1、1 第四章第四章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制 系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì) 微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng) 8086/8088微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)控制系統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輸入/輸出輸出 微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入/ /輸出控制的可靠性設(shè)計(jì)輸出控制的可靠性設(shè)計(jì)。 檢測(cè)傳感器與微機(jī)接口檢測(cè)傳感器與微機(jī)接口 3 4 41 1 微機(jī)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)引就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、選用控制形式控制系統(tǒng)的設(shè)引就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、選用控制形式 和動(dòng)作控制方式的問(wèn)題。和動(dòng)作控制方式的問(wèn)題。 不僅需要微機(jī)控制理

2、論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計(jì)等方面的知不僅需要微機(jī)控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計(jì)等方面的知 識(shí)，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識(shí)。識(shí)，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識(shí)。 4.1.1 4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)專用與通用、硬件與軟件的抉擇和權(quán)衡微機(jī)控制系統(tǒng)專用與通用、硬件與軟件的抉擇和權(quán)衡 1)1)專用與通用的抉擇專用與通用的抉擇 專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 4 專用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ脤Ｓ每刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)際上就是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐CIC 芯片來(lái)組成控制系統(tǒng)，以便與執(zhí)行元件和檢測(cè)傳感器相匹芯片來(lái)組成控制系統(tǒng)，以便與執(zhí)

3、行元件和檢測(cè)傳感器相匹 配，或重新設(shè)計(jì)制作專用集成電路，把整個(gè)控制系統(tǒng)集成配，或重新設(shè)計(jì)制作專用集成電路，把整個(gè)控制系統(tǒng)集成 在一塊或幾塊芯片上。在一塊或幾塊芯片上。 對(duì)于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于對(duì)于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于 還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn) 行改造時(shí)，采用通用控制系統(tǒng)比較合理、通用控制系統(tǒng)的行改造時(shí)，采用通用控制系統(tǒng)比較合理、通用控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)，主要是合理選擇主控制微機(jī)機(jī)型，設(shè)計(jì)與其執(zhí)行元設(shè)計(jì)，主要是合理選擇主控制微機(jī)機(jī)型，設(shè)計(jì)與其執(zhí)行元 件和檢測(cè)傳感器之間的接口

4、，并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件件和檢測(cè)傳感器之間的接口，并在此基礎(chǔ)上編制應(yīng)用軟件 的問(wèn)題。實(shí)質(zhì)，這就是通過(guò)接口設(shè)計(jì)和軟件編制來(lái)使通用的問(wèn)題。實(shí)質(zhì)，這就是通過(guò)接口設(shè)計(jì)和軟件編制來(lái)使通用 微機(jī)專用化的問(wèn)題。微機(jī)專用化的問(wèn)題。 5 2) 2)硬件與軟件的權(quán)衡。硬件與軟件的權(quán)衡。 例如運(yùn)算與判斷處理等，適宜用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在其余大多例如運(yùn)算與判斷處理等，適宜用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在其余大多 數(shù)情況下對(duì)于某種功能來(lái)說(shuō)，既可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，叉可用數(shù)情況下對(duì)于某種功能來(lái)說(shuō)，既可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，叉可用 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通 常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和

5、可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于提高包括環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于提高包括環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能 力在內(nèi)的可靠性時(shí)必須特別注意采取必要的措施。力在內(nèi)的可靠性時(shí)必須特別注意采取必要的措施。 6 4.1.2 4.1.2 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 1 1、確定系統(tǒng)整體控制方案、確定系統(tǒng)整體控制方案 了解被控對(duì)象的控制要求，構(gòu)思微機(jī)控制系統(tǒng)的整體方了解被控對(duì)象的控制要求，構(gòu)思微機(jī)控制系統(tǒng)的整體方 案。通常，先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)案。通常，先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán) 控制。控制。 執(zhí)行元

6、件采用何種方式，是電動(dòng)、氣動(dòng)還是液動(dòng)。比較執(zhí)行元件采用何種方式，是電動(dòng)、氣動(dòng)還是液動(dòng)。比較 其方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)而選。其方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)而選。 考慮是否有特殊控制要求，對(duì)于具有高可靠性、高精度考慮是否有特殊控制要求，對(duì)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。和快速性要求的系統(tǒng)，應(yīng)采取哪些措施。 考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接 控制還是數(shù)據(jù)處理微機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任控制還是數(shù)據(jù)處理微機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任 務(wù)微機(jī)應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入務(wù)微機(jī)應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入/輸出通道、配備輸

7、出通道、配備 哪些外圍設(shè)備。哪些外圍設(shè)備。 7 2 2 確定控制算法確定控制算法 所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。由此推出所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。由此推出 控制算法。所謂計(jì)算機(jī)控制就是按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制算法。所謂計(jì)算機(jī)控制就是按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行 控制?？刂啤?根據(jù)給定信號(hào)形式的不同分類。根據(jù)給定信號(hào)形式的不同分類。 恒值控制系統(tǒng)：恒值控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動(dòng)范圍很系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動(dòng)范圍很 小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。 隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）： 參考輸入值

8、不斷變化，參考輸入值不斷變化， 變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地 跟蹤輸入值的變化。跟蹤輸入值的變化。 程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)： 設(shè)定值變化，是時(shí)間的已知函數(shù)，即按照設(shè)定值變化，是時(shí)間的已知函數(shù)，即按照 事先規(guī)定的時(shí)間程序或規(guī)律變化。事先規(guī)定的時(shí)間程序或規(guī)律變化。 8 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 線性微分方程和基于拉普拉斯變線性微分方程和基于拉普拉斯變 換的傳遞函數(shù)換的傳遞函數(shù) 單輸入單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)單輸出的線性定常系統(tǒng) 時(shí)域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法時(shí)域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法 現(xiàn)代控制理論

9、現(xiàn)代控制理論 狀態(tài)空間分析方法狀態(tài)空間分析方法 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)、定常系統(tǒng) 與時(shí)變系統(tǒng)、多輸入與時(shí)變系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)等多輸出系統(tǒng)等 先進(jìn)控制與智能控制先進(jìn)控制與智能控制 自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制 模糊控制模糊控制 預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究等 9 機(jī)床控制中常使用的逐點(diǎn)比較法的控制算法和數(shù)字積分法機(jī)床控制中常使用的逐點(diǎn)比較法的控制算法和數(shù)字積分法 的控制算法；的控制算法； 位置數(shù)字伺服系統(tǒng)中常用實(shí)現(xiàn)最少拍控制的控制算法位置數(shù)字伺服系統(tǒng)中常用實(shí)現(xiàn)最少拍控制的控制算法 各種最優(yōu)控制的控制算法、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制的控制各種最優(yōu)控制的

