微机控制-.ppt

,现代网络技术,微型计算机控制技术,理论教学：40学时,实验教学：8学时,评分标准：实验：20%,平时：10%,考试：70%,教师：冯新刚,现代网络技术,软件：编程软件：,keil,软件,相关程序下载软件,仿真软件：,PROTUES,电路设计软件：,PROTEL,（,DXP),现代网络技术,第一章 微型计算机控制系统概述,1.1,微型计算机控制系统的组成,1.2,微型机控制系统的分类,1.3,微型计算机控制系统的发展概况及趋势,现代网络技术,微型计算机控制系统硬件由以下部分组成：,微型计算机,接口电路,外部通用设备,和工业生产对象等组成,现代网络技术,1.1,微型计算机控制系统的组成,微机控制技术,图,1.1,典型微机控制系统原理图,图,1.1,典型微机控制系统原理图,现代网络技术,1.1.1,微型机控制系统的硬件结构,1,1,1,微型机控制系统硬件结构,一,.,主机,(,CPU,),指挥部,1,向系统的各个部分发出命令；,2,对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、逻辑判断及报警处理等。,微机控制技术,现代网络技术,1.1.1,微型机控制系统的硬件结构,二、接口及,I/O,通道,1.,常用接口,(1),并行接口,8255,、,8155,(2),串行接口,8251,(3),直接存储器传送接口,8237,(4),中断控制接口,8259,(5),定时器计数器接口,8253,微机控制技术,现代网络技术,1.1.1,微型机控制系统的硬件结构,2,I/O,通道,(1),模拟量输入通道,关键部件,A/D,（把模拟量变成数字量）,(2),模拟量输出通道,关键部件,D/A,（把数字量变成模拟量）,(3),数字量输入,/,输出通道,三,.,通用外部设备，用以扩大主机的功能,显示、打印、存储等,微机控制技术,现代网络技术,1.1.1,微型机控制系统的硬件结构,四检测元件及执行机构,1,检测元件：,把非电量变成电量（传感器）。,如：热电偶、节流装置、压力变送器,2,变送器：,把传感器的输出信号变成,CPU,所能接收的电压信号。,微机控制技术,现代网络技术,3,执行机构：,接收,CPU,输,出的控制量并加以动作，,以对生产参数进行控制的机构。,如：阀、开关、电机等。,现代网络技术,1.1.1,微型机控制系统的硬件结构,五、操作台和实时时钟,1,操作台的组成,（,1,）作用开关：电源开关；数据、地址选择开关；操作方式选择开关等。,（,2,）功能键：向,CPU,申请中断、复位键、启动键、打印键、显示键、连接、单步工作方式键等。,微机控制技术,现代网络技术,（,3,）显示：,LED/CRT,显示器件，显示数据，图、表、流程图等。,（,4,）数字键：用以送入数据或修改控制系统参数。,2,实时时钟,现代网络技术,1.1.2,微型机控制系统的软件,1,1,2,软件,完成各种功能的计算机程序的总和。,系统软件：由厂家提供用以管理计算机本身的程序。,应用软件：由用户根据控制系统的需要设计，面向生产过程的程序。,微机控制技术,现代网络技术,1.2,微型机控制系统的分类,根据被控对象的特点、环境要求,可采用不同类型的控制系统。,控制,系统与其所控制的生产对象密切相关。,微机控制技术,现代网络技术,1.2,微型机控制系统的分类,1.2.1,操作指导控制系统（,OPS,）,1.2.2,直接数字控制系统（,DDC,）,1.2.3,计算机监督系统（,SCC,）,1.2.4,嵌入式系统（,EMS,）,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,1.2.6,现场总线控制系统（,FCS,）,现代网络技术,1,2,1,操作指导系统,图,1-2,操作指导控制系统,微机控制技术,现代网络技术,1,2,1,操作指导系统,1,操作过程,：,（,1,）计算机只对系统过程参数进行收集、,加工处理，而后输出（显示或打印）。,（提供准确的参照数据）。,（,2,）现场人员参照显示的数据，根据经验对系统进行调节,微机控制技术,现代网络技术,1,2,1,操作指导系统,2,应用场合：,尚未摸清控制规律的系统，（计算机系统的初级阶段）。,用来摸索新系统的数学模型和控制规律。,3,特点：,简单,人工操作,控制慢,不能同时控制几个回路。,微机控制技术,现代网络技术,1,2,2,直接数字控制系统（,DDC,）,图,1-3 DDC,控制系统原理图,微机控制技术,现代网络技术,1,2,2,直接数字控制系统（,DDC,）,作法：,计算机对多个参数进行巡回检测；,将检测值与给定值加以比较；,根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。,特点：,一台计算机可同时控制多回路；可靠。,微机控制技术,现代网络技术,1,2,2,直接数字控制系统（,DDC,）,控制灵活：,每个参数的控制可各异；,各参数在不同情况下可采用不同的控制规律；应用广泛。