微机控制系统的选择及接口设计
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第四章 微机控制系统的选择及接口设计
电子信息处理 系统（CNC）
控制 信息
参数变 化信息
传感检测系统
检测 参数
执行元
动力系统
件系统 能 量
驱 动 力
机械系统
构成要素：五大部分
第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权 衡 第二节 微机控制系统的设计思路 第三节 微机控制系统的构成与种类 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输 入／输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用 系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路
选择微型计算机除应满足上述几点要求外， 从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几 个特殊要求（3个） :
1)字长
微处理器的字长定义为并行数据总线的线 数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、 指令的数目和执行操作的时间。
2）速度
速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于 同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时， 就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就 会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度 快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要 求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时 间就短，可选用执行速度较慢的机器。
3．选择微型计算机
对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的， 从控制的角度出发，微机应能满足以下要求：
（1） 较完善的中断系统
微型计算机控制系统必须具有实时控制 性能。 实时控制包含两个意思： 一是系统正常运行时的实时控制能力； 二是在发生故障时紧急处理的能力。
常采用中断控制功能。
（2） 足够的存储容量
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：
① 主控制微机机型的合理选择，
② 设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，
③ 编制应用软件。
这实质上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。
是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。
单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行 开发。
输入／输出通道是外部过程和主机交换信息的 通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入 ／输出通道，有的要求有模拟量输入／输出通道， 有的则同时要求有开关量输入／输出通道和模拟量 输入／输出通道。对于需要实现外部设备和内存之 间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。
实时时钟在过程控制中给出时间参数，记录发生事 件的时刻。
由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着 控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更 是越来越多。
在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控 制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定 一种控制算法。选用时应考虑所选定的算法是否‘能 满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。
当控制系统比较复杂时，控制算法也 比较复杂，整个控制系统的实现就比较困 难，为设计、调试方便，可将控制算法作 某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如 非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步 控制成果后，再逐步将控制算法完善，直 到获得最好的控制效果。
而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有 利。
第二节 微机控制系统的设计思路
1．确定系统整体控制方案
① 首先应了解被控对象的控制要求，通常，先从系统构成上考 虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采 用何种检测传感元件，检测精度要求如何。
由于微型计算机内存容量有限，当内存 容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存， 有时还应配备适当的外存储器，如单板机通 常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程 序和数据。单板机可配备2~8KB以上的只读存 储器，监控程序及调试成功的应用程序都写 入只读存储器，实现软件固化。
（3） 完备的输入／输出通道和实时时钟
2.硬件与软件的权衡
在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬 件来实现，又可用软件来实现。
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。
原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情 况Leabharlann Baidu，则最好采用硬件。
特点：与采用分立元件组成的电路相比，采用软件 不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更 为可靠。
3)指令
一般说来，指令条数越多，针对特定操作 的指令就多，这样会使程序量减少，处理速 度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰 富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通 常8位微处理器都具有足够的指令种类和数 量，一般能够满足控制要求。
选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易
以及扩充输入／输出接口是否方便等因素，从而确定
⑤ 最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统 组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。
2．确定控制算法（书P126）
对任何一个具体微机控制系统进行分析、综 合或设计，
首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算 法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达 式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数 量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处 理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所 谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控 制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系 统的品质，甚至决定整个系统的成败。
第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权 衡
由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控 制器。 控制系统的设计的内容：选用微机、设计接口、 控制形式和动作控制方式的问题
1.专用与通用的抉择
专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。
专用控制系统的设计: 主要是选用适当的通用IC芯片以及 设计其外围电路来组成控制系统。
② 其次考虑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。
③ 第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精 应采取哪些措施。
④ 第四是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。
电子信息处理 系统（CNC）
控制 信息
参数变 化信息
传感检测系统
检测 参数
执行元
动力系统
件系统 能 量
驱 动 力
机械系统
构成要素：五大部分
第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权 衡 第二节 微机控制系统的设计思路 第三节 微机控制系统的构成与种类 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输 入／输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用 系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路
选择微型计算机除应满足上述几点要求外， 从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几 个特殊要求（3个） :
1)字长
微处理器的字长定义为并行数据总线的线 数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、 指令的数目和执行操作的时间。
2）速度
速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于 同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时， 就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就 会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度 快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要 求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时 间就短，可选用执行速度较慢的机器。
3．选择微型计算机
对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的， 从控制的角度出发，微机应能满足以下要求：
（1） 较完善的中断系统
微型计算机控制系统必须具有实时控制 性能。 实时控制包含两个意思： 一是系统正常运行时的实时控制能力； 二是在发生故障时紧急处理的能力。
常采用中断控制功能。
（2） 足够的存储容量
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：
① 主控制微机机型的合理选择，
② 设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，
③ 编制应用软件。
这实质上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。
是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。
单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行 开发。
输入／输出通道是外部过程和主机交换信息的 通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入 ／输出通道，有的要求有模拟量输入／输出通道， 有的则同时要求有开关量输入／输出通道和模拟量 输入／输出通道。对于需要实现外部设备和内存之 间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。
实时时钟在过程控制中给出时间参数，记录发生事 件的时刻。
由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着 控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更 是越来越多。
在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控 制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定 一种控制算法。选用时应考虑所选定的算法是否‘能 满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。
当控制系统比较复杂时，控制算法也 比较复杂，整个控制系统的实现就比较困 难，为设计、调试方便，可将控制算法作 某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如 非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步 控制成果后，再逐步将控制算法完善，直 到获得最好的控制效果。
而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有 利。
第二节 微机控制系统的设计思路
1．确定系统整体控制方案
① 首先应了解被控对象的控制要求，通常，先从系统构成上考 虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采 用何种检测传感元件，检测精度要求如何。
由于微型计算机内存容量有限，当内存 容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存， 有时还应配备适当的外存储器，如单板机通 常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程 序和数据。单板机可配备2~8KB以上的只读存 储器，监控程序及调试成功的应用程序都写 入只读存储器，实现软件固化。
（3） 完备的输入／输出通道和实时时钟
2.硬件与软件的权衡
在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬 件来实现，又可用软件来实现。
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。
原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情 况Leabharlann Baidu，则最好采用硬件。
特点：与采用分立元件组成的电路相比，采用软件 不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更 为可靠。
3)指令
一般说来，指令条数越多，针对特定操作 的指令就多，这样会使程序量减少，处理速 度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰 富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通 常8位微处理器都具有足够的指令种类和数 量，一般能够满足控制要求。
选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易
以及扩充输入／输出接口是否方便等因素，从而确定
⑤ 最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统 组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。
2．确定控制算法（书P126）
对任何一个具体微机控制系统进行分析、综 合或设计，
首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算 法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达 式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数 量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处 理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所 谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控 制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系 统的品质，甚至决定整个系统的成败。
第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权 衡
由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控 制器。 控制系统的设计的内容：选用微机、设计接口、 控制形式和动作控制方式的问题
1.专用与通用的抉择
专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。
专用控制系统的设计: 主要是选用适当的通用IC芯片以及 设计其外围电路来组成控制系统。
② 其次考虑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。
③ 第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精 应采取哪些措施。
④ 第四是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。