第8章典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介

?基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算

機(jī)控制系統(tǒng)；

?基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

■基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

?基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；

?分散控制系統(tǒng)；

?現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；

?計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。

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8.1基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成

的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

?該類系統(tǒng)是一種非常典型的DDC控制系統(tǒng),

工控機(jī)通過基于PC總線的板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)

據(jù)采集，并按照一定的控制規(guī)律實(shí)時(shí)決策,

產(chǎn)生控制指令，并通過板卡輸出，對(duì)生產(chǎn)

過程直接進(jìn)行控制。

?該類系統(tǒng)具有組成靈活，成本低等特點(diǎn)，

廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。是目前

在工業(yè)上用得比較多的一類系統(tǒng)。

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8.1.1PC總線的工業(yè)控制機(jī)簡介

?工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IndustrialPersonalComputer

（簡稱IPC）是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，

是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)

行測量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī)，它可以

作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。

?早在20世紀(jì)80年代初期，美國AD公司就推出了

類似IPC的MAC-150工控機(jī)，隨后美國IBM公司

正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)舊M7532。由于IPC的

性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，而在工控機(jī)中

異軍突起，后來居上，應(yīng)用日趨廣泛。

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工控機(jī)示意囤

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1.工業(yè)PC的結(jié)構(gòu)

?工業(yè)控制機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖8」所示，主要

有以下幾部分組成。

①全鋼機(jī)箱

②無源底板

③工業(yè)電源

④CPU卡

⑤其他配件

圖8.1工控機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖

下?頁

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CPU板返回

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無源底板返回

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2.工業(yè)PC的特點(diǎn)(1)

■專門為工業(yè)工程控制現(xiàn)場設(shè)計(jì)的工業(yè)PC機(jī)有

以下特點(diǎn)：

?①支持各種模塊化CPU卡和所有的舊M?

PC/XT/AT總線接口板。

?②所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率，

并均為模塊化、插板式，以便安裝、更換和升

級(jí)換代。所有的卡使用專用的固定架將插板壓

緊，防止震動(dòng)引起的接觸不良。

■③開放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部

功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。

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2.工業(yè)PC的特點(diǎn)(2)

?④采用和PC/AT總線兼容的無源底板。它使用帶有

電源層和地的4層電路板，有效地提高了系統(tǒng)地抗干擾能

力。無源底板帶有4,6,8,12,14或20槽。

?⑤機(jī)箱采用全鋼機(jī)構(gòu)，可防止電磁干擾；采用

150W-350W帶除塵過濾器的工業(yè)開關(guān)電源，具有足夠地

負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，并

裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器安裝采用橡皮

緩沖防震，并有防塵門。

?⑥可內(nèi)裝電子盤以取代機(jī)械磁盤，使PC機(jī)在工業(yè)環(huán)

境下的操作具有高速、高可靠性。

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3.常用的工業(yè)控制機(jī)簡介

?當(dāng)前國內(nèi)外工控機(jī)型號(hào)很多，下面簡要介紹主要常用的

工控機(jī)：

?工控機(jī)的生產(chǎn)廠家很多，國外有美國IBM、ICS、德國

西門子、日本康泰克等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場定位

高。

?我國臺(tái)灣地區(qū)是工控機(jī)的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研

華、威達(dá)、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研

華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺(tái)灣市場均

有較高的市場占有率。

?國內(nèi)也有很多工控機(jī)品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷

斯、北京華北等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)10

8.1.2基于PC總線的板卡簡介

■基于PC總線的板卡是指計(jì)算機(jī)廠商為了滿足

用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用功

能模板。

■基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也

有很多種。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為

模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡

（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板

卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多

功能板卡可以集成多個(gè)功能，。下面以研華

PCI系列測控板卡為例介紹一下不同種類的典

型板卡的性能和特點(diǎn)。

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1.模擬量輸入板卡（A/D卡）

?基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如

ISA、PCI等總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，板卡通常有單端

輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。

板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣

數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的

性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常

采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。板卡的

模擬信號(hào)采集精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采

用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)12

?例如研華PCM710數(shù)據(jù)采

集卡，如圖8.2所示。該板

卡具有32路單端或16路差

分模擬量輸入或組合方式

輸入等三種輸入方式，它

帶有2500VDC隔離保護(hù);

采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采

樣數(shù)率可達(dá)100kHZ；板載圖8.2研華PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡

4K采樣FIFO緩沖器；每個(gè)

輸入通道的增益可編程。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)13

2,模擬量輸出板卡（D/A卡）

?模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的

轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的

D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有

很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、

轉(zhuǎn)換精度等性能指標(biāo)外，還有建立時(shí)間、

溫度系數(shù)等指標(biāo)約束。模擬量輸出板卡

通常還要考慮輸出形式以及負(fù)載能力。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)14

?例如研華PCM720模擬量

輸出卡，如圖8.3所示。

PCI-1720提供了四個(gè)用于

PCI總線的12位隔離數(shù)字

量到模擬量輸出。它是過

程控制、伺服控制和可編

程電壓源最好的解決方案。

由于能夠在輸出和PCI總

線之間提供2500VDC的

隔離保護(hù)，PCI-1720非常

適合需要高電壓保護(hù)的工圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡

業(yè)場合，該板卡具有4路輸

出通道。

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3.數(shù)字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）

?數(shù)字量輸入輸出接口相對(duì)簡單，一般都

需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通

道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸

出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器。

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?例如研華PCM760光隔

開關(guān)量輸入輸出卡提供了

8路數(shù)字量輸入通道和8路

繼電器輸出通道。與傳統(tǒng)

