般 指 非 PC 系

12、 统 ， 有 计 算 机 功 能 但 又 不 称 之 为 计 算 机 的 设 备 或 器 材 。 1.2.4 嵌 入 式 系 统 包 括 硬 件 和 软 件 两 部 分 。 硬 件 部 分 : 处 理 器 /微 处 理 器 存 储 器 （ EPROM、 EEPROM、 Flash Memory ） 外 部 设 备 I/O 接 口 图 形 控 制 器 等 。 微 机 控 制 技 术存 储 容 量 有 限 1.2.4 嵌 入 式 系 统 软 件 部 分 ： 操 作 系 统 ( 要 求 实 时 和 多 任 务 操 作 ) 控 制 着 应 用 程 序 编 程 与 硬 件 的 交 互 作 用 。 应 用

13、 程 序 。 控 制 着 系 统 的 运 作 和 行 为 ； 嵌 入 式 系 统 集 系 统 的 应 用 软 件 与 硬 件 于 一 体 ， 类 似 于PC中 BIOS 的 工 作 方 式 ， 是 独 立 工 作 的 “ 器 件 ” 。 具 有 软 件 代 码 少 、 高 度 自 动 化 、 响 应 速 度 快 等 特 点 ，特 别 适 合 于 要 求 实 时 和 多 任 务 的 体 系 。 微 机 控 制 技 术 嵌 入 式 系 统 的 核 心 是 嵌 入 式 微 处 理 器 特 点 :（ 1） 对 实 时 多 任 务 有 很 强 的 支 持 能 力 。 能 完 成 多 任 务 并 且 有

14、较 短 的 中 断 响 应 时 间 ， 从 而 使 内 部 的 代 码 和 实 时 内 核 的 执 行 时 间 减 少 到 最 低 限 度 。（ 2） 具 有 很 强 的 存 储 区 保 护 功 能 。 由 于 嵌 入 式 系 统 的 软 件 结 构 已 模 块 化 ， 而 为 了 避 免 在 软 件 模 块 之 间 出 现 错 误 的 交 叉 作 用 ， 需 要 设 计 强 大 的 存 储 区 保 护 功 能 ， 同 时 也 有 利 于 软 件 诊 断 。（ 3） 可 扩 展 的 处 理 器 结 构 ， 以 能 最 迅 速 地 开 发 出 满 足 应 用 的 最 高 性 能 的 嵌 入 式

15、微 处 理 器 。（ 4） 功 耗 低 。 尤 其 是 用 于 便 携 式 的 无 线 及 移 动 的 计 算 和 通 信 设 备 中 靠 电 池 供 电 的 嵌 入 式 系 统 更 是 如 此 ， 如 需 要 功 耗 只 有 mW 甚 至 W 级 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 据 不 完 全 统 计 ： 嵌 入 式 处 理 器 的 品 种 已 超 过 1000多 种 ， 流 行 体 系 结 构 有 30 几 个 系 列 ， 其 中 8051 体 系 的 占 有 半 数 以 上 ， 共 350 多 种 衍 生 产 品 。 嵌 入 式 处 理 器 的 寻 址 空 间

16、 一 般 从 64kB 到 16MB， 处 理 速 度 从 0.1 MIPS 到 2000 MIPS 常 用 封 装 从 8 个 引 脚 到 144 个 引 脚 。 嵌 入 式 计 算 机 可 以 分 成 下 面 几 类 XX。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统1. 嵌 入 式 微 处 理 器 ( Embedded Microprocessor Unit）（ 1） 与 CPU 比 ： 在 应 用 中 ， 将 EMPU 装 在 专 门 设 计 的 电 路 板 上 ， 只 保 留 和 嵌 入 式 应 用 有 关 的 母 板 功 能 ， 这 样 可 以大 幅 度 减 小 系 统

17、 体 积 和 功 耗 。 为 了 满 足 嵌 入 式 应 用 的 特 殊 要 求 ， EMPU 在 功 能 上 和 标 准 微 处 理 器 基 本 一 样 ， 但 在 工 作 温 度 、 抗 电 磁 干 扰 、 可 靠 性 等 方 面 有 所增 强 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 （ 2） 和 工 业 控 制 计 算 机 相 比 ： 嵌 入 式 微 处 理 器 体 积 小 、 重 量 轻 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 由 于 电 路 板 上 必 须 包 括 ROM、 RAM、 总 线 接 口 、 各 种外 设 等 器 件 ， 所 以 降 低 了 系 统 的 可

