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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1.1 典型微机控制系统原理图,1.1 微型计算机控制系统的组成,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,111 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 8255、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,2I/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、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,112 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,EDSP)（）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(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、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。,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）,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、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 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，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1.3.4 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,132 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(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,2PLC 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,3PLC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PLC,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IO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）,1FPGA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IO引脚。（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设计软件,3FPGA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,4FPGA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FIFO-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。,FPGADSP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,134 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，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 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,