微型计算机控制技术第1章

1、第一章第一章 微型计算机控制系统概述微型计算机控制系统概述1.1 1.1 微型计算机控制系统的组成微型计算机控制系统的组成1.2 1.2 微型机控制系统的分类微型机控制系统的分类1.3 1.3 微型计算机控制系统的发展微型计算机控制系统的发展 概况及趋势概况及趋势 微型计算机控制系统硬件由以下部分组成：微型计算机控制系统硬件由以下部分组成： 微型计算机微型计算机 接口电路接口电路 外部通用设备外部通用设备 和工业生产对象等组成和工业生产对象等组成1.1 微型计计算机控制系统统的组组成微机控制技术图图1.1 1.1 典型微机控制系统原理图典型微机控制系统原理图 图图1.1 1.1 典型微机控制系

2、统原理图典型微机控制系统原理图 1.1 微型计计算机控制系统统的组组成1.1.1 1.1.1 微型机控制系统的硬件结构微型机控制系统的硬件结构1.1.2 1.1.2 微型机控制系统的软件微型机控制系统的软件1.1.1 微型机控制系统统的硬件结构结构1 11 11 1 微型机控制系统硬件结构微型机控制系统硬件结构 一一. .主机主机( ( CPU CPU ) ) 指挥部指挥部 1 1向系统的各个部分发出命令；向系统的各个部分发出命令； 2 2对被测参数进行巡回检测、数据处理、对被测参数进行巡回检测、数据处理、 控制计算、逻辑判断控制计算、逻辑判断 及报警处理等。及报警处理等。 微机控制技术1.1

3、.1 微型机控制系统统的硬件结构结构二、二、 接口及接口及 I/O 通道通道 1. 1. 常用接口常用接口 (1)(1)并行接口并行接口 82558255、81558155 (2) (2)串行接口串行接口 82518251 (3) (3)直接存储器传送接口直接存储器传送接口 82378237 (4) (4)中断控制接口中断控制接口 82598259 (5) (5)定时器计数器接口定时器计数器接口 82538253 (6) (6)模拟量与数字量之间转换接口模拟量与数字量之间转换接口 DAC0832DAC0832， ADC0809 ADC0809 等。等。 微机控制技术1.1.1 微型机控制系统统

4、的硬件结构结构 2 2I/O I/O 通道通道 (1) (1) 模拟量输入通道模拟量输入通道 关键部件关键部件 A/DA/D（把模拟量变成数字量）（把模拟量变成数字量） (2) (2) 模拟量输出通道模拟量输出通道 关键部件关键部件 D/AD/A（把数字量变成模拟量）（把数字量变成模拟量） (3) (3) 数字量输入数字量输入/ /输出通道输出通道三三. . 通用外部设备，用以扩大主机的功能通用外部设备，用以扩大主机的功能 显示、打印、存储等显示、打印、存储等微机控制技术1.1.1 微型机控制系统统的硬件结构结构四检测元件及执行机构四检测元件及执行机构 1 1检测元件：检测元件： 把非电量变成

5、电量（传感器）。把非电量变成电量（传感器）。 如：热电偶、节流装置、压力变送器如：热电偶、节流装置、压力变送器 2 2变送器：变送器： 把传感器的输出信号变成把传感器的输出信号变成 CPU 所能接收的电压信号。所能接收的电压信号。 3 3执行机构：执行机构： 接收接收 CPU 输输出的控制量并加以动作，出的控制量并加以动作， 以对生产参数进行控制的机构。以对生产参数进行控制的机构。 如：阀、开关、电机等。如：阀、开关、电机等。微机控制技术1.1.1 微型机控制系统统的硬件结构结构五、操作台和实时时钟五、操作台和实时时钟 1 1操作台的组成操作台的组成 （1 1）作用开关：电源开关；数据、地址选

