《面向?qū)ο蟮臏y控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)》課件第1章

第1章概論1.1測控系統(tǒng)概述1.2測控系統(tǒng)微機(jī)化的重要意義1.3微機(jī)測控系統(tǒng)的組成與類型1.4軟件工程在微機(jī)測控系統(tǒng)中的重要地位1.5本書的內(nèi)容與特點(diǎn)

1.1測控系統(tǒng)概述

人類在認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過程中，一方面要采用各種方法獲得客觀事物的量值，這個(gè)任務(wù)我們稱之為“測量”；另一方面也要采用各種方法支配或約束某一客觀事物的進(jìn)程結(jié)果，這個(gè)任務(wù)我們稱之為“控制”?！皽y量”和“控制”是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的兩項(xiàng)重要任務(wù)，而測控系統(tǒng)則是人類實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)任務(wù)的工具和手段。按照儀器或系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)不同，測控儀器或系統(tǒng)可分為三大類：單純以測試或檢測為目的的“測試(檢測)系統(tǒng)”、單純以控制為目的的“控制系統(tǒng)”和測量控制一體的“測控系統(tǒng)”。發(fā)明元素周期表的科學(xué)家門捷列夫曾說過：“有測量才有科學(xué)?！笨茖W(xué)的發(fā)展和突破往往是以檢測儀器和技術(shù)方法上的突破為先導(dǎo)的。例如，人類在光學(xué)顯微鏡出現(xiàn)以前，只能用肉眼來分辨物質(zhì)，而19世紀(jì)出現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡，這就使人們能夠借助顯微鏡來觀察細(xì)胞，從而大大推動(dòng)了生物科學(xué)的發(fā)展。到20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了電子顯微鏡，又使人們的觀察能力進(jìn)入微觀世界，從而推動(dòng)了生物科學(xué)、電子科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展。在諾貝爾物理和化學(xué)獎(jiǎng)中大約有1/4屬于測試方法和儀器創(chuàng)新。這些事實(shí)都說明了測試儀器和系統(tǒng)在科學(xué)研究中的重要作用。測控系統(tǒng)本質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。為了對被控對象實(shí)施控制，對其參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測是必不可少的。計(jì)算機(jī)控制是以自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的?？刂茖ο髲男〉酱?，從簡單到復(fù)雜，都可以由計(jì)算機(jī)參與控制。計(jì)算機(jī)可以控制單個(gè)電機(jī)或閥門，也可以控制一臺(tái)設(shè)備和一個(gè)工藝過程，還可以控制和管理一條生產(chǎn)線、一個(gè)車間、整個(gè)工廠以至整個(gè)企業(yè)集團(tuán)。計(jì)算機(jī)控制可以是單個(gè)回路參數(shù)的簡單控制，也可以是復(fù)雜控制規(guī)律的多變量解耦控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制乃至具有人類智慧功能的智能控制等。下面再來看一組例子，見表1-1。表1-1測控系統(tǒng)分類舉例由表1-1所示的各種實(shí)例表明：

(1)原來僅由機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的裝置，變成了與電子技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)同樣運(yùn)動(dòng)的新的裝置。

(2)原來由人來判斷和操作的設(shè)備，由于嵌入了微機(jī)系統(tǒng)變?yōu)橛蓹C(jī)器進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)無人操作的設(shè)備。

(3)運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，按照人類所編制的程序可實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。其中像數(shù)控(NC)機(jī)床和機(jī)器人這樣的典型例子可以舉出許多。目前，測控技術(shù)廣泛應(yīng)用于煉油、化工、冶金、電力、電子、交通、航空航天、輕工和紡織等各行各業(yè)。據(jù)悉，許多現(xiàn)代化大型鋼鐵企業(yè)的技術(shù)裝備投資1/3經(jīng)費(fèi)用于購置儀器和自控系統(tǒng)。即使原來認(rèn)為以土法生產(chǎn)的制酒工業(yè)、卷煙企業(yè)，今天也需通過精密的儀器儀表嚴(yán)格控制濕度等流程才能創(chuàng)出名牌。

測控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中起著把關(guān)者和指導(dǎo)者的作用，它從生產(chǎn)現(xiàn)場獲取各種參數(shù)，運(yùn)用科學(xué)的規(guī)律和系統(tǒng)工程的做法，綜合有效地利用各種先進(jìn)技術(shù)，通過自控手段和裝備，使每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)得到優(yōu)化，進(jìn)而保證生產(chǎn)規(guī)范化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，滿足需要，保證安全生產(chǎn)。

1.2測控系統(tǒng)微機(jī)化的重要意義

新一代微機(jī)化測控系統(tǒng)的使用可帶來以下一些新特點(diǎn)和新功能：

(1)自動(dòng)對零功能。在每次采樣前對傳感器的輸出值自動(dòng)清零，從而大大降低因測控系統(tǒng)漂移變化造成的誤差。

(2)量程自動(dòng)切換功能。可根據(jù)測量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制范圍的同時(shí)提高分辨率。

(3)多點(diǎn)快速測控。可對多種不同參數(shù)進(jìn)行快速測量和控制。

(4)數(shù)字濾波功能。利用計(jì)算機(jī)軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號。

(5)自動(dòng)修正誤差。許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環(huán)境參數(shù)變化的影響比較嚴(yán)重，從而給儀器帶來誤差。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以依靠軟件進(jìn)行在線或離線修正。

(6)數(shù)據(jù)處理功能。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和運(yùn)算功能，比如統(tǒng)計(jì)分析、檢索排序、函數(shù)變換和頻譜分析等。

