第一章微型计算机控制系统概述.ppt
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1、第一章 微型计算机控制系统概述,1.1 微型计算机控制系统的组成 1.2 微型机控制系统的分类 1.3 微型计算机控制系统的发展 概况及趋势,微型计算机控制系统硬件由以下部分组成: 微型计算机 接口电路 外部通用设备 和工业生产对象等组成,1.1 微型计算机控制系统的组成,微机控制技术,图1.1 典型微机控制系统原理图,图1.1 典型微机控制系统原理图,1.1 微型计算机控制系统的组成,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构 1.1.2 微型机控制系统的软件,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,111 微型机控制系统硬件结构 一.主机( CPU ) 指挥部 1向系统的各个部分发出命令; 2对被
2、测参数进行巡回检测、数据处理、 控制计算、逻辑判断 及报警处理等。,微机控制技术,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,二、 接口及 I/O 通道 1. 常用接口 (1)并行接口 8255、8155 (2)串行接口 8251 (3)直接存储器传送接口 8237 (4)中断控制接口 8259 (5)定时器计数器接口 8253 (6)模拟量与数字量之间转换接口 DAC0832, ADC0809 等。,微机控制技术,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,2I/O 通道 (1) 模拟量输入通道 关键部件 A/D(把模拟量变成数字量) (2) 模拟量输出通道 关键部件 D/A(把数字量变成模拟量) (3
3、) 数字量输入/输出通道 三. 通用外部设备,用以扩大主机的功能 显示、打印、存储等,微机控制技术,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,四检测元件及执行机构 1检测元件: 把非电量变成电量(传感器)。 如:热电偶、节流装置、压力变送器 2变送器: 把传感器的输出信号变成 CPU 所能接收的电压信号。 3执行机构: 接收 CPU 输出的控制量并加以动作, 以对生产参数进行控制的机构。 如:阀、开关、电机等。,微机控制技术,1.1.1 微型机控制系统的硬件结构,五、操作台和实时时钟 1操作台的组成 (1)作用开关:电源开关;数据、地址选择开关; 操作方式选择开关,等。 (2)功能键:向 CPU
4、申请中断、复位键、启动键、 打印键、显示键、连接、单步工作方式键等。 (3)显示:LED/CRT 显示器件 显示数据,图、表、流程图等。 (4)数字键:用以送入数据或修改控制系统参数。 2实时时钟,微机控制技术,1.1.2 微型机控制系统的软件,112 软件 完成各种功能的计算机程序的总和。 系统软件:由厂家提供 用以管理计算机本身的程序。 应用软件:由用户根据控制系统的需要设计。 面向用户的程序。,微机控制技术,1.2 微型机控制系统的分类,根据被控对象的特点 环境 要求, 可采用不同类型的控制系统。,微机控制技术,1.2 微型机控制系统的分类,1.2.1 操作指导控制系统(OPS) 1.2
5、.2 直接数字控制系统(DDC) 1.2.3 计算机监督系统(SCC) 1.2.4 嵌入式系统(EMS) 1.2.5 物联网系统(ITS) 1.2.6 现场总线控制系统(FCS),121 操作指导系统,图1-2 操作指导控制系统,微机控制技术,121 操作指导系统,1操作过程: (1)计算机只对系统过程参数进行收集、 加工处理,而后输出(显示或打印)。 (提供准确的参照数据)。 (2)现场人员参照显示的数据, 根据经验对系统进行调节,微机控制技术,121 操作指导系统,2应用场合: 尚未摸清控制规律的系统, (计算机系统的初级阶段)。 用来摸索新系统的数学模型和控制规律。 3特点: 简单、可靠
6、 人工操作、慢 不能同时控制几个回路。,微机控制技术,122 直接数字控制系统(DDC),图1-3 DDC控制系统原理图,微机控制技术,122 直接数字控制系统(DDC), 作法: 计算机对多个参数进行巡回检测; 将检测值与给定值加以比较; 根据偏差,按适当的控制规律对系统进行控制。 特点: 一台计算机可同时控制多回路; 可靠。 控制灵活: 每个参数的控制可各异; 各参数在不同情况下可采用不同的控制规律; 应用广泛。,微机控制技术,使检测值给定值,123 计算机监督系统(SCC),作法: 系统中,给定值不是人为预先给定, 而是由计算机按照描述生产过程的数学模型, 计算出最佳给定值。 送给模拟调
7、节器 或 DDC 单片机, 对生产过程进行控制。,微机控制技术,SCC+DDC控制系统,1作法:两级计算机控制系统: (1)SCC (2) DDC 与前者相比:控制由 DDC 机实现 实时性好、灵活, 一台单片机代替多台调节器,可控制多个回路。 ( 如图1-5 SCC + DDC 控制系统 ) 2特点:更接近于生产的实际情况,增加了“冗余量”,更可靠。 3应用范围:因为数学模型难以建立,所以此法用起来有困难。,微机控制技术,123 计算机监督系统(SCC),图1-4 SCC + DDC 控制系统,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,嵌入式系统 一般指非 PC 系统, 有计算机功能 但又不称之
8、为计算机的 设备或器材。,1.2.4 嵌入式系统,包括硬件和软件两部分。 硬件部分: 处理器/微处理器 存储器( EPROM、EEPROM、 Flash Memory ) 外部设备 I/O 接口 图形控制器等。,微机控制技术,存储容量有限,1.2.4 嵌入式系统, 软件部分: 操作系统 ( 要求实时和多任务操作 ) 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 应用程序。 控制着系统的运作和行为; 嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体,类似于PC中 BIOS 的工作方式,是独立工作的“器件”。 具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点,特别适合于要求实时和多任务的体系。,微机控制技术,嵌入式系统
9、的核心是嵌入式微处理器特点: (1)对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较 短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间 减少到最低限度。 (2)具有很强的存储区保护功能。 由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件 模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保 护功能,同时也有利于软件诊断。 (3)可扩展的处理器结构,以能最迅速地开发出满足应用的最 高性能的嵌入式微处理器。 (4)功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设 备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有 mW 甚至 W 级。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,据不完全统计:
10、嵌入式处理器的品种已超过1000多种, 流行体系结构有 30 几个系列, 其中 8051 体系的占有半数以上, 共 350 多种衍生产品。 嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB, 处理速度从 0.1 MIPS 到 2000 MIPS 常用封装从 8 个引脚到 144 个引脚。 嵌入式计算机可以分成下面几类XX。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,1. 嵌入式微处理器 ( Embedded Microprocessor Unit) (1)与 CPU 比: 在应用中,将 EMPU 装在专门设计的电路板上, 只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 为
11、了满足嵌入式应用的特殊要求, EMPU 在功能上和标准微处理器基本一样, 但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,(2)和工业控制计算机相比: 嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低、可靠性高 由于电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,所以降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。 嵌入式处理器主要有 Am186/88、386EX、 SC-400、 Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。 在一块电路板上装有嵌入式微处理器、存储器、总线、外设等构成单板计算机。 如 STD-BUS、PC104、 等。 德国、日本的一些
12、公司又开发出了类似“火柴盒”式 名片大小的嵌入式计算机系列 OEM 产品。 我国也有此类产品。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,2、嵌入式微控制器 ( Microcontroller Unit ) 嵌入式微控制器又称单片机。 为适应不同的应用需求,一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。 和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积小,功耗和成本低、可靠性高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,嵌入式微控制器目前的品种和数量最多: 通用系列: 8051、P51XA、MCS-
13、251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 半通用系列: USB 接口: MCU 8XC930/931、C540、C541; I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 占嵌入式系统约 70 的市场份额。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,AMD 公司,将 Am186CC/CH/CU 等嵌入式 处理器称之为 Microcontroller 。 MOTOROLA 公司把以 Power PC 为基础的 PPC505 和 PPC555 亦列入单片机行列。 TI 公司亦将其 TMS320C2XXX 系
14、列 DSP 作为 MCU 进行推广。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,3、嵌入式 DSP 处理器 ( Embedded Digital Signal Processor, EDSP ) ()处理器的特点 DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计: 使其适合于执行 DSP 算法,编译效率较高,指令执行速度也 较高。 数字滤波、F F T、谱分析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入式领域。 DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能,过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。,微机控制技术,()嵌入式 DSP 处理器构成 DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、 增加片上外设成为
15、嵌入式 DSP 处理器。 如:TI 的 TMS320C2000/C5000。 在通用单片机或 SOC 中增加 DSP 协处 理器。 如:Intel 的 MCS-296 Infineon ( Siemens ) 的 TriCore。,1.2.4 嵌入式系统,1.2.4 嵌入式系统,()推动嵌入式 DSP 处理器发展的因素: 嵌入式系统的智能化。 如:各种带有智能逻辑的消费类产品 生物信息识别终端 带有加解密算法的键盘 ADSL 接入 实时语音压解系统 虚拟现实显示等。 向量运算、 指针线性寻址等,微机控制技术,DSP 处理器的长处,1.2.4 嵌入式系统,4、嵌入式片上系统 ( System O
16、n Chip ) 随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及化,及半导体工艺的迅速发展,在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临,这就是 System On Chip ( SOC )。 各种通用处理器内核作为 SOC 设计公司的标准库,成为 VLSI 设计中一种标准的器件,用标准的 VHDL 等语言描述,存储在器件库中。 用户只需定义出其整个应用系统,仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。,微机控制技术,1.2.4 嵌入式系统,嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备,如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电
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