1、第四章第四章 机电一体化系统的微机控制系统机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计的选择与设计微机控制系统微机控制系统；8086/8088微机的硬件结构特点；微机的硬件结构特点；单片机的结构特点及其最小应用系统单片机的结构特点及其最小应用系统；数字显示器及键盘的接口电路；数字显示器及键盘的接口电路；微机应用系统的输入微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计输出控制的可靠性设计。常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口1第1页，共202页。4 41 1 微机控制系统微机控制系统控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制系统的设计就是选
2、用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的控制方式的问题问题。4 41 11 1 微机控制系统专用与通用、硬微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡件与软件的抉择和权衡在设计中，首先遇到的问题有以下几种。在设计中，首先遇到的问题有以下几种。1)1)专用与通用的抉择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。专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。2第2页，共202页。3第3页，共202页。4第4页，共202页。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用ICIC芯片芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感
3、器相匹配，或重来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。芯片上。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。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
4、接口，并在此基础上编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。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。题。5第5页，共202页。2)2)硬件与软件的权衡。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，通常要根据现。因此，控制系统中硬件和软件的合
5、理组成，通常要根据经济经济性和可靠性的标准权衡性和可靠性的标准权衡决定。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。在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。6第6页，共202页。4 41 12 2 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路1 1、确定系统整体控制方案、确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。首先应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，先从通常，先从系统构成系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制。当采上考虑
6、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。何。其次考虑其次考虑执行元件执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动。比较采用何种方式，是电动、气动还是液动。比较其方案的优缺点，择优而选。其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有第三要考虑是否有特殊控制特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度要求，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。和快速性要求的系统，应采取哪些措施。7第7页，共202页。第四是第四是 考虑考虑微机微机在整个控制系统中的在整个控制系统中的作用作用，是设定
7、计算、直接控，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，需要哪些输入具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。输出通道、配备哪些外围设备。2 2 确定控制算法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。法。所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制。所谓计算机控制就是按照规定的控制算法进行控制。每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制
8、系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。例如，机床控制中常使有一套与此控制规律相对应的控制算法。例如，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；位置数字用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；位置数字伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法。另外，还有各种最伺服系统中常用实现最少拍控制的控制算法。另外，还有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优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法8第8页，共202页。3 3 选择微型计算机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，对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从
9、控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入入/输出通道和实时时钟等要求。输出通道和实时时钟等要求。1)1)较完善的中断系统。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：个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；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。出现异常或紧急情况时应报警二是在发生故障时紧急处理的能力。出现异常或紧急情况时应报警和处理和处理9第9页，共202页。2)2)足够的存储容量。
10、足够的存储容量。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。据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。微型计算机系统通常有微型计算机系统通常有323264 KB64 KB以上的内存，一般配备磁盘以上的内存，一般配备磁盘(硬硬盘或软盘盘或软盘)作为外存储器，系统程序和应用程序可保存在磁盘内，作为外存储器，系统程序和应用程序可保存在磁盘内，运行时由操作系统从磁盘调入内存。系统机亦可扩充运行时由操作系统从磁盘调入内存。系统机亦可扩充2 28KB8KB以上以上的只读存储器，调试成功的应
11、用程序同样可以存入只读存储器内，的只读存储器，调试成功的应用程序同样可以存入只读存储器内，这样使用方便、可靠性高。这样使用方便、可靠性高。3)3)完备的输入输出通道和实时时钟。完备的输入输出通道和实时时钟。开关量输开关量输入入输出通道；模拟量输入输出通道；模拟量输入/输出通道；同时具有开输出通道；同时具有开关量输入输出通道和模拟量输入关量输入输出通道和模拟量输入/输出通道输出通道10第10页，共202页。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：对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：1)1)字长。字
12、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、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。对于通常的顺序控制、程序控制可选用对于通常的顺序控制、程序控制可选用1 1位位微处理器。微处理器。对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用4 4位位机机(如如计算器、家用电器及简单控制等计算器、家用电器及简单控制等)。对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8 8位位机机(如线切如线
