控制用計(jì)算機(jī)基本硬件配置

計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)必須有一個(gè)性能良好的硬件作為支持才能有效運(yùn)行。右圖給出了含有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述的計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)組成框圖。

圖中點(diǎn)畫線所示部分是計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)所必需的實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最小配置。中央處理器(CPU)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，隨機(jī)存儲器(RAM)可做數(shù)據(jù)處理的暫存單元及堆棧，也可存放用戶的應(yīng)用程序。只讀存儲器(ROM)、可編程存儲器(PROM)、電可擦除存儲器(EPROM)、閃存(FLASH)等可用于存放系統(tǒng)的監(jiān)控程序、某些固定子程序以及用戶程序。由CPU、RAM、ROM(或EPROM、PROM、FLASH)等組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制過程系統(tǒng)的核心。

定時(shí)器用作實(shí)時(shí)控制的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)被控對象需響應(yīng)緊急事件時(shí)，就向CPU發(fā)出中斷申請;要求進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，可以通過輸入中斷信號，使CPU轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

為使計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部設(shè)備之間能正確交換信息，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中還配置有不同的接口適配器。

為了進(jìn)行控制，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)通常需要與相距較遠(yuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器或其他計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換。為了規(guī)范信息的傳輸，在計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)內(nèi)部或計(jì)算機(jī)之間都采用了不同的總線。

控制用計(jì)算機(jī)在飛控系統(tǒng)中的運(yùn)用即是飛行控制用計(jì)算機(jī)，它是現(xiàn)代飛控系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是:

目前在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用的主機(jī)有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(微機(jī))、單片機(jī)和數(shù)字信號處理器DSP等。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī)。工控機(jī)是在個(gè)人計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上加以改造，使其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊的劃分更適合工業(yè)過程控制的要求。工控機(jī)除了具有一般微機(jī)的豐富軟件資源、開發(fā)方便的特點(diǎn)外，由于進(jìn)行了必要的改造，還具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、硬件配置有較好的可裝配可擴(kuò)展性、可維護(hù)性好的特點(diǎn)，更適合工業(yè)應(yīng)用。

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是在工業(yè)控制和智能化系統(tǒng)中應(yīng)用最多的模式。單片機(jī)是在一個(gè)集成電路中集成了數(shù)字計(jì)算機(jī)四個(gè)基本組成部分(CPU、EPROM、RAM和I/O接口)，具有價(jià)格廉、體積小、小而全、面向控制的特點(diǎn)，可滿足很多場合的應(yīng)用。

數(shù)字信號處理器是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器芯片，其內(nèi)部采用程序和數(shù)字分開的結(jié)構(gòu)[稱為哈佛結(jié)構(gòu)(Harvard)]，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。與通常微處理器相比，它可實(shí)現(xiàn)的采樣速度要高，算法的運(yùn)算速度要快，因此，主要用于頻帶寬的快速伺服控制系統(tǒng)中。

除此之外，能充當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)的還有可編程控制器、嵌入式系統(tǒng)等。

任何一臺可用的計(jì)算機(jī)都是由硬件和軟件構(gòu)成的，這是所有計(jì)算機(jī)的共性?？刂朴糜?jì)算機(jī)有如下特點(diǎn)。

對于生產(chǎn)過程來說，由于生產(chǎn)的連續(xù)性，計(jì)算機(jī)發(fā)生任何故障都將對生產(chǎn)過程發(fā)生嚴(yán)重的影響。由于微處理器和微型計(jì)算機(jī)的可靠性比較高，而且價(jià)格較低，可以在關(guān)鍵部位采用冗余措施提高可靠性。例如采用雙機(jī)備用，或用多個(gè)CPU，各CPU互為備用等冗余措施。采用分布式結(jié)構(gòu)也是提高可靠性的措施之一，因?yàn)樵诜稚⒖刂葡到y(tǒng)中，每個(gè)功能單元只負(fù)責(zé)一個(gè)局部工作，縮小了故障所產(chǎn)生的影響范圍。如果在正常工作的功能單元發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能自動將備用的功能單元投入運(yùn)行，并將失效的功能單元切除，則全系統(tǒng)的工作可靠性將會更高。

實(shí)時(shí)的意思就是"及時(shí)"，是計(jì)算機(jī)術(shù)語。實(shí)時(shí)控制要求在一定的時(shí)問內(nèi)，對被控對象及時(shí)進(jìn)行控制。超過一定的時(shí)間就失去了控制的時(shí)機(jī)，被控對象就會脫離計(jì)算機(jī)的控制而造成不可預(yù)期的后果。這里的"一定時(shí)間"將與被控對象的具體特性有關(guān)。例如對加熱爐的爐溫控制，如果延時(shí)一秒到數(shù)秒，仍可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的;而一個(gè)飛行器控制系統(tǒng)，若延時(shí)超過幾十毫秒，就可能失去對飛行器的控制時(shí)機(jī)，從而喪失對飛行器的控制能力，這是因?yàn)椴煌目刂茖ο蟮倪\(yùn)行規(guī)律各不相同。爐溫的變化過程很慢，而飛行器的變化過程很快。對這兩種過程的計(jì)算機(jī)控制都要求"及時(shí)"，但允許的延時(shí)是不同的。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，要求計(jì)算機(jī)除了配備優(yōu)先級中斷處理電路和相應(yīng)的中斷處理程序外，還應(yīng)有完善的時(shí)鐘管理程序和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各種"任務(wù)"按優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，使計(jì)算機(jī)能按照所發(fā)生事件的輕重緩急，占用CPU的處理時(shí)間。

控制用計(jì)算機(jī)首先必須對生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，各種信號的形態(tài)各不相同，有電流信號、電壓信號、脈沖信號、數(shù)字信號。電壓信號有毫伏信號，也有0~5 V直流電壓等，所以許多控制用計(jì)算機(jī)配備各種接口模板和信號調(diào)理模板。此外，還有模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換接口板等。其次，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)往往配有通信模板，使各臺工業(yè)控制機(jī)能在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一指揮下，協(xié)調(diào)工作。

控制用計(jì)算機(jī)往往安裝在離生產(chǎn)現(xiàn)場不遠(yuǎn)的地方，工作環(huán)境惡劣，溫度和濕度可能很高，還可能有粉塵、腐蝕性氣體、外界震動等不利因素。生產(chǎn)現(xiàn)場還可能有高電壓、大電流電氣設(shè)備的電磁干擾，高頻電器干擾和由于接地電位不相等而形成的共模干擾等。有的控制用微型機(jī)甚至被裝在插入式線路板上，直接裝在被控制的裝置或機(jī)器設(shè)備上，在這些惡劣條件下，要求計(jì)算機(jī)仍能正常工作。

控制用計(jì)算機(jī)，尤其是直接數(shù)字控制機(jī)，往往配置對被控的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的專用性很強(qiáng)的控制算法和控制策略，這些程序大部分寫入EPROM中，并周而復(fù)始地循環(huán)工作。

計(jì)算機(jī)分級控制系統(tǒng)中的企業(yè)管理級、工廠管理級和車間管理級計(jì)算機(jī)，就比較接近于辦公室自動化所用的計(jì)算機(jī)。所配置的軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩種類型。系統(tǒng)軟件是為專門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系列所設(shè)計(jì)的軟件，例如操作系統(tǒng)、編譯程序、各種外部設(shè)備(如顯示器、磁盤、打印機(jī)、光盤等)的驅(qū)動程序。應(yīng)用軟件是完成某種特定功能而專門研制的軟件，例如生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)計(jì)劃編制和調(diào)度、管理等軟件。