第五章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2014

1、一、控制系統(tǒng)的地位和要求一、控制系統(tǒng)的地位和要求 控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品最重要的組成部分，相當(dāng)于人的“大腦”，實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能。 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求： 被控制量按規(guī)定的規(guī)律變化，控制系統(tǒng)具備是一個(gè)系統(tǒng)能交付使用的首要條件，包括兩方面的含義，一是絕對(duì)穩(wěn)定性，就是通常所說(shuō)的系統(tǒng)穩(wěn)定；另一方面是相對(duì)穩(wěn)定性，即輸出量振蕩的強(qiáng)烈程度。如何判別系統(tǒng)穩(wěn)定？是要求系統(tǒng)有一定的響應(yīng)速度，即要求被控制量能夠迅速地根據(jù)輸入信號(hào)所規(guī)定的形式變化。用響應(yīng)時(shí)間（tr、 tp、 ts）表示是表示系統(tǒng)控制精度的一項(xiàng)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其響應(yīng)速度經(jīng)過(guò)漸態(tài)過(guò)程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)

2、輸出值與期望值之間的差異，即穩(wěn)態(tài)誤差要小。)()(1)(lim)(lim)(lim00ssssssteeHGREsstss穩(wěn)態(tài)誤差： 5.1 5.1 控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)概述第五章第五章 微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì)二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 控制系統(tǒng)是由控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、檢測(cè)裝置所構(gòu)成的整體，其基本構(gòu)成如圖所示： 控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測(cè)裝置給定值輸出值控制裝置 被控對(duì)象可以是機(jī)電設(shè)備（如機(jī)床）、一種過(guò)程（如化工生產(chǎn)過(guò)程）等，它在控制裝置的控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，按預(yù)定的規(guī)律或目的運(yùn)行。 簡(jiǎn)單的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)與復(fù)雜的航天飛機(jī)

3、控制系統(tǒng)在原理上類(lèi)似，但在結(jié)構(gòu)上是很不相同的。機(jī)電機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成：三、控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型三、控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的多樣性及復(fù)雜性決定了控制器的多樣性，一般有以下四種類(lèi)基本類(lèi)型： 數(shù)字控制系統(tǒng)（NCS） 將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，按規(guī)定的代碼和格式編成加工程序，由計(jì)算機(jī)生成數(shù)字形式的指令，再驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的一種控制形式，其實(shí)際上是軌跡控制的問(wèn)題。數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機(jī)床檢測(cè)裝置控制介質(zhì) 控制介質(zhì)：傳遞零件的加工信息 數(shù)控裝置：完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、運(yùn)算及各種控制功能 伺服系統(tǒng)：接收指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即電信號(hào)到機(jī)械量轉(zhuǎn)換） 檢

4、測(cè)裝置：檢測(cè)速度和位移，并反饋信息 伺服控制系統(tǒng)（SCS） 輸入為模擬或數(shù)字的電信號(hào)，輸出是機(jī)械的位移或速度的變化率，主要考慮如何穩(wěn)定的、快速的、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)指令的功能要求，即要使輸出量以一定的精度復(fù)現(xiàn)輸入量的變化，常稱(chēng)為動(dòng)作控制?？刂破黩?qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)檢測(cè)裝置指令信號(hào)輸出信號(hào) 順序控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)控制方式，即輸出量的開(kāi)和關(guān)是一系列輸入開(kāi)關(guān)條件的函數(shù)。控制器對(duì)操作過(guò)程的“邏輯狀態(tài)”進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)順序控制的方法有機(jī)電式繼電器、各種氣動(dòng)和液動(dòng)裝置、可編程控制器（PLC）等。 過(guò)程控制系統(tǒng) 在冶金、化工、電力等生產(chǎn)過(guò)程中采用的工業(yè)控制系統(tǒng)，過(guò)程控制系統(tǒng)的受控變量是生產(chǎn)過(guò)程的物理量，可以是連續(xù)的連

5、續(xù)的、離散的離散的。信號(hào)不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，在相鄰兩個(gè)時(shí)刻間隔信號(hào)不確定信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)智能控制等。積分積分比例比例微分微分被控對(duì)象被控對(duì)象r(t) +r(t) +u(t)u(t)c(t)c(t)e(t)e(t)PID控制器控制器)11 ()()()(sTsTKsesusGdipPIDPID控制原理：控制原理： P（Proportional）：控制作用的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度 I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度 D（Differential）：減小超調(diào)，提高動(dòng)特性及控制精度PIDPID控制器傳遞函數(shù)：控制器傳遞函數(shù)： 不同產(chǎn)品所需要的控制功

6、能、控制形式和動(dòng)不同產(chǎn)品所需要的控制功能、控制形式和動(dòng)作控制方式也不盡相同?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是綜合作控制方式也不盡相同。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用各種知識(shí)的過(guò)程。由于采用微機(jī)作為機(jī)電一運(yùn)用各種知識(shí)的過(guò)程。由于采用微機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器，因此，其控制系統(tǒng)的體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器，因此，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、控制形式和動(dòng)作設(shè)計(jì)就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、控制形式和動(dòng)作控制方式的問(wèn)題。這不僅需要微機(jī)控制理論、數(shù)控制方式的問(wèn)題。這不僅需要微機(jī)控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，也需要一定的字電路、軟件設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識(shí)。通常由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)

