微型计算机控制技术（第2版）课件：微型计算机控制系统设计及应用实例

微型计算机控制系统设计及应用实例01微型计算机控制系统设计实例微型计算机控制系统设计的原则及步骤02微型计算机控制系统设计的原则及步骤微型计算机控制系统设计实例系统设计的原则1．安全性与可靠性工业控制计算机不同于一般科学计算或管理的计算机，它的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。这是因为，一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故，产生不良后果。因此，在设计过程中，要把安全可靠放在首位。

首先在计算机控制系统中，要选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。

为了预防计算机故障，还常设计后备装置，对于一般的控制回路，选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中去，维持生产过程的正常运行。对于特殊的控制对象，设计两台计算机，互为备用地执行任务，称为双机系统。2．操作维护方便

操作方便表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。例如，操作工已习惯了PID调节器的面板操作，因此就设计成回路操作显示面板，或在CRT画面上设计成回路操作显示画面。

维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外配置诊断程序，用来查找故障。系统设计的原则3．实时性强

工业控制机的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，利用系统的时钟进行定时，保证定时事件能在预定时刻得到处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。4．通用性好

计算机控制的对象干变万化，工业控制计算机的研制开发需要有一定的投资和周期。一般来说，尽管对象多种多样，但从控制功能来分析归类，仍然有共性。比如，一般过程控制对象的输入、输出信号统一为0~10mA（DC）或4~20mA（DC）。因比，系统设计时应考虑能适应各种不同设备和各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。这就要求系统的通用性要好，并能灵活地进行扩充。

工业控制机的通用灵活性体现在两方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。系统设计的步骤控制系统的设计，虽然随控制对象、设备种类、控制方式等的不同而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的，—般有以下几步。1．分析问题和确定任务

在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证。在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。这一步对于能否既快又好地设计出一个数据采集系统是非常关键的，设计者应花较多的时间进行充分的调研，其中包括翻阅一些必要的技术资料和参考文献，学习和借鉴他人的经验，这样可使设计工作少走弯路。系统设计的步骤2．系统总体设计

在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。(1)确定数据采集系统的基本结构。按照被测信号的特点和数据采集系统的性能要求，合理选择确定系统的基本结构。(2)进行硬件和软件的功能分配。数据采集系统是由硬件和软件共同组成的。对于某些既可以用硬件实现，又可以用软件实现的功能，在进行系统总体设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因元器件的增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也会降低。因此，要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时，进行合理的功能分配。系统设计的步骤(3)系统A/D通道方案的确定。确定数据采集系统A/D通道方案是总体设计中的重要内容，其实质是选择满足系统要求的芯片及相应的电路结构形式，通常应根据以下方面来考虑：●模拟信号输入范围、被采集信号的分辨率；●完成一次转换所需的时间；●模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；●模拟信号传输所需的通道数；●多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少；●在保持期间允许的电压下降是多少；●通过多路开关及信号源串联电阻引起的偏差是多少；●所需精度(包括线性度、相对精度、增益及偏置误差)是多少；●当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围；●各通道模拟信号的采集是否要求同步；●所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；●数据通道是串行操作还是并行操作；●数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；根据上述系统各项要求，选择满足性能指标且经济性好的芯片和确定系统A/D通道方案。系统设计的步骤(4)确定微型计算机的配置方案。可以根据具体情况，对计算机的机型、配置等作出选择。在满足系统的性能的条件下，尽量选择经济的机型和配置。选择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。(5)操作界面的设计。控制系统通常都要设计一个供操作人员使用的操作界面，用来进行人机对话或某些操作。因此，操作界面一般应具有下列功能：●输入和修改系统的运行参数；●显示和打印各种参数；●工作方式的选择；●启动和停止系统的运行。为了完成上述功能，操作界面一般由键盘和显示器以及打印机等组成。(6)系统抗干扰设计。

