1、第八章 微型计算机控制系统设计第八章第八章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计8.1 微型计算机控制系统设计的基本要求和特点微型计算机控制系统设计的基本要求和特点8.2 微型计算机控制系统设计的一般步骤微型计算机控制系统设计的一般步骤8.3 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 8.4 工业控制系统设计实例工业控制系统设计实例第八章 微型计算机控制系统设计8.1 微型计算机控制系统设计的基本要求微型计算机控制系统设计的基本要求和特点和特点1.1.设计的基本要求设计的基本要求1）系统操作性能要好）系统操作性能要好包括使用方便和维修容易两个含义。具体设计时应从硬件和包括使用方便和
2、维修容易两个含义。具体设计时应从硬件和软件分别进行考虑。软件分别进行考虑。2）通用性好、便于扩充）通用性好、便于扩充设计时尽可能采用通用系统总线结构及设计时尽可能采用通用系统总线结构及LSILSI接口芯片；速度允接口芯片；速度允许的情况下，尽可能将接口硬件部分的操作功能用软件来实许的情况下，尽可能将接口硬件部分的操作功能用软件来实现；系统设计时各设计指标要留有一定的余量。现；系统设计时各设计指标要留有一定的余量。3）可靠性要高）可靠性要高第八章 微型计算机控制系统设计q 目前保证可靠性的常用方法目前保证可靠性的常用方法（1）采用双机系统）采用双机系统用两台计算机或用两台计算机或PLC作为控制系
3、统的核心控制器，在该作为控制系统的核心控制器，在该系统中工作方式一般有以下三种：系统中工作方式一般有以下三种：备份工作方式图8-1 罗克韦尔自动化公司的PLC热备份系统实例第八章 微型计算机控制系统设计 主从工作方式主从工作方式两台控制机同时投入工作，正常时分别执行不同的任务。两台控制机同时投入工作，正常时分别执行不同的任务。当主机发生故障时，从机就接管控制任务。当主机发生故障时，从机就接管控制任务。双工工作方式双工工作方式两台主机同时运行且在任一时刻都执行同一任务，并把两台主机同时运行且在任一时刻都执行同一任务，并把结果送到一个专门的装置进行核对。结果送到一个专门的装置进行核对。第八章 微型
4、计算机控制系统设计（2）采用分布式控制系统）采用分布式控制系统 分布式控制系统是分级分布式的工作方案，它用多台分布式控制系统是分级分布式的工作方案，它用多台基本控制器分别控制各被控对象。基本控制器分别控制各被控对象。管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模第八章 微型计算机控制系统设计2.2.系统设计的特点系统设计的特点硬件设计主要采用大规模集成电路。硬件设计主要采用大规模集成电路。软件设计可以借用计算机厂家提供的系统软件，软件设计可以借用计算机厂家提供的系统软件，而将重点转移到控制算法和应用程序的设计上来。
5、而将重点转移到控制算法和应用程序的设计上来。在设计过程中尽量采用一些高级开发工具（在设计过程中尽量采用一些高级开发工具（如微如微型机开发系统型机开发系统 MDS Microcomputer Development System）。）。以提高开发效率。以提高开发效率。返回本章首页第八章 微型计算机控制系统设计8.2 微型计算机控制系统设计的一般步骤微型计算机控制系统设计的一般步骤1.确定控制任务及系统整体控制方案确定控制任务及系统整体控制方案对控制对象进行调查、分析，确定系统所完成的对控制对象进行调查、分析，确定系统所完成的任务，写出任务，写出，作为整个控制系统设，作为整个控制系统设计的依据。计
6、的依据。在此基础上进一步确定系统整体控制方案。在此基础上进一步确定系统整体控制方案。从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制；从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制；考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用；考虑是否有特殊控制要求。用；考虑是否有特殊控制要求。第八章 微型计算机控制系统设计2.选择微处理器和外围设备选择微处理器和外围设备 对系统所需硬件作出初步的估计和选择对系统所需硬件作出初步的估计和选择。u 对外围设备要求一般不高，只要考虑：显示