卡比較，PCI-1760為每

個(gè)數(shù)字量輸入通道增加了

可編程的數(shù)字濾波器。此

功能使相應(yīng)輸入通道的狀

態(tài)不會(huì)更新，直到高/低圖8.4PCL1760數(shù)字量輸入輸出卡

信號(hào)保持了用戶設(shè)定的一

段時(shí)間后才改變。這樣有

助于保持系統(tǒng)的可靠性。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)17

4.脈沖量輸入板卡

?工業(yè)控制現(xiàn)場有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋

轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測信號(hào)等，這些都要脈沖

量輸入板卡或一些專用測量模塊進(jìn)行測量。

脈沖量輸入板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出

和采集，并可以通過跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、

測頻等不同工作方式?？紤]到現(xiàn)場強(qiáng)電的干

擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)

算機(jī)與現(xiàn)場信號(hào)之間全部隔離，來提高板卡

測量的抗干擾能力。

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?例如研華PCM780計(jì)數(shù)/定時(shí)

卡，如圖8.5所示，是基于

PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡，該卡

使用了AM9513芯片，能夠

通過CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)

器功能，止匕外，該卡還提供8

個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，該卡具

有8通道可編程時(shí)鐘資源，8

路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)用胃區(qū)工泓上

字量輸入，最高輸入頻率達(dá)圖85PCI-17808通時(shí)/計(jì)數(shù)卡

20MHz,多種時(shí)鐘可以選擇，

可編程計(jì)數(shù)器輸出，計(jì)數(shù)器

門選通功能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)19

8.1.3基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)

算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

?工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)過程中的各種工況參數(shù)（溫度、

壓力、流量、成分、位置、轉(zhuǎn)速等）由傳感器

或一次測量儀表進(jìn)行檢測，然后經(jīng)變送器把它

們統(tǒng)一變換成4?20mA的電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)

換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)則對(duì)被

測信號(hào)按一定的控制規(guī)律（如PID規(guī)律）進(jìn)行

計(jì)算，計(jì)算出送給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量?？?/p>

制量由計(jì)算機(jī)輸出，經(jīng)I/O接口送往輸出通道，

形成閉環(huán)控制。

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1.組成(1)

基于工控機(jī)和板卡組成的計(jì)算機(jī)控制

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

(1)硬件部分

①控制計(jì)算機(jī)

?控制計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，可以對(duì)輸

入的現(xiàn)場信息和操作人員的操作信息進(jìn)行

分析、處理，根據(jù)預(yù)先確定的控制規(guī)律，

實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，控制和管理其他的設(shè)

備?？紤]到工業(yè)控制領(lǐng)域較惡劣的環(huán)境，

一般選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)21

1.組成（2）

②I/O通道

?輸入輸出（I/O）通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，

完成傳感器輸出信號(hào)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間，

或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)元件之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換

和匹配的功能，稱接口電路。它使工業(yè)控制計(jì)

算機(jī)能正確地接受被控對(duì)象工作狀態(tài)的檢測信

號(hào)，而且能實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確地對(duì)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行控制。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)22

1.組成（3）

?③參數(shù)檢測

?被控對(duì)象需要檢測的參數(shù)分為模擬量參數(shù)和

開關(guān)量參數(shù)兩類。對(duì)于模擬量參數(shù)的檢測，

主要選用合適的傳感器，通過傳感器將這類

參數(shù)轉(zhuǎn)換為成正比例的模擬量電信號(hào)。開關(guān)

量參數(shù)檢測常用的元件有行程開關(guān)、光電開

關(guān)、接近開關(guān)、繼電器或接觸器的吸合釋放

等開關(guān)型元件來完成，通過這些元件向計(jì)算

機(jī)輸入開關(guān)量電信號(hào)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)23

1.組成（4）

?④輸出驅(qū)動(dòng)

?被控對(duì)象的輸出驅(qū)動(dòng)，按輸出信號(hào)形式

不同，也可分為模擬量信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)和

開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)兩種。模擬量信號(hào)輸出

驅(qū)動(dòng)主要用于伺服系統(tǒng)控制、變頻控制

和調(diào)節(jié)閥等，開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)主要用于

控制只有兩種工作狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)

行。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)24

1.組成（5）

?⑤人機(jī)接口

?人機(jī)接口是操作人員和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

之間信息交換的設(shè)備，是計(jì)算機(jī)控制系

統(tǒng)中必不可少的部分，主要由鍵盤、鼠

標(biāo)和顯示器等組成。直接使用鍵盤和鼠

標(biāo)等輸入控制命令和指令數(shù)據(jù)，使用顯

示器顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障并幫助查找和

診斷故障，以及運(yùn)行中間數(shù)據(jù)的檢查、

運(yùn)行過程的統(tǒng)計(jì)等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)25

(2)軟件部分

?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和用

戶程序兩部分組成。系統(tǒng)軟件有計(jì)算機(jī)

操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開發(fā)支

撐軟件，如開發(fā)語言、編譯軟件、調(diào)試

工具等。用戶程序是指控制系統(tǒng)中與控

制對(duì)象或控制任務(wù)相應(yīng)的控制程序。應(yīng)

用程序一般都由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)

的目標(biāo)、資源配備情況開發(fā)完成。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)26

2.特點(diǎn)

?基于PC總線的計(jì)算?機(jī)控葡系統(tǒng)是一個(gè)典型的

DDC系統(tǒng)，因此它具有以下特點(diǎn)：

(1)時(shí)間上具有離散性

?計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程的有關(guān)參量進(jìn)行

控制時(shí)，是以定時(shí)采樣和階段控制來代替常

規(guī)儀表的連續(xù)測量和連續(xù)控制的。因此，確

定合適的采樣周期和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的字

長是提高系統(tǒng)控制精度、減少轉(zhuǎn)換誤差的關(guān)

