第8章 微型计算机控制系统设计
计算机控制系统的设计
23% Option 1
5.操作面板
操作面板也叫操作台， 它是 人机对话的纽带。 根据具体 情况， 操作面板可大可小， 大到可以是一个庞大的操作台， 小到只有几个功能键和开关。
系统负载匹配问题 逻辑电路间的接口及负载匹配问题 在进行系统设计时， 有时需要TTL和CMOS两种电路混 合使用， 但两者要求的电平不一样(TTL高电平为+5 V， CMOS则为+3V～+15V) ， 因此， 一定要注意电 流及负载的匹配问题。 MCS-51系列单片机负载匹配问题 微型计算机与微型计算机之间， 微型计算机与I/O接 口之间都存在着负载匹配问题。
4.开关量I/O接口 设计
在微型计算机控制系 统中， 除了模拟量 输入/输出通道外， 经常遇到的还有开关 量I/O接口。
6.系统速度匹配问题
在不影响系统速度的前提下， 时钟频率选低一些为好, 这样 可降低系统对其他元器件工作
速度的要求， 从而降低成本 和提高系统的可靠性。
30% Option 2
3. 软件开发过程 软件开发大体包括以下几个方面。 (1) 划分功能模块及安排程序结构。 (2) 画出各程序模块详细的流程图。 (3) 选择合适的语言(如高级语言或汇编语言) 编写程序。 (4) 将各个模块连结成一个完整的程序。
8.1.6 微型计算机控制系统的调试
1. 硬件调试 根据设计逻辑图制作好实验样机， 便进入硬件调试阶段。 调试工 作的主要任务是排除样机故障， 其中包括设计错误和工艺性故障。 1) 脱机检查 用万用表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查印刷板中器件的电源及 各引脚的连接是否正确， 检查数据总线、 地址总线和控制总线是否有 短路等故障。 有时为了保护芯片， 先对各管脚电位(或电源)进行检查， 确定无误后再插入芯片检查。
微型计算机技术课后答案第六章-第八章
6.1 分类说明8086CPU有哪几种中断？答：8086CPU中断源可分为内部中断和外部中断，内部中断有溢出中断、除法出错中断、INTn指令中断、断点中断、单步（陷阱）中断；外部中断有可屏蔽中断INTR\不可屏蔽中断NMI。
6.2 简述 8086可屏蔽中断的响应过程。
可屏蔽中断INTR接受来自普通外设的中断请求信号（一般使用可编程中断控制器8059A来管理此类外设的中断请求），当该信号线有效时，CPU将根据中断允许标志IF的状态来决定是否响应。
如果IF=0，则表示INTR线上中断被屏蔽或禁止，CPU将不理会该中断请求而处理下一条指令。
由于CPU并不锁存INTR信号，INTR信号必须保持有效状态，直到接受到响应信号或撤销请求为止。
如果IF=1，则表示INTR线上的中断开放，CPU在完成现在正在执行的指令后，识别该中断请求，并进行中断处理。
6.5 中断应答时序如图6.2所示，说明前后两个INTA周期的任务。
第一个INTA表示对中断请求的响应，用于通知中断请求设备，第二个INTA用于将中断类型号送数据总线的低8位上。
期间LOCK信号用于保证在中断响应过程中不会被其他CPU占用总线而导致中断响应失败。
6.9 某外设中断类型号为10H，它的中断服务程序的入口地址为1020H：3FC9H，求其向量地址并具体描述中断向量的各字节在存储器中的存储情况。
解：向量地址：10H*4=40H[0040H]、[0041H]、[0042H]、[0043H]依次存放C9H、3FH、20H、10H6.10 某外设的中断服务子程序名称为INT_PROC，其中断类型号为18H，试编写一程序段将该外设的中断向量装入到中断向量表中。
解：向量地址：18H*4=60HPUSH DSMOV AX，0MOV DS，AXMOV WORD PTR [0060H]，OFFSET INT_PROCMOV WORD PTR [0062H]，SEG INT_PROCPOP DSHLT7.2 简述CPU与外围设备交换信息的过程。
08第八章 计算机集散控制系统
但是集中型计算机控制存在三个主要问题：
①.集中的脆弱性:集中控制使危险也集中， 一旦计算机系统发生故障，将导致生产过程 的全面瘫痪； ②.计算机的负荷：由于计算机控制回路多， 计算机的负荷过重，导致控制性能降低； ③ .系统开发周期和人才利用：由于计算机 控制的应用面越来越广，计算机控制系统的 规模和复杂性越来越大，造成开发周期增加， 人力资源难以组织。
进入20世纪70年代后，随着大规模集成电路 的问世，微处理器诞生，以及控制技术﹑显示 技术﹑计算机技术﹑通信技术等进一步发展， 产生了新型的计算机控制系统——集散控制系 统，它按控制功能或按区域分散配置若干个控 制站，每个控制站可控制几个﹑十几个或几十 个回路，从而实现了控制功能分散，使得危险 也得以分散。系统中使用多台屏幕显示器进行 监视﹑操作和管理，系统中各控制站通过完全 双重化的数据通信系统连接起来。
这一阶段的代表产品有美国Honeywell公 司的TDC2000，它是一个具有许多微处理器的 分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散 的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基 于CRT的操作站相连接，互相协调，实现对工 业过程的控制和监视，达到掌握全局的目的。 系统克服了集中型计算机控制系统的致命弱点， 实现了控制系统的功能分散﹑负荷分散，从而 危险也分散。这个阶段比较著名的产品还有 Bailey公司的NetWork90，Foxboro公司的 Spectrum，日本横河的CENTUM 等。
1975年，美国 Honeywell公司首次向世界 范围推出TDC2000系统，随之世界各大仪表制 造公司也推出各自的集散控制系统，从而使过 程控制进入集散控制系统时期。集散控制系统 的发展大体可分为三个阶段，每个阶段的技术 重点表现如下：