7、、对外围设备要求一般不高，只要考虑：显示、键盘和串行通信口即可。键盘和串行通信口即可。u 微处理器是整个控制系统的核心，对它的选择微处理器是整个控制系统的核心，对它的选择可从以下几个方面进行考虑：可从以下几个方面进行考虑：字长（字长（16或或32位）位）寻址范围和寻址方式寻址范围和寻址方式 指令种类和数量指令种类和数量 内部寄存器的种类和数量内部寄存器的种类和数量 微处理器的速度微处理器的速度 中断处理能力中断处理能力由何种因素决定？由何种因素决定？第八章 微型计算机控制系统设计3.建模和建模和控制算法的确定控制算法的确定 数学模型数学模型（即描述各控制量与各输出量之间动态（即描述各控制量与各
8、输出量之间动态特性的数学表达式）特性的数学表达式）。选择控制算法时应注意：选择控制算法时应注意：确定所选算法能否满足控制速度、精度和系统稳定确定所选算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。性的要求。针对特定被控对象，确定所选通用控制算法是否需针对特定被控对象，确定所选通用控制算法是否需要进行修改与补充。要进行修改与补充。为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，然后再逐步完善。然后再逐步完善。第八章 微型计算机控制系统设计4.系统总体方案设计系统总体方案设计（1）估计内存容量、进行内存分配）估计内存容量、进行内存分配（2）过程通道和中断处理方
9、式的确定）过程通道和中断处理方式的确定（3）系统总线的选择）系统总线的选择（4）操作台功能的确定）操作台功能的确定1 数据采集和传输所需数据采集和传输所需I/O通通道数目。道数目。2 数据传输率和数据流量。数据传输率和数据流量。3 I/O通道是串行操作还是并通道是串行操作还是并行操作。行操作。4 I/O通道是随机选择还是按通道是随机选择还是按某种预定顺序工作。某种预定顺序工作。5 模拟量模拟量I/O通道中字长选择通道中字长选择多少位。多少位。中断处理有硬件和中断处理有硬件和软件两种方式。软件两种方式。处理方式和优先级处理方式和优先级别的选择应根据被别的选择应根据被控对象的要求和微控对象的要求和
10、微处理器为其服务的处理器为其服务的频繁程度来确定。频繁程度来确定。说明：说明：经过上述工作之后，就可画出整个控制系统的概略框图。经过上述工作之后，就可画出整个控制系统的概略框图。第八章 微型计算机控制系统设计5.硬件和软件的具体设计硬件和软件的具体设计在该阶段权衡控制系统中在该阶段权衡控制系统中硬件和软件的比例硬件和软件的比例是一个非是一个非常重要的问题。常重要的问题。一般原则是看所设计的控制系统的生一般原则是看所设计的控制系统的生产量。产量。思考：生产量如何决定思考：生产量如何决定硬件软件比例？硬件软件比例？（1）硬件设计：）硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电根据系统
11、总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购并开始施工。气原理图着手元件的选购并开始施工。（2）软件设计：）软件设计：实时性实时性 灵活性和通用性灵活性和通用性 可靠性可靠性注：注：选用标准系统加以改造和扩充往往会取得很好的效果。选用标准系统加以改造和扩充往往会取得很好的效果。还要尽量借助一些辅助工具还要尽量借助一些辅助工具思考：到此步整个设计思考：到此步整个设计过程是否完成了？过程是否完成了？第八章 微型计算机控制系统设计 6.系统联调系统联调系统联调是把已独立调好的硬件、软件各系统联调是把已独立调好的硬件、软件各功能模块按照系统总体设计要求组成一个功能模块按照系统总体设计
12、要求组成一个完整系统，进行统一调试。系统联合调试完整系统，进行统一调试。系统联合调试后，还要经过一段考机和试运行，才可投后，还要经过一段考机和试运行，才可投入正式运行。入正式运行。注：注：整个设计过程中硬件、软件的设计必须同时进行。整个设计过程中硬件、软件的设计必须同时进行。第八章 微型计算机控制系统设计图6-1 控制系统设计步骤流程图控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结