鍵。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)27

（2）采用分時(shí)控制方式

?DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)要控制多個(gè)回路，為

止匕該類系統(tǒng)采用“分時(shí)”控制的方法，即將

某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出控制

三部分的時(shí)間與其前后回路錯(cuò)開，放在不同的

控制時(shí)間里。這樣，既保證了控制過程的正常

進(jìn)行，又能充分利用系統(tǒng)中的各種設(shè)備，提高

了控制效率。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)28

（3）具有人機(jī)對(duì)話功能

?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話是一種計(jì)算

機(jī)控制系統(tǒng)必須具備的操作者和計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)互相聯(lián)系的功能。操作者通過輸入

設(shè)備向計(jì)算機(jī)送入控制命令，計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)則通過輸出設(shè)備送出有關(guān)信息。一般

的計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)除了普通的各種指示

夕卜，還都通過相應(yīng)接口連接顯示屏、打

印機(jī)、控制鍵盤、越限報(bào)警裝置等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)29

(4)控制方案靈活

?對(duì)于一個(gè)模擬系統(tǒng)，控制算法是由硬件

實(shí)現(xiàn)的，硬件確定后控制算法也就確定

了，而計(jì)算機(jī)DDC控制系統(tǒng)的控制算法

是由軟件實(shí)現(xiàn)的。通過改變程序即可達(dá)

到改變控制算法的目的，不僅方便靈活,

并且還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。對(duì)于多

回路控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)具有價(jià)

格優(yōu)勢，路數(shù)越多，這種優(yōu)勢越明顯。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)30

(5)危險(xiǎn)集中

?由于這類系統(tǒng)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)

回路，所以一旦計(jì)算機(jī)的軟件或硬件出

現(xiàn)故障將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。DDC系統(tǒng)

的計(jì)算機(jī)直接與生產(chǎn)過程連接，而工業(yè)

現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅

著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，不僅需要

計(jì)算機(jī)本身具有較高的可靠性，必須采

取抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性，使

之能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)31

8.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)32

8.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡介

?數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過程控制

儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而

其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量

和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個(gè)

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、

4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般

PID之外，還可組成串級(jí)控制、前饋控制

生寸O

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)33

1.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類(1)

?數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)用途和性能的差異可以分為以下幾

種類型：

(1)定程序控制器

制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶

只需要通過組態(tài)，不必編寫程序，它適合于典型的對(duì)象

和通用的生產(chǎn)過程。

(2)可編程調(diào)節(jié)器

用戶可以從調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供的諸多功能模塊中選擇

所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調(diào)

節(jié)器按照要求工作。這種調(diào)節(jié)器優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，編程

方便，缺點(diǎn)是需要編程器，而且需要編程序才能使用，

對(duì)使用者要求較高。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)34

1.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類(2)

(3)混合控制器

這是一種專為控制混合物成分用的控

制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工

藝中，但不如這種經(jīng)濟(jì)方便。

(4)批量控制器

這是一種常用于液體或粉粒體包裝和

定量裝載用的控制器，特別為周期性工作

設(shè)計(jì)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)35

2.數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

?模擬調(diào)節(jié)器只是由硬件（模擬元器件）

構(gòu)成，它的功能完全由硬件決定，因此

其控制功能比較單一；而數(shù)字調(diào)節(jié)器是

由微處理器為核心構(gòu)成的硬件電路和有

系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的軟件兩大部

分組成，其功能主要是由軟件所決定，

可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)36

(1)數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件部分

圖&6數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件電路

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)37

(2)數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件

?數(shù)字調(diào)節(jié)器器的軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩

大部分。

?①系統(tǒng)程序

?系統(tǒng)程序是控制器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控

程序和功能模塊兩部分組成。

?監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)

所規(guī)定功能，同時(shí)完成各組成部分之間的管理。

?功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要

的功能模塊以構(gòu)成用戶程序，使控制器實(shí)現(xiàn)用戶

所規(guī)定的功能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)38

②用戶程序

?用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)

程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按

一定的規(guī)則連接起來，其作用是使控制器完

成預(yù)定的控制與運(yùn)算功能。使用者編制程序

實(shí)際上是完成功能模塊的連接，也即組態(tài)工

作。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)39

3.數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)

(1)運(yùn)算控制功能強(qiáng)

(2)通過軟件實(shí)現(xiàn)所需功能

(3)帶有自診斷功能

(4)帶有數(shù)字通訊功能

(5)具有較有好的人機(jī)界面

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)40

8.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介

?使用數(shù)字調(diào)節(jié)器不但可以實(shí)現(xiàn)單回路控制，

還可以實(shí)現(xiàn)諸如串級(jí)控制、前饋控制、變?cè)?/p>

益控制等復(fù)雜控制方案。因此，由數(shù)字調(diào)節(jié)

器組成的控制回路往往被認(rèn)為是一個(gè)典型的

直接數(shù)字控制（DDC）回路。另外，由于數(shù)

字調(diào)節(jié)器具有較強(qiáng)的通信功能，上位機(jī)可以

讀取回路數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置回路參數(shù)。這樣

多臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)器與上位機(jī)一起就可以構(gòu)成一

個(gè)中小型的DCS控制系統(tǒng)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)41

?數(shù)字調(diào)節(jié)器可以與

上位計(jì)算機(jī)一起組

成中小型DCS控制

系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)節(jié)器

實(shí)現(xiàn)回路控制，構(gòu)

成獨(dú)立的DDC控

制，多個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)

器控制的許多回路

都與上位機(jī)進(jìn)行通

訊。這種類型的控

圖8.7系統(tǒng)的基本構(gòu)成

制系統(tǒng)可如圖87

所示。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)42

：3基于可編程控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

?可編程控制器（PLC）是近十幾年發(fā)展起來的

一種新型的工業(yè)控制器，由于它把計(jì)算機(jī)的編

程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)與繼電器

系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、

價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，而其本身又具有體

積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，因而在工業(yè)生

產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)43

8.3.1PLC簡介

1.PLC的特點(diǎn)

PLC是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)制造的計(jì)

算機(jī)，它具有豐富的輸入/輸出接口，并具

有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠較好地解決工業(yè)

