機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)思路
??? 3.1.1專用與通用、硬件與軟件的權(quán)衡與抉擇
1. 專用與通用的抉擇
專用控制系統(tǒng)：
適合于大批量生產(chǎn)的而且較成熟的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
通用控制系統(tǒng)：
適合還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定的產(chǎn)品。
? 2. 硬件與軟件的權(quán)衡
根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)衡決定。
例：分立元件組成硬件------軟件
??? 利用LSI芯片組成電路-----軟件

3.1.2 控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)思路
設(shè)計(jì)步驟為：確定系統(tǒng)整體控制方案；確定控制算法；選用微型計(jì)算機(jī)；系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)等。
? 1、確定系統(tǒng)整體控制方案
（1）應(yīng)了解被控對(duì)象的控制要求，構(gòu)思控制系統(tǒng)的整體方案。
（2）考慮執(zhí)行元件采用何種方式。
（3）要考慮是否有特殊控制要求。
（4）考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機(jī)應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入/輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。
（5）應(yīng)初步估算其成本。
? 2、確定控制算法
建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法。
數(shù)學(xué)模型：就是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系。
控制算法：所謂計(jì)算機(jī)控制，就是按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。
例如：
機(jī)床控制中常使用的逐點(diǎn)比較法的控制算法和數(shù)字積分法的控制算法；
直線算法：?? 或??
圓弧算法：?? 或???
直接數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的PID調(diào)節(jié)的控制算法；
位置數(shù)字伺服系統(tǒng)中常用的實(shí)現(xiàn)最少拍控制的控制算法；
另外，還有各種最優(yōu)控制的控制算法、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制的控制算法。
3、選擇微型計(jì)算機(jī)
（1）較完善的中斷系統(tǒng)
（2）足夠的存儲(chǔ)容量
（3）完備的輸入／輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘
（4）特殊要求：字長(zhǎng)、速度、指令

4、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中主要考慮硬件與軟件功能的分配與協(xié)調(diào)、接口設(shè)計(jì)、通道設(shè)計(jì)、操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等問(wèn)題。
（1）接口設(shè)計(jì)
并行接口（8255A）
串行接口（8251A）
計(jì)數(shù)器／定時(shí)器（8253/8254）
選用方法：
① 選用功能接口板（適用組成較大系統(tǒng)）。
② 選用通用接口電路（適用較小的控制系統(tǒng)）。
③ 用集成電路自行設(shè)計(jì)接口電路。
接口設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：
① 擴(kuò)展接口；
② 安排通過(guò)各接口電路輸入／輸出端的輸入／輸出信號(hào)，選定各信號(hào)輸入／輸出時(shí)采用何種控制方式。如果要采用程序中斷方式，就要考慮中斷申請(qǐng)輸入、中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)等問(wèn)題。
（2）通道設(shè)計(jì)
輸入／輸出通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象相互交換信息的部件。每個(gè)控制系統(tǒng)都要有輸入／輸出通道。
開關(guān)量、數(shù)字量的輸入／輸出比較簡(jiǎn)單。
模擬量輸入／輸出通道比較復(fù)雜。
（3）操作控制臺(tái)設(shè)計(jì)
一般要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)操作員控制臺(tái)。
① 有一組或幾組數(shù)據(jù)輸入鍵（數(shù)字鍵或拔碼開關(guān)等），用于輸入或更新給定值、修改控制器參數(shù)或其它必要的數(shù)據(jù)。
② 有一組或幾組功能鍵或轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于轉(zhuǎn)換工作方式，起動(dòng)、停止或完成某種指定的功能。
③ 有一個(gè)數(shù)字顯示裝置或顯示屏，用于顯示各狀態(tài)參數(shù)及故障指示等。
④ 控制板上應(yīng)有一個(gè)“急?！卑粹o，用于在出現(xiàn)事故時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)入故障處理。
5、軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件
應(yīng)用軟件
應(yīng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，盡量把共用的程序編寫成具有不同功能的子程序，如算術(shù)和邏輯運(yùn)算程序、A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序、PID算法程序等。設(shè)計(jì)者的任務(wù)主要是把這些具有一定功能的子程序進(jìn)行排列組合，使其成為一個(gè)完成特定功能的應(yīng)用程序。
3.2 機(jī)電一體化技術(shù)和系統(tǒng)中的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
一、微型計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成
??? “微機(jī)”是三個(gè)概念的統(tǒng)稱：微處理機(jī)（微處理器）、微型計(jì)算機(jī)、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。
微處理機(jī)（Microprocessor）簡(jiǎn)稱μP或CPU。它是一個(gè)大規(guī)模集成電路（LSI）器件，或超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件。
微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）簡(jiǎn)稱uC或MC。它是以微處理機(jī)（CPU）為中心，加上只讀存儲(chǔ)器（ROM）、讀寫存儲(chǔ)器（RAM），輸入/輸出接口電路、系統(tǒng)總線及其它支持邏輯電路組成的計(jì)算機(jī)。
微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Microcomputer System），簡(jiǎn)稱MCS。配有系統(tǒng)軟件、外圍設(shè)備、系統(tǒng)總線接口的微型計(jì)算機(jī)。

