机电一体化系统设计 微机控制的选择与设计

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1、1 机电一体化系统的微机控制系统的机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计选择与设计微机控制系统微机控制系统；8086/8088微机的硬件结构特点；微机的硬件结构特点；单片机的结构特点及其最小应用系统单片机的结构特点及其最小应用系统；数字显示器及键盘的接口电路；数字显示器及键盘的接口电路；微机应用系统的输入微机应用系统的输入/ /输出控制的可靠性设计输出控制的可靠性设计。常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口24 41 1 专用与通用的抉择、硬件与软件的专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡权衡控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式控制系统

2、的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的和动作控制方式的问题问题。 1 1 微机控制系统专用与通用的抉择微机控制系统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。专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。345专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用ICIC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。在一块或几块芯片上。对于多品

3、种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于对于多品种、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。行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。上编制应用软件的问题。实质，这就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用实质，这就是通过接口设计和软件编制来使通用

4、微机专用化的问题。化的问题。6 2 2 硬件与软件的权衡硬件与软件的权衡例如例如运算与判断处理运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而在其余大多等，适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用数情况下对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据常要根据经济性和可靠性的标准权衡经济性和可靠性的标准权衡决定。决定。在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。

5、力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。 74 42 2 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路1 1、确定系统整体控制方案、确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从整体方案。通常，先从系统构成系统构成上考虑是采用开环控制还上考虑是采用开环控制还是闭环控制。当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传是闭环控制。当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。感元件，检测精度要求如何。其次考虑其次考虑执行元件执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动。采用何种方式，是电动、气动

6、还是液动。比较其方案的优缺点，择优而选比较其方案的优缺点，择优而选第三要考虑是否有第三要考虑是否有特殊控制特殊控制要求，对于具有高可靠性、高要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统，应采取哪些措施精度和快速性要求的系统，应采取哪些措施8第四是第四是 考虑考虑微机微机在整个控制系统中的在整个控制系统中的作用作用，是设定计算、，是设定计算、直接控制还是数据处理微机应承担哪些任务，为完成这直接控制还是数据处理微机应承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些功能，需要哪些输入些任务微机应具备哪些功能，需要哪些输入/ /输出通道、输出通道、配备哪些外围设备。配备哪些外围设备。2 2 确定控制算法

7、确定控制算法所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。由此推出所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。由此推出控制算法。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。所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制。每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。例如，机系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。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；位置数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控控制算法；位置数字伺服系统

8、中常用实现最少拍控制的控制算法。另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制制算法。另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法和自适应控制的控制算法93 3 选择微型计算机选择微型计算机对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟输出通道和实时时钟等要求。等要求。1)1)较完善的中断系统。较完善的中断系统。微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包微型计

9、算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；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。出现异常或紧急情况二是在发生故障时紧急处理的能力。出现异常或紧急情况时应报警和处理时应报警和处理102)2)足够的存储容量。足够的存储容量。由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。3)3)完备的输入输出通道和实时时钟。完备的输入输出通道和实时时钟。开关量输开关量输入入

10、输出通道；模拟量输入输出通道；模拟量输入/ /输出通道；同时具输出通道；同时具有开关量输入输出通道和模拟量输入有开关量输入输出通道和模拟量输入/ /输出通道输出通道11选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：1)1)字长。字长。微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的影响数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。时间。对于通常的顺序控制、程序控制可选

11、用对于通常的顺序控制、程序控制可选用1 1位位微处理器。微处理器。对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用4 4位位机机( (如计算器、家用电器及简单控制等如计算器、家用电器及简单控制等) )。对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8 8位位机机( (如线切割机床等普通机床控制、温度控制等如线切割机床等普通机床控制、温度控制等) )。对于计算精度高、处理速度快的系统可选用对于计算精度高、处理速度快的系统可选用1616位位机机( (如控制如控制算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控

