微型计算机控制系统设计

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1、第 十 四 章 微 型 计 算 机 控 制 系 统 设 计设 计 原 则 ： 操 作 性 好 实 施 性 强 通 用 性 好 经 济 效 益 高 可 靠 性 高一 般 设 计 步 骤 ： 系 统 总 体 控 制 方 案 设 计 微 型 计 算 机 选 择 控 制 算 法 设 计 硬 件 设 计 软 件 设 计 系 统 联 调第 一 节 控 制 系 统 设 计 的 一 般 步 骤 一 、 确 定 系 统 总 体 控 制 方 案 构 思 系 统 的 整 体 方 案 ， 应 从 以 下 几 方 面 入 手 ： 考 虑 系 统 结 构 执 行 机 构 采 用 什 么 方 案 有 否 特 殊 控 制 要

2、 求 ？ 特 殊 要 求 应 采 取 那 些 措 施 。 确 定 计 算 机 在 整 个 控 制 系 统 中 所 起 的 作 用 三 、 控 制 算 法 设 计二 、 选 择 计 算 机所 选 计 算 机 应 满 足 以 下 要 求 ： 完 善 的 中 断 系 统 足 够 的 存 储 容 量 完 备 的 I/O通 道 和 实 时 时 钟 四 、 硬 件 设 计 任 务 ： 根 据 系 统 总 体 框 图 ， 设 计 出 系 统 的 电 气 原 理 图 ， 再 按照 电 气 原 理 图 选 购 元 件 和 进 行 施 工 设 计 。包 括 ： 接 口 电 路 和 I/O通 道 的 扩 充 组 合

3、 逻 辑 或 时 序 逻 辑 电 路 供 电 电 源 光 电 隔 离 电 平 转 换 驱 动 放 大 电 路 等 接 口 设 计 接 口 设 计 内 容 ： 扩 充 接 口 安 排 接 口 电 路 的 I/O信 号 及 交 换 方 式 。常 用 的 扩 充 方 法 ： 选 用 专 门 的 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 接 口 电 路 I/O信 号 的 交 换 方 式 ： 中 断 控 制 读 取 I O方 式 直 接 存 储 器 存 取 方 式 通 道 设 计系 统 I/O通 道 ： 数 字 量 I/O通 道 开 关 量

4、I/O通 道 模 拟 量 I/O通 道 脉 冲 量 I/O通 道 在 总 体 设 计 中 ， 应 确 定 本 系 统 应 设 置 什 么 样 的 通 道 、 每 个 通 道由 几 部 分 组 成 ， 各 部 分 选 用 什 么 器 件 等 。 操 作 员 控 制 台 设 计 包 括 ： 各 种 转 换 开 关 、 按 钮 、 键 盘 、 数 字 显 示 器 、 状 态 故 障 指示 灯 等 。 可 靠 性 设 计 五 、 软 件 设 计 软 件 系 统 软 件应 用 软 件组 织 应 用 软 件 的 内 容 及 步 骤 ： 确 定 具 体 要 求 软 件 规 划 程 序 编 制 软 件 调 试

5、 善 后 工 作 确 定 具 体 要 求 管 理 要 求 输 入 输 出 要 求 语 言 加 工 要 求 功 能 处 理 要 求 软 件 规 划 模 式 选 择 语 言 选 择 汇 编 语 言 高 级 语 言 确 定 数 据 结 构 划 分 程 序 块 确 定 程 序 编 制 顺 序 内 存 安 排 用 符 号 来 代 替 某 部 分 程 序 的 首 址 。 粗 略 估 算 各 部 分 容 量 根 据 具 体 情 况 对 内 存 作 精 确 安 排 程 序 编 排 和 分 配 软 件 装 配 和 总 调 软 件 设 计 的 善 后 工 作 六 、 系 统 联 调 硬 件 软 件 功 能 分 配

6、 与 协 调大 量 使 用 硬 件 会 增 加 成 本 ， 影 响 系 统 可 靠 性 ； 增 加 软 件 ， 系统 速 度 相 应 降 低 。 第 二 节 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 软 件 一 、 软 件 的 分 类软 件 系 统 软 件应 用 软 件 操 作 系 统语 言 加 工 系 统诊 断 系 统 控 制 程 序数 据 采 集 及 处 理 程 序巡 回 检 测 程 序数 据 管 理 程 序 编 辑 程 序编 译 程 序连 接 、 装 配 程 序调 试 程 序子 程 序 库 数 据 可 靠 性 检 查 程 序A D转 换 及 采 样 程 序 数 字 滤 波 程 序 线 性