控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、

方便、經(jīng)濟(jì)等問題。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)44

(1)高可靠性

?PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：

?所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。

?各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。

?采用優(yōu)良的開關(guān)電源。

?對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。

-具有完整的監(jiān)視和診斷功能，一旦電源或其它軟、

硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故

障獷大。

?大型PLC還采用由雙CPU構(gòu)成的冗余系統(tǒng)，使可靠

性進(jìn)一步提高。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)45

（2）功能齊全

?PLC的基本功能包括：開關(guān)量輸入輸出，模擬量

輸入輸出，輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時(shí)繼電

器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器,

移位寄存器，凸輪控制器，跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制I/O等。

?PLC的擴(kuò)展功能有聯(lián)網(wǎng)通信、成組數(shù)據(jù)傳送、

PLD閉環(huán)回路控制，排序查表功能，中斷控制及

特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能。

?PLC有豐富的I/O接口模塊，PLC針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場信

號(hào)（如交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電

流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等）都有相應(yīng)的I/O

模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接相連。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)46

(3)應(yīng)用靈活

?除了單元式小型PLC

外，絕大多數(shù)PLC采

用標(biāo)準(zhǔn)的積木硬件結(jié)

構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)

計(jì)，使其不僅可以適

應(yīng)大小不同、功能繁

復(fù)的控制要求，而且

可以適應(yīng)各種工藝流

程變更較多的場合。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)47

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短

?PLC的安裝和現(xiàn)場接線簡單，可以按積

木方式擴(kuò)充和刪減其系統(tǒng)規(guī)模。由于它

的邏輯、控制功能是通過軟件完成的，

因此允許設(shè)計(jì)人員在沒有購買硬件設(shè)備

之前，就進(jìn)行“軟接線”工作，從而縮

短了整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試周期。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)48

（5）操作維修方便

?PLC采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖形式編程

與功能助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程

序和編寫、修改程序。操作人員經(jīng)短期培訓(xùn)，

就可以使用PLC。其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、

I/O點(diǎn)狀態(tài)和異常狀態(tài)等均有醒H的顯示。因

止匕操作人員、維修人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解

機(jī)器故障點(diǎn)，利用替代模塊或插件的辦法迅速

排除故障。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)49

2.PLC的分類⑴

?按地域范圍PLC一般可分成三個(gè)流派：美國流派、

歐洲流派和日本流派。這種劃分方法雖然不很科

學(xué)，但具有實(shí)用參考價(jià)值。一方面，美國PLC技

術(shù)與歐洲IPLC技術(shù)基本上是各自獨(dú)立開發(fā)而成的,

二者表現(xiàn)出明顯的差異性，而日本的PLC技術(shù)是

由美國引進(jìn)的，因此它對(duì)美國的PLC技術(shù)既有繼

承，也有發(fā)展，而且日本產(chǎn)品主要定位在小型

PLC±；另一方面，同一地域的產(chǎn)品面臨的市場

相同，用戶的要求接近，相互借鑒就比較多，技

術(shù)滲透得比較深，這都使得同一地域的PLC產(chǎn)品

表現(xiàn)出較多的相似性，而不同地域的PLC產(chǎn)品表

現(xiàn)出明顯的差異性。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)50

2.PLC的分類(2)

?按結(jié)構(gòu)形式可以把PLC分為兩類：一類是CPU、

電源、I/O接口、通信接口等都集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)

的一體化結(jié)構(gòu)，如OMRON公司的C20P,C20H,

三菱公司的FX系列產(chǎn)品，西門子公司的S7-200系

列產(chǎn)品。

?另一類是電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、通信模

塊等在結(jié)構(gòu)上是相互獨(dú)立的，如圖8.8所示，用戶

可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇合適的模塊，安裝

固定在機(jī)架或?qū)к壣希瑯?gòu)成一個(gè)完整的PLC應(yīng)用

系統(tǒng)，如OMRON公司的C1000H,三菱公司的Q

系列，SIEMENS公司的S7-300等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)51

2.PLC的分類（3）

?按I/O點(diǎn)數(shù)的多少又可將PLC劃分為超小型PLC

（I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)）、小型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)在

65?128點(diǎn)）、中型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)范圍在129?

512點(diǎn)）和大型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)范圍在512點(diǎn)以上）

等幾種。

?小型及超小型PLC在結(jié)構(gòu)上一般是一體化形式，

主要用于單機(jī)自動(dòng)化及簡單的控制對(duì)象；大、中

型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還增

強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，可構(gòu)成大規(guī)

模的綜合控制系統(tǒng)，主要用于復(fù)雜程度較高的自

動(dòng)化控制，并在相當(dāng)程度上替代DCS以實(shí)現(xiàn)更廣

泛的自動(dòng)化功能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)52

3.PLC的發(fā)展趨勢

?隨著計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)

化內(nèi)涵的不斷延伸，PLC的結(jié)構(gòu)和功能

也在進(jìn)行不斷地完善和擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)控制

功能和管理功能的結(jié)合，以不同生產(chǎn)廠

家的產(chǎn)品構(gòu)成開放型的控制系統(tǒng)是主要

的發(fā)展理念之一。長期以來PLC走的是

專有化的道路，目前絕大多數(shù)PLC不屬

于開放系統(tǒng)，尋求開放型的硬件或軟件

平臺(tái)成了當(dāng)今PLC的主要發(fā)展目標(biāo)。就

PLC系統(tǒng)而言，現(xiàn)代PLC主要有以下兩

種發(fā)展趨勢。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)53

(1)向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化方向發(fā)展

?由于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的內(nèi)涵已不再局限于某些生

產(chǎn)過程的自動(dòng)化，而是實(shí)現(xiàn)信息管理和工業(yè)生產(chǎn)

相結(jié)合的綜合自動(dòng)化，強(qiáng)化通信能力和網(wǎng)絡(luò)化功

能是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方面，它主要表現(xiàn)在：

向下將多個(gè)PLC、遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)相連；向上與工業(yè)

