计算机控制技术与网络2010

1、计算机控制技术与网络 南大电子科学与工程系 张保平课程主要内容1.计算机控制系统计算机控制系统2.多机通信与网络多机通信与网络参考教材1、微型计算机控制技术 于海生等编 清华大学出版社2、单片机原理及接口技术 李朝青 北京航空航天大学出版社3、计算机网路 刘衍洐等编 科学出版社概述计算机控制系统广泛用于工业生产和科学研究中，一般称为工控机系统。也称为工业计算机测控系统。目前大体上有4种基本类型:1.智能调节器智能调节器(单单/多回路调节器）多回路调节器）2.工控机工控机(工业工业PC、IPC、微机、单片机、微机、单片机)3.可编程控制器可编程控制器(PLC)4.集散型控制系统集散型控制系统(D

2、CS) 工业控制微机IPC应用最为广泛 从国内外的计算机测控系统应用来看,在不同的发展阶段, 曾经流行过不同种类的工控机, 如在上世纪80-90年代，流行的STD、680X、CAMAC和VME等。 2000年，由IPC构成的计算机测控系统，市场份额超过80亿美元。 与PC兼容，受益与PC丰富的软硬件和人才资源计算机控制系统 IPC相关技术 硬件部分 总线规范 如ISA、EISA、PCI 接口技术 如 RS-232、485、422、USB、现场总线 信号形式 如开关量、数字量、模拟量、频率 系统设计 硬件模块设计 传感器、I/O技术 抗干扰技术 可靠性技术计算机控制系统 IPC相关技术 软件部分

3、 测量算法 控制规律 控制算法 工控机软件结构 人机界面 组态软件设计平台 通信协议 软件可靠性方法多机通信与网络多机通信与网络 多机通信的基础知识与基本概念 共享存储区通信技术 PIO通信法 SIO通信法 OEM 通信技术 普通局网与工业控制局网 集散控制系统通信技术 第一章计算机控制系统概论1.1计算机控制系统的基本原理和特点 1.1.1基本原理基本原理 实现过程控制的三个主要步骤实现过程控制的三个主要步骤 实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出1.1.2控制系统的主要特点 1.可靠性高和可维护性好 2.环境适应性强 3.控制的实时性 4.完善的输入输出通道 5.丰富的软件资源 6.适当

4、的计算精度和运算速度 1.2、控制系统的组成原理控制器D/AA/D执行机构被控对象测量变送给定量 re被控量 y工控机生产过程1.2控制系统的组成框图人-机接口模拟量输入（AI）通道磁盘适配器系统支持板模拟量输出（AO）通道数字量输入（DI）通道数字量输出（DO）通道测量变送执行机构电气开关电气开关CPU/MEM内部总线被控对象工控系统生产过程数字量输入通道1、通道结构输入缓冲器输入调理电路 地址译码器来自生产过程PC总线输入调理电路1、小功率调理电路2、大功率调理电路+5VKCR1R21.3、控制系统工作方式 （1）周期性 （2）在线和离线方式 （3）实时的概念在线系统不一定是一个实时系统，

5、但一个实时系统必定是在线系统1.4控制系统分类工业控制系统的五种基本类型: 1.数据采集系统DAS 2.直接数字控制系统DDC 3.计算机监督控制系统SCC 4.分级控制系统GCS 5.分布式控制系统DCS 6.现场总线控制系统FCS1.DAS Data Acquisition System报表显示报警 计 算 机 A/D测量测量 监 测 对 象 人工控制 或控制装置2.DDC Direct Digital Control打印机CRT操作台 控制计算机A/D测量执行器 控 制 对 象 DI DO D/A报警3.SCC Supervisory Computer Control生产过程 模拟调节器

6、 SSC计算机记录 显示 打印工艺数据设定值调节测量1. SCC+模拟调节器3.SCC 生产过程 DDC计算机 SSC计算机记录 显示 打印工艺数据设定值调节测量2. SCC+DDC系统4.GCS Grade Control System企业级经营管理计算机 工厂级监控计算机 控制计算机 DDC 输入Internet 控制对象 输出 测量 控制计算机 DDC 输入输出 测量5.DCS Distributed Control System 分布式(集散)控制系统, 实际上是网络控制系统. DCS的3种常见网络结构类型星型、环型、总线型操作站控制站控制站控制站控制站控制站控制站控制站控制站控制站操

