微型计算机控制技术（第3版）/高等院校信息技术规划教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

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l 于海生教授主编的《微型计算机控制技术（第3版）》是“十二五”*规划教材、国家精品课程和精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材、高等教育面向二十一世纪教学内容和课程体系改革计划立项教材，曾获全国普通高等学校优秀教材二等奖。
l 重印近40次，发行40余万册，已被两百余所高校选作教材，使用效果极好，是微型计算机控制课程的经典教材。
l 本书为第3版，主要是基于计算机控制技术的发展，利用工业界、科技界和教育界所取得的经验对第2版进行了修订。教材以主流机型ISA/PCI/PCI-E总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。
l 全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强，可作为高等院校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业本科生的教材，也可供有科技人员参考。
l 本书已建设MOOC课程资源，在清华大学出版社的数字教学平台www.izhixue.cn已经上线。

内容简介

本书是普通高等教育“十二五”*规划教材、*精品课程教材、*精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材。本书以主流机型ISA/PCI/PCI�睧总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。全书分9章，内容包括计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势，计算机控制系统的输入输出接口与过程通道，数字控制技术，常规及复杂控制技术，现代控制技术，应用程序设计与实现技术，HMI/SCADA技术与监控组态软件，分布式测控网络技术，计算机控制系统设计与实现。全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强。
本书可作为高等院校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业高年级本科生的教材，也可作为相关学科专业低年级研究生的教材，还可供有关科技人员参考。
本书配有电子教案，欢迎选用本书作教材的老师索取，索取邮箱: dingjunhang@163.com，也可以在清华大学出版社网站下载。

目录

第1章绪论1
1.1计算机控制系统概述1
1.1.1计算机控制系统2
1.1.2计算机控制系统的组成3
1.1.3常用的计算机控制系统主机3
1.2计算机控制系统的典型形式5
1.2.1操作指导控制系统5
1.2.2直接数字控制系统6
1.2.3监督控制系统6
1.2.4集散控制系统7
1.2.5现场总线控制系统8
1.2.6综合自动化系统8
1.3工业控制机的组成结构及特点9
1.3.1工业控制机的组成9
1.3.2工业控制机的总线结构11
1.3.3工业控制机的特点20
1.4计算机控制系统的发展概况和趋势21
1.4.1计算机控制系统的发展概况21
1.4.2计算机控制系统的发展趋势24
习题25
第2章输入输出接口与过程通道26
2.1总线接口扩展技术26
2.1.1系统总线接口扩展技术26
2.1.2外部总线接口扩展技术32
2.2输入输出接口与过程通道设计原理35
2.2.1数字量输入接口与过程通道35
2.2.2数字量输出接口与过程通道38
2.2.3模拟量输入接口与过程通道40
2.2.4模拟量输出接口与过程通道52
2.3基于系统总线的计算机控制系统硬件设计58
2.3.1基于系统总线的硬件设计方案58
2.3.2系统总线板卡58
2.4基于外部总线的计算机控制系统硬件设计64
2.4.1基于外部总线的硬件设计方案65
2.4.2远程I/O模块65
2.4.3其他测控装置69
2.5硬件抗干扰技术74
2.5.1过程通道抗干扰技术75
2.5.2主机抗干扰技术81
2.5.3系统供电与接发技术84
习题89
第3章数字控制技术90
3.1数字控制基础90
3.1.1数控技术发展概况90
3.1.2数字控制原理91
3.1.3数字控制方式92
3.1.4数字控制系统93
3.1.5数控系统的分类94
3.2运动轨迹插补原理95
3.2.1逐点比较法的直线插补96
3.2.2逐点比较法圆弧插补100
3.2.3数字积分插补法104
3.3进给速度与加减速控制109
3.3.1进给速度控制109