7、生活和生產(chǎn)工藝知識(shí)。通常由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先提出總的設(shè)計(jì)要求，然后由各專(zhuān)業(yè)人計(jì)人員首先提出總的設(shè)計(jì)要求，然后由各專(zhuān)業(yè)人員通力協(xié)作員通力協(xié)作。四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和內(nèi)容四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程和內(nèi)容 專(zhuān)用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品專(zhuān)用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，如果要求具有機(jī)械與電子有機(jī)結(jié)合的緊湊結(jié)構(gòu)，也只有專(zhuān)用控制系時(shí)，如果要求具有機(jī)械與電子有機(jī)結(jié)合的緊湊結(jié)構(gòu)，也只有專(zhuān)用控制系統(tǒng)才能做到。專(zhuān)用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ媒y(tǒng)才能做到。專(zhuān)用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐CIC芯片來(lái)組成控制系統(tǒng)

8、，以便與執(zhí)行元件和檢測(cè)傳感器相匹配，或重新設(shè)芯片來(lái)組成控制系統(tǒng)，以便與執(zhí)行元件和檢測(cè)傳感器相匹配，或重新設(shè)計(jì)制作專(zhuān)用集成電路，把整個(gè)控制系統(tǒng)集成在一塊或幾塊芯片上。計(jì)制作專(zhuān)用集成電路，把整個(gè)控制系統(tǒng)集成在一塊或幾塊芯片上。 對(duì)于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于還在不斷對(duì)于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，采用通用控改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是合理選擇主控制微機(jī)機(jī)制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是合理選擇主控制微機(jī)機(jī)型，設(shè)計(jì)與其

9、執(zhí)行元件和檢測(cè)傳感器之間的接口，并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)型，設(shè)計(jì)與其執(zhí)行元件和檢測(cè)傳感器之間的接口，并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件的問(wèn)題。這實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)接口設(shè)計(jì)和軟件編制來(lái)使通用微機(jī)專(zhuān)用軟件的問(wèn)題。這實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)接口設(shè)計(jì)和軟件編制來(lái)使通用微機(jī)專(zhuān)用化的問(wèn)題。用化的問(wèn)題。1. 專(zhuān)用與通用的抉擇 無(wú)論是采用通用控制系統(tǒng)還是專(zhuān)用控制系統(tǒng)，都存在硬件和軟件無(wú)論是采用通用控制系統(tǒng)還是專(zhuān)用控制系統(tǒng)，都存在硬件和軟件的權(quán)衡問(wèn)題。有些功能，例如運(yùn)算與判斷處理等，卻適宜用軟件來(lái)的權(quán)衡問(wèn)題。有些功能，例如運(yùn)算與判斷處理等，卻適宜用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在其余大多數(shù)情況下，對(duì)于某種功能來(lái)說(shuō)，既可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在其余大多數(shù)情況下，對(duì)

10、于某種功能來(lái)說(shuō)，既可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，又可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組實(shí)現(xiàn)，又可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通成，通常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。在用分立元件組的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。在用分立元件組成硬件的情況下，就可以考慮是否采用軟件，能采用通用的成硬件的情況下，就可以考慮是否采用軟件，能采用通用的LSILSI芯芯片來(lái)組成所需的電路的情況下，則最好采用硬件。這是因?yàn)榕c采用片來(lái)組成所需的電路的情況下，則最好采用硬件。這是因?yàn)榕c采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并且易于修改，分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并

11、且易于修改，所以采用軟件更為可靠。而在利用所以采用軟件更為可靠。而在利用LSILSI芯片組成電路時(shí)，不僅價(jià)廉，芯片組成電路時(shí)，不僅價(jià)廉，而且可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利。而且可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利。 2.硬件與軟件的權(quán)衡硬件與軟件的權(quán)衡 機(jī)電一體化機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)過(guò)程如圖示：系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)過(guò)程如圖示： 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有： 確定控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：確定控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案： 確定控制算法：確定控制算法： 采用何種控制方式，開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)； 考慮驅(qū)動(dòng)元件的類(lèi)型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型； 選擇觀測(cè)點(diǎn)、被測(cè)量和

12、傳感器； 考慮微機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理， 微機(jī)承擔(dān)那些任務(wù)，應(yīng)具備哪些功能，需哪些輸入/輸出通道，配備哪些外圍設(shè)備或接口硬件等； 畫(huà)出控制系統(tǒng)組成的初步框圖。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型（物理系統(tǒng)動(dòng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式），數(shù)學(xué)模型反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法。 應(yīng)根據(jù)不同的控制對(duì)象、不同的控制指標(biāo)要求選用不同的控制算法。一般的控制采用PID控制；復(fù)雜的控制系統(tǒng),采用的控制方法較多,如自 選擇微型計(jì)算機(jī)：選擇微型計(jì)算機(jī)： 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：存儲(chǔ)容量、處理速度、輸入輸出通道；單片

13、機(jī)、工控機(jī)、商用機(jī)之、PLC。解決微型機(jī)、被控對(duì)象和操作者三者之間信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問(wèn)題，通過(guò)總體設(shè)計(jì)畫(huà)出系統(tǒng)各部分的具體構(gòu)成框圖。 硬、軟件設(shè)計(jì)：硬、軟件設(shè)計(jì)： 硬件設(shè)計(jì)包括電氣裝置及元器件的選擇、接口設(shè)計(jì)、操作控制面板設(shè)計(jì)等 軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等，通常不需用戶設(shè)計(jì)；應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者要主要考慮的問(wèn)題。 控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求具有實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性和通用性。 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，按照軟件工程的方法將整個(gè)程序分成若干模塊，一個(gè)模塊完成一定的功能，并且限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和操作順序，便于查

