微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的的設(shè)計精選課件

1、第八章 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計8.1 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求和特點8.2 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟8.3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 8.4 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計實例8.1 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求和特點1. 設(shè)計的基本要求1）系統(tǒng)操作性能要好包括使用方便和維修容易兩個含義。具體設(shè)計時應(yīng)從硬件和軟件分別進(jìn)行考慮。2）通用性好、便于擴(kuò)充設(shè)計時盡可能采用通用系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)及LSI接口芯片；速度允許的情況下，盡可能將接口硬件部分的操作功能用軟件來實現(xiàn)；系統(tǒng)設(shè)計時各設(shè)計指標(biāo)要留有一定的余量。3）可靠性要高 目前保證可靠性的常用方法（1）采用雙機(jī)系統(tǒng)用兩臺計算機(jī)或PLC作為控制系統(tǒng)的核心

2、控制器，在該系統(tǒng)中工作方式一般有以下三種：備份工作方式圖8-1 羅克韋爾自動化公司的PLC熱備份系統(tǒng)實例主從工作方式兩臺控制機(jī)同時投入工作，正常時分別執(zhí)行不同的任務(wù)。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時，從機(jī)就接管控制任務(wù)。雙工工作方式兩臺主機(jī)同時運(yùn)行且在任一時刻都執(zhí)行同一任務(wù)，并把結(jié)果送到一個專門的裝置進(jìn)行核對。（2）采用分布式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(tǒng)是分級分布式的工作方案，它用多臺基本控制器分別控制各被控對象。 2. 系統(tǒng)設(shè)計的特點硬件設(shè)計主要采用大規(guī)模集成電路。軟件設(shè)計可以借用計算機(jī)廠家提供的系統(tǒng)軟件，而將重點轉(zhuǎn)移到控制算法和應(yīng)用程序的設(shè)計上來。在設(shè)計過程中盡量采用一些高級開發(fā)工具（如微型機(jī)開發(fā)系統(tǒng) MDS

3、 Microcomputer Development System）。 以提高開發(fā)效率。返回本章首頁8.2 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟1. 確定控制任務(wù)及系統(tǒng)整體控制方案對控制對象進(jìn)行調(diào)查、分析，確定系統(tǒng)所完成的任務(wù)，寫出設(shè)計任務(wù)說明書，作為整個控制系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定系統(tǒng)整體控制方案。從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮，是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制；考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用什么方案，是采用電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動還是其他方式驅(qū)動，比較各種方案，擇優(yōu)而用；考慮是否有特殊控制要求。 2. 選擇微處理器和外圍設(shè)備 對系統(tǒng)所需硬件作出初步的估計和選擇。對外圍設(shè)備要求一般不高，只要考慮：顯示、鍵盤和串行通信口即可

4、。微處理器是整個控制系統(tǒng)的核心，對它的選擇可從以下幾個方面進(jìn)行考慮：字長（16或32位）尋址范圍和尋址方式指令種類和數(shù)量內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量 微處理器的速度中斷處理能力由何種因素決定？ 3. 建模和控制算法的確定數(shù)學(xué)模型（即描述各控制量與各輸出量之間動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式）。 選擇控制算法時應(yīng)注意： 確定所選算法能否滿足控制速度、精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。 針對特定被控對象，確定所選通用控制算法是否需要進(jìn)行修改與補(bǔ)充。 為設(shè)計、調(diào)試方便，可將控制算法作合理的簡化，然后再逐步完善。4. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計（1）估計內(nèi)存容量、進(jìn)行內(nèi)存分配（2）過程通道和中斷處理方式的確定（3）系統(tǒng)總線的選擇 （4）操

5、作臺功能的確定1 數(shù)據(jù)采集和傳輸所需I/O通道數(shù)目。2 數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)流量。3 I/O通道是串行操作還是并行操作。4 I/O通道是隨機(jī)選擇還是按某種預(yù)定順序工作。5 模擬量I/O通道中字長選擇多少位。中斷處理有硬件和軟件兩種方式。處理方式和優(yōu)先級別的選擇應(yīng)根據(jù)被控對象的要求和微處理器為其服務(wù)的頻繁程度來確定。說明：經(jīng)過上述工作之后，就可畫出整個控制系統(tǒng)的概略框圖。5. 硬件和軟件的具體設(shè)計在該階段權(quán)衡控制系統(tǒng)中硬件和軟件的比例是一個非常重要的問題。一般原則是看所設(shè)計的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)量。思考：生產(chǎn)量如何決定硬件軟件比例？（1）硬件設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設(shè)計出系統(tǒng)電氣原理圖，再按照電氣原理圖著