13、束设计硬件设计软件设计是是是否否否开 始返回本章首页第八章 微型计算机控制系统设计8.3 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 1 可供选择的配置方案可供选择的配置方案1）购买现成的计算机系统或）购买现成的计算机系统或PLC控制器控制器2）采用标准功能模块构成系统）采用标准功能模块构成系统3）定制设计系统）定制设计系统下面主要看一下如何采用大规模集成电路芯下面主要看一下如何采用大规模集成电路芯片构成合理的控制系统片构成合理的控制系统。第八章 微型计算机控制系统设计2 专用微型计算机系统的设计专用微型计算机系统的设计1）标准系统的设计）标准系统的设计微型计算机的标准结构如下图：微型计算机
14、的标准结构如下图：第八章 微型计算机控制系统设计2）专用系统的设计）专用系统的设计 专用系统设计的主要工作包括：专用系统设计的主要工作包括：根据确定的应用目标，设计标准微型计算机并确定其根据确定的应用目标，设计标准微型计算机并确定其规模，然后对专用外围电路进行必要的扩充设计以构规模，然后对专用外围电路进行必要的扩充设计以构成专用系统。成专用系统。重点是重点是I/OI/O通道的设计（包括选择恰当的通道的设计（包括选择恰当的A/DA/D，D/AD/A芯片）芯片）确定实时时钟和中断结构，这在实时控制领域中非常确定实时时钟和中断结构，这在实时控制领域中非常重要，设计得当可大大提高系统的吞吐量。重要，设
15、计得当可大大提高系统的吞吐量。系统的线路设计和结构设计：即将各个芯片连接到一系统的线路设计和结构设计：即将各个芯片连接到一起，构成系统。此时要特别注意总线的负载问题。起，构成系统。此时要特别注意总线的负载问题。第八章 微型计算机控制系统设计 系统软件的设计系统软件的设计 核心是操作系统（监控程序）的设计。核心是操作系统（监控程序）的设计。应用程序的设计应用程序的设计 系统中应用程序除处理具体任务外，还包括初始系统中应用程序除处理具体任务外，还包括初始化、中断屏蔽和时钟管理等功能。化、中断屏蔽和时钟管理等功能。软件开发方式软件开发方式 常用高级语言与汇编语言相结合开发方式常用高级语言与汇编语言相
16、结合开发方式第八章 微型计算机控制系统设计 控制程序全部用汇编语言编写，涉及运算的控制程序全部用汇编语言编写，涉及运算的部分调用高级语言子程序库中的子程序。部分调用高级语言子程序库中的子程序。高级语言编写控制主程序调用汇编语言开发高级语言编写控制主程序调用汇编语言开发的实时控制用子程序库。的实时控制用子程序库。（适于编译型高级语言）（适于编译型高级语言）高级语言编写计算、图形绘制、显示、打印高级语言编写计算、图形绘制、显示、打印程序，汇编语言编写时钟管理、中断管理以程序，汇编语言编写时钟管理、中断管理以及及I/O程序。程序。补充：高级语言和汇编语言混合使用方法补充：高级语言和汇编语言混合使用方
17、法第八章 微型计算机控制系统设计 软件调试可采用与目的机相同型号软件调试可采用与目的机相同型号CPU的微的微型计算机来模拟目的机的硬件环境。型计算机来模拟目的机的硬件环境。硬件调试也可借助一台与目的机相同的微型硬件调试也可借助一台与目的机相同的微型计算机系统，其中所借用的计算机系统必须计算机系统，其中所借用的计算机系统必须具备基本具备基本DEBUG调试工具。调试工具。在进行了上面调试的基础上，还要进行系统在进行了上面调试的基础上，还要进行系统联调。联调。第八章 微型计算机控制系统设计 TTL器件输出的高电平大于器件输出的高电平大于3V,低电平小于低电平小于0.3V；输入信号高电平必须大于；输入
18、信号高电平必须大于1.8V，低电平，低电平必须小于必须小于0.8V。3 总线负载的考虑总线负载的考虑 在系统设计时负载考虑不周将引起电平偏移在系统设计时负载考虑不周将引起电平偏移。它会使整个系统的稳定性、可靠性、抗干扰能它会使整个系统的稳定性、可靠性、抗干扰能力大为降低。力大为降低。第八章 微型计算机控制系统设计 一个一个MOS器件一般只能驱动一个标准器件一般只能驱动一个标准TTL系列器件系列器件或或4个低功耗肖特基个低功耗肖特基TTL器件，但它可以驱动器件，但它可以驱动10个左个左右的右的MOS器件。而一个器件。而一个TTL器件能驱动器件能驱动10个左右的个左右的TTL器件，或器件，或10个
19、以上的个以上的MOS器件。器件。1）单向总线的负载）单向总线的负载 单向总线：如地址总线及大部分控制总线。单向总线：如地址总线及大部分控制总线。若全部采用若全部采用MOSMOS器件，且接在总线上的输入端数小于器件，且接在总线上的输入端数小于10,10,或虽采用少量或虽采用少量TTLTTL器件，但负载数目仍然在允许范器件，但负载数目仍然在允许范围内，则可不加缓冲器。否则必须加缓冲驱动器。围内，则可不加缓冲器。否则必须加缓冲驱动器。第八章 微型计算机控制系统设计【例】某【例】某MOSMOS器件的微处理器，其地址总线器件的微处理器，其地址总线A A0 0A A9 9的负的负载情况如下图，讨论该方案总