第一阶段：1975～1980年， 以微处理器 为基础的过程控制单元，实现多种控制功能算 法，并实现分散控制：采用带显示器的操作站， 与过程控制单元分离，实现集中监视﹑集中操 作﹑信息综合管理；采用较先进的冗余通信系 统﹑用同轴电缆做传输媒质，实现控制单元与 操作站的通信。
微型计算机控制系统的设计方法与步骤
否
否
本次越限标志送
5FH
清零 5EH 单元
上限处理
6-6 T0
图 中 断 服 务 程 序 流 程 图
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键盘与显示
过零信号发生器
MC 14528
LM311
~220V
..
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74LS00TI光 耦L117驱 动 器
加热丝
.
变送器
热电偶
图6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
1. 检测元件及变送器
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应 输出电压为0mV~41.32mV。
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6.3.3 控制系统程序设计
开始
6-5
1.
设定堆栈指针
开始
主
清标志和暂存单元
图
程 序
T 1 中断程序
清显示缓冲区
主 程
清标志D5H
序
T 0 初始化
流
开CPU中断
程
停止输出
图
扫描键盘 返回
温度显示
T 1 中断服务程序
2. T0中断服务程
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用 于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、 越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输 出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程 序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、 数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程 序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断 服务程序流程图如图6-6所示。
S7-1200 PLC应用基础课件第8章 PLC应用系统设计实例
8.1.2 PLC选型和资源配置
2. 电气原理图
根据所选变频器、CPU及扩展单 元型号，参照用户手册，绘制主 电路和辅助电路电气原理图，分 为电源、主电路、系统配置、 CPU 和 模 拟 量 输 入 / 输 出 等 ， 如 图 8-3~ 图 8-7 所 示 ， 需 要 注 意 的 是，每张图纸都应该有标题栏。 电源部分考虑控制柜散热风扇及 照明、插座等，PLC电源和24V 直流电源前面加滤波器。主电路 电气原理图中应把变频器需要设 置的主要参数标注在图纸上，本 例选择SINAMICS V20变频器
主速度设定可以采用拨码开关输入给PLC的数字量输入模块或采用电位器输入给模拟量输入模 块或采用人机界面，本例采用人机界面。变频器本身的模拟量输出可用于显示或监测频率、电 流、转矩等参数，本例变频器的模拟量输出直接输入到PLC的模拟量输入模块来检测转矩值， 两转矩值经PLC运算后通过PLC模拟量输出模块调节变频器的频率。
1. SIMATIC S7-1200 PLC S7-1200 PLC可以通过多种方式来控制伺服驱动器，最常用的是PROFIdrive方式、 PTO方式以及模拟量方式。如果采用PTO方式，则需要配有板载高速输入输出的 DC/DC/DC型CPU；若选择继电器输出型CPU，则需要专门增配具有高速数字输出的 信号板。 本例采用PROFIdrive方式，它是一种基于PROFIBUS（或PROFINET）总线的驱动技 术标准，收录于国际标准IEC61800-7中。PROFIdrive定义了一个运动控制模型，包含 多种设备，设备之间通过报文进行数据交换，这些报文就是PROFIdrive的消息帧。 每一个消息帧都要符合统一规定的标准结构。PROFIdrive消息帧功能强大，它可以 将控制字、状态字、设定值和实际值传输到相应的设备。
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
第1章微型计算机控制系统概述
PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 常规外部设备可分为输入设备，输出设备和存储设备，并根据控制系统的规 模和要求来配置。
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结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。
[业务]课内习题
![[业务]课内习题](https://img.taocdn.com/s3/m/cb5ec25dc950ad02de80d4d8d15abe23492f0346.png)
第1章1．计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？2．操作指导、DDC及SCC控制系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？3．计算机控制系统与模拟调节系统相比有什么特点？4．为适应控制现场的工作环境，对工作控制机有何要求？5．PC总线工业控制机与普通个人计算机相比，有何不同？6．试述计算机控制系统的发展方向和主要研究课题。