18、 靠 性 ， 技 术 保 密 性也 较 差 。 嵌 入 式 处 理 器 主 要 有 Am186/88、 386EX、 SC-400、 Power PC、 68000、 MIPS、 ARM系 列 等 。 在 一 块 电 路 板 上 装 有 嵌 入 式 微 处 理 器 、 存 储 器 、 总 线 、外 设 等 构 成 单 板 计 算 机 。 如 STD-BUS、 PC104、 等 。 德 国 、 日 本 的 一 些 公 司 又 开 发 出 了 类 似 “ 火 柴 盒 ” 式 名 片 大 小 的 嵌 入 式 计 算 机 系 列 OEM 产 品 。 我 国 也 有 此 类 产 品 。 微 机 控 制

19、技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统2、 嵌 入 式 微 控 制 器 ( Microcontroller Unit ) 嵌 入 式 微 控 制 器 又 称 单 片 机 。 为 适 应 不 同 的 应 用 需 求 ， 一 个 系 列 的 单 片 机具 有 多 种 衍 生 产 品 ， 每 种 衍 生 产 品 的 处 理 器内 核 都 是 一 样 的 ， 不 同 的 是 存 储 器 和 外 设 的配 置 及 封 装 。 和 嵌 入 式 微 处 理 器 相 比 ， 微 控 制 器 的 最 大 特点 是 单 片 化 ， 体 积 小 ， 功 耗 和 成 本 低 、 可 靠性 高 。 微 控 制 器 是

20、目 前 嵌 入 式 系 统 工 业 的 主 流 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 嵌 入 式 微 控 制 器 目 前 的 品 种 和 数 量 最 多 ： 通 用 系 列 ： 8051、 P51XA、 MCS-251、 MCS-96/196/296、 C166/167、 MC68HC05/11/12/16、 68300等 。 半 通 用 系 列 ： USB 接 口 ： MCU 8XC930/931、 C540、 C541； I2C、 CAN-Bus、 LCD及 众 多 专 用 MCU 和 兼 容 系 列 。目 前 MCU 占 嵌 入 式 系 统 约 70 的 市 场 份

21、 额 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 AMD 公 司 ， 将 Am186CC/CH/CU 等 嵌 入 式 处 理 器 称 之 为 Microcontroller 。 MOTOROLA 公 司 把 以 Power PC 为 基 础 的 PPC505 和 PPC555 亦 列 入 单 片 机 行 列 。 TI 公 司 亦 将 其 TMS320C2XXX 系 列 DSP 作 为 MCU 进 行 推 广 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统3、 嵌 入 式 DSP 处 理 器( Embedded Digital Signal Processor, ED

22、SP ) （ ） 处 理 器 的 特 点 DSP 处 理 器 对 系 统 结 构 和 指 令 进 行 了 特 殊 设 计 : 使 其 适 合 于 执 行 DSP 算 法 ， 编 译 效 率 较 高 ， 指 令 执 行 速 度 也 较 高 。 数 字 滤 波 、 F F T、 谱 分 析 等 方 面 DSP 算 法 正 在 大 量 进 入 嵌 入式 领 域 。 DSP 应 用 正 从 在 通 用 单 片 机 中 以 普 通 指 令 实 现 DSP 功 能 ， 过渡 到 采 用 嵌 入 式 DSP 处 理 器 。 微 机 控 制 技 术 （ ） 嵌 入 式 DSP 处 理 器 构 成 DSP 处

23、理 器 经 过 单 片 化 、 EMC 改 造 、 增 加 片 上 外 设 成 为 嵌 入 式 DSP 处 理 器 。 如 ： TI 的 TMS320C2000/C5000。 在 通 用 单 片 机 或 SOC 中 增 加 DSP 协 处 理 器 。 如 ： Intel 的 MCS-296 Infineon ( Siemens ) 的 TriCore。1.2.4 嵌入式系统 1.2.4 嵌 入 式 系 统（ ） 推 动 嵌 入 式 DSP 处 理 器 发 展 的 因 素 ： 嵌 入 式 系 统 的 智 能 化 。 如 ： 各 种 带 有 智 能 逻 辑 的 消 费 类 产 品 生 物 信 息