12、制、特算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的数据处理等别大量的数据处理等) )。12 2)2)速度。速度。速度的选择与字长的选择可一并考虑。速度的选择与字长的选择可一并考虑。通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。例如，对于反应缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速例如，对于反应缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等。必须用高速的微处理机。制等。必须用高速的微处理机。 3)3)指令。指令。指令条数越多，针对特定操

13、作的指令就多，这样会使程序量指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快减少，处理速度加快。13单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分的四个基本组成部分(CPU(CPU、EPROMEPROM、RAMRAM和和I IO O接口接口) )，具有，具有价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。选择微机时，还应选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充考虑成本高低、

14、程序编制难易以及扩充输入输入/ /输出接口是否方便等因素输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。单板机，还是选用微型计算机系统。 单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现场使用，便于维护和管理。现场使用，便于维护和管理。其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外使用机器语使用机器语言编程言编程，编程和调试比较困难。，编程和调试比较困难。14微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言

15、编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大语言编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有软且有软( (硬硬) )磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。其缺点是成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能其缺点是成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充分利用系统机的全部功能，充分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差抗干扰能力差。4 4 系统总体设计系统总体设计 在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、

16、被控制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换被控制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑行。设计中主要考虑硬件和软件功能的分配和协调、接口硬件和软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。15 (1)(1)接口设计接口设计通常有下述三种方法可供选用。通常有下述三种方法可供选用。1)1)选用功能接口板。选用功能接口板。在功能接口板上，有多组并在功能接口板上，有多组并( (串串) )行数字

17、量输入输出通道，行数字量输入输出通道，或多组模拟量输入输出通道。或多组模拟量输入输出通道。采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统。大的系统。2)2)选用通用接口电路。选用通用接口电路。在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与性与CPUCPU的连接方法、编程控

18、制方法就可进行任意扩展。的连接方法、编程控制方法就可进行任意扩展。16 3)3)用集成电路自行设计接口电路。用集成电路自行设计接口电路。在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便、价廉。模集成电路扩充接口更方便、价廉。例如，一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用例如，一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用74LS13874LS138译码器和译码器和74LS24474LS244三态缓冲器等组成输入接口，也三态缓冲器等组成输入接口，也可用可用74LS13874LS138译码器和译码器和74LS37374LS373

19、锁存器等组成输出多组数据锁存器等组成输出多组数据的输出接口。的输出接口。接口设计包括两个方面的内容：接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入二是安排通过各接口电路输入/ /输出端的输入输出端的输入/ /输出信号，输出信号，选定各信号输入选定各信号输入/ /输出时采用输出时采用何种控制方式何种控制方式。1718如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取则要增加直接存储器存取(DMA)(

20、DMA)控制器作为辅助电路加控制器作为辅助电路加到接口。到接口。(2)(2)通道设计通道设计 输入输入/ /输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入件。每个控制系统都要有输入/ /输出通道。输出通道。一个系统中可能要有一个系统中可能要有开关量的输入开关量的输入/ /输出通道、数字量的输出通道、数字量的输入输入/ /输出通道或模拟量的输入输出通道或模拟量的输入/ /输出通道输出通道。在总体设计中。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分需要什么样

21、元器件等。各部分需要什么样元器件等。19转换、保护、转换、保护、滤波、隔离滤波、隔离等措施转换等措施转换成计算机能成计算机能接受的逻辑接受的逻辑信号信号20210-10mv4-20mv22模拟量输出通道模拟量输出通道23(3)(3)操作控制台设计操作控制台设计微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。设计一个现场操作人员使用的控制台。操作员控制台一般应有下列一些功能：操作员控制台一般应有下列一些功能：有一组或几组数据输入键有一组或几组数据输入键( (数字键或拨码开关等数字键或拨码开关等) )，用于，用于输入或更新给