第2章1．何谓I/O接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O接口电路？2．一个微处理机（CPU）采用程序控制查询方式时，管理50个键盘显示中断，要求将各终端打入的任一字符在显示器上立即显示出来。
已知CPU查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200μs，若程序员以每秒打10个字符的速度同时连续打入字符，问CPU是否能按要求，可靠的管理全部50个终端？又问CPU最多能管理多少个这种终端？3．在本章第二节，查询式I/O方式应用举例中，假设X、Y、Z三轴服务子程序的执行时间分别为100μs、150μs、120μs，主程序执行时间（执行查询指令等）为80μs，试估算不造成控制失误三轴所能达到的最高速度是多少？（速度以脉冲/s计算）4．某微机实时控制系统有1#、2#、3#三个外围设备。
由一个CPU进行管理，已知各外围设备的最短响应时间和服务时间分别是：C1=5ms S1=300μsC2=8ms S2=1.3msC3=1ms S3=400μs问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方案。
5．计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式？它们各有什么优缺点》6．某8086最大模式系统中，需扩展8255A、8253和DAC0832芯片各一片。
采用74LS138作译码器，若已指定分配给各芯片的地址范围是：8255A FFE0H、FFE2H、FFE4H、FFE6H8253 FFE1H、FFE3H、FFE5H、FFE7HDAC0832 FFF0H试设计接口扩展的地址译码电路（除74LS138外，可增加必要的其他逻辑电路芯片）。
微型计算机控制技术 第 版
20.03.2020
信息工程学院
1
课程教学说明
一.课程特性 1）地位 本课程是计算机科学与技术专业的选修课、
网络专业必修课
2）关系
专业硬件基础课 专业软件基础课
微机控制技术
3）目的 使同学们了解、掌握微机控制技术的基础知
识通、信微学机科控本制科系层统次原知理识及结相构应的的基设本计完方整法。,达到计算机学科、
y（t）
r1(t) y1(t) r2(t) y2(t)
t 图1-1 随动系统特性示意图
20.03.2020
信息工程学院
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稳定系统 又称自动调整系统，是一种反馈系统，当r(∞)为常 量时，也要求被控量保持在常量上，如图1-2所示。 常见的稳定系统有恒温、电压、电流、频率、压力等控制系 统。
y（t）
20.03.2020
信息工程学院
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实 验及其要 求
实验教学是本课程教学内容的组成部分
实验教材：单片机原理及应用实验指导书(胡洪波 王霞玲,编 号03016)
实验内容：
实验1：D/A转换：程控电子波形产生原理及方法(计算,通信) 实验2：A/D转换：模拟信号2进制采样原理与方法(计算,通信) 实验3：步进电机 :步进电机的程控电流换相、调速、调向原
1) 微机控制技术的基本概念与思考方法;
2) 微型计算机控制理论基础;
3) 面向微机控制系统的接口原理与设计；通道配置 原理及方法、通道电路原理与设计、通道操控算法 与程序设计；
4) 数据采集原理及处理方法； 5) 间接、直接数字控制器设计理论与实现方法； 6）顺序与数字程序控制概念、原理和方法； 7) 模糊、神经网络控制原理及实现方法； 8）总线技术。
计算机控制技术习题广州工业大学
1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几个部分组成？1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？1.3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？1.4 工业控制机的哪几个部分组成？各部分的主要作用是什么？工业控制机的特点有哪些？1.5 什么是总线、内部总线和外部总线？1.6 PC总线和STD 总线各引线的排列和含义是怎样的？1.7 RS-232C 和 IEEE-488 总线各引线的排列和含义是怎样的？2.1 什么是接口、接口技术和过程通道？2.2 采用74LS244和74LS273及PC总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量(开关量)输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字输入和数字输出程序。
2.3 采用8位 A/D 转换器 ADC0809 通过 8255A 及PC总线工业控制机接口，实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
2.4 用12位 A/D 转换器 AD574 通过 8255A 及PC总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出A/D转换程序。
