一章微型计算机控制系统概述.ppt

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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

2、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

3、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）

4、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

5、（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,

6、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：

7、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

8、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

9、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 200

10、0 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

11、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

12、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。

13、,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

14、。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。

15、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

16、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

17、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）,

18、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

19、（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

20、 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

21、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(Loca

22、l 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

23、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 Chi

24、p 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

25、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

26、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C

27、PU,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）S

28、OPC（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

29、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

30、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

31、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,