3.3.2加减速控制110
3.4电机驱动控制与位置伺服系统114
3.4.1电机驱动控制方式114
3.4.2位置伺服系统121
3.5多轴运动控制技术125
3.5.1PC+运动控制器/运动控制卡硬件方案125
3.5.2软件系统设计126
3.5.3数控系统设计举例——基于PC的多轴运动控制129
习题132
第4章常规及复杂控制技术133
4.1控制系统的性能指标133
4.1.1稳态性能指标133
4.1.2动态性能指标134
4.1.3抗干扰性能134
4.1.4对控制作用的限制134
4.2数字控制器的连续化设计技术135
4.2.1数字控制器的连续化设计步骤135
4.2.2数字PID控制器的设计138
4.2.3数字PID控制器的改进141
4.2.4数字PID控制器的参数整定146
4.3数字控制器的离散化设计技术151
4.3.1数字控制器的离散化设计步骤151
4.3.2根轨迹法152
4.3.3*少拍控制器的设计153
4.3.4*少拍有纹波控制器的设计157
4.3.5*少拍无纹波控制器的设计161
4.4纯滞后控制技术164
4.4.1施密斯预估控制164
4.4.2达林算法167
4.5串级控制技术171

精彩书摘

　　第3章chapter3
　　数字控制技术1.1微型计算机简介数字控制（numerical control，NC）是近代发展起来的一种自动控制技术，利用数字化信号对机床运动及其加工过程进行自动控制，如铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等自动控制系统中。装有数字程序控制系统的机床称为数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高，便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的重要发展方向。数控技术和数控机床是实现柔性制造（flexible manufacturing，FM）和计算机集成制造（computer integrated manufacturing，CIM）的*重要的基础技术之一。
　　本章主要介绍数字控制基础、插补原理、数字控制系统输出装置的步进与伺服驱动控制技术。
　　3.1数字控制基础
　　所谓数字控制，就是生产机械(如各种加工机床)根据数字计算机输出的数字信号，按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式。
　　3.1.1数控技术发展概况
　　世界上*台数控机床是1952年美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室开发出来的，当时的主要动机是为了满足高精度和高效率加工复杂零件的需要。众所周知，三维轮廓零件的加工，即使二维轮廓零件的加工也是很困难的，而数控机床则很容易地实现二维和三维轮廓零件的加工。早期的数控(numerical control,NC)是以数字电路技术为基础来实现的，随着小型和微型计算机的发展，20世纪70年代初期在数控系统中用计算机代替控制装置，从而诞生了计算机数控 (computer numerical control，CNC)。表3��1给出了数控技术的发展概况。
　　数控系统一般由数控装置、驱动装置、可编程控制器和检测装置等构成。◆微型计算机控制技术(第3版)第◆3章数字控制技术表3��1数控技术的现状与发展趋势
　　特征阶段年代典 型 应 用工艺方法数 控 功 能驱动特点研究开发1952—1969年数控车床、钻床、铣床简单工艺NC控制3轴以下步进、液压电机推广应用1970—1985年加工中心、电加工、锻压多种工艺方法CNC控制、刀具自动交换、五轴联动、较好的人机界面直流伺服电机系统化1982年柔性制造单元(FMU)、柔性制造系统(FMS)复合设计加工友好的人机界面交流伺服电机高性能集
　　成化1990年至今计算机集成制造系统(CIMS)、无人化工厂复合设计加工多过程、多任务调度、模板化和复合化、智能化直线驱动数控装置能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。调节控制是数控装置发出运动的指令信号，驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将坐标的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从而实现偏差控制。数控装置包括输入装置、输出装置、控制器和插补器等四大部分组成，这些功能都由计算机来完成。
　　3.1.2数字控制原理
　　首先分析图3��1所示的平面图形，如何用计算机在绘图仪或数控加工机床上重现，以此来简要说明数字控制的基本原理。
　　图3��1曲线分段