13、切割机床等普通机床控制、温度控制等割机床等普通机床控制、温度控制等)。对于计算精度高、处理速度快的系统可选用对于计算精度高、处理速度快的系统可选用1616位位机机(如控制算如控制算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的数据处理等数据处理等)。11第11页，共202页。2)2)速度。速度。速度的选择与字长的选择可一并考虑。速度的选择与字长的选择可一并考虑。通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。通常，微处理器的速度选择可根据不同的被控制对象而定。例如，对于反应缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速的例如，对于反应
14、缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等。微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等。必须用高速的微处理机。必须用高速的微处理机。3)3)指令。指令。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，处理速度加快少，处理速度加快。12第12页，共202页。单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分四个基本组成部分(CPU(CPU、EPROMEPROM、RAMRAM和和I IO O接口接口)，具有价
15、格，具有价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。选择微机时，还应选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入/输输出接口是否方便等因素出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。是选用微型计算机系统。单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现场使用，便于维护和管理。场使用，便于维护和管理。其缺点是内存容
16、量较小，接口电路少；另外使用机器语言编程，编其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外使用机器语言编程，编程和调试比较困难。程和调试比较困难。13第13页，共202页。微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有言编程，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有软软(硬硬)磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。现内外存储器之间的快速批量信息交换。其缺点是成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充
17、分利用其缺点是成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。系统机的全部功能，抗干扰能力差。4 4 系统总体设计系统总体设计 在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、被控在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、被控制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和制对象和操作者三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件和软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、要考虑硬件和软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、操作控
18、制台设计、可靠性设计等问题。操作控制台设计、可靠性设计等问题。14第14页，共202页。(1)(1)接口设计接口设计通常有下述三种方法可供选用。通常有下述三种方法可供选用。1)1)选用功能接口板。选用功能接口板。在功能接口板上，有多组并在功能接口板上，有多组并(串串)行数字量输入输出通道，行数字量输入输出通道，或多组模拟量输入输出通道。或多组模拟量输入输出通道。采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小，可靠性采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统。高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统。2)2)选用通用
19、接口电路。选用通用接口电路。在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与CPUCPU的连接的连接方法、编程控制方法就可进行任意扩展。方法、编程控制方法就可进行任意扩展。15第15页，共202页。3)3)用集成电路自行设计接口电路。用集成电路自行设计接口电路。在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规模集在某些情况下，不采用通用接口电路，而采用其它中小规模集成电路扩充接口更方便、价廉。成电路扩充接口更方便、价廉。例如，
20、一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用例如，一个控制系统需要输入多组数据或开关量可用74LS13874LS138译码器和译码器和74LS24474LS244三态缓冲器等组成输入接口，也可三态缓冲器等组成输入接口，也可用用74LS13874LS138译码器和译码器和74LS37374LS373锁存器等组成输出多组数据的输锁存器等组成输出多组数据的输出接口。出接口。接口设计包括两个方面的内容：接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入二是安排通过各接口电路输入/输出端的输入输出端的输入/输出信号，选定各信输出信号，选定各信号输入号输入/输出时采用输出时采用
21、何种控制方式何种控制方式。16第16页，共202页。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取直接存储器存取(DMA)(DMA)控制器作为辅助电路加到接口。控制器作为辅助电路加到接口。(2)(2)通道设计通道设计 输入输入/输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。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每个控制系统都要有输入/输出通道。输出通道。一个系统中可能要有开关量的输入一个系统
22、中可能要有开关量的输入/输出通道、数字量的输输出通道、数字量的输入入/输出通道或模拟量的输入输出通道或模拟量的输入/输出通道。在总体设计中就应输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分需要什么样元器件等。分需要什么样元器件等。17第17页，共202页。转换、保护、转换、保护、滤波、隔离滤波、隔离等措施转换等措施转换成计算机能成计算机能接受的逻辑接受的逻辑信号信号18第18页，共202页。19第19页，共202页。20第20页，共202页。模拟量输出通道模拟量输出通道21第21页，共202页。(3)(3)操
23、作控制台设计操作控制台设计微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台。一个现场操作人员使用的控制台。操作员控制台一般应有下列一些功能：操作员控制台一般应有下列一些功能：有一组或几组数据输入键有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等数字键或拨码开关等)，用于输入，用于输入或更新给定值、或更新给定值、更改控制器参数或其它必要的数据；更改控制器参数或其它必要的数据；有有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、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；停止或完成某种指定的
24、功能；有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等；指示等；22第22页，共202页。控制板上应有一个控制板上应有一个“急停急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。转入故障处理。应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义，仔细设计控制台硬件及其相应状态、故障指示
25、灯等的作用和意义，仔细设计控制台硬件及其相应的控制台管理程序使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，的控制台管理程序使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。即使操作失误也不会引起严重后果。23第23页，共202页。24第24页，共202页。5 5 软件设计软件设计 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。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。通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。通常这些软件一般不需要用户设计，对用户来说，基本上只须了解其常这些软件一般不需要
