1、1,第九章 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 本章主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求、特點(diǎn)，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟,2,9.1 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求和特點(diǎn) 一、基本要求 1系統(tǒng)操作性能要好 操作性能的好壞包括兩個(gè)含義：使用是否靈活、方便；維修是否容易。 2通用性好、便于擴(kuò)充 要使控制系統(tǒng)達(dá)到這樣的要求，設(shè)計(jì)時(shí)必須使系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，并盡可能采用通用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線(如S100、STD等)以便在需要擴(kuò)充時(shí)，只要增加插件板就能實(shí)現(xiàn)。接口部件最好采用通用的LSI接口芯片，在速度允許的情況下，盡可能把接口硬件部分的操作功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，各設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)留有一定的余量，這樣也能便

2、于系統(tǒng)的擴(kuò)充，如CPU的工作速度、電源功率、內(nèi)存容量、輸入輸出通道等指標(biāo)。,3,3.可靠性要高 為提高微機(jī)控刖系統(tǒng)的可靠性，目前常用如下一些方法： (1)采用雙機(jī)系統(tǒng)。用兩臺(tái)微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心控制器從而提高丁系統(tǒng)的可靠性。雙機(jī)控制系統(tǒng)中，兩臺(tái)微型機(jī)的工作方式一般有如下三種： 備份工作方式。一臺(tái)微機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行。另一臺(tái)雖然也處于運(yùn)行狀態(tài)，但脫離控制系統(tǒng)，而只作為系統(tǒng)的備用機(jī)。 主從工作方式。兩臺(tái)微機(jī)同時(shí)投入系統(tǒng)運(yùn)行，在正常情況下，分別執(zhí)行不同的任務(wù)，其中一臺(tái)承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的主要控制任務(wù)(稱其為主機(jī))，另一臺(tái)則執(zhí)行一般的數(shù)據(jù)處理或部分設(shè)備的控制任務(wù)(稱其為從屬機(jī))。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，它就自動(dòng)脫離

3、系統(tǒng)，而讓從屬機(jī)承擔(dān)起系統(tǒng)所有的控制任務(wù)，以保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。,4,雙工工作方式。在這種工作方式中，兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)投入系統(tǒng)運(yùn)行，在任何一個(gè)時(shí)刻都同步執(zhí)行同一個(gè)任務(wù)，并把結(jié)果送到一個(gè)專門的裝置進(jìn)行核對(duì)，如果兩臺(tái)微機(jī)輸出結(jié)果相符合，說明兩臺(tái)都處于正常狀態(tài)，則可以把核對(duì)后的結(jié)果輸出到被控對(duì)象或設(shè)備。如果核對(duì)不符合，說明一臺(tái)機(jī)器工作出錯(cuò)，這時(shí)就封鎖輸出，同時(shí)通知兩臺(tái)主機(jī)對(duì)前一步進(jìn)行重復(fù)處理，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行再核對(duì)，以排除隨機(jī)故障。 (2)采用集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)是分級(jí)分布式控制方案，它是用多臺(tái)以微處理器為核心的基本控制器分別控制各個(gè)被控對(duì)象，而上一級(jí)計(jì)算機(jī)則進(jìn)行監(jiān)督和管理。 4.設(shè)計(jì)周期要短、

4、價(jià)格要便宜 在滿足精度、速度和其它性能要求的前提下，應(yīng)縮短設(shè)計(jì)周期和盡可能采用價(jià)格低的元器件，以降低整個(gè)控制系統(tǒng)的費(fèi)用。,5,上述幾點(diǎn)是設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮的基本要求，其它如精度、速度，體積、重量及監(jiān)視手段等，對(duì)不同的系統(tǒng)均有特定的要求，也必須足夠重視。 二、設(shè)計(jì)特點(diǎn) 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有如下明顯特點(diǎn)： 1. 由于系統(tǒng)中使用的大部分都是可編程LSI組件，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越簡(jiǎn)化，通用性也愈來愈強(qiáng)。 2. 從研制手段和調(diào)試工具來說，因?yàn)橄到y(tǒng)存儲(chǔ)窖量有限，軟、硬件設(shè)計(jì)也不可能一次成功，所以一般要求微機(jī)或單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)MDS(Microcomputer Development System)作為