2.5 请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图,并分别说明各元器件的作用？2.6 什么是采样过程、量化、孔径时间？2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟器输入通道中都需要采样保持器？为什么？2.8 一个8位 A/D 转换器，孔径时间为100μs, 如果要求转换误差在A/D 转换器的转换精度 (0.4 %) 内，求允许转换的正选波模拟信号的最大频率是多少？2.9 试用 8255A 、AD574、LF398、CD4051 和PC总线工业控制机接口，设计出8路模拟量采集系统。
请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量的数据采集程序。
2.10 采用DAC0832和PC总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转换程序。
2.11 采用 DAC1210 和PC总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转化程序。
微型计算机应用系统设计案例
图8-1 数据采集和数据处理系统结构
(1) 生产过程的集中监视。计算机对生产过程(被控对象) 的不同变量参数进行巡回检测，并将采集到的数据以一定格 式在监视器上显示或通过打印机打印出来，实现对生产过程 的集中监视。 (2) 操作指导。计算机对采集到的数据进行分析处理， 并给出对生产过程控制的建议，由过程的操纵者依给定的建 议实现对过程的控制。
图8-9 自动化仓储系统的网络构成图
现场操作人员可以利用触摸屏设备方便地进行参数设置 和在线修改，实现演示和管理功能。 (1) 检测装置。为了实现对自动化仓储系统中各种作业 设备的控制，并保证系统安全可靠地运行，自动仓储系统必 须具有多种检测装置。检测装置连接到I/O模块，通过对检 测数据的判断、处理，为系统决策提供最佳依据，使系统处 于理想的工作状态。 (2) 信息识别。信息识别的作用在于完成对货物名称、 类别、货号、数量、等级、目的地、生产厂的识别。在自动 化仓储系统中，通常采用条形码、磁条、光学字符和射频等 识别技术。其中条形码识别技术应用最为普遍。本系统中计 算机管理信息系统通过对货物在进出仓库时的信息识别对货 物进行管理。
3. 监督计算机控制系统 监督计算机控制(SCC)系统结构如图8-3所示。该系统是 二级计算机控制系统。其中直接数字控制完成生产过程的直 接控制；监督计算机根据生产过程工况和已知数学模型进行 优化分析，将生产的最优设定值作为直接数字控制的指令信 号，由直接数字控制系统执行。监督计算机由于承担上一级 控制与管理任务，要求其数据处理功能要强，存储容量要大 等。
2. 自动化仓储系统 自动化仓储系统包含了以下几个方面的含义： (1) 自动化仓储系统包括多层货架、运输设备以及计算 机控制和通信系统。 (2) 自动化仓储系统以高层立体货架为标志，以成套先 进的搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段， 高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行货物出入库作 业。 (3) 自动化仓储系统的设计和规划是集物流监控技术、 计算机应用技术、通信技术、设备及货位优化管理技术等于 一体的综合工程项目。
计算机控制技术教案《微型计算机控制技术》
青岛大学教案学院：自动化工程学院教研室：控制系课程名称：微型计算机控制技术任课教师：丁军航1.课程性质：该课程是青岛大学自动化专业、电气工程及其自动化专业的主干专业课程，也是电子信息工程、计算机应用等专业的选修课，理论性、应用性、实践性和综合性强。
2.学习目的和要求目的:通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的理论与技术，受到较好的工程实践基本训练，具有分析、设计、开发和研究计算机控制系统的基本能力。
要求:（1）了解计算机控制系统的组成、接口和过程通道设计的基本知识；（2）掌握数字程序控制的基本原理和程序编制；（3）掌握常规及复杂控制策略、应用程序设计与实现技术；（4）学会计算机控制系统的硬件、软件设计与研制方法；（5）初步了解分散型测控网络技术和现场总线技术。
3.选用教材与课程地位（1）本课程选用的教材，由本课程组编写，是国家级“十一五”规划教材，由机械工业出版社2007 年6 月出版（2）本课程曾选用的教材，也由本课程组编写，2002 年获全国高等学校优秀教材二等奖。
由清华大学出版社出版，先后印刷21 次，发行量近12 万册，被许多高校选作教材，在国内产生了很大影响。
（2）本课程于2004 年被评为山东省精品课程。
4.内容简介全书共分9 章。
第1 章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型型式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2 章讨论了计算机控制系统的硬件设计技术；第3 章讨论了数字控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术；第4 章讨论了常规及复杂控制技术，主要介绍了数字控制器的各种控制算法；第5 章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第6 章讨论了先进控制技术，重点介绍了模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术；第7 章计算机控制系统的软件设计技术；第8 章讨论了分布式测控网络技术；第9 章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。
微型计算机控制技术(第2版)讲解
y(∞)
△ △
tr
tδ P