22、定值、输入或更新给定值、更改控制器参数或其它必要的数据；更改控制器参数或其它必要的数据；有有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能；起动、停止或完成某种指定的功能；有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等；故障指示等；24控制板上应有一个控制板上应有一个“急停急停”按钮，用于在出现事故时停止按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。系统运行，转入故障处理。应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工应当指出，控制台上每一数字信号或

23、控制信号都与系统的工作息息相关，设计时必须作息息相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义，仔细设计，仔细设计控制台硬件及其相应的控制台管理程序使设计的操作控制控制台硬件及其相应的控制台管理程序使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，台既方便操作又安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后即使操作失误也不会引起严重后果。果。 2526272829303132335 5 软件设计软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用系统软件和应用

24、软件软件。系统软件系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统。通常这些软件一般不需要用户设计，对用户来说，基本统。通常这些软件一般不需要用户设计，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。上只须了解其大致原理和使用方法就行了。应用软件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都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。件设计。控制系统对应用软件的要求是控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和实时性、针对性、灵活性和通用性。通用性。对于工业控制系统来说由于是对于工业控制系统来说由于是实时实时控制系统，

25、所以要求应控制系统，所以要求应用软件能够在对象用软件能够在对象允许的时间间隔内允许的时间间隔内进行控制、运算和处进行控制、运算和处理。理。34应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计。序都是根据一个具体系统的要求设计。1)1)模块化程序设计法。模块化程序设计法。在微机控制系统中，大体上可以分为在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理数据处理和和过程控过程控制制两大基本类型。两大基本类型。数据处理主要是数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值计算数值计算等。等

26、。过程控制程序主要过程控制程序主要是使微机按照指定的方法是使微机按照指定的方法( (如如PIDPID或直或直接数字控制接数字控制) )进行计算，然后再输出进行计算，然后再输出，以便控制生产过程。，以便控制生产过程。所谓所谓“模块模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。35 2)2)结构化程序设计法结构化程序设计法结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操

27、作限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序。顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序。常用的结构有常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。366 6 系统调试系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为调试步骤为硬件调试一软件调试一系统调试。硬件

28、调试一软件调试一系统调试。硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在无误，然后固化在EPROMEPROM中；中；系统调试系统调试( (联调联调) )主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误验，正确无误, ,然后进行现场试验，直至正常运行为止。然后进行现场试验，直至正

29、常运行为止。374 41 13 3 微型计算机的系统构成及种类微型计算机的系统构成及种类1 1 微型计算机的系统构成微型计算机的系统构成 人们常用人们常用“微机微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机即微处理机( (微处理器微处理器) )、微型计算机、微型计算机系统的、微型计算机、微型计算机系统的统称。统称。微处理机微处理机(Microprocessor)(Microprocessor)简称简称PP或或CPUCPU。它是一个大规。它是一个大规模集成电路模集成电路(LSI)(LSI)器件或超大规模集成电路器件或超大规模集成电路(VLSI)(VLSI)器

30、件器件. .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件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行辑，可以执行机器语言机器语言描述的系统指令，是完成计算机对描述的系统指令，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。的计算机。38微型计算机微型计算机(Microcomputer)(Microc

31、omputer)简称简称MCMC或或c,c,它是以微处理机它是以微处理机(CPU)(CPU)为中心，加上只读存储器为中心，加上只读存储器(ROM)(ROM)、随机存取存储器、随机存取存储器(RAM)(RAM)、输入、输入/ /输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。组成的计算机。微型计算机系统微型计算机系统(Microcomputer system)简称简称MCS:将将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为为微型计算机系统微型计算机系统图图4. 1 4. 1 为微处理机、微型计

32、算机、微型计算机系统为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。的相互关系。微型计算机的基本硬件构成微型计算机的基本硬件构成如图如图4 .24 .2所示所示3940412 2微型计算机的种类微型计算机的种类 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进行分类。的用途范围来进行分类。(1)(1)按组装形式分类按组装形式分类 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。机系统等。单片机单片机在一块集成电路芯片在一块集成电路芯片(LSI)(LSI)上装有上装有CPUCPU

