及把数据发布到网上。采用这种方式建立系统的主要问题是该系统常常难以构建，排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰，这是因为这些设备并不是为了能协同工作而设计的。

构建更好的控制器

由于没有适合的PC或PLC解决方案，那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。

实现软件的功能不仅需要有高级的软件，而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范围内对PC部件的需求在下降，所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件，而且该PC控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。

这种新的控制器是为解决“20%”的应用问题而设计的，它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器，即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特性是通过定义软件的能力来实现其功能的。

“多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改进；而且软件还能提供逻辑、运动、处理和PID的功能。例如，运动控制作为软件控制循环，它能从正交编码器上读取数字输入，执行模拟控制循环并输出控制设备的模拟信号。

“单一的多规程开发平台 使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。”由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的，他们需要更为高级的软件。为了能高效地设计系统，软件必须是单一的集成化软件包，而不是多种分离的软件工具，这些软件工具在工程上不能无缝地协同工作。

“通过结合IEC61131-3，用户向导和数据管理，软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工具，利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。

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“开放的模块化构架 能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性，所以硬件必须是模块化的以便工程师们可以选择合适的部件。而且，软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系统。

“采用已有的网络接口标准，语言等，如TCP/IP，OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口，但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起，通信软件是至关重要的。

两种不同的软件解决方案

一方面软件是PAC和PLC主要的区别，而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点，不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来，有两种提供PAC软件的方式：基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件。

基于PLC概念的软件方案 传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架构软件为起点，并逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立：输入扫描，控制代码运行，输入更新，以及常规功能执行。由于输入循环，输出循环和常规循环都是隐藏的，所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作，这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深入了解PLC的底层操作。然而，作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件，这些新功能包括以太网通信，运动控制和高级算法。然而，通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及其在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型应用而设计的，如逻辑，运动和PID，但是对于定制的应用则缺乏灵活性，如通信、数据记录或定制的控制算法。

基于PC概念的软件方案 传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点，能提供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架构。尽管工程师能为PLC编程人员建立起扫描式构架，但是它并不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件极为灵活，非常适合那些需要高级的架构、编程技巧或者系统级控制的复杂应用，但却使本应简单的应用复杂化。

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这些厂商首先要能提供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统（RTOS）如来自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面，从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序，厂商增加了抽象层和I/O读写架构。因而这种灵活软件非常适合于定制控制，数据记录和通信，但舍弃PLC编程架构的代价是使程序的开发难度增加。

UNIT 4

A 单片机基础

单片机是本世纪两大引起争论的重大发明创新即数字计算机与集成电路发展的顶点。

单片机有这样两种结构类型。一些使用了哈佛结构的分离的程序/数据存储器，如图3-4A-1。另一些被通用计算机和微处理器广泛采用的是普林斯顿结构，遵循在程序存储器与数据存储器之间没有逻辑区别的原理，如图3-4A-2。

概括地讲，单片机的特征是将计算机的所有部件都合并到一个单一的装置上，如图3-4A-3。

程序存储器 CPU 输入& 输出单元 存储器 CPU 输入 & 输出单元 数据存储器

图3-4A-1 哈佛类 图3-4A-2 传统的普林斯顿计算机 外部定时器件 系统时钟 定时器/ 计数器 串联 I/O 复位 中断 ROM 并联I/O RAM CPU

图 3-4A-3 微计算机的主要特征 电源 23

只读存储器（ROM） ROM通常用于永久的、不易变的应用程序的存储。许多微计算机和微控制器要有大量应用场合，因此这些设备的生产要求在制造过程中，程序存储器中的内容要保证长久不变。显然，由于在生产后不能产生变化，因此这意味着要有一个ROM代码开发的严格的方法。这一开发过程不仅包括利用其硬件仿真能力的复杂开发系统的仿真，还包括强大的软件工具的应用。

一些生产商提供了包括带用户可编程存储器范围内设备的附加ROM可选项。其中最简单的设备是在微处理器模式下运算，把一些输入/输出线用作地址和数据总线来访问外部存储器。虽然带有限定I/O和改进的外部电路，但这种类型的设备能够像单片机派生的功能那样工作。这些无ROM设备的应用在生产电路中通常是偶数，其容量不能调整、定制的单片ROM的开发成本；但与传统的基于电路的微处理器相比，在I/O和其他芯片上仍有很大的节省。ROM设备的更精确的替代可通过不同形式的带有背页式EPROM（可擦写编程ROM）插座或由EPROM取代ROM的设备而获得。这些设备本质上比相等的ROM设备要昂贵，但确实提供了完全等效的电路。带EPROM的设备时少量的应用场合具很大诱惑，它们可提供单片设备的优点，单片I/O，等等，以及灵活的用户编程的方便性。

读/写存储器（RAM） RAM是用于程序执行过程中对对工作变量和数据的存储。存储器的大小随设备的类型而变，但它与处理器有相同的特征宽度（4，8，16位等）。特殊功能寄存器，例如栈指针或定时寄存器通常合并到RAM区。在哈佛类型的微计算机中，RAM和寄存器常常没有实际分离，因此在一个微处理器系统情况下，没有必要把RAM和处理器寄存器区分开。

中央处理单元（CPU） CPU更象任何一种微处理器。微计算机和微控制器的许多应用包括BCD码的处理（例如，数据显示），因此，普遍发现CPU能很好地处理这一类型的数据。由于许多控制器的应用包括开或关单个输出线或读取单个线，因此对测试、设定和复位存储器或I/O的独立的位，它们通常也是很好的设备。这些线很容易与双套设备来接口，例如：开关，恒温器，固态继电器，阀，电动机，等等。

并行输入/输出 ？？？

串行输入/输出 具有终端设备的串行通信通用的方法是用少量的线进行连接。这种通信业可开发用于连接特殊功能的芯片或将几个微计算机连在一起。公用异步和同步通信系统要求协议能提供成帧（开始和停止）信息。这可由硬件设施或U(S)ART

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