第10章--计算机控制系统的整体设计与实施.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计,算,机,控,制,系,统,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,10.1,计算机控制系统设计原则,10.2,计算机控制系统工程设计与实施,第,10,章 计算机控制系统的整体设计与实施,计算机控制系统设计原则,1.,可靠性,系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。平均无故障时,间,MTBF,反映了系统可靠工作的能力，平均维修时间,MTTR,反映了系统出现故障后立即恢,复工作的能力。,第一，选用高性能的工控机。因为工控机对振动、冲击、粉尘、高温、电磁干扰和大电流干扰等恶劣的工业现场环境，采取了特殊的处理措施，保证系统仍能正常运行。,第二，设计时采用可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，使系统具有故障报警、事故预测、故障处理、不间断电源等功能。,第三，为避免出现故障后对生产造成损失，有必要设置后备装置。,1.,可靠性（续）,后备装置的工作方式有双机备用系统（其工作方式有备份工作方式、主从工作方式和双工工作方式）和分级分布式控制方式。,(1),双机备用系统,在双机系统中，用两台微机作为系统的核心控制器。由于两台微机同时发生故障的概率很小，从而大大提高了系统的可靠性。,1),备份工作方式,：,这种方式中，一台微机投入运行，另一台脱机作为系统的备份机。,2),主,-,从工作方式,：,正常情况下，两台微机分别执行不同任务。一台微机承担主要控制工作（主机），另一台执行一般数据处理或部分设备的控制等工作（从机）。当主机发生故障时，它能自动地脱离系统，,3),双工工作方式：两台主机同时投入系统运行，在任何一个时刻都同步执行同一个任务，并把结果送到专门的装置进行核对，如图,10.1,所示。,1.,可靠性（续）,图,10.1,双工工作方式,（,2,）分布式控制系统,其是提高可靠性的一个重要发展。把所有任务分散地由多台微机来承担，用一台计算机作为上一级的管理主机，如图,10.2,所示。分两级，第一级对各被控对象进行控制，而上一级的微机通过总线与下一级的微机相连接，并对它们实施管理和监控。,局部故障机器所承担任务还能够由上一级主机来接替，因此，系统工作基本不受影响。如果上一级主机发生,故障，则下一级微机仍可以独立维持对被控对象的控制，直到上一级主机排除故障为止。,1.,可靠性（续）,图,10.2,分布式控制示意图,表现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不强求操作工作要掌握计算机知识才能操作，有利于系统的推广和应用。,在硬件配置方面系统的控制开关不能太复杂，操作顺序要简单；同时应尽可能采用标准的功能模块，便于查找故障模块并更换故障模板，,安装工作指示灯和监测点，便于维修人员检查。,软件方面，应尽可能采高级语言，方便程序修改，故障一旦发生，应易于排除与维护，同时应配置诊断程序，,在故障发生时用程序来查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时间,。,凡是涉及人机工程的一切问题都应逐一加以考虑。,2.,操作、维护与维修方便,实时性是重要指标之一，要求系统对内部和外部事件能及时地响应，并在规定的时间内做出相应的处理；实时系统有两个基本要求：第一，计算必须产生正确结果，称为逻辑或功能正确；第二，计算必须在预定的时间内完成，称为时间正确。,靠软件来保证系统的实时性，使软件能充分发挥计算机硬件的潜力，从而使计算机解决某一个问题所需的时间最短。另外，工程上能设置中断，根据故障的轻重缓急，能够预先分配中断级别，一旦有事件发生，根据中断优先级别进行处理，保证最先处理紧急故障。