33、、ROMROM、RAMRAM以及输以及输入入/ /输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机(SCM(SCMSingle Chip Microcomputer)Single Chip Microcomputer)简称单片机，例简称单片机，例如如IntelIntel公司的公司的MCS48MCS48系列、系列、5151系列、系列、9696系列等。其外观系列等。其外观如图如图4.34.3所示。所示。4243特点特点: :v集成度高、功能强、通用性好集成度高、功能强、通用性好; ;v具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，v

34、可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点使用使用: :它很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程控制它很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程控制自动化，在不显著增加机电一体化系统自动化，在不显著增加机电一体化系统( (或产品或产品) )的体积、能的体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能随着单片机性能的提高和功能的增强随着单片机性能的提高和功能的增强, ,目前，单片机已广泛目前，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、应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办

35、公室自动化产品、机器人等机电一体化产品上机器人等机电一体化产品上. .44 2)2)单板机。单板机。如图如图4 .44 .4所示，将微型计算机的基本体系所示，将微型计算机的基本体系CPUCPU、一定容量的、一定容量的ROMROM和和RAMRAM、输入、输入/ /输出端口输出端口(I(IO O电路电路) )以及一些辅助电路分以及一些辅助电路分别作成别作成LSILSI芯片，并将它们配置在芯片，并将它们配置在一块印制电路板上一块印制电路板上，用电，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机就叫做单板微缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机就叫做单板微型计算机，简称单板机。型计算机，简称单板机。例

36、如例如TP801TP801是以是以8 8位微处理器位微处理器( (如如Z80)Z80)为核心组装的为核心组装的8 8位单板机，位单板机，SDK 86SDK 86是以是以1616位微处理器位微处理器(Intdel8086(Intdel80868088)8088)为中央处理器为中央处理器组装的组装的1616位单板机。位单板机。4546在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器，可完成一些简单的数据处理和编辑功能。显示器，可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低，在简易数控用单板机实现机电产品的机

37、电一体化成本较低，在简易数控机械设备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。机械设备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。 3)3)微型计算机系统微型计算机系统根据需要，将微型计算机、根据需要，将微型计算机、ROMROM、RAMRAM、I IO O接口电路、电接口电路、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，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、再配上键盘、CRTCRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多显示器、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型种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微型计

38、算机系统。计算机系统。47如目前国内使用较多的如目前国内使用较多的IBMIBMPC(PC(如如IBM PCXTIBM PCXT、8028680286，8038680386、8048680486、8058680586、PIIPII、PP、PP等等) )：CROMEMCOCROMEMCO公司的公司的SystemISystemI、等都是多板微型计算机系统，等都是多板微型计算机系统，如图如图4. 54. 5所示。所示。48(2)(2)按微处理机位数分类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、按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和

39、位和6464位等机种。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送数据的总线宽度。(3)(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。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对单片机来说，可分为通用型和专用型49工业控制计算机简介工业控制计算机简介工业控制计算机系统硬件组成的一般形式工业控制计算机系统硬件组成的一般形式用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检测传感装置的输入，

40、并把处理结果输出到执行机构来控制生测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构来控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称“工业控制机工业控制机”或或“工控机工控机”典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两大部分组成，大部分组成，即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程输入输出的过程输入输出(IO)子系统子系统5051工业控制机分类工业控制机分类 1可编程序控制器可编程序控制器(PLC) PLC

41、是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。 PLC是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来自工业现场的信号。自工业现场的信号。PLC的典型结构的典型结构如图所示如图所示。PLC主要功能有：条件控制即逻辑运算功能，定时控制，计主要功能有：条件控制即逻辑运算功能，定时控制，计数控制，步进控制，数控制，步进