6、手元件的選購并開始施工。 （2）軟件設(shè)計： 實時性 靈活性和通用性 可靠性注：選用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)加以改造和擴(kuò)充往往會取得很好的效果。還要盡量借助一些輔助工具思考：到此步整個設(shè)計過程是否完成了？ 6. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是把已獨(dú)立調(diào)好的硬件、軟件各功能模塊按照系統(tǒng)總體設(shè)計要求組成一個完整系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試。系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試后，還要經(jīng)過一段考機(jī)和試運(yùn)行，才可投入正式運(yùn)行。注：整個設(shè)計過程中硬件、軟件的設(shè)計必須同時進(jìn)行。圖6-1 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟流程圖返回本章首頁8.3 微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 1 可供選擇的配置方案1）購買現(xiàn)成的計算機(jī)系統(tǒng)或PLC控制器2）采用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)成系統(tǒng)3）定制設(shè)計系統(tǒng)下面主要看一下

7、如何采用大規(guī)模集成電路芯片構(gòu)成合理的控制系統(tǒng)。2 專用微型計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計1）標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計微型計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如下圖：2）專用系統(tǒng)的設(shè)計 專用系統(tǒng)設(shè)計的主要工作包括：硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及調(diào)試工作。 硬件設(shè)計根據(jù)確定的應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)微型計算機(jī)并確定其規(guī)模，然后對專用外圍電路進(jìn)行必要的擴(kuò)充設(shè)計以構(gòu)成專用系統(tǒng)。重點是I/O通道的設(shè)計（包括選擇恰當(dāng)?shù)腁/D，D/A芯片）確定實時時鐘和中斷結(jié)構(gòu)，這在實時控制領(lǐng)域中非常重要，設(shè)計得當(dāng)可大大提高系統(tǒng)的吞吐量。系統(tǒng)的線路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計：即將各個芯片連接到一起，構(gòu)成系統(tǒng)。此時要特別注意總線的負(fù)載問題。 軟件設(shè)計：系統(tǒng)軟件的設(shè)計 核心是操作系統(tǒng)（監(jiān)控程序）的

8、設(shè)計。應(yīng)用程序的設(shè)計 系統(tǒng)中應(yīng)用程序除處理具體任務(wù)外，還包括初始化、中斷屏蔽和時鐘管理等功能。軟件開發(fā)方式 常用高級語言與匯編語言相結(jié)合開發(fā)方式控制程序全部用匯編語言編寫，涉及運(yùn)算的部分調(diào)用高級語言子程序庫中的子程序。高級語言編寫控制主程序調(diào)用匯編語言開發(fā)的實時控制用子程序庫。（適于編譯型高級語言）高級語言編寫計算、圖形繪制、顯示、打印程序，匯編語言編寫時鐘管理、中斷管理以及I/O程序。補(bǔ)充：高級語言和匯編語言混合使用方法調(diào)試工作軟件調(diào)試可采用與目的機(jī)相同型號CPU的微型計算機(jī)來模擬目的機(jī)的硬件環(huán)境。硬件調(diào)試也可借助一臺與目的機(jī)相同的微型計算機(jī)系統(tǒng)，其中所借用的計算機(jī)系統(tǒng)必須具備基本DEBUG

9、調(diào)試工具。在進(jìn)行了上面調(diào)試的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。常用器件的電氣特性和驅(qū)動負(fù)載能力TTL器件輸出的高電平大于3V, 低電平小于0.3V；輸入信號高電平必須大于1.8V，低電平必須小于0.8V。3 總線負(fù)載的考慮 在系統(tǒng)設(shè)計時負(fù)載考慮不周將引起電平偏移。它會使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力大為降低。一個MOS器件一般只能驅(qū)動一個標(biāo)準(zhǔn)TTL系列器件或4個低功耗肖特基TTL器件，但它可以驅(qū)動10個左右的MOS器件。而一個TTL器件能驅(qū)動10個左右的TTL器件，或10個以上的MOS器件。1）單向總線的負(fù)載單向總線：如地址總線及大部分控制總線。若全部采用MOS器件，且接在總線上的輸入端數(shù)小于1

10、0,或雖采用少量TTL器件，但負(fù)載數(shù)目仍然在允許范圍內(nèi)，則可不加緩沖器。否則必須加緩沖驅(qū)動器?！纠磕矼OS器件的微處理器，其地址總線A0A9的負(fù)載情況如下圖，討論該方案總線是否超載。 解決的辦法：在A7A9線上加驅(qū)動器。把標(biāo)準(zhǔn)TTL譯碼器換成74LS低功耗器件。隨著驅(qū)動器的增加，當(dāng)用一級驅(qū)動器不能滿足要求時，可以用兩級驅(qū)動器。 2）雙向總線的負(fù)載雙向總線：指的是可以在兩個方向上傳送信息的總線。定義：源器件，負(fù)載器件雙向總線負(fù)載的常見問題 問題一：某多器件雙向傳送的配置如下圖。其中A是MOS器件，B C D是TTL器件。 問題二：某設(shè)計者為了提高微處理器的負(fù)載能力，在數(shù)據(jù)總線上加了一個TTL的