10、控制算法、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制的控制 算法算法 10 3 3 選擇微型計(jì)算機(jī)選擇微型計(jì)算機(jī) 較完善的中斷系統(tǒng)。較完善的中斷系統(tǒng)。 足夠的存儲(chǔ)容量。足夠的存儲(chǔ)容量。 完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 字長(zhǎng)字長(zhǎng) 速度速度 指令指令 11 4 4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) (1)(1)接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì) 1)選用功能接口板。選用功能接口板。 2)選用通用接口電路選用通用接口電路 3)用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路。用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路。 接口設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：接口設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容： 一是擴(kuò)展接口；一是擴(kuò)展接口； 二是安排通過(guò)各接口電路輸入二是安排通過(guò)各接口電路輸入

11、/輸出端的輸入輸出端的輸入/輸出輸出 信號(hào)，選定各信號(hào)輸入信號(hào)，選定各信號(hào)輸入/輸出時(shí)采用何種控制方式。輸出時(shí)采用何種控制方式。 12 (2)(2)通道設(shè)計(jì)通道設(shè)計(jì) 輸入輸入/ /輸出通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象相互交換信息的部輸出通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象相互交換信息的部 件。每個(gè)控制系統(tǒng)都要有輸入件。每個(gè)控制系統(tǒng)都要有輸入/ /輸出通道。輸出通道。 一個(gè)系統(tǒng)中可能要有開關(guān)量的輸入一個(gè)系統(tǒng)中可能要有開關(guān)量的輸入/ /輸出通道、數(shù)字量的輸出通道、數(shù)字量的 輸入輸入/ /輸出通道或模擬量的輸入輸出通道或模擬量的輸入/ /輸出通道。在總體設(shè)計(jì)中輸出通道。在總體設(shè)計(jì)中 就應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么通道，每個(gè)通道由

12、幾部分組成，就應(yīng)確定本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置什么通道，每個(gè)通道由幾部分組成， 各部分進(jìn)行什么樣元器件等。各部分進(jìn)行什么樣元器件等。 13 14 15 模擬量I/O通道的組成 模擬接口電路的任務(wù)模擬接口電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù)模擬電路的任務(wù) 00101101 10101100 工工 業(yè)業(yè) 生生 產(chǎn)產(chǎn) 過(guò)過(guò) 程程 傳傳 感感 器器 放大放大 濾波濾波 多路轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換 ; v具有體積小、重量輕、能耗低、價(jià)格便宜，具有體積小、重量輕、能耗低、價(jià)格便宜， v可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) 使用使用: : 它很容易使各種機(jī)電、家電產(chǎn)品智能化、小型化、過(guò)程它很容易

13、使各種機(jī)電、家電產(chǎn)品智能化、小型化、過(guò)程 控制自動(dòng)化，在不顯著增加機(jī)電一體化系統(tǒng)控制自動(dòng)化，在不顯著增加機(jī)電一體化系統(tǒng)( (或產(chǎn)品或產(chǎn)品) )的的 體積、能耗及成本的情況下，大大增加其功能、提高其體積、能耗及成本的情況下，大大增加其功能、提高其 性能性能 隨著單片機(jī)性能的提高和功能的增強(qiáng)隨著單片機(jī)性能的提高和功能的增強(qiáng), ,目前，單片機(jī)已廣目前，單片機(jī)已廣 泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動(dòng)泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動(dòng) 化產(chǎn)品、機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品上化產(chǎn)品、機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品上. . 28 硬件系統(tǒng)級(jí)微型計(jì)算機(jī) 單板機(jī)單板機(jī) 將微型計(jì)算機(jī)的基本體系將微型

14、計(jì)算機(jī)的基本體系CPUCPU、一定容量的、一定容量的ROMROM和和RAMRAM、輸入、輸入/ / 輸出端口輸出端口(I(IO O電路電路) )以及一些輔助電路分別作成以及一些輔助電路分別作成LSILSI芯片，芯片， 并將它們配置在一塊印制電路板上，用電纜線和外部設(shè)備直并將它們配置在一塊印制電路板上，用電纜線和外部設(shè)備直 接連接起來(lái)，這樣的計(jì)算機(jī)就叫做單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單接連接起來(lái)，這樣的計(jì)算機(jī)就叫做單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單 板機(jī)。板機(jī)。 例如例如TP801TP801是以是以8 8位微處理器位微處理器( (如如Z80)Z80)為核心組裝的為核心組裝的8 8位單板機(jī)，位單板機(jī)， SDK 86SD

15、K 86是以是以1616位微處理器位微處理器(Intdel8086(Intdel80868088)8088)為中央處理器為中央處理器 組裝的組裝的1616位單板機(jī)。位單板機(jī)。 29 在單板機(jī)的印制電路板上裝有一個(gè)十六進(jìn)制的小鍵盤和數(shù)字在單板機(jī)的印制電路板上裝有一個(gè)十六進(jìn)制的小鍵盤和數(shù)字 顯示器，可完成一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。顯示器，可完成一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。 用單板機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化成本較低，在簡(jiǎn)易數(shù)控用單板機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化成本較低，在簡(jiǎn)易數(shù)控 機(jī)械設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)械設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。 30

16、系統(tǒng)級(jí) 以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè) 備以及控制微型計(jì)算機(jī)工作的軟件，就構(gòu) 成了完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 微型計(jì)算機(jī)如果不配有軟件，通常稱為裸 機(jī) 軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。 31 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)需要，將微型計(jì)算機(jī)、根據(jù)需要，將微型計(jì)算機(jī)、ROMROM、RAMRAM、I IO O接口電路、電接口電路、電 源等組裝在源等組裝在 不同的印制電路板上，然后組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，再配上鍵不同的印制電路板上，然后組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，再配上鍵 盤、盤、CRTCRT顯示器、打印機(jī)、硬盤和軟盤驅(qū)動(dòng)器等多種外圍設(shè)顯示器、打印機(jī)、硬盤和軟盤驅(qū)動(dòng)器等多種外圍設(shè) 備和足夠的系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成