6、择开关；）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。操作方式选择开关，等。 （2 2）功能键：向）功能键：向 CPU 申请中断、复位键、启动键、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。打印键、显示键、连接、单步工作方式键等。 （3 3）显示：）显示：LED/CRT 显示器件显示器件 显示数据，图、表、流程图等。显示数据，图、表、流程图等。 （4 4）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。 2 2实时时钟实时时钟微机控制技术1.1.2 微型机控制系统统的软软件1 11 12 2 软件软件 完成各种功能的

7、计算机程序的总和。完成各种功能的计算机程序的总和。 系统软件：由厂家提供系统软件：由厂家提供 用以管理计算机本身的程序。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。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。面向用户的程序。 微机控制技术1.2 微型机控制系统统的分类类 根据被控对象的特点根据被控对象的特点 环境环境 要求要求, , 可采用不同类型的控制系统。可采用不同类型的控制系统。微机控制技术1.2 微型机控制系统统的分类类1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统（操作指导控制系统（OPSOPS）1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统（直接数字控制系

8、统（DDCDDC）1.2.3 1.2.3 计算机监督系统（计算机监督系统（SCCSCC）1.2.4 1.2.4 嵌入式系统（嵌入式系统（EMSEMS）1.2.5 1.2.5 物联网系统（物联网系统（ITSITS）1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS） 121 操作指导导系统统 图图1-2 1-2 操作指导控制系统操作指导控制系统 微机控制技术121 操作指导导系统统 1 1操作过程操作过程： （1 1）计算机只对系统过程参数进行收集、）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）。加工处理，而后输出（显示或打印）。 （提供准确的参照数据

9、）。（提供准确的参照数据）。 （2 2）现场人员参照显示的数据，）现场人员参照显示的数据， 根据经验对系统进行调节根据经验对系统进行调节微机控制技术121 操作指导导系统统2 2应用场合：应用场合： 尚未摸清控制规律的系统，尚未摸清控制规律的系统， （计算机系统的初级阶段）。（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。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。 3 3特点：特点： 简单、可靠简单、可靠 人工操作、慢人工操作、慢 不能同时控制几个回路。不能同时控制几个回路。 微机控制技术122 直接数数字控制系统统（DDC）图图1-3 DDC1-3 DDC控制系统原理图控制系统原理

10、图微机控制技术122 直接数数字控制系统统（DDC） 作法：作法： 计算机对多个参数进行巡回检测；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；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。根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。 特点：特点： 一台计算机可同时控制多回路；一台计算机可同时控制多回路； 可靠。可靠。 控制灵活：控制灵活： 每个参数的控制可各异；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；各参数在不同情况下可采用不同的控制规律； 应用广泛。应用广泛。微机控制技术使检测值使检测值给定值给定值 123 计计算机监监督系统统（S

11、CC）作法：作法： 系统中，给定值不是人为预先给定，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，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。计算出最佳给定值。 送给模拟调节器送给模拟调节器 或或 DDCDDC 单片机，单片机， 对生产过程进行控制。对生产过程进行控制。 微机控制技术SCC+DDC控制系统控制系统1 1作法：两级计算机控制系统：作法：两级计算机控制系统： （1 1）SCCSCC （2) DDC 2) DDC 与前者相比：控制由与前者相比：控制由 DDC DDC 机实现机实现 实时性好、灵活，实时性好、灵活， 一台单片机代替多台调节器，

12、可控制多个回路。一台单片机代替多台调节器，可控制多个回路。 （ 如图如图1-5 SCC + DDC 1-5 SCC + DDC 控制系统控制系统 ）2 2特点：更接近于生产的实际情况，增加了特点：更接近于生产的实际情况，增加了“冗余量冗余量”，更可靠。，更可靠。3 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。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 计计算机监监督系统统（SCC） 图图1-4 1-4 SCC + DDCSCC + DDC控制系统控制系统 微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统 一般指非一般指非 PC PC

13、系统，系统， 有计算机功能有计算机功能 但又不称之为计算机的但又不称之为计算机的 设备或器材。设备或器材。1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 包括硬件和软件两部分。包括硬件和软件两部分。 硬件部分硬件部分: : 处理器处理器/ /微处理器微处理器 存储器（存储器（ EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、 Flash Memory Flash Memory ） 外部设备外部设备 I/O I/O 接口接口 图形控制器等。图形控制器等。微机控制技术存储容量有限存储容量有限1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 软件部分：软件部分： 操作系统操作系统 ( ( 要求实时和多任务操作要求实时和多任务操作