,3.,实时性,根据各种不同的设备和不同控制对象的控制要求，灵活地设计系统。这样设计出的系统便于随时进行系统的扩展或改进，通用性好。通用性表现在一下几个方面：,第一，硬件设计标准化，采用标准总线结构，如,STD,总线、,AT,总线和,MULTIBUS,总线等，,并配置各种通用功能模板。扩充时，只增加相应接口插件通道或功能模板即可。,第二，软件设计时使用标准库函数和模块结构，不需要二次开发，只需按照要求选择各种库函数即可。为了减少系统扩充或者硬件更新时的工作量，在速度允许的情况下，尽可能用软件功能代替硬件功能。,第三，各个设计指标留有余量，为日后系统的扩充创造有利的条件。,4.,通用性好,计算机控制系统在满足设计基本要求的前提下，还应该具有较好的经济性，投入市场要有一定的竞争力。经济性主要体现在两个方面：一方面系统的性价比要尽可能高，而投入产出比要尽可能低，投资回报周期要尽可能短；另一方面还要从提高产品质量与产量、节能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、社会效益各方面进行综合评估。,5.,经济性高,计算机控制系统设计步骤,计算机控制系统的设计的一般过程如图,10.3,所示，具体可分为五个阶段：工程项目与控制要求分析；总体设计和可行性评价；工程项目设计（软件和硬件设计与调试）；离线仿真和调试阶段；在线调试和运行阶段。,图,10.3,计算机控制系统的一般设计步骤,计算机控制系统设计步骤（续）,计算机控制系统从设计到实施的整个过程大致如下：,(1),总体方案设计；,(2),工作计划的制订与实施；,(3),计算机及仪表的选型；,(4),设备订货、验收；,(5),各方面的人员安排、调配；,(6),控制系统的研究、开发、集成、安装、调试；,(7),工程验收和投入使用；,(8),其他相关工作。,1,工程项目与控制要求的确定阶段,被控对象既是设计的目的对象，也是系统设计的出发点和基础。对被控对象的控制系统设计需要对其完成的功能和性能进行分析，这个分析过程就是要求分析，其结果以要求分析说明书的形式呈现。开发者要根据被控对象的具体情况，按照企业的经济能力、未来系统运行后可能产生的经济效益、企业的管理要求、人员的素质、系统运行的成本等多种要素进行分析，其项目可行性分析论证流程如图10.4,所示。,图,10.4,项目可行性论证流程,工程项目与控制任务的确定阶段一般流程如下所述。,(1),甲方提出任务委托书。有明确技术性能指标要求，包含经费、计划进度、合作方式等内容。,(2),乙方研究任务委托书。乙方在接到委托书后认真阅读，并逐条研究。,(3),双方对委托书进行确认修改。在乙方对委托书进行了认真研究之后，双方应就委托书的确认或修改事宜进行协商和讨论。,(4),乙方初步进行总体方案设计。总体方案设计时应多做几个方案比较。方案应反映出三大关键问题：技术难点、经费概算、工期。,(5),乙方进行方案可行性论证。方案可行性论证目的是估计完成该项任务的可能行，并为签订合同设计工作打下基础，论证的主要内容是技术可行性、经费可行性、进度可行性。,(6),签订合同书。合同书是达成一致意见的结果，是合作的依据与凭证。,1,工程项目与控制要求的确定阶段（续）,2,系统总体设计与可行性评价,制定总体方案必须根据被控对象工艺与控制要求，综合考虑控制设备情况，一般包含以下几个方面的任务：,(1),弄清系统的规模。,(2),确定系统的结构形式。,确定是用芯片级设计还是用模板组合、单机、多机或联网形式，还是采用,DDC,、,SCC,或者分布式控制等等，可以参考表,10.1,。,(3),软硬件功能的划分。,(4),画出系统总框图，进行设计分工。,(5),确定控制算法。,(6),确定内存容量及其分配。,(7),确定过程通道种类及数目。,(8),确定系统中断能力与中断方式。,(9),确定字长、速度和总线形式。,(10),确定研制方法及开发工具。在计算机控制系统研发过程中，特别有效的方法是利用控制系统的计算机辅助分析和设计技术，进行可靠性及精度指标的分配。