42、控制，AD、DA转换。数据处理和级间通转换。数据处理和级间通讯等。讯等。 PLC的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，积木式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。积木式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。52532单回路调节器单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图所示。单回路调节器的基本构成方案如图所示。它要处理数字和模拟两种基本信号它要处理数字和模拟两种基本信号外部接口衔接器外部接口衔接器(Peripheral Interface Adapter，简称简称PIA)54单回路调节器多用于过程控制系统，其控制算法多采用单回路调节器多用于

43、过程控制系统，其控制算法多采用PID算法，可取代模拟控制仪表算法，可取代模拟控制仪表单回路调节器的主要特点是：单回路调节器的主要特点是： (1)实现了仪表和计算机一体化；实现了仪表和计算机一体化； (2)具有丰富的运算和控制功能；具有丰富的运算和控制功能； (3)有专用的系统组态器；有专用的系统组态器； (4)人一机接口灵活；人一机接口灵活； (5)便于级间通信；便于级间通信； (6)有继电保护和自诊断功能。有继电保护和自诊断功能。目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能自学习、

44、自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能的提高，加速了仪表的更新换代。目前，单回路调节器已成的提高，加速了仪表的更新换代。目前，单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领域。功地应用到各种过程控制领域。553总线式工业控制机总线式工业控制机 总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，由包括主机在内的各种计，由包括主机在内的各种IO接口功能模板组成的计算机。接口功能模板组成的计算机。例如，例如，PC总线工业控制计算机、总线工业控制计算机、STD总线工业控制计算机以总线工业控制计算机以及及QBUs、Multibus、VME bus

45、、PCL总线等。总线等。总线式工业控制机的典型结构总线式工业控制机的典型结构如图所示如图所示。总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点：点：(1)取消，计算机系统母板；取消，计算机系统母板； (2)采用开放式总线结构；采用开放式总线结构； (3)各种各种IO功能模板可直接插在总线槽上：功能模板可直接插在总线槽上： (4)选用工业化电源；选用工业化电源； (5)可按控制系统的要求配置相应的模板；可按控制系统的要求配置相应的模板； (6)便于实现最小系统。便于实现最小系统。5657 目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传

46、目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机床等方面动、数控机床等方面STD总线工控机及总线工控机及PC总线工业控制机都总线工业控制机都有成功的经验。有成功的经验。4分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集散控制系统。它是利用计算机技术对生产过程进行集称为集散控制系统。它是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。中监视、操作、管理和分散控制。 集散控制系统采用集散控制系统采用标准化、模块化和系列化标准化、模块化和系列化设计，由设计，由过程过程控制级

47、、控制管理级和生产管理控制级、控制管理级和生产管理组成。它是一个以通信网络组成。它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示操作管理，控制相对分散的多级计算为纽带，采用集中显示操作管理，控制相对分散的多级计算机网系统结构，具有配置灵活、组态方便等优点。典型的具机网系统结构，具有配置灵活、组态方便等优点。典型的具有三层结构模式的集散型控制系统有三层结构模式的集散型控制系统如图所示如图所示。5859集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石制及监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石油化工类

48、企业中都有成功的应用的实例。油化工类企业中都有成功的应用的实例。604 42 80862 808680888088微机的硬件结构特点微机的硬件结构特点在在PCPC系列微机中，应用较广泛的是系列微机中，应用较广泛的是IntelIntel公司的公司的8686系列。系列。而而8086808680888088是是IntelIntel系列的系列的1616位位/ /准准1616位微机，是位微机，是8686系列系列微机微机( (包括包括PentiumPentium和和PentiumProPentiumPro高性能奔腾高性能奔腾) )发展的基础。发展的基础。80868086与与80888088的内部结构类似，

49、都由算术逻辑单元的内部结构类似，都由算术逻辑单元ALUALU、累加、累加器、专用和通用寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时器、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。器控制电路等组成。 4 42 21 80861 80868088CPU8088CPU的主要结构特点的主要结构特点1)80861)808680888088的内部体系结构。的内部体系结构。其内部的运算器、寄存器及内部数据总线都为其内部的运算器、寄存器及内部数据总线都为1616位，其外位，其外部数据总线则不同：部数据总线则不同：80868086为为1616位、位、80888088为为8 8位。位。612)2)指令