7、作站控制站控制站控制站控制站星型环型总线型6.现场总线控制系统FCS控制对象CAN总线控制对象控制对象控制对象控制计算机 传感器 1.5计算机控制系统的发展概况上世纪50年代中期,美国RW-300,控制某化工反应器，成为世界上第一台计算机控制系统1)开创期 上世纪 55-62年,过程控制, 导致中断技术的发明2)DDC时期 62-67年, 模控到数控3)小型计算机67-72年, SCC4)微机时期72-至今, IPC,DCS, PLC5)现场总线FCS, 始于90年代， 德国的PROFIBUS标准， BOSCH公司的CAN总线标准计算机控制理论的发展过程1)采样定理 奈奎斯特定理指出：时间连续

8、信号转换成离散信号时，需要在一个周期内的采样次数多于2次。如果采样次数不够，将无法恢复丢失的信息 奈奎斯特和香农(Shannon), 1948取样函数 Sin (t)tSa(t) =取样函数2)差分方程（代替微分方程）3)Z变换 Z f (kT) = 4)状态空间理论5)最优控制与随机控制6)代数系统理论7)系统辨识与自适应控制k = 0Z - k f (kT)计算机控制系统的发展趋势1、推广应用成熟的先进技术 PLC, 智能调节器,位总线Bitbus, 现场总线Fieldbus, 以及新型的DCS2、研发智能控制系统 分级递阶智能控制系统 、模糊控制系统 专家控制系统、学习控制系统、神经网络

9、控制系统、学习控制系统、神经网络控制系统思考题11.工控机系统有那些环节组成?2.IPC工控机有什么特点?它和普通PC机有何异同点?3.传感器和变送器有什么区别?第2章接口技术与总线规范2.1 串行通信接口规范2.1.1 串行通信控制器作用:串行通信控制器的作用是实现通信的链路协议或格式方式: *同步方式 USART 8250, 8251, SIO *异步方式 UART 8051 同步方式帧格式(面向字符)SYNC SYNC 报文头 报文 CRC异步方式帧格式(面向字符)1/01/02.1.2 RS-232C接口规范(EIA标准) *接口引脚定义 *电气规范 *信号类型 单端双极性 传输距离和

10、抗干扰能力差,电平漂移2.1.3RS-422/423 信号类型 双端差分驱动 点对点232C/422/423电路原理图TTLRS-232CTTLTTLTTLRS-422TTLRS-423TTL2.1.4 RS-485多点通信链路 主站VCC 1#从站 N#从站VCCDATA+DATA-2.1.5 其它串行设备总线 I2C总线(Inter-Integrated Circuit)2线 CAN 总线(Controller area Network)2线 SPI总线（Serial Peripheral Interface）3线 单总线(1-Wire)I2C总线(InterIntegrated Circ

11、uit)总线是一种由PHILIPS公司开发 的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于1980年代，最初为音频 和视频设备开发.I2C总线I2C I2C总线以两线方式进行多机互连采用“线与”方式, 漏极开路或集电极开路 串行数据线 SDA 串行时钟线 SCL 通信协议复杂 主要内容: 1. 主从方式, 一次通信总是由主机发起 2.数据传输的起停约定 3.寻址与仲裁, 多主机互连, 总线控制权的申请典型的I2C总线多机结构单片机A单片机BA/DD/A存储器LCD驱动器I2BUSI2C总线数据传输过程SDA应答SCL结束开始信号地址 R/W ACK数据 ACK数据17 8 9

12、17 8 917 8 9 ACKCAN 总线Controller Area Network ISO-IS11898国际标准 广泛用于车载电子、医疗仪器、安全监控等高速低成本的多路网络中 方便构成多主机分布式网络系统 物理层并没有严格定义，只要是互补电平、差动输入和输出，与485相似 传输速率1Mbps（40m） IC芯片 PCA82C250 单总线(1-Wire) 电源与信号共用总线 窃电技术主机无源设备传感器思考题21.简要说明RS-232、RS-422和RS-485接口标准的特点（主要电气规范，传送距离，波特率）2.CAN总线的主要特点是什么?3.嵌入式系统中有那些外设总线?第三章控制算法