17、了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系備和足夠的系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。統(tǒng)。 32 如目前國(guó)內(nèi)使用較多的如目前國(guó)內(nèi)使用較多的IBMIBMPC(PC(如如IBM PCXTIBM PCXT、8028680286，8038680386、 8048680486、8058680586、PIIPII、PP、PP等等) )： 33 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 微處理器微處理器 存儲(chǔ)器 I/O接口 總線 硬件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 微微 型型 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 系系 統(tǒng)統(tǒng) 微微 型型 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) ( (主機(jī)主機(jī)) ) 外 設(shè) ALU 寄存器 控制器 鍵盤、鼠標(biāo) 顯示器 軟驅(qū)、硬盤、光驅(qū) 打印機(jī)、掃描儀 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用

18、軟件 34 微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu) CPU 北橋北橋 南橋南橋 RAM Cache AGPCRT BIOS KBD，Mouse 串行/并行接口 HDD/CDROM(IDE) FDD USB PCI ISA 前端總線/CPU總線 接口卡接口卡 外設(shè) 總線擴(kuò)展槽 35 微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu) 36 INTEL 845GE 37 主板的主要硬件構(gòu)成主板的主要硬件構(gòu)成 CPU插座 芯片組（南北橋/HUB） 內(nèi)存插槽 高速緩存（現(xiàn)已集成到CPU內(nèi)部） 系統(tǒng)BIOS，硬件控制 CMOS，存放硬件配置參數(shù) 總線擴(kuò)展槽，PCI、ISA 串行、并行接口 軟/硬盤、光驅(qū)插座 3

19、8 芯片組 CPU的外圍控制芯片，通常為2片 兩種架構(gòu)：南北橋、HUB（加速中心） 南北橋南北橋 北橋提供CPU/主存/高速緩存的連接、AGP接口、PCI橋接 南橋提供USB、IDE(FDD/HDD)、串/并口及ISA橋接等 例如：Intel 440BX、VIA694(KT133)+686B、SiS 645等 HUB GMCHAGP接口、存儲(chǔ)器通道 ICHPCI橋接、IDE控制器、USB、串/并口 FWH系統(tǒng)BIOS、顯示BIOS、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 例如：Intel 810、Intel 815、Intel845等 39 (2)(2)按微處理機(jī)位數(shù)分類按微處理機(jī)位數(shù)分類 按微處理機(jī)位數(shù)可將微型計(jì)算機(jī)

20、分為位片、按微處理機(jī)位數(shù)可將微型計(jì)算機(jī)分為位片、4 4位、位、8 8位、位、1616 位、位、3232位和位和6464位等機(jī)種。位等機(jī)種。 所謂位數(shù)是指微處理機(jī)并行處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即可同時(shí)傳所謂位數(shù)是指微處理機(jī)并行處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，即可同時(shí)傳 送數(shù)據(jù)的總線寬度。送數(shù)據(jù)的總線寬度。 (3)(3)按用途分類按用途分類 可以將微型計(jì)算機(jī)分為控制用和數(shù)據(jù)處理用微型計(jì)算機(jī)?？梢詫⑽⑿陀?jì)算機(jī)分為控制用和數(shù)據(jù)處理用微型計(jì)算機(jī)。 對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可分為通用型和專用型對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可分為通用型和專用型 40 4.1.4 4.1.4 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介 工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn) 工業(yè)控制機(jī)也

21、稱工業(yè)計(jì)算機(jī)工業(yè)控制機(jī)也稱工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC(industrial personal computer，以下簡(jiǎn)稱工控機(jī)，以下簡(jiǎn)稱工控機(jī))。它主要特點(diǎn)如下：。它主要特點(diǎn)如下： 1.可靠性高可靠性高 平均無(wú)故障工作時(shí)間平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)。達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)。 2.實(shí)時(shí)性好實(shí)時(shí)性好 實(shí)時(shí)響應(yīng)控制對(duì)象各種參數(shù)的變化實(shí)時(shí)響應(yīng)控制對(duì)象各種參數(shù)的變化,進(jìn)行處理和進(jìn)行處理和 報(bào)警。報(bào)警。 3.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 對(duì)溫度濕度變化范圍要求高；有防塵、防對(duì)溫度濕度變化范圍要求高；有防塵、防 腐蝕、防振動(dòng)沖擊的能力腐蝕、防振動(dòng)沖擊的能力;有較好的電磁兼容性和高抗干擾有較好的電磁兼容性和高抗干擾

22、能力及高共模抑制的能力。能力及高共模抑制的能力。 4.過(guò)程輸入和輸出配套較好過(guò)程輸入和輸出配套較好 如模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻如模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻 率量等輸入輸出模板。率量等輸入輸出模板。 41 5.系統(tǒng)擴(kuò)充性好系統(tǒng)擴(kuò)充性好。 6.系統(tǒng)開放性系統(tǒng)開放性 主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件兼容及升級(jí)等主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件兼容及升級(jí)等 方面遵守開放性原則。方面遵守開放性原則。 7.控制軟件包功能強(qiáng)控制軟件包功能強(qiáng) ，如組態(tài)軟件。，如組態(tài)軟件。 8.系統(tǒng)通信功能強(qiáng)系統(tǒng)通信功能強(qiáng) 具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能。具有串行通信、網(wǎng)絡(luò)通信功能。 9.后備措施齊全后備措施齊全 包括供電后備，存儲(chǔ)器信息保護(hù)，

23、手動(dòng)包括供電后備，存儲(chǔ)器信息保護(hù)，手動(dòng) 自動(dòng)操作后備，緊急事故切換裝置等。自動(dòng)操作后備，緊急事故切換裝置等。 10.具有冗余性具有冗余性 括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信；雙供括雙控制站、雙操作站、雙網(wǎng)通信；雙供 電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機(jī)切換功能，雙機(jī)監(jiān)視軟件等，電系統(tǒng)、雙電源等，具有雙機(jī)切換功能，雙機(jī)監(jiān)視軟件等， 以確保系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷地運(yùn)行。以確保系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷地運(yùn)行。 工業(yè)控制機(jī)分類工業(yè)控制機(jī)分類 1.總線式工業(yè)控制機(jī)總線式工業(yè)控制機(jī) 2.單片微計(jì)算機(jī)單片微計(jì)算機(jī) 3.單回路調(diào)節(jié)器單回路調(diào)節(jié)器 4.可編程控制器可編程控制器PLC 5. 分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 微機(jī)中總線一