50、系统功能强。指令系统功能强。80868086有有100100多条指令，能完成数据传送、算术运算多条指令，能完成数据传送、算术运算( (包括乘包括乘法除法法除法) )、循环移位、字符串操作、控制传送和处理器管理、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。制或十进制的方式进行运算。3)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。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。4)204)20位地址线。位地址线。寻址范围可达寻址范围可达1 048 5761 0

51、48 576字节字节( (即即1 M1 M字节字节) )的存储空间。的存储空间。5)165)16位位I IO O端口地址线。端口地址线。可寻址可寻址64 K64 K端口地址端口地址。626)6)中断功能强。中断功能强。可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达256256个。个。7)7)具有管理具有管理DMADMA操作和多处理器工作的能力。操作和多处理器工作的能力。4 42 22 80862 80868088CPU8088CPU的最大与的最大与最小工作模式最小工作模式808680868088CPU8088CPU的这两种模式是由的这两种模式是由C

52、PUCPU内部的硬件结构决定内部的硬件结构决定的。当的。当CPUCPU的引脚的引脚MNMNMXMX接到接到+5 V+5 V时，时，8086808680888088工作于最工作于最小模式小模式MNMN MXMX接地，接地，8086808680888088则工作于最大模式。则工作于最大模式。63所谓最小工作模式所谓最小工作模式是指单处理器系统，即系统中只有是指单处理器系统，即系统中只有80868086或或80888088一个微处理器。一个微处理器。在这种系统中，在这种系统中，8086808680888088提供所有的总线控制信号，因此，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

53、少。系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。最大工作模式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，系统的控制信号由的控制信号由总线控制器总线控制器提供。在提供。在8086808680888088最大工作最大工作模式系统中，主处理器为模式系统中，主处理器为8086808680888088，其它处理器称为，其它处理器称为协处理器。与协处理器。与8086808680888088配合的协处理器有两个，一个配合的协处理器有两个，一个是数值协处理器是数值

54、协处理器80878087，一个是输入输出协处理器，一个是输入输出协处理器80898089。6480878087是一种专用于数值运算的处理器，能实现多种类型的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越函数( (如三角函数、对数函数如三角函数、对数函数) )的计算。的计算。 80898089有一套专门用于输入输出操作的指令系统，它可以有一套专门用于输入输出操作的指令系统，它可以直接为输入输出设备服务，使直接为输入输出设备服务，使8086808680888088不再承担这类不再承担这类工作

55、。所以，在系统中加入工作。所以，在系统中加入80898089后，会明显提高主处理器后，会明显提高主处理器的效率，尤其是在输入输出频繁的场合。的效率，尤其是在输入输出频繁的场合。 4 42 23 80863 808680888088引脚的功能定义引脚的功能定义808680868088CPU8088CPU是一个具有是一个具有4040根引脚、双列直插式结构根引脚、双列直插式结构LSILSI芯片。芯片。图图4 46 6为为808680868088CPU8088CPU的引脚功能定义。的引脚功能定义。651 1、地址、地址/ /数据复数据复用线用线2、地址地址/ /状状态复用线态复用线3 3、高、高8 8

56、位总线允许位总线允许/ /状态状态保持请求保持请求/ /保持响应保持响应数据发送数据发送/ /接受信号接受信号66其引脚可以分成其引脚可以分成五种类型五种类型：只传送固定信息的引脚。如引脚只传送固定信息的引脚。如引脚3232为读信号面，其传递为读信号面，其传递的信息是固定的。的信息是固定的。电平的高低代表不同信息的引脚。如引脚电平的高低代表不同信息的引脚。如引脚3333为为MNMNMXMX，其高电平为最小工作模式，低电平为最大工作模式。其高电平为最小工作模式，低电平为最大工作模式。在最大和最小工作模式下有不同定义的引脚；在最大和最小工作模式下有不同定义的引脚；每一个引脚可传送两种信息即在不同时