24、识 别 终 端 带 有 加 解 密 算 法 的 键 盘 ADSL 接 入 实 时 语 音 压 解 系 统 虚 拟 现 实 显 示 等 。 向 量 运 算 、 指 针 线 性 寻 址 等 微 机 控 制 技 术DSP 处 理 器 的 长 处 1.2.4 嵌 入 式 系 统 4、 嵌 入 式 片 上 系 统 ( System On Chip ) 随 着 EDI 的 推 广 和 VLSI 设 计 的 普 及 化 ， 及 半导 体 工 艺 的 迅 速 发 展 ， 在 一 个 硅 片 上 实 现 一 个更 为 复 杂 的 系 统 的 时 代 已 来 临 ， 这 就 是 System On Chip (

25、SOC )。 各 种 通 用 处 理 器 内 核 作 为 SOC 设 计 公 司 的 标准 库 ， 成 为 VLSI 设 计 中 一 种 标 准 的 器 件 ， 用标 准 的 VHDL 等 语 言 描 述 ， 存 储 在 器 件 库 中 。 用 户 只 需 定 义 出 其 整 个 应 用 系 统 ， 仿 真 通 过 后就 可 以 将 设 计 图 交 给 半 导 体 工 厂 制 作 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 嵌 入 式 系 统 几 乎 包 括 了 生 活 中 的 所 有 电 器 设 备 ， 如 掌 上 PDA、 移 动 计 算 设 备 、 电 视 机 顶 盒 、

26、 手 机 上 网 、 数 字 电视 、 多 媒 体 、 汽 车 、 微 波 炉 、 数 码 相 机 、 家 庭 自 动 化 系统 、 电 梯 、 空 调 、 安 全 系 统 、 自 动 售 货 机 、 蜂 窝 式 电 话 、消 费 电 子 设 备 、 工 业 自 动 化 仪 表 与 医 疗 仪 器 等 。 与 通 用 型 计 算 机 系 统 相 比 ， 嵌 入 式 系 统 功 耗 低 、 可靠 性 高 ； 功 能 强 大 、 性 能 价 格 比 高 ； 实 时 性 强 ， 支 持 多任 务 ； 占 用 空 间 小 ， 效 率 高 ； 面 向 特 定 应 用 ， 可 根 据 需要 灵 活 定 制

27、 。 微 机 控 制 技 术 1.2.4 嵌 入 式 系 统 本 书 后 面 的 内 容 主 要 以 嵌 入 式 系 统 为 主 ， 虽然 以 8051 系 列 单 片 机 为 主 进 行 讲 述 ， 所 涉 及 的 基 本 原 理 可 适 合 任 何 一 种 嵌 入 式 CPU。 微 机 控 制 技 术 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 物 联 网 系 统 （ Internet of Things System， ITS） 第 三 次 信 息 革 命 。 该 系 统 通 过 射 频 自 动 识 别 （ RFID） 、 红 外 感 应 器 、全 球 定 位 系 统 （ GPS） 、 激

28、光 扫 描 器 、 环 境 传 感 器 、图 像 感 知 器 等 信 息 设 备 ， 按 约 定 的 协 议 ， 把 任 何 物 品与 互 联 网 连 接 起 来 ， 进 行 信 息 交 换 和 通 讯 ， 以 实 现 智能 化 识 别 、 定 位 、 跟 踪 、 监 控 和 管 理 的 一 种 网 络 。 实际 上 它 也 是 一 种 微 型 计 算 机 控 制 系 统 ， 只 不 过 更 加 庞大 而 已 。 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 物 联 网 终 端 主

29、 要 由 外 围 接 口 模 块 、 核 心 处 理 模 块 以 及网 络 通 信 模 块 组 成 。 通 过 外 围 感 知 接 口 与 传 感 设 备 连接 ， 如 RFID读 卡 器 ， 红 外 感 应 器 ， 环 境 传 感 器 等 ，将 这 些 传 感 设 备 的 数 据 进 行 读 取 并 通 过 中 央 处 理 模 块处 理 后 ， 按 照 网 络 协 议 ， 通 过 外 部 通 讯 接 口 ， 如 ： GPRS模 块 、 以 太 网 接 口 、 WIFI等 方 式 发 送 到 以 太 网 的指 定 中 心 处 理 平 台 。 1.2.5 物联 网 系统 （ITS） 物 联 网