13、与控制规律 3.1控制系统的性能及其指标 3.1.1控制系统的稳定性控制系统在给定输入或外界扰动作用下, 过度过程可能有以下4种情况:A 发散振荡 B衰减振荡C等幅震荡D非周期衰减 过度过程曲线A发散振荡B衰减振荡C等幅振荡D非周期衰减ty(t)y(t)y(t)y(t)ttt3.1.2控制系统动态指标y0ytptsessy(t)ymB2B1t0 超调量 ts 调节时间相对误差 tp 峰值时间 衰减比 N 振荡次数 ess 稳态误差时域指标 超调量 调节时间 ts 相对误差 峰值时间 tp 衰减比 振荡次数 N 稳态误差 ess超调量 yymy=100%调节时间 ts相对误差= 0.02或0.0

14、5 yy峰值时间 tp反映了系统对输入信号反应的快速性衰减比 B1B2=振荡次数 N 反映了控制系统的阻尼特性, 定义为 进入 稳态前,穿越的稳态值 的次数的一半, 图中为 N = 1.5 y(t)y稳态误差 ess essy0y=3.1测量算法 3.1.1数字滤波主要用于克服随机误差，具有高精度、高可靠性、高稳定性的特点，一般不受频率限制, 低频段和高频段都可以，特别适合于低频段。 与模拟滤波器相比，优点十分明显： 1、软件实现，无须硬件上的各种匹配问题 2、多通道信号输入，可以共用一个数字滤波 器，降低成本。 3、滤波特性可以通过改变程序或参数来实现。非常方便。常用滤波方法包括一阶惯性滤波

15、、限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波、加权滑动平均滤波、复合滤波和卡尔曼滤波等。 1.一阶惯性滤波 适合低频Yn=aXn+bYn-1; X输入, Y输出 2.限幅滤波 Yn=Yn ； 当 |Yn|-|Yn-1| Yn-1； 当 |Yn|-|Yn-1| 3.中值滤波和算术平均值滤波Y= X1 , X2 XNX* ; X*X* 为 X1 XN的中间值Y1N X ii=1N=中值滤波算术平均值滤波4.滑动平均滤波和加权滑动平均滤波Y1N Ci X n - ii = 0N=加权系数法 设 设为控制对象的纯滞后时间, 则有: = 1 + e- + e-2 + e ( n-1) C0= 1/

16、, C1= / , e-C N-1 = e ( n-1) / 校正算法零点校正、量程校正、非线性校正等3.2控制算法微分方程u(t) = KP e(t) +1TIe(t)dt +de(t)dtTD0t PID算法，应用最为广泛，最成熟。 模拟PID控制算法 数字PID控制算法3.2 PID控制算法 （1）位置型数字PID算法 （2）增量型数字PID算法 （3）速度型数字PID算法 不完全微分a,理想微分 b数字完全微分 c模拟不完全微分 d数字不完全微分纯微分PID控制算法 纯微分PID算法为完全微分PID控制算法，微分作用在一个周期内完全释放。 纯微分PID控制器的传递函数：GC ( S)

17、= KP（1 + 1/TIS + TDS）纯微分PID方块图 KPKP /TISKP TDSU(t)e(t)思考题31.计算机控制系统常常采用那些滤波算法? 每种算法适用于何种场合?2.工程中为什么要采用不完全微分PID控制算法?第四章 多机通信技术4.1概述4.2 多机共享存储区通信技术4.3 多机PIO通信技术4.4 标准总线多机通信技术4.5 多机SIO通信技术4.2多机共享存储区通信技术4种基本物理结构形式 (1)总线共享存储区结构M1M2M3BCI/OI/OP1P2P3(2)矩阵开关式共享存储器M1M2M3 矩阵开关KCI/O1I/O2P1P2P3I/O3M1M2MnP1P2PnI/

