機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)中微型計算機控制系統(tǒng)及接口設(shè)計
3.1 控制系統(tǒng)的一般設(shè)計思路
??? 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)的而且較成熟的機電一體化產(chǎn)品。
通用控制系統(tǒng)：
適合還在不斷改進，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)濟性和可靠性的標準權(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)計思路
設(shè)計步驟為：確定系統(tǒng)整體控制方案；確定控制算法；選用微型計算機；系統(tǒng)總體設(shè)計；軟件設(shè)計等。
? 1、確定系統(tǒng)整體控制方案
（1）應(yīng)了解被控對象的控制要求，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）考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機應(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)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達式。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：所謂計算機控制，就是按照規(guī)定的控制算法進行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。
例如：
機床控制中常使用的逐點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、隨機控制和自適應(yīng)控制的控制算法。
3、選擇微型計算機
（1）較完善的中斷系統(tǒng)
（2）足夠的存儲容量
（3）完備的輸入／輸出通道和實時時鐘
（4）特殊要求：字長、速度、指令

4、系統(tǒng)總體設(shè)計
設(shè)計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、通道設(shè)計、操作控制臺設(shè)計、可靠性設(shè)計等問題。
（1）接口設(shè)計
并行接口（8255A）
串行接口（8251A）
計數(shù)器／定時器（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)計接口電路。
接口設(shè)計包括兩個方面的內(nèi)容：
① 擴展接口；
② 安排通過各接口電路輸入／輸出端的輸入／輸出信號，選定各信號輸入／輸出時采用何種控制方式。如果要采用程序中斷方式，就要考慮中斷申請輸入、中斷優(yōu)先級排隊等問題。
（2）通道設(shè)計
輸入／輸出通道是計算機與被控對象相互交換信息的部件。每個控制系統(tǒng)都要有輸入／輸出通道。
開關(guān)量、數(shù)字量的輸入／輸出比較簡單。
模擬量輸入／輸出通道比較復(fù)雜。
（3）操作控制臺設(shè)計
一般要單獨設(shè)計一個操作員控制臺。
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、停止或完成某種指定的功能。
③ 有一個數(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“急停”按鈕，用于在出現(xiàn)事故時停止系統(tǒng)運行，轉(zhuǎn)入故障處理。
5、軟件設(shè)計
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)和邏輯運算程序、A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序、PID算法程序等。設(shè)計者的任務(wù)主要是把這些具有一定功能的子程序進行排列組合，使其成為一個完成特定功能的應(yīng)用程序。
3.2 機電一體化技術(shù)和系統(tǒng)中的微型計算機系統(tǒng)
一、微型計算機的基本構(gòu)成
??? “微機”是三個概念的統(tǒng)稱：微處理機（微處理器）、微型計算機、微型計算機系統(tǒng)的統(tǒng)稱。
微處理機（Microprocessor）簡稱μP或CPU。它是一個大規(guī)模集成電路（LSI）器件，或超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件。
微型計算機（Microcomputer）簡稱uC或MC。它是以微處理機（CPU）為中心，加上只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（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算機。
微型計算機系統(tǒng)（Microcomputer System），簡稱MCS。配有系統(tǒng)軟件、外圍設(shè)備、系統(tǒng)總線接口的微型計算機。

二、微型計算機的分類
1、按組裝形式分類
（1）單片機
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算機，簡稱單片機，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。
單片機已廣泛應(yīng)用于家用電器、機電產(chǎn)品、儀器儀表、辦公室自動化產(chǎn)品、機械設(shè)備、機器人等的機電一體化。上至航天器、下至兒童玩具，均是單片機的應(yīng)用領(lǐng)域。
（2）微型計算機系統(tǒng)
將微型計算機、ROM、RAM、I/O接口電路、電源等組裝在不同的印刷電路板上，然后組裝在一個機箱內(nèi)，再配上鍵盤、CRT顯示器、打印機、硬盤、軟盤驅(qū)動器等多種外圍設(shè)備和足夠的系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一個完整的微機系統(tǒng)。
如目前國內(nèi)使用較多的IBM-PC（IBM-PC XT、286、386、486、586等）

2、按微處理機位數(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)是指微處理機并行處理的數(shù)據(jù)位數(shù)。
4位機目前多做成單片機。主要用于單機控制、儀器儀表、家用電器、游戲機等。
8位機有單片和多片之分，主要用于控制和計算。
16位機功能更強、性能更好，用于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。它可以使小型機微型化。
32位和64位機是比小型機更有競爭力的產(chǎn)品。稱之為超級微型機。它具有面向高級語言的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有支持高級調(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)處理用微型計算機。
對單片機來說為通用型和專用型。
通用型單片機，如MCS—51。
專用單片機或稱專用微控制器，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。其內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或指令系統(tǒng)都是特殊設(shè)計的（甚至內(nèi)部已固化好程序）。