,现代网络技术,1,2,3,计算机监督系统（,SCC,）,作法：,系统中，给定值不是人为预先给定，,而是由计算机按照描述生产过程的数学型，计算出最佳给定值。,送给模拟调节器,或,DDC,单片机，对生产过程进行控制。,微机控制技术,现代网络技术,SCC+DDC,控制系统,1两级计算机控制系统：,（1）SCC,监控级,（2)DDC,直接数字控制级,控制由 DDC 机实现，实时性好,、灵活，,一台单片机代替多台调节器，可控制多个回路。,（如图1,.4,SCC+DDC 控制系统）,微机控制技术,现代网络技术,2特点：,1,）,更接近于生产的实际情况,2,）当,DCC,出故障时，,SCC,可以代替,DCC,3应用范围：因为数学模型难以建立，所以此法用起来难度较大。,现代网络技术,1,2,3,计算机监督系统（,SCC,）,图,1.4,SCC+DDC,控制系统,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,嵌入式系统,一般指非,PC,系统，,有计算机功能,但又不称之为计算机的,设备或器材。,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,包括硬件和软件两部分。,硬件部分,:,处理器,/,微处理器,存储器（,EPROM,、,EEPROM,、,Flash Memory,）,外部设备,I/O,接口,图形控制器等。,微机控制技术,存储容量有限,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,软件部分：,操作系统(要求实时和多任务操作),，,控制着应用程序编程与硬件的交互作用。,应用程序，控制着系统的运作和行为,；,微机控制技术,现代网络技术,嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中,BIOS,的工作方式，是独立工作的,“,器件,”,。,具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。,现代网络技术,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点,:,（,1,）对实时多任务有很强的支持能力。,能完成多任务并且有较短的中断响应时间。,（,2,）具有很强的存储区保护功能。,由于嵌入式系统的软件结构已模块化。,微机控制技术,现代网络技术,（,3,）可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。,（,4,）功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有,mW,甚至,W,级。,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过,1000,多种，,流行体系结构有,30,几个系列，,其中,8051,体系的占有半数以上，共,350,多种衍生产品。,嵌入式计算机可以分成下面几类,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,1.,嵌入式微处理器,(,E,mbedded,M,icro,p,rocessor,U,nit,）,（,1,）与,CPU,比：,EMPU,在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,（,2,）和工业控制计算机相比：,体积小、重量轻、成本低、可靠性高；但是电路板上必须包括,ROM,、,RAM,、总线接口、各种外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。,微机控制技术,在一块电路板上装有嵌入式微处理器、存储器、总线、外设等构成,单板计算机,。,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,2,、嵌入式微控制器,(,M,icro,c,ontroller,U,nit),嵌入式微控制器又称单片机（,MCU,）。,和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。,微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,嵌入式微控制器目前的品种和数量最多：,通用系列：,8051,、,P51XA,、,MCS-251,、,MCS-96/196/296,等。,半通用系列：,支持,USB,接口：,MCU 8XC930/931,、,C540,、,C541,；,支持,I,2,C,、,CAN-Bus,、,LCD,及众多专用,MCU,和兼容系列。,微机控制技术,目前,MCU,占嵌入式系统约,70,的市场份额。