(7)復(fù)雜控制規(guī)律。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，如自適應(yīng)控制、模糊控制等。

(8)多媒體功能。利用計(jì)算機(jī)的多媒體技術(shù)，可以使儀器具有聲光和語音等功能，增強(qiáng)測控系統(tǒng)的個(gè)性或特色。

(9)通信或網(wǎng)絡(luò)功能。利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能，可以大大增強(qiáng)測控系統(tǒng)的外部接口功能和數(shù)據(jù)傳輸功能。采用網(wǎng)絡(luò)功能的測控系統(tǒng)可以拓展一系列新穎的功能。

(10)自我診斷功能。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)后，可對測控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，就立即報(bào)警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對排除故障的方法進(jìn)行提示。目前，在許多大型控制系統(tǒng)中，越來越多地采用了遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能。

1.3微機(jī)測控系統(tǒng)的組成與類型

1.3.1微機(jī)測控系統(tǒng)的基本組成

1．微機(jī)化檢測系統(tǒng)

微機(jī)化檢測系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，單純以檢測為目的的系統(tǒng)。它一般用來對被測過程中的一些物理量進(jìn)行測量并獲得相應(yīng)的精確測量數(shù)據(jù)，因此，又常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其基本組成框圖如圖1-1所示。例如，在某些對生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測的場合，為了對測量過程進(jìn)行集中實(shí)時(shí)監(jiān)視，模擬量輸出通道將微機(jī)處理后的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，在示波器或圖示儀等模擬顯示器上顯示出來。如果被測參數(shù)超過規(guī)定限度，微機(jī)還將及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警器，發(fā)出報(bào)警信號。圖1-1微機(jī)化檢測系統(tǒng)組成框圖

2．微機(jī)化控制系統(tǒng)

微機(jī)化控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，單純以程序控制為目的的系統(tǒng)，其組成框圖如圖1-2所示。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，程序控制的基本思想是將被控對象的動(dòng)作次序和各類參數(shù)輸入微機(jī)，微機(jī)執(zhí)行固定的程序，一步一步地控制被控對象的動(dòng)作，以達(dá)到預(yù)期的目的。例如，機(jī)床加工產(chǎn)品時(shí)可采用計(jì)算機(jī)控制，預(yù)先輸入切削量、進(jìn)給量、工件尺寸和加工步驟等相關(guān)參數(shù)，運(yùn)行時(shí)由計(jì)算機(jī)控制刀具的動(dòng)作，最后加工出成品。圖1-2微機(jī)化控制系統(tǒng)組成框圖

3．微機(jī)化測控系統(tǒng)

微機(jī)化測控系統(tǒng)是以微機(jī)為核心、測控一體化的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)對被控對象的控制是由對被控對象的測量結(jié)果決定的。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，其基本組成框圖如圖1-3所示。測控系統(tǒng)從大的方面來講，可由測控裝置和測控對象兩大部分組成。測控裝置可分成硬件和軟件兩大部分。其中硬件包括傳感器、變送器、轉(zhuǎn)換電路、控制電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備等；而軟件是指操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序等，是系統(tǒng)的靈魂。

圖1-3中的輸入、輸出通道稱為過程通道，它是微機(jī)與測控對象的聯(lián)結(jié)渠道，因此，我們又稱之為“測控通道”。圖1-3微機(jī)化測控系統(tǒng)的基本組成框圖測控通道又可分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道。帶有模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入通道用來連接各類模擬信號輸出的傳感器，也可直接用做模擬形式的電壓或電流的輸入端。被測參數(shù)經(jīng)傳感器、變送器，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)多路開關(guān)分時(shí)送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過接口送入計(jì)算機(jī)(微機(jī))。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，用軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，然后經(jīng)模擬量輸出通道輸出。模擬量輸出通道帶有數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器，使計(jì)算機(jī)能對模擬形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或輸出設(shè)備進(jìn)行控制。開關(guān)量輸入通道用來接收外界以“開關(guān)”形式表示的信息。例如，在電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，它可用來監(jiān)視電網(wǎng)各類斷路器的開合狀態(tài)。在另一些在線檢測中，開關(guān)量輸入通道可用來表示“超值”、“告警”、“極性轉(zhuǎn)換”等狀態(tài)并通知計(jì)算機(jī)做相應(yīng)的處理。開關(guān)量輸出通道也可用編碼的形式向計(jì)算機(jī)輸入信息，這種信息既可以是命令信息(要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種動(dòng)作)，也可以是單純的數(shù)據(jù)信息。開關(guān)量輸出通道通常用來控制開關(guān)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)(繼電器、步進(jìn)電機(jī)等)，也可用來以編碼形式輸出信息。圖1-3中的“人—機(jī)接口”是微機(jī)與操作人員的聯(lián)結(jié)渠道，也稱為“人—機(jī)通道”。最常用的有輸入命令和數(shù)據(jù)的鍵盤、顯示測量結(jié)果和運(yùn)行狀態(tài)的顯示器、打印機(jī)以及各種數(shù)據(jù)記錄器等。

圖1-3中的“通信接口”是微機(jī)與其他微機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)渠道，也稱為“相互通道”。多微機(jī)測控系統(tǒng)的各個(gè)微機(jī)之間通過“通信接口”傳送指令或數(shù)據(jù)。