　　（1） 将图3��1所示的曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，图中分割成了三段，即ab、bc和cd，然后把a、b、c、d四点坐标记下来并送给计算机。图形分割的原则应保证线段所连的曲线(或折线)与原图形的误差在允许范围之内。由图可见，显然采用ab、bc和cd比ab、bc和cd要精确得多。
　　（2） 当给定a、b、c、d各点坐标x和y值之后，如何确定各坐标值之间的中间值?求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。从理论上讲，插补的形式可用任意函数形式，但为了简化插补运算过程和加快插补速度，常用的是直线插补和二次曲线插补两种形式。所谓直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，也就是由此定出中间点连接起来的折线近似于一条直线，并不是真正的直线。所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近，也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧。常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。对图3��1所示的曲线来说，显然ab和bc段用直线插补，cd段用圆弧插补是合理的。
　　（3） 把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，从而绘出图形或图3��2用折线逼近直线段
　　加工出所要求的轮廓来。这里的每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在x或y方向移动一个位置。我们把对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用Δx和Δy来表示，并且总是取Δx＝Δy。
　　图3��2是一段用折线逼近直线的直线插补线段，其中(x0,y0)代表该线段的起点坐标值，(xe,ye)代表终点坐标值，则x方向和y方向应移动的总步数Nx和Ny分别为Nx=(xe－x0)/Δx，Ny=(ye－y0)/Δy如果把Δx和Δy定义为坐标增量值，即x0、0、xe、ye均是以脉冲当量定义的坐标值，则Nx=xe－x0，Ny=ye－y0所以，插补运算就是如何分配x和y方向上的脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能地逼近理想轨迹。实际的中间点连接线是一条由Δx和Δy的增量值组成的折线，只是由于实际的Δx和Δy的值很小，眼睛分辨不出来，看起来似乎和直线一样而已。显然，Δx和Δy的增量值越小，就越逼近理想的直线段，图中均以→代表Δx或Δy的长度和方向。
　　实现直线插补和二次曲线插补的方法有很多，常见的有逐点比较法(又称富士通法或醉步法)、数字积分法(又称数字微分分析器�睤DA法)、数字脉冲乘法器(又称MIT法，由麻省理工学院首先使用)等，其中又以逐点比较法使用*广。
　　3.1.3数字控制方式
　　数控系统按控制方式来分类，可以分为点位控制、直线切削控制和轮廓切削控制，这三种控制方式都是运动的轨迹控制。
　　1. 点位控制
　　在一个点位控制系统中，只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位，至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向趋近都无须规定，并且在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。在机床加工业中，采用这类控制的主要是孔加工机床，如钻床、镗床、冲床等。
　　2. 直线控制
　　这种控制也主要是控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴做直线运动，且在运动过程中进行切削加工。需要这类控制的有铣床、车床、磨床、加工中心等。
　　3. 轮廓控制
　　这类控制的特点是能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令，以获得图纸坐标点之间的中间点。这类控制用于铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。
　　在上述三种控制方式中以点位控制*简单，因为它的运动轨迹没有特殊要求，运动时又不加工，所以它的控制电路只要具有记忆(记下刀具应走的移动量和已走过的移动量)和比较(将所记忆的两个移动量进行比较，当两个数值的差为0时，刀具立即停止)的功能即可，根本不需要插补计算。和点位控制相比，由于直线切削控制进行直线加工，其控制电路要复杂一些。轮廓切削控制要控制刀具准确地完成复杂的曲线运动，所以控制电路复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。
