第8章 微型计算机控制系统设计 8.2 控制系统设计的一般步骤 8.3 微型计算机控制系统的软件 8.4 常用应用程序设计 8.5 设计举例一 微型计算机控制直 流伺服系统设计 8.6 设计举例二 微型计算机温度 控制系统设计 8.1 微型计算机控制系统的基本要求及特点 8.1 微型计算机控制系统的基本要求 和特点 8.1.1 系统设计的基本要求 1、系统操作性能好 包含两个含义：使用方便（编程语言、结构易理解，硬件操作少）、维修容易（ 软件具有自检功能、硬件配置易于维修）。 2、通用性好，便于扩充 标准化设计，增强其通用性，留有余量，便于扩充。 3、可靠性高 此性能是控制系统设计最重要的性能要求。 8.1.2 系统设计特点 在进行控制系统设计时，系统设计人员必须把要实现的任务和功能合理的分 配给硬件和软件，既要考虑系统的价格，又要考虑系统满足实时性要求的工作 速度，做到硬件软件合理权衡，并尽量节省机器时间和内存空间。 8.2 控制系统设计的一般步骤 微型计算机控制系统设计一般可分为以下六个步骤：系统总体控制方案 设计；微型计算机选择；控制算法设计；硬件设计；软件设计；系统联调。 这一步决定了系统整体控制方案，即设计方案应满足性能指标先进、方 案合理、可行、可靠性高、性能/价格比好的要求，并且尽可能做到具有一 定的通用性、可移植性和便于扩充等。 8.2.1 系统总体控制方案设计 （一）确定控制任务 （二）硬件软件功能分配与协调 微型计算机控制系统是由硬件和软件共同组成的，对于某些既可用硬件 扩充接口的方案很多，要根据控制要求，能够得到何种元件和扩充接口 的方便程度来确定，通常有下述三种方法可供选用： （三）接口设计 （1）选用专门的功能接口板 （2）选用通用接口电路 （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，一是扩充接口，二是安排通过各接口电 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。 软件与硬件功能分配要根据各自的特点和实际应用的具体情况来决定。 1） 实现，又可用软件实现的功能，在进行设计时，应充分考虑硬件和软件的特 点，合理地进行功能分配与协调。 8.2 控制系统设计的一般步骤 （四）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。 输入输出通道有数字量的输入输出通道、开关量的输入输出通道、模拟量 的输入输出通道以及脉冲量的输入输出通道。 （五）操作员控制台设计 控制台一般有下列功能： 1）有一组或几组数据输入键，用于输入或更新给定值，修改控制器参 数或其他必要的数据。 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、停止系统 运行或完成某种特定的系统操作功能。 3）有一个显示装置或显示屏，用于显示状态、参数及故障指示等。 8.2 控制系统设计的一般步骤 4）有一个“紧急停止”接钮“，用于在紧急事故时停止系统运行，转 入故障处理。 8.2.2 微型计算机选择 微型计算机选择包括微型计算机系统构成方案选择和微型计算机系统功 能以及性能指标选择。 （一）微型计算机系统构成方案选择 1.组装方案 缺点是要求设计者知识的深度和广度都比较高，设计工作复杂，工作量 大，要编写全部软件，研制周期长。所以，这种方式决不是优先考虑的方案， 特别在需要量不大的情况下，就更应当避免采用这种方案。 8.2 控制系统设计的一般步骤 选用单板机方案的优点是工作量大大减少，成本低，对设计工作者的知 识要求也比较低。因此在微型计算机应用的初期用得较多。 3.通用微型计算机系统方案 采用这种方案的优点是控制功能强、设 计工作量小、研制周期短。但其缺点也比较明显。 4.