计算机控制系统--嵌入式PLC

8.2 可编程控制器（PLC）
8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 PLC概述 PLC结构和工作原理 PLC常用编程语言 PLC应用实例 PLC网络系统
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嵌入式产品一览
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8.1.1 概述
1. 嵌入式系统定义和分类
– 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
(4)嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)
– 在一个硅片上实现一个复杂的系统，其最大的特点是实现了软硬 件的无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码模块。
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2. 嵌入式处理器
(1) 嵌入式微控制器(Mico Controller Unit, MCU)
– 典型代表是单片机。单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、 定时器/计时器、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能 和外设，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各 种增强，且体积小、功耗成本低，比较适合控制。
电气工程师协会（IEEE）定义 ：
“嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机 器甚至工厂操作的装置。”
一般定义：
“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。”
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嵌入式系统的几个重要的特点：
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
• 商用型RTOS的功能稳定可靠，具有比较完善的技术支持和售 后服务，但价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。如 WindRiver公司的VxWorks、Palm Computing掌上电 脑公司的Palm OS等。 • 免费的RTOS主要有Linux和μC/OS等。尽管这些资源带有 源码，但理解、消化并运用在某应用系统上也是一项艰苦的工 作，相应的调试工具是没有免费的。
①小型系统内核； ②专用性较强； ③系统精简，以减少控制系统成本，利于实现系统 安全； ④采用高实时性的操作系统，且软件要固化存储； ⑤使用多任务的操作系统，使软件开发标准化； ⑥嵌入式系统开发需要专门的工具和环境。
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嵌入式系统的分类
• 硬件方面：
– 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） – 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） – 系统级嵌入
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8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
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2． 传统设计技术
• 设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
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4. 嵌入式系统的应用和发展趋势
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嵌入式技术的发展趋势
• 芯片方面
–源自文库是可编程片上系统。
• 宏观方面
– 使嵌入式系统更经济、小型、可靠、快速、智能化、 网络化。
经济性 很便宜，让更多的人能买得起。 小型化（笔记本、PDA） 人们携带方便。 可靠性（汽车VCD跳动问题） 能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行。 高速度（飞机刹车系统） 能够迅速地完成数据计算或数据传输。 智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动） 使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)
– 基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。
(3) 数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)
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3. 开发设计工具
• 软件开发平台
– – – – 高级语言编译器（Compiler Tools）。 实时在线仿真系统ICE（In Circuit Emulator）。 源程序模拟器（Simulator）。 实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）。
3. 开发设计工具
• 硬件设计工具
– 系统级设计方面采用的硬件设计工具有Cadence的 SPW和System View。 – 模拟电路系统采用的仿真工具有Pspice和EWB。 – 印刷电路设计方面的设计工具有Protel、PADs 的 Power PCB & Tool Kit和Mentor的Expedition & Tool Kit。 – 可编程逻辑器件设计工具还有Mentor FPGA Advantage & ModelSim、Xilinx Foundation ISE & Tool Kit以及各种综合和仿真工具等等。
• 软件方面（根据实时性要求）：
– 非实时系统（例如PDA等） – 实时系统
• 硬实时系统——若系统在指定的时间内未能实现某个确定的任 务，就会引起系统崩溃或导致致命错误（如导弹飞行姿态控制 系统）。 • 软实时系统——在该类系统中虽然响应时间同样重要，但是超 时却不会导致致命错误，这也意味着偶尔超过时间限制是可以 容忍的（如消费类产品） 。
计算机控制系统
北京航空航天大学 清华大学出版社 2006年11月
《计算机控制系统》
• 依<全国高等学校自动化专业系列教 材编审委员会>审定的教材大纲编写。 • 主编人：高金源 夏洁 • 出版发行：清华大学出版社
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8.1 嵌入式系统
8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 概述 软硬件协同设计技术 实时操作系统 嵌入式系统的开发 嵌入式控制系统设计实例