14、錯(cuò)、糾錯(cuò)。 整理、編寫(xiě)技術(shù)文件：整理、編寫(xiě)技術(shù)文件：技術(shù)文件包括：控制系統(tǒng)原理說(shuō)明及圖表；設(shè)計(jì)圖樣、電器元件明細(xì)表；系統(tǒng)操作程序及說(shuō)明書(shū)等。 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。 調(diào)試步驟為硬件調(diào)試 軟件調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試。 硬件調(diào)試包括對(duì)元器件的篩選及老化、印制電路板制作、元器件的焊接及試驗(yàn)，安裝完畢后要經(jīng)過(guò)連續(xù)考機(jī)運(yùn)行；軟件調(diào)試主要是指在微機(jī)上把各模塊分別進(jìn)行調(diào)試，使其正確無(wú)誤，然后固化在EPROM中；系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要是指把硬件與軟件組合起來(lái)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，正確無(wú)誤后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，直至正常運(yùn)行為止。系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試五、五、 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求 滿足控制要求

15、 運(yùn)動(dòng)參數(shù)指標(biāo)、動(dòng)力參數(shù)指標(biāo)、品質(zhì) 指標(biāo)（以滿足使用要求為度）可靠性高 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)能長(zhǎng)期、可靠、穩(wěn)定工作操作性能好 表現(xiàn)在使用性能和可維護(hù)性能兩個(gè)方面通用性好 標(biāo)準(zhǔn)化、有擴(kuò)展余量和空間較高的經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 要有較高的性能價(jià)格比滿足人類(lèi)工程 操作安全、舒適、簡(jiǎn)便；外形美觀 學(xué)與美學(xué) 4.2 4.2 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)，它是處理來(lái)自檢測(cè)傳感器的輸入信息，并把處它是處理來(lái)自檢測(cè)傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系

16、統(tǒng)。應(yīng)用可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)主要有單片微型計(jì)算機(jī)、于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)主要有單片微型計(jì)算機(jī)、可編程序控制器（可編程序控制器（PLC）、）、總線工控機(jī)等類(lèi)型?？偩€工控機(jī)等類(lèi)型。 根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的大小和控制參數(shù)的復(fù)雜程度，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的大小和控制參數(shù)的復(fù)雜程度，我們可以采用不同的微型計(jì)算機(jī)。對(duì)于小系統(tǒng)，一般監(jiān)我們可以采用不同的微型計(jì)算機(jī)。對(duì)于小系統(tǒng)，一般監(jiān)視控制量為開(kāi)關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量，這類(lèi)系統(tǒng)視控制量為開(kāi)關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量，這類(lèi)系統(tǒng)采用單片機(jī)或可編程控制器就能滿足控制要求。對(duì)于數(shù)采用單片機(jī)或可編程控制器就能滿足控制要求。對(duì)于數(shù)據(jù)處理量

17、大的系統(tǒng)，則往往采用基于各類(lèi)總線結(jié)構(gòu)的工據(jù)處理量大的系統(tǒng)，則往往采用基于各類(lèi)總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)，如控機(jī)，如STDSTD總線工控機(jī)、總線工控機(jī)、IBM-PCIBM-PC總線工控機(jī)、總線工控機(jī)、MultibusMultibus工控機(jī)等。對(duì)于多層次、復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，則要工控機(jī)等。對(duì)于多層次、復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，則要采用分級(jí)分步式控制系統(tǒng)，在這種控制系統(tǒng)中，根據(jù)各采用分級(jí)分步式控制系統(tǒng)，在這種控制系統(tǒng)中，根據(jù)各級(jí)及控制對(duì)象的特點(diǎn)，可分別采用單片機(jī)、可編程控制級(jí)及控制對(duì)象的特點(diǎn)，可分別采用單片機(jī)、可編程控制器、總線工控機(jī)和微型機(jī)來(lái)分別完成不同的功能。器、總線工控機(jī)和微型機(jī)來(lái)分別完成不同的功能。工業(yè)

18、控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境的特殊性，決定由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境的特殊性，決定了工業(yè)控制機(jī)主要有以下一些特點(diǎn)和要求。了工業(yè)控制機(jī)主要有以下一些特點(diǎn)和要求。1、實(shí)時(shí)性、實(shí)時(shí)性 實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來(lái)事件作實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來(lái)事件作出反應(yīng)的能力。為滿足實(shí)時(shí)控制要求，通常既要求從信息采出反應(yīng)的能力。為滿足實(shí)時(shí)控制要求，通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時(shí)間盡可能短，又要求系統(tǒng)能集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時(shí)間盡可能短，又要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)，并進(jìn)行在線

19、修正，對(duì)緊急實(shí)時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)，并進(jìn)行在線修正，對(duì)緊急事故能及時(shí)處理。因此，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較完善的中事故能及時(shí)處理。因此，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號(hào)通道。斷處理系統(tǒng)以及快速信號(hào)通道。2、高可靠性、高可靠性 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通?？刂浦I(yè)過(guò)程的運(yùn)行，如果工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通?？刂浦I(yè)過(guò)程的運(yùn)行，如果其質(zhì)量不高，運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，又沒(méi)有相應(yīng)的冗余其質(zhì)量不高，運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，又沒(méi)有相應(yīng)的冗余措施，則輕者使生產(chǎn)停頓，重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的措施，則輕者使生產(chǎn)停頓，重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。很多生產(chǎn)過(guò)程是日夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此后果。很多生產(chǎn)過(guò)程是日夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此

