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1.2 微型机控制系统的分类

1.2 微型机控制系统的分类. 1.2.1 操作指导控制系统（ OPS ） 1.2.2 直接数字控制系统（ DDC ） 1.2.3 计算机监督系统（ SCC ） 1.2.4 嵌入式系统（ EMS ） 1.2.5 物联网系统（ ITS ） 1.2.6 现场总线控制系统（ FCS ）. 1 ． 2 ． 1 操作指导系统. 图 1-2 操作指导控制系统. 微机控制技术. 1 ． 2 ． 1 操作指导系统. 1 ．操作过程 ： （ 1 ）计算机只对系统过程参数进行收集、 加工处理，而后输出（显示或打印）。

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1.2 微型机控制系统的分类

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  1. 1.2 微型机控制系统的分类 1.2.1 操作指导控制系统（OPS） 1.2.2 直接数字控制系统（DDC） 1.2.3 计算机监督系统（SCC） 1.2.4 嵌入式系统（EMS） 1.2.5 物联网系统（ITS） 1.2.6 现场总线控制系统（FCS）

  2. 1．2．1 操作指导系统 图1-2 操作指导控制系统 微机控制技术

  3. 1．2．1 操作指导系统 1．操作过程： （1）计算机只对系统过程参数进行收集、 加工处理，而后输出（显示或打印）。 （提供准确的参照数据）。 （2）现场人员参照显示的数据， 根据经验对系统进行调节 微机控制技术

  4. 1．2．1 操作指导系统 2．应用场合： • 尚未摸清控制规律的系统， （计算机系统的初级阶段）。 • 用来摸索新系统的数学模型和控制规律。 3．特点： • 简单、可靠 • 人工操作、慢 • 不能同时控制几个回路。 微机控制技术

  5. 1．2．2 直接数字控制系统（DDC） 图1-3 DDC控制系统原理图 微机控制技术

  6. 1．2．2 直接数字控制系统（DDC） 使检测值→给定值 ① 作法： 计算机对多个参数进行巡回检测； 将检测值与给定值加以比较； 根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。 ② 特点： 一台计算机可同时控制多回路； 可靠。 ③ 控制灵活： 每个参数的控制可各异； 各参数在不同情况下可采用不同的控制规律； 应用广泛。 微机控制技术

  7. 1．2．3 计算机监督系统（SCC） 作法： • 系统中，给定值不是人为预先给定， • 而是由计算机按照描述生产过程的数学模型， 计算出最佳给定值。 • 送给模拟调节器 或 DDC单片机， 对生产过程进行控制。 微机控制技术

  8. SCC+DDC控制系统 1．作法：两级计算机控制系统： （1）SCC （2) DDC 与前者相比：控制由 DDC 机实现 实时性好、灵活， 一台单片机代替多台调节器，可控制多个回路。 （ 如图1-5 SCC + DDC 控制系统 ） 2．特点：更接近于生产的实际情况，增加了“冗余量”，更可靠。 3．应用范围：因为数学模型难以建立，所以此法用起来有困难。 微机控制技术

  9. 1．2．3 计算机监督系统（SCC） 图1-4 SCC + DDC 控制系统 微机控制技术

  10. 1.2.4 嵌入式系统 嵌入式系统 一般指非 PC 系统， 有计算机功能 但又不称之为计算机的 设备或器材。

  11. 1.2.4 嵌入式系统 包括硬件和软件两部分。 ⑴ 硬件部分: 处理器/微处理器 存储器（ EPROM、EEPROM、 Flash Memory ） 外部设备 I/O 接口 图形控制器等。 存储容量有限 微机控制技术

  12. 1.2.4 嵌入式系统 ⑵软件部分： • 操作系统 ( 要求实时和多任务操作 ) 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 • 应用程序。 控制着系统的运作和行为； • 嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中 BIOS的工作方式，是独立工作的“器件”。 • 具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 微机控制技术