　　3.1.4数字控制系统
　　计算机数控系统主要分为开环数字控制和闭环数字控制两大类，由于它们的控制原理不同，因此其系统结构差异很大。
　　1. 开环数字控制
　　随着计算机技术的发展，开环数字控制得到了广泛的应用，例如各类数控机床、线切割机、低速小型数字绘图仪等，它们都是利用开环数字控制原理实现控制的机械加工设备或绘图设备。开环数字控制的结构如图3��3所示，这种控制结构没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收步进电机驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。
　　图3��3开环数字控制
　　开环数字控制结构简单，具有可靠性高、成本低、易于调整和维护等特点，国内经济型数控系统应用*为广泛。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。本章主要是讨论开环数字控制技术。
　　2. 闭环数字控制
　　图3��4(a)给出了一种闭环数字控制的结构图。这种结构的执行机构多采用直流电机(小惯量伺服电机和宽调速力矩电机)作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器(码盘)、光栅、感应同步器等，该控制方式主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。
　　图3��4闭环数字控制
　　将测量元件从工作台移动到伺服电机的轴端，这就构成了半闭环控制系统，如图3��4(b)所示。这样构成的系统，工作台不在控制环内，克服了由于工作台的某些机械环节的特性引起的参数变动，容易获得稳定的控制特性，广泛应用于连续控制的数控机床上。
　　3.1.5数控系统的分类〖*2〗1. 传统数控系统传统数控系统，又称为硬件式数控，零件程序的输入、运算、插补及控制功能均由专用硬件来完成，这是一种专用的封闭体系结构，其功能简单、柔性通用性差、设计研发周期长。
　　2. 开放式数控系统
　　1） “PC嵌入NC”结构的开放式数控系统
　　这是一类基于传统数控系统的半开放式数控系统。这一类数控系统是在不改变原系统基本结构的基础上，在传统的非开放式的NC上插入一块专门开发的个人计算机模板，使得传统的NC带有计算机的特点。该系统借助了PC丰富的软硬件资源和多媒体部件，把PC和NC联系在一起，它既具有原数控系统工作可靠的特点，同时它的界面又比原来的数控系统开放，极大地提高了人机界面的功能，使数控系统的功能得以完美体现，而且使用更加方便。2） “NC嵌入PC”结构的开放式数控系统
　　这种数控系统以PC作为系统的核心，由PC和开放式的运动控制卡构成。所谓的开放式运动控制卡，就是一个可以单独使用的数控系统，具有很强的运动控制和PLC控制能力，它还具有开放的函数库可供用户进行自主开发，以构造自己所需要的数控系统。这类数控系统具有可靠性高、功能强、性能好，操作简单方便，开发周期短，成本低等优点，而且适合各种类型数控系统的开发，因而这种数控系统目前被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。
　　3） SOFT型开放式数控系统
　　这是一种*新开放体系的数控系统。它提供给用户*大的选择和灵活性。它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在Windows NT平台上，利用开放的CNC内核，开发所需要的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。SOFT型开放式数控系统具有较高的性能价格比，因而更具有生命力。
　　3. 网络化数控系统
　　网络化数控装备是近两年数控技术发展的一个新亮点。随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势，互联网进入制造工厂的车间也只是个时间的问题了。对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，一是要提高数控机床的拥有率，二是所拥有的数控机床必须具有联网通信功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间的通信。数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS��232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。目前数控的网络化主要采用以太网以及现场总线的方式，随着无线技术的发展，数控系统网络在不久的将来可能会无处不在。