20、要求與這些過(guò)程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無(wú)故障地要求與這些過(guò)程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無(wú)故障地連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的正確控制。另外，許連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的正確控制。另外，許多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制機(jī)，環(huán)境惡劣，震動(dòng)、沖多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制機(jī)，環(huán)境惡劣，震動(dòng)、沖擊、噪聲、高頻輻射及電磁波干擾往往十分嚴(yán)重，擊、噪聲、高頻輻射及電磁波干擾往往十分嚴(yán)重，以上這一切都要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很以上這一切都要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很強(qiáng)的抗干擾能力，并且具有較長(zhǎng)的平均無(wú)故障間隔強(qiáng)的抗干擾能力，并且具有較長(zhǎng)的平均無(wú)故障間隔時(shí)間。時(shí)間。3 3、硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性、硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性

21、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場(chǎng)合干差萬(wàn)別，系統(tǒng)性能、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場(chǎng)合干差萬(wàn)別，系統(tǒng)性能、容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場(chǎng)相容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)接的外圍設(shè)備的接口種類(lèi)、數(shù)量等差別更大，因聯(lián)接的外圍設(shè)備的接口種類(lèi)、數(shù)量等差別更大，因此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法。此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法。4 4、可維護(hù)性、可維護(hù)性 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于維修，系統(tǒng)使用的板級(jí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于維修，系統(tǒng)使用的板級(jí)產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度不一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精

22、度不受影響；軟件和硬件的診斷功能強(qiáng)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故受影響；軟件和硬件的診斷功能強(qiáng)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能快速準(zhǔn)確地定位。另外，模塊化模板上的障時(shí)，能快速準(zhǔn)確地定位。另外，模塊化模板上的信號(hào)應(yīng)加上隔離措施，保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)信號(hào)應(yīng)加上隔離措施，保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)散，這也可使故障定位變得容易。散，這也可使故障定位變得容易。一、工控機(jī)一、工控機(jī) 工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)（工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)（Industrial Personal Industrial Personal ComputerIPCComputerIPC）是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在

23、工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。早在作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。早在8080年代年代初期，美國(guó)初期，美國(guó)ADAD公司就推出了類(lèi)似公司就推出了類(lèi)似IPCIPC的的MAC-150MAC-150工控機(jī)，隨工控機(jī)，隨后美國(guó)后美國(guó)IBMIBM公司正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)公司正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IBM7532IBM7532。由于由于IPCIPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，而在工控機(jī)中異軍突的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，而在工控機(jī)中異軍突起，后來(lái)居上，應(yīng)用日趨廣泛。目前，起，后來(lái)居上，應(yīng)用日趨廣泛。目前，IPCIPC已被廣泛應(yīng)用于已被廣泛應(yīng)用于通訊、工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、路橋收費(fèi)、醫(yī)療、環(huán)保及人們生活通訊、工

24、業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、路橋收費(fèi)、醫(yī)療、環(huán)保及人們生活的方方面面。的方方面面。 總線工控機(jī)是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計(jì)算總線工控機(jī)是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它具有豐富的過(guò)程輸入機(jī)，它具有豐富的過(guò)程輸入/ /輸出接口功能、迅速響應(yīng)的輸出接口功能、迅速響應(yīng)的實(shí)時(shí)功能和環(huán)境適應(yīng)能力?？偩€工控機(jī)的可靠性較高，如：實(shí)時(shí)功能和環(huán)境適應(yīng)能力?？偩€工控機(jī)的可靠性較高，如：STDSTD總線工控機(jī)的使用壽命達(dá)到數(shù)十年，平均故障間隔時(shí)總線工控機(jī)的使用壽命達(dá)到數(shù)十年，平均故障間隔時(shí)間（間（MTBFMTBF）超過(guò)上萬(wàn)小時(shí)，且故障修復(fù)時(shí)間（超過(guò)上萬(wàn)小時(shí)，且故障修復(fù)時(shí)間（MTTRMTTR）較短。較短。總線工

25、控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、模板式設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維修總線工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、模板式設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維修難度，且系統(tǒng)配置的豐富的應(yīng)用軟件多以結(jié)構(gòu)化和組態(tài)軟難度，且系統(tǒng)配置的豐富的應(yīng)用軟件多以結(jié)構(gòu)化和組態(tài)軟件形式提供給用戶，使用戶能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握和熟件形式提供給用戶，使用戶能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握和熟練應(yīng)用。練應(yīng)用。圖5-1 用STD總線工業(yè)控制機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)v下面分別介紹各種模板的特點(diǎn)。v（1）數(shù)字量I/O模板。v圖5-2是一種典型的數(shù)字量I/O模板的電路原理框圖。v（2）模擬量I/O模板。v圖5-3所示是一種光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖，D/A模板的結(jié)構(gòu)與之類(lèi)似。在模板選用時(shí)主要需考慮