30、终 端 属 于 传 感 网 络 层 和 传 输 网 络 层 的 中 间 设 备 ，也 是 物 联 网 的 关 键 设 备 ， 通 过 他 的 转 换 和 采 集 ， 才 能将 各 种 外 部 感 知 数 据 汇 集 和 处 理 ， 并 将 数 据 通 过 各 种网 络 接 口 方 式 传 输 到 互 联 网 中 。 如 果 没 有 他 的 存 在 ，传 感 数 据 将 无 法 送 到 指 定 位 置 ， “ 物 ” 的 联 网 将 不 复存 在 。 12 现 场 总 线 控制系统 （FCS） 现 场 总 线 控 制 系 统 在 20 世 纪 90 年 代 兴 起 ， 将 网 络 通 信 与 管

31、 理 的 概 念 联 系 起 来 ， 采 用 数 字 通 信 ， 改 变 了 传 统 的 信 息 传 送 方 式 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS）一 、 现 场 总 线 控 制 系 统 是 分 布 式 控 制 系 统 的 换 代 产 品1 系 统 全 部 采 用 数 字 信 息 传 递 （ 传 统 的 DCS（ 分 布 式 系 统 ） 中 ， 底 层 到 控 制 站 之 间 用 420mA 电 流 传 送 ） 信 息 传 递 数 字 化 后 ， 在 通 信 质 量 和 连 线 方 式上 有 重 大 突 破 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总

32、线 控制系统 （FCS） 2 分 散 的 系 统 结 构 （ 1） DCS 中 ： 采 用 “ 操 作 站 -控 制 站 -现 场 仪 表 ” 的 三 层 主 从 结 构 （ 2） FCS中 ： 把 I/O 单 元 、 控 制 站 的 功 能 分 散 到 智 能 化 现 场 仪 表 每 个 仪 表 都 含 有 CPU 具 有 测 量 、 校 正 、 调 节 、 诊 断 等 功 能 ； 靠 网 络 协 议 将 各 节 点 联 系 起 来 统 筹 工 作 ； 节 点 出 问 题 只 影 响 其 本 身 ， 不 影 响 全 局 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS）

33、3 方 便 的 互 操 作 性 不 同 结 构 的 FCS 产 品 ， 可 组 成 统 一 的 系 统 。4 开 放 的 互 联 网 络 （ 1） FCS 技 术 级 标 准 均 采 用 开 放 式 政 策 ， 面 向 所 有 的 产 品 制 造 商 和 用 户 。 （ 2） 通 信 网 络 可 以 和 其 它 系 统 网 络 、 高 速 网 络 相 连 ， 即 用 户 可 共 享 网 络 资 源 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS）5 传 输 媒 介 和 拓 朴 结 构 FCS 采 用 数 字 通 信 方 式 ： 改 变 了 传 统 的 信 息 交 换 方

34、 式 、 信 号 形 式 和 系 统 结 构 。 改 变 了 传 统 的 自 动 化 仪 表 功 能 概 念 和 结 构 形 式 。 改 变 了 系 统 的 设 计 及 调 试 方 法 ， 开 创 了 控 制 领 域 的 新 纪 元 。 微 机 控 制 技 术 二 FCS控 制 结 构 微 机 控 制 技 术图 1-8 现 场 总 线 控 制 系 统 结 构 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS） 现 场 总 线 的 节 点 设 备 称 为 现 场 设 备 或 现 场 仪 表 ， 用 于 过 程 自 动 化 构 成 FCS 的 基 本 设 备 如 下 ： 变 送 器 功 能 ： 检 测

35、、 变 换 和 补 偿 ， PID 控 制 和 运 算 功 能 。 如 ： 温 度 、 压 力 、 流 量 、 物 位 、 分 析 类 变 送 器 。 执 行 器 ； 功 能 ： 信 号 驱 动 、 执 行 功 能 阀 门 特 性 自 校 验 和 自 诊 断 功 能 输 出 特 性 补 偿 （ 内 含 调 节 阀 ） 功 能 PID 控 制 和 运 算 等 功 能 分 类 ： 电 动 、 气 动 两 大 类 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS） 服 务 器 和 网 桥 服 务 器 下 接 Hl 和 H2， 上 接 局 域 网 LAN (Local area