对于数据采集系统，其抗干扰能力要求一般都比较高。因此，抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。系统设计的步骤3．控制系统的硬件设计采用总线式工业控制机进行系统的硬件设计，可以解决工业控制中的众多问题。由于总线式工业控制机的高度模块化和插板结构，因此，可以采用组合方式来大大简化计算机控制系统的设计。采用总线式工业控制机，只需要简单地更换几块模板，就可以很方便地变成另外一种功能的控制系统。在计算机控制系统中，一些控制功能既能用硬件实现，亦能用软件实现，故系统设计时，硬件、软件功能的划分要综合考虑。(1)选择系统的总线和主机机型系统采用总线结构，具有很多优点。采用总线，可以简化硬件设计，用户可根据需要直接选用符合总线标准的功能模板，而不必考虑模板插件之间的匹配问题，使系统硬件设计大大简化；系统可扩性好，仅需将按总线标准研制的新的功能模板插在总线槽中即可；系统更新性好，一旦出现新的微处理器、存储器芯片和接口电路，只要将这些新的芯片按总线标准研制成各类插件，即可取代原来的模板而升级更新系统。

●选择内总线

常用的工业控制机内总线有两种，即PC总线和STD总线。根据需要选择其中一种，一般常选用PC总线进行系统的设计，即选用PC总线工业控制机。系统设计的步骤●选择外总线

外总线就是计算机与计算机之间、计算机与智能仪器或智能外设之间进行通信的总线，它包括并行通信总线(1EEE-488)和串行通信总线(RS-232C)。另外还有可用来进行远距离通信、多站点互联的通信总线RS-422和RS-485。具体选择哪一种外总线，外总线的通信速率、通信距离、系统拓扑结构及通信协议等，要根据计算机控制系统的类型进行综合分析，才能确定。如分布式控制系统中，必然有通信的要求，外总线可选择RS-422和RS-485。但需要说明的是RS-422和RS-485总线在工业控制机的主机中没有现成的接口装置，必须另外选择相应的通信接口板。

●选择主机机型

在总线式工业控制机中，有采用各种CPU的许多机型。以PC总线工业控制机为例，其CPU有8088、80286、80386、80486、Pentium（586）等多种型号，内存、硬盘、主频、显示卡、CRT显示器也有多种规格。设计人员可根据要求合理地进行选型。系统设计的步骤(2)选择输入输出通道模板一个典型的计算机控制系统，除了工业控制机的主机以外，还必须有各种输入输出通道模板，其中包括数字量I/O（即DI/DO）、模拟量I/O（AI/AO）等模板●数字量（开关量）输入输出（DI/DO）模板PC总线的并行I/O接口模板多种多样，通常可分为TTL电平的DI/DO和带光电隔离的DI/DO。通常和工业控制机共地装置的接口可以采用TTL电平，而其它装置与工业控制机之间则采用光电隔离。对于大容量的DI/DO系统，往往选用大容量的TTL电平DI/DO板，而将光电隔离及驱动功能安排在工业控制机总线之外的非总线模板上，如继电器板（包括固体继电器板）等。

●模拟量输入输出(AI/AO)模板AI/AO模板包括A/D、D/A板及信号调理电路等。AI模板输入可能是o~±5V、1~5V、0~10mA、4~20mA以及热电偶、热电阻和各种变送器的信号。AO模板输出可能是0~5V、1~5V、0~10mA、4~20mA等信号。选择AI/AO模板时必须注意分辨率、转换速度、量程范围等技术指标。

系统中的输入输出模板，可按需要进行组合，不管哪种类型的系统，其模板的选择与组合均由生产过程的输入参数和输出控制通道的种类和数量来确定。系统设计的步骤

(3)选择变送器和执行机构

●选择变送器

变送器是一种能将被测变量(如温度、压力、物位、流量、电压、电流等)转换为可远距离传输的统一标准信号(0~10mA、4~20mA等)的装置，其输出信号与被测变量有一定的连续关系。在控制系统中其输出信号被送至工业控制机进行处理，实现数据采集。

常用的变送器有温度变送器、压力变送器、液位变送器、差压变送器、流量变送器、各种电量变送器等。系统设计人员可根据被测参数的种类、量程、被测对象的介质类型和环境来选择变送器的具体型号。

●选择执行机构

执行机构是控制系统中必不可少的组成部分，它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按预先规定的要求正常运行。执行机构的选择要根据系统的要求来确定。系统设计的步骤

