机电一体化系统设计_第四章：微机控制系统的选择及接口设计

1、第四章第四章机电一体化系统机电一体化系统微机控制系统选择与设计微机控制系统选择与设计 张建民张建民 编著编著高等教育出版社高等教育出版社机机 电电 工工 程程 系系 随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。方面能满足机电一体化控制系统的要求。 微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，

2、结合微型计算机的工作原理、接口产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。控制。 常用的微机控制系统：常用的微机控制系统：专用微机控制系统专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。核心部件为单片机和单板机。 通用通用微机控制系统微机控制系统 核心部件为可编程控制器和核心部件为可编程控制器和工业计算机。工业计算机。 在确定微机控制系统时，应重点考虑几在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。方面的问题。（1）专

3、用专用/ /通用微型计算机的选择通用微型计算机的选择 1）专用控制系统的构成与特点专用控制系统的构成与特点 用于大批量生产的机电一体化产品。用于大批量生产的机电一体化产品。如如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，必须选用专用控制系统，构，必须选用专用控制系统，具有机械电具有机械电子有机结合紧凑，由专用子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。言，可靠性强，成本低，但适

4、应能力较差。 构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。软件系统。 特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应采取一定的抗干扰措施等特点。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。

5、体化产品。实质上是通过接口设计和软件编制来实质上是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。使通用微机专用化的问题。 任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。定或选用微机控制系统研究内容之一。 主要依据主要依据经济性、可靠性、适用性经济性、可靠性、适用性等要求来决等要求来决定。定。 主要用通用分离元件组成的控制系统主要用通用分离元件组成的控制系统最最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制

6、功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。较高。 主要用专用集成元件组成的控制系主要用专用集成元件组成的控制系统统最好选用硬件实现对机电一体化产最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。理速度快等特点。 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。必须采取相应的抗干扰措施。（1

7、）确定系统总体控制方案确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线总体控制方案确定技术路线 从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）环控制、闭环控制）传感元件选用（含精传感元件选用（含精度）度） 选用选用/ /设计执行元件设计执行元件考虑被控制对考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）特性）微机在整个控制系统中的作用微机在整个控制系统中的作用（计算、（计算、数据处理、直接数据处理、直接/ /间接控制方式、控制功能、间接控制方式、控制功能、I/OI/O接口、外围设备等）接口、

8、外围设备等）控制系统成本核算。控制系统成本核算。 确定微机控制系统总体控制的初步方案确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证总体方案可行性论证总体方案技术总体方案技术/ /经济经济评价评价总体方案鉴定。总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案最终确定微机控制系统总体控制方案 目的在于确定微机控制系统输入目的在于确定微机控制系统输入/ /输出之间的输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理能、精度、

9、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。论依据。 常用的控制算法：常用的控制算法： 逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、PIDPID调节控制法调节控制法、最小拍控制法最小拍控制法、最优控制法最优控制法、随机控制法随机控制法、自适自适应控制法应控制法、遗传控制法遗传控制法、模糊控制法模糊控制法、鲁棒控制鲁棒控制法法、神经网络控制法神经网络控制法、专家系统专家系统等。等。 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。可靠性等。 任何微机控制系统中的微型计算机，无

10、论被控制对象任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。 1）较完善的适时中断系统较完善的适时中断系统 实时控制能力、紧急处理能力。实时控制能力、紧急处理能力。 2）足够的存储容量（）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ） 有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。的正常运行。 3）完善的输入）完善的输入/输出通道输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。输出通道接口数。 4）实时时钟控制实

11、时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。作为控制系统实现控制功能的基准。 除此之外，还有一些特殊要求除此之外，还有一些特殊要求字长、运行速度、字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入指令、成本、编程难易、输入/ /输出接口扩展能力等。输出接口扩展能力等。l字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间令的数目和执行操作的时间l一般说：一般说：l 通常的顺序控制、程序控制可选用一位微通常的顺序控制、程序控制可选用一位微处理器处理器l对计算量小、计算精度和速度要求不高的系对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用统可选用4位机位机l对

