微型计算机控制技术10xin

计算机工业控制主讲:马有良联系邮箱：mayouliang@联系电话南科技大学机电专业系列课程第9章微型计算机控制系统设计设计原则：☻操作性好☻实施性强☻通用性好☻经济效益高☻可靠性高一般设计步骤：

►控制系统总体方案的确定

►微型计算机及接口的选择

►控制算法的选择

►控制系统的硬件设计

►控制系统的软件设计►微型计算机控制系统的调试§10.1微型机控制系统的设计方法及步骤设计的基本要求（1）系统操作性能要好（2）通用性好、便于扩充（3）可靠性要高①采用双机系统。②采用集散控制系统。设计特点

在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。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：►考虑系统结构►执行机构采用什么方案►

有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施？

►确定计算机在整个控制系统中所起的作用二、确定控制算法（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）确定某些情况下要进行修改与补充。（3）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。三、选择计算机所选计算机应满足以下要求：

►完善的中断系统

►足够的存储容量►

完备的I/O通道和实时时钟►字长、速度、指令种类和数量►寻址范围和寻址方式

►内部存储器的种类和数量

四、系统总体设计

★硬件软件功能分配与协调

大量使用硬件会增加成本，影响系统可靠性；增加软件，系统速度相应降低。★接口设计接口设计内容：

►扩充接口►安排接口电路的I/O信号及交换方式常用的扩充方法：

►选用专门的功能接口板

►选用通用接口电路►

用集成电路自行设计接口电路接口电路I/O信号的交换方式：

►中断控制读取I／O方式►

直接存储器存取方式★通道设计系统I/O通道：

►数字量I/O通道►

开关量I/O通道►

模拟量I/O通道►

脉冲量I/O通道

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。★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、状态故障指示灯等。★可靠性设计五、硬件设计

任务：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行施工设计。包括：

►接口电路和I/O通道的扩充

►

组合逻辑或时序逻辑电路

►供电电源

►

光电隔离►

电平转换►

驱动放大电路等硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。★组织应用软件的内容及步骤：

►确定具体要求►

软件规划►

程序编制

►

软件调试

►善后工作★确定具体要求

►管理要求

►

输入输出要求

►

语言加工要求

►功能处理要求

六、软件设计软件

系统软件应用软件★软件规划►模式选择

►语言选择汇编语言或高级语言

►确定数据结构►划分程序块►确定程序编制顺序►内存安排►用符号来代替某部分程序的首址►粗略估算各部分容量►根据具体情况对内存作精确安排★程序编排和分配

★软件装配和总调

★软件设计的善后工作

软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序

数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序软件设计：①实时性。②针对性。③灵活性和通用性。应用程序的语言选择及设计步骤

1、语言选择

►机器语言►

汇编语言

►

高级语言

2、应用程序的设计步骤和方法

应用程序设计的五个步骤：

►问题定义►

程序设计

►编码

►调试►

改进和再设计程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：顺序结构选择结构循环结构

高级语言和汇编语言的混合编程1、混合语言编程的基本概念

1）程序接口在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。

2）命名约定为了解决不同语言对名称标识符的不同处理，对目标文件名长度的不同限制的约定。

3）调用约定在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，它具体对应了一个函数、一个过程或者是一个子程序的调用过程。

4）参数传递约定在定义或说明时用形式参数，调用时则替换成实际参数。参数传递方式：

►传值

►

传址

►

传名

►

传结果

2、C语言程序对汇编语言程序的调用

1）C语言程序中的接口处理

►命名约定

►调用约定►

参数传递约定

2）汇编语言中的接口处理

►在定义和编写汇编语言程序的被调用过程时，应以下划线开头，并用PUBLIC说明。

►如果C语言程序以巨型、大型、存储模式编译，被C语言调用的汇编过程应说明成fa；小型、紧凑型存储模式编译，被调用的汇编过程应说明成NEAR。►

考虑调用约定►

在被C语言调用的汇编过程中用指令RET返回，而在BASIC等其他语言中要求用指令RETn返回。►

根据缺省默认，C语言的参数传递方式是传值，但数组总是采用传址方式。3、汇编语言程序对C语言程序的调用

1）命名约定2）调用约定3）参数传递的方式4、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：1）系统实时仿真2）资源借调3）控制系统综合设计和调试系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。七、系统联调第9章微型计算机控制系统设计控制系统设计步骤流程图控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结束设计硬件设计软件设计是是是否否否开始