5、支援，以加快微機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程。,6,9.2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然隨控制對(duì)象、設(shè)備種類、控制方式、規(guī)模大小等而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要步驟是大體相同的，具體如下： 一、確定控制任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)控制對(duì)象的工作過程進(jìn)行深入的調(diào)查、分析，熟悉其工藝流程，才能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的問題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。然后用時(shí)序圖和控制流程圖來描述控制過程和控制任務(wù)，寫成設(shè)計(jì)任務(wù)說明書，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。 二、選擇微處理器和外圍設(shè)備 微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的選擇將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響，一般應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮是否符

6、合控制系統(tǒng)的要求。,7,1.字長(zhǎng) 在過程控制領(lǐng)域中。一般選擇8位或16位字長(zhǎng)的微處理器，就能達(dá)到一般的控制要求。 2.尋址范圍和尋址方式 微處理器地址碼長(zhǎng)度反映了它可尋址的范圍。尋址范圍表示了系統(tǒng)中可存放的程序和數(shù)據(jù)量，用戶應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇在尋址范圍之內(nèi)的合理的內(nèi)存容量。 微處理器的尋址方式一般有直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對(duì)尋址等，選擇恰當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞?，?huì)使程序長(zhǎng)度大大減少。 3指令種類和數(shù)量 一般來說，某種微處理器的指令條數(shù)越多，針對(duì)特定操作的指令也必然增多，這可使處理速度加快，編程靈活方便，程序長(zhǎng)度減少。,8,4內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量 微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是關(guān)系到系統(tǒng)性能的

7、重要方面。常見的8位微處理器，一般都包含有通用寄存器組、程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、累加器、程序狀態(tài)字寄存器等。它們的種類和數(shù)量越多，訪問存儲(chǔ)器的次數(shù)就越少，從而加快了執(zhí)行速度。 5. 微處理器的速度 微處理器的速度，應(yīng)該與被控制對(duì)象的要求相適應(yīng)，過高要求會(huì)給系統(tǒng)的安裝、調(diào)試帶來不必要的麻煩。 6. 中斷處理能力 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，中斷處理往往是主要的一種輸入輸出方式。微處理器中斷功能的強(qiáng)弱，往往涉及到整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的能力以及硬件和應(yīng)用程序的布局。 除上述六個(gè)方面以外，微處理器的LSI外圍電路的配套，器件的來源、軟件的支持等也是設(shè)計(jì)人員必須考慮的因素。工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)常規(guī)的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備一般要求

8、不高。在多數(shù)情況下，有一臺(tái)電傳機(jī)(或打印機(jī))和一臺(tái)監(jiān)視器即可。,9,三、確定控制算法 在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，最常用的是數(shù)字PID控制算法及其改進(jìn)形式，此外還有離散域內(nèi)數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法、模糊控制算法等。系統(tǒng)所用的算法，要根據(jù)控制對(duì)象的不同特性和要求恰當(dāng)?shù)剡x擇。 四、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 一般需要考慮以下幾個(gè)方面。 1估計(jì)內(nèi)存容量，進(jìn)行內(nèi)存分配 內(nèi)存儲(chǔ)器所需容量主要根據(jù)控制程序的大小、所采集和處理的數(shù)據(jù)量以及堆棧的大小來估計(jì)，同時(shí)還應(yīng)考慮內(nèi)存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充是否方便和是否需要外存儲(chǔ)器等。 2過程通道和中斷處理方式的確定 通常應(yīng)根據(jù)控制對(duì)象所要求的輸入輸出參數(shù)的性質(zhì)和個(gè)數(shù)，來確定系統(tǒng)輸入輸出通道。

9、在估算和選擇通道時(shí)，應(yīng)著重考慮如下幾點(diǎn)：,10,(1) 數(shù)據(jù)采集和傳輸所需的輸入輸出通道數(shù)； (2) 是否所有的輸入輸出通道都使用同樣的數(shù)據(jù)傳輸率，它們是否都處理相等的數(shù)據(jù)流量； (3) 輸入輸出通道是串行操作還是并行操作； (4) 輸入輸出通道是隨機(jī)選擇，還是按某種預(yù)定的順序工作； (5)模擬量輸入輸出通道中，字長(zhǎng)應(yīng)選擇多少位。 中斷方式和優(yōu)先級(jí)別應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的要求和微處理器為其服務(wù)的頻繁程度來確定。 3系統(tǒng)總線的選擇 系統(tǒng)總線的選擇對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)的通用性很有意義。非標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)總線會(huì)給使用和維護(hù)帶來不便，對(duì)系統(tǒng)的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化也非常不利。 經(jīng)過對(duì)上述各項(xiàng)認(rèn)真處理后，就可以畫出整個(gè)系統(tǒng)概略的