12、计算精度要求较高、处理速度较快的系统对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用可选用8位机位机l对计算精度要求高、处理速度快的系统可选对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用用16位以上的微机位以上的微机l对于同一算法、同一精度要求，当机器对于同一算法、同一精度要求，当机器字长短时，选用执行速度较快的机器，字长短时，选用执行速度较快的机器，当字长足够保证精度要求时，可选用执当字长足够保证精度要求时，可选用执行速度较慢的机器行速度较慢的机器l速度的选择可根据被控对象而定速度的选择可根据被控对象而定l对于控制系统来说，尤其要求较丰富的对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指

13、令；逻辑判断指令和外围设备控制指令；l通常的通常的8位微处理器都具有足够的指令种位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能满足控制要求。类和数量，一般能满足控制要求。 可选用微型计算机主要有三种类型：可选用微型计算机主要有三种类型： 单片机单片机 主要包括数字计算机四个基本组成部分主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。，双列直插式集成电路。 具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。 单板机单板机 将单片机、

14、编程器、外部存储器、专用将单片机、编程器、外部存储器、专用/通通用接口电路等组装成用接口电路等组装成PCB板上的板卡式微型计算机。具板上的板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。编写、调试困难。 微型计算机微型计算机 具有丰富的软件和硬件支持，具有可具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便

15、快捷，有多样化数据写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入信号输入/输出接口（输出接口（COM、USB）或插槽（）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。 一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定，便可进行控制系统的总体设计。件平台确定，便可进行控制系统的总体设计。 主要解决主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），能分时时序控制设

16、计（应用软件设计）等方接口），能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题。面问题。 控制系统总体设计的主要内容：控制系统总体设计的主要内容： 1）软件与硬件功能合理分配与协调）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济主要依据经济性、可靠性指标进行软件性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡硬件的分配、协调与权衡)。 2）接口设计（输入）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。输出信号匹配与协调）。 3）通道设计（信号通讯方式与）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。类型）。 4）操作控制台设计（人机交换方式）。）操作控制台设计（人机交换方式）。 5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。

17、）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。 l硬件与软件功能的分配与协调要根据经硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；济性和可靠性指标进行权衡；l可靠性问题主要是指定可靠性设计方案可靠性问题主要是指定可靠性设计方案采取可行的可靠性措施；采取可行的可靠性措施；l通常选用的微机都配备有相当数量的可通常选用的微机都配备有相当数量的可编程的输入编程的输入/输出通用接口，在设计时，输出通用接口，在设计时，首先要合理地使用这些接口，当通用接首先要合理地使用这些接口，当通用接口不够时应进行接口的扩展；口不够时应进行接口的扩展；l接口设计要根据控制要求及能够得到何接口设计要根据控制要求及能够

18、得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定种元件和扩展接口的方便程度来确定. 其最大的优点是硬件工作量小，可靠其最大的优点是硬件工作量小，可靠性高，但价格较贵，一般只用来组成较性高，但价格较贵，一般只用来组成较大的系统。大的系统。l组成较小的控制系统时可采用标准化的组成较小的控制系统时可采用标准化的通用接口芯片通用接口芯片l可设计任意要求的接口，价格低，但可可设计任意要求的接口，价格低，但可靠性差，靠性差，一是扩展接口；一是扩展接口；二是安排通过各接口电路二是安排通过各接口电路I/O端的输入端的输入/输输出信号，选定各信号输入出信号，选定各信号输入/输出时采用何输出时采用何种控制方式。种控制方式。

19、l在总体设计中应确定设置什么通道，每在总体设计中应确定设置什么通道，每个通道由几部分组成；个通道由几部分组成；8255光电隔离电路光电隔离电路A相放大相放大A相放大相放大A相放大相放大步进步进电机电机环形分配器环形分配器进给进给方向方向光电隔离电路光电隔离电路定时器定时器PA0PA1PA2PB微微机机I/O光电隔离电路光电隔离电路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路步进电机步进电机 开关量、数字量的输入要解决电平开关量、数字量的输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题；输出则转换、去抖动及抗干扰等问题；输出则要解决功率驱动问题等；要解决功率驱动问题等；1）有一组或