二、微型計(jì)算機(jī)的分類
1、按組裝形式分類
（1）單片機(jī)
在一塊集成電路芯片（LSI）上裝有CPU、ROM、RAM以及輸入/輸出端口電路，該芯片就被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。
單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于家用電器、機(jī)電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動(dòng)化產(chǎn)品、機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人等的機(jī)電一體化。上至航天器、下至兒童玩具，均是單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
（2）微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
將微型計(jì)算機(jī)、ROM、RAM、I/O接口電路、電源等組裝在不同的印刷電路板上，然后組裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，再配上鍵盤、CRT顯示器、打印機(jī)、硬盤、軟盤驅(qū)動(dòng)器等多種外圍設(shè)備和足夠的系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。
如目前國(guó)內(nèi)使用較多的IBM-PC（IBM-PC XT、286、386、486、586等）

2、按微處理機(jī)位數(shù)分類
一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等幾種。所謂位數(shù)是指微處理機(jī)并行處理的數(shù)據(jù)位數(shù)。
4位機(jī)目前多做成單片機(jī)。主要用于單機(jī)控制、儀器儀表、家用電器、游戲機(jī)等。
8位機(jī)有單片和多片之分，主要用于控制和計(jì)算。
16位機(jī)功能更強(qiáng)、性能更好，用于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。它可以使小型機(jī)微型化。
32位和64位機(jī)是比小型機(jī)更有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。稱之為超級(jí)微型機(jī)。它具有面向高級(jí)語(yǔ)言的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有支持高級(jí)調(diào)度、調(diào)試以及開發(fā)系統(tǒng)用的專用指令，大大提高了軟件的生產(chǎn)效率。
3、按用途分類
分為控制用和數(shù)據(jù)處理用微型計(jì)算機(jī)。
對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)為通用型和專用型。
通用型單片機(jī)，如MCS—51。
專用單片機(jī)或稱專用微控制器，是專門為某一應(yīng)用領(lǐng)域或某一特定產(chǎn)品而開發(fā)的一類單片機(jī)。其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或指令系統(tǒng)都是特殊設(shè)計(jì)的（甚至內(nèi)部已固化好程序）。

三、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與微機(jī)軟件
1、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言
程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是編寫計(jì)算機(jī)程序所使用的語(yǔ)言，是人機(jī)對(duì)話的工具。
目前使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言大致有三大類，即“機(jī)器語(yǔ)言”（machine language）、“匯編語(yǔ)言”（assembly language）、“高級(jí)語(yǔ)言”（high level language）。
2、操作系統(tǒng)
所謂操作系統(tǒng)，就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理程序庫(kù)。
3、程序庫(kù)
計(jì)算機(jī)的可用程序和子程序的集合就是程序庫(kù)（或軟件包）。目前，微型計(jì)算機(jī)積累的程序非常豐富，而且可以通用。而在機(jī)械控制領(lǐng)域，由于被控對(duì)象（產(chǎn)品）的特殊性較強(qiáng)，其程序庫(kù)的形成較難。
四、微型計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化中的地位
??? 微型計(jì)算機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的功用，大致歸納有如下幾個(gè)方面：
1）對(duì)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的直接控制。
2）對(duì)機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)督和控制。
??? 3）在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，對(duì)各物理參數(shù)進(jìn)行周期性或隨機(jī)性的自動(dòng)測(cè)量，并顯示，打印和記錄結(jié)果供操作人員觀測(cè)，對(duì)間接測(cè)量的參數(shù)或指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、存貯、分析判斷和處理，并將信息反饋到控制中心，制定新的對(duì)策。
??? 在具體的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)加工零件的尺寸，刀具磨損情況進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)刀具補(bǔ)償量進(jìn)行修正，以保證加工的精度要求。
??? 4）對(duì)車間或全廠自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)度和管理。
??? 5）直接滲透到產(chǎn)品中形成帶有智能性的機(jī)電一體化新產(chǎn)品，如機(jī)器人、智能儀器等。
機(jī)電一體化系統(tǒng)的微型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、低價(jià)、易于操作的特性都是采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)果，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)是機(jī)電一體化中最活躍、影響最大的關(guān)鍵技術(shù)。
五、微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域、選用要點(diǎn)及應(yīng)注意的問(wèn)題
用微機(jī)構(gòu)成機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）具有以下效果：
①小型化——應(yīng)用LSI技術(shù)減少了元件數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配、縮小了體積；
②多功能化——利用了微機(jī)以信息處理能力、控制能力為代表的智能；
③通用性增大——容易用軟件更改和擴(kuò)展設(shè)計(jì)；
④提高了可靠性——用LSI技術(shù)減少了元件、焊點(diǎn)及接線點(diǎn)的數(shù)量，增加了用軟件進(jìn)行檢測(cè)的功能；
⑤提高了設(shè)計(jì)效率——將硬件標(biāo)準(zhǔn)化，用軟件適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格的變化，能大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
⑥經(jīng)濟(jì)效果好——降低了零件費(fèi)、裝配成本、電源能耗，通過(guò)硬件標(biāo)準(zhǔn)化易于實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)、進(jìn)一步降低成本；
⑦產(chǎn)品（或系統(tǒng)）標(biāo)難化——硬件易于標(biāo)準(zhǔn)化；
⑧提高了維修保養(yǎng)性能——產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化使維修保養(yǎng)人員易于掌握維修保養(yǎng)規(guī)則，易于運(yùn)用故障自診斷功能。