4．控制系统的软件设计

用工业控制机来组建计算机控制系统，不仅能通过选用标准的输入、输出模板减少系统硬件设计工作量，而且还能通过选用组态软件减少系统软件设计工作量。组态软件把工业控制所需的各种功能以模块形式提供给用户。其中包括：控制算法模块（多为PID），运算模块（四则运算、开方、最大值/最小值选择、一阶惯性、超前滞后、工程量变换、上下限报警等数十种），计数/计时模块，逻辑运算模块，输入模块，输出模块，打印模块，CRT显示模块等。系统设计者根据控制要求，选择所需的模块就能生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。当然并不是所有的计算机控制系统都采用组态软件，有时在大批量的计算机控制系统产品中，为提高系统的性能，降低软件使用成本，常需自行开发控制系统应用软件。若自行开发控制软件，应先画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再选择程序设计语言，然后编制程序。程序编制应先模块后整体。微型计算机控制系统设计的原则及步骤微型计算机控制系统设计实例温度控制系统的硬件设计温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都需配备温度控制系统。实践证明，用微型计算机进行温度控制，具有控制算法实现容易，能保存大量的运行数据，可通过打印机输出运行曲线，显示直观，操作方便等优点。采用工业控制计算机的温度控制系统如图9-1所示。其中，工业控制计算机、键盘、监视器和打印机构成一台通用的计算机系统。要使通用计算机实现控制功能必须使计算机系统能接收传感器的测量信号且能发出控制信号。为此利用工业控制计算机的PC总线插槽，设计出基于PC总线的数据采集和信号输出系统，如图9-1虚线框部分所示。本系统是一个具有12个控温点的温度控制系统。下面分别叙述数据采集和信号输出系统的各个部分的硬件。总线接口电路总线接口是计算机内部与外部交换数据的桥梁，数据采集和信号输出电路通过总线接口电路与工业控制计算机的PC总线相联，总线接口电路如图9-2所示，该接口电路是由ALTERA公司的大规模可编程逻辑器件EPM7128芯片实现的。在图9-2中，方框内部是EPM7128芯片的内部逻辑图。图中的“译码逻辑”将PC总线上的地址信号和端口读写信号变换成一个选通信号和两个锁存信号；为PC总线扩展一个8位的输入端口（PA）和两个8位的输出端口（PB，PC）。PA的端口地址为300H，PB的端口地址为301H，PC的端口地址为302H。PA端口与AD转换器的数据线相连，用于采集外部数据。8位的PB端口和PC端口的高4位用于12路的温度控制（每一根信号线控制一路温度）。PC端口的低4位接“译码器”输入端，译码器的12个输出驱动多路开关。模/数转换电路温度信号是一种变化相对缓慢的信号，因此系统的采样频率不必很高，本系统中采用MOTOROLA公司的MC14433双积分A/D转换器，MC14433是一种转换结果以BCD码输出，满量程输出为1999的A/D转换器。A/D转换器的输出通过光电耦合器与总线接口电路连接。模/数转换电路如图9-3所示在图9-3中，+5V和-5V是由计算机电源通过隔离的DC/DC变换器得到的，目的是使外部的输入信号与计算机内部信号隔离，以提高系统的可靠性和抗干扰能力。信号处理电路热电偶是一种温差传感器，其输出的热电势由热电偶测温点和冷端的温度差决定，热电偶的冷端温度一般与环境温度相同，因此热电偶测温点的温度应是环境温度与热电势所代表温度的和。信号处理电路的任务是把环境温度信号和热电偶温差信号综合成测温点的温度信号（即冷端补偿）。热电偶的信号处理电路如图9-4所示在图9-4中，LM335为测量环境温度的传感器，其灵敏度为10mv/度，K型热电偶的灵敏度为40μv/度，两者的灵敏度不同。通过调节电位器R9可使环境温度信号与温差信号的灵敏度相同。由于LM335是一种绝对温度传感器，而测温点的温度是摄氏温度，调节电位器R15可把测温点的温度由绝对温度转化为摄氏温度。电路中的R4是断偶报警电阻。当热电偶断开时，放大器的输入端通过R4加入一个很大的信号，放大器的输出信号也很大，使A/D转换器产生溢出异常，从而起到报警作用。当热电偶接通时，由于热电偶的内阻很小，报警电阻R4的电阻值很大，故报警电阻R4对正常测量没有影响。热电偶多路开关电路本系统是一个多回路的温度控制系统，需要测量多个控温点的温度，而信号处理电路只有一套，因此必须用多路开关分时接通各个测温热电偶，以实现对多个控温点的温度信号采集。图9-5是多路开关的电路，MC1413为继电器驱动电路，12个继电器的触点构成多路开关。任何时刻最多只能有一个继电器吸合。继电器通断由总线接口电路的Y11~Y0控制。信号输出及驱动电路控制系统输出的控制信号类型与执行器密切相关，本系统的执行器是固态继电器，驱动固态继电器只要开关量信号。图9-6是信号输出及驱动电路。由于系统有12个控温点，故电路中有12个开关量输出信号。为提高系统的抗干扰能力，输出信号通过光耦隔离输出。控制执行器电路控制系统中的控制执行器为固态继电器，如图9-7所示。当信号输出及驱动电路中的输出光耦导通时，固态继电器的控制端有电流，固态继电器导通，加热器加热，当信号输出及驱动电路中的输出光耦断开时，固态继电器的控制端没有电流，固态继电器不导通，加热器不加热。因此，控制系统通过控制输出光耦的通断来控制加热器，从而实现温度控制。温度控制系统的软件设计