14、 ) ) 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 应用程序。应用程序。 控制着系统的运作和行为；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，类似于嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PCPC中中 BIOSBIOS 的工作方式，是独立工作的的工作方式，是独立工作的“器件器件”。 具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，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。特别适合于要求实时和多任务的体系。微机控制技术 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点: :（1

15、 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）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。减少到最低限度。（2 2）具有很强的存储区保护功能。）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。护功能，同时也有利于软件诊断。（3 3）可扩展的

16、处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最）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。高性能的嵌入式微处理器。（4 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）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 甚至甚至 W 级。级。微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过10001000多种，多种， 流行体系结构有流行体系结构有 30 30 几个系列，几个系列

17、， 其中其中 8051 8051 体系的占有半数以上，体系的占有半数以上， 共共 350 350 多种衍生产品。多种衍生产品。 嵌入式处理器的寻址空间一般从嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 64kB 到到 16MB16MB， 处理速度从处理速度从 0.1 MIPS 0.1 MIPS 到到 2000 MIPS2000 MIPS 常用封装从常用封装从 8 8 个引脚到个引脚到 144 144 个个引脚。引脚。 嵌入式计算机可以分成下面几类嵌入式计算机可以分成下面几类XXXX。 微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统1. 1. 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 ( ( E Embedded

18、mbedded MMicroicrop processor rocessor U Unitnit）（1 1）与）与 CPU CPU 比：比： 在应用中，将在应用中，将 EMPU EMPU 装在专门设计的电路板上，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。大幅度减小系统体积和功耗。 为了满足嵌入式应用的特殊要求，为了满足嵌入式应用的特殊要求， EMPU EMPU 在功能上和标准微处理器基本一样，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、可靠性等方面有所但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等

19、方面有所增强。增强。微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 （2 2）和工业控制计算机相比：）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由于电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种、总线接口、各种外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。也较差。 嵌入式处理器主要有嵌入式处理器主要有 Am186/88、386EX、 SC-400、 Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。系列等。 在一块电路板上装有嵌入式微处理器、

20、存储器、总线、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。外设等构成单板计算机。 如如 STD-BUS、PC104、 等。等。 德国、日本的一些公司又开发出了类似德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒火柴盒”式式 名片大小的嵌入式计算机系列名片大小的嵌入式计算机系列 OEM 产品。产品。 我国也有此类产品。我国也有此类产品。微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统2 2、嵌入式微控制器、嵌入式微控制器 ( ( MMicroicroc controller ontroller U Unit )nit ) 嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器又称单片机。 为适

21、应不同的应用需求，一个系列的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内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。配置及封装。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特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、可靠点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。性高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。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 嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多：嵌入式微控制器目前的品种和数量

22、最多： 通用系列：通用系列： 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。等。 半通用系列：半通用系列： USB 接口：接口： MCU 8XC930/931、C540、C541； I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用及众多专用 MCU 和兼容系列。和兼容系列。目前目前 MCU 占嵌入式系统约占嵌入式系统约 70 的市场份额。的市场份额。 微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 AMD 公司，将公司，将 Am186CC/CH/CU 等嵌入式等嵌入式 处理器称之为处理器称之为 Microcont

23、roller 。 MOTOROLA 公司把以公司把以 Power PC 为基础的为基础的 PPC505 和和 PPC555 亦列入单片机行列。亦列入单片机行列。 TI 公司亦将其公司亦将其 TMS320C2XXX 系列系列 DSP 作为作为 MCU 进行推广进行推广。 微机控制技术1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统3 3、嵌入式、嵌入式 DSP 处理器处理器( ( Embedded Digital Signal Processor, EDSP ) ) （）处理器的特点（）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: : 使其适合于执行使其适合于执