　　3.2运动轨迹插补原理
　　在CNC数控机床上，各种曲线轮廓加工都是通过插补计算实现的，插补计算的任务就是对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限个坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，用折线逼近所要加工的曲线。进而获得理论轮廓。而确定刀具或绘图笔坐标的过程就称为插补。
　　插补方法可以分为两大类: 脉冲增量插补和数据采样插补。
　　脉冲增量插补是控制单个脉冲输出规律的插补方法，每输出一个脉冲，移动部件都要相应地移动一定距离，这个距离就是脉冲当量，因此，脉冲增量插补也称为行程标量插补,如逐点比较法、数字积分法。该插补方法通常用于步进电机控制系统。
　　数据采样插补，也称为数字增量插补，是在规定的时间内，计算出个坐标方向的增量值、刀具所在的坐标位置及其他一些需要的值。这些数据严格地限制在一个插补时间内计算完毕，送给伺服系统，再由伺服系统控制移动部件运动，移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行程，因此数据采样插补也称为时间标量插补。数据采样插补采用数值量控制机床运动，机床各坐标方向的运动速度与插补运算给出的数值量和插补时间有关。该插补方法是用于直流伺服电动机和交流伺服电动机的闭环或半闭环控制系统。
　　数控系统中完成插补工作的部分装置称为插补器。下面主要介绍脉冲增量插补中的逐点比较法插补原理。
　　3.2.1逐点比较法的直线插补
　　所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走……。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。
　　逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的*大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量(每走一步的距离即步长)取得足够小，就可达到加工精度的要求。
　　1. *象限内的直线插补
　　1) 偏差计算公式
　　根据逐点比较法插补原理，必须把每一插值点(动点)的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差，即“偏差”计算出来，根据偏差图3��5*象限直线的正、负决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。因此偏差计算是逐点比较法关键的一步。
　　在*象限想加工出直线段OA，取直线段的起点为坐标原点，直线段终点坐标(xe ,ye)是已知的，如图3��5所示。点m(xm,ym)为加工点(动点)，若点m在直线段OA上，则有xm/ym=xe/ye即xm/ym－xe/ye=0
　　现定义直线插补的偏差判别式为Fm=ymxe－xmye(3.2.1)若Fm=0，表明点m在OA直线段上；若Fm>0，表明点m在OA直线段的上方，即点m′处；若Fm<0，表明点m在OA直线段的下方，即点m″处。
　　由此可得*象限直线逐点比较法插补的原理是: 从直线的起点(即坐标原点)出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm<0时，沿＋y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标(xe,ye)相等时，发出终点到信号，停止插补。
　　按式(3.2.1)计算偏差，要做两次乘法，一次减法，比较麻烦，因此需要进一步简化。下面推导简化的偏差计算公式。
　　① 设加工点正处于m点，当Fm≥0时，表明m点在OA上或OA上方，应沿＋x方向进给一步至(m＋1)点，该点的坐标值为xm+1=xm+1
　　ym+1=ym该点的偏差为Fm+1=ym+1xe－xm+1ye=ymxe－(xm+1)ye=Fm－ye(3.2.2)② 设加工点正处于m点，当Fm＜0时，表明m点在OA下方，应向+y方向进给一步至(m+1)点，该点的坐标值为xm+1=xm+1
　　ym+1=ym该点的偏差为Fm+1=ym+1xe－xm+1ye=(ym+1)xe－xmye=Fm+xe(3.2.3)式(3.2.2)和式(3.2.3)是简化后偏差计算公式，在公式中只有一次加法或减法运算，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点偏差Fm和终点坐标相加或相减得到。特别要注意，加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0＝0。
　　2) 终点判断方法
　　逐点比较法的终点判断有多种方法，下面介绍两种方法:
　　① 设置Nx和Ny两个减法计数器，在加工开始前，在Nx和Ny计数器中分别存入终点坐标值xe和ye，在x坐标(或y坐标)进给一步时，就在Nx计数器(或Ny计数器)中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零时，到达终点。
　　② 用一个终点计数器，寄存x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy＝0，则就达到终点。
　　3) 插补计算过程
　　插补计算时，每走一步，都要进行以下四个步骤的插补计算过程，即偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断。
　　2. 4个象限的直线插补
　　不同象限直线插补的偏差符号及坐标进给方向如图3��6所示。
　　图3��6偏差符号与进给方向的关系
　　由图3��6可以推导得出，四个象限直线插补的偏差计算公式和坐标进给方向，详见表3��2。该表中四个象限的终点坐标值取绝对值代入计算式中的xe和ye。表3��2直线插补的进给方向及偏差计算公式
　　Fm≥0Fm<0进给方向偏差计算所在象限进给方向偏差计算+x二、三-xFm+1=Fm-ye+y三、四-yFm+1=Fm+xe3. 直线插补计算的程序实现
　　1) 数据的输入及存放
　　在计算机的内存中开辟六个单元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分别存放终点横坐标xe、终点纵坐标ye、总步数Nxy、加工点偏差Fm、直线所在象限值和步进方向标志。这里Nxy=Nx+Ny,XOY单元里的值(1、2、3、4)表示(*、第二、第三、第四)象限，XOY单元的值可由终点坐标(xe,ye)的正、负符号来确定，Fm的初值为F0＝0，ZF＝1,2,3,4分别代表+x、-x、+y、-y步进的方向。
　　……

前言/序言

　　工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。微型计算机控制技术是我国高等学校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业的主干专业课程。
　　本书是普通高等教育“十二五”*规划教材、*精品课程教材、*精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材。本版主要是基于计算机控制技术的发展，利用工业界、科技界和教育界所取得的经验对第2版进行了修订。第1版曾获全国普通高等学校优秀教材二等奖（2002年），高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划立项教材。教材以主流机型ISA/PCI/PCI E总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。教材第3版共分9章。第1章是绪论，介绍计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2章讨论计算机控制系统的输入输出接口与过程通道；第3章讨论数字控制技术，重点介绍逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术；第4章讨论常规及复杂控制技术，主要介绍数字控制器的各种控制算法；第5章讨论现代控制技术，主要介绍采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、*优化设计法；第6章讨论应用程序设计与实现技术；第7章讨论HMI/SCADA技术与监控组态软件；第8章讨论分布式测控网络技术；第9章讨论计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。书中配有习题可供选用，本书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强。
　　全书的编写工作由于海生教授主持，于海生和丁军航统稿；第1、第3至第6、第8、第9章内容由于海生编写，丁军航提供部分素材；第2章第1节内容由潘松峰、于金鹏编写；第2章第2至第5节内容由于海生编写；第3章第1、第2节内容由于海生编写；第3至第5节由于海生和吴贺荣编写；第7章内容由于海生、丁军航、吴贺荣编写。
　　本书得到了清华大学出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。由于编著者水平有限，书中难免有许多欠妥之处，诚请读者批评指正。
　　于海生2017年1月

