第四章微机控制系统的选择及接口设计.ppt

2.硬件与软件的权衡 在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。 因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。 原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。 特点：与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。 而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。 第二节 微机控制系统的设计思路 1．确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。 其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。 第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。 第四是考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入／输出通道、配备哪些外围设备。 最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。 2．确定控制算法（书P126） 对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计， 首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。 在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。选用时应考虑所选定的算法是否‘能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。 当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。 3．选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足以下要求： （1） 较完善的中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。 实时控制包含两个意思： 一是系统正常运行时的实时控制能力； 二是在发生故障时紧急处理的能力。 常采用中断控制功能。 （2） 足够的存储容量 由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器，如单板机通常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备2~8KB以上的只读存储器，监控程序及调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件固化。 （3） 完备的输入／输出通道和实时时钟 输入／输出通道是外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入／输出通道，有的要求有模拟量输入／输出通道，有的则同时要求有开关量输入／输出通道和模拟量输入／输出通道。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。 实时时钟在过程控制中给出时间参数，记录发生事件的时刻。 选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求（3个） : 1)字长 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。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。 2）速度 速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。 3)指令 一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。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令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能够满足控制要求。 选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易 以及扩充输入／输出接口是否方便等因素，从而确定 是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。