10.2.1硬件电路

10.2.2数字控制器的数学模型

10.2.3控制系统程序设计10.2微机控制系统设计举例一电阻炉炉温控制系统设计图10-2电阻炉炉温控制系统原理图变送器键盘与显示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CE~OCD70~ALECEIO/M~A70A701/2WRRDA0A1A2红绿红ABCCLK~D70OEALESTARTIN0EOC...........光耦驱动器MC14528220V~加热丝LM31174LS00TIL117........过零信号发生器ADC0809.热电偶10.2.1硬件电路1.检测元件及变送器检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV~41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压。10.2.1硬件电路表10-1温度-数字量对照表10.2.1硬件电路2.接口电路8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器，该芯片为8位逐次逼近型A/D转换器。ADC0809为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器。10.2.1硬件电路3.温度控制电路如图双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。图10-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，如图10-4所示。10.2.1硬件电路图10-3输出功率与通断时间的关系10.2.1硬件电路图10-4过零触发电路10.2.1硬件电路闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一个延迟环节。因此，根据第4章第5节的推导，可以得出：经化简后得到：10.2.2数字控制器的数学模型式中：A=C=B=A因为，D(z)=R(z)/E(z)，得：10.2.2数字控制器的数学模型y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1-C)×y(n-N-1)式中：y(n)——n时刻的输出值；e(n)——n时刻的偏差值；e(n-1)——n-1时刻的偏差值；y(n-N-1)——n-N-1时刻的输出值。由系统的飞升特性曲线确定出τ和τ1后，系数A、B、C则可分别求出。10.2.2数字控制器的数学模型主程序流程图10.2.3控制系统程序设计1、主程序2.T0中断服务程序T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断服务程序流程图如图9-6所示。10.2.3控制系统程序设计T0中断服务程序流程图网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。一、系统总体设计1、确定系统的控制任务控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。设计要求：►每个温区的温度在9001000℃范围内连续可控；

►各温区的温度以及网带的运行速度可自行设定；

►要求系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回检测、显示和定时打印。计算机控制系统应完成的主要任务有：►六个温区温度的闭环直接数字控制。►网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测。►六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。10.3微机控制系统设计举例二系统组成：

☻微型计算机

☻输入通道

☻输出通道2、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传感器信号放大器V/F光电耦合器CPU小信号V．I0～10Vf特点：采用了由V／F变换器和定时计数器组成的A／D转换器。V／F转换输入通道的结构通常为：

设V／F变换器的额定输出频率为F，计数器对输出脉冲的计数时间为Ts，A／D转换结果的分辨率为i，则有：取Ts＝1s，则在V／F的输出频率范围0～10kHz内，可以得到13位的A／D转换结果。

2)晶闸管数字触发输出通道设计★晶闸管简介晶闸管(可控硅整流器)——功率放大器件。晶闸管的工作方式有：

►调压方式►调功方式调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的。IG

→↓iA+VAK-R+～US_导通角调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波。调功方式输入电炉的平均功率为：P——输入电炉的功率；R——负载有效电阻；U——电网电压；n——允许导通的波头数；N——设定的波头数。当n＝0时，电炉的输入功率为零；n＝N，电炉的输入功率为满功率。★晶闸管数字触发输出通道设计过零检测同步脉冲电路：电网电压同步脉冲3)拨码盘给定输入通道

拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。

4)数码显示输出通道

包括：

►数字量输出接口电路

►锁存译码驱动电路

►七段数码管显示器炉温显示：一位显示温区代号，四位显示4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。

5)打印机输出通道►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。二、微型计算机选择

控制系统选取采用STD总线标准的模块式工业控制计算机。本系统：►主机板采用8098单片机多功能CPU模板，主频9MHz。

►配置了显示及操作面板接口模板。

►打印机接口模板。

►非通用数字触发控制模板。

►反馈通道的V／F变换及A／D转换模板。

三、控制算法设计

整系统属于多变量系统，其数学描述传递矩阵为：

其中：离散后可近似为：式中：y(k)——9×9矩阵；U（k）——9×1矩阵；A—9×9矩阵；B—9×9矩阵。对于系统的每一个温区，其简化动态结构：广义传递函数为：广义脉冲传递函数为：系统的闭环脉冲传递函数为：数字控制器的脉冲传递函数为：进一步简化为：

式中：

差分化后得到控制器差分方程：四、硬件设计硬件电路设计有：

►

前级放大器及多路模拟转换开关。

►

A／D转换模板。

►

数字触发控制模板。五、软件设计★系统控制程序的任务►

系统初始化。►

多路模拟转换开关的切换控制。►

温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理。►

读给定输入值，且将BCD码转换为二进制码。