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微机综合知识编辑本段回目录
一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求
1.作用
将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。
2.基本要求
（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求；
（2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬件、软件的容错能力；
（3）经济性，在满足任务要求的前提下，使系统成本尽可能低；
（4）可维护性，检测和维修方便；
（5）可扩展性，使系统能在不做大的变动的条件下很快适应新的情况。
微机控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。根据微机控制系统的组成可知，其设计过程就是设计或选用微机、设计接口、配置外设及编制软件的问题（见图4.1）。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。
二、微机控制系统设计
设计中首先遇到的问题有以下几种：
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
①专用控制系统：适合于大批量生产的机电一体化产品。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。
②通用控制系统：适合多品种、中小批量生产的机电一体化产品。通用控制系统的设计，主要是合理选择微机类型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。
（2）硬件与软件的权衡
无论是采用通用控制系统还是专用控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能，例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而有些功能，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。如加减速控制，脉冲分配器，PWM控制，滤波等。
控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
①在用分立元件组成硬件的情况下，就可以考虑采用软件；
②能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。
如三相步进电机的硬环分使用CH250集成芯片要好于触发器搭接的环形分配器。
2.设计步骤
（1）明确任务
进一步明确具体的设计任务，如，所设计的产品是要完成的功能是过程控制还是轨迹控制？复杂程度如何？具体的操作要求是什么？
（2）确定目标参数
根据设计任务给出具体的设计参数，如加工机的自由度数，各自由度的行程，加工速度、精度等，再如搬运机器人的搬运重量，搬运距离、轨迹等。
（3）确定整体控制方案
根据上一步给出的具体参数确定系统的控制方式，包括：
①从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制；
②当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件；
③执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动；
④考虑是否有特殊控制要求（如防水，防尘，防爆等），应采取哪些措施；
⑤考虑微机在控制系统中的作用、应具备的功能、需要的I/O通道和外设。
⑥初步估算其成本。
在确定整体控制方案的过程中，要做好专用与通用的抉择和硬件与软件的权衡，并画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。
（4）建立数学模型
数学模型是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统内部输入状态和输出之间的数量和逻辑关系，一般为非线性的。对于简单的系统可做线性化处理，而对于复杂的系统可以通过实验确定其数学模型。
（5）确定控制算法
根据数学模型进行控制算法设计，最常用的控制算法是输出反馈控制的PID算法，此外，还有模糊控制、自适应控制、自抗扰控制等算法。所选算法应能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。
（6）进行性能分析
对所设计的闭环系统进行性能分析，首先要确定系统的稳定性，可以通过计算特征根、波德图等方法判定系统的稳定性，如果系统不稳定，需要重新设计算法或重新选择参数；其次，要了解控制系统响应的快速性和准确性，可以通过系统的脉冲响应和阶跃响应等时域特性得到。如果系统达到了目标参数的要求，就可进行下一步设计，否则返回到算法设计处重新设计算法。
（7）选择微型计算机
对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时时钟等要求，此外，微机的字长、速度、指令及类型也应考虑。
①较完善的中断系统
微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力，如数控机床的伺服控制；二是在发生故障时紧急处理的能力，这些控制要求微机具有较完善的中断系统。
②足够的存储容量
当微机内存容量不足时，应能扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。
③完备的I/O通道和实时时钟
I/O通道是外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，可以有开关量I/O通道、模拟量I/O通道和数字量I/O通道等。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。
④字长与速度
