微型计算机控制系统设计ppt课件

1、第十四章第十四章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计设计原那么：设计原那么： 操作性好操作性好 实施性强实施性强 通用性好通用性好 经济效益高经济效益高 可靠性高可靠性高普通设计步骤：普通设计步骤： 系统总体控制方案设计系统总体控制方案设计 微型计算机选择微型计算机选择 控制算法设计控制算法设计 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计 系统联调系统联调第一节第一节 控制系统设计的普通步骤控制系统设计的普通步骤一、确定系统总体控制方案一、确定系统总体控制方案 构思系统的整体方案，应从以下几方面入手构思系统的整体方案，应从以下几方面入手 ： 思索系统构造思索系统构造 执行机构采用什么方案执行

2、机构采用什么方案 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。 确定计算机在整个控制系统中所起的作用确定计算机在整个控制系统中所起的作用 三、控制算法设计三、控制算法设计二、选择计算机二、选择计算机所选计算机应满足以下要求：所选计算机应满足以下要求： 完善的中断系统完善的中断系统 足够的存储容量足够的存储容量 完备的完备的I/O通道和实时时钟通道和实时时钟四、硬件设计四、硬件设计 义务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按义务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按照电气原理图选购元件和进展施工设计。照电气原理图选购元件和进展施工设计。

3、包括：包括： 接口电路和接口电路和I/O通道的扩展通道的扩展 组合逻辑或时序逻辑电路组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源供电电源 光电隔离光电隔离 电平转换电平转换 驱动放大电路等驱动放大电路等 接口设计接口设计 接口设计内容：接口设计内容： 扩展接口扩展接口 安排接口电路的安排接口电路的I/O信号及交换方式。信号及交换方式。常用的扩展方法：常用的扩展方法： 选用专门的功能接口板选用专门的功能接口板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 接口电路接口电路I/O信号的交换方式：信号的交换方式： 中断控制读取中断控制读取IO方式方式 直接存储器存取方式

4、直接存储器存取方式 通道设计通道设计系统系统I/O通道：通道： 数字量数字量I/O通道通道 开关量开关量I/O通道通道 模拟量模拟量I/O通道通道 脉冲量脉冲量I/O通道通道 在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。由几部分组成，各部分选用什么器件等。 操作员控制台设计操作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、形状缺点指包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、形状缺点指示灯等。示灯等。 可靠性设计可靠性设计 五、软件设计五、软件设计 软件软件 系统软件系统软件运用软件

5、运用软件组织运用软件的内容及步骤：组织运用软件的内容及步骤： 确定详细要求确定详细要求 软件规划软件规划 程序编制程序编制 软件调试软件调试 善后任务善后任务 确定详细要求确定详细要求 管理要求管理要求 输入输出要求输入输出要求 言语加工要求言语加工要求 功能处置要求功能处置要求 软件规划软件规划 方式选择方式选择 言语选择言语选择 汇编言语汇编言语 高级言语高级言语 确定数据构造确定数据构造 划分程序块划分程序块 确定程序编制顺序确定程序编制顺序 内存安排内存安排 用符号来替代某部分程序的首址。用符号来替代某部分程序的首址。 粗略估算各部分容量粗略估算各部分容量 根据详细情况对内存作准确安排

6、根据详细情况对内存作准确安排 程序编排和分配程序编排和分配 软件装配和总调软件装配和总调 软件设计的善后任务软件设计的善后任务 六、系统联调六、系统联调 硬件软件功能分配与协调硬件软件功能分配与协调大量运用硬件会添加本钱，影响系统可靠性；添加软件，系大量运用硬件会添加本钱，影响系统可靠性；添加软件，系统速度相应降低统速度相应降低 。第二节第二节 微型计算机控制系统的软件微型计算机控制系统的软件 一、软件的分类一、软件的分类软件软件 系统软件系统软件运用软件运用软件 操作系统操作系统言语加工系统言语加工系统诊断系统诊断系统 控制程序控制程序数据采集及处置程序数据采集及处置程序巡回检测程序巡回检测

7、程序数据管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序衔接、装配程序衔接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库 数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序AD转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处置程序线性化处置程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 二、运用程序的言语选择及设计步骤二、运用程序的言语选择及设计步骤 1、言语选择、言语选择 机器言语机器言语 汇编言语汇编言语 高级言语高级言语 2、运用程序的设计步骤和方法、运用程序的设计步骤和方法 运用程序设计的五个步骤：运用程序设计的五个步骤：

8、 问题定义问题定义 程序设计程序设计 编码编码 调试调试 改良和再设计改良和再设计程序设计通常采用模块程序设计法和构造程序设计法程序设计通常采用模块程序设计法和构造程序设计法构造化程序设计根本思想的三种根本构造表示：构造化程序设计根本思想的三种根本构造表示： 顺序构造顺序构造 选择构造选择构造 循环构造循环构造三、高级言语和汇编言语的混合编程三、高级言语和汇编言语的混合编程1、 混合言语编程的根本概念混合言语编程的根本概念 1程序接口程序接口在一种言语程序中调用由其他言语编写的程序模块。在一种言语程序中调用由其他言语编写的程序模块。 2命名商定命名商定为理处理不同言语对称号标识符的不同处置，对