（1）應(yīng)用領(lǐng)域
微機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，下面僅列舉一些典型應(yīng)用領(lǐng)域。
① 工業(yè)控制和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化。生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化、機(jī)床自動(dòng)化、數(shù)控與數(shù)顯、測(cè)溫及控溫、可編程邏輯控制器（PLC）、縫紉機(jī)、編織機(jī)、升降機(jī)、紡織機(jī)械、電機(jī)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器、智能定時(shí)器等。
② 交通與能源設(shè)備的機(jī)電一體化。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制、汽車變速器控制、交通燈控制、爐溫控制等。
③ 家用電器的機(jī)電一體化。洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐、錄像機(jī)、攝像機(jī)、電飯鍋、電風(fēng)扇、照相機(jī)、電視機(jī)、立體聲音響設(shè)備等。
④ 商用產(chǎn)品機(jī)電一體化。電子秤、自動(dòng)售貨（票）機(jī)、電子收款機(jī)、銀行自動(dòng)化系統(tǒng)等。
⑤ 儀器、儀表機(jī)電一體化。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、醫(yī)療電子設(shè)備、測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)溫儀、測(cè)速儀、機(jī)電測(cè)試設(shè)備等。
⑥ 辦公自動(dòng)化設(shè)備的機(jī)電一體化。復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖儀、印刷機(jī)等。
⑦ 信息處理自動(dòng)化設(shè)備。語(yǔ)音處理、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音分析、語(yǔ)言合成設(shè)備；圖像分析別設(shè)備；氣象資料分析處理、地震波分析處理設(shè)備。
⑧ 導(dǎo)航與控制。導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)、航空航天系統(tǒng)、智能武器裝置等。

（2）選用要點(diǎn)
①不同領(lǐng)域可選用不同品種、不同檔次的微機(jī)。
②生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化、機(jī)床自動(dòng)化、數(shù)控機(jī)床一般應(yīng)用八位或十六位微機(jī)系統(tǒng)。
③家用電器、商用產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)一般裝在產(chǎn)品內(nèi)，故應(yīng)采用單片機(jī)或微處理器。采用四位或八位微機(jī)。
④在要求很高的實(shí)時(shí)控制及復(fù)雜的過(guò)程控制、高速運(yùn)算及大量數(shù)據(jù)處理等場(chǎng)合，如智能機(jī)器人、導(dǎo)航系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)應(yīng)主要使用十六位與三十二位微機(jī)。
⑤對(duì)一般的工業(yè)控制設(shè)備及機(jī)電產(chǎn)品、汽車機(jī)電一體化控制、智能儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)控制、磅秤自動(dòng)化、交通與能源管理等，多采用八位機(jī)。

換句話說(shuō)
①四位機(jī)常用于較簡(jiǎn)單、規(guī)模較小的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）；
②八位機(jī)則用于中等規(guī)模的系統(tǒng)；
③十六位與三十二位機(jī)及六十四位機(jī)主要用于較復(fù)雜的大系統(tǒng)；

（3）機(jī)電一體化中使用計(jì)算機(jī)應(yīng)注意的問(wèn)題
??? 1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存貯器和通信部件性能/價(jià)格比的發(fā)展跟不上處理器的發(fā)展，其結(jié)果是快速的運(yùn)算系統(tǒng)與慢速的外部設(shè)備的矛盾。
??? 2）人—機(jī)接口已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題，開發(fā)圖形窗口軟件的人—機(jī)接口技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的重要趨勢(shì)。
3）軟件的開發(fā)仍然是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的巨大工作量所在。

六、未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的影響