26、系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率、電平范圍、信號(hào)數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率等要求，以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過(guò)大的浪費(fèi)為原則。 圖5-2 數(shù)字量I/O模板的原理框圖數(shù)據(jù)緩沖器D0D7輸入口地址輸出口地址RESETSTD總線接口邏輯I/O功能邏輯I/O電氣接口板選地址數(shù)據(jù)總線板地址譯碼IORQIOEXPA2A 7輸入緩沖器8輸入調(diào)理電路來(lái)自外圍設(shè)備輸入口譯碼RDA0A 1輸出口譯碼WRA0A 1輸出鎖存器8輸出驅(qū)動(dòng)電路去外圍設(shè)備圖5-3 光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖A/D轉(zhuǎn)換部分光電隔離STD總線接口v （3）信號(hào)調(diào)理模板。）信號(hào)調(diào)理模板。 v圖圖5-5是信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例。信

27、號(hào)調(diào)是信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例。信號(hào)調(diào)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來(lái)匹配，并應(yīng)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來(lái)匹配，并應(yīng)充分考慮信號(hào)的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點(diǎn)充分考慮信號(hào)的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點(diǎn)的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)。圖圖5-5 信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例輸入模塊輸入模塊輸出模塊輸出模塊傳感器工業(yè)對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬子系統(tǒng)A/DD/A計(jì)算機(jī)熱電偶、熱電阻mVV，420 mA420 mA05 V5 V模塊插件架05 V5 V420 mAv（4 4）CPUCPU模板。模板。 v（5 5）存儲(chǔ)器

28、模板。）存儲(chǔ)器模板。 v（6 6）其他特殊功能模板。）其他特殊功能模板。v2. 2. PCPC總線工業(yè)控制機(jī)總線工業(yè)控制機(jī)v IBMIBM公司的公司的PCPC總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的，早期主要用于文字處理或公室使用而設(shè)計(jì)的，早期主要用于文字處理或一些簡(jiǎn)單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一些簡(jiǎn)單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個(gè)一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個(gè)I/OI/O擴(kuò)充槽。擴(kuò)充槽。 v PCIPCI總線的總線的IBMIBM兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉、兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富，因而用戶眾多，使用靈活、軟件資源非常豐富

29、，因而用戶眾多，在國(guó)內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一。在國(guó)內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一。 v 近幾年來(lái)許多公司推出了PCI總線工業(yè)控制機(jī)，一般對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn)（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)加固，使微機(jī)的抗震性好。（2）采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。（3）加上帶過(guò)濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。（4）采用電子軟盤(pán)取代普通的軟磁盤(pán)，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。（5）根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn)，常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)工控機(jī)廠商：最突出的就是研祥國(guó)內(nèi)工控機(jī)廠商：最突出的就是研祥evocevoc，19931993年成年成立，發(fā)展非常迅速，立，發(fā)展非常迅速，20032003年在香港上市，已經(jīng)與臺(tái)灣的年在香

30、港上市，已經(jīng)與臺(tái)灣的研華達(dá)到分庭抗衡的局面。艾雷斯、北京華北等是主流研華達(dá)到分庭抗衡的局面。艾雷斯、北京華北等是主流機(jī)型的市場(chǎng)追隨廠商，發(fā)展也較迅速，產(chǎn)品市場(chǎng)定位中機(jī)型的市場(chǎng)追隨廠商，發(fā)展也較迅速，產(chǎn)品市場(chǎng)定位中低檔，對(duì)某些新型行業(yè)（如監(jiān)控低檔，對(duì)某些新型行業(yè)（如監(jiān)控DVRDVR、網(wǎng)絡(luò)防火墻等）網(wǎng)絡(luò)防火墻等）的反應(yīng)比較快，有一定用戶群?？低?、華控、華遠(yuǎn)等較的反應(yīng)比較快，有一定用戶群?？低?、華控、華遠(yuǎn)等較早廠商的機(jī)型及性能略顯落后，基本淪為代理經(jīng)銷(xiāo)商。早廠商的機(jī)型及性能略顯落后，基本淪為代理經(jīng)銷(xiāo)商。 二、目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的二、目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的IPCIPC主要品牌主要品牌臺(tái)灣工控機(jī)廠商：主要有研華、

31、威達(dá)、艾訊、磐儀、大眾、博文等，產(chǎn)品富有特色，市場(chǎng)定位也有高低不同。主要都是通過(guò)經(jīng)銷(xiāo)代理渠道，對(duì)最終用戶的關(guān)懷不夠，服務(wù)上由于備品、人員等因素，不是非常理想，但也在改進(jìn)。 其他國(guó)外品牌：主要有德國(guó)控創(chuàng)（收購(gòu)了ICS）、西門(mén)子、阿波羅等，產(chǎn)品價(jià)格很高，但機(jī)型很少，服務(wù)不是很到位，主要在一些對(duì)價(jià)格不敏感的行業(yè)，有少量但固定的客戶。 以研祥IPC-810A常規(guī)機(jī)型為例，分析IPC的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)： （一）、IPC的技術(shù)特點(diǎn)：1、采用符合“EIA”標(biāo)準(zhǔn)的全鋼化工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。2、 采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)。CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并有帶橡膠的壓條鎖定，提高了抗沖擊、抗振動(dòng)能

