微型計算機控制技術10xin

計算機工業(yè)控制主講:馬有良聯(lián)系郵箱：mayouliang@聯(lián)系電話南科技大學機電專業(yè)系列課程第9章微型計算機控制系統(tǒng)設計設計原則：?操作性好?實施性強?通用性好?經濟效益高?可靠性高一般設計步驟：

?控制系統(tǒng)總體方案的確定

?微型計算機及接口的選擇

?控制算法的選擇

?控制系統(tǒng)的硬件設計

?控制系統(tǒng)的軟件設計?微型計算機控制系統(tǒng)的調試§10.1微型機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟設計的基本要求（1）系統(tǒng)操作性能要好（2）通用性好、便于擴充（3）可靠性要高①采用雙機系統(tǒng)。②采用集散控制系統(tǒng)。設計特點

在進行微機控制系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)設計人員必須把系統(tǒng)要執(zhí)行的任務和應具備的功能合理地分配給硬件和軟件來實現(xiàn)，做到合理權衡硬件、軟件的配置，并盡量節(jié)省機器時間和內存空間。硬件設計主要采用大規(guī)模集成電路。一、確定系統(tǒng)總體控制方案

構思系統(tǒng)的整體方案，應從以下幾方面入手：?考慮系統(tǒng)結構?執(zhí)行機構采用什么方案?

有否特殊控制要求？特殊要求應采取那些措施？

?確定計算機在整個控制系統(tǒng)中所起的作用二、確定控制算法（1）確定算法能否滿足控制速度、精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。（2）確定某些情況下要進行修改與補充。（3）確定為設計、調試方便，可將控制算法作合理的簡化，逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。三、選擇計算機所選計算機應滿足以下要求：

?完善的中斷系統(tǒng)

?足夠的存儲容量?

完備的I/O通道和實時時鐘?字長、速度、指令種類和數(shù)量?尋址范圍和尋址方式

?內部存儲器的種類和數(shù)量

四、系統(tǒng)總體設計

★硬件軟件功能分配與協(xié)調

大量使用硬件會增加成本，影響系統(tǒng)可靠性；增加軟件，系統(tǒng)速度相應降低?！锝涌谠O計接口設計內容：

?擴充接口?安排接口電路的I/O信號及交換方式常用的擴充方法：

?選用專門的功能接口板

?選用通用接口電路?

用集成電路自行設計接口電路接口電路I/O信號的交換方式：

?中斷控制讀取I／O方式?

直接存儲器存取方式★通道設計系統(tǒng)I/O通道：

?數(shù)字量I/O通道?

開關量I/O通道?

模擬量I/O通道?

脈沖量I/O通道

總體設計中，應確定本系統(tǒng)應設置什么樣的通道、每個通道由幾部分組成，各部分選用什么器件等?！锊僮鲉T控制臺設計

包括：各種轉換開關、按鈕、鍵盤、數(shù)字顯示器、狀態(tài)故障指示燈等?！锟煽啃栽O計五、硬件設計

任務：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設計出系統(tǒng)的電氣原理圖，再按照電氣原理圖選購元件和進行施工設計。包括：

?接口電路和I/O通道的擴充

?

組合邏輯或時序邏輯電路

?供電電源

?

光電隔離?

電平轉換?

驅動放大電路等硬件設計：根據(jù)系統(tǒng)總體框圖，設計出系統(tǒng)電氣原理圖，再按照電氣原理圖著手元件的選購和開始施工設計工作?！锝M織應用軟件的內容及步驟：

?確定具體要求?

軟件規(guī)劃?

程序編制

?

軟件調試

?善后工作★確定具體要求

?管理要求

?

輸入輸出要求

?

語言加工要求

?功能處理要求

六、軟件設計軟件

系統(tǒng)軟件應用軟件★軟件規(guī)劃?模式選擇

?語言選擇匯編語言或高級語言

?確定數(shù)據(jù)結構?劃分程序塊?確定程序編制順序?內存安排?用符號來代替某部分程序的首址?粗略估算各部分容量?根據(jù)具體情況對內存作精確安排★程序編排和分配

★軟件裝配和總調

★軟件設計的善后工作

軟件系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調試程序子程序庫數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報警程序事故預告程序畫面顯示程序軟件設計：①實時性。②針對性。③靈活性和通用性。應用程序的語言選擇及設計步驟

1、語言選擇

?機器語言?

匯編語言

?

高級語言

2、應用程序的設計步驟和方法

應用程序設計的五個步驟：

?問題定義?

程序設計

?編碼

?調試?

改進和再設計程序設計通常采用模塊程序設計法和結構程序設計法結構化程序設計基本思想的三種基本結構表示：順序結構選擇結構循環(huán)結構

高級語言和匯編語言的混合編程1、混合語言編程的基本概念

1）程序接口在一種語言程序中調用由其他語言編寫的程序模塊。

2）命名約定為了解決不同語言對名稱標識符的不同處理，對目標文件名長度的不同限制的約定。

3）調用約定在兩種程序語言中為實現(xiàn)彼此調用而建立的一種協(xié)定，它具體對應了一個函數(shù)、一個過程或者是一個子程序的調用過程。

4）參數(shù)傳遞約定在定義或說明時用形式參數(shù)，調用時則替換成實際參數(shù)。參數(shù)傳遞方式：

?傳值

?

傳址

?

傳名

?

傳結果

2、C語言程序對匯編語言程序的調用

1）C語言程序中的接口處理

?命名約定

?調用約定?

參數(shù)傳遞約定

2）匯編語言中的接口處理

?在定義和編寫匯編語言程序的被調用過程時，應以下劃線開頭，并用PUBLIC說明。

?如果C語言程序以巨型、大型、存儲模式編譯，被C語言調用的匯編過程應說明成fa；小型、緊湊型存儲模式編譯，被調用的匯編過程應說明成NEAR。?

考慮調用約定?

在被C語言調用的匯編過程中用指令RET返回，而在BASIC等其他語言中要求用指令RETn返回。?

根據(jù)缺省默認，C語言的參數(shù)傳遞方式是傳值，但數(shù)組總是采用傳址方式。3、匯編語言程序對C語言程序的調用

1）命名約定2）調用約定3）參數(shù)傳遞的方式4、微型計算機控制系統(tǒng)的研制工具利用聯(lián)機仿真器可以實現(xiàn)以下開發(fā)手段：1）系統(tǒng)實時仿真2）資源借調3）控制系統(tǒng)綜合設計和調試系統(tǒng)聯(lián)調是要把已調好的各程序功能塊按照總體設計要求連成一個完整的程序。程序調試完成后，還要進行在線仿真，然后進行試運行。經過一段考機和試運行后，即可投入正式運行。七、系統(tǒng)聯(lián)調第9章微型計算機控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計步驟流程圖控制對象的功能和工作過程分析估算及分配I/O口,存儲器容量及外圍設備畫系統(tǒng)工藝流程圖I/O口的具體分配畫系統(tǒng)程序框圖系統(tǒng)部件的詳細設計編制源程序部件芯片老化篩選和測試匯編布線及安裝形成目標程序系統(tǒng)試運行調試硬件調試和仿真完成否?硬件錯否?完成否?寫入EPROM結束設計硬件設計軟件設計是是是否否否開始

10.2.1硬件電路

10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學模型

10.2.3控制系統(tǒng)程序設計10.2微機控制系統(tǒng)設計舉例一電阻爐爐溫控制系統(tǒng)設計圖10-2電阻爐爐溫控制系統(tǒng)原理圖變送器鍵盤與顯示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CE~OCD70~ALECEIO/M~A70A701/2WRRDA0A1A2紅綠紅ABCCLK~D70OEALESTARTIN0EOC...........光耦驅動器MC14528220V~加熱絲LM31174LS00TIL117........過零信號發(fā)生器ADC0809.熱電偶10.2.1硬件電路1.檢測元件及變送器檢測元件選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶，分度號為EU，適用于0℃~1000℃的溫度測量范圍，相應輸出電壓為0mV~41.32mV。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0~41.32mV變換成0~10mA范圍內的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出的0~10mA電流變換成0~5V范圍內的電壓。10.2.1硬件電路表10-1溫度-數(shù)字量對照表10.2.1硬件電路2.接口電路8031的接口電路有ADC0809、8155和2732等。本系統(tǒng)采用ADC0809型A/D轉換器，該芯片為8位逐次逼近型A/D轉換器。ADC0809為溫度測量電路的輸入接口；8155用于鍵盤和顯示接口；2732作為8031外部程序(ROM)存儲器。10.2.1硬件電路3.溫度控制電路如圖雙向可控硅和加熱絲串接在交流回路，因此可控硅導通時間決定加熱絲的加熱功率。圖10-3給出了可控硅在給定周期T內具有不同導通時間的情況。過零信號是正弦交流電壓過零時刻的同步脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零后觸發(fā)導通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產生，如圖10-4所示。10.2.1硬件電路圖10-3輸出功率與通斷時間的關系10.2.1硬件電路圖10-4過零觸發(fā)電路10.2.1硬件電路閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)可近似看成一階慣性環(huán)節(jié)加一個延遲環(huán)節(jié)。因此，根據(jù)第4章第5節(jié)的推導，可以得出：經化簡后得到：10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學模型式中：A=C=B=A因為，D(z)=R(z)/E(z)，得：10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學模型y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1-C)×y(n-N-1)式中：y(n)——n時刻的輸出值；e(n)——n時刻的偏差值；e(n-1)——n-1時刻的偏差值；y(n-N-1)——n-N-1時刻的輸出值。由系統(tǒng)的飛升特性曲線確定出τ和τ1后，系數(shù)A、B、C則可分別求出。10.2.2數(shù)字控制器的數(shù)學模型主程序流程圖10.2.3控制系統(tǒng)程序設計1、主程序2.T0中斷服務程序T0中斷服務程序是此系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D轉換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報警和越限處理、大林算法計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。在T0中斷服務程序中，要用到一系列子程序。如：采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、越限處理程序、大林算法程序、標度變換程序和溫度顯示程序等。T0中斷服務程序流程圖如圖9-6所示。10.2.3控制系統(tǒng)程序設計T0中斷服務程序流程圖網帶式多溫區(qū)電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)的設計。一、系統(tǒng)總體設計1、確定系統(tǒng)的控制任務控制對象：六溫區(qū)網帶式連續(xù)燒結電阻爐。設計要求：?每個溫區(qū)的溫度在9001000℃范圍內連續(xù)可控；

?各溫區(qū)的溫度以及網帶的運行速度可自行設定；

?要求系統(tǒng)能夠對六個溫區(qū)的溫度及網帶運行速度巡回檢測、顯示和定時打印。計算機控制系統(tǒng)應完成的主要任務有：?六個溫區(qū)溫度的閉環(huán)直接數(shù)字控制。?網帶拖動直流調速系統(tǒng)的速度給定和速度檢測。?六個溫區(qū)溫度及網帶運動速度的巡回檢測、顯示和定時打印。10.3微機控制系統(tǒng)設計舉例二系統(tǒng)組成：

?微型計算機

?輸入通道

?輸出通道2、輸入輸出通道及其接口設計1）溫度檢測模擬輸入通道設計傳感器信號放大器V/F光電耦合器CPU小信號V．I0～10Vf特點：采用了由V／F變換器和定時計數(shù)器組成的A／D轉換器。V／F轉換輸入通道的結構通常為：

設V／F變換器的額定輸出頻率為F，計數(shù)器對輸出脈沖的計數(shù)時間為Ts，A／D轉換結果的分辨率為i，則有：取Ts＝1s，則在V／F的輸出頻率范圍0～10kHz內，可以得到13位的A／D轉換結果。

2)晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計★晶閘管簡介晶閘管(可控硅整流器)——功率放大器件。晶閘管的工作方式有：

?調壓方式?調功方式調壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調節(jié)晶閘管的導通角，使輸入到電加熱元件的電壓改變，達到調節(jié)用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控制目的。IG

→↓iA+VAK-R+～US_導通角調功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時控制信號才使晶閘管的觸發(fā)導通，則負載上得到的電壓是一個正弦波。調功方式輸入電爐的平均功率為：P——輸入電爐的功率；R——負載有效電阻；U——電網電壓；n——允許導通的波頭數(shù)；N——設定的波頭數(shù)。當n＝0時，電爐的輸入功率為零；n＝N，電爐的輸入功率為滿功率。★晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計過零檢測同步脈沖電路：電網電壓同步脈沖3)撥碼盤給定輸入通道

撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設備，設定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時，需要事先將非數(shù)字信息轉換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。

4)數(shù)碼顯示輸出通道

包括：

?數(shù)字量輸出接口電路

?鎖存譯碼驅動電路

?七段數(shù)碼管顯示器爐溫顯示：一位顯示溫區(qū)代號，四位顯示4位溫度值；網帶速度顯示：一位顯示網帶速度代號，四位顯示網帶速度。

5)打印機輸出通道?系統(tǒng)配置了通用打印機接口電路。?打印內容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。二、微型計算機選擇

控制系統(tǒng)選取采用STD總線標準的模塊式工業(yè)控制計算機。本系統(tǒng)：?主機板采用8098單片機多功能CPU模板，主頻9MHz。

?配置了顯示及操作面板接口模板。

?打印機接口模板。

?非通用數(shù)字觸發(fā)控制模板。

?反饋通道的V／F變換及A／D轉換模板。

三、控制算法設計

整系統(tǒng)屬于多變量系統(tǒng)，其數(shù)學描述傳遞矩陣為：

其中：離散后可近似為：式中：y(k)——9×9矩陣；U（k）——9×1矩陣；A—9×9矩陣；B—9×9矩陣。對于系統(tǒng)的每一個溫區(qū)，其簡化動態(tài)結構：廣義傳遞函數(shù)為：廣義脈沖傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為：進一步簡化為：

式中：

差分化后得到控制器差分方程：四、硬件設計硬件電路設計有：

?

前級放大器及多路模擬轉換開關。

?

A／D轉換模板。

?

數(shù)字觸發(fā)控制模板。五、軟件設計★系統(tǒng)控制程序的任務?

系統(tǒng)初始化。?

多路模擬轉換開關的切換控制。?

溫度反饋信號采樣和數(shù)字濾波、線性化處理。?

讀給定輸入值，且將BCD碼轉換為二進制碼。