第4章-微机控制的选择与设计-new-zjh

模拟接口电路的任务
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(3)操作控制台设计 微型计算机控制系统必须便于人机联系。 操作员控制台一般应有下列一些功能： ①有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于 输入或更新给定值、 更改控制器参数或其它必要的数据； ②有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式， 起动、停止或完成某种指定的功能；
• 微型计算机如果不配有软件，通常称为裸 机 • 软件分为系统软件和应用软件两大类。
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微型计算机系统
根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、I／O接口电路、电 源等组装在 不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键 盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设 备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微型计算机系 统。
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如目前国内使用较多的IBM—PC(如IBM PCXT、80286，80386、 80486、80586、PII、PⅢ、PⅣ等)：
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微型计算机系统的ห้องสมุดไป่ตู้成
微 型 计算机 (主机)
微处理器 存储器 I/O接口 总线
ALU 寄存器 控制器
硬件系统 微 型 计算机 系 统 软件系统
外 设 系统软件 应用软件
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4.1.3 微型计算机的系统构成及种类
1 微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这个术语。即微处理机(微处理器)、 微型计算机、微型计算机系统的统称。 微处理机(Microprocessor)简称μP或CPU。它是一个大规 模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件. 微型计算机(Microcomputer)简称MC或μc,它是以微处理机 (CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器 (RAM)、输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路 组成的计算机。 将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机 称为微型计算机系统(Microcomputer system)简称MCS.
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4.1.2
微机控制系统的设计思路
1、确定系统整体控制方案
了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方 案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环 控制。
执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动。比较 其方案的优缺点，择优而选。
考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度 和快速性要求的系统，应采取哪些措施。 考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接 控制还是数据处理．微机应承担哪些任务，为完成这些任 务微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备 哪些外围设备。
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特点: 集成度高、功能强、通用性好;
具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，
可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点 使用: 它很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程 控制自动化，在不显著增加机电一体化系统(或产品)的 体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其 性能 随着单片机性能的提高和功能的增强,目前，单片机已广 泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动 化产品、机器人等机电一体化产品上.
工业控制机的特点
工业控制机也称工业计算机IPC(industrial personal computer，以下简称工控机)。它主要特点如下：
1.可靠性高 平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时。
2.实时性好 实时响应控制对象各种参数的变化,进行处理和 报警。 3.环境适应性强 对温度／湿度变化范围要求高；有防尘、防 腐蚀、防振动冲击的能力;有较好的电磁兼容性和高抗干扰 能力及高共模抑制的能力。 4.过程输入和输出配套较好 如模拟量、开关量、脉冲量、频 率量等输入输出模板。
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2 确定控制算法 所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。由此推出 控制算法。所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行 控制。
根据给定信号形式的不同分类。
恒值控制系统： 系统的参考输入为恒定值或者波动范围很 小，要求系统的输出量也保持恒定。
随动控制系统（伺服控制系统）：
参考输入值不断变化， 变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地 跟踪输入值的变化。 设定值变化，是时间的已知函数，即按照 事先规定的时间程序或规律变化。
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模拟量I/O通道的组成
输入通道
工 业 生 产 过 物理量 变换 传 感 器 放大 滤波 多路转换 & 采样保持
A/D 转换
输入 接口
10101100
微 型
计 信号 处理 信号 变换 I/O 接口
算 机 00101101
输出通道
执行 机构 放大 驱动 D/A 转换 输出 接口
程
模拟电路的任务
– 南北桥
• 北桥——提供CPU/主存/高速缓存的连接、AGP接口、PCI桥接 • 南桥——提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA桥接等 例如：Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS 645等
– HUB
• GMCH——AGP接口、存储器通道 • ICH——PCI桥接、IDE控制器、USB、串/并口 • FWH——系统BIOS、显示BIOS、随机数发生器 例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等
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在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字 显示器，可完成一些简单的数据处理和编辑功能。 用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低，在简易数控 机械设备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。
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系统级
• 以微型计算机为中心，配以相应的外围设 备以及控制微型计算机工作的软件，就构 成了完整的微型计算机系统。
第四章 机电一体化系统的微机控制 系统的选择与设计
•微机控制系统
•8086/8088微机控制系统 •单片机应用系统控制系统 •数据的计算机输入/输出 •微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计。
•检测传感器与微机接口
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4．1
微机控制系统
控制系统的设引就是选用微机、设计接口、选用控制形式 和动作控制方式的问题。
1)模块化程序设计法。 2)结构化程序设计法
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6 系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。 调试步骤为
硬件调试一软件调试一系统调试。
硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、 元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行； 软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使 其正确无误，然后固化在EPROM中； 系统调试(联调)主要是指把硬件与软件组合起来，进行 模拟实验，正确无误,然后进行现场试验，直至正常运行 为止。
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硬件系统级——微型计算机
单板机
将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的ROM和RAM、输入/ 输出端口(I／O电路)以及一些辅助电路分别作成LSI芯片， 并将它们配臵在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直 接连接起来，这样的计算机就叫做单板微型计算机，简称单 板机。 例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机， SDK 86是以16位微处理器(Intdel8086／8088)为中央处理器 组装的16位单板机。
③有一个数字显示装臵或显示屏，用于显示各状态参数及 故障指示等； ④控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止 系统运行，转入故障处理。
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软件设计
微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用 软件。
系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系 统。 应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软 件设计。
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机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法 的控制算法； 位臵数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法 各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制 算法
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选择微型计算机
较完善的中断系统。 足够的存储容量。
完备的输入／输出通道和实时时钟
字长 速度 指令
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系统总体设计
(1)接口设计
1)选用功能接口板。
2)选用通用接口电路 3)用集成电路自行设计接口电路。 接口设计包括两个方面的内容： 一是扩展接口； 二是安排通过各接口电路输入/输出端的输入/输出 信号，选定各信号输入/输出时采用何种控制方式。
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(2)通道设计 输入/输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部 件。每个控制系统都要有输入/输出通道。 一个系统中可能要有开关量的输入/输出通道、数字量的 输入/输出通道或模拟量的输入/输出通道。在总体设计中 就应确定本系统应设臵什么通道，每个通道由几部分组成， 各部分进行什么样元器件等。
对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于 还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进 行改造时，采用通用控制系统比较合理、通用控制系统的 设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元 件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件 的问题。实质，这就是通过接口设计和软件编制来使通用 微机专用化的问题。
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2)硬件与软件的权衡。
例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而在其余大 多数情况下．对于某种功能来说，既可用硬件来实现，叉 可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组 成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。 在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能 力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。
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(2)按微处理机位数分类 按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16 位、32位和64位等机种。 所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传 送数据的总线宽度。 (3)按用途分类 可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。 对单片机来说，可分为通用型和专用型