微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据精度、寻址能力、指令数目和执行速度。字长短时，指令执行速度就慢，为保证实时控制，就必须选用速度快的机器。同理，字长长时就可选用速度稍慢的机器。
⑤指令
一般说来，指令条数越多，程序越少越灵活。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量。
⑥类型选择
根据成本高低、程序编制难易以及扩充I/O接口是否方便等因素，确定是选用单片机、单板机，还是微型计算机系统。
（8）接口设计
接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排各接口电路输入／输出端的信号，选定各信号输入／输出时采用何种控制方式
接口扩展方法：
选用功能接口板
选用通用接口电路
用集成电路自行设计接口电路
输入／输出控制方式
顺序？查询？中断？DMA？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。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。
（9）操作控制台设计
微机控制系统为便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，它一般不使用微机所带的键盘，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计。
（10）软件设计
微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件用户只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，设计方法有两种，即模块化程序和结构化程序。
①程序模块化设计方法:在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫作一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫作模块程序设计法。
②结构化程序设计方法:给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有顺序结构、选择结构、循环结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。
（11）系统调试
微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试→ 软件调试 →系统调试。
硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。
三、微机的系统构成
“微机”这个术语是微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称，它们之间的逻辑关系见下图。
微机的基本硬件构成
? ROM存储固定程序和数据；
? RAM通常存储I/O数据和作业领域的数据；
? I/O装置主要执行数据和程序的I/O，检测信息输入和控制信息输出。操作面板或键盘也属于输入装置；
? 辅助存储装置可作为存储器使用；
四、微机的种类
初期的微机控制功能大多由单板机（如以Z80为CPU的TP801）实现，随着PC机功能的增强和价格的下降，出现了由PC机扩展而成的微机控制系统，为了改进普通PC机在工业环境下的适应性，出现了工业PC机。为了替代传统的继电器器件，发展起来了工业可编程控制器(PLC).随着半导体器件集成度的提高，集成有CPU和基本外围接口电路的单片机也发展起来了，成为当前在机电一体化产品中应用最广的微机芯片。
显然，在进行微机控制系统的总体设计时，面对众多的微机机型，应根据被控对象和控制任务要求的特点进行合理的选择，下面对常用微机分类及基本应用特点进行介绍。
1.按组装形式可分为：
（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机(SCM-Single Chip Microcomputer)简称单片机，分为通用型和专用型单片机。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96列等。
由于单片机主要面向控制，又被称为微控制器Microcontroller（MCU）。有的集成有AD,DA,PWM等。随着单片机性能的提高和功能的增强，它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。
单片机应用系统：
单片机应用系统由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础。软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。
单片机程序设计语言：
机器语言 汇编语言 高级语言
单片机应用系统开发
单片机虽然功能很强，但它却无法独立完成程序录入、查错、改错和程序固化等功能，必需借助于开发工具(仿真器、编程器等)才能实现相关操作。
利用独立型仿真器开发：
这种仿真器不需要依赖PC机就能独立完成单片机应用系统的在线仿真，便于在现场对应用软件进行调试和修改。
利用非独立型仿真器开发：
这种开发方式要由PC机和仿真器共同实现。仿真器与PC机之间以串行通讯方式连接，利用PC机配置的组合软件完成开发任务。有些仿真器上还有固化插座，能够将开发调试后的用户程序写入存储器芯片。与前一种相比，这种开发方式在现场参数的修改和调试方面不够方便。
不使用仿真器开发：新型单片机开发系统可以不使用仿真器，而是直接将单片机安装到印刷线路板上，利用PC机完成应用程序的编辑、汇编和模拟运行，最后将目标程序串行下载到单片机应用系统。
典型产品：如SST公司推出的SST
（2）单板机
将CPU、ROM和RAM、I/O电路以及一些辅助电路分别作成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来的微机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以Z80为核心的8位单板机，SDK-86是以Intel8086/8088为核心的16位单板机。