控制計(jì)算機(jī)、管理計(jì)算機(jī)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的

自動(dòng)化控制系統(tǒng)。例如：A-B,SIEMENS,

MODICON等多數(shù)生產(chǎn)廠家的PLC產(chǎn)品都已具備

類似的功能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)54

（2）向體積小、速度快、功能強(qiáng)、

價(jià)格低的小型化方向發(fā)展

?隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，體積小、速度快、

功能強(qiáng)、價(jià)格低的PLC廣泛滲透到工業(yè)

控制領(lǐng)域的各個(gè)層面。小型化發(fā)展具體

表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)上的更新、物理尺寸的縮

小、運(yùn)算速度的提高、網(wǎng)絡(luò)功能的加強(qiáng)、

價(jià)格的降低，當(dāng)前小型化PLC在工業(yè)控

制領(lǐng)域具有不可替代的地位。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)55

8.3.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

地址總線控制總線

TTT~r

中

輸

輸

數(shù)—?照明

央

存據(jù)

出

入

處

存電磁裝置

接

接

理儲(chǔ)

儲(chǔ)

單

口

行程開關(guān)口執(zhí)行機(jī)構(gòu)

器

元器

模擬量輸入

數(shù)據(jù)總線

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)56

1.PLC的基本結(jié)構(gòu)

?PLC的基本組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)相

類似，主要包括：中央處理單元、存儲(chǔ)單

元、通信接口、外設(shè)接口、I/O接口等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)57

(1)中央處理單元

?中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。

在20世紀(jì)70年代中期到80年代末，大、中、

小型PLC型的CPU所采用的微處理器芯片

的檔次差別很大，因此，不同類型的PLC

的CPU所采用的微處理器芯片的檔次相差

彳良大。

?隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,

微處理器價(jià)格的下跌，中小型PLC也能使

用功能強(qiáng)、速度快的高檔微處理器作為其

CPUo

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)58

(2)存儲(chǔ)器

?PLC常用的存儲(chǔ)器類型：

-RAM(RandomAccessMemory)

-EPROM(ErasableProgrammableRead

OnlyMemory)

-EEPROM(ElectricalErasable

ProgrammableReadOnlyMemory)

-FLASHROM

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)59

(3)電源

?PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要

的作用。如果沒有一個(gè)良好的可靠的電

源，系統(tǒng)還是無法正常工作，因此PLC

的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)可和制造也十分

重視。不論是小型PLC還是中、大型

PLC所采用的電源，其性能都一樣，均

能對(duì)PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定

可靠的直流電源。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)60

(4)I/O模塊

?PLC的I/O模塊式工業(yè)現(xiàn)場種種設(shè)備與PLC

之間傳輸信息的接口，包括數(shù)字I/O模塊、模

擬I/O模塊和智能I/O模塊。

■數(shù)字I/O模塊包括數(shù)字量輸入和輸出兩種模

塊。

?模擬量I/O模塊包括模擬量輸入和輸出兩種

模塊。智能I/O模塊是完成某些獨(dú)立的特定功

能的I/O模塊，常用的智能I/O模塊有PID模塊、

定位模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)61

(5)通信接口模塊

?通信模塊為PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)

等智能設(shè)備間提供通信接口。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)62

2.PLC的基本工作原理

PLC的工作方式是一個(gè)不斷循

環(huán)的順序掃描過程。在輸入采樣階

段，PLC以掃描方式依次讀入所有

狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象

區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。

輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶執(zhí)

行程序階段，PLC的CPU按由上而

下的順序一次掃描用戶程序，并根

據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果刷新I/O映象寄存器。

用戶程序執(zhí)行結(jié)束后進(jìn)入輸出

刷新階段，刷新所有的輸出。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)63

?順序掃描工作方式簡單直觀，便于程序設(shè)計(jì)和

PLC自身的檢查。具體體現(xiàn)在：PLC掃描到的功

能經(jīng)解算后，其結(jié)果馬上就可被后面將要掃描到

的功能所利用；可以在PLC內(nèi)設(shè)定一個(gè)監(jiān)視定時(shí)

器，用來監(jiān)視每次掃描的時(shí)間是否超過規(guī)定值，

避免由于PLC內(nèi)部CPU故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循

環(huán)。

?掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般

小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用

可變的掃描順序。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)64

833基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡介

?由于PLC具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使得PLC應(yīng)

用十分廣泛。現(xiàn)在，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用在

鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、

機(jī)械制造、汽車裝卸等各行各業(yè)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)65

1.基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

(1)用于開關(guān)邏輯控制

(2)用于機(jī)械加工的數(shù)字控制

(3)用于機(jī)器人控制

(4)用于閉環(huán)過程控制

(5)用于實(shí)現(xiàn)工廠的無人化管理

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)66

2.PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及內(nèi)容

(1)PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

關(guān)于PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則往往涉及很多方面，其中

最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為四點(diǎn)：

①最大限度地滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制

要求。

②確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。

③力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。

④適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接

口、通信能力等方面要留有余地。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)67

(2)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容

?PLC的種類很多，不同類型的PLC在性

能、適用領(lǐng)域等方面是有差異的，它們

在設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法上也會(huì)有所不同,

通常還與設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)

踐經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。但是，所有設(shè)計(jì)方法要解

決的基本問題是相同的，下面是PLC系

統(tǒng)設(shè)計(jì)所要完成的一般性內(nèi)容：

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)68

①分析被控對(duì)象的工藝特點(diǎn)和要求，擬定PLC系統(tǒng)

的控制功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)；

②細(xì)化PLC系統(tǒng)的技術(shù)要求，如I/O接口數(shù)量、結(jié)構(gòu)