三、程序設(shè)計語言與微機軟件
1、程序設(shè)計語言
程序設(shè)計語言是編寫計算機程序所使用的語言，是人機對話的工具。
目前使用的程序設(shè)計語言大致有三大類，即“機器語言”（machine language）、“匯編語言”（assembly language）、“高級語言”（high level language）。
2、操作系統(tǒng)
所謂操作系統(tǒng)，就是計算機系統(tǒng)的管理程序庫。
3、程序庫
計算機的可用程序和子程序的集合就是程序庫（或軟件包）。目前，微型計算機積累的程序非常豐富，而且可以通用。而在機械控制領(lǐng)域，由于被控對象（產(chǎn)品）的特殊性較強，其程序庫的形成較難。
四、微型計算機在機電一體化中的地位
??? 微型計算機在機電一體化系統(tǒng)中的功用，大致歸納有如下幾個方面：
1）對機械工業(yè)生產(chǎn)過程的直接控制。
2）對機械生產(chǎn)過程的監(jiān)督和控制。
??? 3）在機械工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對各物理參數(shù)進行周期性或隨機性的自動測量，并顯示，打印和記錄結(jié)果供操作人員觀測，對間接測量的參數(shù)或指標進行計算、存貯、分析判斷和處理，并將信息反饋到控制中心，制定新的對策。
??? 在具體的生產(chǎn)過程中對加工零件的尺寸，刀具磨損情況進行測量，并對刀具補償量進行修正，以保證加工的精度要求。
??? 4）對車間或全廠自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程進行調(diào)度和管理。
??? 5）直接滲透到產(chǎn)品中形成帶有智能性的機電一體化新產(chǎn)品，如機器人、智能儀器等。
機電一體化系統(tǒng)的微型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、低價、易于操作的特性都是采用微型計算機技術(shù)的結(jié)果，微型計算機技術(shù)是機電一體化中最活躍、影響最大的關(guān)鍵技術(shù)。
五、微機應(yīng)用領(lǐng)域、選用要點及應(yīng)注意的問題
用微機構(gòu)成機電一體化系統(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，簡化了裝配、縮小了體積；
②多功能化——利用了微機以信息處理能力、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展設(shè)計；
④提高了可靠性——用LSI技術(shù)減少了元件、焊點及接線點的數(shù)量，增加了用軟件進行檢測的功能；
⑤提高了設(shè)計效率——將硬件標準化，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)濟效果好——降低了零件費、裝配成本、電源能耗，通過硬件標準化易于實現(xiàn)大量生產(chǎn)、進一步降低成本；
⑦產(chǎn)品（或系統(tǒng)）標難化——硬件易于標準化；
⑧提高了維修保養(yǎng)性能——產(chǎn)品的標準化使維修保養(yǎng)人員易于掌握維修保養(yǎng)規(guī)則，易于運用故障自診斷功能。

（1）應(yīng)用領(lǐng)域
微機的應(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)控制和機電產(chǎn)品的機電一體化。生產(chǎn)系統(tǒng)自動化、機床自動化、數(shù)控與數(shù)顯、測溫及控溫、可編程邏輯控制器（PLC）、縫紉機、編織機、升降機、紡織機械、電機控制、工業(yè)機器人、智能傳感器、智能定時器等。
② 交通與能源設(shè)備的機電一體化。汽車發(fā)動機點火控制、汽車變速器控制、交通燈控制、爐溫控制等。
③ 家用電器的機電一體化。洗衣機、電冰箱、微波爐、錄像機、攝像機、電飯鍋、電風(fēng)扇、照相機、電視機、立體聲音響設(shè)備等。
④ 商用產(chǎn)品機電一體化。電子秤、自動售貨（票）機、電子收款機、銀行自動化系統(tǒng)等。
⑤ 儀器、儀表機電一體化。三坐標測量儀、醫(yī)療電子設(shè)備、測長儀、測溫儀、測速儀、機電測試設(shè)備等。
⑥ 辦公自動化設(shè)備的機電一體化。復(fù)印機、打印機、傳真機、繪圖儀、印刷機等。
⑦ 信息處理自動化設(shè)備。語音處理、語音識別、語音分析、語言合成設(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
①不同領(lǐng)域可選用不同品種、不同檔次的微機。
②生產(chǎn)系統(tǒng)自動化、機床自動化、數(shù)控機床一般應(yīng)用八位或十六位微機系統(tǒng)。
③家用電器、商用產(chǎn)品，計算機一般裝在產(chǎn)品內(nèi)，故應(yīng)采用單片機或微處理器。采用四位或八位微機。
④在要求很高的實時控制及復(fù)雜的過程控制、高速運算及大量數(shù)據(jù)處理等場合，如智能機器人、導(dǎo)航系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)應(yīng)主要使用十六位與三十二位微機。
⑤對一般的工業(yè)控制設(shè)備及機電產(chǎn)品、汽車機電一體化控制、智能儀表、計算機外設(shè)控制、磅秤自動化、交通與能源管理等，多采用八位機。

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

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

六、未來計算機的發(fā)展對機電一體化技術(shù)的影響