ts
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图1-5
14
tr：启动时间。
超调：y(t) > |y(∞)|称为超调，在0～tr不算． δP：表示超调信号的严重程度。
p
|
ym ax(t ) | y() y()
ymax( tf ) sup | y( tf ) | 0 t
的时间变量均采用人们公认的离散时间变量符号K。
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2. 微型计算机控制系统硬件组成
工 业 生
变送
变送 保持
采
样
A/D
装
置
过程通道
多
路 转
D/A
面 向 过
人
机
交
互
微型
通
计算
道
机
接
人 机 交 互 通 道
操 作
控 制 台
系
口
产
保持
ห้องสมุดไป่ตู้
换
程
统
过 程
开 关
通
主机
道
量
的
输
接
微
微
入
口
机
机
开 关
外
I/O
设
阻尼系统的过渡过程分为三种工作状态,即欠阻尼、临界阻尼和过 阻尼。
过阻尼工作状态相似于单调逐渐逼近或一阶系统工作状态，启动 速度变慢。
临界阻尼工作状态使系统特性处于等幅振荡特性。
关于二阶系统的阻尼特性讨论请读者参阅相关论著。
信息工程学院
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1.2 微型计算机控制系统体系结构与特征
1．2．1 微机控制系统体系结构 1. 微型计算机控制系统一般结构
第一章微型计算机控制系统概述
DSP 处理器的长处
向量运算、
指针线性寻址等
微机控制技术
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 )。
• 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 )
（１）ＤＳＰ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。
• 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。
理器。 如：Intel 的 MCS-296
Infineon ( Siemens ) 的 TriCore。
1.2.4 嵌入式系统
（３）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
工业控制计算机
1989年，COMPAQ 公司联合 HP.AST 等 9家计算机公司，
在 ISA 总线基础上，推出了适应 32位微处理器的系统总
线标准 EISA （Extended IndustrialStandard
本书的
Architecture）。
封面
走信息路 读北邮书
ISA总线插槽有一长一短两个插口，长插口有62个引脚，以 A31～A1和B31～B1表示，分别列于插槽的两面；短插口 有36个引脚，以C18～C1和D18～D1表示，也分别列于插 槽的两面。ISA总线插槽如图所示。
本书的
封面
走信息路 读北邮书
必需的
地址和 数据线
AD0 ~ AD31
C/BE0 ~ C/BE3
PAR
FRAME
接口控制 信号
TRDY IRDY STOP
DEVSEL
IDSEL
出错报告 仲裁 系统
PERR
SERR
REQ GNT
CLK RST
PC总 线
可选的
AD32 ~ AD63
C/BE4 ~ C/BE7 64 位 总 线
种语言的接口及驱动程序。
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本书的 封面
⑵模拟量输出模板主要技术指标 ①分辨率：与A/D转换器定义相同。 ②稳定时间：又称转换速率，是指D/A转换器中代码有满度
值的变化时，输出达到稳定（一般稳定到与±1/2最低位 值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十个毫微 秒到几个毫微秒。 ③输出电平：不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大， 一般为5~10V，也有一些高压输出型为24~30V。电流输 出型为4~20mA，有的高达3A级。 ④输入编码：如二进制BCD码、双极性时的符号数值码、补 码、偏移二进制码等。 ⑤编程接口和支持软件：与A/D转换器相同。
微机原理-第1章 计算机基础知识
二进制(binary system):
进位基数为为“2”，即其使用的数码为0，1，共
两个。 二进制各位的权是以2为底的幂，
代表字母：B
八进制(octave system): 进位基数为“8”，即其数码共有8个：0，1，2，3，
4，5，6，7。 代表字母：O 十六进制(hexadecimal system): 进位基数为“16”，即其数码共有16个：0，1，2，3，
作用：利用摩根定理，可以解决与门、或门互换的 问题。
二变量的摩根定理为：
A+B=A·B A·B=A+B 推广到多变量：
A+B+C+…=A·B·C…
A·B·C…=A+B+C+… 至于多变量的摩根定理，用相同的方法同样可以得
到证明。 这个定理可以用一句话来记忆：头上切一刀，下面
变个号。 【例1.10】
1.1.3 为什么要用十六进制？
用十六进制既可简化书写，又便于记忆。如下列 一些等值的数：1000(2)=8(16)(即8(10))
1111(2)=F(16)(即15(10)) 11 0000(2)=30(16)(即48(10))
1.1.4 数制的转换方法
1. 十进制数转换成二进制数的方法 整数部分：采用基数连除的方法； 小数部分：采用基数连乘的方法；
在计算机的设计与使用上常用的数制则为十进制、 二进制、八进制和十六进制。
1.1.1 数制的基与权 概念：