形式、安裝位置等等；

③PLC系統(tǒng)的選型，包括CPU、I/O模塊、接口模

塊等等；

④編制I/O分配表和PLC系統(tǒng)及其與現(xiàn)場儀表的接線

圖；

⑤根據(jù)系統(tǒng)要求編制軟件規(guī)格說明書，開發(fā)PLC應(yīng)

用軟件；

⑥編寫設(shè)計(jì)說明書和使用說明書；

⑦系統(tǒng)安裝、調(diào)試和投運(yùn)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)69

3.PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

?設(shè)計(jì)一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，第一步就是需要

對(duì)被控生產(chǎn)對(duì)象的工藝過程和特點(diǎn)做深入的

了解，這也是現(xiàn)場儀表選型與安裝、控制目

標(biāo)確定、系統(tǒng)配置的前提。一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)

工藝過程，通常可以分解為若干個(gè)工序，而

每個(gè)工序往往又可分解為若干個(gè)具體步驟，

這樣做可以把復(fù)雜的控制任務(wù)明確化、簡單

化、清晰化，有助于明確系統(tǒng)中各PLC及

PLC中I/O的配置，合理分配系統(tǒng)的軟硬件

資源。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)70

?第二步需要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)任務(wù)書，設(shè)計(jì)任務(wù)

書實(shí)際上就是對(duì)技術(shù)要求的細(xì)化，把各

部分必須具備的功能和實(shí)現(xiàn)方法以書面

形式描述出來。設(shè)計(jì)任務(wù)書是進(jìn)行設(shè)備

選型、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試

的重要技術(shù)依據(jù)，若在PLC系統(tǒng)的開發(fā)

過程中發(fā)現(xiàn)不合理的方面，需要及時(shí)進(jìn)

行修正。通常，設(shè)計(jì)任務(wù)書要包括以下

各項(xiàng)內(nèi)容：

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)71

①數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)及端口分配；

②數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)及端口分配；

③模擬量輸入通道總數(shù)及端口分配；

④模擬量輸出通道總數(shù)及端口分配；

⑤特殊功能總數(shù)及類型；

⑥PLC功能的劃分以及各PLC的分布與距

離；

⑦對(duì)通信能力的要求及通信距離。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)72

?第三步需要在滿足控制要求的前提下，

對(duì)系統(tǒng)所涉及的硬件設(shè)備進(jìn)行選型。

PLC硬件設(shè)備的選型應(yīng)該追求最佳的性

能價(jià)格比。硬件設(shè)備的選型主要包括

CPU、I/O配置、通訊、電源等方面進(jìn)行

考慮。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)73

?第四步需要設(shè)計(jì)安全回路。安全回路是

能夠獨(dú)立于PLC系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)急控制回

路或后備手操系統(tǒng)。安全回路一般以確

保人身安全為第一目標(biāo)、保證設(shè)備運(yùn)行

安全為第二目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在很多國

家和國際組織發(fā)表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均有明

確的規(guī)定。一般來說，安全回路在以下

幾種情況下將發(fā)揮安全保護(hù)作用：設(shè)備

發(fā)生緊急異常狀態(tài)時(shí)；PLC失控時(shí)；操

作人員需要緊急干預(yù)時(shí)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)74

4.PLC的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

?PLC用戶程序的設(shè)計(jì)過程可分為兩個(gè)階段,

即前期工作和應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試。在

軟件設(shè)計(jì)過程中，前期工作內(nèi)容往往會(huì)被

設(shè)計(jì)人員所忽視，事實(shí)上這些工作對(duì)提高

軟件的開發(fā)效率、保證應(yīng)用軟件的可維護(hù)

性、縮短調(diào)試周期都是非常必要的，特別

是對(duì)較大規(guī)模的PLC系統(tǒng)更是如此。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)75

(1)前期工作

前期工作主要包括制定控制方案、制定抗干擾措施、

編制I/O分配表、確定程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、定義軟件模塊

的功能。

(2)應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試

根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本控制

程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個(gè)部分。其中基本

控制程序是整個(gè)應(yīng)用軟件的主體，它包括信號(hào)采集、信號(hào)

濾波、控制運(yùn)算、結(jié)果輸出等內(nèi)容。

對(duì)于整個(gè)應(yīng)用軟件來說，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。合理的程序結(jié)構(gòu)不僅決定著

應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還對(duì)編程周期、調(diào)試周期、可

維護(hù)性都有很大的影響。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)76

(2)應(yīng)用軟件的開發(fā)和調(diào)試

?根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本

控制程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個(gè)

部分。其中基本控制程序是整個(gè)應(yīng)用軟件的主

體，它包括信號(hào)采集、信號(hào)濾波、控制運(yùn)算、

結(jié)果輸出等內(nèi)容。

?對(duì)于整個(gè)應(yīng)用軟件來說，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。合理的程序

結(jié)構(gòu)不僅決定著應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還

對(duì)編程周期、調(diào)試周期、可維護(hù)性都有很大的

影響。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)77

.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

一般來講，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)

算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用

系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要

求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、

外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程

序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、

M著信息化、/能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式

系統(tǒng)的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)

用到了信息家電、手持機(jī)、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等

各個(gè)領(lǐng)域，本節(jié)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的概念、軟硬件技術(shù)

以及由其組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)78

841嵌入式系統(tǒng)概述

1.嵌人式系統(tǒng)概念的由來

1976年，Intel公司推出了8048,稱為單片機(jī)

(SCC,SingleChipComputer)。這個(gè)只有

1KBROM和64BRAM的簡單芯片成為世界上第一

個(gè)單片機(jī)，開創(chuàng)了將微處理機(jī)系統(tǒng)的各種CPU外的

資源，如：ROM、RAM、定時(shí)器、I/O端口、串行

通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個(gè)芯片

的時(shí)代。

現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)十分龐大的家族，許

多新出現(xiàn)的單片機(jī)也稱為嵌入式微處理器，專門面

向嵌入式應(yīng)用。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)79

?針對(duì)特定應(yīng)用、特定功能開發(fā)的嵌入式

系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)與所嵌入的應(yīng)用環(huán)境

成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，并且往往有緊湊、

高可靠性、實(shí)時(shí)性好、低功耗等技術(shù)要

求。這樣一種應(yīng)用目標(biāo)使得這一應(yīng)用領(lǐng)