26、用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。大致原理和使用方法就行了。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。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。控制系统对应用软件的要求是控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。实时性、针对性、灵活性和通用性。对于工业控制系统来说由于是实时控制系统，所以要求应用软件对于工业控制系统来说由于是实时控制系统，所以要求应用软件能够在对象允许的时间间隔内进行控制、运算和处理。能够在对象允许的时间间隔内进行控制、运算和处理。25第25页，共202页。应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即
27、每个应用程序都应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计。是根据一个具体系统的要求设计。1)1)模块化程序设计法。模块化程序设计法。在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理和过程控制两大基在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。本类型。数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值计算数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值计算等。等。过程控制程序主要是使微机按照指定的方法过程控制程序主要是使微机按照指定的方法(如如PIDPID或直接数字控或直接数字控制制)进行计算，然后再输出，以便控制生产过程。进行计算，然后再
28、输出，以便控制生产过程。所谓所谓“模块模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。26第26页，共202页。2)2)结构化程序设计法结构化程序设计法结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序。便于查找错误和纠正错误的程序。常用的结构有常用的结构有直线顺序结构、
29、条件结构、循环结构和选择结构。直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。27第27页，共202页。6 6 系统调试系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为调试步骤为硬件调试一软件调试一系统调试。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
30、焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；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，然后固化在固化在EPROMEPROM中；中；系统调试系统调试(联调联调)主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误确无误,然后进行现场试验，直至正常运行为止。然后进行现场试验，直至正常运行为止。28第28页，共202页。4 41 13 3 微型计算机的系统构成及种类微型计算机的系统构成及种类1 1 微型计算机的系统构成微型计算机的系统构成
31、人们常用人们常用“微机微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，即微这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机处理机(微处理器微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机微处理机(Microprocessor)(Microprocessor)简称简称PP或或CPUCPU。它是一个大规模。它是一个大规模集成电路集成电路(LSI)(LSI)器件或超大规模集成电路器件或超大规模集成电路(VLSI)(VLSI)器件器件.器件中有数据通道，多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，器件中有数据通道，多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件
32、的工作提供定时信号。控制有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可叭执行逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可叭执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。29第29页，共202页。微型计算机微型计算机(Microcomputer)(Microcomputer)简称简称MCMC或或c,c,它是以微处理机它是以微处理机(CPU)(CPU)为中心，为中心，加上只读存储器加上只
33、读存储器(ROM)(ROM)、随机存取存储器、随机存取存储器(RAM)(RAM)、输入、输入/输出接口电路、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。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型计算机系统(Microcomputer system)(Microcomputer system)简称简称MCS.MCS.图图4.1 4.1 为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。互关系。微型计算机的基本硬件构成微型计
34、算机的基本硬件构成如图如图4.24.2所示所示30第30页，共202页。31第31页，共202页。32第32页，共202页。2 2微型计算机的种类微型计算机的种类 微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的用途范围来进行分类。用途范围来进行分类。(1)(1)按组装形式分类按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。统等。单片机单片机在一块集成电路芯片在一块集成电路芯片(LSI)(LSI)上装有上装有CPUCPU、ROMROM、RAMRAM以及输入以及输入/输出
35、输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机(SCMSingle(SCMSingle Chip Microcomputer)Chip Microcomputer)简称单片机，例如简称单片机，例如IntelIntel公司的公司的MCS48MCS48系列、系列、5151系列、系列、9696系列等。其外观如图系列等。其外观如图4.34.3所示。所示。33第33页，共202页。34第34页，共202页。特点特点:v集成度高、功能强、通用性好集成度高、功能强、通用性好;v具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，v可靠性高，抗干扰能力
36、强和使用方便等独特优点可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点使用使用: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，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在不显著增加机电一体化系统(或产品或产品)的体积、能耗及成本的情况的体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能下，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
37、产品上器人等机电一体化产品上.35第35页，共202页。2)2)单板机。单板机。如图如图4.44.4所示，将微型计算机的基本体系所示，将微型计算机的基本体系CPUCPU、一定容量的、一定容量的ROMROM和和RAMRAM、输入、输入/输出端口输出端口(I(IO O电路电路)以及一些辅助电路分别作成以及一些辅助电路分别作成LSILSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外芯片，并将它们配置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，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。简称单板机。例如例如TP801TP801是以是
38、以8 8位微处理器位微处理器(如如Z80)Z80)为核心组装的为核心组装的8 8位单板机，位单板机，SDK 86SDK 86是以是以1616位微处理器位微处理器(Intdel8086(Intdel80868088)8088)为中央处理器组装的为中央处理器组装的1616位单板位单板机。机。36第36页，共202页。37第37页，共202页。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。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，在简易数控机械设用单板机实
