微型计算机原理及其应用 第14章 湖南大学出版社

上机调试 等5个步骤。
14.4 实时控制系统设计实例
• 设计对象：50L自动电加热开水桶。 • 设计要求：为容量为50升的电加热开水桶设 计一个单片机控制系统。 • 系统功能与技术指标： （1）能实时检测桶内水位高度和水温，自动控 制加水和电阻丝加热。
（2）水位分为低、中、高三档，采用2个开关 式水位计检测，对水位的控制原则是： • 水位为低水位时启动加水设备并停止加热；
为子程序和中断子程序。
一般情况下，若独立功能块子程序的 运行时间不能事先确定，或具有随机性， 则常将这类子程序设计为中断子程序， 常见的有故障保护功能子程序、通讯 子程序、A/D转换子程序、定时计数子程 序等。
14.2 微机实时控制系统的基本 设计原则与开发方法
14.2.1 基本设计原则与开发方法
14.3.3 软件设计
1.问题定义
• 明确应用系统对控制软件的具体要求，把要由软件承 担的任务明确地定义出来。
• 一般包括被控对象现场监控、实时数据采集、输入/输 出信号处理、数学模型求解、控制算法计算以及人机 接口等任务。
2.软件结构设计
• 常用的软件结构设计方法有： 自顶向下程序设计、模 块化程序设计、结构化程序设计等。 • 微机实时控制系统常采用模块化程序设计，又称为模 块化编程设计。
（1）程序模块的基本概念：
• 某一程序段落内的任何逻辑部分可以任意更改， 而不影响程序的其余部分，且具有解决一个问题 的完整算法，及一定的输入值和输出值范围，可 看成一个完整的小程序； • 这样的程序段可以作为一个子程序，构成一个程 序模块；
• 由输入参数和输出参数实现与其它有调用关系的 程序的衔接。
表14.1 水位与开关状态对应关系 水位状态
低水位
低水位开关状态 高水位开关状态
OFF （1） OFF （1）
中水位
高水位
ON （0）
ON （0）
OFF （1）
ON （0）
3、水温信号的检测
• 水温传感器量程为0~120℃，对应输出电流为 4~20mA。已知变送器输出信号的电流-温度 转换关系式为： 2 I t 4 mA (14.1) 15 • 采用ADC0809模数转换器，使用250标准电 阻实现I/U转换，20mA电流对应5V电压。则 得到电压-温度转换关系式为： 100 (14.2)
1、确定设计对象的要求和详细的设计目标，辨 别设计的约束条件 • 设计目标应当满足对象的性能要求； • 设计目标就是对象性能要求的具体实现，否则，容易 造成浪费资源的所谓“过设计”； • 约束条件是指对象和系统运行的限制条件； • 列出详细设计目标、对约束条件定出优先次序，有利 于分析和分解设计任务，有利于在设计过程中检查设 计目标和约束条件是否满足。
1、被控对象本体工作原理、有效信号及控 制信号的确认 被控对象本体的工作原理与控制流程是实 现自动控制的基本理论依据； 通过对某些反映被控对象本体运行特征的 有效信号或关联信号的实时测量，运行相关算 法，如PID（比例、积分、微分调节器）算法 等获得输出控制量，实现控制目的。
•有效信号是指可以实时检测或能够通过适当变 换、计算得到的能反映被控对象本体运行特征
14.1 微型计算机实时控制系统的组成
14.1.1 微型计算机实时控制系统的硬件
存储器 软件 多路 接口 打印机 显示器 键盘 鼠标 微 型 计 算 机 接口 时钟 主机 计算机控制系统 被控对象 A/D D/A 开关 多路 开关 电源
调理电路1 调理电路n 驱动1
驱动n 变换器1 变换器p
传感器1 传感器n 执行机构1 执行机构n
的特征值，如：幅值、相位、频率等输入信号
或参数。有效信号具有模拟信号和开关信号两 种形式。 •控制信号是指计算机用于控制被控对象本体正 常、稳定、可靠运行的输出信号，也具有模拟
信号和开关信号两种形式。
2、有效信号的获取与量程变换
信号获取与量程变换的设计原则可归纳为：
（1）根据有效信号的性质和量程大小选择传感 器类型。 （2）根据被测信号频带宽度、通道数、测量精 度、测量速度、灵敏度等要求和约束条件选择 A/D转换器及多路开关，根据采样定理确定采 样周期。