,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,3,、嵌入式,DSP,处理器,(,E,mbedded,D,igital,S,ignal,P,rocessor,EDSP),（）处理器的特点,编译效率较高，指令执行速度也较高。,数字滤波、,FFT,、谱分析等方面,DSP,算法正在大量进入嵌入式领域。,微机控制技术,现代网络技术,（）,嵌,入式,DSP,处理器构成,DSP,处理器经过单片化、,EMC,改造、增加片上外设成为嵌入式,DSP,处理器。,在通用单片机或,SOC,中增加,DSP,协处理器。,1.2.4,嵌入式系统,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,（）推动嵌入式,DSP,处理器发展的因素：,嵌入式系统的智能化。,如：各种带有智能逻辑的消费类产品,生物信息识别终端,带有加解密算法的键盘,ADSL,接入,实时语音压解系统,指针线性寻址等,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,4,、嵌入式片上系统,(,S,ystem,O,n,C,hip,),随着,EDI,的推广和,VLSI,设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是,SOC,。,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如,掌上,PDA,、,电视机顶盒,、,手机上网,、数字电视、数码相机、家庭自动化系统、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。,微机控制技术,现代网络技术,1.2.4,嵌入式系统,本书后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽然以,8051,系列单片机为主进行讲述，,所涉及的基本原理可适合任何一种嵌入式,CPU,。,微机控制技术,现代网络技术,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,物联网系统,（,Internet of Things System,，,ITS,）,第三次信息革命。,该系统通过射频自动识别（,RFID,）、红外感应器、全球定位系统（,GPS,）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以,实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。,实际上它也是一种微型计算机控制系统，只不过更加庞大而已。,现代网络技术,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,物联网,=,互联网,+,传感器,现代网络技术,“,物联网,”,时代,把感应器嵌入和装备到钢筋混凝土、电缆与芯片等中，然后和互联网整合为统一的基础设施,，在此基础上，人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到,“,智慧,”,状态。,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,现代网络技术,物联网结构图,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,现代网络技术,物联网的关键技术是如何把,“,物,”,与互联网结合起来，这就需要一种所谓的,“,物联网终端,”,物联网终端,-,物联网中连接传感网络层和传输网络层、实现采集数据及向网络层发送数据的设备。,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,现代网络技术,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,物联网终端的内部结构,现代网络技术,1.2.5,物联网系统（,ITS,）,物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块以及网络通信模块组成。,工作过程：,1,）通过外围感知接口与传感设备连接，如,RFID,读卡器，红外感应器，环境传感器等，,2,）将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口发送到以太网的指定中心处理平台。,现代网络技术,以下面上海移动为例，将技术转化成城市中的生活应用的案例来解释会更加清楚地理解这个概念，由于物联网覆盖更多地要依赖无线技术通目前的通信网络，所以移动物联网将会更加符合未来发展方向：,案例一：你想知道孩子在幼儿园里开心吗？打开手机，点击,“,宝宝在线,”,，孩子的一颦一笑尽收眼底。,“,宝宝在线,”,在松江、闵行地区,4,所幼儿园试点后，受到家长热烈欢迎，订制这项服务的家庭超过,500,户，使用率接近,100%,。