36、network)； 网 桥 上 接 H2， 下 接 Hl。 辅 助 设 备 H1/气 压 、 Hl 电 流 、 电 流 Hl转 换 器 、 安 全 栅 、 总 线 电 源 、 便 携 式 编 程 器 等 。 监 控 设 备 工 程 师 站 ： 供 现 场 总 线 组 态 操 作 员 站 ： 供 工 艺 操 作 与 监 视 计 算 机 站 ： 用 于 优 化 控 制 和 建 模 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS） FCS 的 核 心 是 现 场 总 线 （ 5.4） 现 场 总 线 技 术 是 90年 代 兴 起 的 一 种 先 进 的工 业 控 制 技 术

37、 ， 它 将 当 今 网 络 通 信 与 管 理的 观 念 引 入 工 业 控 制 领 域 。 微 机 控 制 技 术 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS）现 场 总 线 控 制 系 统 是 一 种 数 字 通 信 协 议 ， 是 连 接 智 能 现 场 设 备 和 自 动 化 系 统 的 数 字 式 、 全 分 散 、 双 向 传 输 、 多 分 支 结 构 的 通 信 网 络 。 是 控 制 技 术 、 仪 表 工 业 技 术 和 计 算 机 网 络 技 术 三 者 的 结 合 。 具 有 现 场 通 信 网 络 、 现 场 设 备 互 连 、 互 操 作 性 、 分 散 的 功

38、能 模 块 、 通 信 线 供 电 、 开 放 式 互 连 网 络 等 技 术 特 点 。 126 现 场 总 线 控制系统 （FCS） 保 证 控 制 系 统 可 以 适 应 目 前 工 业 界 对 数 字 通 信 和 自 动 控 制 的 需 求 ， 且 使 其 与 Internet网 互 连 构 成 不 同 层 次 的 复 杂 网 络 成 为 可 能 。 代 表 了 工 业 控 制 体 系 结 构 发 展 的 一 种 方 向 。 13 单 片微型计 算机统 的发 展概 况 及趋 势1.3.1 单 片 微 型 计 算 机1.3.2 可 编 程 逻 辑 控 制 器1.3.3 FPGA系 统1.

39、3.4 工 业 PC1.3.5 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 趋 势 131 单 片微型计 算机 单 片 微 型 计 算 机 (Single Chip Microcomputer)， 是 工 业 控 制 和 智 能 化 系 统 中 应 用 最 多 的 模 式 。 特 点 是 设 计 者 可 根 据 实 际 需 要 进 行 单 片 机 系 统 开发 、 设 计 ， 因 而 更 加 方 便 、 灵 活 ， 且 成 本 低 。 微 机 控 制 技 术 131 单 片微型计 算机 与 微 型 计 算 机 相 比 ， 单 片 机 具 有 以 下 特 点 ： 1 集 成 度 高 ， 功

40、能 强 2 结 构 合 理 3 抗 干 扰 能 力 强 4 指 令 丰 富 5. 省 电 微 机 控 制 技 术 132 可编 程逻 辑 控制器1 3 2 可 编 程 逻 辑 控 制 器 可 编 程 控 制 逻 辑 器 ( Programmable Logical Controller )， 简 称 PLC。 是 继 电 器 逻 辑 控 制 系 统 与 微 型 计 算 机 技 术 相 结 合 的 产 物 。 PLC 采 用 微 处 理 器 作 为 主 控 制 器 ， 大 规 模 集 成 电 路 作 为 存 储 器 及 I/O接 口 。 其 可 靠 性 、 功 能 、 价 格 、 体 积 都 达

41、 到 了 较 成 熟 和 完 美 的 境 界 。 并 以 其 卓 越 的 技 术 指 标 和 优 异 的 抗 干 扰 能 力 得 到 广 泛 的 应 用 ， 受 到 工 业 界 人 士 的 瞩 目 。 应 用 ： 单 机 自 动 化 、 工 厂 自 动 化 ， 从 柔 性 制 造 系 统 、 机 器 人 到 工 业 局 部 网 络 无 不 有 它 的 踪 影 。 微 机 控 制 技 术 132 可编 程逻 辑 控制器一 、 PLC 的 功 能 (1) 条 件 控 制 (2) 定 时 控 制 (3) 计 数 控 制 (4) 顺 序 控 制 (5) 模 数 (A/D)、 数 模 (D/A)转 换