24、行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也算法，编译效率较高，指令执行速度也 较高。较高。数字滤波、数字滤波、F F T、谱分析等方面、谱分析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入算法正在大量进入嵌入式领域。式领域。DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过功能，过渡到采用嵌入式渡到采用嵌入式 DSP 处理器。处理器。微机控制技术 （）嵌嵌入式入式 DSP 处理器构成处理器构成 DSP 处理器经过单片化、处理器经过单片化、EMC 改造、改造、 增加片上外设成为嵌入式增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器。处理器。 如：如：TI 的的 T

25、MS320C2000/C5000。 在通用单片机或在通用单片机或 SOC 中增加中增加 DSP 协处协处 理器。理器。 如：如：Intel 的的 MCS-296 Infineon ( Siemens ) 的的 TriCore。1.2.4 嵌入式系统统1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统（）推动嵌入式（）推动嵌入式 DSP 处理器发展的因素：处理器发展的因素： 嵌入式系统的智能化。嵌入式系统的智能化。 如：各种带有智能逻辑的消费类产品如：各种带有智能逻辑的消费类产品 生物信息识别终端生物信息识别终端 带有加解密算法的键盘带有加解密算法的键盘 ADSL 接入接入 实时语音压解系统实时语音压解系统 虚拟

26、现实显示等。虚拟现实显示等。 向量运算、向量运算、 指针线性寻址等指针线性寻址等微机控制技术DSP DSP 处理器的长处处理器的长处1.2.4 嵌入式系统嵌入式系统 4 4、嵌入式片上系统、嵌入式片上系统 ( ( S Systemystem O On n C Chip hip ) ) 随着随着 EDI 的推广和的推广和 VLSI 设计的普及化，及半设计的普及化，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各种通用处理

27、器内核作为 SOC 设计公司的标设计公司的标准库，成为准库，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用设计中一种标准的器件，用标准的标准的 VHDL 等语言描述，存储在器件库中。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。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 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上掌上 PDAPDA、移动计算设备移动计算设备、电视机顶盒电视机顶盒、手机上网手机上网、数字电、数字电视、多媒

28、体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。要灵活定制。微机控制技术1.2.4

29、 嵌入式系统嵌入式系统 本书后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽本书后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽然以然以 8051 8051 系列单片机为主进行讲述，系列单片机为主进行讲述， 所涉及的基本原理所涉及的基本原理 可适合任何一种嵌入式可适合任何一种嵌入式 CPUCPU。微机控制技术1.2.5 物联网联网系统统（ITS） 物联网系统（Internet of Things System，ITS） 第三次信息革命。 该系统通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现

30、智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。实际上它也是一种微型计算机控制系统，只不过更加庞大而已。1.2.5 物联网联网系统统（ITS）1.2.5 物联网联网系统统（ITS）1.2.5 物联网联网系统统（ITS）1.2.5 物联网联网系统统（ITS） 物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块以及网络通信模块组成。通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。1.2.5 物联网联网系统统（ITS） 物

31、联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。 12 现场总线现场总线控制系统统（FCS） 现场总线控制系统在现场总线控制系统在 20 20 世纪世纪 90 90 年代兴起，年代兴起， 将网络通信与管理的概念联系起来，将网络通信与管理的概念联系起来， 采用数字通信，采用数字通信， 改变了传统的信息传送方式。改变了传统的信息传送方式。 微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS）一、现场总线控制系

32、统是分布式控制系统的换代一、现场总线控制系统是分布式控制系统的换代 产品产品1 1系统全部采用数字信息传递系统全部采用数字信息传递 （传统的 DCS（分布式系统）中， 底层到控制站之间用 420mA 电流传送） 信息传递数字化后，在通信质量和连线方式信息传递数字化后，在通信质量和连线方式上有重大突破。上有重大突破。微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS） 2 2分散的系统结构分散的系统结构 （1 1）DCS DCS 中：中： 采用采用“操作站操作站- -控制站控制站- -现场仪表现场仪表”的三层主从结构的三层主从结构 （2 2）FCSFCS中：中： 把把 I/O I/O 单元、