9、目的文件名长为理处理不同言语对称号标识符的不同处置，对目的文件名长度的不同限制的商定。度的不同限制的商定。 3调用商定调用商定在两种程序文语中为实现彼此调用而建立的一种协定，它详细在两种程序文语中为实现彼此调用而建立的一种协定，它详细对应了一个函数、一个过程或者是一个子程序的调用过程。对应了一个函数、一个过程或者是一个子程序的调用过程。 4参数传送商定参数传送商定在定义或阐明时用方式参数，调用时那么交换成实践参数在定义或阐明时用方式参数，调用时那么交换成实践参数.参数传送方式：参数传送方式： 传值传值 传址传址 传名传名 传结果传结果 2、 C言语程序对汇编言语程序的调用言语程序对汇编言语程序

10、的调用 1C言语程序中的接口处置言语程序中的接口处置 命名商定命名商定 调用商定调用商定 参数传送商定参数传送商定 2 汇编言语中的接口处置汇编言语中的接口处置 在定义和编写汇编言语程序的被调用过程时，应以下划在定义和编写汇编言语程序的被调用过程时，应以下划线开头，并用线开头，并用PUBLIC阐明阐明. 假设假设C言语程序以巨型、大型、存储方式编译，被言语程序以巨型、大型、存储方式编译，被C言言语调用的汇编过程应阐明成语调用的汇编过程应阐明成fa；小型、紧凑型存储方式编译，；小型、紧凑型存储方式编译，被调用的汇编过程应阐明成被调用的汇编过程应阐明成NEAR。 思索调用商定思索调用商定 在被在被

11、C言语调用的汇编过程中用指令言语调用的汇编过程中用指令RET前往，而在前往，而在BASIC等其他言语中要求用指令等其他言语中要求用指令RETn前往。前往。 根据缺省默许，根据缺省默许，C言语的参数传送方式是传值，但数组总言语的参数传送方式是传值，但数组总是采用传址方式。是采用传址方式。3、汇编言语程序对、汇编言语程序对C言语程序的调用言语程序的调用 1命名商定命名商定 2调用商定调用商定 3参数传送的方式参数传送的方式4、微型计算机控制系统的研制工具、微型计算机控制系统的研制工具利用联机仿真器可以实现以下开发手段：利用联机仿真器可以实现以下开发手段： 1系统实时仿真系统实时仿真 2资源借调资源

12、借调 3控制系统综合设计和调试控制系统综合设计和调试三、常用运用程序设计三、常用运用程序设计1、 数字滤波器数字滤波器 算术平均值滤波算术平均值滤波NkkXNY11算术平均值滤波程序流程图算术平均值滤波程序流程图 中值滤波中值滤波中值滤波程序流程图中值滤波程序流程图 一阶滞后滤波一阶滞后滤波1)1 (kkkayxay一阶滞后滤波程序流程图一阶滞后滤波程序流程图 程序判别滤波程序判别滤波 限幅滤波限幅滤波限幅滤波程序流程图限幅滤波程序流程图 限速滤波限速滤波限速滤波程序流程图限速滤波程序流程图2、 线性化处置线性化处置 分段线性插值分段线性插值)(11iiiiiixxxxyyyy 3、数码显示两

13、位十进制数显示程序流程图4、越限报警处置程序、越限报警处置程序5、PID控制算法程序控制算法程序第五节第五节 炉温控制系统炉温控制系统电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。一、系统总体设计一、系统总体设计1、确定系统的控制义务、确定系统的控制义务控制对象：电阻炉。控制对象：电阻炉。设计要求：设计要求： 温度在温度在6001000范围内延续可控；范围内延续可控； 要求系统可以对温度巡回检测、显示和定时打印。要求系统可以对温度巡回检测、显示和定时打印。计算机控制系统应完成的主要义务有：计算机控制系统应完成的主要义务有： 温度的闭环直接数字控制。温度的闭环直接数字控

14、制。 温度的巡回检测、显示和定时打印。温度的巡回检测、显示和定时打印。系统组成：系统组成： 微型计算机微型计算机 输入通道输入通道 输出通道输出通道 2、输入输出通道及其接口设计、输入输出通道及其接口设计 1温度检测模拟输入通道设计温度检测模拟输入通道设计 特点：采用了由特点：采用了由VF变换器和定时计数器组成的变换器和定时计数器组成的AD转换器。转换器。 VF转换输入通道的构造通常为：转换输入通道的构造通常为： 传感器传感器信信 号号放大器放大器V/F光光 电电耦合器耦合器CPU小信号小信号VI010Vf设设VF变换器的额定输出频率为变换器的额定输出频率为F，计数器对输出脉冲的，计数器对输出