57、刻传送不同信息每一个引脚可传送两种信息即在不同时刻传送不同信息的引脚。的引脚。一般称这类引脚为分时复用引脚，如一般称这类引脚为分时复用引脚，如ADAD。AD15AD15，是地址，是地址和数据的分时复用线，和数据的分时复用线，A A代表地址，代表地址，D D代表数据。代表数据。输入和输出分别传送不同信息的引脚。如引脚输入和输出分别传送不同信息的引脚。如引脚3131为为RQRQGTGT0 0，输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许信号。，输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许信号。67ADl5ADl5ADo(Address Data Bus)(ADo(Address Data Bus)(地

58、址数据总线地址数据总线) ) 输入输入输出、三态、分时复用。输出、三态、分时复用。每个周期开始时每个周期开始时(T1)(T1)用作地址总线，输出存储器或用作地址总线，输出存储器或I IO O口口地址，然后地址，然后80868086内部的一个多路开关将它转换成数据总线内部的一个多路开关将它转换成数据总线Dl5Dl5D0D0，用来传输数据，直到总线周期结束。在，用来传输数据，直到总线周期结束。在DMADMA方式，方式，这些信号线悬空。这些信号线悬空。A19A19S6S6、A18A18S5S5、A17A17S4S4、A16A16A3(AddressA3(AddressStatus)(Status)(

59、地址状态线地址状态线) ) 三态输出、分时输出地址和状态。三态输出、分时输出地址和状态。S6S6始终为低电平，即恒等于零；始终为低电平，即恒等于零；S5S5表明中断允许标志位的表明中断允许标志位的状态，状态，S5=1S5=1时表明时表明CPUCPU可以响应中断的请求，可以响应中断的请求，S5=0S5=0时表明禁时表明禁止屏蔽中断。止屏蔽中断。S4S4和和S3S3用于表示当前访问存储器所用的段存用于表示当前访问存储器所用的段存储器，储器， S4S4和和S3S3的编码状态的编码状态见表见表4 41 16869BHE/S7BHE/S7(Bus High Enable(Bus High Enables

60、tatus)(status)(高高8 8位总线允许状位总线允许状态态) ) 输出、三态、低电平有效。输出、三态、低电平有效。在在T1T1时，它用于把数据的高时，它用于把数据的高8 8位送到数据总线位送到数据总线D15D15D8D8。连接。连接到高到高8 8位数据总线上的字长为位数据总线上的字长为8 8位的外设，通常用位的外设，通常用BHEBHE实现选实现选通功能。在通功能。在T2T2、T3T3、T TW W和和T4T4时输出时输出S7S7， S7S7是高电平有效。是高电平有效。在在“保持响应保持响应”时，此引线处于高阻抗状态。时，此引线处于高阻抗状态。BHEBHE和和A A0 0组合可以表示数

61、据总线上传送的信息是字还是字节，组合可以表示数据总线上传送的信息是字还是字节，且可指示字节在哪个且可指示字节在哪个8 8位数据线上传送位数据线上传送( (见表见表4 42 2) )。70HOLD(Hold Request)(HOLD(Hold Request)(保持请求保持请求) ) 输入、高电平有效。它输入、高电平有效。它是总线上的其它主控设备请求使用总线的信号。是总线上的其它主控设备请求使用总线的信号。 HLDA(Hold Acknowledge)(HLDA(Hold Acknowledge)(保持响应保持响应) ) 输出。若输出。若80868086同意同意让出总线，则向发出让出总线，则向

