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

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
（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（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，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。
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（Microcomputer System），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，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系统软件，就构成了一个完整的微机系统。
如目前国内使用较多的IBM-PC（IBM-PC XT、286、386、486、586等）

2、按微处理机位数分类
一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等几种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数。
4位机目前多做成单片机。主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等。
8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。
16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。
32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。称之为超级微型机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。
3、按用途分类
分为控制用和数据处理用微型计算机。
对单片机来说为通用型和专用型。
通用型单片机，如MCS—51。
专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。其内部系统结构或指令系统都是特殊设计的（甚至内部已固化好程序）。

三、程序设计语言与微机软件
1、程序设计语言
程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。
目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”（machine language）、“汇编语言”（assembly language）、“高级语言”（high level language）。
2、操作系统
所谓操作系统，就是计算机系统的管理程序库。
3、程序库
计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库（或软件包）。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象（产品）的特殊性较强，其程序库的形成较难。
四、微型计算机在机电一体化中的地位
    微型计算机在机电一体化系统中的功用，大致归纳有如下几个方面：
1）对机械工业生产过程的直接控制。
2）对机械生产过程的监督和控制。
    3）在机械工业生产的过程中，对各物理参数进行周期性或随机性的自动测量，并显示，打印和记录结果供操作人员观测，对间接测量的参数或指标进行计算、存贮、分析判断和处理，并将信息反馈到控制中心，制定新的对策。
    在具体的生产过程中对加工零件的尺寸，刀具磨损情况进行测量，并对刀具补偿量进行修正，以保证加工的精度要求。
    4）对车间或全厂自动生产线的生产过程进行调度和管理。
    5）直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体化新产品，如机器人、智能仪器等。
机电一体化系统的微型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、低价、易于操作的特性都是采用微型计算机技术的结果，微型计算机技术是机电一体化中最活跃、影响最大的关键技术。
五、微机应用领域、选用要点及应注意的问题
用微机构成机电一体化系统（或产品）具有以下效果：
①小型化——应用LSI技术减少了元件数量，简化了装配、缩小了体积；
②多功能化——利用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；
③通用性增大——容易用软件更改和扩展设计；
④提高了可靠性——用LSI技术减少了元件、焊点及接线点的数量，增加了用软件进行检测的功能；
⑤提高了设计效率——将硬件标准化，用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期。
⑥经济效果好——降低了零件费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降低成本；
⑦产品（或系统）标难化——硬件易于标准化；
⑧提高了维修保养性能——产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能。

（1）应用领域
微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用领域。
① 工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程逻辑控制器（PLC）、缝纫机、编织机、升降机、纺织机械、电机控制、工业机器人、智能传感器、智能定时器等。
② 交通与能源设备的机电一体化。汽车发动机点火控制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。
③ 家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱、微波炉、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、立体声音响设备等。
④ 商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、电子收款机、银行自动化系统等。
⑤ 仪器、仪表机电一体化。三坐标测量仪、医疗电子设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。
⑥ 办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。
⑦ 信息处理自动化设备。语音处理、语音识别、语音分析、语言合成设备；图像分析别设备；气象资料分析处理、地震波分析处理设备。
⑧ 导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。

（2）选用要点
①不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。
②生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用八位或十六位微机系统。
③家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。采用四位或八位微机。
④在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用十六位与三十二位微机。
⑤对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用八位机。

换句话说
①四位机常用于较简单、规模较小的系统（或产品）；
②八位机则用于中等规模的系统；
③十六位与三十二位机及六十四位机主要用于较复杂的大系统；

（3）机电一体化中使用计算机应注意的问题
    1）计算机系统的存贮器和通信部件性能/价格比的发展跟不上处理器的发展，其结果是快速的运算系统与慢速的外部设备的矛盾。
    2）人—机接口已成为计算机技术应用的主要问题，开发图形窗口软件的人—机接口技术是当前计算机软件发展的重要趋势。
3）软件的开发仍然是计算机应用的巨大工作量所在。

六、未来计算机的发展对机电一体化技术的影响