第講微機控制系統(tǒng)的選擇及接口設計

1、14-1 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權衡第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)的設計就是選用微機、設計接口、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)的設計需要微機控制理論、數(shù)字電路、軟件設計等方面的知識，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識。通常由機電系統(tǒng)設計人員首先提出總的設計要求，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合的緊湊結構，只有專用控制系統(tǒng)才能做到。 專用控制系統(tǒng)的設計，實際上就是選用適當?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，結構還不十分穩(wěn)定，特別是對現(xiàn)有設備進行改造時，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設計，主要是合理選擇主控制微機機型，設計與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口，在此基礎上編制應用軟件的問題。實質(zhì)就是通過接口設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)濟性和可靠性的標準權衡決定。 2.硬件與軟件的權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)的設計思路 了解被控對象的控制要求，構思微機

4、控制系統(tǒng)的整體方案。 從系統(tǒng)構成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，當采用閉環(huán)控制時，應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)應采取哪些措施。考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理；微機應承擔哪些任務，為完成這些任務，微機應具備哪些功能，需要哪些輸入輸出通道、配備哪些外圍設備。 最后應初步估算其成本。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、步設計的基礎和依據(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，當內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應擴充內(nèi)存，有時還應配備適當?shù)耐獯鎯ζ?，如單板機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)外部設備和內(nèi)存之間快速、批量交換信息的，還應有直接數(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滿足上述幾點要求外，從不同的被控制對象角度而言，還應考慮幾個特殊要求: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)的總體設計與系統(tǒng)軟件的確定系統(tǒng)總體設計主要是對系統(tǒng)控制方案進行具體實施步驟的設計，主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設計要求及所選用的微機類型。通過設計要畫出系統(tǒng)的具體構成框圖。1.總體設計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）接口設計接口設計內(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、用集成電路自行設計接口電路開關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。 在總體設計中就應確定本系統(tǒng)應設置什么通道，每個通道由幾部分組成，各部分選用什么樣元器件等。（2）通道設計通道分類 開關量輸入要解決電平轉(zhuǎn)換、去抖動及抗干擾等問題。開關量輸出要解決功率驅(qū)動問題等。開關量和數(shù)字量的輸入輸出都要通過前面設計的接口電路。 模擬量輸入通道主要由信號處理裝置(標度變換、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。而應用軟件都要由用戶自行

10、編寫，所以軟件設計主要是應用軟件設計。2. 軟件設計應用軟件的設計方法有兩種：模塊化設計方法結構化設計方法 程序模塊化設計方法 在進行軟件設計時，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。這種程序設計方法就叫做模塊程序設計法。22 程序結構化設計方法 結構化程序設計方法，給程序設計施加了一定的約束，它限定采用規(guī)定的結構類型和操作順序，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，常用的結構有順序結構、條件結構、循環(huán)結構和選擇結構。其特點是程序本身易于用程序框圖描述，易于構成模塊，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)學模型確定控制算法微機控制系統(tǒng)設計完成以后，要對整個系統(tǒng)進行調(diào)試。調(diào)試步驟為硬件調(diào)試