32、力。3、 機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。4、 配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。5、 電源及鍵盤(pán)均帶有電子鎖開(kāi)關(guān)，可防止非法開(kāi)、關(guān)和非法鍵盤(pán)輸入。 6、 具有自診斷功能。7、 可視需要選配I/O模板。8、 設(shè)有“看門(mén)狗”定時(shí)器，在因故障死機(jī)時(shí)，無(wú)需人的干預(yù)而自動(dòng)復(fù)位。9、 開(kāi)放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。10、可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。11、 可采用無(wú)源母板（底板），方便系統(tǒng)升級(jí)。 2 2、單片微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī) 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為單片機(jī)，它是將CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一塊

33、芯片上，同時(shí)還具有定時(shí)/計(jì)數(shù)、通訊和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī)。自1976年Intel公司首片單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機(jī)型，并使運(yùn)行速度、存儲(chǔ)器容量和集成度不斷提高?，F(xiàn)在比較常用的單片機(jī)一般具有數(shù)十K的閃存、16位的A/D及看門(mén)狗等功能，而各種滿足專(zhuān)門(mén)需要的單片機(jī)也可由生產(chǎn)廠家定做。單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，特別是在數(shù)字通信產(chǎn)品、智能化家用電器和智能儀器領(lǐng)域，單片機(jī)以其幾元到幾十元人民幣的價(jià)格優(yōu)勢(shì)獨(dú)霸天下。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和接口限制，在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，它一般只能輔助中央計(jì)算機(jī)系

34、統(tǒng)測(cè)試一些信號(hào)的數(shù)據(jù)信息和完成單一量控制。單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和種類(lèi)很多，如：美國(guó)Intel公司的MCS系列、Zilog公司的SUPER系列、Motolora公司的6801和6805系列，日本National公司的MN6800系列、HITACHI公司的HD6301系列等，其中Intel公司的MCS單片機(jī)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上占有最大的份額，在我國(guó)也獲得最廣泛的應(yīng)用。下面以MCS系列單片機(jī)為例，來(lái)介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及使用上的特點(diǎn)。 1 1、 MCS48MCS48單片機(jī)系列單片機(jī)系列MCS48MCS48系列是系列是8 8位的單片機(jī)，根據(jù)存儲(chǔ)器的配置不同，該系列包括有位的單片機(jī)，根據(jù)存儲(chǔ)器的配置不同，該系

35、列包括有80488048、80498049、80218021、80358035等多種機(jī)型，由于價(jià)格低廉，目前仍有簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合等多種機(jī)型，由于價(jià)格低廉，目前仍有簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合在使用。其主要特點(diǎn)是：在使用。其主要特點(diǎn)是：（1 1）8 8位位CPUCPU，工作頻率工作頻率1616MHzMHz（2 2）6464字節(jié)字節(jié)RAMRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1 1K K字節(jié)程序存儲(chǔ)器字節(jié)程序存儲(chǔ)器（3 3）5 5V V電源，電源，4040引腳雙列直插式封裝引腳雙列直插式封裝（4 4）6 6MHzMHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為工作頻率時(shí)機(jī)器周期為2.52.5s s，所有指令為所有指令為1212個(gè)機(jī)器周期：個(gè)機(jī)

36、器周期：（5 5）有）有9696條指令，其中大部分為單字節(jié)指令；條指令，其中大部分為單字節(jié)指令；（6 6）8 8字節(jié)堆棧，單級(jí)中斷，字節(jié)堆棧，單級(jí)中斷，2 2個(gè)中斷源個(gè)中斷源（7 7）兩個(gè)工作寄存器區(qū)）兩個(gè)工作寄存器區(qū)（8 8）一個(gè)）一個(gè)8 8位定時(shí)位定時(shí)/ /計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器2 2、 MCS51MCS51單片機(jī)系列單片機(jī)系列其主要特點(diǎn)是：其主要特點(diǎn)是：（1 1）8 8位位CPUCPU，工作頻率工作頻率112112MHzMHz（2 2）128128字節(jié)字節(jié)RAMRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4 4K K字節(jié)字節(jié)ROMROM程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器（3 3）5 5V V電源，電源，4040引腳雙列直插式

37、封裝引腳雙列直插式封裝（4 4）1212MHzMHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為工作頻率時(shí)機(jī)器周期為11s s，所有指令為所有指令為1414個(gè)機(jī)器周個(gè)機(jī)器周期：期：（5 5）外部可分別擴(kuò)展）外部可分別擴(kuò)展6464K K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器；（6 6）2 2級(jí)中斷，級(jí)中斷，5 5個(gè)中斷源個(gè)中斷源（7 7）2121個(gè)專(zhuān)用寄存器，有位尋址功能個(gè)專(zhuān)用寄存器，有位尋址功能 （8 8）2 2個(gè)個(gè)1616位定時(shí)位定時(shí)/ /計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器，1 1個(gè)全雙工串行通訊口個(gè)全雙工串行通訊口（9 9）4 4組組8 8位位I/OI/O口口3、 MCS96單片機(jī)系列的特點(diǎn)單片機(jī)系列的特點(diǎn)（1）16位位CP