两路开关量：高、低水位检测计的两个 有触点开关状态 • 单片机系统的输出信号包括两路开关量： 加水设备的启动和停止信号
电加热设备的启动和停止信号
2、水位状态信号的检测
• 选择干簧管浮子开关检测水位。
• 干簧管浮子开关由活动磁铁和干簧管触头组成， 利用磁铁的吸力使触头闭合或断开。
• 当水位低于浮子开关位置时，触头断开（“1”状 态）； • 当水位高于或位于浮子开关位置时，触头闭合 （“0”状态）。 • 实际水位与两个水位检测计开关状态的对应关系 如表14.1所示。
• 模块化结构设计的应用程序包括主程序和各种模
块子程序。 • 主程序的任务是完成系统初始化，执行需要连续 顺序运行的功能程序，有效调用模块子程序，实 现系统级的所有功能。
• 模块子程序是指实现相对独立功能块的程序，这
类功能块程序不需要连续运行，仅由主程序在适
当的时候调用，或在满足规定条件时才运行，分
（3）模块程序设计的优点 • 单个模块的设计和调试比较方便，容易完成；
• 便于多人共同完成程序设计的任务分配； • 一个模块可以被多个任务共享；
模块程序设计也存在不足：
• 由于模块独立性要求，可能使各模块中有重复的 功能；
• 各个模块在汇编和存放时是独立的，故占用较多 的存储空间； • 为了处理好各个模块的接口参数和条件，故需要 较多的CPU时间。
联机仿真调试
仿真运行EPROM中目标程序
有错误否？ 测试样机硬件 Y 有故障否？ Y 调整样机硬件 N 检查错误原因
N
软件固化错误？ N 排除样机硬件故障
Y
仿真运行目标程序 目标机脱离开发系统插CPU 有错误否？ Y 调整硬件，修改软件 系统研制完成
实时控制系统研制与开发过程
14.3 微型计算机实时控制系统的设计步骤 14.3.1 被控对象设计
3.硬件、软件协调设计
• 硬件与软件具有一定的互换性。 • 多用硬件完成一些功能可以提高工作速度， 但增加了硬件成本和复杂程度； • 用软件代替某些硬件的功能可使硬件成本降 低、系统简单，但软件的工作量增加，执行 速度降低； • 总体设计时，必须在硬件和软件之间进行协
调优化设计。
4、系统调试
包括硬件调试、软件调试和软硬件 联合调试，其目的与作用主要有：
开 始 测试系统动态性能 确定任务，系统功能，技术指标 系统达到设计 指标否？ 选择样机，划分软、硬件功能 N 调试硬件，修改软件 硬件逻辑框图设计 选择器件，完成逻辑设计 加工、插上器件、组装样机 样机静态测试 软件结构 确定算法，程序流程设计 目标程序固化到EPROM 编写程序 程序编译，部分软件调试 EPROM插入目标样机 Y
（1）查找和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ改硬件设计及程序编写的 错误；
（2）进一步优化硬件和软件设计； （3）验证设计的有效性，实现设计 目标。
14.2.2 实时控制系统的 研制与开发过程
• 本节介绍一种基于上述基本设计原则与方法 的微机实时控制系统研制与开发过程。
• 系统调试是系统研制的最后环节，但是十分 重要的环节，起着保证设计正确性、可靠性、 有效性的作用。
第14章 微型计算机应 用系统的开发 与设计
本章内容
微型计算机实时控制系统的组成
微机实时控制系统的基本设计原则与 开发方法 微型计算机实时控制系统的设计步骤
实时控制系统设计实例
微机实时控制系统的概念：
微型计算机应用系统大多为实时控制系 统，指有效使用某一种或几种微处理器作为 控制核心，配合优化设计的检测电路、驱动 电路、控制电路以及人机接口设备等，在控 制软件的管理与操纵下，完成某些特定的实 时检测和/或控制任务的软硬件整体。
（2）模块化编程方法 • 根据任务的逻辑关系，把整个程序按任务 分层划块，一直到实现任务的每个程序模 块能容易编码为止，这就是所谓的模块化 编程，或积木式编程。 • 模块程序设计方法就是把一个完整的程序 分成若干个功能相对独立的较小的程序模 块， • 各个程序模块分别进行设计、编制、和调 试，最后将调试好的程序模块连接起来的 设计方法。
2、任务分解