单板机上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器,可完成简单的数据处理和编辑功能。单板机在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。
（3）微型计算机系统
普通PC机：
以微机为主体，配上系统软件和外设如键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等之后，就成了普通微机系统，如下图。
目前国内使用较多的是IBM-PC/PCI的标准总线与接口进行系统扩展，只需增加少量的接口电路，就可以组成功能齐全的测控系统，实际应用中有多种商品化的接口板供选用。
由PC机组成的控制系统可充分利用PC机原有的系统资源，但由于PC机本来是用作办公自动化的，所以对操作环境有一定的限制，因此，普通PC多用于数据采集系统或其他环境较好的场合。当用在工业现场时，对于各种干扰、振动及环境等要采取防范措施或采用工业PC机。
工业PC机
为了改进普通PC机在工业环境下的适应性，出现了工业PC机。工业PC机是结构经过加固，元器件经过严格筛选、接插件结合部经过强化设计、有良好抗干扰性、工作可靠性并保留了普通PC机的总线及接口标准以及其他优点的微机。
通常工业PC也配有种类齐全的PC总线接口模板，包括：数字量I/O板，A/D板，D/A板，定时器/计数器板、专用控制板、通信板以及存储器板等，为设计微机系统提供了极大的方便。
用工业PC组成控制系统的过程就是选用或设计相应接口模板，并开发控制软件的过程。
由于工业PC选用的元器件档次较高，结构经过强化处理，所以组成的系统性能也较高，但相应的成本也高，宜用于需进行大量数据处理、可靠性要求高的大型工业控制系统。
(4)可编控制器PLC
可编控制器（PLC）是在继电器逻辑控制系统的基础上，利用微处理器技术发展起来的有逻辑运算、计时/计数、算术运算、模拟量调节、操作显示等功能的新型工业控制器。
它结构简单、编程方便、体积小、抗干扰能力强、运行可靠，可以取代传统的继电器逻辑控制系统、模拟控制系统等，被广泛应用于工业生产过程控制中。
PLC一般使用8位或16位微处理器，大型PLC也有32位微处理器。
2.按微处理机位数可分为：
（1）4位：4位机目前多做成单片机。即把微处理机、1~2KB的ROM、64~128KB的RAM、I/O接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等中。
（2）8位：8位机主要用于控制和计算，应用最为广泛。
（3）16位：16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统,可以使小型机微型化。
（4）32位和64位：32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称之为超级微机。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。
五、微机软件与程序设计语言
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(OS-Operating System)，就是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高机算机响应速度而配备的一种软件。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。
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。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。
六、微机的应用领域及选用要点
1.应用领域
⑴工业控制和机电产品的机电一体化；数控机床
⑵交通与能源设备的机电一体化；汽车电子，自动收费
⑶家用电器的机电一体化；照相机
⑷仪器、仪表机电一体化；数字式仪器
⑸办公自动化设备的机电一体化；打印机
⑹信息处理自动化设备；条码阅读器，电子秤
⑺导航与控制。导弹发射
2.选用要点
不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。
? 一般的工业控制设备、数控机床、交通与能源管理等可使用8位或l 6位微机系统；
? 控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、微机系统；
? 微机装在产品内时(如家用电器、计算器等)可采用4位或8位单片机。
? 复杂实时控制及过程控制(如智能机器人、导航系统等),主要使用16位与32位微机。
? 总之，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。
计算机的发展编辑本段回目录
运算器是计算机对各种数据进行运算，对各种信息进行加工、处理的部件，是计算机数据处理的中心。
存储器是计算机存放各种数据、信息和程序的部件，不管是原始输入待处理的数据、中间运算结果、还是待输出的最终结果以及计算机执行的程序代码，都存放在存储器中，存储器又分为主存储器（又称内存）和辅助存储器（又称外存）。
输入设备为计算机输入各种原始信息，包括：数据、程序和文字等，并将他们转换成计算机能识别的二进制代码。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、手写板及数码相机等。
输出设备将计算机运算处理的各种结果送出供判读和识别。常用的输出设备有显示器、打印机、音箱等。
输入、输出设备是人机交互的设备，统称为外部设备，简称外设。
控制器对程序代码进行解释并产生各种控制信号，从而进一步控制计算机中的各个部件的协调运行。程序代码是程序员根据具体要求而编制的。