1、数制的基（进位基数）：每一数位所能使用的数
码的个 数称为数制的基；
2、数制的权：数制每一数位取值为1时所具有的值 的大小，称为权。
十进制(decimal system)：进位基数为“10”，即它所 使用的数码为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，共 有10个。
微型计算机控制技术
一、1.控制系统一般由控制器（控制装置）和被控对象组成。
分为开环控制和闭环控制两种控制方式。
开环控制是一种最简单的控制形式，其特点是：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，没有反馈控制作用。
对应于每一个参考输入量，就有一个与之对应的工作状态与输出量。
此种系统的控制精度取决于元器件的精度和特性调整的精度，并且没有抑制内部、外部扰扰动引起的控制误差的功能。
开环控制系统一般都是稳定的。
闭环控制系统的特点是：在控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且还有反馈控制作用。
将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量比较的过程称为反馈。
闭环控制的实质就是利用负反馈，使系统具有自动修正被控制量（输出量）偏离参考给定量（输入量）的控制功能，因此，闭环控制又称反馈控制，此种系统可以抑制内、外扰引起的误差，达到自动控制并提高控制精度之目的。
由于闭环系统可能引起过调，因而带来了系统稳定性的问题。
2. 对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、快速性和准确性。
(1)稳定性（稳）一个自动控制系统的最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。
如何判断系统是稳定的，有很多科学家发明的稳定判据（如劳斯稳定判据、赫尔维茨稳定判据、奈奎斯特稳定判据、李雅普诺夫稳定判据和伯德定理等）将在本书后续章节中详细介绍。
(2)快速性（快）在系统稳定的前提下，希望控制过程(过渡过程)进行得越快越好，但是有矛盾，如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差(偏差)过大。
合理的设计应该兼顾这两方面的要求。
(3)准确性（准）即要求动态误差(偏差)和稳态误差(偏差)都越小越好。
当与快速性有矛盾时，应兼顾两方面的要求。
3. 反馈控制系统结构框图在反馈控制系统中，通过检测装置（仪表）获取输出变量，将此值与给定值相比较后，由校正装置（控制器）按偏差进行某种控制运算，最后由执行器将控制操作量作用于被控制对象，以消除偏差。
4. （1）操作指导控制系统操作指导控制系统是指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。
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高压电缆
闪电 微机控制系统
雷达、电台 等天线发射
地电位波动
引入噪声
电机、电焊机 等大用电设备
交流动力线 图 8-1 外部干扰环境
内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。 内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。 内部干扰环境如图 所示，有分布电容、 如图8-2所示 内部干扰环境如图 所示，有分布电容、分布电感引 起的耦合感应，电磁场辐射感应， 起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波 反射；多点接地造成的电位差引入的干扰； 反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设 备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、 备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、 尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。 尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。
程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法 结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示： 结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示： 顺序结构 选择结构 循环结构
六、 系统联调
系统联调是要把已调好的各程序功 能块按照总体设计要求连成一个完整 的程序。 程序调试完成后， 的程序 。 程序调试完成后 ， 还要进行 在线仿真， 然后进行试运行。 在线仿真 ， 然后进行试运行 。 经过一 段考机和试运行后， 段考机和试运行后 ， 即可投入正式运 行。
原则：
尽可能选择标准化、模块化的典型电路， ①尽可能选择标准化、模块化的典型电路， 提高设计的成功率和结构的灵活性。 提高设计的成功率和结构的灵活性。 在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、 ②在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、 集成度高的电路或芯片。 集成度高的电路或芯片。 尽量选择通用性强、市场货源充足的器件。 ③尽量选择通用性强、市场货源充足的器件。 对硬件系统总体结构考虑时， ④对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意 通用性的问题。 通用性的问题。连接方式可选用通用总线接 口方式， 总线、 总线 总线。 口方式，如STD总线、PC总线。 总线