對比圖1-1、圖1-2和圖1-3可知，微機(jī)測控系統(tǒng)可認(rèn)為是由“測試系統(tǒng)”和“控制系統(tǒng)”兩部分構(gòu)成的，單純的“測試系統(tǒng)”或單純的“控制系統(tǒng)”只是“測控系統(tǒng)”的特例。1.3.2微機(jī)測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類

在工業(yè)生產(chǎn)上用到的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)組成、硬件部件和軟件系統(tǒng)，會(huì)由于使用的目的、對功能的要求和投資的多少而各不相同?，F(xiàn)結(jié)合系統(tǒng)功能和使用目的，介紹幾種常見的典型應(yīng)用系統(tǒng)。

1．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-4所示。嚴(yán)格地說，這種系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)并不直接參與控制。這種系統(tǒng)的主要作用是：

(1)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視。計(jì)算機(jī)對生產(chǎn)過程(被控對象)的不同變量參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)以一定格式在監(jiān)視器上顯示或通過打印機(jī)打印出來，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視。

(2)操作指導(dǎo)。計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并給出對生產(chǎn)過程控制的建議，由過程的操縱者依給定的建議，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。圖1-4數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-5所示。計(jì)算機(jī)通過輸入通道進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，且按已給定的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，產(chǎn)生控制指令，并通過輸出通道對生產(chǎn)過程(被控對象)實(shí)現(xiàn)直接控制。這種控制方式是應(yīng)用最普遍的一種方式。由于這種系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接參與生產(chǎn)過程的控制，因此要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。圖1-5直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3．監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SCC)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-6所示。該系統(tǒng)是二級計(jì)算機(jī)控制。其中直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)過程的直接控制；而監(jiān)督計(jì)算機(jī)則根據(jù)生產(chǎn)過程工況和已知的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析和生產(chǎn)最優(yōu)值設(shè)定，以此作為直接數(shù)字控制的指令信號，由直接數(shù)字控制系統(tǒng)執(zhí)行。由于監(jiān)督計(jì)算機(jī)承擔(dān)了上一級控制與管理的任務(wù)，因此要求其數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大。圖1-6監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

4．分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)也稱分布式控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)。它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程控制和過程管理的控制系統(tǒng)。它以多臺(tái)微機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，通過通信總線、顯示器、鍵盤等設(shè)備集中進(jìn)行操作顯示和報(bào)警。

在整個(gè)生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)過程是復(fù)雜的，設(shè)備分布又很廣，其中各工序、各設(shè)備同時(shí)并行地工作，而且基本上是獨(dú)立的，故系統(tǒng)比較復(fù)雜。然而，隨著微型機(jī)價(jià)格的不斷下降和單片機(jī)的發(fā)展，人們越來越注重把原來使用中小型計(jì)算機(jī)的集中控制用分布控制系統(tǒng)來代替，這樣就可以避免傳輸誤差及系統(tǒng)的復(fù)雜化。

DCS系統(tǒng)采用分散控制原理、集中操作、分級管理與控制和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，把系統(tǒng)從上而下分成生產(chǎn)管理級、控制管理級和過程控制級等，形成分布式控制。各級之間通過數(shù)據(jù)傳輸總線及網(wǎng)絡(luò)相互連接起來。系統(tǒng)中的過程控制級完成過程的檢測任務(wù)。控制管理級通過協(xié)調(diào)過程控制器工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。生產(chǎn)管理級完成制定生產(chǎn)計(jì)劃和工藝流程以及對產(chǎn)品、人員、財(cái)務(wù)管理實(shí)現(xiàn)靜態(tài)優(yōu)化。在這種系統(tǒng)中，只是必要的信息才傳送到上一級計(jì)算機(jī)或中央控制室，而絕大部分時(shí)間都是各個(gè)計(jì)算機(jī)并行地就地工作。分布式控制系統(tǒng)有如下幾種結(jié)構(gòu)：

1)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-7所示。它由一主機(jī)(中央處理機(jī))和幾臺(tái)衛(wèi)星機(jī)(現(xiàn)場處理機(jī))構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是線路可用性強(qiáng)、效率高，便于集中開發(fā)共享資源，但系統(tǒng)花費(fèi)較大，負(fù)責(zé)協(xié)助工作的中央處理機(jī)負(fù)荷大。系統(tǒng)對中央機(jī)的依賴性也較強(qiáng)，一旦中央處理機(jī)發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)停止工作。圖1-7星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2)總線結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-8所示。它把所有微機(jī)都掛在一根總線上。它最大的特點(diǎn)是設(shè)備安裝費(fèi)用低，可擴(kuò)性能好，可靠性高，但通信效率不是很高，任何時(shí)間只能有一臺(tái)微機(jī)占用總線。如Novell局域網(wǎng)便是一種總線結(jié)構(gòu)。圖1-8總線結(jié)構(gòu)示意圖

3)樹型結(jié)構(gòu)

樹型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-9所示。它由一主機(jī)和多級從機(jī)構(gòu)成，故也稱分級結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)。圖1-9樹型結(jié)構(gòu)示意圖這種結(jié)構(gòu)一般分為三級，即生產(chǎn)管理(MIS)級、監(jiān)督控制(SCC)級以及直接數(shù)字控制(DDC)級。

MIS級根據(jù)企業(yè)的規(guī)模及管理范圍的大小還可以分幾級，如公司管理級、工廠管理級以及車間管理級等。通常管理級都是高檔微機(jī)，一般要求數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算能力強(qiáng)，內(nèi)存及外存容量大。