• 任务是指微机实时控制系统应当且必须完成或执 行的动作和功能； • 设计开始时，将复杂的设计问题分解成若干个较 简单的、可以独立表征的子任务，如有可能，最 好将子任务分解到可以直接实现的简单程度； • 硬件任务分解和软件任务分解具有对应性，但是， 软件任务一般多于硬件任务，程序设计中，子任 务应当能用模块化子程序实现。
• 水位达到中水位时启动加热； • 水位达到高水位时停止加水。 （3）对温度的控制原则是： • 水温低于80℃时启动加热； • 水温处于80~100℃之间为保温阶段； • 水温达到100℃时停止加热。
14.4.1 设计需求分析
1、输入/输出的有效信号
• 单片机系统的输入信号包括：
一路模拟量：热水温度，范围为5℃~100℃
被
控 对 象 本 体
接口
接口
隔离器1 隔离器p 隔离器1 隔离器q 开关
通讯口
人机接口
功放1 功放q 信号传感与驱动变换
扩展接口电路
数据交换及隔离
图14.1 典型的微型计算机实时控制系统原理图
14.1.2 微型计算机实时控制系统的软件
微机实时控制系统的应用软件是服务于实时 控制的程序的集合，由实时控制系统的设计者编写。 实时控制系统的复杂程度和功能差别很大，故 应用软件的差别也很大，必须根据系统功能和组成 编写。 考虑硬件的可扩充性，宜采用模块化结构设计 应用软件。这种结构易于扩展和更改。
u 3 t 1000 mV
• 对应于传感器量程为0~120℃，输入电压信号范围为： 1000~5000 mV，ADC0809的工作电压为5V。 • 则当输入电压u=5000mV时，对应的转换（采样）数据 N=255；而当u=0mV时，N=0，即有：
3、模拟输出通道 设计原则：
（1）根据控制精度和分辨率选择D/A转换器；
（2）根据D/A转换器的带负载能力以及执行机构的 输入要求，设计驱动器。
（3）驱动器应具有滤波能力，能滤除D/A输出信号 中的谐波，使执行机构的驱动信号平滑连续。 （4）驱动器应是线性的，应具有电流放大能力，能 满足执行机构的驱动要求。 （5）驱动器应有电气隔离能力，防止被控对象的高 等级电压经过驱动电路耦合到D/A转换器或计算机。
4、开关量输出通道
• 计算机输出的开关信号通过开关量输出通
道直接控制被控对象的开、关动作，原理
简单。
• 计算机引脚或扩展电路的输出为TTL电平，
且输出电流较小，难以满足驱动要求，应 设计带有隔离功能的功率放大电路。
14.3.2 硬件设计
• 硬件设计主要指主机和扩展接口电路的设计，
• 在较复杂的系统中，还要考虑以下几项设计：
（3）根据A/D转换器输入信号的要求和传感器 输出信号的情况，设计调理电路，使其输出信
号幅值、变化范围既有利于提高A/D转换分辨
率，又不会造成超量程。 （4）根据常用接口电路和计算机引脚的电平、 电流承受能力、允许的变化频率、开关信号的 特征参数，如：幅值、周期、波动范围等指标，
设计变换器和选择隔离器。
（4）模块程序设计的参考原则
• 每个模块的程序不宜太长，必须与其应解决的 任务相匹配；
• 每个模块之间界限应明确，而且在逻辑上相对
独立，应尽量使模块只有一个入口和一个出口； • 尽量地利用现成的模块程序，包括系统软件提 供的和个人积累的成功的程序。
3、程序设计与调试 包括：
分析问题， 建立数学模型并确定算法; 绘制程序流程图; 分配内存工作区及有关端口地址; 编写源程序;
1、可维护性设计
（1）在硬件系统中适当加入故障诊断手段，如：在 电路中的一些关键部位上加装若干发光二极管， 用以指示相应电路运行正常或故障状态。 （2）在电路中的关键位置设置电平监测点；
（3）对易损芯片采用插座安装，以便维修更换。
2、抗干扰设计
（1）在重要芯片的电源引脚旁安装电容器，抑制电 源电压的瞬间突变，滤除高频干扰； （2）注意区分信号线和电源线、开关量线和模拟量 线、大电流线和小电流线。线的走向与布局，应以 避免相互干扰为原则，如避免邻近效应产生的干扰 等； （3）合理布局地线、印制线宽度和线间距离，避免 线之间发生爬电现象，尽量减少空间电磁辐射的感 应干扰、共模干扰等； （4）将高电压或大电流等级的部件，分区布局。