,2,系统总体设计与可行性评价（续）,被控变量数,输入,/输出变量数,推荐集成基础,系统规模,15,110,单回路数字控制器,微系统,230,10100,工控机,/PLC,单机系统,小于,100,1001000,小型,DCS/FCS系统,小型系统,100500,10005000,中型,DCS/FCS系统,大型系统,大于,500,DCS/FCS系统,巨型系统,表,10.1,被控变量个数与推荐系统,3,工程项目的设计阶段,工程项目的设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、软硬件的细化设计、制作调试、系统组装等。,1),组建项目小组,在签订了合同后，研制进入设计阶段。首先确定项目组成员。项目组成员应该从硬件和软件出发进行分工，并且明确相互的协调合作关系。,2),形成总体方案,系统总体方案设计包括系统结构、组成方式、硬件与软件的功能划分、控制策略和控制算法的确定等。总体方案需要经过反复协调，才能形成合理的方案。,3),方案论证与评审,对设计方案的把关和最终裁定，评审后确定的方案是进行具体设计和工程实施的依据。,4),硬件和软件的分别细化设计,细化设计就是将方块图中的方块划到最底层，然后进行底层结构细化设计。对于硬件设计来说，就是选购模块以及设计制作专用模板；对于软件设计来说，就是将模块编成程序。,5),硬软件分别调试。,软硬件设计需要边设计边调试，往往要经过几次反复才能完成。,6),系统的组装,软硬件细化设计后，做成样机并分别进行调试，然后就可进行系统的组装。组装是离线仿真和调试阶段的前提和必要条件。,3,工程项目的设计阶段（续）,离线仿真调试一般在实验室进行，不是在工业现场进行的仿真和调试，并尽可能地模仿实际操作时可能出现的各种情况，因为有些特殊情况是在线无法调试；离线仿真调试分为硬件调试和软件调试，其流程如图,10.5,所示。另外拷机运行也是重要的一环，拷机目的是要在连续不停机的运行中暴露问题和解决问题。,4,离线仿真和调试阶段,图,10.5,离线仿真和调试阶段的流程,系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行，在线调试和运行就是进行现场调试和运行，其流程如图,10.6,所示。现场情况更加复杂，生产过程与其数学模型之间总有区别，现场调试和运行仍可能出现问题。在系统运行正常后，需要再进行一段时间的试运行，确认系统安全可靠后，才能组织验收。,5,在线调试和运行阶段,图,10.6,在线调试和运行流程,10.2,计算机控制系统工程设计与实施,需求调查,这一步的任务就是了解用户的需要，包括用户目前遇到的困难、新系统需要完成哪些功能、外观要求、接口要求、工作环境和用户可接受的设备成本等因素。将这些用户需求都记录下来，写出需求调查报告，作为可行性调研的重要依据之一。,10.2.2,可行性分析,可行性分析包括市场可行性分析和技术可行性分析两部分。,市场可行性分析就是了解市场上有无同类产品，其市场占有情况如何，将来的市场发展前景，新产品的市场价值如何；采取何种策略，才能使新产品具有更强的市场竞争力。,技术可行性分析就是了解市场上是否有同类产品，如果市场有此类产品，研究其技术路线是怎样，找出其中可以借鉴的地方，以及不足可以改进的地方。如果没有此类产品，则进一步分析实现新系统所牵涉的每个技术环节，从理论上探讨其实现过程中的重点环节和难点，客观条件上是否具备开发该系统的必备条件（如开发环境、开发人员、仪器设备和资金等）；估计系统开发成本，预计成本能否控制在用户可以接受价格之内。,总体方案设计,经过可行性分析认为技术和市场都是可行的产品将进入总体方案设计阶段，总体设计的首要任务是进行深入的工艺调研和现场调研，确立整体框架结构和具体任务，明确系统所要完成的任务。