20、几组数据输入键，用于输入或）有一组或几组数据输入键，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据；要的数据；2）有一组或几组功能键或转换开关，用于）有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起停或完成某种指定的转换工作方式，起停或完成某种指定的功能功能4）有）有“急停急停”按钮，用于在出现事故时停按钮，用于在出现事故时停止系统的运行，转入故障处理。止系统的运行，转入故障处理。 对于比较小的控制系统，也可不另对于比较小的控制系统，也可不另外设计操作员控制台，而将原单板机所外设计操作员控制台，而将原单板机所带的输入键盘改变成方便与操作员输入带的输入键

21、盘改变成方便与操作员输入数据和发出各种操作命令的键盘，但要数据和发出各种操作命令的键盘，但要重新设计一个键盘管理程序。重新设计一个键盘管理程序。 单独设计一台操作员控制台，实用单独设计一台操作员控制台，实用性、可靠性好，操作方便，但成本高，性、可靠性好，操作方便，但成本高，且要占用输入且要占用输入/ /输出接口，往往缺乏必要输出接口，往往缺乏必要的数字显示和状态显示，现场操作人员的数字显示和状态显示，现场操作人员使用不便。使用不便。 系统软件系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等。开发系统、信息处理系统等。 在机电一体化产品的控制系统软

22、件设计中、一在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，只是合理选用并了解基本的般不设计系统软件，只是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。工作原理和熟练使用方法的问题。 应用软件应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编写完成的。求和特点，用户自行编写完成的。 对于操作者或编程员来讲，所指的软件设计均对于操作者或编程员来讲，所指的软件设计均为应用软件设计。为应用软件设计。 除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求。基本要求。 实时性实时性、针对性针对性、灵活性和通用性等

23、方面要求。灵活性和通用性等方面要求。 l1、微机控制系统的定义？、微机控制系统的定义？l是将微型计算机作为机电一体化产品的控是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。对控制对象的有效控制。l2 2、微机控制系统的类型、抉择和权衡方微机控制系统的类型、抉择和权衡方法；微机控制系统的设计思路法；微机控制系统的设计思路l人们常用人们常用“微机微机”这个术语。该术语是三个概

24、念的统这个术语。该术语是三个概念的统称，既微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计称，既微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计算机系统的统称。算机系统的统称。l 微处理机（微处理机（MicroprocessorMicroprocessor）简称）简称PP或或CPUCPU。它。它是一个大规模集成电路（是一个大规模集成电路（LSILSI）器件，或超大规模集成）器件，或超大规模集成电路（电路（VLSIVLSI）器件，器件中有数据通道、多个寄存器、）器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时

25、信号。控制逻辑可以是组合逻为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。l 微型计算机（微型计算机（MicrocomputerMicrocomputer）简称）简称uCuC或或MCMC。它是。它是以微处理机（以微处理机（CPUCPU）为中心，加上只读存储器（）为中心，加上只读存储器（ROMROM）、）、读写存储器（读写存储器（

26、RAMRAM），输入），输入/ /输出接口电路、系统总线输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。及其它支持逻辑电路组成的计算机。l上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统（计算机系统（Microcomputer SystemMicrocomputer System），简称），简称MCSMCS。如。如图图4-14-1所示为微处理机、微型计算

27、机、微型计算机系统所示为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。的相互关系。 图4-1 CPU、MC与MCS的关系 l微型计算机的基本硬件构成如图微型计算机的基本硬件构成如图4-24-2所示，各组成所示，各组成部分由数据总线、地址总线和控制总线相联。主部分由数据总线、地址总线和控制总线相联。主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路（规模集成电路（LSILSI），主要有），主要有RAMRAM（Random Random Access MemoryAccess Memory）和）和ROM(Read Only Memory)ROM(R

28、ead Only Memory)，通，通常常ROMROM存储固定程序和数据，而输入存储固定程序和数据，而输入/ /输出数据和输出数据和作业领域的数据由作业领域的数据由RAMRAM存储。输入存储。输入/ /输出装置主要输出装置主要执行数据和程序的输入执行数据和程序的输入/ /输出，以及用于控制时输输出，以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存储装置可作为存储器使用，操作面板息。辅助存储装置可作为存储器使用，操作面板或键盘也属于输入装置。或键盘也属于输入装置。l图图4-24-2所示的构成，在实际使用时，多根据与所示的构成，在实际