15、脉冲的计数时间为计数时间为Ts，AD转换结果的分辨率为转换结果的分辨率为i，那么有：，那么有： 取取Ts1s，那么在，那么在VF的输出频率范围的输出频率范围010kHz内，可内，可以得到以得到13位的位的AD转换结果。转换结果。sisFT2 2) 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计 晶闸管简介晶闸管简介晶闸管晶闸管(可控硅整流器可控硅整流器) 功率放大器件。功率放大器件。 IG iAiA + + VAKVAK - -R+ US_晶闸管的任务方式有：晶闸管的任务方式有： 调压方式调压方式 调功方式调功方式调压方式：是经过利用移相触发脉调压方式：是经过利用移相触发脉冲调理晶闸管的

16、导通角，使输入到冲调理晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改动，到达调理电加热元件的电压改动，到达调理用电器的输入功率，来实现控制目用电器的输入功率，来实现控制目的的 。导通角调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，那么负载上得到的过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，那么负载上得到的电压是一个正弦波。电压是一个正弦波。调功方式输入电炉的平均功率为：调功方式输入电炉的平均功率为： RUNnP2 P输入电炉的功率；输入电炉的功率；R负载有效电阻；负载有效电阻；U电网电压电网电压 ；n允许导通的波

17、头数；允许导通的波头数；N设定的波头数。设定的波头数。 当当 n0时，电炉的输入功率为零；时，电炉的输入功率为零； nN，电炉的输入功率为满功率。，电炉的输入功率为满功率。 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计过零检测同步脉冲电路过零检测同步脉冲电路 ：电网电压电网电压同步脉冲同步脉冲3) 拨码盘给定输入通道拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修正码盘值可作为控拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修正码盘值可作为控制系统的给定值。制系统的给定值。输入非数字信息时，需求事先将非数字信息转换为数字代码，输入非数字信息时，需求事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输

18、入。再由拨码盘输入。 4) 数码显示输出通道数码显示输出通道包括：包括： 数字量输出接口电路数字量输出接口电路 锁存译码驱动电路锁存译码驱动电路 七段数码管显示器七段数码管显示器炉温显示：一位显示温区代号，四位显示炉温显示：一位显示温区代号，四位显示4位温度值；位温度值； 网带速度显示：一位显示网带速度代号，四位显示网带速度。网带速度显示：一位显示网带速度代号，四位显示网带速度。 5) 打印机输出通道打印机输出通道 系统配置了通用打印机接口电路。系统配置了通用打印机接口电路。 打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。 二、微型计算机选择二、微型计

19、算机选择 控制系统选取采用控制系统选取采用STD总线规范的模块式工业控制计算机。总线规范的模块式工业控制计算机。本系统：本系统： 主机板采用主机板采用8031单片机多功能单片机多功能CPU模板。模板。 配置了显示及操作面板接口模板，配置了显示及操作面板接口模板， 打印机接口模板。打印机接口模板。 非通用数字触发控制模板非通用数字触发控制模板 反响通道的反响通道的VF变换及变换及AD转换模板，转换模板， 三、控制算法设计三、控制算法设计 整个系统属于多变量系统，其数学描画传送矩阵为：整个系统属于多变量系统，其数学描画传送矩阵为： )()()()()(6,61 ,66, 11 , 1sgsgsgs

20、gsG 6, 16, 11)()()(,jisTeKsUsysgjisjijijiji 其中：其中：离散后可近似为：离散后可近似为： )()1()(mkBUkAYkY 式中：式中：y(k) 66矩阵；矩阵；Uk 61矩阵；矩阵； A 66矩阵；矩阵； B 66矩阵。矩阵。 对于系统的每一个温区，其简化动态构造：对于系统的每一个温区，其简化动态构造： 广义传送函数为：广义传送函数为： sTKesesGDsTsi 11)( 广义脉冲传送函数为：广义脉冲传送函数为： 1/11)1(11)()( zeezKsTKesezsGzzGDDTTTTNDsTs 系统的闭环脉冲传送函数为：系统的闭环脉冲传送函数

21、为：1/1/1)1()( zezezCCTTNTT数字控制器的脉冲传送函数为：数字控制器的脉冲传送函数为： )1(1)1()1)(1()(1)()()(1/1/1/ NTTTTTTTTTTzezeeKezezzGzzDCCDCD进一步简化为：进一步简化为： 12111101)( NzbzbzaazDCDCDDCDCTTTTTTTTTTTTTTTTebeKeeaebeKea/2/)/()/(/1/1/01;)1(;)1(1 式中：式中： 差分化后得到控制器差分方程：差分化后得到控制器差分方程： )1()()1()1()(1021 kEakEaNkUbkUbkU四、硬件设计四、硬件设计硬件电路设计有：硬件电路设计有： 前级放大器及多路模拟转换开关。前级放大器及多路模拟转换开关。 AD转换模板。转换模板。 数字触发控制模板。数字触发控制模板。五、软件设计五、软件设计 系统控制程序的义务系统控制