38、U，工作頻率工作頻率612MHz（2）232字節(jié)字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8K字節(jié)字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器（3）48和和68兩種引腳，多種封裝形式兩種引腳，多種封裝形式（4）高速）高速I(mǎi)/O接口，能測(cè)量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖接口，能測(cè)量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖（12MHz時(shí)是時(shí)是2s），），6條專(zhuān)用條專(zhuān)用I/O， 2條可編程條可編程I/O；（5）外部可分別擴(kuò)展外部可分別擴(kuò)展64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器；（6）可編程）可編程8級(jí)優(yōu)先中斷，級(jí)優(yōu)先中斷，21個(gè)中斷源個(gè)中斷源（7）脈寬調(diào)制輸出，提供一組能改變脈寬的可編程脈寬）脈寬調(diào)制輸出，提供一組能改變脈寬的可編程脈寬

39、信號(hào)信號(hào) （8）2個(gè)個(gè)16位定時(shí)位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器，4個(gè)個(gè)16位軟件定時(shí)器位軟件定時(shí)器（9 9）5 5組組8 8位位I/OI/O口口（1010）1010位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器，可接受轉(zhuǎn)換器，可接受4 4路或路或8 8路的模擬量輸入路的模擬量輸入（1111）6.256.25s s的的1616位乘位乘1616位和位和3232位除位除1616位指令位指令（1212）運(yùn)行時(shí)可對(duì)）運(yùn)行時(shí)可對(duì)EPROMEPROM編程，編程，ROM/EPROMROM/EPROM的內(nèi)容可加密的內(nèi)容可加密（1313）全雙工串行通訊口及專(zhuān)門(mén)的波特率發(fā)生器）全雙工串行通訊口及專(zhuān)門(mén)的波特率發(fā)生器三、可編程序控制器（PLC）在制造

40、業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，各道工序都是按預(yù)定的時(shí)間和條件順序執(zhí)行的，對(duì)這種自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行控制的裝置稱(chēng)為順序控制器。以往順序控制器主要是由繼電器組成，改變生產(chǎn)線工序、執(zhí)行次序或條件需改變硬件連線。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用，順序控制器開(kāi)始采用類(lèi)似微型計(jì)算機(jī)的通用結(jié)構(gòu)，把程序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，用軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算、延時(shí)等過(guò)去用繼電器完成的功能，形成了可編程序邏輯控制器PLC（Programable Logic Controller）?，F(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成了除了可用于順序控制，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)算、聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器。因此，現(xiàn)已把它們統(tǒng)稱(chēng)為可編程序控制器PC

41、（Programable Controller）。單片機(jī)和PLC之比較 1PLC是建立在單片機(jī)之上的產(chǎn)品，單片機(jī)是一種集成電路，兩者不具有可比性。 2單片機(jī)可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)，從微型、小型到中型、大型都可，PLC是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)特例。 3不同廠家的PLC有相同的工作原理，類(lèi)似的功能和指標(biāo)，有一定的互換性，質(zhì)量有保證，編程軟件正朝標(biāo)準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。這正是PLC獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是八仙過(guò)海，各顯神通，功能千差萬(wàn)別，質(zhì)量參差不齊，學(xué)習(xí)、使用和維護(hù)都很困難。 從工程的角度，談?wù)凱LC與單片機(jī)系統(tǒng)的選用： 1對(duì)單項(xiàng)工程或重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑，

42、成功率高，可靠性好，但成本較高。 2對(duì)于量大的配套項(xiàng)目，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)，但這要有相當(dāng)?shù)难邪l(fā)力量和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)才能使其準(zhǔn)確地運(yùn)行。最好的方法是單片機(jī)系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣可大大簡(jiǎn)化單片機(jī)系統(tǒng)的研制時(shí)間，性能得到保障，效益也就有保證。 PLC其實(shí)就是一套已經(jīng)做好的單片機(jī)(單片機(jī)范圍很廣)系統(tǒng). PLC的梯形圖可以理解成是與匯編等計(jì)算器語(yǔ)言一樣是一種編程語(yǔ)言,只是使用范圍不同!而且通常做法是由PLC軟件把梯形圖轉(zhuǎn)換成C或匯編語(yǔ)言(由PLC所使用的CPU決定),然后利用匯編或C編譯系統(tǒng)編譯成機(jī)器碼!PLC運(yùn)行的只是機(jī)器碼而已.梯形圖只是讓使用者更加容易使用而已. 同樣MCS-5

43、1單片機(jī)當(dāng)然也可以用于PLC制作,只是8位CPU在一些高級(jí)應(yīng)用如: 大量運(yùn)算(包括浮點(diǎn)運(yùn)算),嵌入式系統(tǒng)(現(xiàn)在UCOS也能移植到MCS-51)等,有些力不從心而已. 表表5-1 三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較 4.2 4.2 接口技術(shù)接口技術(shù) I/O接口與I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中模擬量I/O通道的作用是，一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)

44、過(guò)程的控制。數(shù)字量通道的作用是，除完成編碼數(shù)字輸入輸出外，還可將各種繼電器、限位開(kāi)關(guān)等的狀態(tài)通過(guò)輸入接口傳送給計(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯信號(hào)經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機(jī)械中的各個(gè)電子開(kāi)關(guān)或電磁開(kāi)關(guān)。 在采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理的控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)是以數(shù)碼的形式存在的，也稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)，它在時(shí)間上是離散的。離散控制理論是研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)中，包括工作于離散狀態(tài)下的計(jì)算機(jī)和具有連續(xù)工作狀態(tài)的被控對(duì)象兩大部分。被控量一般為連續(xù)變化的物理量（位移、速度、壓力、流量、溫度等），稱(chēng)為模擬量，經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將