★ 程序编排和分配 ★ 软件装配和总调 ★ 软件设计的善后工作
微型计算机控制系统的软件 一、软件的分类
软件 控制程序 数据可靠性检查程序 A／D转换及采样程序 ／ 转换及采样程序 数据采集及处理程序 数字滤波程序 应用软件 线性化处理程序
巡回检测程序 数据管理程序
二、计算机及接口的选择
所选计算机应满足以下要求： 所选计算机应满足以下要求： ► 完善的中断系统 ► 足够的存储容量 完备的I/O通道和实时时钟 ► 完备的 通道和实时时钟
三、确定控制算法
（1）确定算法能否满足控制速度、精度和 ）确定算法能否满足控制速度、 系统稳定性的要求。 系统稳定性的要求。 （2）确定某些情况下要进行修改与补充。 ）确定某些情况下要进行修改与补充。 （3）确定为设计、调试方便，可将控制算 ）确定为设计、调试方便， 法作合理的简化，逐步将控制算法完善， 法作合理的简化，逐步将控制算法完善， 直到获得最好的控制效果。 直到获得最好的控制效果。
8.2 抗干扰技术
计算机控制系统的被控变量分布在生产现 场的各个角落， 场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的 恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声， 恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这 些干扰会影响系统的测控精度， 些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可 靠性，甚至导致系统的运行混乱， 靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事 故。 但干扰是客观存在的， 但干扰是客观存在的，所以人们必须研究 干扰，以采取相应的抗干扰措施。 干扰，以采取相应的抗干扰措施。本节主要讨 论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。 论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。
第 8章
微型计算机控制系统的设计
引言： 本章主要介绍微型计算机控 制系统设计的原则、方法和步 骤，然后介绍微型计算机控制 系统的可靠性设计和调试方法。
9.1
微型计算机控制系统设计的原则、 微型计算机控制系统设计的原则、 步骤和方法
☻操作性好 ☻经济效益高 ☻实时性强 ☻通用性好
设计原则： ☻可靠性高
如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线 的交流输电线， 如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线， 10kVA 导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线， 10米的信号线 导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线， 两线之间的互感M 两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压 Un高达几十毫伏 如果导线2 高达几十毫伏。 Un高达几十毫伏。如果导线2是连接热电偶的信号 线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶 传感器的有用信号。 传感器的有用信号。
R3
R1
i2 A2 A1
i1
R4
R2
图 8-5 公共电源线的阻抗耦合
在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个独立的回 在一块印制电路板上，运算放大器 和 是两个独立的回 但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、 路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻 、 R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流 变化时，在R1和 是两个回路的公共阻抗。 变化时， 是两个回路的公共阻抗 当回路电流i1变化时 和 R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流 。反之， 上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。反之， 上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流 也如此。 也如此。
导线1
导线2
R1 I1
Un
R3
M
U1
R2
图 8-4
导线之间的磁场耦合
3．公共阻抗耦合 ．
公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经 一个公共阻抗时， 一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的 电压降会影响到另一个电路， 电压降会影响到另一个电路，从而产生干 扰噪声的影响。 扰噪声的影响。图8-5给出一个公共电源线 的阻抗耦合示意图。 的阻抗耦合示意图。
