计算机控制技术PPT课件-第一章 绪论.ppt

计算机控制技术 主讲教师：陈 进 1 有关本课程学习的几点建议 本课程属于专业课,多媒体上课,信息量大,速度块;课件内容 比较多,上课重点讲解一些内容;有些内容作为扩展知识面,课堂 不进行讲解,考试不做要求（自学）; 本门的课程的难点在于: (1)和前续课程的联系,温故而知新；记笔记有条件打印; (2)前沿性的东西很多,新技术,新设备不断推陈出新,培养自己 自学能力 要求:学生把本课件通读一遍,了解本们课程的一个总体轮廓; 2 参考书籍： 1.潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术 2003 2.胡文金计算机测控应用技术重庆大学 2003 3.林敏 计算机控制技术及工程应用国防工业出版 社 2005 4.（国外教材）计算机控制系统：原理与设计(第3 版) 瑞典 astrom,wittenmark著 周兆英翻译 2001 3 本门学科发展很快,技术不断更新;不断跟踪电子技不断跟踪电子技 术的最新发展术的最新发展 网络、杂志、广告网络、杂志、广告; ;中国期刊网中国期刊网 杂志：杂志：测控技术测控技术工业控制计算机工业控制计算机 单片机与嵌入式系统应用单片机与嵌入式系统应用 4 第1章 概论 第2章(1) 计算机控制的数据采集技术(前向通道) 第2章(2) 计算机控制的后向通道及功率接口技术 第3章 数字程序控制技术 第4章 常规及复杂控制技术 第5章 应用程序设计和实现技术(1) 数据处理技术 第5章 应用程序设计和实现技术(2) 监控组态软件 第5章 应用程序设计和实现技术(3) 抗干扰技术 第6章 测控网络技术(1) 控制网络技术 第6章 测控网络技术(2) dcs与fcs 第7章 控制系统设计与工程实现 理论教学: (40学时) 实验教学4*2 (8 学时) 40+8=48 成绩评定： 平时占20% (作业+实验+考勤+课堂笔记） 期末考试占80%（闭卷 笔试）lgood luck !！ 5 第一章: 绪论 本章重点掌握一些基本概念： 1.计算机控制系统,几部分组成； 2.总线、外部总线、内部总线； 3.集散型控制系统； 4.现场总线控制系统； 5.实时控制、在线方式、离线方式； 6.isa、pci、usb、ieee1394、agp总线； 6 1.1 计算机控制系统概述 1.1.1 计算机控制系统及其组成 1.1.2 计算机控制系统的典型形式 1.2 计算机控制系统的发展概况及趋势 1.2.1 计算机控制系统的发展概况 1.2.2 计算机控制系统的发展趋势 1.3 工业控制机ipc 1.3.1 ipc结构组成 1.3.2 ipc总线结构 1.3.3 ipc功能特 1.3.4 ipc产品简介 1.4 ipc总线结构 1.std总线 2.pc总线 3.isa/pci/usb/1394/agp 7 计算机技术(单片机、ipc、plc) 自动控制技术 传感器技术 crt显示技术 通信与网络技术 微电子技术 计算机控制系统及其组成 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统的发展概况及趋势 8 计算机控制技术及工程应用-是把计算机技术与自动化控制 系统融为一体的一门综合性学问,是以计算机为核心部件的过程控制 系统和运动控制系统.从计算机应用的角度出发,自动化控制工程是其 重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看,计算机技术又是一 个主要的实现手段.本课程立足于工业自动化的领域,讨论这种不同于 普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用. 下图为一个制药车间的自动化生产流程. 9 1.1 计算机控制系统概述 (复习)自动控制：在没有人直接参与的情况下,通过控制器 使生产过程自动地按照预定的规律运行. 1.1.1计算机控制系统及其组成 1计算机控制系统的定义利用计算机来实现生产 过程自动控制的系统. 10 输出通道 d/a 输入通道 a/d 对象 被控变量 y 输 入 通 道 计算机 给定 1）计算机控制系统的工作原理 11 1.实时数据采集： 2.实时控制决策： 3.实时控制输出： 工作原理： 对来自测量变送装置的被控变量的瞬时值 进行检测和输入； 对采集到的被控变量进行分析和处理,并按 已定的控制规律,决定将要采取的控制行为 ； 根据控制决策,适时地对执行机构发出控制 信号,完成控制任务； 12 2）在线方式和离线方式 在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接,并受 计算机控制的方式. 离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连,且不受计算 机控制,而是靠人进行联系并作相应操作的方式.（调试） 3）实时的含义（ realtime control）： 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围 内完成. 实时控制系统必定是在线系统 13 2.计算机控制系统的组成 14 主机 中央处理器（cpu） 内存储器(ram和rom) 接口电路: 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁 过程输入/输出通道 模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入通道 开关量输出通道 外部设备 操作台 输入设备 输出设备 外存储器 （crt）显示器或(led)数码显示器 键盘（功能键和数字键） 硬件部分(hardware) 15 软件 系统软件 应用软件 操作系统 语言加工系统 诊断系统 控制程序 数据采集及处理程序 巡回检测程序 数据管理程序 编辑程序 编译程序 连接、装配程序 调试程序 子程序库 软件部分(software) 数据可靠性检查程序 a/d转换及采样程序 数字滤波程序 线性化处理程序 数据采集程序 越限报警程序 事故预告程序 画面显示程序 16 1.1.2 计算机控制系统的典型形式 1操作指导控制系统(ogc-operating guide control) (了解) 这种形式的系统属于开环系统,计算机按照一定的时间间隔对生产现场 的参数进行采样、处理、显示、打印或报警, 操作人员根据这些结果进行设 定值的修改或必要的操作. 优点：结构简单,控制灵活和安全. 缺点：要由人工操作,速度受到限制,不能控制多个对象. 17 2.