33、控制站的功能分散到智能化现场仪表单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表 每个仪表都含有每个仪表都含有 CPUCPU 具有测量、校正、调节、诊断等功能；具有测量、校正、调节、诊断等功能； 靠网络协议将各节点联系起来统筹工作；靠网络协议将各节点联系起来统筹工作； 节点出问题只影响其本身，不影响全局。节点出问题只影响其本身，不影响全局。微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS）3 3方便的互操作性方便的互操作性 不同结构的不同结构的 FCS FCS 产品，可组成统一的系统。产品，可组成统一的系统。4 4开放的互联网络开放的互联网络 （1 1）FCS FCS 技术级标准均采用开放式政策，

34、面向技术级标准均采用开放式政策，面向 所有的产品制造商和用户。所有的产品制造商和用户。 （2 2）通信网络可以和其它系统网络、高速网络）通信网络可以和其它系统网络、高速网络 相连，即用户可共享网络资源相连，即用户可共享网络资源。微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS）5 5传输媒介和拓朴结构传输媒介和拓朴结构 FCS FCS 采用数字通信方式：采用数字通信方式： 改变了传统的信息交换方式、信号形式改变了传统的信息交换方式、信号形式 和系统结构。和系统结构。 改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。 改变了系统的设计及调试方法，开创了控

35、制领域改变了系统的设计及调试方法，开创了控制领域 的新纪元的新纪元。微机控制技术二二FCS控制结构控制结构微机控制技术图图1-8 1-8 现场总线控制系统结构现场总线控制系统结构126 现场总线现场总线控制系统统（FCS） 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表， 用于过程自动化构成用于过程自动化构成 FCS FCS 的基本设备如下：的基本设备如下： 变送器变送器 功能：检测、变换和补偿，功能：检测、变换和补偿， PID PID 控制和运算功能。控制和运算功能。 如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。 执

36、行器；执行器； 功能：信号驱动、执行功能功能：信号驱动、执行功能 阀门特性自校验和自诊断功能阀门特性自校验和自诊断功能 输出特性补偿（内含调节阀）功能输出特性补偿（内含调节阀）功能 PID PID 控制和运算等功能控制和运算等功能 分类：电动、气动两大类。分类：电动、气动两大类。微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS） 服务器和网桥服务器和网桥 服务器下接服务器下接 Hl Hl 和和 H2H2， 上接局域网上接局域网 LAN (Local area network)LAN (Local area network)； 网桥上接网桥上接 H2H2，下接，下接 HlHl。 辅助设备辅

37、助设备 H1/H1/气压、气压、HlHl电流、电流电流、电流HlHl转换器、安全栅、转换器、安全栅、 总线电源、便携式编程器等。总线电源、便携式编程器等。 监监控设备控设备 工程师站：供现场总线组态工程师站：供现场总线组态 操作员站：供工艺操作与监视操作员站：供工艺操作与监视 计算机站：用于优化控制和建模。计算机站：用于优化控制和建模。微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS） FCSFCS 的核心是现场总线（的核心是现场总线（5.45.4） 现场总线技术是现场总线技术是 9090年代兴起的一种先进的年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理工业控制技术，它将当今网

38、络通信与管理的观念引入工业控制领域。的观念引入工业控制领域。 微机控制技术126 现场总线现场总线控制系统统（FCS）现场总线控制系统现场总线控制系统 是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构 的通信网络。的通信网络。 是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者 的结合。的结合。 具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分 散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技

39、散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技 术特点。术特点。 126 现场总线现场总线控制系统统（FCS） 保证控制系统可以适应目前工业界对保证控制系统可以适应目前工业界对 数字通信和自动控制的需求，且使其数字通信和自动控制的需求，且使其 与与 InternetInternet网网 互连构成不同层次的互连构成不同层次的 复杂网络成为可能。复杂网络成为可能。 代表了工业控制体系结构发展的一种代表了工业控制体系结构发展的一种 方向。方向。13 单单片微型计计算机统统的发发展概况概况及趋势趋势1.3.1 1.3.1 单片微型计算机单片微型计算机1.3.2 1.3.2 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制

