單片機與PLC的關(guān)系
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AVR的主要特性
高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領(lǐng)市場(chǎng)、賴(lài)以生存的必要條件。
早期單片機主要由于工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩妥方案：即采用較高的分頻系數對時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(cháng)，執行速度慢。以后的 CMOS單片機雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(guān)(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機(RISC)問(wèn)世,但依然沿襲對時(shí)鐘分頻的作法。
AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(cháng)度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實(shí)現流水作業(yè)，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。
AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32個(gè)寄存器文件)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯)。提高了指令執行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現象，增強了功能；同時(shí)又減少了對外設管理的開(kāi)銷(xiāo)，相對簡(jiǎn)化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性?xún)r(jià)比的單片機。
AVR單片機內嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲器，擦寫(xiě)方便，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新。內嵌長(cháng)壽命的EEProm可長(cháng)期保存關(guān)鍵數據，避免斷電丟失。片內大容量的RAM不僅能滿(mǎn)足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統程序,并可像MCS-51單片機那樣擴展外部 RAM。
AVR單片機的I/O線(xiàn)全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動(dòng)能力強（可省去功率驅動(dòng)器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強大、可充分利用。
AVR單片機片內具備多種獨立的時(shí)鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時(shí)器配合的具有多達10 位的預分頻器，可通過(guò)軟件設定分頻系數提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。AVR單片機獨有的“以定時(shí)器/計數器（單）雙向計數形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法(即脈寬調制輸出PWM)”更是令人耳目一新。
增強性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動(dòng)調整定位（接收時(shí)）、屏蔽數據幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫(xiě)，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò )和實(shí)現多機通信系統的復雜應用，串口功能大大超過(guò)MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現高波特率通訊。
面向字節的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI與I2C接口兼容，具備ACK信號硬件發(fā)送與識別、地址識別、總線(xiàn)仲裁等功能，能實(shí)現主/從機的收/發(fā)全部4種組合的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。
AVR單片機有自動(dòng)上電復位電路、獨立的看門(mén)狗電路、低電壓檢測電路BOD，多個(gè)復位源(自動(dòng)上下電復位、外部復位、看門(mén)狗復位、BOD復位)，可設置的啟動(dòng)后延時(shí)運行程序，增強了嵌入式系統的可靠性。
AVR單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（5-2.7V），抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計工作量和硬件的使用量。
AVR單片機技術(shù)體現了單片機集多種器件(包括FLASH程序存儲器、看門(mén)狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數轉換器、定時(shí)器/計數器等)和多種功能(增強可靠性的復位系統、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門(mén)類(lèi)全的中斷系統、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器/計數器、具替換功能的I/O端口…… )于一身，充分體現了單片機技術(shù)的從“片自為戰”向“片上系統SoC”過(guò)渡的發(fā)展方向。
PLC即可編程控制器，（Programmable logic Controller）,
是指以計算機技術(shù)為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì )（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：
“PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來(lái)在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過(guò)數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個(gè)整體，易于擴展其功能的原則而設計。”
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PLC的特點(diǎn)
2.1可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(cháng)。從PLC的機外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線(xiàn)及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個(gè)系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。
2.2配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
2.3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語(yǔ)言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。
2.4系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設備外部的接線(xiàn)，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。
2.5體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實(shí)現機電一體化的理想控制設備。
3. PLC的應用領(lǐng)域
目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類(lèi)。
3.1開(kāi)關(guān)量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領(lǐng)域，它取代傳統的繼電器電路，實(shí)現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。如注塑機、印刷機、訂書(shū)機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。
3.2模擬量控制
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。
3.3運動(dòng)控制
PLC可以用于圓周運動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)的控制。從控制機構配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專(zhuān)用的運動(dòng)控制模塊。如可驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都有運動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場(chǎng)合。
3.4過(guò)程控制
過(guò)程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專(zhuān)用的PID子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應用。
3.5數據處理
現代PLC具有數學(xué)運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無(wú)人控制的柔性制造系統；也可用于過(guò)程控制系統，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。
3.6通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著(zhù)計算機控制的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )發(fā)展得很快，各PLC廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò )系統。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
4. PLC的國內外狀況
世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。限于當時(shí)的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規控制概念相結合的產(chǎn)物。
20世紀70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性?xún)r(jià)比奠定了它在現代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著(zhù)可編程控制器已步入成熟階段。
20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應用都得到了長(cháng)足的發(fā)展。
我國可編程控制器的引進(jìn)、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著(zhù)改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠(chǎng)生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠(chǎng)生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無(wú)錫華光公司、上海鄉島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著(zhù)名的PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家?？梢灶A期，隨著(zhù)我國現代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。
5. PLC未來(lái)展望
21世紀，PLC會(huì )有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會(huì )更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會(huì )有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產(chǎn)品規模上看，會(huì )進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì )更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會(huì )更好地適應各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì )隨著(zhù)國際競爭的加劇而打破，會(huì )出現少數幾個(gè)品牌壟斷國際市場(chǎng)的局面，會(huì )出現國際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展情況來(lái)看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構成大型的控制系統是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed
Control
System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )和國際通用網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
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