SCC級一般作為車間級或廠級。它的主要任務(wù)是用來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制的計(jì)算，調(diào)整下一級DDC控制的給定值，以及給操作人員發(fā)出指示等。一般選用普通工控機(jī)或性能較好的微型計(jì)算機(jī)，這種機(jī)器要求運(yùn)算速度較快、精度較高。

DDC級為直接數(shù)字控制級，它用來對單個(gè)的控制設(shè)備或裝置進(jìn)行巡回檢測和數(shù)字控制。本級一般選用單片微型機(jī)或智能化控制裝置。

在分級結(jié)構(gòu)中，由于通信比較簡單，且各級分散控制，因而程序設(shè)計(jì)簡單，在分布式控制系統(tǒng)中這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。由于測控規(guī)模和功能的不同，測控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上可以有所不同。對于一般規(guī)模不大、要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)來說，采用單處理器結(jié)構(gòu)即可滿足要求；對于控制對象不分散、相互耦合緊密，但控制規(guī)律復(fù)雜、數(shù)字解算任務(wù)重且實(shí)時(shí)性要求又高的測控系統(tǒng)來說，可采用多處理器并行處理結(jié)構(gòu)；對于控制對象較多且在地理上、功能上較分散，相互間獨(dú)立性強(qiáng)，但又需要進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理和集中監(jiān)控操作的測控系統(tǒng)來說，可采用分布式或集散式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)；而對于一條生產(chǎn)線、一個(gè)車間、一個(gè)工廠、一個(gè)公司乃至一個(gè)區(qū)域的綜合最優(yōu)化、自動(dòng)化以及大部分智能控制問題，則可采用分層遞階控制結(jié)構(gòu)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無論哪種體系結(jié)構(gòu)，作為其直接與測控對象及其I/O通道打交道的底層，都必然包含一個(gè)或多個(gè)裝置控制級直接數(shù)字控制計(jì)算機(jī)，以完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)檢測和伺服控制等任務(wù)。1.3.3微機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展

1．集中型測控系統(tǒng)

如果把一個(gè)工業(yè)大系統(tǒng)中所有要控制的參數(shù)(包括檢測參數(shù))都集中起來，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，就稱為集中控制。集中控制既可以是每個(gè)參數(shù)所在的各個(gè)控制回路相互獨(dú)立、互不相干，只是形式上在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，也可以是多個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)統(tǒng)一發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制理論或大系統(tǒng)理論提供的控制規(guī)律。集中控制要求“控制計(jì)算機(jī)”速度快，容量大，對計(jì)算機(jī)及通道的可靠性要求特別苛刻。另外，集中控制的參數(shù)越多，危險(xiǎn)集中的程度就越大，計(jì)算機(jī)上的任何故障都會(huì)危及整個(gè)工業(yè)大系統(tǒng)。

由一臺(tái)計(jì)算機(jī)或單片機(jī)擔(dān)當(dāng)控制、檢測、輸出任務(wù)，例如智能儀器、工業(yè)過程集中監(jiān)視以及用來對檢測參數(shù)進(jìn)行高效和自動(dòng)化測量報(bào)警與閉環(huán)控制的儀器，大多都是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。集中控制的缺點(diǎn)是：可靠性差，干擾大，開發(fā)復(fù)雜，周期長。

2．分布式控制系統(tǒng)

分布式控制(DistributedControl)就是把一個(gè)工業(yè)大系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，分別由若干臺(tái)控制器去控制。不過它與分散控制不同。它承認(rèn)各個(gè)子系統(tǒng)間的聯(lián)系，經(jīng)過通信子網(wǎng)將各個(gè)局部控制器聯(lián)系起來，分工合作實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)意義上的總體目標(biāo)最優(yōu)，必須設(shè)置上級計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。一個(gè)工業(yè)大系統(tǒng)的生產(chǎn)線，在地理上常分布在較大的范圍內(nèi)。在進(jìn)行子系統(tǒng)分解時(shí)，通常沿著生產(chǎn)線的地理分布進(jìn)行分割，局部控制器沿生產(chǎn)線分布，“分布式控制”的“分布”兩字就是由此而來的。按地理位置進(jìn)行分布，將減少數(shù)據(jù)采集與控制通道的長度，有利于建立通信子網(wǎng)。分布式控制是目前采用較多的一種控制方式。分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)也稱為分散控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)，它成功地實(shí)現(xiàn)了信息集中管理、過程分散控制的有機(jī)結(jié)合。該系統(tǒng)是以微處理機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，將計(jì)算機(jī)(Computer)、數(shù)據(jù)通信(Communication)、控制(Control)、圖形顯示(CRT)等“4C”技術(shù)綜合為一體的系統(tǒng)。在分布式控制技術(shù)發(fā)展的初期，是由上位機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與分散的執(zhí)行器控制微機(jī)之間進(jìn)行信息交換的，如美國的TDC2000。該技術(shù)現(xiàn)在已發(fā)展成為具有共享公用數(shù)據(jù)庫的多微處理機(jī)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如美國的WOPFⅢ型。采用智能工作站、令牌式的通信方式，系統(tǒng)工作站間無上、下位機(jī)之分，獨(dú)立工作，一旦出現(xiàn)故障就自動(dòng)退出，真正實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)的分散，避免了全局故障。分布式微機(jī)控制系統(tǒng)雖然能完成生產(chǎn)過程中各個(gè)局部的控制作用，但是各單元之間并無直接的聯(lián)系，于是人們又使用一臺(tái)檔次較高的上位計(jì)算機(jī)對各分散的下位控制單元進(jìn)行統(tǒng)一的管理，上位機(jī)根據(jù)接收到各下位控制單元送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和處理后對下位控制單元進(jìn)行監(jiān)督控制，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)過程控制的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。必要時(shí)上位機(jī)還可以對生產(chǎn)過程編制計(jì)劃，進(jìn)行原材料及能源的調(diào)度、成本核算、庫存管理、打印統(tǒng)計(jì)報(bào)表等管理工作，這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上就是一種綜合分散型系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)方案于20世紀(jì)80年代在國外已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的潮流。到了20世紀(jì)90年代國內(nèi)在設(shè)計(jì)較大的系統(tǒng)時(shí)都肯定了這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原則。由于微機(jī)控制系統(tǒng)的集散化，解決上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信就自然成為當(dāng)前課題。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)高速傳送技術(shù)、計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通信技術(shù)將逐步進(jìn)入微機(jī)控制的應(yīng)用領(lǐng)域，這樣，就能進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)管理的微機(jī)化、規(guī)范化和科學(xué)化，使工廠各生產(chǎn)職能管理部門能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)終端通過電話線或光纖通信線路與微機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，隨時(shí)從公用數(shù)據(jù)庫中了解、分析生產(chǎn)情況，便于對下一步的生產(chǎn)和技術(shù)改造進(jìn)行決策，有利于提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低原材料和能量消耗、減小環(huán)境污染。今后，微機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)中充分應(yīng)用容錯(cuò)技術(shù)、冗余技術(shù)、自診斷技術(shù)和自糾錯(cuò)技術(shù)，使系統(tǒng)可靠性得到不斷的提高，這些技術(shù)在指導(dǎo)微機(jī)控制系統(tǒng)工作中將起到越來越重要的作用。