,案例二：在普陀的中环百联，借助中国移动上海公司,“,智能停车,”,系统，人们将可以用手机查看附近的停车场有无空位，用手机在中环百联的,“,虚拟商城,”,里,“,逛商店、买东西,”,。,现代网络技术,案例三：将感应器与无线网关或无线座机连接，一旦家里发生煤气泄漏等险情，告警指令会第一时间发送到你手机。移动物联网最新应用,“,宜居通,”,，大大提高了城市安保的,“,智能,”,水平，目前已在普陀、闵行、松江、嘉定等地试点，未来三年计划覆盖全市。包括,“,宜居通,”,在内，中国移动上海公司已经拥有,50,万物联网终端用户。,在,“,十二五,”,无线城市蓝图里，中国移动上海公司提出，以无线城市助力上海智慧城市建设，围绕强政、兴业、惠民，使,“,无线城市,”,成为,“,政务管理的好帮手,”,、,“,推广行业信息化的好平台,”,、,“,民生服务的好工具,”,。,现代网络技术,1,2,现场总线控制系统（,FCS,）,现场总线控制系统在,20,世纪,90,年代兴起；,将网络通信与管理的概念联系起来；,采用数字通信，改变了传统的信息传送方式。,微机控制技术,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,一、现场总线控制系统是,分布式控制系统,的换代产品,1,系统全部采用数字信息传递,（传统的,DCS,（分布式系统）中，底层到控制站之间用,4,20mA,电流传送）,信息传递数字化后，在通信质量和连线方式上有重大突破。,微机控制技术,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,2,分散的系统结构,（,1,）传统,DCS,中：,采用,“,操作站,-,控制站,-,现场仪表,”,的三层主从结构,（,2,）,FCS,中：,把,I/O,单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表,微机控制技术,现代网络技术,每个仪表都含有,CPU,具有测量、校正、调节、诊断等功能；,靠网络协议将各节点联系起来统筹工作；,节点出问题只影响其本身，不影响全局。,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,3,方便的互操作性,不同结构的,FCS,产品，可组成统一的系统。,4,开放的互联网络,（,1,）,FCS,技术级标准均采用开放式政策，面向所有的产品制造商和用户。,（,2,）通信网络可以和其它系统网络、高速网络相连，即用户可共享网络资源,。,微机控制技术,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,5,传输媒介和拓朴结构,FCS,采用数字通信方式：,改变了传统的信息交换、信号形式 和系统结构。,改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。,改变了系统的设计及调试方法，开创了控制领域的新纪元,。,微机控制技术,现代网络技术,二,FCS,控制结构,微机控制技术,现场总线控制系统结构图,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,用于过程自动化构成,FCS,的基本设备如下：,变送器,功能：检测、变换和补偿，,PID,控制和运算功能。,如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。,微机控制技术,现代网络技术,执行器,功能：信号驱动、执行功能,阀门特性自校验和自诊断功能,输出特性补偿（内含调节阀）功能,PID,控制和运算等功能,分类：电动、气动两大类。,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,服务器和网桥,服务器下接,Hl,和,H2,，,上接局域网,LAN(Local area network),；,网桥上接,H2,，下接,Hl,。,辅助设备,H1/,气压、,Hl,电流、电流,Hl,转换器、安全栅、,总线电源、便携式编程器等。,微机控制技术,现代网络技术,监,控设备,工程师站：供现场总线组态,操作员站：供工艺操作与监视,计算机站：用于优化控制和建模。,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,现场总线控制系统,是一种数字通信协议,是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。,具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技术特点。,现代网络技术,1,2,6,现场总线控制系统（,FCS,）,保证控制系统可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的需求，且使其与,Internet,网,互连构成不同层次的复杂网络成为可能。,代表了工业控制体系结构发展的一种方向。