62、发出HOLDHOLD信号的主设备发出此保持响应信号的主设备发出此保持响应HLDAHLDA信号。信号。DT/R(Data TransmitDT/R(Data TransmitReceive)(Receive)(数据发送接收信号数据发送接收信号) ) 输出、三态。它控制双向驱动器的数据传输方向。当它为输出、三态。它控制双向驱动器的数据传输方向。当它为低电平时，低电平时，CPUCPU接收数据；当它为高电平时，接收数据；当它为高电平时，CPUCPU发送数据。发送数据。INTR(Interrupt Request)(INTR(Interrupt Request)(中断请求中断请求) )输入、高电平有输入

63、、高电平有效。效。CPUCPU在每条指令的最后一个时钟周期对它进行取样，在每条指令的最后一个时钟周期对它进行取样，然后决定是否进入中断响应周期。在中断响应周期中，然后决定是否进入中断响应周期。在中断响应周期中，CPUCPU接收中断源发来的中断向量，借助设置在存储器中的接收中断源发来的中断向量，借助设置在存储器中的中断向量表，查到相应的中断服务程序的入口地址。中断向量表，查到相应的中断服务程序的入口地址。 INTA(Interrupt Acknowledge)(INTA(Interrupt Acknowledge)(中断响应中断响应) ) 输出、低电输出、低电平有效。在中断响应周期中，平有效。在

64、中断响应周期中， INTAINTA用作读选通信号。用作读选通信号。71RESET(RESET(复位复位) ) 输入、高电平有效。它至少保持四个输入、高电平有效。它至少保持四个时钟周期的高电平，使时钟周期的高电平，使CPUCPU停止操作，并使内部的标志停止操作，并使内部的标志寄存器、段寄存器和指令队列复位到起始状态。寄存器、段寄存器和指令队列复位到起始状态。READY(READY(准备就绪准备就绪) ) 输入、高电平有效。这是被访问的输入、高电平有效。这是被访问的存储器或存储器或I IO O设备发来的回答信号，表示数据传送已准设备发来的回答信号，表示数据传送已准备就绪。备就绪。若若CPUCPU执

65、行存储器读写或执行存储器读写或I IO O读写操作，而存储器读写操作，而存储器或或I IO O设备没有准备好，则在此线上给出低电平，设备没有准备好，则在此线上给出低电平，CPUCPU自动插入一个或几个等待周期自动插入一个或几个等待周期(Tw)(Tw)，其目的是使，其目的是使CPUCPU能能和各种不同速度的存储器或和各种不同速度的存储器或I I0 0同步。同步。72TEST(TEST(测试测试) ) 输入。当输入。当CPUCPU执行执行WAITWAIT指令时，每隔指令时，每隔5 5个个时钟周期对时钟周期对TESTTEST信号进行一次测试。如果信号进行一次测试。如果TESTTEST是高电平是高电平

66、时，时，CPUCPU则进入踏步状态，重复执行则进入踏步状态，重复执行WAITWAIT指令；如果指令；如果TESTTEST是低电平时，是低电平时，CPUCPU执行下一条指令。执行下一条指令。S S2 2、S S1 1、S S0 0( (总线周期状态总线周期状态) ) 输出。这三条信号线的编输出。这三条信号线的编码表达了码表达了CPUCPU总线的操作性质总线的操作性质( (见表见表4 43 3) )。在最大模式。在最大模式中，中，CPUCPU通过通过82888288总线控制器利用这三个状态信息产生总线控制器利用这三个状态信息产生访问存储器和访问存储器和I IO O的控制信号。的控制信号。7374RQRQGTGT0 0、RQRQGTGT1 1(Request Grant)(Request Grant)(请求同意请求同意) ) 输输入输出、双向。这两条线是在最大方式中总线的请求入输出、双向。这两条线是在最大方式中总线的请求同意信号，是供两个外部处理器用来请求和获得总线同意信号，是供两个外部处理器用来请求和获得总线控制权的。这两个信号的功能和在最小方式中的控制权的。这两个信号的功能和在最小方式中