45、信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，從而完成了信號(hào)的輸入過(guò)程。 計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)字運(yùn)算和處理后的數(shù)字信號(hào)還需要經(jīng)過(guò)（D/A） 轉(zhuǎn)換和保持，轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加到被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了信息輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A) (1) 分辨率; 用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有分辨力越高。常用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。 例如，某例如，某 A AD D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的變化范圍為轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓的變化范圍為

46、-10V-10V+10V+10V，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器為換器為8 8位，若第一位用來(lái)表示正、負(fù)符號(hào)，其余位，若第一位用來(lái)表示正、負(fù)符號(hào)，其余 7 7位表示信號(hào)幅位表示信號(hào)幅值，則最末一位數(shù)字可代表值，則最末一位數(shù)字可代表80mV80mV模擬電壓（模擬電壓（10V10V1 12 27 780mV80mV），），即轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小模擬電壓為即轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小模擬電壓為80mV80mV。而同樣情況，用一個(gè)而同樣情況，用一個(gè)1010位轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬電壓為位轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬電壓為20mV20mV（10V10V1 12 29 980mV80mV）。）。 (2) 轉(zhuǎn)換精度; 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度= =

47、量程量程/(A/(AD D轉(zhuǎn)換器的分辨力轉(zhuǎn)換器的分辨力* *0.5)0.5) 具有某種分辨力的轉(zhuǎn)換器在量化過(guò)程中由于采用了四舍五入具有某種分辨力的轉(zhuǎn)換器在量化過(guò)程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化誤差應(yīng)為分辨力數(shù)值的一半。如上例的方法，因此最大量化誤差應(yīng)為分辨力數(shù)值的一半。如上例8 8位位轉(zhuǎn)換器最大量化誤差應(yīng)為轉(zhuǎn)換器最大量化誤差應(yīng)為40mV40mV（80mV80mVO.5 = 40mVO.5 = 40mV），），全量程的全量程的相對(duì)誤差則為相對(duì)誤差則為0.40.4（40mV40mV10V10V100100）。）。可見(jiàn)，可見(jiàn)，A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度由最大量化誤差決定。實(shí)際上

48、，許多轉(zhuǎn)換器末位數(shù)字轉(zhuǎn)換的精度由最大量化誤差決定。實(shí)際上，許多轉(zhuǎn)換器末位數(shù)字并不可靠，實(shí)際精度還要低一些。數(shù)字并不可靠，實(shí)際精度還要低一些。由于含有由于含有A AD D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通常包括有模擬處理和數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通常包括有模擬處理和數(shù)字轉(zhuǎn)換兩部分，因此整個(gè)轉(zhuǎn)換器的精度還應(yīng)考慮模擬處理部分（如轉(zhuǎn)換兩部分，因此整個(gè)轉(zhuǎn)換器的精度還應(yīng)考慮模擬處理部分（如積分器、比較器等）的誤差。一般轉(zhuǎn)換器的模擬處理誤差與數(shù)字積分器、比較器等）的誤差。一般轉(zhuǎn)換器的模擬處理誤差與數(shù)字轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)盡量處在同一數(shù)量級(jí)，總誤差則是這些誤差的累加和。轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)盡量處在同一數(shù)量級(jí)，總誤差則是這些誤差的累加和。例如

49、，一個(gè)例如，一個(gè)1010位位A AD D轉(zhuǎn)換器用其中轉(zhuǎn)換器用其中9 9位計(jì)數(shù)時(shí)的最大相對(duì)量化誤位計(jì)數(shù)時(shí)的最大相對(duì)量化誤差為差為2 29 90. 5 0.l0. 5 0.l，若模擬部分精度也能達(dá)到若模擬部分精度也能達(dá)到0.l0.l，則轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)換器總精度可接近換器總精度可接近0.20.2。 (3) 轉(zhuǎn)換速度; 指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如如:100ms(10Hz):100ms(10Hz)；10us(100kHz) 10us(100kHz) 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，即從發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，即從發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開(kāi)始，直到輸出端得到穩(wěn)定的

50、數(shù)字輸出為止所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)號(hào)開(kāi)始，直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出為止所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速度就越低。轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換原理有關(guān)，如換時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速度就越低。轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換原理有關(guān)，如逐位逼近式逐位逼近式AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要比雙積分式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要比雙積分式AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器高許多。除此以外，轉(zhuǎn)換速度還與轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，一般位高許多。除此以外，轉(zhuǎn)換速度還與轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，一般位數(shù)少的（轉(zhuǎn)換精度差）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高。目前常用的數(shù)少的（轉(zhuǎn)換精度差）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高。目前常用的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)有轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位等，其轉(zhuǎn)換位等，其轉(zhuǎn)換速度依轉(zhuǎn)換原理和轉(zhuǎn)換位數(shù)不同，一般在幾微秒至幾百毫秒之速度依轉(zhuǎn)換原理和轉(zhuǎn)換位數(shù)不同，一般在幾微秒至幾百毫秒之間。間。 由干轉(zhuǎn)換器必須在采樣間隔由干轉(zhuǎn)換器必須在采樣間隔Ts內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換工作，因此轉(zhuǎn)內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換工作，因此轉(zhuǎn)換器能處理的最高信號(hào)頻率就受到轉(zhuǎn)換速度的限制。如換器能處理的最高信號(hào)頻率就受到轉(zhuǎn)換速度的限制。如50us內(nèi)內(nèi)完成完