大体上总体方案由系统分析,、形成设计技术报告、硬件总体方案和软件总体方案构成，其简要介绍如下：,弄清系统的规模,、,控制范围,和工艺流程，并用记录方式对其进行描述；进一步了解生产工艺对控制的基本要求，弄清控制任务是要保持工艺过程稳定，要实现工艺过程的优化；通过调研弄清楚控制过程需要检测那些参数和变量，那些参量需要控制并初步确定输入输出口数量与类型；进一步弄清楚新控制系统使用的供电环境（如电网稳定性、谐波含量和是否经常停断电等）和现场环境（如振动、温度、湿度、粉尘和电磁干扰等）；,1.,系统调研,2.,形成总体设计报告,完成初步调研后，依据手头的资料草拟初步方案，并对初步方案进行反复讨论，发现新问题或不清楚之处，需要再次调研，然后对原方案进行修改。一般来说，在工艺调研与验证,、方案修改、方案,讨论之间往往需要多个循环才能确定最后的总体设计方案，并写成总体设计技术报告，该报告包括工艺流程的描述、软硬件功能描述、计算机控制系统的整体结构、控制算法的确定和用表格的方式对,I/O,口进行描述。,3.,硬件总体方案设计,计算机控制系统的硬件总体设计主要包括确定系统结构和类型，系统的构成方式，现场设备及自动化仪表的选择，人机交互和机箱机柜结构设计，抗干扰措施等。依据生产过程对象的要求，确定采用开环还是闭环控制，并确定控制系统的类型（数据采集系统,、直接数字控制系统和监督计算机控制系统等）。确定系统的构成方式主要是选择控制主机，依据控制系统规模、控制算法的复杂程,度、控制参数的数量和,I/O,口个数来选取控制主机（可编程控制器、单片机、数字信号处理器、工控机和,ARM,）。现场设备主要包含传感器、变送器和执行机构，它们是影响系统控制精度的主要因素，因此要从信号量程范围、精度、对环境及安装要求等方面考虑，选择适当。,4.,软件总体方案设计,确定软件平台,、软件结构、任务分解、构建控制系统数学模型、控制算法的实现和结构流程图。具体设计中采用结构化、模块化、通用化的设计方法，自上而下或是自下而上地画出软件结构方块图，逐步细化，直到能够清楚地表达出控制系统所要解决的问题为止。,其内容如下：,(1),系统的主要功能,、技术指标、原理性方框图及文字描述。,(2),控制策略与算法。,(3),系统的硬件结构与配置。,(4),方案的选择确定过程文件。,(5),可靠性设计和抗干扰措施。,(6),机柜或机箱的结构与外观尺寸设计。,(7),经费使用和进度计划安排。,(8),现场条件的要求。,10.2.4,硬件的工程实现,总体方案设计之后便要确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现。现在的工业控制使用主机具有高度模块化和插板结构，能够采用组合方式简化计算机控制系统的硬件设计,。一般尽可能地使用总线式的工控机，输入输出口也尽量选购市场上已经量产的产品。这些现场模块化产品可靠性高,、,功能完善，构成系统极为方便，所以，除非无法买到满足自己要求的产品，否则绝不要随意自行研制。,另外，在计算机控制系统中，有些功能必须由硬件实现，如键盘接口、显示器接口、,A/D,和,D/A,转换等；有些功能只能由软件实现，如点阵液晶显示的驱动、大部分的通信编码，还有一些信号处理的算法等。而有些功能既能用软件实现又能用硬件实现，如信号的滤波。所以在进行系统设计时，需要综合考虑，将硬件,、,软件功能划分清楚。,1,主机机型与系统结构形式的确定,在选择或自行设计计算机系统时，要注意以下几个事项：,(1),CPU,的字长。微型机功能与字长有关，位数越多，运算与控制越强。,(2),指令系统。指令系统丰富，指令越多，编程越容易，功能越强。,(3),运算速度。在用模块组成系统时，注意各模块间的速度匹配。,(4),中断系统。有中断便于及时处理系统中的各种异常或意外情况。,(5),实时时钟。时钟用于控制采用间隔，定时打印，记录事故或事件发生等情况。,(6),人机对话能力。确定控制主机的人机对话功能，做到人机界面好，操作方便简单。,从提高系统可靠性,、缩短开发周期考虑，硬件的总体设计应该尽可能采用成熟技术和现有硬件模块产品，尽量避免从零开始。