  13. 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点: （1）对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较 短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间 减少到最低限度。 （2）具有很强的存储区保护功能。 由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件 模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 （3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最 高性能的嵌入式微处理器。 （4）功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设 备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 μW级。 微机控制技术

  14. 1.2.4 嵌入式系统 • 据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过1000多种， 流行体系结构有 30 几个系列， 其中 8051 体系的占有半数以上， 共 350 多种衍生产品。 • 嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB， 处理速度从 0.1 MIPS 到 2000 MIPS 常用封装从 8 个引脚到 144 个引脚。 • 嵌入式计算机可以分成下面几类[XX]。 微机控制技术

  15. 1.2.4 嵌入式系统 1. 嵌入式微处理器 ( Embedded Microprocessor Unit） （1）与 CPU 比： • 在应用中，将 EMPU 装在专门设计的电路板上， 只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 • 为了满足嵌入式应用的特殊要求， EMPU 在功能上和标准微处理器基本一样， 但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。 微机控制技术

  16. 1.2.4 嵌入式系统 （2）和工业控制计算机相比： • 嵌入式微处理器体积小、重量轻、成本低、可靠性高 由于电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，所以降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。 • 嵌入式处理器主要有 Am186/88、386EX、 SC-400、 PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。 • 在一块电路板上装有嵌入式微处理器、存储器、总线、外设等构成单板计算机。 如 STD-BUS、PC104、 等。 德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式 名片大小的嵌入式计算机系列 OEM产品。 我国也有此类产品。 微机控制技术

  17. 1.2.4 嵌入式系统 2、嵌入式微控制器 ( Microcontroller Unit ) 嵌入式微控制器又称单片机。 • 为适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。 • 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。 • 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微机控制技术

  18. 1.2.4 嵌入式系统 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多： ·通用系列： 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 ·半通用系列： USB 接口： MCU 8XC930/931、C540、C541； I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU和兼容系列。目前 MCU 占嵌入式系统约 70％ 的市场份额。 微机控制技术

  19. 1.2.4 嵌入式系统 • AMD公司，将 Am186CC/CH/CU 等嵌入式 处理器称之为 Microcontroller 。 • MOTOROLA 公司把以 Power PC 为基础的 PPC505 和 PPC555 亦列入单片机行列。 • TI 公司亦将其 TMS320C2XXX 系列 DSP 作为 MCU 进行推广。 微机控制技术

  20. 1.2.4 嵌入式系统 3、嵌入式 DSP处理器 ( Embedded Digital Signal Processor, EDSP ) （１）ＤＳＰ处理器的特点 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计: 使其适合于执行 DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也 较高。 • 数字滤波、F F T、谱分析等方面 DSP算法正在大量进入嵌入式领域。 • DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。 微机控制技术

  21. 1.2.4 嵌入式系统 （２）嵌入式 DSP处理器构成 ① DSP处理器经过单片化、EMC 改造、 增加片上外设成为嵌入式 DSP处理器。 如：TI 的 TMS320C2000/C5000。 ② 在通用单片机或 SOC 中增加 DSP协处 理器。 如：Intel 的 MCS-296 Infineon ( Siemens ) 的 TriCore。

  22. 1.2.4 嵌入式系统 （３）推动嵌入式DSP处理器发展的因素： 嵌入式系统的智能化。 如：各种带有智能逻辑的消费类产品 生物信息识别终端 带有加解密算法的键盘 ADSL接入 实时语音压解系统 虚拟现实显示等。 向量运算、 指针线性寻址等 DSP 处理器的长处 微机控制技术

  23. 1.2.4 嵌入式系统 4、嵌入式片上系统 ( System On Chip ) • 随着 EDI的推广和 VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是 System On Chip ( SOC )。 • 各种通用处理器内核作为 SOC设计公司的标准库，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。 • 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。 微机控制技术

  24. 1.2.4 嵌入式系统 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上 PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数码相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 　　与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。 微机控制技术

