機電一體化技術與系統中微型計算機控制系統及接口設計
3.1 控制系統的一般設計思路
??? 3.1.1專用與通用、硬件與軟件的權衡與抉擇
1. 專用與通用的抉擇
專用控制系統：
適合于大批量生產的而且較成熟的機電一體化產品。
通用控制系統：
適合還在不斷改進，結構還不十分穩定的產品。
? 2. 硬件與軟件的權衡
根據經濟性和可靠性的標準權衡決定。
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 控制系統的一般設計思路
設計步驟為：確定系統整體控制方案；確定控制算法；選用微型計算機；系統總體設計；軟件設計等。
? 1、確定系統整體控制方案
（1）應了解被控對象的控制要求，構思控制系統的整體方案。
（2）考慮執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中的作用，是設定計算、直接控制還是數據處理，微機應承擔哪些任務，為完成這些任務，微機應具備哪些功能，需要哪些輸入/輸出通道、配備哪些外圍設備。
（5）應初步估算其成本。
? 2、確定控制算法
建立該系統的數學模型，確定其控制算法。
數學模型：就是系統動態特性的數學表達式。它反映了系統輸入、內部狀態和輸出之間的數量和邏輯關系。
控制算法：所謂計算機控制，就是按照規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的品質，甚至決定整個系統的成敗。
例如：
機床控制中常使用的逐點比較法的控制算法和數字積分法的控制算法；
直線算法：?? 或??
圓弧算法：?? 或???
直接數字控制系統中常用的PID調節的控制算法；
位置數字伺服系統中常用的實現最少拍控制的控制算法；
另外，還有各種最優控制的控制算法、隨機控制和自適應控制的控制算法。
3、選擇微型計算機
（1）較完善的中斷系統
（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、系統總體設計
設計中主要考慮硬件與軟件功能的分配與協調、接口設計、通道設計、操作控制臺設計、可靠性設計等問題。
（1）接口設計
并行接口（8255A）
串行接口（8251A）
計數器／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）。
② 選用通用接口電路（適用較小的控制系統）。
③ 用集成電路自行設計接口電路。
接口設計包括兩個方面的內容：
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、中斷優先級排隊等問題。
（2）通道設計
輸入／輸出通道是計算機與被控對象相互交換信息的部件。每個控制系統都要有輸入／輸出通道。
開關量、數字量的輸入／輸出比較簡單。
模擬量輸入／輸出通道比較復雜。
（3）操作控制臺設計
一般要單獨設計一個操作員控制臺。
① 有一組或幾組數據輸入鍵（數字鍵或拔碼開關等），用于輸入或更新給定值、修改控制器參數或其它必要的數據。
② 有一組或幾組功能鍵或轉換開關，用于轉換工作方式，起動、停止或完成某種指定的功能。
③ 有一個數字顯示裝置或顯示屏，用于顯示各狀態參數及故障指示等。
④ 控制板上應有一個“急停”按鈕，用于在出現事故時停止系統運行，轉入故障處理。
5、軟件設計
系統軟件
應用軟件
應采用模塊式結構，盡量把共用的程序編寫成具有不同功能的子程序，如算術和邏輯運算程序、A/D、D/A轉換程序、PID算法程序等。設計者的任務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用程序。
3.2 機電一體化技術和系統中的微型計算機系統
一、微型計算機的基本構成
??? “微機”是三個概念的統稱：微處理機（微處理器）、微型計算機、微型計算機系統的統稱。
微處理機（Microprocessor）簡稱μP或CPU。它是一個大規模集成電路（LSI）器件，或超大規模集成電路（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、系統總線及其它支持邏輯電路組成的計算機。
微型計算機系統（Microcomputer System），簡稱MCS。配有系統軟件、外圍設備、系統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。
單片機已廣泛應用于家用電器、機電產品、儀器儀表、辦公室自動化產品、機械設備、機器人等的機電一體化。上至航天器、下至兒童玩具，均是單片機的應用領域。
（2）微型計算機系統
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，再配上鍵盤、CRT顯示器、打印機、硬盤、軟盤驅動器等多種外圍設備和足夠的系統軟件，就構成了一個完整的微機系統。
如目前國內使用較多的IBM-PC（IBM-PC XT、286、386、486、586等）