24、般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。微機(jī)中總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。 內(nèi)部總線內(nèi)部總線: 微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互 連；連； 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線: 微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連；微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連； 外部總線外部總線: 微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線. 總線總線 任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如 果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線路與果將

25、各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線路與CPU直接連接，那直接連接，那 么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。 為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以 適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被 稱為稱為總線總線。 采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)統(tǒng)一的總線標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。 工業(yè)控制機(jī)的分類工業(yè)控制機(jī)

26、的分類 工業(yè)控制機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用：工業(yè)控制機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用： STD總線工控機(jī)總線工控機(jī) 它采用它采用STD總線，主機(jī)總線，主機(jī)CPU類型有類型有80386、 80486、Pentium 等，另外與等，另外與STD總線相類似的尚有總線相類似的尚有STE總線總線 工控機(jī)。工控機(jī)。 80年代初，我國(guó)研制成功了年代初，我國(guó)研制成功了STD總線工業(yè)計(jì)算機(jī)?？偩€工業(yè)計(jì)算機(jī)。STD 工控機(jī)因具有靈活的組合方式、成本低、小板結(jié)構(gòu)及廣泛的兼工控機(jī)因具有靈活的組合方式、成本低、小板結(jié)構(gòu)及廣泛的兼 容性等優(yōu)點(diǎn)，自容性等優(yōu)點(diǎn)，自1984年國(guó)內(nèi)開始從事開發(fā)和推廣應(yīng)用以來(lái)，被年國(guó)內(nèi)開始從事開發(fā)和推廣應(yīng)用以來(lái)

27、，被 廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。其中以采用廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。其中以采用NEC公司公司V40芯片設(shè)芯片設(shè) 計(jì)的計(jì)的V40系統(tǒng)最具代表性，該系統(tǒng)于系統(tǒng)最具代表性，該系統(tǒng)于1994年被率先成功地應(yīng)用年被率先成功地應(yīng)用 于水輪發(fā)電機(jī)于水輪發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)、水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等電氣變壓器組繼電保護(hù)、水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等電氣 二次成套裝置中。二次成套裝置中。 在在90年代以后，年代以后，STD總線的工控機(jī)逐漸被淘汰。總線的工控機(jī)逐漸被淘汰。90年代年代 采用采用ISA和和PCI總線的總線的IPC取代取代STD開始得到應(yīng)用和普及。開始得到應(yīng)用和普及。 2.PC總線機(jī)工控總線機(jī)工控 有有ISA總線、總線

28、、VESA局部總線局部總線(VLBUS)、PCI總線、總線、 PC104總線等幾種類型工控機(jī)，主機(jī)總線等幾種類型工控機(jī)，主機(jī)CPU類型有類型有80386、80486、 Pentium等。等。 PC/104總線總線:憑借小尺寸優(yōu)勢(shì)，在小型軍事和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域還有進(jìn)一步憑借小尺寸優(yōu)勢(shì)，在小型軍事和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域還有進(jìn)一步 擴(kuò)大市場(chǎng)的可能。擴(kuò)大市場(chǎng)的可能。PC/104通過(guò)通過(guò)PC/104-plus兼容兼容PCI總線，向高性能應(yīng)總線，向高性能應(yīng) 用拓展。用拓展。 PCI總線總線是由是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，位數(shù)據(jù)總線， 且可擴(kuò)展為且可擴(kuò)展

29、為64位。位。PCI總線主板插槽的體積比原總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其總線插槽還小，其 功能比功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率 可達(dá)可達(dá)132MB/s，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。 CompactPCI總線工控機(jī)總線工控機(jī):隨著隨著CompactPCI總線冗余設(shè)計(jì)技術(shù)、熱插總線冗余設(shè)計(jì)技術(shù)、熱插 拔技術(shù)、自診斷技術(shù)的成熟，構(gòu)造高可用性系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，拔技術(shù)、自診斷技術(shù)的成熟，構(gòu)造高可用性系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，CompactPCI 總線工控機(jī)技術(shù)將得到迅速普及和廣泛應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)繼總線工控機(jī)技術(shù)

30、將得到迅速普及和廣泛應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)繼STD總線工總線工 控機(jī)、控機(jī)、IPC工控機(jī)之后最具普及前景的新一代高性能工控機(jī)。工控機(jī)之后最具普及前景的新一代高性能工控機(jī)。 3.VME總線工控機(jī)總線工控機(jī) 它采用它采用VME總線，主機(jī)總線，主機(jī)CPU類型類型 以以Motoro1a公司的公司的M68000、M68020和和M68030為主。為主。 VME/VXI總線，總線，在軍事設(shè)備和大型測(cè)試系統(tǒng)方面占有在軍事設(shè)備和大型測(cè)試系統(tǒng)方面占有 很大的市場(chǎng)份額，但已經(jīng)受到很大的市場(chǎng)份額，但已經(jīng)受到CompactPCI/PXI產(chǎn)品強(qiáng)產(chǎn)品強(qiáng) 有力的沖擊。目前還不會(huì)在大范圍內(nèi)被有力的沖擊。目前還不會(huì)在大范圍內(nèi)被 Com

31、pactPCI/PXI產(chǎn)品所取代。產(chǎn)品所取代。 4.多總線工控機(jī)多總線工控機(jī) 它采用它采用MULTIbus總線，以總線，以INTEL工工 控機(jī)為代表，主機(jī)控機(jī)為代表，主機(jī)CPU類型有類型有80386、80486和和 Pentium等。等。 廣義而言，工控機(jī)的類型更廣些，主要有廣義而言，工控機(jī)的類型更廣些，主要有IPC工控機(jī)，工控機(jī)， PLC可編程序控制器，專用控制機(jī)以及其他類型的工控可編程序控制器，專用控制機(jī)以及其他類型的工控 機(jī)，如單回路或多回路智能控制器等。機(jī)，如單回路或多回路智能控制器等。 1、工業(yè)控制機(jī)的組成 加固型工業(yè)機(jī)箱：采用全鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁 干擾能力，有減震、加固壓

