第講微機控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計

1、14-1 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡第4章 機電一體化系統(tǒng)的微機控制系統(tǒng)的 選擇及接口設(shè)計 不同的機電系統(tǒng)（產(chǎn)品），所需要的控制功能、控制形式和動作控制方式也不同。 采用微機作為機電系統(tǒng)（產(chǎn)品）的控制器，因此其控制系統(tǒng)的設(shè)計就是選用微機、設(shè)計接口、控制形式和動作控制方式的問題。 機電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計需要微機控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計等方面的知識，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識。通常由機電系統(tǒng)設(shè)計人員首先提出總的設(shè)計要求，然后由各專業(yè)人員通力協(xié)作。 在選用微機控制系統(tǒng)時，首先會遇到的問題是專用與通用的抉擇和硬件與軟件的權(quán)衡。3 對于大批量生產(chǎn)的機電系統(tǒng)（產(chǎn)品）一般選用專用控制系統(tǒng)。

2、 在開發(fā)新產(chǎn)品時，如果要求具有機械與電子有機結(jié)合的緊湊結(jié)構(gòu)，只有專用控制系統(tǒng)才能做到。 專用控制系統(tǒng)的設(shè)計，實際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐C芯片來組成控制系統(tǒng)，與執(zhí)行元件和檢測傳感器相匹配，或重新設(shè)計制作專用集成電路，把整個控制系統(tǒng)集成在一塊或幾塊芯片上。1. 專用與通用的抉擇多品種、中小批量生產(chǎn)的機電系統(tǒng)（產(chǎn)品），由于還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要是合理選擇主控制微機機型，設(shè)計與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口，在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件的問題。實質(zhì)就是通過接口設(shè)計和軟件編制來使通用微機專用化的問題。5不論是通用控制系統(tǒng)

3、還是專用控制系統(tǒng)，都存在硬件和軟件的權(quán)衡問題。有些功能（例如：運算與判斷處理等），適宜用軟件來實現(xiàn)。而在其余大多數(shù)情況下，對于某種功能來說，既可用硬件來實現(xiàn)，又可用軟件來實現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。 2.硬件與軟件的權(quán)衡在用分立元件組成硬件的情況下，可以考慮是否采用軟件，因為與采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并且易于修改，所以采用軟件更為可靠。能采用通用的LSI芯片來組成所需的電路的情況下，最好采用硬件。不僅價廉，而且可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利。74-2 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 了解被控對象的控制要求，構(gòu)思微機

4、控制系統(tǒng)的整體方案。 從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，當(dāng)采用閉環(huán)控制時，應(yīng)考慮采用何種檢測傳感元件，檢測精度要求如何?？紤]執(zhí)行元件采用何種方式，是電動、氣動還是液動，比較各方案的優(yōu)缺點，擇優(yōu)而選。一、微機控制系統(tǒng)整體方案的確定與微機的選擇1.整體方案的確定考慮是否有特殊控制要求，對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取哪些措施?？紤]微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理；微機應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。 最后應(yīng)初步估算其成本。通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附以說明，作為下一

5、步設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。92.微型計算機的選擇（1）完善的中斷系統(tǒng)微型計算機控制系統(tǒng)必須具有實時控制性能。實時控制包含兩個意思：一、系統(tǒng)正常運行時的實時控制能力； 二、在發(fā)生故障時緊急處理的能力。（2）足夠的存儲容量 由于微型計算機內(nèi)存容量有限，當(dāng)內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應(yīng)擴充內(nèi)存，有時還應(yīng)配備適當(dāng)?shù)耐獯鎯ζ鳎鐔伟鍣C通常都配盒式磁帶機，用于在調(diào)試階段暫存程序和數(shù)據(jù)。單板機可配備28KB以上的只讀存儲器，監(jiān)控程序及調(diào)試成功的應(yīng)用程序都寫入只讀存儲器，實現(xiàn)軟件固化。11（3）完備的輸入輸出通道和實時時鐘 輸入輸出通道是外部過程和主機交換信息的通道。根據(jù)控制系統(tǒng)不同，有的要求有開關(guān)量輸入輸出通