42、(6) 数 据 处 理 (7) 通 讯 与 联 网 微 机 控 制 技 术广 泛 应 用 在 控 制 系 统 中 132 可编 程逻 辑 控制器2 PLC 的 特 点 (1)可 靠 性 高 (2)编 程 容 易 (3)组 合 灵 活 (4)输 入 输 出 功 能 模 块 齐 全 (5)安 装 方 便 (6)运 行 速 度 快 微 机 控 制 技 术单 片 机 的 发 展 与 应 用 更 增 强 了 PLC 的 功 能 132 可编 程逻 辑 控制器 3 PLC的 分 类 根 据 PLC 的 功 能 ， 可 分 为 三 类 ： (1） 低 档 PLC (2） 中 档 PLC (3） 高 档 PL

43、C 微 机 控 制 技 术 133 现 场 可编 程门 阵 列（FPGA）现 场 可 编 程 门 阵 列 FPGA（ Field Programmable Gate Array）是 美 国 Xilinx公 司 于 1984年 首 先 开 发 的 一 种 通 用 型 用 户 可编 程 器 件 。FPGA由 可 编 程 逻 辑 单 元 阵 列 、 布 线 资 源 和 可 编 程 的 I O单元 阵 列 构 成 ， 一 个 FPGA包 含 丰 富 的 逻 辑 门 、 寄 存 器 和 IO资 源 。一 片 FPGA芯 片 就 可 以 实 现 数 百 片 甚 至 更 多 个 标 准 数 字 集 成电 路

44、 所 实 现 的 系 统 。 FPGA能 完 成 任 何 数 字 器 件 的 功 能 ， 上 至 高 性 能 CPU,下 至 简单 的 74系 列 电 路 ， 都 可 以 用 FPGA来 实 现 。 微 机 控 制 技 术 133 现 场 可编 程门 阵 列（FPGA） 1 FPGA的 特 点 （ 1） 采 用 FPGA设 计 ASIC电 路 ， 用 户 不 需 要 投 片 生 产 ， 就 能 得到 合 用 的 芯 片 。 （ 2） FPGA可 做 其 它 全 定 制 或 半 定 制 ASIC电 路 的 中 试 样 片 。 （ 3） FPGA内 部 有 丰 富 的 触 发 器 和 I O引 脚

45、 。 （ 4） FPGA是 ASIC电 路 中 设 计 周 期 最 短 、 开 发 费 用 最 低 、 风险 最 小 的 器 件 之 一 。 （ 5） FPGA采 用 高 速 CHMOS工 艺 ， 功 耗 低 ， 可 以 与 CMOS、TTL电 平 兼 容 。 可 以 说 ， FPGA芯 片 是 小 批 量 系 统 提 高 系 统 集 成 度 、 可 靠 性 的最 佳 选 择 之 一 。 133 现 场 可编 程门 阵 列（FPGA） 2 片 上 可 编 程 系 统 （ SOPC） SOPC（ System on a Progrmmable Chip， 系 统 可 编 程芯 片 设 计 人 员

46、 开 始 利 用 现 场 可 编 程 逻 辑 器 件 来 进 行 系 统 级的 片 上 设 计 。 133 现 场 可编 程门 阵 列（FPGA） SOPC迅 速 发 展 的 原 因（ 1） 密 度 在 100万 门 以 上 的 现 场 可 编 程 逻 辑 芯 片 已经 面 市 ；（ 2） 第 4代 现 场 可 编 程 逻 辑 器 件 的 开 发 工 具 已 经 成形 。（ 3） 提 高 他 们 的 设 计 效 率 并 缩 短 上 市 时 间 ；（ 4） 封 装 体 积 减 小 ， 产 品 尺 寸 也 减 少 了 ， 性 能 增 强 。 133 现 场 可编 程门 阵 列（FPGA） SOPC

47、设 计 软 件 3 FPGA与 单 片 机FPGA取 代 现 有 的 全 部 微 型 机 接 口 芯 片 ， 实 现 微 型 机 系统 中 的 存 储 器 、 地 址 译 码 等 多 种 功 能 。 利 用 FPGA可以 把 多 个 微 型 机 系 统 的 功 能 电 路 集 成 在 一 块 芯 片 上 。 图 1.10 PC机 、 单 片 机 和 FPGA通 信 图 4 FPGA与 DSP将 FPGA与 DSP结 合 ， 以 便 在 集 成 度 、 速 度 和 系 统 功能 方 面 满 足 DSP应 用 的 需 要 。 由 于 FPGA器 件 内 部 提供 了 RAM， 双 口 RAM和 F