總之，微機(jī)控制技術(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制理論的支持和推動(dòng)下，將會(huì)以更高的速度向前發(fā)展，它的工作性能和可靠性將會(huì)有更大幅度的提高?？梢灶A(yù)料，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，微機(jī)控制會(huì)起到越來越重要的作用，占有越來越重要的地位。

3．LonWorks

現(xiàn)場操作網(wǎng)絡(luò)LonWorks(LocalOperationNetwork，LON)是1992年由美國埃施朗(Echelon)公司與日本東芝公司聯(lián)合開發(fā)的一種用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。到目前為止，全世界安裝的LonWorks節(jié)點(diǎn)已超過400萬個(gè)，已有3000多家公司致力于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和解決方案，涉及建筑、通信和交通等多個(gè)行業(yè)。LonWorks技術(shù)逐步成為完全分布式的、開放的、可互操作的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)通用技術(shù)平臺(tái)。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)核心是LonTalk協(xié)議。開放式通信協(xié)議LonTalk為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。在Lontalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產(chǎn)品融為一體，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。LonTalk協(xié)議最大的特點(diǎn)是對OSI參考模型的7層協(xié)議的支持，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這是以往的現(xiàn)場總線所不支持的。為了便于廣大用戶經(jīng)濟(jì)、高效地使用LonTalk協(xié)議，埃施朗公司將LonTalk協(xié)議固化在了神經(jīng)元芯片(NeuronChip)中。神經(jīng)元芯片是LonWorks技術(shù)的基礎(chǔ)，它不僅是總線通信處理器，同時(shí)也可作為采集和控制的通用處理器，LonWorks技術(shù)中所有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的操作實(shí)際上都是通過它來完成的。具體實(shí)現(xiàn)是采用網(wǎng)絡(luò)變量這一形式。節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過各個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量的互相連接完成的。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)與常規(guī)DCS不同的是，常規(guī)DCS的通信聯(lián)網(wǎng)方式有高速通道組網(wǎng)DHW方式、BITBUS串行通信總線方式和傳統(tǒng)局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)方式。存在的問題是聯(lián)網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不靈活、速度低、費(fèi)用高、開發(fā)周期長，基本調(diào)節(jié)器由單片機(jī)核心構(gòu)成，難以實(shí)現(xiàn)完全分散控制。而LonWorks卻具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無中心機(jī)控制的真正分散控制，使智能節(jié)點(diǎn)盡可能靠近對象。

(2)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各傳感器、變送器、執(zhí)行器直接掛在總線上，組態(tài)靈活，增減容易。

(3)節(jié)點(diǎn)之間通信媒體有雙絞線、電話線、擴(kuò)頻無線等。

(4)可靠性高。

(5)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議固化在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部。

(6)節(jié)點(diǎn)編程容易、簡單，可用C語言編程。

LonWorks節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖1-10所示。LonWorks組成的網(wǎng)絡(luò)，可由微控制器、PC機(jī)、工作站任意構(gòu)成，如圖1-11所示。圖1-10LonWorks節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成圖圖1-11LonWorks組成的網(wǎng)絡(luò)示意圖

4．現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，一種新型的控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS)正以迅猛的勢頭快速發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代已進(jìn)入實(shí)用階段，是目前自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)，正越來越受到國內(nèi)外自動(dòng)控制領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。FCS是由PLC和DCS發(fā)展而來的。FCS與PLC及DCS之間既有聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)全數(shù)字化。將企業(yè)管理與生產(chǎn)自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合一直是工業(yè)界的理想，只有在FCS出現(xiàn)以后，這種理想才有可能高效、低成本地實(shí)現(xiàn)。在采用FCS的企業(yè)中，用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動(dòng)控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)緊密銜接。此外，數(shù)字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。

(2)全分布。在FCS中各現(xiàn)場設(shè)備有足夠的自動(dòng)性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設(shè)備中，而不再需要一個(gè)中央控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。