,2,I/O,通道的选择,应用计算机对生产现场设备进行控制，除与主机外，还必须配备连接计算机与被控对象并进行它们之间信息传递和变换的,I/0,接口。生产厂家通常以功能模块的形式生产,I/0,接口，其中最主要的有：模拟量输入输出,(,AI/AO,),模板,和,数字量,(,开关量,),输入输出,(,DI/DO,),模板。,总之，控制系统中的,AI/AO,接口的模型、组合、数量等按具体被控生产过程的输入参数、输出参数的种类、数量、控制要求，并适当考虑系统将来扩充需要来确定。,3,选择现场设备,变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。,执行器是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。,其他现场设备指的是现场控制系统中 一些必不可少的辅助设备，如有的场合有流量泵、计量泵、安装移动成份仪表的扫描机架及其控制箱等。控制室及内装修、空调等，这些设备在硬件工程中也必须考虑在内。,4,硬件电路实现,硬件模块规划,。根据系统的整体要求，将系统划分成多个功能相对独立的模块（如中央处理模块、扩展模块、信号测量模块、人机接口模块、通信模块等），分别确定各自的功能框架、模块之间的接口约定。,原理图设计,，根据功能划分情况，分别设计各个模块的具体硬件电路，包括器件的选择，电路原理图的设计，以及原理图的仿真测试。,电路板设计,，根据各个模块电路原理图，以及各个功能模块的性质和接口连接情况决定硬件电路板的分布情况，并设计系统电路板。,电路板装配,，根据电路板的设计情况，结合原理图的设计，列出所用元器件清单，购买元器件，等电路板制作完成后，焊接装配电路。,模块功能测试,，电路板装配好后，测试各功能功能实现情况，进行调整，各个模块基本测试通过后，待软件开发完成后，就进行系统联调。,5,硬件设计时需注意的问题,尽可能选用标准化、模块化、集成度高典型电路，提高系统的可靠性。,系统设计时，在满足当前要求的前提下，要留有适当的扩展余地（包括存储空间要留有余地），电路板设计得不要太拥挤，留有适当的过线孔。对于测试完全通过的系统，在系统定型时，可以在结构上稍微紧凑些。,在技术成熟的前提下，尽可能地选用一些技术上更新、集成度更高、功能更强的芯片，而不要选用过时的元器件。一方面可以简化系统设计，另一方面也可以节省成本。,在设计电路时，还要考虑系统各部分的驱动能力，输入输出阻抗是否匹配，接地、安装、维修是否方便，以及抗干扰性能等有关细节。,在硬件设计和调试过程中，当按总体方案的设想满足不了要求时，可更改设计方案并进行实验，直到满足技术指标要求为止。,6,解决抗干扰问题，提高系统可靠性,(1),在硬件设计和加工时应选用质量好电子元件和连接器，并进行严格测试和筛选。,(2),电路设计时要注意电平匹配。,(3),设计时要充分考虑阻抗匹配，各部分间驱动能力要留有余地。,(4),设计,PCB,时，强弱电要严,格分开，数字地和模拟地要分开，与电源端地线相连。,(5),对供电电源要采取抗干扰措施。,(6),对输入,/,输出通道采取抗干扰措施。,软件的工程实现,一般来说控制系统的软件设计应在总体设计基础上，根据设计任务书明确的系统功能和技术指标要求画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再进行系统组态或选择程序设计语言编制控制程序。具体程序设计一般要处理以下内容。,1.,数据类型和数据结构规划,一般来说，数据处理模块和数据采集模块的输出都需要通过数据库进行一定时间的保存。因此，不仅要确定相关数据的类型，而且要很好地规划数据结构，即数据存放格式。系统各个模块之间存在着各种因果关系，相互之间要进行各种信息的传递。如数据采集模块的输出信息是数据处理模块的输入，而数据处理模块的输出可能又是显示模块、打印模块、控制模块等的输入。各模块之间的关系一方面体现在程序的流程上，一方面体现在接口条件上。