1949 年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在 EDSAC （ Electronic Delay Storage Automatic Calculator ）机上实现了这种模式。时至今日，电子计算机的发展已经经历了四代，虽在技术上不断发展和完善，但基于冯·诺依曼机的基本结构仍未有大的改变。
电子计算机发展的四个阶段是：编辑本段回目录
第二代（ 1958 ～ 1965 ），以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件上广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。
第三代（ 1966 ～ 1971 ），以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件上广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络。
第四代（ 1971 至今），以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。另外，网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。
微型计算机的发展编辑本段回目录
根据微处理器的字长和功能，可将微型计算机的功能划分为以下几个阶段：
第一阶段（ 1971 ～ 1973 年）是 4 位和 8 位低档微处理器时代。通常称为第一代，其典型产品是 Intel4004 和 Intel8008 微处理器和分别由它们组成的 MCS-4 和 MCS-8 微机。基本特点是采用 PMOS 工艺，集成度低（ ￡ 4000 个晶体管 / 片），系统结构和指令系统都比较简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少（ 20 多条指令），基本指令周期为 20 ～ 50 μ s ，用于家电和简单的控制场合。
第二阶段（ 1974 ～ 1977 年）是 8 位中高档微处理器时代。通常称为第二代，其典型产品是 Intel8080/8085 、 Motorola 公司的 MC6800 、 Zilog 公司的 Z80 等，以及各种 8 位单片机，如 Intel 公司的 8048 、 Motorola 公司的 MC6801 、 Zilog 公司的 Z8 等。它们的特点是采用 NMOS 工艺，集成度提高约 4 倍，运算速度提高约 10~15 倍（基本指令执行时间 1 ～ 2 μ s ），指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、 DMA 等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有 BASIC 、 FORTRAN 等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统，如 CM/P 就是当时流行的操作系统。
第三阶段（ 1978 ～ 1984 年）是 16 微处理器时代。通常称为第三代，其典型产品是 Intel 公司的 8086/8088 、 80286 ， Motorola 公司的 M68000 ， Zilog 公司的 Z8000 等微处理器。其特点是采用 HMOS 工艺，集成度（ 20000~70000 晶体管 / 片）和运算速度（基本指令执行时间是 0.5 μ s ）都比第二代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。
这一时期的著名微机产品有 IBM 公司的个人计算机 PC （ Personal Computer ）。 1981 年推出的 IBM PC 机采用 8088 CPU 。紧接着 1982 年又推出了扩展型的个人计算机 IBM PC/XT ，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。 1984 年 IBM 推出了以 80286 处理器为核心组成的 16 位增强型个人计算机 IBM PC/AT 。由于 IBM 公司在发展 PC 机时采用了技术开放的策略，使 PC 机风靡世界。
第四阶段（ 1985 ～ 1992 年）是 32 位微处理器时代，又称为第四代。其典型产品是 Intel 公司的 80386/80486 ， Motorola 公司的 M68030/68040 等。其特点是采用 HMOS 或 CMOS 工艺，集成度高达 100 万晶体管 / 片，具有 32 位地址线和 32 位数据总线。每秒钟可完成 600 万条指令（ MIPS ， Million Instructions Per Second ）。微机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如 AMD 、 TEXAS 等）也推出了 80386/80486 系列的芯片。
第五阶段（ 1993 年以后）是奔腾（ Pentium ）系列微处理器时代，通常称为第五代。典型产品是 Intel 公司的奔腾系列芯片及与之兼容的 AMD 的 K6 系列微处理器芯片。内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独立的指令和数据高速缓存。随着 MMX （ Multi Media eXtended ）微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶。 2000 年 3 月， AMD 与 Intel 分别推出了时钟频率达 1GHz 的 Athlon 和 Pentium III 。 2000 年 11 月， Intel 又推出了 Pentium Ⅳ微处理器，集成度高达每片 4200 万个晶体管，主频 1.5GHz ， 400MHz 的前端总线，使用全新 SSE 2 指令集。 2002 年 11 月， Intel 推出的 Pentium Ⅳ微处理器的时钟频率达到 3.06GHz ，而且微处理器还在不断地发展，性能也在不断提升。 Intel 公司在不同时期生产的 80X86 系列微处理器参见表 1.5 。