18、O1I/O2I/On(3)多端口共用存储器本质型和非本质型多端口存储器 本质型多端口电路复杂, 有两个以上独立访问的通道, 当发生对同一存储单元读和写时, 内部检测电路采取“先写后读”逻辑, 如果是两个写, 采取“先后排队”, 以免发生冲突.IDT7132本质型双端口存储器 /CEL R/WL /BUSYL A0A9L I/O0I/O9L/CERR/WR/BUSYRA0A9RI/O0I/O9R非本质型多端口存储器 多端口端口选择控制器P1P2P3(4)总线窗口共享存储器公用及专用存储器PAPB公用及专用存储器总线窗口(地址变换)3种基本逻辑结构形式 虚拟结构 信箱结构 通信池结构虚拟结构 自用

19、与共享结合, 主存与辅存的结合问题, 程序中使用虚地址, 经地址变换器变换并映射到实地址. 有两种常用方法: 1.硬件总线窗口 2.智能总线窗口信箱结构逻辑功能单一, 自用与共享分开, 提供一个较小的共享区作通信使用. 仿效邮政信箱格式,建立分格式逻辑结构. PC2 PC1信件 PC3 PC1信件 PCN PC1信件 PC1 PCN信件 PC2 PCN信件 PCN-1 PCN信件 PC1信箱N-1个分格 PCN信箱N-1个分格共享存储区信箱结构通信池结构 自用与共享分开, 共享区不再分格, 存储容量小, 结构简单, 根据各机使用要求, 临时分配使用权. 因此,使用权的分配及管理,比较复杂. 4

20、.3多机系统PIO通信法4.3.1主从式 一台主机, 若干台从机 控制方式 中断、查询 单I/O接口PIO信道 双I/O接口PIO信道单I/O接口PIO信道主机I/OI/OI/O从机从机从机从机作为外围设备看待双I/O接口PIO信道主机I/OI/OI/O从机从机从机I/OI/OI/OPIO信道4.3.2双机PIO通信 通信协议 异步传输 数据字节间无启停包装,通过握手联络信号实现传输控制. 流量控制 “应答式停-等流控制技术”与“滑动窗口流控制技术”. 主从方式 一次通信总是由主机发起. 网络寻址 因没有地址线, 要根据网络拓扑结构具体解决,比较复杂. 差错控制 比较紧偶合系统, 误码率低,

21、一般无须差错控制 总线驱动 距离较远时, 数据和握手线都 要有总线驱动. 高层协议 进程之间的连接, 靠高层对话层协议实现. 发送方发送“唤醒字节”把接收方的接收程序唤醒, 实现双方进程的同步4.3.3星形结构的多机PIO系统 主从结构 只有主机是共享资源. 存取控制方式 点名式轮询法 顺序查询 请求选择法 中断星型多机系统结构主机I/OI/OI/O从机从机从机I/OI/OI/OPIO信道硬件组成举例 intel 8086 /RD /WRAD0AD7 8255A 8255A 8255A 8051 单片机 A/D D/A 生 产 过 程 8051 单片机 A/D D/A 8051 单片机 A/D

22、 D/A通信协议，非标准，自定义标志8类型3最后包1变量序号3大小1正文长度8包序号8正文N校验8bit4.3.4链式和环行结构多机PIO系统PIO MCU PIOPIO MCU PIOPIO MCU PIO环行结构三机容错系统的PIO通信 三台主机 每台机有两个双向PIO口 A口为数据帧，B口为命令帧 输出采用3选2判决电路通信1 通信2 主机1# CPU S-100 总线接口S-100总线存储器M开关量接口模拟量接口通信1 通信2 主机2# CPU S-100 总线接口S-100总线存储器M开关量接口模拟量接口通信1 通信2 主机3# CPU S-100 总线接口S-100总线存储器M开关

23、量接口模拟量接口执行机构4.4标准总线多机通信(OEM)OEM Original Equipment Manufacturer原设备生产商 (支持多机系统)1. STD标准总线IEEE-961 8位机56线,16位机64线，数据总线、地址总线、逻辑电源、辅助电源、控制线。2. S-100总线3. Multibus 多总线IEEE-796信息传输协议线、总线仲裁线等共86线.Multibus总线定义 86线分为6类:地址线、数据线、信息传送协议线、总线仲裁线、中断控制线、共用线。1.地址线：22线，ADR0ADR19，/INH1、/INH2为地址禁止线。用来禁止同一模块中的ROM或RAM，避免地