,现代网络技术,1,3,微型计算机,系,统的发展概况及趋势,1.3.1,单片微型计算机,1.3.2,可编程逻辑控制器,1.3.3 FPGA,系统,1.3.4,工业,PC,1.3.5,微型计算机控制系统的发展趋势,现代网络技术,1,3,1,单片微型计算机,单片微型计算机,(Single Chip Microcomputer),，,是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。,特点是设计者可根据实际需要进行单片机系统开发、设计，因而更加方便、灵活，且成本低。,微机控制技术,现代网络技术,1,3,1,单片微型计算机,与微型计算机相比，单片机具有以下特点：,1,集成度高，功能强,2,结构合理,3,抗干扰能力强,4,指令丰富,5.,省电,微机控制技术,现代网络技术,1,3,2,可编程逻辑控制器,1,3,2,可编程逻辑控制器,(,P,rogrammable,L,ogical,C,ontroller),，简称,PLC,。,以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力，得到广泛的应用。,应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影。,微机控制技术,现代网络技术,1,3,2,可编程逻辑控制器,一、,PLC,的功能,(1),条件控制,(2),定时控制,(3),计数控制,(4),顺序控制,(5),模数,(A/D),、数模,(D/A),转换,(6),数据处理,(7),通讯与联网,微机控制技术,广泛应用在控制系统中,现代网络技术,1,3,2,可编程逻辑控制器,2,PLC,的特点,(1),可靠性高,(2),编程容易,(3),组合灵活,(4),输入输出功能模块齐全,(5),安装方便,(6),运行速度快,微机控制技术,现代网络技术,1,3,2,可编程逻辑控制器,3,PLC,的分类,根据,PLC,的功能，可分为三类：,(1,）低档,PLC,(2,）中档,PLC,(3,）高档,PLC,微机控制技术,现代网络技术,1,3,3,现场可编程门阵列（,FPGA,）,现场可编程门阵列,FPGA,（,Field Programmable Gate Array,）是一种通用型用户可编程器件。,FPGA,由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的,I,O,单元阵列构成。,一片,FPGA,芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。,微机控制技术,现代网络技术,1,3,3,现场可编程门阵列（,FPGA,）,1,FPGA,的特点,（,1,）采用,FPGA,设计,ASIC,电路,（,2,）,FPGA,可做其它全定制或半定制,ASIC,电路中的试样片。,（,3,）,FPGA,内部有丰富的触发器和,I,O,引脚。,（,4,）,FPGA,设计周期最短、开发费用最低、风险小的。,（,5,）,FPGA,采用高速,CHMOS,工艺，功耗低，可以与,CMOS,、,TTL,电平兼容。,可以说，,FPGA,芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。,现代网络技术,1,3,4,工业,PC,机,1,3,4,工业,PC,机,工业,PC,机与个人计算机的差别：,（,1,）用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板；,（,2,）,将母板分为,PC,插件（若干），如,CPU,板，存储板,等；,（,3,）把原,PC,电源改为工业电源；,微机控制技术,现代网络技术,1,3,4,工业,PC,机,（,4,）采用密封机箱，内部压送风；,（,5,）配相应的工业软件。,（,6,）,既利用了,PC,机丰富的资源，又在结构上实现了模块化。,现代网络技术,1,3,5,微型计算机控制系统的发展趋势,1,大力推广应用成熟的先进技术,成熟技术是发展和推广的重点,项目,.,这些技术有：,(1),普及应用可编程序控制器,(PLC),(2),广泛使用智能化调节器,(3),采用新型的,DCS,和,FCS,（,4,）,FPGA,将成为微型计算机控制技术的新宠,微机控制技术,现代网络技术,1,3,5,微型计算机控制系统的发展趋势,2,大力研究和发展智能控制系统,(1),分级递阶智能控制系统,(2),模糊控制系统,(3),专家控制系统,(4),学习控制系统,微机控制技术,现代网络技术,1,3,5,微型计算机控制系统的发展趋势,3,单片机的应用将更加深入,随着电子技术的发展，单片机的功能将更加完善，因而单片机的应用也更加普及。,单片机的应用将深入到人们的各个领域，将成为智能化仪器、中、小型控制系统应用最多的一种微型计算机。,微机控制技术,现代网络技术,作业：,P20,1,、,4,习题：,P20,5,、,8,、,13,选择题,1519,现代网络技术,