32、條裝置。機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，微正 壓對(duì)流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。 工業(yè)電源：適應(yīng)較寬電壓波動(dòng)，防浪涌沖擊，有過(guò)壓過(guò)流 保護(hù)，可以承受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)的波動(dòng)、干擾。 無(wú)源底板： CPU卡： 其他配件：顯示板、軟驅(qū)、硬盤、顯示器、接口模板、鍵鼠 輸入接口模板： 輸出接口模板： 通信接口模板：串行通信接口模板、現(xiàn)場(chǎng)總線通信板、網(wǎng)絡(luò) 通信板 信號(hào)調(diào)理模板： 遠(yuǎn)程采集模板： 工控軟件包：支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)視、畫面顯示、趨勢(shì) 顯示、報(bào)表、報(bào)警、通信等功能。 人-機(jī) 接口 主機(jī) 板 系統(tǒng) 支持 磁盤 系統(tǒng) 通信 接口 模擬量 輸入通道 AI 模擬量 輸出通道 AO 數(shù)字量 輸入通道 DI 數(shù)字量 輸出通道

33、 DO 內(nèi)部總線 外部總線 硬件硬件: :主機(jī)板（主機(jī)板（CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器）、系統(tǒng)總線、過(guò)程、內(nèi)存儲(chǔ)器）、系統(tǒng)總線、過(guò)程 輸入輸出通道、人機(jī)接口、通信設(shè)備、系統(tǒng)支持板、輸入輸出通道、人機(jī)接口、通信設(shè)備、系統(tǒng)支持板、 磁盤系統(tǒng)。磁盤系統(tǒng)。 軟件是工業(yè)控制機(jī)的程序系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)軟件、支軟件是工業(yè)控制機(jī)的程序系統(tǒng)，可分為系統(tǒng)軟件、支 持軟件、應(yīng)用軟件三部分。持軟件、應(yīng)用軟件三部分。 系統(tǒng)軟件用來(lái)管理IPC的資源，并以簡(jiǎn)便的形式向用戶提供服務(wù) 工具軟件是技術(shù)人員從事軟件開發(fā)工作的輔助軟件，包括匯 編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷 程序等 應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而編

34、制的控制 和管理程序。通常包括過(guò)程輸入輸出程序、過(guò)程控制程序、 人-機(jī)接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。 IPC工控機(jī)的軟件組成 工控機(jī) 加固型機(jī)箱 無(wú)源底板 無(wú)源底板 CPU卡 接口板 PC總線總線 1. PC總線工業(yè)控制機(jī)主要特點(diǎn)總線工業(yè)控制機(jī)主要特點(diǎn) (1)兼容性好、升級(jí)容易兼容性好、升級(jí)容易 (2)性能價(jià)格比高性能價(jià)格比高 (3)豐富的軟件支持豐富的軟件支持 (4)通信功能強(qiáng)通信功能強(qiáng) (5)可靠性高可靠性高 工業(yè)工業(yè)PC均比普通均比普通PC提高提高23倍倍 。 2. PC總線工業(yè)控制機(jī)體系結(jié)構(gòu)總線工業(yè)控制機(jī)體系結(jié)構(gòu) 工業(yè)工業(yè)PC(IPC)是以是以PC總線總線(ISA，VESA，P

35、CI總線總線)為基礎(chǔ)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu) 成的工業(yè)計(jì)算機(jī)。成的工業(yè)計(jì)算機(jī)。 IPC構(gòu)成圖如下所示。構(gòu)成圖如下所示。 打印機(jī)打印機(jī) 硬盤硬盤 鍵盤鍵盤 軟驅(qū)軟驅(qū)彩色顯示器彩色顯示器 顯示卡顯示卡 ALLINONE 主機(jī)板主機(jī)板 擴(kuò)充模板擴(kuò)充模板 擴(kuò)充模板擴(kuò)充模板 光驅(qū)光驅(qū) 電源電源 串行口串行口 RS-232C 打印口打印口 鍵盤口鍵盤口 IDE口口 ISA BUS IPC構(gòu)成原理構(gòu)成原理 3. 工業(yè)控制機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)工業(yè)控制機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu) 下圖描述了工業(yè)下圖描述了工業(yè)PC機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。 防塵與保證運(yùn)行安全的帶鎖門防塵與保證運(yùn)行安全的帶鎖門 電源、硬盤及鍵盤的狀態(tài)指示燈電源、硬盤及鍵盤的狀態(tài)指示燈

36、RESET鍵、鍵、KEYBOARD-LOCK鍵鍵 帶可拆卸空氣帶可拆卸空氣 過(guò)濾器的面板過(guò)濾器的面板 雙冷卻風(fēng)扇建立雙冷卻風(fēng)扇建立 空氣正壓力，經(jīng)空氣正壓力，經(jīng) 過(guò)濾的空氣在機(jī)過(guò)濾的空氣在機(jī) 箱內(nèi)流通箱內(nèi)流通 300W工業(yè)開關(guān)電源工業(yè)開關(guān)電源 可拆卸式光驅(qū)、軟可拆卸式光驅(qū)、軟 驅(qū)框架驅(qū)框架 防震的可調(diào)節(jié)夾鉗防震的可調(diào)節(jié)夾鉗 用于安裝特殊連接用于安裝特殊連接 器或擴(kuò)展電纜的面器或擴(kuò)展電纜的面 板板 加固型金屬機(jī)箱加固型金屬機(jī)箱 14槽槽PC總線底版總線底版 電源電源on/off鍵鍵 防震動(dòng)防震動(dòng),防電磁干擾防電磁干擾,適合工業(yè)環(huán)境適合工業(yè)環(huán)境 4.PC總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 ISA總線較為成熟

37、，工業(yè)總線較為成熟，工業(yè)PC機(jī)主要以機(jī)主要以ISA總線、總線、PCI總線總線 為主流。為主流。 ISA總線信號(hào)定義總線信號(hào)定義 ISA總線的總線的98根信號(hào)線如下圖所示根信號(hào)線如下圖所示 24位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線，控 制總線及電源和地線構(gòu)成 . 可編程控制器可編程控制器PLCPLC PLC PLC的基本組成的基本組成 PLCPLC是一種以微處理器為核心的用作控制的特是一種以微處理器為核心的用作控制的特 殊計(jì)算機(jī)，殊計(jì)算機(jī)， PLCPLC的邏輯框圖如下圖所示。的邏輯框圖如下圖所示。 外設(shè)接口外設(shè)接口輸入部件輸入部件 I/O擴(kuò)展單元 擴(kuò)展單元 輸出部件輸出部件I/O擴(kuò)展口擴(kuò)展口 ROMRAM