域要去研究它的獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)

技術(shù)，這就是今天嵌入式系統(tǒng)這一名稱

的含義，也是嵌入式系統(tǒng)成為一個(gè)相對(duì)

獨(dú)立的計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的原因。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)80

2.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)

(1)專用性強(qiáng)

嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和

硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的

移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要

根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。

(2)精簡設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì),

量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)

現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的

選擇更具有競爭力。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)81

⑶系統(tǒng)扇亥嶷入式系統(tǒng)的特點(diǎn)(2)

由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)

資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多C

比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB,而

Windows的內(nèi)核則要大得多。

(4)嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任

務(wù)的操作家統(tǒng)。

嵌入.系全的應(yīng)用程序可以沒有操作系統(tǒng)而直接在

芯片上運(yùn)行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，合理利用系

統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行

iilfiRTOS(Real-TimeOperatingSystem)并發(fā)平

臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)注、可靠性，并減少

開發(fā)時(shí)團(tuán)保障軟件質(zhì)量。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)82

(5)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式

系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片

機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。

(6)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)

境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力,

即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也不能對(duì)其中的程

序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境

才能進(jìn)行開發(fā)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)83

3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(1)

(1)工業(yè)控制

基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備具有很大的

發(fā)展空間，目前己經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式

微控制器應(yīng)用在工業(yè)過程控制、數(shù)控機(jī)床、電力系

統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)

域。

(2)交通管理

在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務(wù)

方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)

嵌GPS模塊、GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種

運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)84

3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(2)

(3)信息家電

這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、

空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一

個(gè)嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、

網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將

大有用武之地。

(4)家庭智能管理系統(tǒng)

水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、

防盜系統(tǒng)，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代

替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高、更準(zhǔn)確和更安全

的性能。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)85

3.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(3)

(5)POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)

公共交通非接觸式智能卡發(fā)行系統(tǒng)、公共

電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、各種智能ATM

終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就

可行遍天下。

(6)環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測、防洪體

系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全、地震監(jiān)測網(wǎng)、

實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)86

(7)機(jī)器人

嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化、

高智能方面優(yōu)勢更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低

機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲

得更廣泛的應(yīng)用。

除了以上這些應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)還有

其他方面的應(yīng)用?？梢哉f，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)

入到現(xiàn)代社會(huì)人們生活的方方面面，尤其在控

制方面的應(yīng)用。所以，開發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)

有著十分重要的意義。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)87

84.2嵌入式系統(tǒng)的硬件

?從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入

式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有

嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體

系結(jié)構(gòu)包括MCU,MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式

系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都開始大

規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器

也已經(jīng)成了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單

片機(jī)、DSP到FPGA,品種越來越多，速度越來越

快，性能越來越強(qiáng)，價(jià)格也越來越低。

?根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)88

1.嵌入式微控制器(Micro-ControllerUnit,MCU)

?嵌入式微控制器芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM,

RAM,總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、

串口、脈寬調(diào)制輸出、A/D,D/A,Flash,EEPROM

等各種必要功能接口和外設(shè)。與嵌入式微處理器相比,

微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而

使功耗利成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌

入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。

?由于MCU低廉的價(jià)格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品

種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,

MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,

C540,C541,并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及眾多

專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約

70%的市場份額。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)89

2.嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)

?DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有

很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、

FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的

應(yīng)用。

?DSP的理論算法在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是

由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成

電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯

片，其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和

編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)90

嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit,MPU)

?嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而

來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有

較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算

機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保

留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他

的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)

現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相

比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本

低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

?目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有

Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，

68000,MIPS,ARM/StrongARM系列等。其中

ARM/StrongARM是專為手停設(shè)備開發(fā)的嵌入式

微處理器，信于中檔價(jià)位。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)91

4.嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip,SoC)

?片上系統(tǒng)SOC是單一芯片上集成諸如MCU、RAM、

DMA、I/O等多個(gè)部件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的

熱門話題之一。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一

樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，只需要使用精確的硬

件描述語言，直接生成可以交付芯片生產(chǎn)廠家生產(chǎn)

的網(wǎng)表文件。

?由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所

知，現(xiàn)在許多專用芯片，如手持機(jī)、語音、加密等

芯片多為SOC芯片。比較典型的SOC產(chǎn)品是

Philips的SmartXAO

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)92

8.4.3嵌入式系統(tǒng)的軟件

?嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，它應(yīng)該是

一個(gè)硬件和軟件的統(tǒng)一體。而軟件在嵌

入式系統(tǒng)中將占有更為重要的位置。嵌

入式系統(tǒng)的軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)

用軟件兩個(gè)層次。當(dāng)應(yīng)用問題較為簡單

時(shí)，也許不必有很清晰的軟件分層。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)93

1.主要流行的嵌入式操作系統(tǒng)

?對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，它比通用計(jì)算機(jī)具有更簡單的結(jié)

構(gòu)。它很可能不配置CRT顯示器，不需要文件系統(tǒng),

由于內(nèi)存空間較小也沒有存儲(chǔ)器管理功能。同時(shí)，

嵌入式系統(tǒng)總是希望加載的操作系統(tǒng)軟件不能占據(jù)