(3)雙向傳輸。傳統(tǒng)的4～20mA電流信號，一條線只能傳遞一路信號?，F(xiàn)場總線設(shè)備則在一條線上既可以向上傳遞傳感器信號，也可以向下傳遞控制信息。

(4)自診斷?，F(xiàn)場總線儀表本身具有自診斷功能，且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護(hù)，而這在只能傳遞一路信號的傳統(tǒng)儀表中是做不到的。

(5)節(jié)省布線及控制室空間。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，每個(gè)儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個(gè)大配線架。而在FCS系統(tǒng)中多臺(tái)現(xiàn)場設(shè)備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進(jìn)入中央控制室，大量節(jié)省了布線費(fèi)用，同時(shí)也降低了中央控制室的造價(jià)。

(6)多功能儀表。數(shù)字、雙向傳輸方式使得現(xiàn)場總線儀表可以擺脫傳統(tǒng)儀表功能單一的制約，可以在一個(gè)儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測、運(yùn)算、控制于一體的變送控制器。

(7)開放性。1999年底現(xiàn)場總線協(xié)議已被IEC批準(zhǔn)正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)，從而使現(xiàn)場總線成為一種開放的技術(shù)。

(8)互操作性?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作，這樣就可以在一個(gè)企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能、價(jià)格選用不同廠商的產(chǎn)品，集成在一起，避免了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制，促進(jìn)了有效的競爭，降低了控制系統(tǒng)的成本。

(9)智能化與自治性。現(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展在經(jīng)歷了傳統(tǒng)的基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)(DCS)后，正朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的方向發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以說是自動(dòng)化領(lǐng)域的一場革命。采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)造低成本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進(jìn)現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢。盡管以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護(hù)和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個(gè)漫長的過程，同時(shí)DCS本身也在不斷地發(fā)展與完善。可以肯定的是，結(jié)合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進(jìn)控制等新技術(shù)的FCS將具有強(qiáng)大的生命力。工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線技術(shù)作為一種靈活、方便、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了越來越多的應(yīng)用，并將在控制領(lǐng)域中占有更加重要的地位。未來的控制系統(tǒng)將會(huì)是：FCS處于控制系統(tǒng)中心地位，兼有DCS、PLC系統(tǒng)的一種新型標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、開放性、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的控制系統(tǒng)。1.4軟件工程在微機(jī)測控系統(tǒng)中的重要地位

微機(jī)執(zhí)行程序需要時(shí)間，若要為快速響應(yīng)過程的控制系統(tǒng)(如電動(dòng)機(jī))編寫控制程序，就要注意它執(zhí)行時(shí)間的長短，以保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件是用戶為解決實(shí)時(shí)控制問題而提出的，一般由用戶自行設(shè)計(jì)和編制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，因此這種實(shí)時(shí)控制軟件的主要特點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性和針對性強(qiáng)、靈活性與通用性好、多種輸入/輸出功能強(qiáng)、可靠性高。1.4.1軟件的分類

微機(jī)測控系統(tǒng)中的軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件是用來管理計(jì)算機(jī)各組成部件進(jìn)行工作及調(diào)度用戶程序運(yùn)行的程序，它把用戶與主機(jī)聯(lián)系起來，為用戶提供一個(gè)良好的使用環(huán)境。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)和一系列基本的工具(比如編譯器、數(shù)據(jù)庫管理、存儲(chǔ)器格式化、文件系統(tǒng)管理、用戶身份驗(yàn)證、驅(qū)動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)連接等方面的工具)等。如果測控系統(tǒng)采用制造商提供的成品計(jì)算機(jī)，則可有相應(yīng)配套的系統(tǒng)軟件。為更適合應(yīng)用目的，可以適當(dāng)修改或補(bǔ)充已有的系統(tǒng)軟件。如果從硬件模塊級開始組裝系統(tǒng)，則系統(tǒng)軟件也需要自行編制。應(yīng)用軟件是為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件。它可以是一個(gè)特定的程序(比如一個(gè)圖像瀏覽器)，也可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程序的集合(比如微軟的Office軟件)，還可以是一個(gè)由眾多獨(dú)立程序組成的龐大的軟件系統(tǒng)(比如企業(yè)的MIS系統(tǒng))。就控制系統(tǒng)而言，應(yīng)用程序是一個(gè)直接的控制程序，而其他的系統(tǒng)程序則是為它服務(wù)的?？刂葡到y(tǒng)的應(yīng)用程序要由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者自己編寫，它的開發(fā)任務(wù)占軟件開發(fā)工作量的大部分。因此，應(yīng)用程序的優(yōu)劣將會(huì)給系統(tǒng)的精度和效率帶來很大影響。軟件是人的思維與機(jī)器硬件之間的橋梁。盡管軟件的運(yùn)行離不開硬件，但軟件的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的正常運(yùn)行及硬件功能的充分發(fā)揮。在實(shí)際測控系統(tǒng)的研制中，軟件研制周期及所需人力絕不少于硬件研制。

1．系統(tǒng)軟件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的所有軟件和硬件統(tǒng)稱為資源。操作系統(tǒng)是對計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理和控制的一種系統(tǒng)軟件。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求軟件具有實(shí)時(shí)、可靠、靈活的特點(diǎn)。所謂實(shí)時(shí)，是指計(jì)算機(jī)對被控對象送來的信息能及時(shí)處理，輸出響應(yīng)的信息及時(shí)控制被控對象，為此，計(jì)算機(jī)應(yīng)配備有實(shí)時(shí)監(jiān)控程序或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)是：不僅要管理計(jì)算機(jī)資源、輸入/輸出接口和有關(guān)的外設(shè)，還要實(shí)現(xiàn)模塊的調(diào)度，完成周期任務(wù)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)還應(yīng)具有處理中斷的能力，能對實(shí)時(shí)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)文件以及計(jì)算機(jī)通信進(jìn)行管理。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求，用戶要編寫應(yīng)用程序在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行。因此，計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件還應(yīng)包括以下幾類程序：