38、 后備電源后備電源 電源電源 CPU 編程裝置編程裝置 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 其他外設(shè)其他外設(shè) 接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接收現(xiàn)場(chǎng)信號(hào) 驅(qū)動(dòng)受控元件驅(qū)動(dòng)受控元件 PLC邏輯框圖邏輯框圖 PLCPLC各組成部分各組成部分 1.1.中央處理單元中央處理單元CPUCPU CPU CPU是是PLCPLC的核心部件的核心部件, ,通過(guò)輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài)通過(guò)輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài) , ,由用戶程序去處理由用戶程序去處理, ,并根據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸出裝置去控并根據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸出裝置去控 制外設(shè)制外設(shè). . 一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。一一般的中型可編程控制器多為雙微處理器系統(tǒng)。一 個(gè)是字處理器，多為個(gè)是字處理器

39、，多為8 8位或位或1616位位 的微處理器另一個(gè)是的微處理器另一個(gè)是 位處理器，也稱布爾處理器。位處理器，也稱布爾處理器。 2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 在可編程控制器系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器主要存在可編程控制器系統(tǒng)中，存儲(chǔ)器主要存 放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。由放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。由 PROM，EPROM，EEPROM，MMC及及RAM 等組成。等組成。 系統(tǒng)程序由生產(chǎn)廠家確定系統(tǒng)程序由生產(chǎn)廠家確定,和機(jī)器的硬和機(jī)器的硬 件相關(guān)件相關(guān),完成系統(tǒng)診斷完成系統(tǒng)診斷,命令解釋命令解釋,等各種功能等各種功能. 系統(tǒng)程序在系統(tǒng)程序在PLC使用過(guò)程中不變使用過(guò)程中不變,由由ROM來(lái)存來(lái)存 放放. 3.輸入輸

40、出部件輸入輸出部件(I/O單元單元) PLC通過(guò)通過(guò)I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系單元與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系,檢測(cè)檢測(cè) 到生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù)到生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù),并將這些參數(shù)送并將這些參數(shù)送 入入PLC進(jìn)行處理進(jìn)行處理,PLC將處理結(jié)果再送給生將處理結(jié)果再送給生 產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)過(guò)程,以實(shí)現(xiàn)控制以實(shí)現(xiàn)控制. IO單元主要類型有：數(shù)字量輸入、數(shù)字量單元主要類型有：數(shù)字量輸入、數(shù)字量 輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 西門子PLC 200系列 300系列 400系列 單片機(jī)定義單片機(jī)定義 單片機(jī)也被稱為單片機(jī)也被稱為微控制器微控制器（Microcontroller），是因

41、為它最早被），是因?yàn)樗钤绫?用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單 片機(jī)由芯片內(nèi)僅有片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用的專用處理器處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是 通過(guò)將大量外圍設(shè)備和通過(guò)將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的 而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控 制設(shè)備當(dāng)中。制設(shè)備當(dāng)中。 單片機(jī)單片機(jī) 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用在智能儀器儀表上的應(yīng)用:單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)等優(yōu)單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)等優(yōu) 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表

42、中，點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中， 2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用在工業(yè)控制中的應(yīng)用:用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)， 與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 3.在家用電器中的應(yīng)用在家用電器中的應(yīng)用:從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他 音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無(wú)所不在。音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無(wú)所不在。 4

43、.在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用:從手機(jī)，電話機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫從手機(jī)，電話機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫 系統(tǒng)、列車無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通系統(tǒng)、列車無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通 信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。 5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用:單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛， 例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等 等。等。 6.單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)

44、域中的應(yīng)用單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 下圖是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的典型結(jié)構(gòu)原理框圖。下圖是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的典型結(jié)構(gòu)原理框圖。 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器 EPROM I/O 打印機(jī)打印機(jī) 繪圖儀繪圖儀 顯示器顯示器 鍵盤鍵盤 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器 RAM I/O 擴(kuò)擴(kuò) 展展 數(shù)字量測(cè)量數(shù)字量測(cè)量 模擬量測(cè)量模擬量測(cè)量 開關(guān)量控制開關(guān)量控制 開關(guān)量控制開關(guān)量控制光電隔離光電隔離 光電隔離光電隔離 光電隔離光電隔離 A/D D/A 單單 片片 機(jī)機(jī) I/O 測(cè)控部分測(cè)控部分基本部分基本部分外設(shè)部分外設(shè)部分 單片機(jī)過(guò)程控制原理框圖單片機(jī)過(guò)程控制原理框圖 單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器 單回路數(shù)字

45、調(diào)節(jié)器單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器(Sing1e Strategy Controller，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱 SSC)是一種以微處理器或單片微型計(jì)算機(jī)為核心，能完是一種以微處理器或單片微型計(jì)算機(jī)為核心，能完 成生產(chǎn)過(guò)程成生產(chǎn)過(guò)程14個(gè)回路直接數(shù)字控制任務(wù)的個(gè)回路直接數(shù)字控制任務(wù)的數(shù)字控制儀數(shù)字控制儀 表表，其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。，其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。 模擬輸出模擬輸出 切換開關(guān)切換開關(guān) - DO1 開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出 TXD RXD DO4 DI1 DI4 AI1 AI4 AO1 AO4 + 通信通信 接口接口 PIA MPU 繼電器繼電器 EPROM EAPROM 光電隔離光電隔離 模擬輸入模擬輸入 切換開

46、關(guān)切換開關(guān) RAM顯示顯示 V/I V/I D/A 鍵盤鍵盤 單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理 P I A MPU單元是調(diào)節(jié)器的核心，它包括微處理器單元是調(diào)節(jié)器的核心，它包括微處理器(或單片微機(jī)或單片微機(jī))、系統(tǒng)存貯器、系統(tǒng)存貯器 (PROMEPROM、EAPROM、RAM)、時(shí)鐘、時(shí)鐘、Watchdog和接口電路等。和接口電路等。 SSC能通過(guò)編程組態(tài)的方法，方便地組建和修改控制系統(tǒng)。故又稱為可編程能通過(guò)編程組態(tài)的方法，方便地組建和修改控制系統(tǒng)。故又稱為可編程 調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 通信單元通信單元(通信接口通信接口)使使SSC能與集中監(jiān)視操作站、上位機(jī)通信，組成多級(jí)能與集中