29、使用时，多根据与机械有机结合的需要，取其最低限度的构成予机械有机结合的需要，取其最低限度的构成予以应用。输入以应用。输入/ /输出装置和辅助存储装置等统输出装置和辅助存储装置等统称为计算机的外围设备。随着微型计算机的普称为计算机的外围设备。随着微型计算机的普及和机电及和机电体化的需要，许多廉价、适用的外体化的需要，许多廉价、适用的外围设备均有出售。特别是输入围设备均有出售。特别是输入/ /输出装置，当输出装置，当微机用于控制机械设备时，输入信息的传感器微机用于控制机械设备时，输入信息的传感器和信息出口的执行元件都可以认为是广义的输和信息出口的执行元件都可以认为是广义的输入入/ /输出装置。此时

30、输出装置。此时定要考虑与此相联系的定要考虑与此相联系的A/DA/D、D/AD/A变换器。变换器。 l微型计算机可以按组装形式、微处理机微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的制造工艺或封装芯片位数、微处理机的制造工艺或封装芯片数以及用途范围进行分类。数以及用途范围进行分类。l（1 1）按组装形式分类）按组装形式分类l按组装形式可将微型计算机分为单片机、按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。单板机和微机系统等。 l单片机单片机l在一块集成电路芯片（在一块集成电路芯片（LSILSI）上装有）上装有CPUCPU、ROMROM、RAMRAM以及输入以及输入/ /输出端口电路

31、，该芯片就被称为单输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机（片微型计算机（SCM-Single-Chip SCM-Single-Chip MicrocomputerMicrocomputer），简称单片机，例如），简称单片机，例如IntelIntel公司公司的的MCS-48MCS-48系列、系列、MCS-51MCS-51系列、系列、MCS-96MCS-96系列等。这系列等。这样的单片机具有一般微型计算机的基本功能。除样的单片机具有一般微型计算机的基本功能。除此之外，为了增强实时控制能力，绝大多数单片此之外，为了增强实时控制能力，绝大多数单片机的芯片上还集成有定时器机的芯片上还集成有定时器/

32、/计数器，部分单片计数器，部分单片机还集成有机还集成有A/DA/D、D/AD/A转换器和转换器和PWMPWM等功能部件。等功能部件。由于单片机的集成度高、功能强、通用性好，特由于单片机的集成度高、功能强、通用性好，特别是体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，而且别是体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程控制自动化，从而在不显著增加机电一体化过程控制自动化，从而在不显著增加机电一体化系统（或产品）的体积、能耗及成本的情况下，系统（

33、或产品）的体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能，收到极为显著的大大增加其功能、提高其性能，收到极为显著的经济效果。经济效果。 l单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入独有的硬件结构、指令系统和输入/ /输出（输出（I/OI/O）能力，提供了有效的控制功能，故又被称为微能力，提供了有效的控制功能，故又被称为微控制器（控制器（MicrocontrollerMicrocontroller）。同时，它与通）。同时，它与通用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而它不但是一种高效

34、能的过程控制机，同时也是它不但是一种高效能的过程控制机，同时也是有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念。目前，单片机只能用于简单的小系统的概念。目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机械设备、机器人等机电办公室自动化产品、机械设备、机器人等机电一体化产品。上至航天器、下至儿童玩具，均一体化产品。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。是单片机的应用领域。 l 单板机

35、单板机l将微型计算机的基本体系将微型计算机的基本体系CPUCPU、一定容量、一定容量的的ROMROM和和RAMRAM、输入、输入/ /输出端口（输出端口（I/OI/O）以）以及一些辅助电路分别做成及一些辅助电路分别做成LSILSI芯片，并将芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫单板微型计算机，简称单板机。算机叫单板微型计算机，简称单板机。例如例如TP801TP801是以是以8 8位微处理器为核心组装位微处理器为核心组装的的8 8位单板机，位单板机，SDK-86SDK-86是以是以1

36、616位微处理器位微处理器为中央处理器组装的为中央处理器组装的1616位单板机。位单板机。l微型计算机系统微型计算机系统l根据需要，将微型计算机、根据需要，将微型计算机、ROMROM、RAMRAM、I/OI/O接接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRTCRT显显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微机系统。如目前国内使用较多的微机系统。如目前国内使用较多的I