7、化 处 理 程 序 数 据 采 集 程 序 越 限 报 警 程 序 事 故 预 告 程 序 画 面 显 示 程 序 二 、 应 用 程 序 的 语 言 选 择 及 设 计 步 骤 1、 语 言 选 择 机 器 语 言 汇 编 语 言 高 级 语 言 2、 应 用 程 序 的 设 计 步 骤 和 方 法 应 用 程 序 设 计 的 五 个 步 骤 ： 问 题 定 义 程 序 设 计 编 码 调 试 改 进 和 再 设 计 程 序 设 计 通 常 采 用 模 块 程 序 设 计 法 和 结 构 程 序 设 计 法结 构 化 程 序 设 计 基 本 思 想 的 三 种 基 本 结 构 表 示 ： 顺

8、 序 结 构 选 择 结 构 循 环 结 构 三 、 高 级 语 言 和 汇 编 语 言 的 混 合 编 程1、 混 合 语 言 编 程 的 基 本 概 念 1） 程 序 接 口在 一 种 语 言 程 序 中 调 用 由 其 他 语 言 编 写 的 程 序 模 块 。 2） 命 名 约 定为 了 解 决 不 同 语 言 对 名 称 标 识 符 的 不 同 处 理 ， 对 目 标 文 件 名 长度 的 不 同 限 制 的 约 定 。 3） 调 用 约 定在 两 种 程 序 语 言 中 为 实 现 彼 此 调 用 而 建 立 的 一 种 协 定 ， 它 具 体对 应 了 一 个 函 数 、 一 个

9、 过 程 或 者 是 一 个 子 程 序 的 调 用 过 程 。 4） 参 数 传 递 约 定 在 定 义 或 说 明 时 用 形 式 参 数 ， 调 用 时 则 替 换 成 实 际 参 数 . 参 数 传 递 方 式 ： 传 值 传 址 传 名 传 结 果 2、 C语 言 程 序 对 汇 编 语 言 程 序 的 调 用 1） C语 言 程 序 中 的 接 口 处 理 命 名 约 定 调 用 约 定 参 数 传 递 约 定 2） 汇 编 语 言 中 的 接 口 处 理 在 定 义 和 编 写 汇 编 语 言 程 序 的 被 调 用 过 程 时 ， 应 以 下 划线 开 头 ， 并 用 PUBL

10、IC说 明 . 如 果 C语 言 程 序 以 巨 型 、 大 型 、 存 储 模 式 编 译 ， 被 C语言 调 用 的 汇 编 过 程 应 说 明 成 fa； 小 型 、 紧 凑 型 存 储 模 式 编 译 ，被 调 用 的 汇 编 过 程 应 说 明 成 NEAR。 考 虑 调 用 约 定 在 被 C语 言 调 用 的 汇 编 过 程 中 用 指 令 RET返 回 ， 而 在BASIC等 其 他 语 言 中 要 求 用 指 令 RETn返 回 。 根 据 缺 省 默 认 ， C语 言 的 参 数 传 递 方 式 是 传 值 ， 但 数 组 总是 采 用 传 址 方 式 。 3、 汇 编 语

11、 言 程 序 对 C语 言 程 序 的 调 用 1） 命 名 约 定 2） 调 用 约 定 3） 参 数 传 递 的 方 式4、 微 型 计 算 机 控 制 系 统 的 研 制 工 具利 用 联 机 仿 真 器 可 以 实 现 以 下 开 发 手 段 ： 1） 系 统 实 时 仿 真 2） 资 源 借 调 3） 控 制 系 统 综 合 设 计 和 调 试 三 、 常 用 应 用 程 序 设 计1、 数 字 滤 波 器 算 术 平 均 值 滤 波 Nk kXNY 11算 术 平 均 值 滤 波 程 序 流 程 图 中 值 滤 波中 值 滤 波 程 序 流 程 图 一 阶 滞 后 滤 波 1)1(

12、 kkk ayxay一 阶 滞 后 滤 波 程 序 流 程 图 程 序 判 断 滤 波 限 幅 滤 波限 幅 滤 波 程 序 流 程 图 限 速 滤 波 限 速 滤 波 程 序 流 程 图 2、 线 性 化 处 理 分 段 线 性 插 值 )(11 iii iii xxxx yyyy 3、 数 码 显 示两 位 十 进 制 数 显 示程 序 流 程 图 4、 越 限 报 警 处 理 程 序 5、 PID控 制 算 法 程 序 第 五 节 炉 温 控 制 系 统电 阻 炉 微 型 计 算 机 温 度 控 制 系 统 的 设 计 。一 、 系 统 总 体 设 计1、 确 定 系 统 的 控 制 任