6、道，有的要求有模擬量輸入輸出通道，有的則同時要求有開關(guān)量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道。對于需要實現(xiàn)外部設(shè)備和內(nèi)存之間快速、批量交換信息的，還應(yīng)有直接數(shù)據(jù)通道。速度 速度的選擇與字長的選擇可一并考慮。對于同一算法、同一精度要求，當(dāng)機器的字長短時，就要采用多字節(jié)運算，完成計算和控制的時間就會增長。為保證實時控制，就必須選用執(zhí)行速度快的機器。 選擇微型計算機除應(yīng)滿足上述幾點要求外，從不同的被控制對象角度而言，還應(yīng)考慮幾個特殊要求:字長并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長直接影響數(shù)據(jù)的精度、尋址的能力、指令的數(shù)目和執(zhí)行操作的時間。 選擇微機時，還應(yīng)考慮成本高低、程序編制難易以及擴充輸入輸出接口是否方便等因素，

7、從而確定是選用單片機、單板機，還是選用微型計算機系統(tǒng)。指令指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令多，這樣會使程序量減少，處理速度加快。對于控制系統(tǒng)來說，尤其要求較豐富的邏輯判斷指令和外圍設(shè)備控制指令，通常8位微處理器都具有足夠的指令種類和數(shù)量，一般能夠滿足控制要求。14二、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計與系統(tǒng)軟件的確定系統(tǒng)總體設(shè)計主要是對系統(tǒng)控制方案進(jìn)行具體實施步驟的設(shè)計，主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設(shè)計要求及所選用的微機類型。通過設(shè)計要畫出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。1.總體設(shè)計15擴展接口；安排通過各接口電路輸入輸出端的輸入輸出信號，選定各信號輸入輸出時采用何種控制方式。如果要采用程序中斷方式，要考慮中斷申請輸

8、入、中斷優(yōu)先級排隊等問題。若要采用直接存儲器存取方式，要增加直接存儲器存取(DMA)控制器作為輔助電路加到接口上。（1）接口設(shè)計接口設(shè)計內(nèi)容接口擴展方法A、選用功能接口板B、選用通用接口電路C、用集成電路自行設(shè)計接口電路開關(guān)量的輸入輸出通道數(shù)字量的輸入輸出通道模擬量的輸入輸出通道。 在總體設(shè)計中就應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么通道，每個通道由幾部分組成，各部分選用什么樣元器件等。（2）通道設(shè)計通道分類 開關(guān)量輸入要解決電平轉(zhuǎn)換、去抖動及抗干擾等問題。開關(guān)量輸出要解決功率驅(qū)動問題等。開關(guān)量和數(shù)字量的輸入輸出都要通過前面設(shè)計的接口電路。 模擬量輸入通道主要由信號處理裝置(標(biāo)度變換、濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換、線

9、性化處理等)、采樣單元、采樣保持器和放大器、AD轉(zhuǎn)換器等組成。模擬量輸出通道主要由DA轉(zhuǎn)換器、放大器等組成。各通道功能19（3）操作控制臺設(shè)計 微型計算機控制系統(tǒng)必須便于人機聯(lián)系。通常都要設(shè)計一個現(xiàn)場操作人員使用的控制臺，這個控制臺一般都不能用微機所帶的鍵盤代替，因為現(xiàn)場操作人員不了解計算機的硬件和軟件，假若操作失誤可能發(fā)生事故，所以一般要單獨設(shè)計一個操作員控制臺。操作臺的功能 微機控制系統(tǒng)的軟件主要分兩大類，即系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，通常這些軟件一般不需用戶設(shè)計，對用戶來說，基本上只須了解其大致原理和使用方法就行了。而應(yīng)用軟件都要由用戶自行

10、編寫，所以軟件設(shè)計主要是應(yīng)用軟件設(shè)計。2. 軟件設(shè)計應(yīng)用軟件的設(shè)計方法有兩種：模塊化設(shè)計方法結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法 程序模塊化設(shè)計方法 在進(jìn)行軟件設(shè)計時，通常把整個程序分成若干部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是能完成一定功能、相對獨立的程序段。這種程序設(shè)計方法就叫做模塊程序設(shè)計法。22 程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，給程序設(shè)計施加了一定的約束，它限定采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類型和操作順序，因此能編寫出操作順序分明、便于查找錯誤和糾正錯誤的程序，常用的結(jié)構(gòu)有順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)。其特點是程序本身易于用程序框圖描述，易于構(gòu)成模塊，操作順序易于跟蹤，便于查找錯誤和測試。三、控制算法的確定數(shù)學(xué)模型確定控制算法微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成以后，要對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟為硬件調(diào)試