過大的內(nèi)存空間，不能消耗過多的系統(tǒng)軟硬件資源。

?嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，除了對(duì)于縮減PC系統(tǒng)目前

仍采用DOS等PC上的流行操作航以外，基本上有兩

大趨勢：一類是面向高級(jí)單片的，另一類是針對(duì)8位、

16位單片機(jī)。以下是幾個(gè)目前流行的嵌入式操作系

統(tǒng)。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)94

(1)Linux

Linux已經(jīng)成為Windows系統(tǒng)問世以來最熱門的操作

系統(tǒng)之一。它的開放性使眾多的情開發(fā)者為它打造

了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，它也派生出眾多的類似

系統(tǒng)。

(2)gCLinux

"CLinux是一個(gè)縮減的Linux系統(tǒng)，特別適合于用在不

需要內(nèi)存管理的高級(jí)單片嵌入之系統(tǒng)上。類似于

"Clinux的Linux操作系統(tǒng)的縮演版本，現(xiàn)在越乘趣

多。相信經(jīng)過一段時(shí)廚的實(shí)踐檢驗(yàn)，會(huì)優(yōu)選出理想

的嵌入式Linux操作素統(tǒng)。

(3)eCOS

eCOS是一個(gè)代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的

系統(tǒng)功能和應(yīng)用支持，可以在許多高級(jí)單片上運(yùn)行。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)95

(4)WindowsCE

WindowsCE是Windows的嵌入式系統(tǒng)版本，

具有類似Windows風(fēng)格的用戶界面，可以與

Windows環(huán)境下的軟件很方便地接口。但是，它的

代碼是不開放的。

(5)VxWorks

VxWorks是一個(gè)功能完善的嵌入式操作系統(tǒng)，

但是它的代碼也是不開放的。

(6)RTX5I

RTX51是專門針對(duì)8051設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，代碼

緊湊、體積小巧。已經(jīng)在很多應(yīng)用中證明這是一個(gè)

成功的8位單片機(jī)的操作'羸褊技代碼完全開放。96

?(7)gC/OS

?"C/OS是一個(gè)特殊風(fēng)格的嵌入式操作系統(tǒng)，它有多

種版本，可以適應(yīng)從x86到8051的各種不同類型不同

規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，代碼開放。但是，它的一些改

進(jìn)版本，開始放棄代碼開放的原則。

?如果只是針對(duì)8051系列構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，顯然可

以選擇的合適的操作系統(tǒng)只有RTX51和詞/OS等少

數(shù)幾種。這幾種操作系統(tǒng)主要是由于受到8051本身

資源的限制，功能都相對(duì)較為簡單。但是，它們開

放的源代碼和較小的代碼量，也給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

者提供了徹底掌握這一操作系統(tǒng)的條件。

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2.嵌入式操作系統(tǒng)的功能

?在操作系統(tǒng)的支持下，應(yīng)用軟件可以通

過操作系統(tǒng)來與硬件打交道。這為嵌入

式系統(tǒng)脫離特定的硬件環(huán)境提供了條件,

也使得軟件的可靠性、安全性增加了。

利用操作系統(tǒng)軟件的特權(quán)性，可以保證

嵌入式系統(tǒng)始終工作在有效控制之下。

?操作系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方

面。

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(1)進(jìn)程管理

?進(jìn)程是一個(gè)運(yùn)行中的程序。在操作系統(tǒng)中，

進(jìn)程具有獨(dú)立性。多個(gè)進(jìn)程在操作系統(tǒng)的調(diào)

度下，分時(shí)、并發(fā)地運(yùn)行。這樣的結(jié)構(gòu)，使

得軟件的開發(fā)可以按相對(duì)簡捷的功能模塊分

別進(jìn)行；可以利用一種所謂的信號(hào)燈機(jī)制，

實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程之間的通信，分配進(jìn)程對(duì)各種

資源的占用；可以利用進(jìn)程調(diào)度，避免系統(tǒng)

陷入死循環(huán)或崩潰；可以將進(jìn)程設(shè)置為不同

的優(yōu)先級(jí)別，例如系統(tǒng)級(jí)或用戶級(jí)，來保證

系統(tǒng)的安全性。

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(2)內(nèi)存管理

?內(nèi)存管理是將計(jì)算機(jī)的內(nèi)存分成若干頁面,

對(duì)各個(gè)頁面賦予不同的特性和訪問邏輯地

址。利用內(nèi)存頁的不同特性，可以實(shí)現(xiàn)不

同的訪問特性。例如，可以為特殊的任務(wù)

分配特定的內(nèi)存頁，同時(shí)也避免了其他任

務(wù)侵入這一內(nèi)存頁。由于內(nèi)存訪問的實(shí)時(shí)

性，這種頁面的分配是由硬件實(shí)現(xiàn)的。一

般來說，是依賴于CPU的支持來實(shí)現(xiàn)的。

2012-10-27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)100

1T

品。Uclcttyo.Bcjofc..

(3)文件系統(tǒng)管理

?文件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)特殊組成

部分。文件系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)管理的大量數(shù)

據(jù)以特定的結(jié)構(gòu)保存在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這

個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是文件。文件系統(tǒng)

一般建立在外存儲(chǔ)器中，如磁盤、磁帶、

光盤等等，以滿足數(shù)據(jù)容量的要求。但

是，在特殊的情況下，文件系統(tǒng)也可以

建立在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

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(4)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

?在操作系統(tǒng)的管理下，應(yīng)用程序不必要

也不應(yīng)該與底層的各種設(shè)備直接打交道。

應(yīng)用程序可以經(jīng)過操作系統(tǒng)提供的設(shè)備

管理手段，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，來使用系

統(tǒng)的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般包括對(duì)設(shè)

備的初始化，檢查設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備

動(dòng)作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作等功能。

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(5)系統(tǒng)調(diào)用

?一個(gè)操作系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，往往通過一

系列應(yīng)用軟件可引用的程序模塊來實(shí)現(xiàn),

稱為系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)或應(yīng)用編程接口。這

些系統(tǒng)調(diào)用模塊經(jīng)過比較嚴(yán)格的測試和

實(shí)用考驗(yàn)，用它們作為整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的

基礎(chǔ)可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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8.4.4基