第3章机电一体化控制系统的组成与接口设计doc - 第3章：机电一体化

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1、第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计3.1控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1.专用与通用的抉择专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。2.硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。例：分立元件组成硬件------软件利用LSI芯片组成电路-----软件3.1.2控制系统的一般设计思路设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象

2、的控制要求，构思控制系统的整体方案。（2）考虑执行元件采用何种方式。（3）要考虑是否有特殊控制要求。（4）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。（5）应初步估算其成本。2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。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。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

3、个系统的成败。例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：或圆弧算法：或直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。3、选择微型计算机（1）较完善的中断系统（2）足够的存储容量14（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。（1）接口设计并行接口（8255A）串行接口（

4、8251A）计数器／定时器（8253/8254）选用方法：①选用功能接口板（适用组成较大系统）。②选用通用接口电路（适用较小的控制系统）。③用集成电路自行设计接口电路。接口设计包括两个方面的内容：①扩展接口；②安排通过各接口电路输入／输出端的输入／输出信号，选定各信号输入／输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。（2）通道设计输入／输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入／输出通道。开关量、数字量的输入／输出比较简单。模拟量输入／输出通道比较复杂。（3）操作控制台设计一般要

5、单独设计一个操作员控制台。①有一组或几组数据输入键（数字键或拔码开关等），用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据。②有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能。③有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等。④控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。5、软件设计系统软件应用软件应采用模块式结构，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D、D/A转换程序、PID算法程序等。设计者的任务主要是把这些具有一定功能的子程序进行排列组合

6、，使其成为一个完成特定功能的应用程序。3.2机电一体化技术和系统中的微型计算机系统一、微型计算机的基本构成“微机”是三个概念的统称：微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机（Microprocessor）简称μP或CPU。它是一个大规模集成电路（LSI）器件，或超大规模集成电路（VLSI）器件。14微型计算机（Microcomputer）简称uC或MC。它是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM），输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。微型计算机系统（Microcomput

7、erSystem），简称MCS。配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机。二、微型计算机的分类1、按组装形式分类（1）单片机在一块集成电路芯片（LSI）上装有CPU、ROM、RAM以及输入/输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机，简称单片机，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机械设备、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。（2）微型计算机系统将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，

8、然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的