(共40张PPT)
第2单元 第1课
计算机控制系统的基本组成
（湘科版）六年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在使用计算机控制系统时，要遵守相关的法律法规，保护个人隐私和数据安全，不进行非法的数据采集和传播。
在实操通过编写程序用主控板来模拟电子显示屏的显示功能时，能根据办法完成实践并提出优化方案，提高系统的性能和效率。
在设计控制算法时，能够根据控制目标和系统特点，设计出如PID控制算法等，以实现精确控制。
明确计算机控制系统包括主机（由CPU和内存储器组成，是核心）和外围设备（如输入设备、输出设备、通信设备、外存设备等）。
02
新知导入
知道计算机控制系统的特点和基本组成。
学会设计简单的计算机控制系统。
认识控制系统安全的重要性与自主可控的意义。
单元学习目标
02
新知导入
在各种不同的控制形式中，计算机程序控制(简称“计算机控制”)具有通用性好、成本低、可编程和可升级等特点，还具有能够实现复杂控制的优势，应用十分广泛。从日常生活到工农业生产，从交通运输到商业服务，从家居安防到国防安全，方方面面都离不开计算机控制。
那么，什么是计算机控制系统 它们是如何构成的 如何设计简单的计算机控制系统 让我们一起来认识这位新朋友。
02
新知导入
02
新知导入
活动背景
随着微电子技术和计算机技术的发展，为满足精准、高效、可以处理复杂问题的要求，控制系统中的“控制器”逐渐由不同形态的计算机来担任。其中体积小、成本低的微型计算机芯片被嵌入各种设备中，广泛地应用于工业、农业、交通、通信等领域。那么，计算机控制系统是如何构成的？能承担哪些任务
02
新知导入
活动目标
了解计算机控制系统的组成。
认识计算机主控板。
体验计算机控制系统。
03
新知讲解
一、计算机控制系统
与传统控制方式相比，计算机控制系统具有以下优势。
计算机控制系统的优势
功能强
能升级
通用性好
成本低
03
新知讲解
正是因为计算机控制系统有着这些优势，它被广泛地应用于生活的方方面面，推动人类社会进入自动化时代。
优势 描述
功能强 能实现复杂、精确的控制。
能升级 通过更改控制程序，可以对控制系统进行升级改进。
通用性好 控制单元与不同的输入输出设备组合，可以满足不同控制需要。
成本低 通用控制芯片的大规模生产，降低了成本。
03
新知讲解
通过网络查找信息并结合自身使用经验，比较计算机控制的智能微波炉和机械式微波炉的优缺点。
开动脑筋
智能微波炉
机械式微波炉
优点:
缺点:
优点:
缺点:
精准控制、智能化
价格高、操作复杂
操作简单
功能单一
03
新知讲解
在不同的应用领域，计算机控制系统虽然在大小、形态和功能等方面有很大的差异，但其与计算机系统类似，也是由硬件和软件构成。
开动脑筋
03
新知讲解
硬件组成
从原理上看，计算机控制系统由输入设备、计算单元和输出设备三大部分组成。输入设备主要有各类传感器，计算单元可以看成是计算机的中央处理器，通过输出信号，控制马达、开关、灯和显示屏等设备。
计算机控制系统基本硬件组成
03
新知讲解
软件组成
软件由系统软件和控制程序组成。
系统软件：包括操作系统、设备驱动程序、编译器等，负责管理计算机硬件和提供基础服务。
例子：Windows、Linux、macOS等操作系统。
03
新知讲解
软件组成
软件由系统软件和控制程序组成。
控制程序：是控制系统中用于实现特定控制功能的程序，例如通过算法或逻辑实现对设备或过程的控制。
例子：温控系统中的PID控制程序，自动化生产线中的PLC控制程序。
03
新知讲解
二、控制系统的核心--主控板
在学习中，我们使用主控板来搭建控制系统。主控板是整个控制系统的大脑。它包含计算单元和基本输入、输出设备。可以根据需要，通过编写程序实现控制功能。主控板还可以通过连接不同的输入、输出设备，实现更复杂的控制功能。常用的主控板有多种，它们各有特点。
03
新知讲解
有的主控板集成了基本的传感器、中央处理器芯片、LED灯和蜂鸣器等设备，还可以通过扩展来连接更多的外围设备。主控板既可以用于教学实验，又可以用于小制作、小发明。
03
新知讲解
主控板以及各自的特点和区别
主控板 处理器 内存 存储 输入输出接口 特点
Arduino ATmega328P 2KB | 32KB Flash 数字和模拟引脚 简单易用，适合初学者，支持大量外设模块
Raspberry Pi ARM Cortex-A53 1GB - 8GB | MicroSD卡 GPIO, HDMI, USB, Ethernet 强大的计算能力，适合运行操作系统，应用广泛
BeagleBone ARM Cortex-A8 512MB | 4GB eMMC GPIO, I2C, UART 强大的I/O性能，适用于实时处理
03
新知讲解
三、体验主控板——点亮屏幕
在校园里、马路上，时常可以见到醒目的电子显示屏。通过编写程序用主控板来模拟电子显示屏的显示功能。
03
新知讲解
1.实验目的
通过模拟电子显示屏的显示功能，体验主控板基本功能。
2.实验设计
探究实践
主控板按键
按下A键，显示“创意无限”按下B键，显示“美好未来”
主控板显示屏
输入
输出
计算
控制原理图
03
新知讲解
3.实验准备
主控板、编程计算机。
4.实验过程
(1)将编程计算机和主控板连接起来。
(2)运行编程软件，添加主控板模块。
探究实践
03
新知讲解
(3)编写程序。
(4)运行程序，先后按下A、B键测试程序控制功能。