20、线是否超载。载情况如下图，讨论该方案总线是否超载。解决的办法：解决的办法：l 在在A7A9线上线上加驱动器。加驱动器。l 把标准把标准TTL译译码器换成码器换成74LS低功耗器件。低功耗器件。第八章 微型计算机控制系统设计随着驱动器的增加，当用一级驱动器不能满足随着驱动器的增加，当用一级驱动器不能满足要求时，可以用两级驱动器。要求时，可以用两级驱动器。第八章 微型计算机控制系统设计 2）双向总线的负载）双向总线的负载双向总线：指的是可以在两个方向上传送信双向总线：指的是可以在两个方向上传送信息的总线。息的总线。定义：源器件，负载器件定义：源器件，负载器件第八章 微型计算机控制系统设计q双向总线
21、负载的常见问题双向总线负载的常见问题 问题一：问题一：某多器件双向传送的配置如下图。某多器件双向传送的配置如下图。其中其中A是是MOS器件，器件，B C D是是TTL器件。器件。第八章 微型计算机控制系统设计 问题二：问题二：某设计者为了提高微处理器的负载某设计者为了提高微处理器的负载能力，在数据总线上加了一个能力，在数据总线上加了一个TTL的双向总的双向总线驱动器线驱动器74LS245,用它来驱动用它来驱动4个个MOS存储存储器和器和4个个TTL器件。器件。第八章 微型计算机控制系统设计q双向总线负载问题常用解决办法双向总线负载问题常用解决办法 方法一：方法一：系统较小时，外围器件尽量采用系
22、统较小时，外围器件尽量采用MOSMOS器件，器件，可以减少负载，省去驱动器；对于较大的系统，且可以减少负载，省去驱动器；对于较大的系统，且需需MOSMOS和和TTLTTL器件混用时，可将双向总线按器件类型器件混用时，可将双向总线按器件类型分成两类分别处理。分成两类分别处理。第八章 微型计算机控制系统设计 方法二：方法二：当用当用TTLTTL器件作为器件作为I/OI/O接口时，因一接口时，因一般般ROMROM和和RAMRAM存储器都是存储器都是MOSMOS器件，此时可对器件，此时可对I/OI/O接口分别进行考虑。接口分别进行考虑。返回本章首页第八章 微型计算机控制系统设计8.4 工业控制系统设计
23、实例工业控制系统设计实例 本例以单片机代替常规模拟调节器，构成具有数字本例以单片机代替常规模拟调节器，构成具有数字PIDPID和和智能控制功能的双回路通用控制系统。以温度控制为背智能控制功能的双回路通用控制系统。以温度控制为背景，说明温度仪表控制系统软件和硬件的设计方法。景，说明温度仪表控制系统软件和硬件的设计方法。为适应多种控制为适应多种控制方案要求，系统方案要求，系统具有正、反作用具有正、反作用切换。由切换。由e=w-y符符号决定。且控制号决定。且控制系统的系统的I/O均为直均为直流流0l0mA。下图结构仅为其中一个控制回路。由于本控制器是双回路下图结构仅为其中一个控制回路。由于本控制器是
24、双回路的，故通过面板组态可实现两个单回路控制，或一个串级的，故通过面板组态可实现两个单回路控制，或一个串级控制结构，或者外给定单回路控制。控制结构，或者外给定单回路控制。第八章 微型计算机控制系统设计 （1）集成度高）集成度高 （2）速度快、处理能力强）速度快、处理能力强 （3）可扩充性能好，寻址范围大）可扩充性能好，寻址范围大 （4）具有特殊的多机通信功能。）具有特殊的多机通信功能。第八章 微型计算机控制系统设计 掉电保护原理如下图所示掉电保护原理如下图所示第八章 微型计算机控制系统设计 采用采用PID和智能控制两种控制方法，设被控和智能控制两种控制方法，设被控过程是温度对象，智能控制结构图
25、如下过程是温度对象，智能控制结构图如下其中：y被控温度；u控制输出；e当前偏差。第八章 微型计算机控制系统设计部分智能控制规部分智能控制规则则第八章 微型计算机控制系统设计 由上原理可得到由上原理可得到16条具体智能控制规律表参见课本条具体智能控制规律表参见课本P246。课下作业：将该例中智能控制算法用课下作业：将该例中智能控制算法用C或或MATLAB语言语言编程实现，并分析仿真结果。编程实现，并分析仿真结果。第八章 微型计算机控制系统设计四、本系统的应用程序四、本系统的应用程序 整个应用程序分为管理和控制整个应用程序分为管理和控制两部分。两部分。管理程序主要功能是：对显示管理程序主要功能是：