通用工业控制计算机系统方案 它是当前乃至今后微型计算机控制系统的优选方案之一。 （二）微型计算机控制系统性能指标选择 从应用于生产机械或生产过程实时控制的角度出发，微型计算机应能满 足下述基本要求： 1.完善的中断系统；具有实时控制的功能 2.单板机或单片机方案 8.2 控制系统设计的一般步骤 3.完备的输入输出通道和实时时钟； 4.微处理器有足够的数据处理能力。 首先是字长；其次是指令的执行速度；第三是指令系统。 2.足够的存储容量； 8.2.3 控制算法设计 控制算法设计必须以系统的数学模型为基础，数学模型是系统运动规律的数 学表达，它反映了系统输入、输出以及内部状态变量之间的逻辑和数量关系。 控制算法就是可程序化设计的系统控制规律。 控制算法设计要根据具体控制对象、控制性能指标要求以及所选用的微型计 算机对数据的处理能力来进行。 8.2 控制系统设计的一般步骤 在设计中要注意以下几个问题： 第一，控制算法对系统的性能指标有直接的影响，因此，选定的控制算法 必须满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。 第二，各种控制算法提供了一套通用的计算公式，是对一般性的问题而言 的，但具体到一个特定的控制对象上，必须有分析地选用，在某些情况下可能 还要进行必要的修改和补充。 第三，当控制系统比较复杂时，满足控制性能指标的控制规律也比较复杂 ，相应的控制算法的实现就比较困难。控制算法设计要充分考虑其可实现性。 8.2.4 硬件设计 硬件是系统可靠性的基础，忽视硬件设计不可能得到高质量的控制系统。 8.2 控制系统设计的一般步骤 从电路工作原理的设计、硬件元件的选定、筛选，到印刷电路板的设计 制作和焊接调试，每一环节都必须认真做好，才能保证硬件的质量。 8.2.5 软件设计 8.2.6 系统联调 联调通常分两步进行： 第一步在实验室模拟装置上进行，要尽量创造条件使模拟装置接近于实际 控制系统，在调试时应采取一些必要的测量监视和保护措施。 第二步是在工业生产现场进行工业试验，在工业试验中，还要考虑安全、 抗干扰等问题。 微型计算机控制系统设计的过程是一个不断完善的过程。 8.2 控制系统设计的一般步骤 8.3 微型计算机控制系统的软件 8.3.1 软件的分类 微型计算机控制系统中的软件分为系统软件和应用软件两大部分。 （一）系统软件 1.操作系统 2.语言加工系统 语言加工系统主要由系列程序组成： （1）编辑程序 （2）编译程序 （3）连接、装配程序 （4）调试程序 （5）子程序库 3.诊断系统 （二）应用软件 应用程序的功能 1.控制程序 控制程序主要实现对系统的调节和控制，它根据各种各样的控制算法和 千差万别的被控对象的具体情况来编写，控制程序的主要目标是满足系统的 性能指标。 2.数据采集及处理程序 它主要包括数据可靠性检查程序，用来检查是可靠输入数据还是故障数据 ；A/D转换及采样程序；数字滤波程序；用来滤除干扰造成的错误数据或不宜 使用的数据；线性化处理程序，对检测元件或变送器的非线性特性用软件进行 补偿。 3.巡回检测程序 8.3 微型计算机控制系统的软件 除包括数据采集程序之外，还包括越限报警程序，用于在生产中某些量超过 限定值时报警；事故预告程序，生产中某些量不允许超过限定值，从这些量的变 化趋势来看若有可能超过限定值，则发出事故预告信号；画面显示程序，用图、 表在CRT上形象地反映生产状况。 4.数据管理程序 这部分程序用于生产管理部分，主要包括统计报表程序，按生产管理部门要 求的格式打印各种报表；产品销售、生产调度及库存管理程序；产值利润预测 程序等。 8.3.2 应用程序的语言选择及设计步骤 （一）语言选择 1.机器语言 8.3 微型计算机控制系统的软件 2.汇编语言 3.高级语言 （二）应用程序的设计步骤和方法 应用程序的设计通常分下列五个步骤：问题定义、程序设计、编码、调 试、改进和再设计。 