37、BM-PCIBM-PC（如（如IBM-PC XTIBM-PC XT、286286、386386、486486、586586等）、等）、CROMEMCOCROMEMCO公司的公司的System System 、等都是多等都是多板微型计算机系统。板微型计算机系统。 l（2 2）按微处理机位数分类）按微处理机位数分类l 按微处理机位数可将微型计算机分为一位、按微处理机位数可将微型计算机分为一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等几种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据几种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。位数，即可同时

38、传送数据的总线宽度。l 4 4位机目前多做成单片机，即把微处理机、位机目前多做成单片机，即把微处理机、1 12k2k字节的字节的ROMROM、6464128k128k字节的字节的RAMRAM、I/OI/O接接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等。仪表、家用电器、游戏机等。l 8 8位机有单片和多片之分，主要用于控制和位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。计算。1616位机功能更强、性能更好，用于比较位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。l 3232位和位

39、和6464位机是比小型机更有竞争力的产位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称之为超级微型机。它具品。人们把这些产品称之为超级微型机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。软件的生产效率。l（3 3）按用途分类）按用途分类l按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说为通用型据处理用微型计算机。对单片机来说为通用型和专用型。和专用型。l通用型单片机，即通常所说的各种系列的单片

40、通用型单片机，即通常所说的各种系列的单片机。它可把开发的资源（如机。它可把开发的资源（如ROMROM、I/OI/O接口等）接口等）全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机可作为系统或产品的微控制器，适用于各种应可作为系统或产品的微控制器，适用于各种应用领域。用领域。l专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。为满足某一领域应用的特殊要求而开发的单片为满足某

41、一领域应用的特殊要求而开发的单片机，其内部系统结构或指令系统都是特殊设计机，其内部系统结构或指令系统都是特殊设计的（甚至内部已固化好程序）。的（甚至内部已固化好程序）。 l软件是比程序意义更广的一个概念，内含极其丰富，软件是比程序意义更广的一个概念，内含极其丰富，现将其主要内容概述如下。现将其主要内容概述如下。l（1 1）程序设计语言）程序设计语言l程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。机对话的工具。l目前使用的程序设计语言大致有三大类，即目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语机器语言言”（machine langua

42、gemachine language）、）、“汇编语言汇编语言”（assembly languageassembly language）、）、“高级语言高级语言”（high level high level languagelanguage）。）。l机器语言是设计计算机时所定义的、能够直接解释与机器语言是设计计算机时所定义的、能够直接解释与执行的指令体系，其指令用执行的指令体系，其指令用“0 0”、“1 1”符号所组成的符号所组成的代码表示。代码表示。般的微型计算机有数十种到数百种指令，般的微型计算机有数十种到数百种指令，这些指令是程序员向计算机发指示、并让计算机产生这些指令是程序员向计算机发

43、指示、并让计算机产生动作的最小单位。机器语言与计算机硬件密切相关，动作的最小单位。机器语言与计算机硬件密切相关，随硬件的不同而不同，不同机种之间一般没有互换件。随硬件的不同而不同，不同机种之间一般没有互换件。又因为它是用又因为它是用“0 0”、“1 1”符号构成的代码，所以极不符号构成的代码，所以极不易掌握。易掌握。 l汇编语言比机器语言容易掌握和使用。但是，这种语言汇编语言比机器语言容易掌握和使用。但是，这种语言基本上是与机器语言一一对比的。虽然远比机器语言编基本上是与机器语言一一对比的。虽然远比机器语言编程容易、出错也少，但还是不易掌握，必须在某种程度程容易、出错也少，但还是不易掌握，必须

44、在某种程度上掌握计算机硬件知识的基础上才可使用，同样没有互上掌握计算机硬件知识的基础上才可使用，同样没有互换性。换性。l高级语言比汇编语言更容易掌握和使用，即使不了解计高级语言比汇编语言更容易掌握和使用，即使不了解计算机的硬件知识的人、仅凭日常知识也可以进行编程。算机的硬件知识的人、仅凭日常知识也可以进行编程。高级语言虽容易理解、掌握和使用，具有一定的通用性，高级语言虽容易理解、掌握和使用，具有一定的通用性，但用高级语言或汇编语言编制的程序，计算机不能直接但用高级语言或汇编语言编制的程序，计算机不能直接执行，必须先由计算机厂家提供的编译程序将它们变换执行，必须先由计算机厂家提供的编译程序将它们