抑制干扰的基本原则
消除干扰源 远离干扰源 防止干扰窜入
四、硬件抗干扰措施
电源系统的抗干扰
计算机控制系统一般是由交流电网供电， 电网电压与频率的波动将直接影响到控制系 统的可靠性与稳定性。实践表明，电源的干 扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制 这种干扰的主要措施有以下几个方面。
组织应用软件的内容及步骤： ★组织应用软件的内容及步骤： ► ► ► ► ► ★ 确定具体要求 ► ► ► ► 管理要求 输入输出要求 语言加工要求 功能处理要求 确定具体要求 软件规划 程序编制 软件调试 善后工作
★ 软件规划 ► 模式选择 ► 语言选择 ► 汇编语言 ► 高级语言 ► 确定数据结构 ► 划分程序块 ► 确定程序编制顺序 ► 内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。 ► 用符号来代替某部分程序的首址。 ► 粗略估算各部分容量 ► 根据具体情况对内存作精确安排
数据采集程序 越限报警程序 事故预告程序 画面显示程序
系统软件 语言加工系统 诊断系统
操作系统
编辑程序 编译程序 连接、 连接、装配程序 调试程序 子程序库
二、应用程序的语言选择及设计步骤 1、语言选择 、 ► 机器语言 ► 汇编语言 ► 高级语言 2、应用程序的设计步骤和方法 、 应用程序设计的五个步骤： 应用程序设计的五个步骤： ► 问题定义 ► 程序设计 ► 编码 ► 调试 ► 改进和再设计
一、干扰的种类、传播途径及抑制的基本原则 干扰的种类、
干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。 干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。 外部， 内部。 干扰有的来自外部 有的来自内部 干扰有的来自外部，有的来自内部。 外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。 外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部 干扰环境如图8-1所示 有天电干扰， 所示， 干扰环境如图 所示，有天电干扰，如雷电或大 气电离作用以及其他气象引起的干扰电波； 气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体 干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波； 干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设 备的干扰， 备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁 动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰； 波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰； 此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、 此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、 指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干 来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。 扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。
2．磁场耦合 ．
空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。 空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在 任何载流导体周围空间中都会产生磁场， 任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场 则对其周围闭合电路产生感应电势。 则对其周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线 圈或变压器的漏磁会引起干扰， 圈或变压器的漏磁会引起干扰，还有普通的两根导线 平行架设时，也会产生磁场干扰，如图8 所示。 平行架设时，也会产生磁场干扰，如图8- 4所示。
⑤系统应适当留有余地，以备 系统应适当留有余地， 将来修改、扩展之需。 将来修改、扩展之需。 尽可能采用最新技术。 ⑥尽可能采用最新技术。 ⑦充分考虑应用系统各部分的 驱动能力。 驱动能力。 工艺设计。 ⑧工艺设计。 系统抗干扰设计。 ⑨系统抗干扰设计。
六、系统软件设计 包括管理、监控程序以及应用程序的设计。
控制系统设计的一般步骤 ► 系统总体控制方案确定 ► 系统硬件和软件的细化设计 ► 离线仿真和调试 ► 在线调试和运行
设计方法： 设计方法：
一．控制系统总体方案的确定 1．可行性研究 2．系统总体方案设计 3. 设计方案细化，确定软、硬件功能 选择各参数检测元件及变送器、执行机 构是影响控制系统精度的重要因素之一。执 行机构选择要与控制算法匹配，还要根据被 控对象决定。
干扰的传播途径
干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合， 干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合， 公共阻抗耦合。 公共阻抗耦合。