24、址的重叠引起的冲突。2.数据线(17根) DAT0DAT15, BHEN线,用来选择是字节传送还是字传送.3.信息传送协议线(5根) /MRDC, 存储器读命令线 /MWTC, 存储器写命令线 /IORC, I/O读命令线 /IOWC, I/O写命令线 /XACK, 应答信号线(主-从模板)4.中断控制线(9根) /INT0 /INT7, 8跟中断请求线, 0最高 /INTA 中断响应线5.总线仲裁线(6根) 为支持多机系统而设置 /BCLK总线时钟,与CPU并不同步. /BPRN总线优先级输入线 /BPRO总线优先级输出线 /BUSY总线忙 /BREQ总线请求 /CBRQ公共请求6. 共用线

25、(27根) 地线8, 电源14, 保留3 ,及以下2根 INIT 初始启动 CCLK 固定时钟Multibus 多机系统的通信机制 Multibus多机系统中采用了4种通信方法:1.总线共享存储器通信法2.双端口共享存储器通信法3.双微机PIO通信法4.双微机SIO通信法4.4 SIO通信法1.总线标准RS-232C, 442, 449, 4852.常用串行接口芯片MC-6850, Intel8251, MCS-513. 51系列单片机UART-通用异步收发器 内部结构 控制器SCON, 数据缓冲器SBUF 波特率发生器T1 控制方式 中断或查询51UART 内部结构 Acc SCON SBU

26、F S.R SBUF T1 S.RTXDRXD51 SCON, SBUF寄存器 SCON 串口控制器 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SBUF 数据缓冲器 波特率计算工作方式: 波特率方式0: 扩展并口 fB0=fosc/12方式1: 8位数据 ( T1为方式2) fB1= 2SMOD fosc /12/32/(28 TH1 )方式2: 9位数据 fB2= 2SMODfosc/64方式3: 9位数据 fB3= fB1 8051串行通信编程举例 发送程序试编写51单片机UART发送子程序, 查询方式. 发送数据在内存30H-5FH中, 已知系统时钟fosc=11.05

27、9MHz, 采用奇校验发送, UART工作模式为3(9位), 波特率为9600bps,SMOD=0.TPRG: MOV SCON, #11000000b; UART为方式3MOV TMOD, #00100000b; T1为方式2MOV TL1, #XL; 波特率为9600bps； XL=0fdHMOV TH1,#XH; (XL=XH)SETB TR1; 启动T1工作;MOV R0, #30H; 发送数据首地址NEXT: MOV A , R0;取一个数据; MOV C, P; 奇校验CPL C; MOV TB8, C; 装入校验位; MOV SBUF, A; 发送; JNB TI , $; 等待

28、字节发送结束; CLR TI; 清除发送中断标志; INT R0;下一个数据; CJNE R0, # 60H, NEXT; 是否全部发完 RET; 返回主程;异步通信协议双机通信 采用的简单协议 命令帧,、应答帧(Y/N)多机通信 请求帧、应答帧(Y/N)、信息帧开始字头#1开始字头#2命令字长度高位长度低位备用字数据块0-64K校验字符多机网络形式 双机通信 点-点 多机通信 主从式星型 主从式总线型 主机控制方法 点名式轮询 请求选择思考题4试编写51单片机UART接收子程序, 中断方式. 接收数据为ASCII码字符，存放在地址为30H开始的内存中，CR为结束字符，采用奇校验接收，如校验出

29、错，停止接收，转出错处理，标号为ERR: 。已知系统时钟 fosc =11.059MHz, UART工作模式为3(9位), 波特率为9600bps, SMOD=0.第五章普通局域网与工控局域网5.1概述计算机网络 1.相互通信 2.资源共享 通信子网与资源子网 WAN、MAN、LAN 端点与结点通信子网与资源子网主计算计主计算计主计算计终端终端ABCDEF通信子网资源子网通信子网拓扑结构 4种基本形态 星形 总线形 环形 网络形星形、总线形、环形、网络形复合结构总线逻辑环树形计算机网络体系 计算机网络是一个庞大的系统，功能和结构都十分复杂，通常从3个方面来描述计算机网络： 1.网络的逻辑结构也称体系