10、框圖。,11,五、硬件和軟件的具體設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)一個(gè)新的微機(jī)控制系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)，必須在硬件和軟件之間相互權(quán)衡。一般的原則是：要看所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的生產(chǎn)量，若生產(chǎn)量太，則硬件器件應(yīng)盡量減少，多用軟件來完成相應(yīng)功能。硬件和軟件設(shè)計(jì)過程必須同時(shí)進(jìn)行，兩者相輔相成。微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟流程圖如圖所示。,12,9.3 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的重要問題 一、系統(tǒng)的選擇和配置 微機(jī)控制系統(tǒng)可供選擇的配置方案有如下幾種： 1. 購(gòu)買現(xiàn)成的微機(jī)系統(tǒng) 2用現(xiàn)成的單板微機(jī)進(jìn)行擴(kuò)充 3采用標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)成系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn)模塊是具有一定功能、尺寸大小相同的印刷電路板(如STD總線模塊)。這種模塊采用相同的系統(tǒng)總線連接起來，可構(gòu)成不

11、同要求和不同配置的系統(tǒng)。采用這種方法構(gòu)成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是： 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)熟練程度要求較低； 構(gòu)成系統(tǒng)靈活，配置比較合理； 檢測(cè)、調(diào)試、開發(fā)比較容易； 故障查找和排除比較方便；,13, 可以共享大量硬件、軟件，有利于縮短研制周期； 可先用通用模板組成標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，再擴(kuò)充專用模板，使通用性和專用性獲得較合理的統(tǒng)一； 便于擴(kuò)充。 功能模塊的劃分，一般應(yīng)遵循這樣一些原則： (1) 功能模塊系列中有一塊或幾塊基本模板，板上除CPLI外。還應(yīng)包括ROM、RAM、I/O通道、定時(shí)器以及通信接口等。這樣，就可使這一基本模板成為一臺(tái)完整的微機(jī)，即基板計(jì)算機(jī)； (2) 基板應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)其它功能板的能力； (3) 各

12、模板與公共總線之間應(yīng)有隔離措施； (4)各擴(kuò)展模板的功能應(yīng)力求單一，以求靈活。一般來說還應(yīng)有擴(kuò)展功能模板：如存儲(chǔ)器板、并行I/O通道板、DMA控制板、模擬I/O通道板、通信控制板和高速運(yùn)算板等。 4用芯片從頭開始設(shè)計(jì)并構(gòu)成系統(tǒng) 這是一種用微處理器或單片機(jī)、EPROM、RAM和各種接口器件自己動(dòng)手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法。,14,二、總線負(fù)載的考慮 （一）單向總線的負(fù)載 所謂單向總線，是指信息的傳輸只有一個(gè)方向的總線，如地址總線和大部分控制總線都屬單向總線。 一個(gè)MOS器件一般只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)74XXX的TTL系列器件或4個(gè)低功耗肖特基TTL器件74LSXXX，但是它可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)左右的MOS器件。而

13、一個(gè)TTL器件能驅(qū)動(dòng)10個(gè)左右的TTL器件，或者能驅(qū)動(dòng)10個(gè)以上的MOS器件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果全部采用MOS器件，并且接在總線上的輸入端數(shù)小于10，或者雖然采用少量的TTL器件，但負(fù)載數(shù)目仍然在允許范圍之內(nèi)，這時(shí)可以不加緩沖器，這樣既降低了系統(tǒng)成本，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 如果總線上的負(fù)載超過允許范圍，則為了保證系統(tǒng)能可靠工作，必須加緩沖驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于單向傳送的總線，負(fù)載問題比較簡(jiǎn)單，只要把掛在總線上的所有負(fù)載(不管是MOS器件還是TTL器件)的輸入電流按IIH和IIL分別累加起來，然后與IOH和IOL分別比較，若兩個(gè)參數(shù)中有一個(gè)超過允許值，就說明已超載，必須加總線驅(qū)動(dòng)器。隨著驅(qū)動(dòng)器的增加，當(dāng)用一級(jí)