45、变换成机器语言之后，计算机才可以执行。通常，将用高级成机器语言之后，计算机才可以执行。通常，将用高级语言或汇编语言编制的源程序变换成计算机可执行的机语言或汇编语言编制的源程序变换成计算机可执行的机器语言表示的目标程序的变换叫语言处理，一般的计算器语言表示的目标程序的变换叫语言处理，一般的计算机均具有这种处理功能。机均具有这种处理功能。l另外，用高级语言比用汇编语言编制程序省时、省工，另外，用高级语言比用汇编语言编制程序省时、省工，但编译后的目标程序占用的容量大、执行速度慢。而且，但编译后的目标程序占用的容量大、执行速度慢。而且，有时某些机械操作和控制的微动作过程仅用高级语言不有时某些机械操作和

46、控制的微动作过程仅用高级语言不能进行描述，所以。目前常将高级语言与汇编语言在机能进行描述，所以。目前常将高级语言与汇编语言在机械的微机控制中混合使用。械的微机控制中混合使用。 l（2 2）操作系统）操作系统l所谓操作系统（所谓操作系统（OS-Operating SystemOS-Operating System），就是计算机系统），就是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件。操作用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用系

47、统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。微型计算机的磁盘操作系统（一组服务程序集合。微型计算机的磁盘操作系统（DOSDOS）的）的主要功能有管理中央处理机（主要功能有管理中央处理机（CPUCPU）、控制作业运行、调度、）、控制作业运行、调度、调试、输入调试、输入/ /输出控制、汇编、编译、存储器分配、数据处输出控制、汇编、编译、存储器分配、数据处理、中断服务等。典型的磁盘

48、操作系统还具有扩充文件管理、中断服务等。典型的磁盘操作系统还具有扩充文件管理、程序链接、页面装配及处理不同计算机语言的混合程理、程序链接、页面装配及处理不同计算机语言的混合程序等功能。典型的磁盘操作系统包括软盘控制器、驱动系序等功能。典型的磁盘操作系统包括软盘控制器、驱动系统和软件系统。软件系统是指存储在软磁盘上的汇编程序统和软件系统。软件系统是指存储在软磁盘上的汇编程序和实用程序、和实用程序、BASICBASIC、FORTRANFORTRAN、PASCALPASCAL、C C等高级语言的解等高级语言的解释程序或编译程序、宏汇编程序以及文本编辑程序等系统释程序或编译程序、宏汇编程序以及文本编辑

49、程序等系统程序。操作人员通过磁盘驱动器将所需要的程序。操作人员通过磁盘驱动器将所需要的DOSDOS程序调入内程序调入内存，就可以通过键盘编辑源程序并存入磁盘。也可以将软存，就可以通过键盘编辑源程序并存入磁盘。也可以将软盘上的实用源程序调入内存，短时间内即可实现程序编译盘上的实用源程序调入内存，短时间内即可实现程序编译并进入运行。并进入运行。 l（3 3）程序库）程序库l计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库（或软件包）。目前，微型计算机积累的程序（或软件包）。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，非常丰富，而且可以通用。而

50、在机械控制领域，由于被控对象（产品）的特殊性较强，其程序由于被控对象（产品）的特殊性较强，其程序库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。各式各样的程序库。 l微型计算机的基本特点是小型化、超小型化，具有一般计微型计算机的基本特点是小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且算机的信息处理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少，故用微机构成机电一体化系统（或产可靠性高、耗电少，故用微机构成机电一体化系统（或产品）

51、具有以下效果；小型化品）具有以下效果；小型化应用应用LSILSI技术减少了元技术减少了元件数量，简化了装配、缩小了体积；多功能化件数量，简化了装配、缩小了体积；多功能化利用利用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；通用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；通用性增大性增大容易用软件更改和扩展设计；提高了可靠容易用软件更改和扩展设计；提高了可靠性性用用LSILSI技术减少了元件、焊点及接线点的数量，增技术减少了元件、焊点及接线点的数量，增加了用软件进行检测的功能；提高了设计效率加了用软件进行检测的功能；提高了设计效率将硬将硬件标准化，用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品件标准化，

