第一版微型计算机控制技术潘新民版@hpu

第1章微型计算机控制系统概述1、微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：①主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。

②输入输出接口：这是微机和被控对象之间进行信息交换的纽带。

③通用外部设备：为了扩大主机的功能而设置的，用来显示打印存储传送数据。

④检测元件与执行机构：a.在微机控制系统中，为了收集和测量各种数据，采用了各种检测元件，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，b.执行机构：控制各参数的流入量。

⑤操作台：人机对话的纽带，通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存数据，显示被测参数及发出各种操作命令。

2、微型计算机控制的系统的软件有什么作用？请说出各部分软件的作用。

答：软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。

整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。

就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件。

系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。

应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。

3、常用工业控制机有几种?它们各有什么用途？答：①单片微型计算机:是工业控制和智能化系统中应用最多的一种模式。

一般用于扩展接口，如A/D,D/A转换接口,LED、LCD显示接口扩展，再开发一些应用软件，便可以用于工业控制。

②可编程逻辑控制器：目前从单机自动化到工厂自动化，从柔性制造系统、机器人，到工业局域网都有用到。

③现场可编程门阵列：可以实现动态配置，在线系统重构及硬件软化、软件硬化等功能。

④工业PC机：完成STD总线工业控制机的检测、控制，使程序设计变得更加简单，各种报表程序打印、数据处理曲线、工业控制流程图、PID柱形图像处理程序等。

4、操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？答：①操作指导控制系统：原理：每隔一段时间计算机会进行一次采样，经 A/D 转换后，送入计算机加工处理，然后再进行报警、打印或显示，操作人员根据此结果进行设定值改变或必要操作。

计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，供操作员参考。

②直接数字控制系统DDC 系统：是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

③计算机监督控制系统SCC 系统：原理：由计算机按照过程数学模型计算出最佳给定值送给 DDC 计算机，最后由 DDC 计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状态。

区别与联系：SCC 系统比 DDC 系统更接近生产变化的实际情况，因为在 DDC 系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而 SCC 系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。

SCC 是操作指导控制系统和 DDC 系统的综合与发展。

5、说明嵌入式系统与一般微型计算机扩展系统的区别。

答：嵌入式计算机一般没有标准的硬件配置。

嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器结构。

软硬件协同设计采用统一的工具描述，可合理划分系统软硬件，分配系统功能，在性能、成本、功耗等方面进行权衡折衷，获取更优化的设计。

嵌入式系统多为低功耗系统。

简单地说，就是嵌入式系统和微型计算机的扩展标准不大一样。

6、PLC控制系统有什么特点？答：①可靠性高。

由于 PLC 大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断答功能，因而提高了系统的可靠性。

②编程容易。

PLC 的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，其数量比微型机指令要少得多，除中、高档 PLC 外，一般的小型 PLC 只有 16 条左右。

由于梯形图形象而简单，因而编程容易掌握、使用方便，甚至不需要计算机专门知识，就可进行编程。

③组合灵活。

由于 PLC 采用积木式结构，用户只需要简单地组合，便可灵活地改变控制系统的功能和规模，因此，可适用于任何控制系统。

④输入/输出功能模块齐全。

PLC 的最大优点之一，是针对不同的现场信号，均有相应的模块可与工业现场的器件直接连接，并通过总线与 CPU 主板连接。

⑤安装方便。

与计算机系统相比，PLC 的安装既不需要专门的机房，也不需要严格的屏蔽。

使用时只需把检测器件与执行机构和PLC 的 I/O 接口端子连接无误，便可正常工作。

⑥运行速度快。

由于 PLC 的控制是由程序控制执行的，因而不论其可靠性还是运行速度，都是继电器逻辑控制无法相比的。

7、微机控制系统与模拟控制系统相比有什么特点？答：①结构上，模拟和数字部件的混合系统。

②含有模拟信号离散模拟、离散数字等多种信号。

③需采用专门的理论来分析和设计。

即模拟调节规律离散化设计法和直接设计法。

④便于实现复杂的控制具有很大的灵活性和适应性。

⑤可实现多回路分时控制。

⑥控制的多功能性提高企业的自动化程度分级控制、集散控制、生产管理等。

8、什么叫现场总线系统？它有什么特点？答：现场总线控制系统FCS的核心是现场总线。

特点：①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。

②是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。

③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。

④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。

9、未来控制系统发展趋势是什么？答：①大力推广应用成熟的先进技术；②大力研究和发展智能控制系；③嵌入式系统的应用将更加深入。

10、为什么说嵌入式微控制器是智能化仪器和中、小型控制系统中应用最多的一种微型计算机？嵌入式微控制器又称单片机。

①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。

②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。

③微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。

11、什么叫嵌入式系统？嵌入式系统与一般的工业控制有什么区别？答：嵌入式系统：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

12、什么是物联网？为什么说：“物联网给微型计算机控制技术”带来新的、更大的应用空间？答：物联网=互联网+传感器。

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。

13、物联网终端由几部分组成？各部分的作用是什么？答：物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块、网络通信模块及电源管理模块组成。

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。

14、FPGA是什么意思？它有什么特点？在微机控制系统智能化仪器中有着怎样的影响？答：FPGA 是指现场可编程门阵列。

FPGA 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。

②FPGA 可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

③FPGA 内部有丰富的触发器和I／O 引脚。

④FPGA 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。

⑤FPGA 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。

第2章模拟量输入/输出通道的接口技术1、采样有几种方法，试说明它们之间的区别？答：①简单随机抽样法，就是指总体中的每个个体被抽到的机会是相同的；②系统抽样法，也叫等距抽样法；③分层抽样法，也叫类型抽样法，它是从一个分成不同子总体（或称为层）的总体中，按规定的比例从不同层中随机抽取样品（个体）的方法；④整群抽样法，是将总体分成许多群，每个群由个体按一定方式结合而成，然后随机抽取若干群。

时域采样，频域采样…2、采样周期越小越好吗？为什么?答：不是。

若采样间隔太小（采样频率太高），对系统硬件要求较高，且数据量较大。

根据奈奎斯特采样定律，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。

3、多路开关的工作原理。

多路开关主要用于把多个模拟量参数分时地接通，常用于多路参数共用一台A/D转换器的系统中，完成多对一的转换。

多路开关的特点。

答：①采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；②直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；③内部带有通道选择译码器，使用方便；④可采用正或负双极性输入；⑤转换速度快，通常其导通或关断时间在1ms 左右，有些产品已达到几十到几百纳秒（ns）。

4、多路开关如何扩展？试用两个CD4097扩展成一个双16路输入和双2路输入系统，并说明其工作原理。

答：扩展时，将多路开关芯片交替使能（反相器）即可，两路开关扩展仍不能达到系统要求是，可采用译码器控制芯片使能端。

5、试用CD4051设计一个32路模拟多路开关，要求画出电路图并说明其工作原理。

答：因为CD4051只有八个输入接口，所以要构建32路的多路开关需要4个CD4051。

32路的多路开关应有5个控制口，其中前三个是CD4051的输入口，后两个是控制口，分别标为D1、D2、D3、D4、D5（00000-11111,00000是第0通道，11111是第31通道）。

根据设计要求列写真值表：……通过对4个CD4051的选择来实现32个通道口的选择（0-7,8-15,16-23,24-31）。

而CD4051的选择是通过控制各个CD4051的INH高低电平来实现。

故INH的选择是控制D5和D4的逻辑关系来达到的。

其中INH1=!(!D5&!D4);INH2=!(!D5&D4);INH3=!(D5&!D4);INH4=!(D5&D4)。