2、按微處理機位數分類
一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等幾種。所謂位數是指微處理機并行處理的數據位數。
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，用于比較復雜的控制系統。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品。稱之為超級微型機。它具有面向高級語言的系統結構，有支持高級調度、調試以及開發系統用的專用指令，大大提高了軟件的生產效率。
3、按用途分類
分為控制用和數據處理用微型計算機。
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，是專門為某一應用領域或某一特定產品而開發的一類單片機。其內部系統結構或指令系統都是特殊設計的（甚至內部已固化好程序）。

三、程序設計語言與微機軟件
1、程序設計語言
程序設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
所謂操作系統，就是計算機系統的管理程序庫。
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。而在機械控制領域，由于被控對象（產品）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中的功用，大致歸納有如下幾個方面：
1）對機械工業生產過程的直接控制。
2）對機械生產過程的監督和控制。
??? 3）在機械工業生產的過程中，對各物理參數進行周期性或隨機性的自動測量，并顯示，打印和記錄結果供操作人員觀測，對間接測量的參數或指標進行計算、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線的生產過程進行調度和管理。
??? 5）直接滲透到產品中形成帶有智能性的機電一體化新產品，如機器人、智能儀器等。
機電一體化系統的微型化、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的結果，微型計算機技術是機電一體化中最活躍、影響最大的關鍵技術。
五、微機應用領域、選用要點及應注意的問題
用微機構成機電一體化系統（或產品）具有以下效果：
①小型化——應用LSI技術減少了元件數量，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計；
④提高了可靠性——用LSI技術減少了元件、焊點及接線點的數量，增加了用軟件進行檢測的功能；
⑤提高了設計效率——將硬件標準化，用軟件適應產品規格的變化，能大大縮短產品開發周期。
⑥經濟效果好——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大量生產、進一步降低成本；
⑦產品（或系統）標難化——硬件易于標準化；
⑧提高了維修保養性能——產品的標準化使維修保養人員易于掌握維修保養規則，易于運用故障自診斷功能。

（1）應用領域
微機的應用范圍十分廣泛，下面僅列舉一些典型應用領域。
① 工業控制和機電產品的機電一體化。生產系統自動化、機床自動化、數控與數顯、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、工業機器人、智能傳感器、智能定時器等。
② 交通與能源設備的機電一體化。汽車發動機點火控制、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、電風扇、照相機、電視機、立體聲音響設備等。
④ 商用產品機電一體化。電子秤、自動售貨（票）機、電子收款機、銀行自動化系統等。
⑤ 儀器、儀表機電一體化。三坐標測量儀、醫療電子設備、測長儀、測溫儀、測速儀、機電測試設備等。
⑥ 辦公自動化設備的機電一體化。復印機、打印機、傳真機、繪圖儀、印刷機等。
⑦ 信息處理自動化設備。語音處理、語音識別、語音分析、語言合成設備；圖像分析別設備；氣象資料分析處理、地震波分析處理設備。
⑧ 導航與控制。導彈控制、魚雷制導、航空航天系統、智能武器裝置等。

（2）選用要點
①不同領域可選用不同品種、不同檔次的微機。
②生產系統自動化、機床自動化、數控機床一般應用八位或十六位微機系統。
③家用電器、商用產品，計算機一般裝在產品內，故應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雜的過程控制、高速運算及大量數據處理等場合，如智能機器人、導航系統、信號處理系統應主要使用十六位與三十二位微機。
⑤對一般的工業控制設備及機電產品、汽車機電一體化控制、智能儀表、計算機外設控制、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、規模較小的系統（或產品）；
②八位機則用于中等規模的系統；
③十六位與三十二位機及六十四位機主要用于較復雜的大系統；

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

六、未來計算機的發展對機電一體化技術的影響