52、用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期。经济效果好开发周期。经济效果好降低了零件费、装配成本、降低了零件费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降低成本；产品（或系统）标难化低成本；产品（或系统）标难化硬件易于标准化；硬件易于标准化；提高了维修保养性能提高了维修保养性能产品的标准化使维修保养人员产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能。易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能。l因此，微机的应用领域越来越广。特别是超小型单片机，因此，微机的应用领域越来越广。特别是超小型单片机，在

53、逻辑控制和运算处理方面具有很强的能力，具有优异的在逻辑控制和运算处理方面具有很强的能力，具有优异的性能性能/ /价格比，因而获得极其广泛的应用。价格比，因而获得极其广泛的应用。 l微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用领域。领域。l 工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程逻辑控制器（逻辑控制器（PLCPLC）、缝纫机、编织机、升降机、纺织）、缝纫机、编织机、升降机、纺织机械、电机控制、工业机器人、智能

54、传感器、智能定机械、电机控制、工业机器人、智能传感器、智能定时器等。时器等。l 交通与能源设备的机电一体化。汽车发动机点火控交通与能源设备的机电一体化。汽车发动机点火控制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。l 家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱、微波炉、家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱、微波炉、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、立体声音响设备等。立体声音响设备等。 l 商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、电子收款机、银行自

55、动化系统等。电子收款机、银行自动化系统等。l 仪器、仪表机电一体化。三坐标测量仪、医疗电子仪器、仪表机电一体化。三坐标测量仪、医疗电子设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。l 办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。传真机、绘图仪、印刷机等。l 信息处理自动化设备。语音处理、语音识别、语音信息处理自动化设备。语音处理、语音识别、语音分析、语言合成设备；图像分析别设备；气象资料分分析、语言合成设备；图像分析别设备；气象资料分析处理、地震波分析处理设备。析处理、地震波分析

56、处理设备。l 导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。智能武器装置等。 l（2 2）选用要点）选用要点l不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用八位或十六位微机动化、机床自动化、数控机床一般应用八位或十六位微机系统，持别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、系统，持别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。象家用电器、商用产品，计算机一般装多板机微机系统。象家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机

57、或微处理器。然而，这类产品在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用四位或八位微机。在要求很高的实时控制及复故主要采用四位或八位微机。在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用十六位与三机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用十六位与三十二位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机十二位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、

58、计算机外设控制、磅秤自动化、电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用八位机。换句话说，四位机常交通与能源管理等，多采用八位机。换句话说，四位机常用于较简单、规模较小的系统（或产品），十六位与三十用于较简单、规模较小的系统（或产品），十六位与三十二位机及六十四位机主要用于较复杂的大系统，八位机则二位机及六十四位机主要用于较复杂的大系统，八位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强、性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用更强、性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用

59、于简单小系统，而且不断被复杂大范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。系统所采用。 l（3 3）机电一体化中使用计算机应注意的问题）机电一体化中使用计算机应注意的问题l 当前影响计算机发展与应用的主要问题有以下三个方面：当前影响计算机发展与应用的主要问题有以下三个方面：l 计算机系统的存贮器和通信部件性能计算机系统的存贮器和通信部件性能/ /价格比的发展跟价格比的发展跟不上处理器的发展，其结果是快速的运算系统与慢速的外部设不上处理器的发展，其结果是快速的运算系统与慢速的外部设备的矛盾。备的矛盾。l 人机接口已成为计算机技术应用的主要问题，开发图形人机接口已成为计算机技术应

60、用的主要问题，开发图形窗口软件的人机接口技术是当前计算机软件发展的重要趋势。窗口软件的人机接口技术是当前计算机软件发展的重要趋势。l 软件的开发仍然是计算机应用的巨大工作量所在。软件软件的开发仍然是计算机应用的巨大工作量所在。软件工程与计算机辅助软件工程（工程与计算机辅助软件工程（CASECASE）旨在解决软件开发的工程）旨在解决软件开发的工程问题。问题。l 在机电一体化技术的推广中，如何选择计算机、如何进行在机电一体化技术的推广中，如何选择计算机、如何进行硬件系统的设计、如何组织软件的开发，如何维护和使用已有硬件系统的设计、如何组织软件的开发，如何维护和使用已有的计算机系统，这些都要求机电一