为防止接口条件出错，可将每个执行模块要用到的参数和输出的结果列出来，为每一个参数规划一个数据类型和数据结构，然后严格规定好各个接口条件，即输入条件与输出结果。要注意的是，不同模块共用的参数只能取一个名称，以保证同一参数只有一种格式。,2.,资源分配,软件设计时应了解的系统资源包括,ROM,、,RAM,、定时器,/,计数器、中断源、,I/O,地址等。,ROM,资源用于存放程序和表格，而,I/O,地址、定时器,/,计数器、中断源在任务分析时已经分配好。因此，资源分配主要是,RAM,资源的分配。,RAM,资源分配好以后，应列出一张,RAM,资源的详细分配清单，作为编程的依据。,3.,实时控制软件设计,1)数据采集及数据处理。,数据采集程序主要包括多路信号的采样、输入变换和存储等。数据处理程序包括各种数字滤波、线性化处理和非线性补偿、标度变换和超限报警等，它们可作为公用程序模块被调用。模拟输入信号为mA(DC),或,mV(DC),和电阻等。可以直接作为,A/D,转换模板的输入,(,电流经,I/V,变换变为电压输入，或经放大器放大后再作为,A/D,转换模板的输入,),。开关触点状态通过数字量输入,(DI),模板输入。输入信号的点数可根据需要选取，每个信号的量程和工业单位用户必须规定清楚。,3.,实时控制软件设计（续）,2,）实时时钟与中断处理。,实时时钟是计算机控制系统中一切与时间有关的运行基础，时钟有两种，即绝对时钟和相对时钟。绝对时钟与当地时间同步，有年、月、日、分、秒等功能；相对时钟与当地时间无关，一般只需时、分、秒，在某些场合要精确到0.1,秒甚至毫秒。,3,）控制算法。,控制算法程序是实现某种控制规律的计算，获得控制量。通常是根据偏差量来进行计算。常用的控制算法有：,PID,控制、串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、预测控制、模糊控制、解耦控制、最优控制等。设计时可以选择这些控制算法现有的软件模块，也可以自己编制，可根据不同的回路控制特点，选择一种或几种来实现。,3.,实时控制软件设计（续）,4),控制量输出。,控制量输出程序完成对控制量的处理，如上下限和变化率处理、控制量的变换及输出，并驱动执行机构和电气开关动作。控制量输出程序包括模拟量输出和开关量输出两种。其中模拟量输出由,D/A,转换板输出，一般为标准的,0,10,mA,、,4,20,mA,信号，驱动各种执行机构动作；开关量由,DO,板输出，驱动各种电气开关。,5),生产管理。,这部分程序主要用于生产的监控和管理，包括画面显示、运行趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等功能，虽与控制精度没有直接关系，但“所见即所得”的组态环境，形象、友好的显示操作画面很方便操作者的使用，也应引起足够的重视。,3.,实时控制软件设计（续）,6),数据通信。,数据通信已经越来越多地用于计算机控制系统。数据通信程序主要完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间的信息传递和交换。这个功能主要在集散控制、现场总线控制和工业以太网控制等系统中实现。因此，数据通信软件必然成为实时过程控制软件的一部分。,4.,软件实现,(1),软件模块规划。根据系统整体功能要求，将系统软件划分成多个功能相对独立的模块（如中央处理模块、信号测量模块、控制模块、人机接口模块、通信模块等），分别确定各自的功能框架结构，根据硬件连接情况，确定各扩展器件的地址空间，合理分配系统的内存资源，约定模块之间的软件接口。,(2),流程图设计。根据前面的功能划分情况，分别设计各个模块的具体软件流程框图。,(3),软件的输入、编辑和调试。根据前面的各个模块的流程框图，分别设计各个模块的软件代码，输入、编辑并仿真测试各个模块代码的功能，若有问题则及时调整，直到各个软件模块都能测试通过。,5,软件设计时需注意的问题,(1),尽可能选用标准化、成熟的软件代码，提高设计成功的可能性。