26、对显示LED进行动态刷新、控制指示进行动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、灯、处理键盘的扫描和响应、进行掉电保护、执行中断服务。进行掉电保护、执行中断服务。控制程序主要完成：对被控过控制程序主要完成：对被控过程进行采样、数据处理、根据程进行采样、数据处理、根据控制算式进行计算和输出等。控制算式进行计算和输出等。系统整体的应用程序流程图如系统整体的应用程序流程图如右图右图返回本章首页第八章 微型计算机控制系统设计小结：小结：本次课在介绍控制系统设计的基本要求、特本次课在介绍控制系统设计的基本要求、特点一般步骤和具体工作的基础上，结合具体应点一般步骤和具体工作的基础上，结合具体应用实例进行
27、了讨论。对于这部分知识应该理解用实例进行了讨论。对于这部分知识应该理解掌握，并能在实际的开发中熟练应用。掌握，并能在实际的开发中熟练应用。作业：作业：1、P261 第第1题题返回本章首页第八章 微型计算机控制系统设计补充：微机操作系统补充：微机操作系统(OS:Operating SystemOS:Operating System)v进程（任务、活动）进程（任务、活动）指逻辑上完整的处于指逻辑上完整的处于运行的一段程序。运行的一段程序。进程和程序的区别：进程和程序的区别：进程是动态的、暂存的；进程是动态的、暂存的；程序是静止的、长存的。程序是静止的、长存的。另外另外进程进程还具有并还具有并发的特
28、性。发的特性。OSOS中进程的几种状态：中进程的几种状态：运行状态运行状态 就绪状态就绪状态 挂起状态挂起状态第八章 微型计算机控制系统设计v 资源管理：资源管理：（分为处理器管理、存储管理、（分为处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理四部分功能）设备管理和文件管理四部分功能）负责进程的调度负责进程的调度（时间片轮转法、优先度法）（时间片轮转法、优先度法）主要解决：主要解决：内存分配、内存保护、内存扩充三内存分配、内存保护、内存扩充三个问题。个问题。常用方法：常用方法：把逻辑地址与物理地址分开或采用把逻辑地址与物理地址分开或采用虚拟存储器技术。虚拟存储器技术。第八章 微型计算机控制系统设计O
29、SOS要做到设备无关性。要做到设备无关性。OSOS必须使主机和外部设备能并行工作。必须使主机和外部设备能并行工作。文件是一个具有名字的信息集合。文件是一个具有名字的信息集合。（可以是源程序、目标程序、各种语言的编译程序，也可以是源程序、目标程序、各种语言的编译程序，也可以是一批数据、资料）可以是一批数据、资料）文件管理系统可以代替用户对文件进行自动管文件管理系统可以代替用户对文件进行自动管理，实现文件的自动存取和文件的保护和共享。理，实现文件的自动存取和文件的保护和共享。第八章 微型计算机控制系统设计v死锁死锁 （补充重要知识点）（补充重要知识点）死锁：指系统运行过程中的某一时刻，一组死锁：指
30、系统运行过程中的某一时刻，一组任务中的每一个任务都占用某着些资源，同任务中的每一个任务都占用某着些资源，同时又要得到该组中其他任务占用的资源。这时又要得到该组中其他任务占用的资源。这样无论哪一个任务都得不到满足，因而进入样无论哪一个任务都得不到满足，因而进入一种无法继续运行的僵持状态。一种无法继续运行的僵持状态。解决死锁问题常用方法解决死锁问题常用方法预防死锁：预防死锁：指在设计系统时，对资源的用法指在设计系统时，对资源的用法进行适当限制，以排除发生死锁的可能。进行适当限制，以排除发生死锁的可能。（易于实现，但系统资源利用率低）（易于实现，但系统资源利用率低）第八章 微型计算机控制系统设计 避免死锁：避免死锁：指指OS根据预先掌握的关于资源根据预先掌握的关于资源用法的信息，利用特定算法（如银行家算法）用法的信息，利用特定算法（如银行家算法）控制资源的动态分配，防止系统进入不安全控制资源的动态分配，防止系统进入不安全状态，从而避免死锁产生。状态，从而避免死锁产生。诊断（检测）死锁：诊断（检测）死锁：指指OS在分配资源时不在分配资源时不加任何限制，但它却不断地监督任务的共同加任何限制，但它却不断地监督任务的共同进展路径，当发现已进入死锁状态时，采取进展路径，当发现已进入死锁状态时，采取专门的恢复技术，使系统恢复正常工作。专门的恢复技术，使系统恢复正常工作。返回本章首页返回