《微型计算机控制技术（第3版）/高等院校信息技术规划教材》图书简介 本书是面向高等院校信息技术专业规划的系列教材之一，旨在系统性地阐述微型计算机控制技术的核心概念、原理、设计方法与应用实践。本书第三版在前两版的基础上，紧密结合当前微控制器技术的发展趋势和工业自动化、嵌入式系统等领域的最新需求，进行了全面更新与修订，力求为读者提供一套既有深度又不失广度的专业学习指南。 第一章 微型计算机控制系统的基础 本章将引导读者进入微型计算机控制技术的世界，首先阐述微型计算机控制系统的基本概念、构成要素及其在现代工业与科技中的重要地位。我们将详细解析微型计算机控制系统的典型结构，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、时序控制电路等核心组件的功能与相互关系。同时，本章还会介绍几种常见的微型计算机控制系统架构，如单片机系统、嵌入式系统等，并分析它们各自的特点和适用场景。此外，我们将深入探讨微型计算机控制系统的工作原理，包括指令的取指、译码、执行过程，以及中断机制的工作流程，这为后续章节的学习奠定坚实的基础。读者将初步了解如何从宏观上把握微型计算机控制系统的整体运作模式。 第二章 微控制器（MCU）的体系结构与指令系统 本章将聚焦于微型计算机控制系统的核心——微控制器（MCU）。我们将深入剖析典型的微控制器体系结构，包括其内部总线结构、寄存器组织、存储器映射以及各种外围接口模块（如定时器、计数器、ADC、DAC、PWM等）的设计与工作原理。在此基础上，本章将详细介绍微控制器的指令系统，包括指令的格式、寻址方式、各种指令的功能（如数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、跳转指令、位操作指令等）及其执行时间。我们将通过具体示例，演示如何利用这些指令编写简单的控制程序。此外，本章还将探讨不同类型微控制器的发展演变，如8位、16位、32位MCU的特点与差异，以及RISC与CISC指令集架构的区别，帮助读者建立对MCU多样性的认知。 第三章 微控制器外围接口与扩展技术 本章将重点讲解微控制器如何与其外部环境进行交互，以及如何通过扩展技术来增强其功能。我们将详细介绍常用的串行通信接口，如UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）、I2C（集成电路总线）的工作原理、通信协议以及在实际应用中的配置与编程。对于并行通信接口，如GPIO（通用输入输出）的配置与使用，也将进行深入阐述。此外，本章还将探讨如何连接和驱动各种传感器，如温度传感器、压力传感器、光敏传感器等，以及如何控制执行器，如电机、继电器、LED等。为了应对复杂控制需求，本章还会介绍微控制器与外部存储器（如EEPROM、Flash）的接口技术，以及如何通过中断、DMA（直接存储器访问）等技术实现高效的数据传输和任务处理。 第四章 微控制器开发环境与程序设计 本章将引导读者掌握微控制器程序的开发流程与实用技巧。我们将介绍主流的微控制器集成开发环境（IDE），包括其安装、配置与基本操作。读者将学习如何创建新项目、编写源代码、进行编译链接以及下载程序到目标微控制器。本章将重点讲解C语言在嵌入式系统开发中的应用，包括嵌入式C语言的特点、常用的数据类型、控制结构、函数以及指针的使用。我们将通过大量实例，演示如何根据硬件特性编写高效、可靠的控制程序，例如实现LED闪烁、按键检测、定时器中断、ADC数据采集等基本功能。此外，本章还将介绍嵌入式系统开发中的一些高级主题，如中断服务程序的编写、状态机的设计、驱动程序的开发以及简单的实时操作系统（RTOS）的基本概念。 第五章 嵌入式系统设计与开发 本章将从整体层面探讨嵌入式系统的设计与开发。我们将首先定义嵌入式系统的概念、特点及其广泛的应用领域，如消费电子、汽车电子、工业控制、医疗设备等。本章将详细介绍嵌入式系统的硬件设计流程，包括芯片选型、电路设计、PCB布局布线以及功耗管理。在软件设计方面，我们将重点阐述嵌入式软件的层次结构，包括底层驱动、中间件和应用层软件的开发。本章还将深入讲解嵌入式操作系统的作用及其基本原理，如任务调度、内存管理、进程间通信等，并介绍几种常见的嵌入式操作系统，如FreeRTOS、RT-Thread等。此外，我们还将讨论嵌入式系统的调试方法与工具，如仿真器、逻辑分析仪、示波器等，以及嵌入式系统中的可靠性与安全性设计。 第六章 微控制器通信协议与网络应用 本章将聚焦于微控制器在通信方面的应用，以及如何构建分布式控制系统。我们将深入解析各种常用的工业通信协议，如Modbus、CAN（控制器局域网）的总线拓扑、数据帧格式、通信机制与应用。此外，本章还将介绍一些新兴的物联网（IoT）通信协议，如MQTT、CoAP等，以及它们在资源受限的嵌入式设备上的应用。我们将讲解如何将微控制器连接到有线或无线网络，实现远程监控、数据采集与设备控制。本章还将探讨TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的实现与应用，以及基于Ethernet、Wi-Fi、Bluetooth等通信方式的嵌入式网络设计。