47、監(jiān)視操作站、上位機(jī)通信，組成多級(jí) 微機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制和管理。微機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制和管理。 SSC包括幾十種運(yùn)算、控制模塊。運(yùn)算模塊不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜組合的包括幾十種運(yùn)算、控制模塊。運(yùn)算模塊不僅能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜組合的 四則運(yùn)算，還能完成函數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。同時(shí)四則運(yùn)算，還能完成函數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。同時(shí),數(shù)字量的輸入輸出通道也可數(shù)字量的輸入輸出通道也可 以完成開關(guān)量的檢測(cè)和位式控制以完成開關(guān)量的檢測(cè)和位式控制. SSC還有斷電保護(hù)和自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。還有斷電保護(hù)和自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 72 4 42 80862 808680888088微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特

48、點(diǎn)微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4 42 21 80861 80868088CPU8088CPU的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1） 8086/8088的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)。 8088、8086基本類似 16位CPU、AB寬度20位 差別： 指令預(yù)取隊(duì)列：8088為4字節(jié)，8086為6字節(jié) 數(shù)據(jù)總線引腳：8088有8根，8086有16根 8088為準(zhǔn)16位CPU，內(nèi)部DB為16位，但外部?jī)H為8位， 16位數(shù)據(jù)要分兩次傳送 73 2)2)指令系統(tǒng)功能強(qiáng)。指令系統(tǒng)功能強(qiáng)。 80868086有有100100多條指令，能完成數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算多條指令，能完成數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算( (包括乘包括乘 法除法法除法) )、循

49、環(huán)移位、字符串操作、控制傳送和處理器管理、循環(huán)移位、字符串操作、控制傳送和處理器管理 等工作。算術(shù)運(yùn)算可以按字或字節(jié)帶符號(hào)或無(wú)符號(hào)、二進(jìn)等工作。算術(shù)運(yùn)算可以按字或字節(jié)帶符號(hào)或無(wú)符號(hào)、二進(jìn) 制或十進(jìn)制的方式進(jìn)行運(yùn)算。制或十進(jìn)制的方式進(jìn)行運(yùn)算。 3)3)多種尋址方式適用于高級(jí)語(yǔ)言中的數(shù)組和記錄等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。多種尋址方式適用于高級(jí)語(yǔ)言中的數(shù)組和記錄等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 4)204)20位地址線。位地址線。 尋址范圍可達(dá)尋址范圍可達(dá)1 048 5761 048 576字節(jié)字節(jié)( (即即1 M1 M字節(jié)字節(jié)) )的存儲(chǔ)空間。的存儲(chǔ)空間。 5)165)16位位I IO O端口地址線。端口地址線。 可尋址可尋址64

50、K64 K端口地址端口地址。 74 75 6)6)中斷功能強(qiáng)。中斷功能強(qiáng)。 可處理內(nèi)部軟件中斷和外部中斷請(qǐng)求，中斷源允許達(dá)可處理內(nèi)部軟件中斷和外部中斷請(qǐng)求，中斷源允許達(dá)256256個(gè)。個(gè)。 7)7)具有管理具有管理DMADMA操作和多處理器工作的能力。操作和多處理器工作的能力。 4.2.2 80864.2.2 80868088CPU8088CPU的最大與最小工作模式的最大與最小工作模式 808680868088CPU8088CPU的這兩種模式是由的這兩種模式是由CPUCPU內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)決定內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)決定 的。當(dāng)?shù)摹．?dāng)CPUCPU的引腳的引腳MNMNMXMX接到接到+5 V+5 V時(shí)，時(shí)，

51、8086808680888088工作于最工作于最 小模式小模式MNMN MXMX接地，接地，8086808680888088則工作于最大模式。則工作于最大模式。 76 最小工作模式最小工作模式 指單處理器系統(tǒng)，即系統(tǒng)中只有指單處理器系統(tǒng)，即系統(tǒng)中只有80868086或或80888088一個(gè)微處理器。一個(gè)微處理器。 在這種系統(tǒng)中，在這種系統(tǒng)中，8086808680888088提供所有的總線控制信號(hào)，因此，提供所有的總線控制信號(hào)，因此， 系統(tǒng)中的總線控制邏輯電路被減到最少。系統(tǒng)中的總線控制邏輯電路被減到最少。 最大工作模式最大工作模式 特征是系統(tǒng)中可以包括兩個(gè)或多個(gè)微處理器，即允許多特征是系統(tǒng)中可

52、以包括兩個(gè)或多個(gè)微處理器，即允許多 個(gè)處理器一起工作，系統(tǒng)的控制信號(hào)由總線控制器提供。個(gè)處理器一起工作，系統(tǒng)的控制信號(hào)由總線控制器提供。 在在8086808680888088最大工作模式系統(tǒng)中，主處理器為最大工作模式系統(tǒng)中，主處理器為80868086 80888088，其它處理器稱為協(xié)處理器。與，其它處理器稱為協(xié)處理器。與8086808680888088配合的配合的 協(xié)處理器有兩個(gè)，一個(gè)是數(shù)值協(xié)處理器協(xié)處理器有兩個(gè)，一個(gè)是數(shù)值協(xié)處理器80878087，一個(gè)是輸，一個(gè)是輸 入輸出協(xié)處理器入輸出協(xié)處理器80898089。 77 4.2.4 8086CPU4.2.4 8086CPU最小工作模式系統(tǒng)的

53、典型配置最小工作模式系統(tǒng)的典型配置 圖圖a a示出了示出了80868086系統(tǒng)最小工作模式下的典型配置系統(tǒng)最小工作模式下的典型配置 之一。之一。 圖圖b b示出了示出了80868086系統(tǒng)最小工作模式下的典型配系統(tǒng)最小工作模式下的典型配 置之二置之二 78 內(nèi)部三態(tài)門總內(nèi)部三態(tài)門總 是允許輸出的是允許輸出的 79 80 4.4 4.4 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其最小應(yīng)用系統(tǒng) 81 82 MCS51系列單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu) （a）管腳圖；（b）引腳功能分類 83 84 2 2MCSMCS一一5151系列單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)及其擴(kuò)展系列單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)及其擴(kuò)展 單片單