  25. 1.2.4 嵌入式系统 本书后面的内容主要以嵌入式系统为主，虽然以 8051 系列单片机为主进行讲述， 所涉及的基本原理 可适合任何一种嵌入式 CPU。 微机控制技术

  26. 1.2.5 物联网系统（ITS） • 物联网系统（Internet of Things System，ITS） • 第三次信息革命。 • 该系统通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。实际上它也是一种微型计算机控制系统，只不过更加庞大而已。

  27. 1.2.5 物联网系统（ITS）

  28. 1.2.5 物联网系统（ITS）

  29. 1.2.5 物联网系统（ITS）

  30. 1.2.5 物联网系统（ITS） • 物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块以及网络通信模块组成。通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。

  31. 1.2.5 物联网系统（ITS） • 物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。

  32. 1．2．６ 现场总线控制系统（FCS） • 现场总线控制系统在 20 世纪 90 年代兴起， • 将网络通信与管理的概念联系起来， • 采用数字通信， 改变了传统的信息传送方式。 微机控制技术

  33. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 一、现场总线控制系统是分布式控制系统的换代 产品 1．系统全部采用数字信息传递 （传统的 DCS（分布式系统）中， 底层到控制站之间用 420mA电流传送） 信息传递数字化后，在通信质量和连线方式上有重大突破。 微机控制技术

  34. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 2．分散的系统结构 （1）DCS 中： 采用“操作站-控制站-现场仪表”的三层主从结构 （2）FCS中： ① 把 I/O 单元、控制站的功能分散到智能化现场仪表 ② 每个仪表都含有 CPU 具有测量、校正、调节、诊断等功能； ③ 靠网络协议将各节点联系起来统筹工作； ④ 节点出问题只影响其本身，不影响全局。 微机控制技术

  35. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 3．方便的互操作性 不同结构的 FCS 产品，可组成统一的系统。 4．开放的互联网络 （1）FCS 技术级标准均采用开放式政策，面向 所有的产品制造商和用户。 （2）通信网络可以和其它系统网络、高速网络 相连，即用户可共享网络资源。 微机控制技术

  36. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 5．传输媒介和拓朴结构 FCS 采用数字通信方式： ① 改变了传统的信息交换方式、信号形式 和系统结构。 ② 改变了传统的自动化仪表功能概念和结构形式。 ③ 改变了系统的设计及调试方法，开创了控制领域 的新纪元。 微机控制技术

  37. 二．FCS控制结构 图1-8 现场总线控制系统结构 微机控制技术

  38. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表， 用于过程自动化构成 FCS 的基本设备如下： ① 变送器 功能：检测、变换和补偿， PID 控制和运算功能。 如：温度、压力、流量、物位、分析类变送器。 ② 执行器； 功能：信号驱动、执行功能 阀门特性自校验和自诊断功能 输出特性补偿（内含调节阀）功能 PID 控制和运算等功能 分类：电动、气动两大类。 微机控制技术

  39. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） ③ 服务器和网桥 服务器下接 Hl 和 H2， 上接局域网 LAN (Local area network)； 网桥上接 H2，下接 Hl。 ④ 辅助设备 H1/气压、Hl／电流、电流／Hl转换器、安全栅、 总线电源、便携式编程器等。 ⑤ 监控设备 工程师站：供现场总线组态 操作员站：供工艺操作与监视 计算机站：用于优化控制和建模。 微机控制技术

  40. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） FCS的核心是现场总线（§5.4） 现场总线技术是 90年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的观念引入工业控制领域。 微机控制技术

  41. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） 现场总线控制系统 ① 是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构 的通信网络。 ② 是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者 的结合。 ③ 具有现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分 散的功能模块、通信线供电、开放式互连网络等技 术特点。

  42. 1．2．6 现场总线控制系统（FCS） ④ 保证控制系统可以适应目前工业界对 数字通信和自动控制的需求，且使其 与 Internet网互连构成不同层次的 复杂网络成为可能。 代表了工业控制体系结构发展的一种 方向。

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