39、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。备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。3)3)微型计算机系统微型计算机系统根据需要，将微型计算机、根据需要，将微型计算机、ROMROM、RAMRAM、I IO O接口电路、电源等接口电路、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、键盘、CRTCRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备显示器、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。和足够的系统软件，就构成
40、了一个完整的微型计算机系统。38第38页，共202页。如目前国内使用较多的如目前国内使用较多的IBMPC(IBMPC(如如IBM PCXTIBM PCXT、8028680286，8038680386、8048680486、8058680586、PIIPII、PP、PP等等)：CROMEMCOCROMEMCO公司的公司的SystemISystemI、等都是多板微型计算机系统，等都是多板微型计算机系统，如图如图4.54.5所示。所示。39第39页，共202页。(2)(2)按微处理机位数分类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、按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4 4位、位、
41、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位等机种。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。的总线宽度。(3)(3)按用途分类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。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对单片机来说，可分为通用型和专用型40第40页，共202页。工业控制计算机简介工业控制计算机简介工业控制计算机系统硬件组成的一般形式工业控制计算机系统硬件组成的一般形式用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检测用
42、在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构来控制生产过传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构来控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称“工业工业控制机控制机”或或“工控机工控机”典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两大部分典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两大部分组成，组成，即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程输入输出输入输出(IO)子系统子系统41第41页，共20
43、2页。42第42页，共202页。工业控制机分类工业控制机分类 1可编程序控制器可编程序控制器(PLC)PLC是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，高端实际上是一种高起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。性能的计算机实用控制系统。PLC是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来自工是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来自工业现场的信号。业现场的信号。PLC的典型结构的典型结构如图所示如图所示。PLC主要功能有：条件控制
44、即逻辑运算功能，定时控制，计数主要功能有：条件控制即逻辑运算功能，定时控制，计数控制，步进控制，控制，步进控制，AD、DA转换。数据处理和级间通讯等。转换。数据处理和级间通讯等。PLC的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，积木的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，积木式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。43第43页，共202页。44第44页，共202页。2单回路调节器单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图所示。单回路调节器的基本构成方案如图所示。它要处理数字和模拟两种基本信号它要处理数字和模拟两种基本信号外部接口衔接器外部接口衔接
45、器(Peripheral Interface Adapter，简称，简称PIA)45第45页，共202页。单回路调节器多用于过程控制系统，其控制算法多采用单回路调节器多用于过程控制系统，其控制算法多采用PID算法，算法，可取代模拟控制仪表可取代模拟控制仪表单回路调节器的主要特点是：单回路调节器的主要特点是：(1)实现了仪表和计算机一体化；实现了仪表和计算机一体化；(2)具有丰富的运算和控制功能；具有丰富的运算和控制功能；(3)有专用的系统组态器；有专用的系统组态器；(4)人一机接口灵活；人一机接口灵活；(5)便于级间通信；便于级间通信；(6)有继电保护和自诊断功能。有继电保护和自诊断功能。目前
46、，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能的提高，加速了仪自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能的提高，加速了仪表的更新换代。目前，单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领表的更新换代。目前，单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领域。域。46第46页，共202页。3总线式工业控制机总线式工业控制机 总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，由包括主机在内的各种由包括主机在内的各种IO接口功能模板组成的
47、计算机。例如，接口功能模板组成的计算机。例如，PC总线工业控制计算机、总线工业控制计算机、STD总线工业控制计算机以及总线工业控制计算机以及QBUs、Multibus、VME bus、PCL总线等。总线等。总线式工业控制机的典型结构总线式工业控制机的典型结构如图所示如图所示。总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点：总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点：(1)取消，计算机系统母板；取消，计算机系统母板；(2)采用开放式总线结构；采用开放式总线结构；(3)各种各种IO功能模板可直接插在总线槽上：功能模板可直接插在总线槽上：(4)选用工业化电源；选用工业化电源；(5)可
48、按控制系统的要求配置相应的模板；可按控制系统的要求配置相应的模板；(6)便于实现最小系统。便于实现最小系统。47第47页，共202页。48第48页，共202页。目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机床等方面床等方面STD总线工控机及总线工控机及PC总线工业控制机都有成功的经验。总线工业控制机都有成功的经验。4分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统 分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集散控制系统。它是利用算机技术对生产过程进行集中
49、监视、操作、管散控制系统。它是利用算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。理和分散控制。集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理组成。它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示制管理级和生产管理组成。它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示操作管理，控制相对分散的多级计算机网系统结构，具有配置灵活、组操作管理，控制相对分散的多级计算机网系统结构，具有配置灵活、组态方便等优点。典型的具有三层结构模式的集散型控制系统态方便等优点。典型的具有三层结构模式的集散型控制系统如图所示如图所示。49第4
50、9页，共202页。50第50页，共202页。集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石油化工类监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石油化工类企业中都有成功的应用的实例。企业中都有成功的应用的实例。51第51页，共202页。4 42 80862 808680888088微机的硬件结构特点微机的硬件结构特点在在PCPC系列微机中，应用较广泛的是系列微机中，应用较广泛的是IntelIntel公司的公司的8686系列。系列。而而8086808680888088是是IntelIntel
