單片機與PLC的關系
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AVR的主要特性
高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。
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(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世,但依然沿襲對時鐘分頻的作法。
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；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)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(jié)構(gòu)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(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。
AVR單片機內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長壽命的EEProm可長期保存關鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)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(qū)動能力強（可省去功率驅(qū)動器件）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(nèi)具備多種獨立的時鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時器配合的具有多達10 位的預分頻器，可通過軟件設定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。AVR單片機獨有的“以定時器/計數(shù)器（單）雙向計數(shù)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(diào)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、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復雜應用，串口功能大大超過MCS-51/96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務時間短，故可實現(xiàn)高波特率通訊。
面向字節(jié)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、總線仲裁等功能，能實現(xiàn)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單片機有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD，多個復位源(自動上下電復位、外部復位、看門狗復位、BOD復位)，可設置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統(tǒng)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單片機技術體現(xiàn)了單片機集多種器件(包括FLASH程序存儲器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器等)和多種功能(增強可靠性的復位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器/計數(shù)器、具替換功能的I/O端口…… )于一身，充分體現(xiàn)了單片機技術的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng)SoC”過渡的發(fā)展方向。
PLC即可編程控制器，（Programmable logic Controller）,
是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：
“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”
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PLC的特點
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鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)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(xiàn)故障時可及時發(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(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)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(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，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的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
2.3易學易用，深受工程技術人員歡迎
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，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語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的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)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言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。
2.4系統(tǒng)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邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
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(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。
3. PLC的應用領域
目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。
3.1開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)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化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
3.2模擬量控制
在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)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，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。
3.3運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進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廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
3.4過程控制
過程控制是指對溫度、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(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)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處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
3.5數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)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?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
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。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。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(nèi)外狀況
世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）研制的。限于當時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(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。
20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術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功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(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)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，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、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。
我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(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、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。可以預期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。
5. PLC未來展望
21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進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)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed
Control
System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。
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