54、片 機(jī)的機(jī)的 應(yīng)用應(yīng)用 系統(tǒng)系統(tǒng) 構(gòu)成構(gòu)成 85 1)80311)8031最小應(yīng)用系統(tǒng)。最小應(yīng)用系統(tǒng)。 80318031內(nèi)部不帶內(nèi)部不帶ROMROM，需外接，需外接EPROMEPROM作外部程序存儲(chǔ)器。作外部程序存儲(chǔ)器。 86 它是一片三態(tài)輸出它是一片三態(tài)輸出8D8D 觸發(fā)器，當(dāng)觸發(fā)器，當(dāng)OE=0OE=0時(shí)三時(shí)三 態(tài)門導(dǎo)通，輸出線上態(tài)門導(dǎo)通，輸出線上 為為8 8位鎖存器的狀態(tài)。位鎖存器的狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)OE=1OE=1時(shí)輸出線呈高時(shí)輸出線呈高 阻抗?fàn)顟B(tài)。阻抗?fàn)顟B(tài)。 G G為鎖存信號(hào)輸入線，為鎖存信號(hào)輸入線， G=1G=1時(shí)鎖存器輸出等于時(shí)鎖存器輸出等于D D 端輸入，端輸入，G G輸入端負(fù)跳輸入端

55、負(fù)跳 變將輸入信息鎖存到變將輸入信息鎖存到8 8 位鎖存器中位鎖存器中。 87 2)80312)8031的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 在在80318031單片機(jī)單片機(jī) 應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用系統(tǒng)中， 最常用的靜態(tài)最常用的靜態(tài) RAM(RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器器) )芯片有芯片有 6116(2k6116(2k8)8) 和和6264(8k6264(8k8)8) 兩種。兩種。 88 3)80313)8031輸入輸出口的擴(kuò)展輸入輸出口的擴(kuò)展 在使用單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，往往需要通信的外部在使用單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，往往需要通信的外部 設(shè)備或控制對(duì)象比較多，單片機(jī)本身的設(shè)備或控制對(duì)象比較多，單

56、片機(jī)本身的I IO O口無(wú)法滿足口無(wú)法滿足 要求，因而需要擴(kuò)展要求，因而需要擴(kuò)展I IO O口。用戶可以把口。用戶可以把MCSMCS一一5151的的 64KB64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的一部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的一部分( (例如例如0DH0DHFFH)FFH)作為作為 外部外部I IO O的地址空間，的地址空間，CPUCPU像訪問(wèn)外部像訪問(wèn)外部RAMRAM單元一樣讀寫單元一樣讀寫 擴(kuò)展的擴(kuò)展的I IO O口。常用的口。常用的I IO O接口電路是通用的可編程并接口電路是通用的可編程并 行行8 8位接口芯片位接口芯片(8255A)(8255A)。 89 90 38譯碼器譯碼器74LS138 38

57、譯碼器74LS138為一種常用的地址譯碼器芯片 ，其管腳圖如圖所示。其中， G1、 , 個(gè)控制端，只有當(dāng)G1為“”且 , 均為“0” 時(shí)，譯碼器才能進(jìn)行譯碼輸出。否則譯碼器的8個(gè)輸出 端全為高阻狀態(tài)。譯碼輸入端與輸出端之間的譯碼關(guān) 系如表所示。 具體使用時(shí)，G1、 與 既可直接接至 +5 V端或地，也可參與地址譯碼。但其譯碼關(guān)系必須 為100。 需要時(shí)也可通過(guò)反相器使輸入信號(hào)符合要求。 2G A 2GB 2G A2GB 2G A2GB 91 74LS138管腳圖 74LS138的譯碼關(guān)系 92 掩膜ROM 掩膜ROM簡(jiǎn)稱為ROM，其編程是由半導(dǎo)體制造廠家完 成的，即在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行編程。 可編

58、程ROM(PROM) PROM芯片出廠時(shí)并沒(méi)有任何程序信息，其程序是由用 戶寫入的，與掩膜ROM相比，有了一定的靈活性, 批 量也不一定很大。 可擦除ROM(EPROM或EEPROM) 可擦除ROM芯片的內(nèi)容由用戶寫入，并允許反復(fù)擦除 重新寫入。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory)和只讀存儲(chǔ)器 (Read Only Memory)兩大類， 前者主要用于存放數(shù)據(jù), 后者主要用于存放程序。 93 自從EPROM2716芯片被逐漸淘汰 后，目前比較廣泛采用的是2764芯片。 該芯片為雙列直插式28引腳的標(biāo)準(zhǔn)芯片， 容量為8K8位. 2764芯片 94 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

59、器即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory)，簡(jiǎn)稱RAM，用于存放可 隨時(shí)修改的數(shù)據(jù)信息。 按其工作方式，RAM又分為 靜態(tài)(SRAM) 動(dòng)態(tài)(DRAM) 6264是8 K8位的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片，采用CMOS 工藝制造，為28 引腳雙列直插式封裝. 95 RAM 6264引腳圖 96 4.5 4.5 數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)輸入/輸出輸出 4.5.14.5.1數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)傳送方式數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)傳送方式 1 接口電路的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 控制線控制線 狀態(tài)線狀態(tài)線 DB CB AB 數(shù)據(jù)輸入寄存器數(shù)據(jù)輸入寄存器 （or 三態(tài)門）三態(tài)門） 數(shù)據(jù)輸出寄存器數(shù)據(jù)輸出寄存器 （

60、鎖存器）（鎖存器） 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 （or 三態(tài)門）三態(tài)門） 命令寄存器命令寄存器 譯碼譯碼 電路電路 控制控制 邏輯邏輯 接接 外外 設(shè)設(shè) 接接 主主 機(jī)機(jī) 97 數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器暫存輸入/輸出的數(shù)據(jù) 命令寄存器存放控制命令，用來(lái)設(shè)定接口功能、 工作參數(shù)和工作方式。 狀態(tài)寄存器保存外設(shè)當(dāng)前狀態(tài)，以供CPU讀取。 數(shù)據(jù)輸入接口 必須具有三態(tài)輸出能力，以便與總線掛接必須具有三態(tài)輸出能力，以便與總線掛接 外設(shè)有數(shù)據(jù)保持能力時(shí)可用三態(tài)門實(shí)現(xiàn) 外設(shè)無(wú)數(shù)據(jù)保持能力時(shí)用三態(tài)輸出的鎖存器實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)輸出接口 常用鎖存器實(shí)現(xiàn) 98 三態(tài)門：高電平、低電平、高阻態(tài) 通常一個(gè)器件中包含8個(gè)三態(tài)門 常用芯片