探究实践
03
新知讲解
提升练习
1.计算机控制系统由 、 、和 三大部分组成。
2.计算机控制系统有哪些优点
高精度：计算机控制系统能够提供高精度的控制，减少人为误差。
高效性：能够在实时性要求较高的情况下快速执行任务。
灵活性：通过修改程序代码，可以灵活调整控制策略和流程。
远程控制：通过网络，可以远程监控和调节控制系统。
可扩展性：系统可以根据需求增加硬件设备或功能模块，方便扩展。
输入设备
输出设备
中央处理器
03
新知讲解
提升练习
3.尝试修改程序,当按下A或B键时,分别显示文字“动手动脑”和“实践创新”。
03
新知讲解
开拓视野
显示屏定位
主控板中的显示屏是由水平方向分布的128个像素点和垂直方向分布的 64 个像素点共同组成的。我们可以用水平和垂直方向的位置来定位显示屏像素的位置。
04
课堂练习
一、选择题
1、以下哪个部分不属于计算机控制系统的基本组成？
A. 输入设备 B. 中央处理单元 C. 操作系统 D. 显示器
2、 控制系统中的“执行器”主要负责什么？
A. 采集数据 B. 控制信号的执行 C. 存储数据 D. 计算信号
3、在计算机控制系统中，操作系统的作用是：
A. 提供硬件接口 B. 运行控制算法
C. 提供任务调度和资源管理 D. 控制硬件设备
D
B
C
04
课堂练习
二、判断题
1、在计算机控制系统中，操作系统的主要作用是管理硬件资源。
2、计算机控制系统只依赖硬件部分，不需要软件支持。
3、计算机控制系统只需要硬件部分，不需要考虑软件部分。
4、在计算机控制系统中，控制算法通常由硬件实现。
5、计算机控制系统中的执行器是用于接收计算机指令并执行物理动作的装置。
6、计算机控制系统的输入设备通常包括传感器。
√
X
√
√
X
X
04
课堂练习
三、操作题
使用MATLAB/Simulink设计并仿真一个温度控制系统。
任务要求：设计传感器与执行器模型，模拟控制算法的执行，观察系统响应。
05
拓展延伸
计算机系统的硬件和软件构成
硬件构成：
中央处理单元（CPU）：执行计算任务和控制其他硬件设备。
内存（RAM）：临时存储数据和程序。
硬盘（存储）：长期存储数据、程序。
输入设备：如键盘、鼠标，用于输入数据。
输出设备：如显示器、打印机，用于输出信息。
外设：如网络接口卡、声卡、显卡等。
05
拓展延伸
计算机系统的硬件和软件构成
软件构成：
操作系统：管理硬件资源和提供用户与硬件交互的接口。
应用程序：提供特定功能的软件，如文字处理、电子表格等。
驱动程序：操作系统和硬件之间的中介，帮助硬件设备与操作系统通信。
05
拓展延伸
硬件接口与通讯协议
硬件接口和通讯协议是现代控制系统中不同设备之间传输数据和命令的基础。常见的协议包括：
CAN协议的应用：
在控制系统中，CAN协议通常用于传感器、执行器和控制单元之间的通信。通过使用CAN总线，设备可以实时交换数据，如车辆中的发动机控制单元（ECU）与车速传感器之间的通信。
控制系统通过CAN总线发送控制信号，接收传感器数据，实现协调控制。
05
拓展延伸
硬件接口与通讯协议
硬件接口和通讯协议是现代控制系统中不同设备之间传输数据和命令的基础。常见的协议包括：
Modbus协议的应用：
在工业自动化系统中，Modbus通常用于PLC与传感器、仪表设备之间的数据交换。通过Modbus RTU或Modbus TCP协议，控制系统可以获取实时数据并发送控制命令。
例如，Modbus协议可用于远程监控系统，PLC通过Modbus连接传感器，获取温度、湿度等数据并作出控制决策。
05
拓展延伸
实时操作系统（RTOS）
概念
实时操作系统（RTOS）是专门设计用于处理实时任务的操作系统。它确保在特定时间内能够完成任务处理，并具有高度的时间确定性和可靠性。与传统的操作系统（如Linux、Windows等）不同，RTOS必须能够在指定的时间内响应外部事件或执行任务，确保任务按时完成。
05
拓展延伸
实时操作系统（RTOS）
特点
确定性：RTOS能够保证任务在严格的时间限制内完成，确保系统响应及时。
多任务处理：RTOS支持多个任务的并发执行，通过任务调度算法（如优先级调度）来管理任务的执行。
最小延迟：RTOS的任务调度算法具有极低的上下文切换延迟，能够快速响应外部事件。
05
拓展延伸
实时操作系统（RTOS）
应用
汽车电子系统：汽车中涉及安全控制、导航、娱乐等多个实时系统，RTOS能够处理多个任务，确保每个任务按时完成。
机器人控制：机器人在实时控制运动、传感器输入和执行任务时，需要RTOS来保证精确的时间控制。
06
课堂总结
1
引入新知内容
计算机控制系统的基本组成
2
学习计算机控制系统
3
控制系统的核心--主控板
4
体验主控板——点亮屏幕
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
07
板书设计
计算机控制系统的基本组成
1、进行新知引入
2、学习计算机控制系统
3、控制系统的核心--主控板
4、体验主控板——点亮屏幕
5、进行知识拓展
课后作业。
1、简述计算机控制系统的基本组成部分。
2、研究RTOS在嵌入式控制系统中的应用。
08
课后作业
1、简述计算机控制系统的基本组成部分，并讨论每一部分的功能。
2、阅读相关文献并写一篇关于实时操作系统（RTOS）在嵌入式控制系统中的应用的论文。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine
