典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；分散控制系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng);計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。18.1基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

該類系統(tǒng)是一種非常典型的DDC控制系統(tǒng)，工控機(jī)通過(guò)基于PC總線的板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并按照一定的控制規(guī)律實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過(guò)板卡輸出，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程直接進(jìn)行控制。該類系統(tǒng)具有組成靈活，成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。是目前在工業(yè)上用得比較多的一類系統(tǒng)。

28.1.1PC總線的工業(yè)控制機(jī)簡(jiǎn)介

工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IndustrialPersonalComputer（簡(jiǎn)稱IPC）是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行測(cè)量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱工控機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。早在20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機(jī)，隨后美國(guó)IBM公司正式推出工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價(jià)格低廉，而在工控機(jī)中異軍突起，后來(lái)居上，應(yīng)用日趨廣泛。3工控機(jī)示意圖西門(mén)子工控機(jī)研華工控機(jī)41.工業(yè)PC的結(jié)構(gòu)工業(yè)控制機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖8.1所示，主要有以下幾部分組成。圖8.1工控機(jī)典型結(jié)構(gòu)圖①全鋼機(jī)箱②無(wú)源底板③工業(yè)電源④CPU卡⑤其他配件下一頁(yè)5CPU板返回6無(wú)源底板返回72.工業(yè)PC的特點(diǎn)(1)專門(mén)為工業(yè)工程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的工業(yè)PC機(jī)有以下特點(diǎn)：①支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板。②所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率，并均為模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級(jí)換代。所有的卡使用專用的固定架將插板壓緊，防止震動(dòng)引起的接觸不良。③開(kāi)放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。82.工業(yè)PC的特點(diǎn)(2)④采用和PC/AT總線兼容的無(wú)源底板。它使用帶有電源層和地的4層電路板，有效地提高了系統(tǒng)地抗干擾能力。無(wú)源底板帶有4，6，8，12，14或20槽。⑤機(jī)箱采用全鋼機(jī)構(gòu)，可防止電磁干擾；采用150W-350W帶除塵過(guò)濾器的工業(yè)開(kāi)關(guān)電源，具有足夠地負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。軟盤(pán)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器安裝采用橡皮緩沖防震，并有防塵門(mén)。⑥可內(nèi)裝電子盤(pán)以取代機(jī)械磁盤(pán)，使PC機(jī)在工業(yè)環(huán)境下的操作具有高速﹑高可靠性。93.常用的工業(yè)控制機(jī)簡(jiǎn)介當(dāng)前國(guó)內(nèi)外工控機(jī)型號(hào)很多，下面簡(jiǎn)要介紹主要常用的工控機(jī)：工控機(jī)的生產(chǎn)廠家很多，國(guó)外有美國(guó)IBM、ICS、德國(guó)西門(mén)子、日本康泰克等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場(chǎng)定位高。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)是工控機(jī)的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研華、威達(dá)、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國(guó)大陸及臺(tái)灣市場(chǎng)均有較高的市場(chǎng)占有率。國(guó)內(nèi)也有很多工控機(jī)品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷斯、北京華北等。108.1.2基于PC總線的板卡簡(jiǎn)介基于PC總線的板卡是指計(jì)算機(jī)廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用功能模板。基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能，。下面以研華PCI系列測(cè)控板卡為例介紹一下不同種類的典型板卡的性能和特點(diǎn)。111.模擬量輸入板卡（A/D卡）基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。板卡的模擬信號(hào)采集精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。12例如研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，如圖8.2所示。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合方式輸入等三種輸入方式，它帶有2500VDC隔離保護(hù)；采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣數(shù)率可達(dá)100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個(gè)輸入通道的增益可編程。圖8.2研華PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡132.模擬量輸出板卡（D/A卡）

模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、轉(zhuǎn)換精度等性能指標(biāo)外，還有建立時(shí)間、溫度系數(shù)等指標(biāo)約束。模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負(fù)載能力。14例如研華PCI-1720模擬量輸出卡，如圖8.3所示。PCI-1720提供了四個(gè)用于PCI總線的12位隔離數(shù)字量到模擬量輸出。它是過(guò)程控制、伺服控制和可編程電壓源最好的解決方案。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護(hù)，PCI-1720非常適合需要高電壓保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)合，該板卡具有4路輸出通道。圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡153.數(shù)字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）數(shù)字量輸入輸出接口相對(duì)簡(jiǎn)單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器。

16例如研華PCI-1760光隔開(kāi)關(guān)量輸入輸出卡提供了8路數(shù)字量輸入通道和8路繼電器輸出通道。與傳統(tǒng)卡比較，PCI-1760為每個(gè)數(shù)字量輸入通道增加了可編程的數(shù)字濾波器。此功能使相應(yīng)輸入通道的狀態(tài)不會(huì)更新，直到高/低信號(hào)保持了用戶設(shè)定的一段時(shí)間后才改變。這樣有助于保持系統(tǒng)的可靠性。圖8.4PCI-1760數(shù)字量輸入輸出卡174.脈沖量輸入板卡工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測(cè)信號(hào)等，這些都要脈沖量輸入板卡或一些專用測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量。脈沖量輸入板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過(guò)跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測(cè)頻等不同工作方式?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，來(lái)提高板卡測(cè)量的抗干擾能力。

18例如研華PCI-1780計(jì)數(shù)/定時(shí)卡，如圖8.5所示，是基于PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡，該卡使用了AM9513芯片，能夠通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能，此外，該卡還提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，該卡具有8通道可編程時(shí)鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達(dá)20MHz，多種時(shí)鐘可以選擇，可編程計(jì)數(shù)器輸出，計(jì)數(shù)器門(mén)選通功能。圖8.5PCI-17808通道定時(shí)/計(jì)數(shù)卡198.1.3基于PC總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的各種工況參數(shù)（溫度、壓力、流量、成分、位置、轉(zhuǎn)速等）由傳感器或一次測(cè)量?jī)x表進(jìn)行檢測(cè)，然后經(jīng)變送器把它們統(tǒng)一變換成4～20mA的電信號(hào),經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)則對(duì)被測(cè)信號(hào)按一定的控制規(guī)律（如PID規(guī)律）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出送給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量?？刂屏坑捎?jì)算機(jī)輸出，經(jīng)I/O接口送往輸出通道，形成閉環(huán)控制。

201.組成（1）基于工控機(jī)和板卡組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。（1）硬件部分①控制計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，可以對(duì)輸入的現(xiàn)場(chǎng)信息和操作人員的操作信息進(jìn)行分析、處理，根據(jù)預(yù)先確定的控制規(guī)律，實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，控制和管理其他的設(shè)備?？紤]到工業(yè)控制領(lǐng)域較惡劣的環(huán)境，一般選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。211.組成（2）②I/O通道輸入輸出（I/O）通道在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，完成傳感器輸出信號(hào)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間，或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)元件之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換和匹配的功能，稱接口電路。它使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)能正確地接受被控對(duì)象工作狀態(tài)的檢測(cè)信號(hào)，而且能實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確地對(duì)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行控制。

221.組成（3）③參數(shù)檢測(cè)被控對(duì)象需要檢測(cè)的參數(shù)分為模擬量參數(shù)和開(kāi)關(guān)量參數(shù)兩類。對(duì)于模擬量參數(shù)的檢測(cè)，主要選用合適的傳感器，通過(guò)傳感器將這類參數(shù)轉(zhuǎn)換為成正比例的模擬量電信號(hào)。開(kāi)關(guān)量參數(shù)檢測(cè)常用的元件有行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、繼電器或接觸器的吸合釋放等開(kāi)關(guān)型元件來(lái)完成，通過(guò)這些元件向計(jì)算機(jī)輸入開(kāi)關(guān)量電信號(hào)。231.組成（4）④輸出驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的輸出驅(qū)動(dòng)，按輸出信號(hào)形式不同，也可分為模擬量信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)兩種。模擬量信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)主要用于伺服系統(tǒng)控制、變頻控制和調(diào)節(jié)閥等，開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)主要用于控制只有兩種工作狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)行。241.組成（5）⑤人機(jī)接口人機(jī)接口是操作人員和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間信息交換的設(shè)備，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中必不可少的部分，主要由鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器等組成。直接使用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等輸入控制命令和指令數(shù)據(jù)，使用顯示器顯示運(yùn)行狀態(tài)和故障并幫助查找和診斷故障，以及運(yùn)行中間數(shù)據(jù)的檢查、運(yùn)行過(guò)程的統(tǒng)計(jì)等。25（2）軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)軟件和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)軟件有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、用戶程序開(kāi)發(fā)支撐軟件，如開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、編譯軟件、調(diào)試工具等。用戶程序是指控制系統(tǒng)中與控制對(duì)象或控制任務(wù)相應(yīng)的控制程序。應(yīng)用程序一般都由用戶自己根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、資源配備情況開(kāi)發(fā)完成。262.特點(diǎn)基于PC總線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的DDC系統(tǒng)，因此它具有以下特點(diǎn)：（1）時(shí)間上具有離散性計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的有關(guān)參量進(jìn)行控制時(shí)，是以定時(shí)采樣和階段控制來(lái)代替常規(guī)儀表的連續(xù)測(cè)量和連續(xù)控制的。因此，確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)是提高系統(tǒng)控制精度、減少轉(zhuǎn)換誤差的關(guān)鍵。27（2）采用分時(shí)控制方式

DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)要控制多個(gè)回路，為此，該類系統(tǒng)采用“分時(shí)”控制的方法，即將某一回路的采樣和A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出控制三部分的時(shí)間與其前后回路錯(cuò)開(kāi)，放在不同的控制時(shí)間里。這樣，既保證了控制過(guò)程的正常進(jìn)行，又能充分利用系統(tǒng)中的各種設(shè)備，提高了控制效率。28（3）具有人機(jī)對(duì)話功能計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具備的操作者和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互相聯(lián)系的功能。操作者通過(guò)輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)送入控制命令，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則通過(guò)輸出設(shè)備送出有關(guān)信息。一般的計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)除了普通的各種指示外，還都通過(guò)相應(yīng)接口連接顯示屏、打印機(jī)、控制鍵盤(pán)、越限報(bào)警裝置等。29（4）控制方案靈活

對(duì)于一個(gè)模擬系統(tǒng)，控制算法是由硬件實(shí)現(xiàn)的，硬件確定后控制算法也就確定了，而計(jì)算機(jī)DDC控制系統(tǒng)的控制算法是由軟件實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)改變程序即可達(dá)到改變控制算法的目的，不僅方便靈活，并且還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。對(duì)于多回路控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，路數(shù)越多，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。

30（5）危險(xiǎn)集中由于這類系統(tǒng)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制幾十個(gè)回路，所以一旦計(jì)算機(jī)的軟件或硬件出現(xiàn)故障將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。DDC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)直接與生產(chǎn)過(guò)程連接，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計(jì)算機(jī)的可靠運(yùn)行。因此，不僅需要計(jì)算機(jī)本身具有較高的可靠性，必須采取抗干擾措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，使之能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

。318.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

328.2.1數(shù)字調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介數(shù)字調(diào)節(jié)器是一種數(shù)字化的過(guò)程控制儀表，其外表類似于一般的盤(pán)裝儀表，而其內(nèi)部由微處理器、RAM、ROM、模擬量和數(shù)字量I/O通道、電源等部分構(gòu)成的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調(diào)節(jié)器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級(jí)控制、前饋控制等。

331.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類（1）數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)用途和性能的差異可以分為以下幾種類型：（1）定程序控制器制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只需要通過(guò)組態(tài)，不必編寫(xiě)程序，它適合于典型的對(duì)象和通用的生產(chǎn)過(guò)程。（2）可編程調(diào)節(jié)器用戶可以從調(diào)節(jié)器內(nèi)部提供的諸多功能模塊中選擇所需要的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調(diào)節(jié)器按照要求工作。這種調(diào)節(jié)器優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，編程方便，缺點(diǎn)是需要編程器，而且需要編程序才能使用，對(duì)使用者要求較高。341.數(shù)字調(diào)節(jié)器的分類（2）（3）混合控制器這是一種專為控制混合物成分用的控制器，雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不如這種經(jīng)濟(jì)方便。（4）批量控制器這是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量裝載用的控制器，特別為周期性工作設(shè)計(jì)。352.數(shù)字調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)模擬調(diào)節(jié)器只是由硬件（模擬元器件）構(gòu)成，它的功能完全由硬件決定，因此其控制功能比較單一；而數(shù)字調(diào)節(jié)器是由微處理器為核心構(gòu)成的硬件電路和有系統(tǒng)程序、用戶程序構(gòu)成的軟件兩大部分組成，其功能主要是由軟件所決定，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。36(1)數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件部分圖8.6數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件電路37(2)數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件數(shù)字調(diào)節(jié)器器的軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。①系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是控制器軟件的主體部分，通常由監(jiān)控程序和功能模塊兩部分組成。監(jiān)控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時(shí)完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以構(gòu)成用戶程序，使控制器實(shí)現(xiàn)用戶所規(guī)定的功能。38②用戶程序用戶程序是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)要求，在系統(tǒng)程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按一定的規(guī)則連接起來(lái)，其作用是使控制器完成預(yù)定的控制與運(yùn)算功能。使用者編制程序?qū)嶋H上是完成功能模塊的連接，也即組態(tài)工作。

393.數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)（1）運(yùn)算控制功能強(qiáng)（2）通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)所需功能（3）帶有自診斷功能（4）帶有數(shù)字通訊功能（5）具有較有好的人機(jī)界面408.2.2基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介使用數(shù)字調(diào)節(jié)器不但可以實(shí)現(xiàn)單回路控制，還可以實(shí)現(xiàn)諸如串級(jí)控制、前饋控制、變?cè)鲆婵刂频葟?fù)雜控制方案。因此，由數(shù)字調(diào)節(jié)器組成的控制回路往往被認(rèn)為是一個(gè)典型的直接數(shù)字控制（DDC）回路。另外，由于數(shù)字調(diào)節(jié)器具有較強(qiáng)的通信功能，上位機(jī)可以讀取回路數(shù)據(jù)，也可以設(shè)置回路參數(shù)。這樣多臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)器與上位機(jī)一起就可以構(gòu)成一個(gè)中小型的DCS控制系統(tǒng)。

41數(shù)字調(diào)節(jié)器可以與上位計(jì)算機(jī)一起組成中小型DCS控制系統(tǒng)。數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)回路控制，構(gòu)成獨(dú)立的DDC控制，多個(gè)數(shù)字調(diào)節(jié)器控制的許多回路都與上位機(jī)進(jìn)行通訊。這種類型的控制系統(tǒng)可如圖8.7所示。通信協(xié)議……計(jì)算機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器數(shù)字調(diào)節(jié)器被控對(duì)象圖8.7系統(tǒng)的基本構(gòu)成428.3基于可編程控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可編程控制器（PLC）是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的工業(yè)控制器，由于它把計(jì)算機(jī)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)與繼電器系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。438.3.1PLC簡(jiǎn)介1.PLC的特點(diǎn)PLC是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠較好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。44（1）高可靠性PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。具有完整的監(jiān)視和診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故障擴(kuò)大。大型PLC還采用由雙CPU構(gòu)成的冗余系統(tǒng)，使可靠性進(jìn)一步提高。45（2）功能齊全PLC的基本功能包括：開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出，輔助繼電器，狀態(tài)繼電器，延時(shí)繼電器，鎖存繼電器，主控繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，移位寄存器，凸輪控制器，跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制I/O等。PLC的擴(kuò)展功能有聯(lián)網(wǎng)通信、成組數(shù)據(jù)傳送、PLD閉環(huán)回路控制，排序查表功能，中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能。PLC有豐富的I/O接口模塊，PLC針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)（如交流或直流、開(kāi)關(guān)量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強(qiáng)電或弱電等）都有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接相連。46（3）應(yīng)用靈活除了單元式小型PLC外，絕大多數(shù)PLC采用標(biāo)準(zhǔn)的積木硬件結(jié)構(gòu)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)，使其不僅可以適應(yīng)大小不同、功能繁復(fù)的控制要求，而且可以適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場(chǎng)合。47（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短PLC的安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，可以按積木方式擴(kuò)充和刪減其系統(tǒng)規(guī)模。由于它的邏輯、控制功能是通過(guò)軟件完成的，因此允許設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)硬件設(shè)備之前，就進(jìn)行“軟接線”工作，從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試周期。48（5）操作維修方便PLC采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖形式編程與功能助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程序和編寫(xiě)、修改程序。操作人員經(jīng)短期培訓(xùn)，就可以使用PLC。其內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、I/O點(diǎn)狀態(tài)和異常狀態(tài)等均有醒目的顯示。因此，操作人員、維修人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地了解機(jī)器故障點(diǎn)，利用替代模塊或插件的辦法迅速排除故障。492.PLC的分類(1)按地域范圍PLC一般可分成三個(gè)流派：美國(guó)流派、歐洲流派和日本流派。這種劃分方法雖然不很科學(xué)，但具有實(shí)用參考價(jià)值。一方面，美國(guó)PLC技術(shù)與歐洲PLC技術(shù)基本上是各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)而成的，二者表現(xiàn)出明顯的差異性，而日本的PLC技術(shù)是由美國(guó)引進(jìn)的，因此它對(duì)美國(guó)的PLC技術(shù)既有繼承，也有發(fā)展，而且日本產(chǎn)品主要定位在小型PLC上；另一方面，同一地域的產(chǎn)品面臨的市場(chǎng)相同，用戶的要求接近，相互借鑒就比較多，技術(shù)滲透得比較深，這都使得同一地域的PLC產(chǎn)品表現(xiàn)出較多的相似性，而不同地域的PLC產(chǎn)品表現(xiàn)出明顯的差異性。502.PLC的分類(2)按結(jié)構(gòu)形式可以把PLC分為兩類：一類是CPU、電源、I/O接口、通信接口等都集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu)，如OMRON公司的C20P，C20H，三菱公司的FX系列產(chǎn)品，西門(mén)子公司的S7-200系列產(chǎn)品。另一類是電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊等在結(jié)構(gòu)上是相互獨(dú)立的，用戶可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇合適的模塊，安裝固定在機(jī)架或?qū)к壣?，?gòu)成一個(gè)完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)，如OMRON公司的C1000H，三菱公司的Q系列，SIEMENS公司的S7-300等。512.PLC的分類(3)按I/O點(diǎn)數(shù)的多少又可將PLC劃分為超小型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)小于64點(diǎn)）、小型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)在65～128點(diǎn)）、中型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)范圍在129～512點(diǎn)）和大型PLC（I/O點(diǎn)數(shù)范圍在512點(diǎn)以上）等幾種。小型及超小型PLC在結(jié)構(gòu)上一般是一體化形式，主要用于單機(jī)自動(dòng)化及簡(jiǎn)單的控制對(duì)象；大、中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，還增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，可構(gòu)成大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)，主要用于復(fù)雜程度較高的自動(dòng)化控制，并在相當(dāng)程度上替代DCS以實(shí)現(xiàn)更廣泛的自動(dòng)化功能。523.PLC的發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化內(nèi)涵的不斷延伸，PLC的結(jié)構(gòu)和功能也在進(jìn)行不斷地完善和擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)控制功能和管理功能的結(jié)合，以不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品構(gòu)成開(kāi)放型的控制系統(tǒng)是主要的發(fā)展理念之一。長(zhǎng)期以來(lái)PLC走的是專有化的道路，目前絕大多數(shù)PLC不屬于開(kāi)放系統(tǒng)，尋求開(kāi)放型的硬件或軟件平臺(tái)成了當(dāng)今PLC的主要發(fā)展目標(biāo)。就PLC系統(tǒng)而言，現(xiàn)代PLC主要有以下兩種發(fā)展趨勢(shì)。53（1）向大型網(wǎng)絡(luò)化、綜合化方向發(fā)展由于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的內(nèi)涵已不再局限于某些生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，而是實(shí)現(xiàn)信息管理和工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的綜合自動(dòng)化，強(qiáng)化通信能力和網(wǎng)絡(luò)化功能是PLC發(fā)展的一個(gè)重要方面，它主要表現(xiàn)在：向下將多個(gè)PLC、遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)相連；向上與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、管理計(jì)算機(jī)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。例如：A-B，SIEMENS，MODICON等多數(shù)生產(chǎn)廠家的PLC產(chǎn)品都已具備類似的功能。54（2）向體積小、速度快、功能強(qiáng)、價(jià)格低的小型化方向發(fā)展隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，體積小、速度快、功能強(qiáng)、價(jià)格低的PLC廣泛滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域的各個(gè)層面。小型化發(fā)展具體表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)上的更新、物理尺寸的縮小、運(yùn)算速度的提高、網(wǎng)絡(luò)功能的加強(qiáng)、價(jià)格的降低，當(dāng)前小型化PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域具有不可替代的地位。

558.3.2PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理中央處理單元存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出接口地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線照明電磁裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)。。。。輸入接口模擬量輸入行程開(kāi)關(guān)繼電器接點(diǎn)各種開(kāi)關(guān)561.PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的基本組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)相類似，主要包括：中央處理單元、存儲(chǔ)單元、通信接口、外設(shè)接口、I/O接口等。57（1）中央處理單元中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。在20世紀(jì)70年代中期到80年代末，大、中、小型PLC型的CPU所采用的微處理器芯片的檔次差別很大，因此，不同類型的PLC的CPU所采用的微處理器芯片的檔次相差很大。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，微處理器價(jià)格的下跌，中小型PLC也能使用功能強(qiáng)、速度快的高檔微處理器作為其CPU。

58(2)存儲(chǔ)器PLC常用的存儲(chǔ)器類型：RAM(RandomAccessMemory)EPROM(ErasableProgrammableReadOnlyMemory)EEPROM(ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory)FLASHROM59

(3)電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的可靠的電源，系統(tǒng)還是無(wú)法正常工作，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)可和制造也十分重視。不論是小型PLC還是中、大型PLC所采用的電源，其性能都一樣，均能對(duì)PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。60（4）I/O模塊

PLC的I/O模塊式工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)種種設(shè)備與PLC之間傳輸信息的接口，包括數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊和智能I/O模塊。數(shù)字I/O模塊包括數(shù)字量輸入和輸出兩種模塊。模擬量I/O模塊包括模擬量輸入和輸出兩種模塊。智能I/O模塊是完成某些獨(dú)立的特定功能的I/O模塊，常用的智能I/O模塊有PID模塊、定位模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等。61（5）通信接口模塊通信模塊為PLC之間以及PLC與計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備間提供通信接口。

622.PLC的基本工作原理PLC的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程。在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶執(zhí)行程序階段，PLC的CPU按由上而下的順序一次掃描用戶程序，并根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果刷新I/O映象寄存器。用戶程序執(zhí)行結(jié)束后進(jìn)入輸出刷新階段，刷新所有的輸出。63順序掃描工作方式簡(jiǎn)單直觀，便于程序設(shè)計(jì)和PLC自身的檢查。具體體現(xiàn)在：PLC掃描到的功能經(jīng)解算后，其結(jié)果馬上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可以在PLC內(nèi)設(shè)定一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器，用來(lái)監(jiān)視每次掃描的時(shí)間是否超過(guò)規(guī)定值，避免由于PLC內(nèi)部CPU故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用可變的掃描順序。648.3.3基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介由于PLC具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使得PLC應(yīng)用十分廣泛。現(xiàn)在，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用在鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車裝卸等各行各業(yè)。651.基于PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

（1）用于開(kāi)關(guān)邏輯控制（2）用于機(jī)械加工的數(shù)字控制（3）用于機(jī)器人控制（4）用于閉環(huán)過(guò)程控制（5）用于實(shí)現(xiàn)工廠的無(wú)人化管理662.PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及內(nèi)容（1）PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則關(guān)于PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則往往涉及很多方面，其中最基本的設(shè)計(jì)原則可以歸納為四點(diǎn)：①最大限度地滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。②確保計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。③力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用、合理。④適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。67（2）PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容PLC的種類很多，不同類型的PLC在性能、適用領(lǐng)域等方面是有差異的，它們?cè)谠O(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法上也會(huì)有所不同，通常還與設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。但是，所有設(shè)計(jì)方法要解決的基本問(wèn)題是相同的，下面是PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要完成的一般性內(nèi)容：68①分析被控對(duì)象的工藝特點(diǎn)和要求，擬定PLC系統(tǒng)的控制功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)；②細(xì)化PLC系統(tǒng)的技術(shù)要求，如I/0接口數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式、安裝位置等等；③PLC系統(tǒng)的選型，包括CPU、I/O模塊、接口模塊等等；④編制I/0分配表和PLC系統(tǒng)及其與現(xiàn)場(chǎng)儀表的接線圖；⑤根據(jù)系統(tǒng)要求編制軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)，開(kāi)發(fā)PLC應(yīng)用軟件；⑥編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū)；⑦系統(tǒng)安裝、調(diào)試和投運(yùn)。693.PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)良好的控制系統(tǒng)，第一步就是需要對(duì)被控生產(chǎn)對(duì)象的工藝過(guò)程和特點(diǎn)做深入的了解，這也是現(xiàn)場(chǎng)儀表選型與安裝、控制目標(biāo)確定、系統(tǒng)配置的前提。一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝過(guò)程，通常可以分解為若干個(gè)工序，而每個(gè)工序往往又可分解為若干個(gè)具體步驟，這樣做可以把復(fù)雜的控制任務(wù)明確化、簡(jiǎn)單化、清晰化，有助于明確系統(tǒng)中各PLC及PLC中I/O的配置，合理分配系統(tǒng)的軟硬件資源。70第二步需要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)實(shí)際上就是對(duì)技術(shù)要求的細(xì)化，把各部分必須具備的功能和實(shí)現(xiàn)方法以書(shū)面形式描述出來(lái)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)是進(jìn)行設(shè)備選型、硬件配置、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試的重要技術(shù)依據(jù)，若在PLC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不合理的方面，需要及時(shí)進(jìn)行修正。通常，設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要包括以下各項(xiàng)內(nèi)容：71①數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)及端口分配；②數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)及端口分配；③模擬量輸入通道總數(shù)及端口分配；④模擬量輸出通道總數(shù)及端口分配；⑤特殊功能總數(shù)及類型；⑥PLC功能的劃分以及各PLC的分布與距離；⑦對(duì)通信能力的要求及通信距離。72第三步需要在滿足控制要求的前提下，對(duì)系統(tǒng)所涉及的硬件設(shè)備進(jìn)行選型。PLC硬件設(shè)備的選型應(yīng)該追求最佳的性能價(jià)格比。硬件設(shè)備的選型主要包括CPU、I/O配置、通訊、電源等方面進(jìn)行考慮。73第四步需要設(shè)計(jì)安全回路。安全回路是能夠獨(dú)立于PLC系統(tǒng)運(yùn)行的應(yīng)急控制回路或后備手操系統(tǒng)。安全回路一般以確保人身安全為第一目標(biāo)、保證設(shè)備運(yùn)行安全為第二目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在很多國(guó)家和國(guó)際組織發(fā)表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均有明確的規(guī)定。一般來(lái)說(shuō)，安全回路在以下幾種情況下將發(fā)揮安全保護(hù)作用：設(shè)備發(fā)生緊急異常狀態(tài)時(shí)；PLC失控時(shí)；操作人員需要緊急干預(yù)時(shí)。744.PLC的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PLC用戶程序的設(shè)計(jì)過(guò)程可分為兩個(gè)階段，即前期工作和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，前期工作內(nèi)容往往會(huì)被設(shè)計(jì)人員所忽視，事實(shí)上這些工作對(duì)提高軟件的開(kāi)發(fā)效率、保證應(yīng)用軟件的可維護(hù)性、縮短調(diào)試周期都是非常必要的，特別是對(duì)較大規(guī)模的PLC系統(tǒng)更是如此。75（1）前期工作前期工作主要包括制定控制方案、制定抗干擾措施、編制I/0分配表、確定程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、定義軟件模塊的功能。（2）應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個(gè)部分。其中基本控制程序是整個(gè)應(yīng)用軟件的主體，它包括信號(hào)采集、信號(hào)濾波、控制運(yùn)算、結(jié)果輸出等內(nèi)容。對(duì)于整個(gè)應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。合理的程序結(jié)構(gòu)不僅決定著應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還對(duì)編程周期、調(diào)試周期、可維護(hù)性都有很大的影響。76（2）應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試

根據(jù)功能的不同，PLC應(yīng)用軟件可以分為基本控制程序、中斷處理程序和通信服務(wù)程序三個(gè)部分。其中基本控制程序是整個(gè)應(yīng)用軟件的主體，它包括信號(hào)采集、信號(hào)濾波、控制運(yùn)算、結(jié)果輸出等內(nèi)容。對(duì)于整個(gè)應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。合理的程序結(jié)構(gòu)不僅決定著應(yīng)用程序的編程質(zhì)量，而且還對(duì)編程周期、調(diào)試周期、可維護(hù)性都有很大的影響。778.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般來(lái)講，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了信息家電、手持機(jī)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，本節(jié)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的概念、軟硬件技術(shù)以及由其組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。788.4.1嵌入式系統(tǒng)概述嵌人式系統(tǒng)概念的由來(lái)1976年，Intel公司推出了8048，稱為單片機(jī)（SCC，SingleChipComputer）。這個(gè)只有1KBROM和64BRAM的簡(jiǎn)單芯片成為世界上第一個(gè)單片機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了將微處理機(jī)系統(tǒng)的各種CPU外的資源，如：ROM、RAM、定時(shí)器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能模塊集成到單個(gè)芯片的時(shí)代?，F(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)十分龐大的家族，許多新出現(xiàn)的單片機(jī)也稱為嵌入式微處理器，專門(mén)面向嵌入式應(yīng)用。79針對(duì)特定應(yīng)用、特定功能開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)與所嵌入的應(yīng)用環(huán)境成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，并且往往有緊湊、高可靠性、實(shí)時(shí)性好、低功耗等技術(shù)要求。這樣一種應(yīng)用目標(biāo)使得這一應(yīng)用領(lǐng)域要去研究它的獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)技術(shù)，這就是今天嵌入式系統(tǒng)這一名稱的含義，也是嵌入式系統(tǒng)成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的原因。802.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)（1）專用性強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。（2）精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力。812.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)(2)（3）系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置，系統(tǒng)資源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE分布式系統(tǒng)，內(nèi)核只有5KB，而Windows的內(nèi)核則要大得多。（4）嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以沒(méi)有操作系統(tǒng)而直接在芯片上運(yùn)行，但是為了合理地調(diào)度多任務(wù)，合理利用系統(tǒng)資源、系統(tǒng)函數(shù)以及專家?guī)旌瘮?shù)接口，用戶必須自行選配RTOS（Real-TimeOperatingSystem）開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這樣才能保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。82（5）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤(pán)等載體中。（6）嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。由于嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶通常也不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。833.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(1)（1）工業(yè)控制基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備具有很大的發(fā)展空間，目前己經(jīng)有大量的8、16、32位嵌入式微控制器應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)控機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工系統(tǒng)等領(lǐng)域。（2）交通管理在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊、GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。843.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(2)（3）信息家電這將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過(guò)電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。（4）家庭智能管理系統(tǒng)水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高、更準(zhǔn)確和更安全的性能。853.嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(3)（5）POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)公共交通非接觸式智能卡發(fā)行系統(tǒng)、公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)、自動(dòng)售貨機(jī)、各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可行遍天下。（6）環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)包括水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全、地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)、實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。86（7）機(jī)器人嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化、高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。除了以上這些應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)還有其他方面的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)人們生活的方方面面，尤其在控制方面的應(yīng)用。所以，開(kāi)發(fā)和探討嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。878.4.2嵌入式系統(tǒng)的硬件從硬件方面來(lái)講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分。目前，世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU,MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器也已經(jīng)成了未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢(shì)，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA，品種越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格也越來(lái)越低。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：881.嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）嵌入式微控制器芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM，RAM，總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、I/O、串口、脈寬調(diào)制輸出、A/D,D/A，F(xiàn)lash,EEPROM等各種必要功能接口和外設(shè)。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。由于MCU低廉的價(jià)格、優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541，并且有支持IC,CAN-BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額。892.嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）DSP處理器是專門(mén)用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。DSP的理論算法在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是專門(mén)的DSP處理器還未出現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。903、嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來(lái)的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有Am186/88，386EX，SC-400，PowerPC，68000，MIPS，ARM/StrongARM系列等。其中ARM/StrongARM是專為手持設(shè)備開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔價(jià)位。914.嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip,SoC）片上系統(tǒng)SOC是單一芯片上集成諸如MCU、RAM、DMA、I/O等多個(gè)部件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門(mén)話題之一。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，只需要使用精確的硬件描述語(yǔ)言，直接生成可以交付芯片生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)表文件。由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，現(xiàn)在許多專用芯片，如手持機(jī)、語(yǔ)音、加密等芯片多為SOC芯片。比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的SmartXA。928.4.3嵌入式系統(tǒng)的軟件嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，它應(yīng)該是一個(gè)硬件和軟件的統(tǒng)一體。而軟件在嵌入式系統(tǒng)中將占有更為重要的位置。嵌入式系統(tǒng)的軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩個(gè)層次。當(dāng)應(yīng)用問(wèn)題較為簡(jiǎn)單時(shí)，也許不必有很清晰的軟件分層。

931.主要流行的嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，它比通用計(jì)算機(jī)具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。它很可能不配置CRT顯示器，不需要文件系統(tǒng)，由于內(nèi)存空間較小也沒(méi)有存儲(chǔ)器管理功能。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)總是希望加載的操作系統(tǒng)軟件不能占據(jù)過(guò)大的內(nèi)存空間，不能消耗過(guò)多的系統(tǒng)軟硬件資源。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，除了對(duì)于縮減PC系統(tǒng)目前仍采用DOS等PC上的流行操作航以外，基本上有兩大趨勢(shì)：一類是面向高級(jí)單片的，另一類是針對(duì)8位、16位單片機(jī)。以下是幾個(gè)目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)。94（1）LinuxLinux已經(jīng)成為Windows系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)最熱門(mén)的操作系統(tǒng)之一。它的開(kāi)放性使眾多的情開(kāi)發(fā)者為它打造了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，它也派生出眾多的類似系統(tǒng)。（2）μCLinuxμCLinux是一個(gè)縮減的Linux系統(tǒng)，特別適合于用在不需要內(nèi)存管理的高級(jí)單片嵌入尤系統(tǒng)上。類似于μClinux的Linux操作系統(tǒng)的縮減版本，現(xiàn)在越來(lái)越多。相信經(jīng)過(guò)一段時(shí)廚的實(shí)踐檢驗(yàn)，會(huì)優(yōu)選出理想的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。（3）eCOSeCOS是一個(gè)代碼開(kāi)放的嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的系統(tǒng)功能和應(yīng)用支持，可以在許多高級(jí)單片上運(yùn)行。95（4）WindowsCEWindowsCE是Windows的嵌入式系統(tǒng)版本，具有類似Windows風(fēng)格的用戶界面，可以與Windows環(huán)境下的軟件很方便地接口。但是，它的代碼是不開(kāi)放的。（5）VxWorks

VxWorks是一個(gè)功能完善的嵌入式操作系統(tǒng)，但是它的代碼也是不開(kāi)放的。（6）RTX5lRTX51是專門(mén)針對(duì)8051設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，代碼緊湊、體積小巧。已經(jīng)在很多應(yīng)用中證明這是一個(gè)成功的8位單片機(jī)的操作系統(tǒng)，代碼完全開(kāi)放。96（7）μC/OSμC/OS是一個(gè)特殊風(fēng)格的嵌入式操作系統(tǒng)，它有多種版本，可以適應(yīng)從x86到8051的各種不同類型不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)，代碼開(kāi)放。但是，它的一些改進(jìn)版本，開(kāi)始放棄代碼開(kāi)放的原則。如果只是針對(duì)8051系列構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，顯然可以選擇的合適的操作系統(tǒng)只有RTX51和μC/OS等少數(shù)幾種。這幾種操作系統(tǒng)主要是由于受到8051本身資源的限制，功能都相對(duì)較為簡(jiǎn)單。但是，它們開(kāi)放的源代碼和較小的代碼量，也給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了徹底掌握這一操作系統(tǒng)的條件。972.嵌入式操作系統(tǒng)的功能在操作系統(tǒng)的支持下，應(yīng)用軟件可以通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)與硬件打交道。這為嵌入式系統(tǒng)脫離特定的硬件環(huán)境提供了條件，也使得軟件的可靠性、安全性增加了。利用操作系統(tǒng)軟件的特權(quán)性，可以保證嵌入式系統(tǒng)始終工作在有效控制之下。操作系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。98（1）進(jìn)程管理進(jìn)程是一個(gè)運(yùn)行中的程序。在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程具有獨(dú)立性。多個(gè)進(jìn)程在操作系統(tǒng)的調(diào)度下，分時(shí)、并發(fā)地運(yùn)行。這樣的結(jié)構(gòu)，使得軟件的開(kāi)發(fā)可以按相對(duì)簡(jiǎn)捷的功能模塊分別進(jìn)行；可以利用一種所謂的信號(hào)燈機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程之間的通信，分配進(jìn)程對(duì)各種資源的占用；可以利用進(jìn)程調(diào)度，避免系統(tǒng)陷入死循環(huán)或崩潰；可以將進(jìn)程設(shè)置為不同的優(yōu)先級(jí)別，例如系統(tǒng)級(jí)或用戶級(jí)，來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。99（2）內(nèi)存管理內(nèi)存管理是將計(jì)算機(jī)的內(nèi)存分成若干頁(yè)面，對(duì)各個(gè)頁(yè)面賦予不同的特性和訪問(wèn)邏輯地址。利用內(nèi)存頁(yè)的不同特性，可以實(shí)現(xiàn)不同的訪問(wèn)特性。例如，可以為特殊的任務(wù)分配特定的內(nèi)存頁(yè)，同時(shí)也避免了其他任務(wù)侵入這一內(nèi)存頁(yè)。由于內(nèi)存訪問(wèn)的實(shí)時(shí)性，這種頁(yè)面的分配是由硬件實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，是依賴于CPU的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

100（3）文件系統(tǒng)管理文件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)特殊組成部分。文件系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)管理的大量數(shù)據(jù)以特定的結(jié)構(gòu)保存在存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是文件。文件系統(tǒng)一般建立在外存儲(chǔ)器中，如磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等等，以滿足數(shù)據(jù)容量的要求。但是，在特殊的情況下，文件系統(tǒng)也可以建立在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。101（4）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在操作系統(tǒng)的管理下，應(yīng)用程序不必要也不應(yīng)該與底層的各種設(shè)備直接打交道。應(yīng)用程序可以經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)提供的設(shè)備管理手段，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，來(lái)使用系統(tǒng)的設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般包括對(duì)設(shè)備的初始化，檢查設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備動(dòng)作，對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作等功能。102（5）系統(tǒng)調(diào)用一個(gè)操作系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，往往通過(guò)一系列應(yīng)用軟件可引用的程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱為系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)或應(yīng)用編程接口。這些系統(tǒng)調(diào)用模塊經(jīng)過(guò)比較嚴(yán)格的測(cè)試和實(shí)用考驗(yàn)，用它們作為整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1038.4.4基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法（1）仿真器從微處理機(jī)誕生至今，開(kāi)發(fā)方式一直沿用的是仿真器技術(shù)，即利用一臺(tái)仿真器，模擬取代應(yīng)用系統(tǒng)的部分電路，可能是CPU，可能是程序存儲(chǔ)器，也可能是某幾個(gè)部分電路的組合。通過(guò)調(diào)試主機(jī)對(duì)取代電路的控制，可以獲得程序運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)，可以控制程序運(yùn)行的走向，從而達(dá)到調(diào)試的目的。這種開(kāi)發(fā)方式，也較為適用于可以插拔的單片機(jī)芯片，對(duì)于表面貼裝的芯片往往難以實(shí)現(xiàn)仿真器與調(diào)試樣機(jī)的方便連接。104（2）BOOTROM這種方式是在嵌入式系統(tǒng)中事先駐留一個(gè)ROM引導(dǎo)程序，一般稱為BOOT。開(kāi)機(jī)后首先運(yùn)行BOOT程序，實(shí)現(xiàn)與調(diào)試主機(jī)的聯(lián)機(jī)。有的單片機(jī)也采用特殊的系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)過(guò)程來(lái)激活駐留的BOOT程序。利用BOOT程序，嵌入式系統(tǒng)可以通過(guò)經(jīng)通信接口的下載來(lái)獲得系統(tǒng)的全部程序。BOOT程序一般在完成下載任務(wù)后，就將系統(tǒng)的控制權(quán)交給下載生成的系統(tǒng)程序，并且不再起作用了。BOOTROM方式要求嵌入式系統(tǒng)必須起碼保證能夠運(yùn)行BOOT程序，能夠?qū)崿F(xiàn)代碼下載功能，這樣才能保證后續(xù)程序調(diào)試過(guò)程的進(jìn)行。105（3）JTAG接口所謂JTAG技術(shù)，最初是一種測(cè)試技術(shù)。它通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，用串行方式來(lái)設(shè)置和獲得元件的輸入和輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)元件初始狀態(tài)的控制和運(yùn)行狀態(tài)的判斷。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口就稱之為JTAG接口，基本引腳有4個(gè)。由于巧妙的設(shè)計(jì)，具有JTAG接口的元件可以將各自的JTAG接口串聯(lián)起來(lái)，最終的接口引腳仍然是4個(gè)。因此，系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)具有JTAG接口的元件，最終可以只用一個(gè)4個(gè)引腳的JTAG接口來(lái)實(shí)現(xiàn)全部功能。利用JTAG技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試，目前常用的方式，往往只需要利用一臺(tái)PC作為調(diào)試主機(jī)，利用PC的打印機(jī)接口控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯組合來(lái)產(chǎn)生直接與嵌入式系統(tǒng)連接的JTAG接口。1062.嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下的調(diào)試

開(kāi)發(fā)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，與在一個(gè)通用微機(jī)上的開(kāi)發(fā)工作是不同的。由于硬件及軟件上的不可靠因素，新設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)往往要經(jīng)過(guò)細(xì)致的時(shí)序分析來(lái)排除硬件故障，這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的開(kāi)發(fā)工作。在嵌入式系統(tǒng)中引入操作系統(tǒng)，為避免這一工作提供了條件。在一個(gè)共同的操作系統(tǒng)平臺(tái)上，多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)式開(kāi)發(fā)組織都成為可能。當(dāng)引入了操作系統(tǒng)的進(jìn)程概念，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)就可以分解成許多相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)程，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下完成系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)。這些進(jìn)程的設(shè)計(jì)、調(diào)試可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行，通過(guò)多人的協(xié)同作戰(zhàn)來(lái)提高開(kāi)發(fā)效率。1073.目前常用的幾種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格（1）縮減PC系統(tǒng)所謂縮減PC系統(tǒng)，是指利用PC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，例如利用PCI04模塊構(gòu)成工業(yè)控制裝置就是比較典型的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)是建立在技術(shù)上已非常成熟的PC的體系結(jié)構(gòu)之上的，它的硬件環(huán)境往往是一臺(tái)單板化的PC系統(tǒng)。利用DOS或Windows操作系統(tǒng)為應(yīng)用軟件提供平臺(tái)。但是這樣的設(shè)計(jì)目前尚難以實(shí)現(xiàn)滿足小體積、低功耗、低成本等嵌入式系統(tǒng)的常見(jiàn)技術(shù)要求。

108（2）高級(jí)單片系統(tǒng)所謂高級(jí)單片系統(tǒng)，是指那些準(zhǔn)備加載Linux操作系統(tǒng)或類Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。它的硬件構(gòu)成的核心是一個(gè)集成了豐富功能的單一芯片，一般數(shù)據(jù)寬度往往是32位。它已經(jīng)包含了幾乎全部的系統(tǒng)硬件，使得只需再增加很少幾個(gè)器件，如存儲(chǔ)器芯片，即可構(gòu)成全部系統(tǒng)。生產(chǎn)高級(jí)單片的廠家及型號(hào)越來(lái)越多，典型的是以ARM或MIPS內(nèi)核為核心的單片機(jī)。采用高級(jí)單片的設(shè)計(jì)，大都取Linux或類Linux操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件，向應(yīng)用軟件提供C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在Linux操作系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)的可靠性可以得到保證。操作系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)可以大大提高系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)效率。由于Linux的開(kāi)放性，可以利用的資源也非常豐富。109（3）單片機(jī)系統(tǒng)目前稱之為單片機(jī)的，是指一些8位或16位數(shù)據(jù)寬度、尋址空間較小的芯片。相對(duì)來(lái)說(shuō)，它們的處理能力較弱。但是，它們的優(yōu)點(diǎn)也是不容忽視的，如：低成本、低功耗，片上集成的外圍模塊功能豐富而實(shí)用等。在應(yīng)用需求恰如其分的場(chǎng)合，選擇它們絕對(duì)是合理的。單片機(jī)的軟件一般應(yīng)該分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件處于底層硬件和高層應(yīng)用軟件之間。但是，單片機(jī)的資源有限，設(shè)計(jì)者必須在系統(tǒng)軟件的功能與構(gòu)成系統(tǒng)軟件的軟硬件開(kāi)銷之間，仔細(xì)地尋求平衡。1108.5分散控制系統(tǒng)（DCS）

分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又名分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱分散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem即DCS），國(guó)內(nèi)更多的叫做集散控制系統(tǒng)。先進(jìn)的分散型控制系統(tǒng)將以計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）為目標(biāo)，以新的控制方法、現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表、專家系統(tǒng)、局域網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，為用戶實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制自動(dòng)化相結(jié)合的管控一體化的綜合集成系統(tǒng)。分散型控制系統(tǒng)采用分散控制、集中操作、綜合管理和分而自治的設(shè)計(jì)原則。本節(jié)將概述DCS的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及其體系結(jié)構(gòu)，讓讀者對(duì)DCS有初步的了解。1118.5.1DCS的分層體系DCS按功能分層的層次結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了其分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想。DCS從下至上依次分為直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層和決策管理層，如圖8.13所示。112圖8.13DCS的層次結(jié)構(gòu)1131.DCS的直接控制層直接控制層是DCS的基礎(chǔ)，其主要設(shè)備是過(guò)程控制站（PCS）,PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過(guò)程控制單元（PCU）兩部分組成。輸入輸出單元（IOU）直接與生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)傳感器、變送器和執(zhí)行器連接，其功能一是采集反應(yīng)生產(chǎn)狀況的過(guò)程變量和狀態(tài)變量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；二是向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器傳送模擬量操作信號(hào)和數(shù)字量操作信號(hào)。過(guò)程控制單元下與IOU連接，上與控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）連接，其功能一是直接數(shù)字控制（DDC）；二是與控制網(wǎng)絡(luò)通信，以便操作監(jiān)控層對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和操作；三是進(jìn)行安全冗余處理，一旦發(fā)現(xiàn)PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統(tǒng)步間斷地安全運(yùn)行。1142.DCS的操作監(jiān)控層

操作監(jiān)控層是DCS的中心，其主要設(shè)備是操作員站、工程師站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)站和計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)。操作員站供工藝操作員對(duì)生產(chǎn)工程進(jìn)行監(jiān)視、操作和管理。工程師站（ES）供計(jì)算機(jī)工程師對(duì)DCS進(jìn)行系統(tǒng)生成和診斷維護(hù)；供控制工程師進(jìn)行控制回路組態(tài)、人機(jī)界面繪制、報(bào)表制作和特殊軟件編制。監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）用來(lái)建立生成過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，實(shí)施高等過(guò)程控制策略，實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制；并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行故障診斷、預(yù)報(bào)和分析，保證安全生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CGI）用作控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）之間相互通信。1153.DCS的生產(chǎn)管理層生產(chǎn)管理層的只要設(shè)備是生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)（manufactorymanagementcomputer,MMC）,一般由一臺(tái)中型機(jī)和若干臺(tái)微型機(jī)組成。該層處于工廠級(jí)，根據(jù)訂貨量、庫(kù)存量、生產(chǎn)能力、生產(chǎn)原料和能源供應(yīng)情況及時(shí)制定全廠的生產(chǎn)計(jì)劃，并分解落實(shí)到生產(chǎn)車間或裝置；另外還要根據(jù)生產(chǎn)狀況及時(shí)協(xié)調(diào)全廠的生產(chǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度和科學(xué)管理，使全廠的生產(chǎn)始終處于最佳狀態(tài)，并能應(yīng)付不可預(yù)測(cè)的事件。計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CG2）用作生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）和決策管理網(wǎng)絡(luò)（DNET）之間相互通信。1164.DCS的決策管理層決策管理層的主要設(shè)備使決策管理計(jì)算機(jī)（decisionmanagementcomputer,DMC），一般由一臺(tái)大型機(jī)、幾臺(tái)中型機(jī)、若干臺(tái)微型機(jī)組成。該層處于公司級(jí)，管理公司的生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、技術(shù)、計(jì)劃、市場(chǎng)、財(cái)務(wù)、人事、后勤等部門(mén)。通過(guò)收集各部門(mén)的信息，進(jìn)行綜合分析，實(shí)時(shí)作出決策，協(xié)助各級(jí)管理人員指揮調(diào)度，使公司各部門(mén)的工作處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。另外還協(xié)助公司經(jīng)理制定中長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃和遠(yuǎn)景規(guī)劃。117目前世界上有多種DCS產(chǎn)品，具有定型產(chǎn)品供用戶選擇的一般僅限于直接控制層和操作監(jiān)控層。其原因是下面兩層有固定的輸入、輸出、控制、操作和監(jiān)控模式，而上面兩層的體系結(jié)構(gòu)因企業(yè)而異，生產(chǎn)管理與決策管理方式也因企業(yè)而異，因而上面兩層要針對(duì)各企業(yè)的要求分別設(shè)計(jì)和配置系統(tǒng)。1188.5.2DCS的硬件結(jié)構(gòu)DCS硬件采用積木式結(jié)構(gòu)，可靈活地配置成小、中、大系統(tǒng)；另外，還可以根據(jù)企業(yè)的財(cái)力或生產(chǎn)要求，逐步擴(kuò)展系統(tǒng)和增加功能。DCS控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）上的各類結(jié)點(diǎn)數(shù)，即過(guò)程控制站（PCS）、操作員站（OS）、工程師站（ES）和監(jiān)控計(jì)算機(jī)站（SCS）的數(shù)量，可按生產(chǎn)要求和用戶需要靈活地配置，如圖8.14所示；另外，還可靈活地配置每個(gè)結(jié)點(diǎn)的硬件資源，如內(nèi)存容量、硬盤(pán)容量和外部設(shè)備種類等。119圖8.14過(guò)程控制站（PCS）的硬件結(jié)構(gòu)1201.DCS控制站的硬件結(jié)構(gòu)控制站（CS）或過(guò)程控制站（PCS）主要由輸入輸出單元（IOU）、過(guò)程控制單元（PCU）和電源三部分組成，如圖8.13所示。121過(guò)程控制單元（PCU）是PCS的核心，并且是PCS的基本配置，主要由控制處理器板、輸入輸出接口處理器板、通信處理器板、冗余處理器板組成?？刂铺幚砥靼骞δ苁沁\(yùn)算、控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理；輸入輸出接口處理器板是PCU和IOP之間的接口；通信處理器板是PCS與控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）的通信網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)PCS與CNET之間的信息交換；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余處理器板承擔(dān)PCU和IOU的故障分析與切換功能。上述4快板的物理劃分因DCS而異，可以分為4、3、2塊，甚至合并為1塊。122輸入輸出單元（IOU）是PCS的基礎(chǔ)，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成，如模擬量輸入板（4mA～20mADC,0～5VDC）、熱電偶輸入板、熱電偶輸入板、脈沖量輸入板、數(shù)字量輸入板、模擬量輸入板（4mA～20mADC）、數(shù)字量輸出板和串行通信接口板等。這些輸入輸出處理板的類型和數(shù)量可按生產(chǎn)過(guò)程信號(hào)類型和數(shù)量來(lái)配置；另外，與每塊輸入輸出處理板配套的還有信號(hào)調(diào)整板（signalconditionercard,SCC）和信號(hào)端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信號(hào)隔離、放大或驅(qū)動(dòng)，STC用作信號(hào)接線。上述IOP、SCC和STC的物理劃分因DCS而異，有的劃分為三塊板結(jié)構(gòu)；有的劃分為兩塊板結(jié)構(gòu)，即IOP和SCC合并，外加一塊STC；有的將IOP,SCC和STC三者合并一塊物理模樣，并附有接線端子。123

2.DCS操作員站的硬件結(jié)構(gòu)

操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機(jī)或小型機(jī)，主要由主機(jī)、彩色顯示器（CRT）、操作員專用鍵盤(pán)和打印機(jī)等組成。其中主機(jī)的內(nèi)存容量、硬盤(pán)容量可由用戶選擇，彩色CRT可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業(yè)PC機(jī)（IPC）或工作站做OS主機(jī)，個(gè)別DCS制造廠配專用OS主機(jī)，前者是發(fā)展趨勢(shì)，這樣可增強(qiáng)操作員站的通用性及靈活性。

1243.DCS工程師站的硬件結(jié)構(gòu)工程師站（ES）為32位或64位小型機(jī)和高檔微型機(jī)，主要由主機(jī)、彩色顯示器（CRT）、鍵盤(pán)、打印機(jī)等組成，其中主機(jī)的內(nèi)存容量、硬盤(pán)容量、CD或磁帶機(jī)為外部設(shè)備均可由用戶選擇。一般DCS的直接控制層和操作監(jiān)控層的設(shè)備（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型產(chǎn)品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設(shè)備。惟有生產(chǎn)管理層和決策層的設(shè)備無(wú)定型產(chǎn)品，一般由用戶自行配置，當(dāng)然要由DCS制造廠提供控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）之間的硬、軟件接口，即計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)（CG1）。1258.5.3DCS的軟件技術(shù)DCS的組態(tài)軟件DCS的組態(tài)功能從廣義范疇講，可以分為兩個(gè)主要方面：硬件組態(tài)和軟件組態(tài)。硬件組組態(tài)主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求來(lái)確定硬件的模塊化配置，常見(jiàn)的內(nèi)容包括操作站（工程師站和操作員站）的選擇、現(xiàn)場(chǎng)控制站的配置以及電源的選擇。軟件組態(tài)的內(nèi)容比硬件組態(tài)要多得多，一般包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件組態(tài)。DCS的組態(tài)功能是否強(qiáng)大和方便時(shí)期能否為用戶接受的重要原因。1262.DCS的操作軟件一般來(lái)講，操作站要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、控制回路調(diào)節(jié)和顯示、生產(chǎn)工藝流程畫(huà)面顯示、系統(tǒng)狀態(tài)、趨勢(shì)顯示以及生產(chǎn)記錄的打印和管理等功能，實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵就是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。127（1）操作站的軟件系統(tǒng)都是以實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為核心

實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)與一般操作系統(tǒng)的最大區(qū)別就是實(shí)時(shí)多任務(wù)執(zhí)行核心，它為計(jì)算機(jī)硬件和在其上運(yùn)行的軟件提供了邏輯接口（LogicInterface）以及任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、資源管理等功能。它應(yīng)具有下列實(shí)時(shí)特征。①異步事件響應(yīng)②任務(wù)切換能力③中斷響應(yīng)能力④優(yōu)先級(jí)中斷和調(diào)度⑤強(qiáng)占式調(diào)度能力⑥同步能力128（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是DCS最基本的資源，DCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，通常采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，因此，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在不同層次上采用的結(jié)構(gòu)不同。在現(xiàn)場(chǎng)控制站上存儲(chǔ)該站所用的各種點(diǎn)記錄的全記錄信息。操作站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理程序兩部分組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)部分由數(shù)據(jù)庫(kù)生成軟件生成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到現(xiàn)場(chǎng)控制站，將各點(diǎn)的完整記錄只存放在現(xiàn)場(chǎng)控制站中，而點(diǎn)值與點(diǎn)狀態(tài)等部分信息存放在操作站數(shù)據(jù)庫(kù)中。管理程序負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理（如備份、下載等）以及處理其它任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)請(qǐng)求，井將其它任務(wù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)通信管理任務(wù)。

129（3）歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為了便于操作人員或工程師對(duì)系統(tǒng)各點(diǎn)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析以及管理人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，必須在操作站上建立一個(gè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)將一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。為了適應(yīng)不同的用途，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)一般要包括以下幾種數(shù)據(jù)：短時(shí)間間隔歷史數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間間隔歷史數(shù)據(jù)。前者主要用來(lái)顯示趨勢(shì)曲線用，存儲(chǔ)間隔一般是秒級(jí)，而后者主要用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的趨勢(shì)分析、記錄打印和統(tǒng)計(jì)計(jì)算。130（4）網(wǎng)絡(luò)通信管理由前面分析知道，DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是全局、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，操作員站對(duì)DCS集中管理和操作的基礎(chǔ)就是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，它是DCS的關(guān)鍵技術(shù)之一。DCS對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求可以概括為高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。高可靠性即要求在硬件上高度可靠，同時(shí)在軟件上要有較好的容錯(cuò)能力，即當(dāng)收到不正確的信息包或有不正確的通信要求時(shí)，它能夠自動(dòng)處理，而不會(huì)造成死機(jī)。實(shí)時(shí)性則要求現(xiàn)場(chǎng)控制站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要及時(shí)廣播到操作站，同時(shí)，該站對(duì)其它站的定向請(qǐng)求要及時(shí)實(shí)現(xiàn)；靈活性指能夠支持多種數(shù)據(jù)信息格式的能力。1318.5.4DCS的特點(diǎn)DCS問(wèn)世以來(lái)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。究其原因是DCS有一系列的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下6各方面：分散性和集中性自治性和協(xié)調(diào)性靈活性和擴(kuò)展性先進(jìn)性和繼承性可靠性和適應(yīng)性友好性和新穎性1328.5.5DCS的發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的DCS基于模擬儀表，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)、傳輸與控制還是保留了與常規(guī)儀表相同的方式，即通過(guò)傳感器或變送器檢測(cè)物理信號(hào)并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)以模擬方式進(jìn)行傳輸。這種方式在檢測(cè)環(huán)節(jié)方面存在的問(wèn)題是精度低、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力差、無(wú)自診斷功能；同時(shí)由于各DCS開(kāi)發(fā)商生產(chǎn)自己的專用平臺(tái)，使得不同廠商的DCS不兼容，互操作性差。近年來(lái)，隨著新技術(shù)、新器件、新方法、新應(yīng)用的相互促進(jìn)，在DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域有許多新進(jìn)展，主要表現(xiàn)在如下一些方面。1331、開(kāi)放式系統(tǒng)發(fā)展

傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)是封閉式的，使得不同制造商的DCS之間不兼容?；赑C機(jī)的DCS較好的解決了這一問(wèn)題，由于PC機(jī)具有良好的兼容性、低廉的價(jià)格和豐富的軟硬件資源，尤其是OPC（OLEforProcess,Control）標(biāo)準(zhǔn)的制定，大大簡(jiǎn)化了I/O驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，并提高了操作界面系統(tǒng)的性能。用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要自由地選擇不同開(kāi)發(fā)商的產(chǎn)品，根據(jù)各軟硬件廠商的特長(zhǎng)，合理分工合作，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)，大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。1342、智能變送器，遠(yuǎn)程I/O和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，進(jìn)一步使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控功能下移分散隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，過(guò)程控制的功能進(jìn)一步分散下移，出現(xiàn)了各種智能現(xiàn)場(chǎng)儀表。這些智能變送器精度高、量程比寬、重復(fù)性好，可靠性高，而且具有雙向通信和自診斷功能，操作使用非常方便，節(jié)省安裝費(fèi)用和工作量，維護(hù)工作量也極小。這些智能現(xiàn)場(chǎng)儀表采用現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS連接，目前大多沿用HART通信協(xié)議。智能遠(yuǎn)程I/O也是使I/0處理能力更接近現(xiàn)場(chǎng)的一項(xiàng)措施，諸多遠(yuǎn)程I/O也用現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS的控制器相連，除作I/0處理外，還具有通信和自診斷功能，并可用手持監(jiān)視器進(jìn)行I/0組態(tài)，將I/O處理功能下移。1353、DCS、PLC、FCS相互滲透融合近年來(lái)，由于微電子學(xué)、信息科學(xué)和控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到深入廣泛的應(yīng)用，DCS，PLC，F(xiàn)CS正在相互滲透、融合地發(fā)展，相互補(bǔ)充又相互轉(zhuǎn)化，趨向于形成數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的分布式控制系統(tǒng)的較廣泛的領(lǐng)域，都使用數(shù)字技術(shù)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，如操作站/工作站、基本控制單元，應(yīng)用運(yùn)算模件、分布式I/O、（智能）現(xiàn)場(chǎng)儀表，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、控制局域網(wǎng)/數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）形成兼容可互聯(lián)的過(guò)程控制系統(tǒng)。1364、現(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)促進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場(chǎng)控制的功能更加強(qiáng)大。在現(xiàn)階段使現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠靈活地系統(tǒng)組態(tài)，得到更廣泛的、富于實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS的方式可從三個(gè)方面來(lái)考慮。①現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成②現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成③現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成

1378.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fieldbuscontrolsystem,FCS）是一種以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)，它既是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。它作為一種現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有開(kāi)放式數(shù)字通信功能，可與各種通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的產(chǎn)生，不僅變革了傳統(tǒng)的單一功能的模擬儀表，將其改為綜合功能的數(shù)字儀；而且變革了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DDC,DCS），將輸入、輸出、運(yùn)算和控制功能分散分布到現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中，形成了全數(shù)字的徹底的分散控制系統(tǒng)。1388.6.1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的概念（FCS）

現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化控制的一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。它是依靠具有檢測(cè)、控制、通信能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量和控制設(shè)備單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它是屬于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式