实时监控软件是计算机控制系统不可缺少的组成部分，实时监控软件的设计是计算机控制系统设计的关键内容之一。尽管目前面向计算机控制系统的通用商业组态软件很多，但这类组态软件都有各自的限制：相应的硬件配置要求，难以满足一些特殊的编程需要等。因此自行设计控制系统的监控软件在所难免。图9-8是温度控制系统监控软件的主程序框图，主程序由初始化模块、数据采集及处理模块、控制量计算、控制量输出模块、键盘管理模块和信息显示模块组成。监控软件中除主程序外还包括时钟中断服务程序。主程序中的每个模块都由相应的时间到标志控制。时间到标志在时钟中断服务程序中被置“1”，主程序中模块被执行时相应的时间到标志被置“0”。下面分别叙述主程序框图中的各个模块和时钟中断模块。

温度控制系统的软件设计1．初始化模块

初始化模块是监控软件运行过程中只执行一次的所有任务的集合，本系统中初始化模块的任务包括：输入/输出端口的初始化，时钟中断模块的初始化及其它模块中一些变量的初始化。2．数据采集及处理模块由于本系统是一个多路数据采集系统，程序中用一个具有12个元素的数组IN（12）来存放采集并处理过的数据，数据采集模块每执行一次（2秒执行一次），采集一个通道的数据，并把多路开关切换到下一个通道，以便下次执行数据采集模块时能采集下一个通道的数据。由于热电偶的热电势与温差存在非线性关系，为此用一个具有2000（MC14433的采样值0~1999）个元素且有初始值的数组TAB0（2000），数组的下标代表采样值，数组元素的值代表此采样值对应的温度，数据处理时把采样值作为下标，用此下标读取TAB数组元素中的值并赋值给IN数组的某个元素。例如正在采集第I个通道的数据，采样值为X，则执行IN（I）=TAB0（X）语句就完成了数据处理的任务。此外数据采集及处理模块在读取A/D中数据时，还要判断A/D是否溢出，并把溢出标志存放到ALARM（12）数组中，作为断偶报警的标志。温度控制系统的软件设计3．控制量计算模块

控制量计算模块的任务是根据温度采样值和温度给定值，计算输出控制量。控制量的计算公式与所采用的控制算法有关。温度控制系统控制效果的优劣完全取决于所采用的控制算法。控制量的取值范围在0~100之间，若计算控制量大于100，则令控制量等于100，若计算控制量小于0，则令控制量等于0．控制量计算模块的执行周期为2秒，即某通道采样一次，控制量计算模块计算一次该通道的控制量，并把计算结果放到OUT（12）数组中。控制量计算模块中还安排计算给定温度（升温或降温过程）或运行时间（恒温过程），并判断控温过程是否结束（升温过程：给定温度大于终止温度，控温过程结束。降温过程：给定温度小于终止温度，控温过程结束。恒温过程：运行时间大于恒温时间，控温过程结束）．此外，控制量计算模块还要判断某个通道是否超温或欠温，并把超温、欠温标志存放到ALARM（12）数组中。温度控制系统的软件设计4．控制量输出模块

控制量输出模块的任务是根据控制量的大小，控制输出端的通断占空比，控制量输出模块的执行周期为20毫秒，控制量的输出周期为2秒。若控制量为50，则在输出周期内一半时间输出端接通，另一半时间输出端关断。控制量输出程序的框图如图9-9所示。温度控制系统的软件设计5．键盘管理模块

系统人机界面的友好，是一个系统成功的关键。键盘管理程序是人机界面的重要组成部分，因此键盘管理程序在监控程序中具有举足轻重的地位。键盘管理程序的任务是通过按键完成系统的参