问题定义阶段是要明确微型计算机完成哪些任务及执行什么程序，决定 输入/输出的形式，决定与接口硬件电路的连接配合以及出错处理方法。 程序设计是利用程序对任务作出描述，即编写源程序。 编码是指把源程序转换成微型计算机能执行的指令代码。 调试是利用诸如断点、单步跟踪以及模拟运行等手段检查程序的正确性。 改进和再设计是根据现场运行情况对原设计作修改，或者为了扩充功能 8.3 微型计算机控制系统的软件 对程序进行改进和补充。 程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法。 模块程序设计法就是把整个程序分成若干子任务或模块，各个模块分别 设计、调试成功之后再装配在一起，成为一个完整的程序。 结构化程序设计的基本思想是：任何程序都可用三种基本结构表示，即 顺序结构，选择结构和循环结构，如图所示： 8.3 微型计算机控制系统的软件 8.3.3 高级语言和汇编语言的混合编程 （一）混合语言编程的基本概念 1.程序接口 各种语言之间的接口，称之为程序接口。最常用的程序接口是各种语言之间相 互调用方式，其间也可以传递少量的参数。 2.命名约定 也叫变名约定，即为了解决不同语言对名称标识符（如变量名、参数名、过 程名、函数名等）的不同处理，对目标文件名长度的不同限制的约定。进行混合 编程时，采用一个兼容的、大家都认可的名称非常重要。 3.调用约定 指在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，它具体对应了一个 函数、一个过程或者一个子程序的调用过程。 调用约定从两个方面影响程序编制，一是调用程序要根据调用约定将变量或 参数按约定的顺序传递给一个被调用的程序；二是被调用程序要根据调用约定规 定顺序接收传递给它的参数。 8.3 微型计算机控制系统的软件 8.3 微型计算机控制系统的软件 4.参数传递约定 （1）传值 （2）传址 （3）传名 （4）传结果 传值：是参数传递最简单的一种传递方式，它把参数的值传递给相应的形参 ，被调用程序无法改变实参的值简单可靠。 传址：它是把实参的地址传递给相应的形参。 传名：这是一种特殊的形参和实参相结合的方式，即用实参的原文替换对应 的形参。它实际上是把实参处理成为一个子程序（参数子程序），每当过程 体中遇到对应的形参时就调用该子程序。 传结果：对每一个形参设置两个形式单元，一个用来存放实参的地址，另一 个来存放实参的值，这样与传址相似，进入被调用段后，在过程体中对形参 的任何引用都针对第二个形式单元进行间接访问。 8.3 微型计算机控制系统的软件 （二）C语言程序对汇编语言程序的调用 1.C语言程序中的接口处理 （1）命名约定 （2）调用约定 （3）参数传递约定 2.汇编语言中的接口处理 1）为了与C语言命名约定相符，在定义和编写汇编语言程序的被调用过程时应以 下划线开头，并用 PUBLIC说明，过程名最好不要超过8个字符。 命名约定：在编译C语言程序时，编译系统自动的在程序中出现的变名（变量 名、过程名、函数名等）前面加下划线，因此调用汇编语言程序时注意命名方 法和命名长度。 调用约定：在C语言程序中对所调用的外部过程均采用标准的extern关键字予 以说明。 2）如果C语言程序以巨型，大型、或者中型存储模式翻译，被C语言调用的汇 编过程应说明成 far。 3）考虑调用约定，C语言程序向汇编过程传送参数是通过堆栈进行的，而C语 言参数压栈的顺序与参数在调用时参数表中出现的顺序相反。 C语言的堆栈结构图： 8.3 微型计算机控制系统的软件 4）在被C语言调用的汇编过程中用指令RET返回，而在BASIC 等其他 语言中要求用指令 RET n 返回。 5）根据缺省默认，C语言的参数传递方式是传值，但数组总是采用传 址方式。 综上所述，