14、驅(qū)動(dòng)器不能滿足要求時(shí)，可以用兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器。,15,（二）雙向總線的負(fù)載 所謂雙向總線，是指信息在總線上傳送的方向有兩個(gè)，如微機(jī)的數(shù)據(jù)總線其信息傳送方向可能從CPU到存儲(chǔ)器或外圍接口，也可能從存儲(chǔ)器或外部接口傳送到CPU。 雙向總線的負(fù)載問題可用如下辦法加以解決： 在系統(tǒng)較小的情況下，外圍器件盡量采用MOS器件，這樣可以減少負(fù)載，省去驅(qū)動(dòng)器；對(duì)于較大的系統(tǒng)，當(dāng)需要MOS和TTL器件混用時(shí)，最好把雙向總線分為兩類，所有的MOS器件接在一類總線上，所有TTL器件接在另一類總線上。為了連接這兩類總線，接在MOS器件的總線允許接一個(gè)74LS245雙向驅(qū)動(dòng)器，用它和TTL總線相連。 一般地說，ROM和RAM

15、存儲(chǔ)器都是MOS器件，當(dāng)用TTL器件作為輸入或輸出接口時(shí)，可對(duì)輸入接口和輸出接口分別進(jìn)行考慮。輸入接口器件只提供數(shù)據(jù)(作為源器件)，可把它們接在MOS器件總線上；輸出接口器件(負(fù)載器件)，可作為單向總線考慮。因此只要在MOS總線上加一個(gè)74LSXXX緩沖器，通過它驅(qū)動(dòng)各輸出接口即可，也可以用74LS04(六反相器)作為緩沖器，此時(shí)成本可大大降低。,16,三、屏蔽與接地 l.接地 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算站場(chǎng)地技術(shù)要求(GB288782)，地可分為以下四種： (1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的直流地 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有邏輯電路的共同參考點(diǎn)。直流地有兩個(gè)作用：其一是消除各路電流在一公共地線上所產(chǎn)生的噪聲；其二是避免形成

16、磁場(chǎng)和地電位差的回路，以免產(chǎn)生噪聲耦合。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直流地的接地方法一般有兩種： 其一是直流地懸浮，也就是直流地與大地嚴(yán)格絕緣(地電阻一般在l M 以上)，這樣既能防止交流電網(wǎng)的各種干擾引入數(shù)字電路，又能防止電器設(shè)備漏電引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而發(fā)生燒毀事件； 其二是真流地接大地，但要求兩地相接電阻不得大于4 ，以消除外殼上大量靜電荷沉積。對(duì)于較小的工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，直流地懸浮為好。 微機(jī)系統(tǒng)中的直流地又分為信號(hào)地和電源地。理論上二者等電位，最終也要接在一起。但實(shí)際上有所不同。,17,(2) 交流工作地 就是把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有交流電設(shè)備作二次接地，以確保人身和設(shè)備的安全， (3) 安全保護(hù)地，即把與電器

17、設(shè)備帶電部分的絕緣金屬外殼接地，以防觸電。 (4) 防雷保護(hù)地。 2屏蔽 屏蔽是最常用的抗干擾方法。屏蔽雖可消除外部噪聲，但使用不當(dāng)則會(huì)引起不良影響，下面是屏蔽應(yīng)遵守的兩條原則： 原則一：為了減少或消除由于屏蔽所引起的反饋，電子線路的屏蔽罩必須連接到該線路的信號(hào)地。 原則二：屏蔽應(yīng)當(dāng)在輸入信號(hào)零電壓基準(zhǔn)點(diǎn)接地。,18,四、容錯(cuò)設(shè)計(jì) 硬件故障的自診斷技術(shù)包括：CPU診斷，ROM診斷；RAM診斷；A/D通道的診斷與校正；D/A通道的診斷；數(shù)字I/O通道的診斷等。 軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)包括： 1. 人機(jī)界面的容錯(cuò)設(shè)計(jì) 包括輸入提示功能的設(shè)計(jì)，參數(shù)輸入的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，命令的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，輸入界面的安全性設(shè)計(jì)，輸出界面的安全性設(shè)計(jì)等。 2.一