11、雙向總線驅(qū)動器74LS245,用它來驅(qū)動4個MOS存儲器和4個TTL器件。雙向總線負(fù)載問題常用解決辦法 方法一：系統(tǒng)較小時，外圍器件盡量采用MOS器件，可以減少負(fù)載，省去驅(qū)動器；對于較大的系統(tǒng)，且需MOS和TTL器件混用時，可將雙向總線按器件類型分成兩類分別處理。 方法二：當(dāng)用TTL器件作為I/O接口時，因一般ROM和RAM存儲器都是MOS器件，此時可對I/O接口分別進(jìn)行考慮。返回本章首頁8.4 工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計實例 本例以單片機(jī)代替常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成具有數(shù)字PID和智能控制功能的雙回路通用控制系統(tǒng)。以溫度控制為背景，說明溫度儀表控制系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計方法。一 、控制器的結(jié)構(gòu)為適應(yīng)多種控制

12、方案要求，系統(tǒng)具有正、反作用切換。由e=w-y符號決定。且控制系統(tǒng)的I/O均為直流0l0mA。下圖結(jié)構(gòu)僅為其中一個控制回路。由于本控制器是雙回路的，故通過面板組態(tài)可實現(xiàn)兩個單回路控制，或一個串級控制結(jié)構(gòu)，或者外給定單回路控制。二 、系統(tǒng)的硬件原理圖 （1）集成度高 （2）速度快、處理能力強(qiáng) （3）可擴(kuò)充性能好，尋址范圍大 （4）具有特殊的多機(jī)通信功能。 掉電保護(hù)原理如下圖所示三、控制系統(tǒng)采用的算法 采用PID和智能控制兩種控制方法，設(shè)被控過程是溫度對象，智能控制結(jié)構(gòu)圖如下其中：y被控溫度；u控制輸出； e當(dāng)前偏差。部分智能控制規(guī)則由上原理可得到16條具體智能控制規(guī)律表參見課本P246。課下作業(yè)

13、：將該例中智能控制算法用C或MATLAB語言編程實現(xiàn)，并分析仿真結(jié)果。四、本系統(tǒng)的應(yīng)用程序 整個應(yīng)用程序分為管理和控制兩部分。管理程序主要功能是：對顯示LED進(jìn)行動態(tài)刷新、控制指示燈、處理鍵盤的掃描和響應(yīng)、進(jìn)行掉電保護(hù)、執(zhí)行中斷服務(wù)?？刂瞥绦蛑饕瓿桑簩Ρ豢剡^程進(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)處理、根據(jù)控制算式進(jìn)行計算和輸出等。系統(tǒng)整體的應(yīng)用程序流程圖如右圖返回本章首頁小結(jié)： 本次課在介紹控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求、特點一般步驟和具體工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用實例進(jìn)行了討論。對于這部分知識應(yīng)該理解掌握，并能在實際的開發(fā)中熟練應(yīng)用。作業(yè)：1、P261 第1題返回本章首頁補(bǔ)充：微機(jī)操作系統(tǒng)(OS:Operating S

14、ystem)進(jìn)程（任務(wù)、活動） ：指邏輯上完整的處于運(yùn)行的一段程序。進(jìn)程和程序的區(qū)別：進(jìn)程是動態(tài)的、暫存的；程序是靜止的、長存的。另外進(jìn)程還具有并發(fā)的特性。OS中進(jìn)程的幾種狀態(tài)： 運(yùn)行狀態(tài) 就緒狀態(tài) 掛起狀態(tài)資源管理：（分為處理器管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理四部分功能）處理器管理負(fù)責(zé)進(jìn)程的調(diào)度（時間片輪轉(zhuǎn)法、優(yōu)先度法）存儲管理 主要解決：內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、內(nèi)存擴(kuò)充三個問題。常用方法：把邏輯地址與物理地址分開或采用虛擬存儲器技術(shù)。設(shè)備管理OS要做到設(shè)備無關(guān)性。OS必須使主機(jī)和外部設(shè)備能并行工作。文件管理文件是一個具有名字的信息集合。 （可以是源程序、目標(biāo)程序、各種語言的編譯程序，也可以是一批數(shù)據(jù)、資料）文件管理系統(tǒng)可以代替用戶對文件進(jìn)行自動管理，實現(xiàn)文件的自動存取和文件的保護(hù)和共享。死鎖 （補(bǔ)充重要知識點）死鎖：指系統(tǒng)運(yùn)行過程中的某一時刻，一組任務(wù)中的每一個任務(wù)都占用某著些資源，同時又要得到該組中其他任務(wù)占用的資源。這樣無論哪一個任務(wù)都得不到滿足，因而進(jìn)入一種