48、IFO-RAM， 所 以 利 用 FPGA设 计 DSP系 统 ， 同 时 具 备 DSP处 理 器 的 灵 活 性 和 固 定功 能 的 DSP芯 片 的 实 时 性 。 FPGA DSP结 构 的 最 大 特 点 ： 组 态 灵 活 ， 通 用 性 强 ， 适 用 于 模 块 化 设 计 ， 能 够 提高 算 法 的 效 率 ； 开 发 周 期 较 短 ， 易 于 维 护 和 扩 展 ， 适 用 于 实 时 信 号处 理 。 用 FPGA硬 件 实 现 大 量 的 低 层 信 号 预 处 理 算 法 所 处理 的 数 据 ， 同 时 兼 顾 速 度 和 灵 活 性 。 高 层 处 理 算

49、法 采 用 运 算 速 度 高 、 寻 址 方 式 灵 活 、 通信 机 制 强 大 的 DSP 芯 片 来 实 现 。 图 1.11 FPGA与 DSP相 结 合 实 现 并 行 流 水 结 构 134 工业 PC 机1 3 4 工 业 PC 机 工 业 PC 机 与 个 人 计 算 机 的 差 别 ： （ 1） 用 通 用 底 板 总 线 插 座 代 替 个 人 计 算 机 中 的 大 母 板 ；（ 2） 将 母 板 分 为 PC 插 件 （ 若 干 ） ， 如 CPU板 ， 存 储 板 等 ；（ 3） 把 原 PC 电 源 改 为 工 业 电 源 ；（ 4） 采 用 密 封 机 箱 ，

50、内 部 压 送 风 ；（ 5） 配 相 应 的 工 业 软 件 。（ 6） 既 利 用 了 PC 机 丰 富 的 资 源 ， 又 在 结 构 上 实 现 了 模 块 化 。 微 机 控 制 技 术 134 工业 PC 机 工 业 PC与 一 般 PC机 比 较 135 微型计 算机控制系统 的发 展趋 势1 大 力 推 广 应 用 成 熟 的 先 进 技 术 成 熟 技 术 是 发 展 和 推 广 的 重 点 项 目 . 这 些 技 术 有 ： (1)普 及 应 用 可 编 程 序 控 制 器 ( PLC ) (2)广 泛 使 用 智 能 化 调 节 器 (3)采 用 新 型 的 DCS 和

51、FCS（ 4） FPGA将 成 为 微 型 计 算 机 控 制 技 术 的 新 宠 微 机 控 制 技 术 135 微型计 算机控制系统 的发 展趋 势2 大 力 研 究 和 发 展 智 能 控 制 系 统 (1)分 级 递 阶 智 能 控 制 系 统 (2)模 糊 控 制 系 统 (3)专 家 控 制 系 统 (4)学 习 控 制 系 统 随 着 多 媒 体 计 算 机 和 人 工 智 能 计 算 机 的 发 展 ，应 用 自 动 控 制 理 论 和 智 能 控 制 技 术 来 实 现 先进 的 计 算 机 控 制 系 统 ， 必 将 大 大 推 动 科 学 技术 的 进 步 和 提 高 工

52、 业 自 动 化 系 统 的 水 平 。 微 机 控 制 技 术 135 微型计 算机控制系统 的发 展趋 势3 单 片 机 的 应 用 将 更 加 深 入 随 着 电 子 技 术 的 发 展 ， 单 片 机 的 功 能 将 更 加 完 善 ，因 而 单 片 机 的 应 用 也 更 加 普 及 。 单 片 机 的 应 用 将 深 入 到 人 们 的 各 个 领 域 ， 将 成 为智 能 化 仪 器 、 中 、 小 型 控 制 系 统 应 用 最 多 的 一种 微 型 计 算 机 。 计 算 机 发 展 迅 速 ， 以 计 算 机 为 主 体 有 的 控 制 技 术 日 新 月 异 。 微 机 控 制 技 术