(1)編輯程序。該程序用于對程序進(jìn)行插入、增補(bǔ)、刪除、修改、移動(dòng)等編輯加工，并在磁盤上建立源程序文件。

(2)編譯程序。計(jì)算機(jī)不能執(zhí)行源程序，只能執(zhí)行機(jī)器代碼。編譯程序就是把用戶應(yīng)用源程序“翻譯”成機(jī)器代碼，同時(shí)在編譯過程中對用戶程序進(jìn)行語法檢查并顯示出錯(cuò)信息。

(3)鏈接程序。源程序經(jīng)編譯后形成浮動(dòng)地址目標(biāo)程序，而計(jì)算機(jī)最后執(zhí)行的是絕對地址的目標(biāo)程序。鏈接程序就是將浮動(dòng)地址的目標(biāo)程序鏈接起來成為一個(gè)完整的絕對地址的目標(biāo)程序。

(4)子程序庫。一些有關(guān)外設(shè)(如打印機(jī)、鍵盤、磁盤、顯示設(shè)備等)程序的編寫較復(fù)雜，因?yàn)椴粌H要了解每個(gè)外設(shè)的性能，還要了解它們與主機(jī)交換信息的規(guī)程。同時(shí)計(jì)算中常常要有應(yīng)用面廣、使用頻繁的算式和代碼轉(zhuǎn)換程序，為使用戶編程方便，系統(tǒng)程序中都提供了這些應(yīng)用的子程序庫。這些子程序庫是經(jīng)過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)者仔細(xì)推敲并經(jīng)長期運(yùn)行考驗(yàn)后設(shè)計(jì)而成的，一般比較合理。用戶了解這些子程序的功能和調(diào)用條件后，就能直接在程序中調(diào)用它們。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，維修計(jì)算機(jī)將變得十分困難，因而需要系統(tǒng)軟件中包括有診斷軟件。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障后，診斷軟件應(yīng)能迅速地指出故障類型和發(fā)生故障的部件，為短時(shí)間內(nèi)排除故障、修復(fù)系統(tǒng)提供方便。

2．應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用戶針對各自系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)而編制的。目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制外，還對生產(chǎn)過程進(jìn)行管理。根據(jù)應(yīng)用程序的功能，可將應(yīng)用程序分為以下幾類：

(1)控制程序?？刂瞥绦蚴歉鶕?jù)系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)所得的控制算法編制的應(yīng)用程序，它可實(shí)現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的控制。

(2)數(shù)據(jù)采集及處理程序。數(shù)據(jù)采集及處理程序包括數(shù)據(jù)可靠性檢查程序(用于檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù))、A/D轉(zhuǎn)換及采樣程序、數(shù)字濾波程序(用于濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù))、線性化處理程序(用于對檢測元件或變送器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償)。

(3)巡回檢測程序。巡回檢測程序除包括數(shù)據(jù)采集及處理程序外，還應(yīng)包括越限報(bào)警程序(在生產(chǎn)過程中某些量值超過限定值時(shí)報(bào)警)、事故預(yù)告程序(生產(chǎn)過程中，某些量不允許超過限定值，若從這些量的變化趨勢看，有可能超過限定值時(shí)，發(fā)出事故預(yù)告信號)、畫面顯示程序(用圖、表等形式在CRT上形象地反映生產(chǎn)狀況)。

(4)數(shù)據(jù)管理程序。數(shù)據(jù)管理程序主要包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表程序(可按生產(chǎn)管理部門要求的格式打印各種報(bào)表)、產(chǎn)品銷售程序、生產(chǎn)調(diào)度程序、庫存管理程序和產(chǎn)值利潤預(yù)測程序等。1.4.2實(shí)時(shí)控制程序設(shè)計(jì)語言的選用

編寫應(yīng)用程序前首先面臨的一個(gè)問題是選用什么語言設(shè)計(jì)程序。用戶采用哪一種語言來編寫應(yīng)用程序，主要取決于控制系統(tǒng)軟件配置的情況和整個(gè)系統(tǒng)的要求。一般來說，可以選用機(jī)器語言、匯編語言或高級語言(如BASIC、PASICAL、FORTRAN、PL/M、Ada、C等)來編寫程序。

(1)機(jī)器語言(即機(jī)器指令)。用這種語言編程十分麻煩，效率很低，所編出的程序不易檢查和修改；優(yōu)點(diǎn)是它能具體描述計(jì)算過程，緊湊地使用內(nèi)存單元，對內(nèi)存的分配比較清楚。

(2)匯編語言。這是一種用助記符編寫程序的語言。匯編程序比機(jī)器語言程序易讀、易記、易檢查修改。它具有與機(jī)器語言程序相同的靈活性，能發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的特性，編出的程序運(yùn)行所需的時(shí)間較短，所以在實(shí)時(shí)控制中還經(jīng)常采用。