13、 务控 制 对 象 ： 电 阻 炉 。设 计 要 求 ： 温 度 在 6001000 范 围 内 连 续 可 控 ； 要 求 系 统 能 够 对 温 度 巡 回 检 测 、 显 示 和 定 时 打 印 。计 算 机 控 制 系 统 应 完 成 的 主 要 任 务 有 ： 温 度 的 闭 环 直 接 数 字 控 制 。 温 度 的 巡 回 检 测 、 显 示 和 定 时 打 印 。 系 统 组 成 ： 微 型 计 算 机 输 入 通 道 输 出 通 道 2、 输 入 输 出 通 道 及 其 接 口 设 计 1） 温 度 检 测 模 拟 输 入 通 道 设 计 特 点 ： 采 用 了 由 V F变

14、 换 器 和 定 时 计 数 器 组 成 的 A D转 换 器 。 V F转 换 输 入 通 道 的 结 构 通 常 为 ： 传 感 器 信 号放 大 器 V/F 光 电耦 合 器 CPU小 信 号V I 010V f 设 V F变 换 器 的 额 定 输 出 频 率 为 F， 计 数 器 对 输 出 脉 冲 的计 数 时 间 为 Ts， A D转 换 结 果 的 分 辨 率 为 i， 则 有 ： 取 Ts 1s， 则 在 V F的 输 出 频 率 范 围 0 10kHz内 ， 可 以得 到 13位 的 A D转 换 结 果 。 sis FT 2 2) 晶 闸 管 数 字 触 发 输 出 通

15、道 设 计 晶 闸 管 简 介晶 闸 管 (可 控 硅 整 流 器 ) 功 率 放 大 器 件 。 IG iA + VAK -R+ US_晶 闸 管 的 工 作 方 式 有 ： 调 压 方 式 调 功 方 式调 压 方 式 ： 是 通 过 利 用 移 相 触 发 脉冲 调 节 晶 闸 管 的 导 通 角 ， 使 输 入 到电 加 热 元 件 的 电 压 改 变 ， 达 到 调 节用 电 器 的 输 入 功 率 ， 来 实 现 控 制 目的 。 导通角 调 功 方 式 ： 触 发 电 路 采 用 的 是 过 零 触 发 方 式 ， 外 加 正 弦 电 压过 零 时 控 制 信 号 才 使 晶 闸

16、 管 的 触 发 导 通 ， 则 负 载 上 得 到 的 电压 是 一 个 正 弦 波 。调 功 方 式 输 入 电 炉 的 平 均 功 率 为 ： RUNnP 2P输 入 电 炉 的 功 率 ； R负 载 有 效 电 阻 ； U电 网 电 压 ；n允 许 导 通 的 波 头 数 ； N设 定 的 波 头 数 。 当 n 0时 ， 电 炉 的 输 入 功 率 为 零 ； n N， 电 炉 的 输 入 功 率 为 满 功 率 。 晶 闸 管 数 字 触 发 输 出 通 道 设 计过 零 检 测 同 步 脉 冲 电 路 ：电 网 电 压 同 步 脉 冲 3) 拨 码 盘 给 定 输 入 通 道拨

17、码 盘 作 为 数 字 量 的 输 入 设 备 ， 设 定 和 修 改 码 盘 值 可 作 为 控制 系 统 的 给 定 值 。输 入 非 数 字 信 息 时 ， 需 要 事 先 将 非 数 字 信 息 转 换 为 数 字 代 码 ，再 由 拨 码 盘 输 入 。 4) 数 码 显 示 输 出 通 道包 括 ： 数 字 量 输 出 接 口 电 路 锁 存 译 码 驱 动 电 路 七 段 数 码 管 显 示 器炉 温 显 示 ： 一 位 显 示 温 区 代 号 ， 四 位 显 示 4位 温 度 值 ； 网 带 速 度 显 示 ： 一 位 显 示 网 带 速 度 代 号 ， 四 位 显 示 网 带