40、器1.3.3 FPGA1.3.3 FPGA系统系统1.3.4 1.3.4 工业工业PCPC1.3.5 1.3.5 微型计算机控制系统的发展趋势微型计算机控制系统的发展趋势131 单单片微型计计算机 单片微型计算机单片微型计算机 ( (Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer) )， 是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。 特点是设计者可根据实际需要进行单片机系统开特点是设计者可根据实际需要进行单片机系统开发、设计，因而更加方便、灵活，且成本低。发、设计，因而更加方便、灵活，且成本低。微机控制技

41、术131 单单片微型计计算机 与微型计算机相比，单片机具有以下特点：与微型计算机相比，单片机具有以下特点： 1 1集成度高，功能强集成度高，功能强 2 2结构合理结构合理 3 3抗干扰能力强抗干扰能力强 4 4指令丰富指令丰富 5. 5. 省电省电微机控制技术132 可编编程逻辑逻辑控制器1 13 32 2 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器可编程控制逻辑器可编程控制逻辑器 ( ( P Programmable rogrammable L Logical ogical C Controller )ontroller )，简称，简称 PLCPLC。 是继电器逻辑控制系统是继电器逻辑控制系统 与与

42、微型计算机技术相结合的产物。微型计算机技术相结合的产物。PLCPLC 采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为 存储器及存储器及I/OI/O接口。接口。其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美 的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力 得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、 机器人到工业局部网络无不有它的踪影。机器人

43、到工业局部网络无不有它的踪影。微机控制技术132 可编编程逻辑逻辑控制器一、一、PLC PLC 的功能的功能 (1) (1) 条件控制条件控制 (2) (2) 定时控制定时控制 (3) (3) 计数控制计数控制 (4) (4) 顺序控制顺序控制 (5) (5) 模数模数(A/D)(A/D)、数模、数模(D/A)(D/A)转换转换 (6) (6) 数据处理数据处理 (7) (7) 通讯与联网通讯与联网微机控制技术广泛应用在控制系统中广泛应用在控制系统中132 可编编程逻辑逻辑控制器2 2PLC PLC 的特点的特点 (1)(1)可靠性高可靠性高 (2)(2)编程容易编程容易 (3)(3)组合灵活

44、组合灵活 (4)(4)输入输出功能模块齐全输入输出功能模块齐全 (5)(5)安装方便安装方便 (6)(6)运行速度快运行速度快 微机控制技术单片机的发展与应用更增强了单片机的发展与应用更增强了 P PLC LC 的功能的功能132 可编编程逻辑逻辑控制器 3 3PLCPLC的分类的分类 根据根据 PLC PLC 的功能，可分为三类：的功能，可分为三类： (1 (1）低档）低档PLCPLC (2 (2）中档）中档PLCPLC (3 (3）高档）高档PLCPLC微机控制技术133 现场可编程门阵列（FPGA）现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）是美

45、国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的IO单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和IO资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。微机控制技术133 现场可编程门阵列（FPGA） 1FPGA的特点 （1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 （3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引

46、脚。 （4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 133 现场可编程门阵列（FPGA） 2片上可编程系统（SOPC） SOPC（System on a Progrmmable Chip，系统可编程芯片 设计人员开始利用现场可编程逻辑器件来进行系统级的片上设计。 133 现场可编程门阵列（FPGA） SOPC迅速发展的原因（1）密度在100万门以上的现场可编程逻辑芯片已经面市；（2）第4代现场可编程逻辑器件的开发工具已经成形 。（3）提高他们的设计效率并缩短上市时间；（4）封装体积减小，产品尺寸也减少了，性能 增强。133 现场可编程门阵列（FPGA） SOPC设计软件 3FPGA与单片机FPGA取代现有的全部微型机接口芯片，实现微型机系统中的存储器、地址译码等多种功能。利用FPGA可以把多个微型机系统的功能电路集成在一块芯片上。 图1.10 PC机、单片机和F