,(2),模块划分时，各模块要尽量独立，单个模块功能尽量单一。,(3),模块间的接口定义在整个系统内要尽量唯一，接口占用的资源（,RAM,单元）在整个系统内要尽量不被他单元使用，减少模块间相互干扰。,(4),软件模块内部所使用的公共寄存器（如,A,、,B,、,PSW,、,R0,、,R1,等）在使用前应该加以保护，使用后再进行恢复，以免影响其他模块使用。,(5),软件模块代码前部应该有该模块的功能描述、接口描述，甚至作者、修改时间等记录。代码中关键语句的功能也要有描述，所用变量的含义要有注释，以便其他人员阅读，也方便于作者修改代码时参考。,(6),软件设计时，要考虑软件抗干扰设计。它是提高程序可靠性的有力保障（比如，软件陷阱及看门狗技术，数据采集时的多次采样技术等）。,系统调试与现场运行,1,离线仿真与调试,系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试后，才能验证其正确性；软硬件的配合情况以及是否达到设计的要求，也只有经过调试才能发现问题并加以解决和完善。,计算机控制系统的调试可分为硬件调试、软件调试、系统联调和现场调试四个过程，其中现场调试属于在线调试与运行。,1,离线仿真与调试（续）,(1),硬件调试,硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性错误。系统的硬件调试可以按如下步骤进行：,静态调试。系统未工作时的测试，分为不加电状态的目测、万用表测试、加电后的电压测试、典型信号测试。,模块调试。编写专用模块功能测试子程序，再测试各个硬件模块的功能，若有问题，各个模块分别排除。各模块都测试通过后，再编写综合测试程序，测试所有模块的功能。,联机调试。加载系统软件，进行联机调试，测试整机功能是否正常。,抗干扰测试。在系统联机通过后，模拟系统的实际工作环境，分别施加各种干扰信号，测试系统的抗干扰能力。,1,离线仿真与调试（续）,(2),软件调试,软件调试可以按如下步骤进行。,分块调试。编写各个分块的程序后，进行调试，调试时可以使用但不设置断点等技术，逐步观察仿真环境下各个寄存器及程序状态字、地址指针等是否符合程序运行逻辑，若有问题应及时调整。,组合调试。根据模块之间的关系，观察组合各个模块联合工作时的参数传递是否正常，寄存器状态是否正常，程序运行是否无误。,联机调试。将仿真调试无误后的程序加载到硬件电路板上，测试有关参数是否正常，联机调试时也可以分模块逐步加载，以便测试各个模块软件在系统的运行情况。各个模块都正常后再将整个系统加载测试。,抗干扰测试：模仿系统实际工作环境，进行抗干扰测试。,2,系统仿真,在硬件和软件分别联调后，应将整个系统的硬件与软件联合起来进行联调试验，就是通常所说的,“,系统仿真,”,(,也称为模拟调试,),。系统仿真有以下三种类型：全物理仿真,(,或称在模拟环境条件下的全实物仿真,),、半物理仿真,(,或称硬件闭路动态实验,),、数字仿真,(,或称计算机仿真,),。在可能的情况下，应尽量采取全物理仿真，试验条件越接近真实的现场环境，效果也越好。也就是用模型来代替实际生产过程,(,即被控对象,),进行实验研究，控制系统只能做到半物理仿真，被控对象可用实验模型来代替。在系统仿真基础上，进行长时间的拷机实验，并根据实际运行环境的要求，需要进行特殊运行条件的考验。,3,在线调试和运行,在前期工作完成后，便可以开始在线调试。在现场调试过程中，设计人员与技术人员要密切配合，制定出调试计划、实施方案、安全措施和分工合作细则等，降低因调试给生产带来的不良影响。现场的调试应遵循由局部到全部、从小到大、从手动到自动、从简单回路到复杂回路、先开环后闭环逐步过渡的原则，稳妥地实现计算机控制输出。,计算机控制系统的现场环境运行是对整个控制系统的全面检查和考核，需要注意一些容易忽视的问题，如现场仪表与执行机构的安装位置和现场校验，各种接线与导管的正确连接，系统的抗干扰措施，供电与接地、安全防护措施等。,