18、 速 度 。 5) 打 印 机 输 出 通 道 系 统 配 置 了 通 用 打 印 机 接 口 电 路 。 打 印 内 容 包 括 表 头 、 制 表 、 采 样 数 据 和 采 样 时 间 。 二 、 微 型 计 算 机 选 择 控 制 系 统 选 取 采 用 STD总 线 标 准 的 模 块 式 工 业 控 制 计 算 机 。本 系 统 ： 主 机 板 采 用 8031单 片 机 多 功 能 CPU模 板 。 配 置 了 显 示 及 操 作 面 板 接 口 模 板 ， 打 印 机 接 口 模 板 。 非 通 用 数 字 触 发 控 制 模 板 反 馈 通 道 的 V F变 换 及 A D转

19、 换 模 板 ， 三 、 控 制 算 法 设 计 整 个 系 统 属 于 多 变 量 系 统 ， 其 数 学 描 述 传 递 矩 阵 为 ： )()( )()()( 6,61,6 6,11,1 sgsg sgsgsG 6,1 6,11)( )()( , , jisTeKsU sysg ji sjijiji ji其 中 ：离 散 后 可 近 似 为 ： )()1()( mkBUkAYkY 式 中 ： y(k) 6 6矩 阵 ； U（ k） 6 1矩 阵 ； A 6 6矩 阵 ； B 6 6矩 阵 。 对 于 系 统 的 每 一 个 温 区 ， 其 简 化 动 态 结 构 ： 广 义 传 递 函

20、数 为 ： sTKesesG DsTsi 11)( 广 义 脉 冲 传 递 函 数 为 ： 1/ /11 )1(11)()( ze ezKsTKesezsGzzG D DTT TTNDsTs 系 统 的 闭 环 脉 冲 传 递 函 数 为 ： 1/ 1/1 )1()( ze zez CCTT NTT 数 字 控 制 器 的 脉 冲 传 递 函 数 为 ： )1(1)1( )1)(1( )(1)( )()( 1/1/ /1/ NTTTTTT TTTT zezeeK ezezzG zzD CCD CD进 一 步 简 化 为 ： 1 211 1101)( Nzbzb zaazD CD CDD CDC

21、 TTTT TTTTTT TTTTTT ebeK eea ebeK ea /2/ )/()/(/1 /1/0 1;)1( ;)1(1 式 中 ： 差 分 化 后 得 到 控 制 器 差 分 方 程 ： )1()()1()1()( 1021 kEakEaNkUbkUbkU 四 、 硬 件 设 计硬 件 电 路 设 计 有 ： 前 级 放 大 器 及 多 路 模 拟 转 换 开 关 。 A D转 换 模 板 。 数 字 触 发 控 制 模 板 。 五 、 软 件 设 计 系 统 控 制 程 序 的 任 务 系 统 初 始 化 。 多 路 模 拟 转 换 开 关 的 切 换 控 制 。 温 度 反

22、馈 信 号 采 样 和 数 字 滤 波 、 线 性 化 处 理 。 读 给 定 输 入 值 ， 且 将 BCD码 转 换 为 二 进 制 码 。 完 成 系 统 的 控 制 算 法 和 控 制 输 出 。 定 点 或 巡 回 显 示 温 度 值 。 定 时 打 印 时 间 、 温 度 。 系 统 控 制 程 序 的 模 块 化按 控 制 功 能 将 程 序 分 成 三 个 程 序 模 块 ： 系 统 初 始 化 程 序 模 块系 统 初 始 化 包 括 ： 设 置 堆 栈 清 除 动 态 数 据 缓 冲 区 初 始 化 打 印 缓 冲 区 设 置 8253计 数 器 的 控 制 字 和 计 数

23、 初 始 值 设 置 时 钟 系 统 的 初 始 值 设 置 控 制 算 法 程 序 的 初 始 值 系 统 中 断 控 制 初 始 化 等 外 部 中 断 服 务 程 序 模 块中 断 服 务 程 序 的 任 务 ： 读 取 A D转 换 结 果 ， 以 BCD码 的 形 式 送 到 数 码管 中 显 示 。 读 取 温 度 给 定 值 并 将 BCD码 转 换 为 二 进 制 码 。 外 部 中 断 产 生 ls钟 内 ， 将 多 路 模 拟 转 换 开 关 切 换到 下 一 个 通 道 。 定 时 打 印 程 序 模块 程 序 内 容 ： 实 时 时 钟 程 序 根 据 设 定 时 间 完成 打 印 控 制 系 统 控 制 程 序 的 结 构