用匯編語言編制應(yīng)用程序比較繁瑣、工作量大、開發(fā)周期長、通用性差，有一定的局限性，不利于交流推廣。

(3)高級語言。高級語言用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)編程有許多優(yōu)點(diǎn)，如不必了解計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，不用考慮內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)單元的安排，程序易修改，編程工作量小，編程時(shí)間短，程序易讀等。用高級語言編制控制程序存在的主要問題是編寫出的源程序經(jīng)編譯后得到的目標(biāo)代碼比用匯編程序經(jīng)編譯后所得到的目標(biāo)代碼要長得多，因而執(zhí)行程序所花的時(shí)間也要長得多，也就是說實(shí)時(shí)性比較差，難以滿足快速性控制要求。在微機(jī)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)中，對系統(tǒng)頻帶較寬(動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快)、實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，多采用匯編語言。而對實(shí)時(shí)性要求不太嚴(yán)格的控制系統(tǒng)，多采用高級語言?；蛘吒鶕?jù)性能要求，把兩者結(jié)合起來，即匯編語言的嵌套和調(diào)用。

(4)高級語言和匯編語言的混合使用。一般情況下，用匯編語言編寫的程序比用高級語言編寫的程序執(zhí)行速度要快。單用匯編語言編程，對某些運(yùn)算(例如帶小數(shù)的十進(jìn)制運(yùn)算、帶符號數(shù)的乘除法運(yùn)算)很不方便。當(dāng)控制規(guī)律比較復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)控制算法的程序采用匯編語言編程通常是相當(dāng)繁瑣的。而高級語言與硬件接口的處理比較復(fù)雜，但其指令系統(tǒng)比較完善。描述的計(jì)算算式與數(shù)學(xué)公式相近，并具有豐富的子程序庫。若混合應(yīng)用這兩類語言得當(dāng)，就可各取所長，兼顧兩類語言的特點(diǎn)，方便用戶。例如，在硬件管理及不常改動(dòng)的中斷管理和輸入/輸出程序等實(shí)時(shí)管理方面可以采用匯編語言來編制，在程序中復(fù)雜計(jì)算、調(diào)整算法以及圖形繪制、顯示、打印等方面采用高級語言來編制。目前許多微機(jī)系統(tǒng)大都允許用戶在FORTRAN及BASIC、C語言編制的程序中調(diào)用匯編語言的子程序。

另一種高級語言調(diào)用匯編函數(shù)的方法是：編制出獨(dú)立的高級語言和匯編語言的源程序模塊，分別使用高級語言的編譯器和匯編語言的匯編程序，對源程序進(jìn)行編譯和匯編，然后得到各自的目標(biāo)模塊(.obj文件)，使用鏈接程序進(jìn)行鏈接，最后得到可執(zhí)行的.exe文件。1.4.3軟件設(shè)計(jì)的步驟和方法

軟件設(shè)計(jì)通常要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：明確任務(wù)書，編寫可行性報(bào)告，編制項(xiàng)目計(jì)劃，進(jìn)行需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，對軟件進(jìn)行單元測試、組裝測試及確認(rèn)測試。

首先根據(jù)系統(tǒng)資源以及實(shí)際控制要求確定軟件系統(tǒng)的目標(biāo)、指標(biāo)，決定計(jì)算機(jī)的輸入/輸出形式，計(jì)算機(jī)與接口硬件電路的連接和出錯(cuò)處理的方法，明確并編寫任務(wù)書。

可行性研究報(bào)告的編寫目的是說明該軟件開發(fā)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件方面的可行性，評述為了合理地達(dá)到開發(fā)目標(biāo)而可能選擇的各種方案，說明并論證所選定的

方案。編制項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃的目的是用文件的形式，把對于在開發(fā)過程中各項(xiàng)工作的負(fù)責(zé)人員、開發(fā)進(jìn)度、所需經(jīng)費(fèi)預(yù)算、所需軟/硬件條件等問題做出的安排記載下來，以根據(jù)本計(jì)劃開展和檢查本項(xiàng)目的開發(fā)工作。

在需求分析階段，要對任務(wù)書進(jìn)行任務(wù)細(xì)化、指標(biāo)化，并編寫軟件需求說明書。

軟件需求說明書的編制是為了使用戶和軟件開發(fā)者雙方對該軟件的初始規(guī)定有一個(gè)共同的理解，使之成為整個(gè)開發(fā)工作的基礎(chǔ)。如果一個(gè)軟件比較簡單，關(guān)系不太復(fù)雜，則該說明書可以不單獨(dú)編寫，有關(guān)內(nèi)容可合并入概要設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況，如果需要開發(fā)的軟件系統(tǒng)比較大，就必須經(jīng)過概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。如果需要開發(fā)的軟件比較小，則只需要將這兩個(gè)設(shè)計(jì)階段任務(wù)合為一個(gè)階段的任務(wù)來完成。概要設(shè)計(jì)階段的任務(wù)就是根據(jù)軟件需求規(guī)格說明書建立軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和模塊間的關(guān)系，設(shè)計(jì)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義各功能模塊和接口模塊的輸入/輸出參數(shù)及控制參數(shù)，進(jìn)行用戶界面描述，規(guī)定設(shè)計(jì)約束，將各子模塊與需求關(guān)聯(lián)，對各子模塊的功能進(jìn)行描述，對問題范疇之外可能遇到的問題(即使很難發(fā)生)也應(yīng)該有處理辦法(即必須有異常出口)，提出軟件測試點(diǎn)(一般為關(guān)鍵點(diǎn))，指定組裝測試計(jì)劃(包括對每項(xiàng)測試活動(dòng)的內(nèi)容、進(jìn)度安排、設(shè)計(jì)