通过本章学习，读者将能够为构建互联互通的智能系统打下坚实基础。 第七章 微控制器在传感器与执行器接口中的应用 本章将深入探讨微控制器在连接和控制各类传感器与执行器方面的具体应用。我们将详细讲解如何利用微控制器的ADC（模数转换器）接口采集模拟传感器信号，如温度、湿度、光照强度等，并进行数据预处理与校准。对于数字传感器，我们将讲解如何通过I2C、SPI等接口与其进行通信，获取测量数据。在执行器控制方面，本章将重点介绍如何利用微控制器的PWM（脉冲宽度调制）输出精确控制直流电机、步进电机、舵机等。此外，我们还将讲解如何通过GPIO接口控制继电器、固态继电器等，实现对大功率设备的开关控制。本章还将涉及一些特定的传感器与执行器接口技术，如编码器、CCD/CMOS图像传感器、LCD显示屏、触摸屏等，并提供相应的接口电路设计与驱动程序开发示例。 第八章 微控制器在数据采集与处理中的应用 本章将着重讲解微控制器在数据采集与处理方面的强大能力。我们将深入研究采样理论、量化误差以及数字信号处理（DSP）在微控制器中的应用。读者将学习如何利用微控制器的定时器和中断功能实现高精度、高频率的数据采样。本章还将介绍常用的滤波算法，如移动平均滤波、中值滤波、低通滤波等，以及如何在微控制器上高效实现这些算法，以去除采集信号中的噪声。对于更复杂的信号处理任务，如傅里叶变换（FFT），本章也将探讨其在微控制器上的实现方法。此外，我们还将介绍数据存储与管理技术，包括如何将采集到的数据存储到内部或外部存储器中，以及如何进行数据分析与可视化。 第九章 微控制器在电机控制中的应用 电机控制是微型计算机控制技术中的一个重要应用领域，本章将对此进行深入阐述。我们将从基础的电机模型入手，讲解直流电机、交流电机（感应电机、同步电机）、步进电机和伺服电机的基本工作原理。在此基础上，我们将重点讲解如何利用微控制器实现各种电机控制策略，例如直流电机的速度控制、方向控制；步进电机的步进角度控制；以及伺服电机的精确位置控制。本章将详细介绍PWM技术在电机驱动中的应用，包括如何生成不同占空比的PWM信号来控制电机转速。此外，我们还将探讨一些高级的电机控制算法，如PID（比例-积分-微分）控制算法，并讲解如何在微控制器上实现PID控制器，以实现精确的转速或位置控制。本章还将涉及相关的驱动电路设计，如H桥电路、三相逆变器等，以及电机保护措施。 第十章 微控制器在工业自动化与过程控制中的应用 本章将聚焦于微控制器在工业自动化和过程控制领域的典型应用。我们将介绍工业自动化系统的基本组成，包括传感器、执行器、PLC（可编程逻辑控制器）以及上位机监控系统。本章将详细讲解微控制器如何作为PLC的核心部件，实现对生产过程的逻辑控制和顺序控制。我们将通过实例，演示如何利用微控制器实现温度、压力、液位等过程变量的监测与调节。此外，本章还将介绍工业通信协议（如Modbus, Profibus, EtherNet/IP）在工业现场的应用，以及如何构建分布式控制系统，实现生产设备的互联互通和集中管理。读者将了解如何在工业环境下设计可靠、高效的控制系统，并熟悉常见的工业自动化应用场景，如生产线控制、机器人控制、物料搬运等。 第十一章 嵌入式系统安全与可靠性设计 随着嵌入式系统在关键领域的广泛应用，其安全性和可靠性变得至关重要。本章将深入探讨嵌入式系统的安全挑战与应对策略。我们将讲解常见的安全威胁，如软件漏洞、硬件攻击、数据泄露等，并介绍相应的防护措施，如访问控制、数据加密、安全启动等。在可靠性方面，我们将讨论如何提高嵌入式系统的稳定性和容错能力，包括冗余设计、故障检测与恢复机制、以及软件调试与测试技术。本章还将涉及嵌入式系统的生命周期管理，包括硬件选型、软件开发、系统集成、测试验证以及维护升级等各个环节中的安全与可靠性考量。通过本章的学习，读者将能够设计出更安全、更可靠的嵌入式控制系统。 第十二章 新型微控制器技术与发展趋势 本章将展望微控制器技术未来的发展方向，为读者提供前瞻性的视野。我们将介绍当前在业界备受关注的新型微控制器技术，如低功耗微控制器、高性能嵌入式处理器、以及集成AI加速功能的微控制器。此外，本章还将探讨微控制器与人工智能（AI）、机器学习（ML）的结合，以及如何利用这些技术实现更智能化的控制与决策。我们将介绍边缘计算的概念，以及微控制器在边缘设备上的应用前景。同时，本章还将关注物联网（IoT）生态系统的发展，以及微控制器在构建大规模、互联互通的智能设备网络中的作用。通过本章的学习，读者将能够把握微控制器技术发展的脉搏，为未来的学习和职业发展做好准备。 本书的编写风格力求深入浅出，理论与实践相结合。每章都配有丰富的插图、图表和实例，便于读者理解和掌握。书中涉及的实验和项目示例，能够帮助读者将理论知识转化为实际操作能力。本书适合作为高等院校计算机科学与技术、电子信息工程、自动化等专业的教材，也可供相关领域的工程技术人员阅读参考。