直接数字控制系统（ddcdirect digital control）(了解) 利用微型计算机对多个被控参数进行巡回检测,并与给定值比 较,然后按照预定的控制规律进行计算,最后发出控制信息完成对生 产过程的控制,使被控参数稳定在给定值上. 要求：实时性好、可靠性高和适应性强 一台计算机通常要控制几个或几十个回路 输入通道 (ai.di） 输出通道 (ao.do) 打印机 报 警 操作台 crt 计 算 机 生 产 过 程 18 3监督控制系统（supervisory computer control scc ）(了解) ddc 计算机 生 产 过 程 ssc计 算 机 记录 显示 打印 调节 测量 设定值 (b) 工艺数据 模 拟 调节器 生 产 过 程 ssc 计 算 机 记录 显示 打印 调节 测量 设定值 (a) 工艺数据 1960年在美国的一个合成氨厂采用rw-300计算机系统实现了计算 机监督控制.基本思想是微型计算机根据原始工艺信息和其它参数,按照 描述生产过程的数学模型,自动改变模拟调节器或ddc微型计算机的给定 值,从而使生产过程始终处于最优工况. scc+模拟调节器 scc+ddc 19 4集散型控制系统 （ dcsdistributed control system） 基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则,将测 控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级,构成一分级分 布式控制系统.（重要） 20 5现场总线控制系统（fcs-fieldbus control system） 操 作 站 模拟量输 出功能块 控制功能块 h1现场总线 差压变 送 器 模拟量输 入功能块 pidi10 . aoi10 ai110 h1 h1网 桥 h2现场总线 . 现场节点 服务器 lan（局域网） 其结构模式为“工作站现场总线智能仪表”二层结构,成本 低,可靠性高,可实现真正的开放式互连系统结构（重要） 21 1.可编程控制器 plc 可编程逻辑控制器是计算机技术与继电逻辑控制概念相结 合的产物,其低端为常规继电逻辑控制的替代装置,而高端为一 种高性能的工业控制计算机.它主要由cpu、存储器、输入组件 、输出组件、电源及编程器等组成. 西门子s7-200/300/400 1.1.3 控制装置种类 22 特点： 一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定; 采用可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制 、定时、计数和算术操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和 输出； 应用广泛-不仅在顺序程序控制领域中具有优势,而且在运动控 制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色； plc具有系统构成灵活,扩展容易,编程简单,调试容易,抗干扰能 力强； 23 2.可编程调节器 又称单回路调节器、智能调节器、数字调节器.它主要由微处理 单元（单片机）、过程io（输入/输出）单元、面板单元、通 信单元、硬手操单元和编程单元等组成.外观如图所示. 24 可编程调节器是一种仪表化了的微型控制计算机 易操作,易编程、方便灵活 设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计 软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言 具有断电保护、自诊断功能、通信等功能 可以组成多级计算机控制系统,实现各种高级控制 和管理 大型分散控制系统中最基层的控制单元 适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中 25 3.总线式工控机 总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的 一种专用于工业控制的通用性计算机,一般称为工业 控制计算机,简称为工业控制机或工控机.通常,计算 机的生产厂家是按照某个总线标准,设计制造出若干 符合总线标准、具有各种功能的各式模板,而控制系 统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求,选 用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系 统.总线式工控机的外形类似普通计算机,如图所示. 26 不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱,机 箱密封并加正压送风散热,机箱内的原普通计算机的大主板变成 通用的底板总线插座系统,将主板分解成几块pc插件,采用工业级 抗干扰电源和工业级芯片,并配以相应的工业应用软件. 总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计 特点,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能在恶劣的工业 环境中可靠地运行.因而,它广泛应用于各种控制场合,尤其是十几 到几十个回路的中等规模的控制系统中. 27 4.单片微型计算机 随着微电子技术与超大规模集成技术的发 展,计算机技术的另一个分支超小型化的单 片微型计算机(single chip microcomputer)简 称单片机诞生了.它是将cpu、存储器、串并行 i/o口、定时/计数器、甚至a/d转换器、脉宽调 制器、 图形控制器等功能部件全都集成(soc- system on chip)在一块大规模集成电路芯片上, 构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器 . 28 29 atmel 标准型：at89c51 at89c52 at89lv51 at89lv52 低档型：at89c1051 at89c2051(2kflash) (20pin) 高档型: at89s51 at89s52 isp功能 avr系列 philips p80cxx p87cxx p89cxx p87lpc7xx ti msp430 pic系列 30 单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言,但这 需要较深的计算机软硬件知识,而且汇编语言的通用性与可移 植性差.随着高效率结构化语言的发展,其软件开发环境正在 逐步改善.目前,市场上已推出面向单片机结构的高级语言,如 早期的archimedes c和franklin c,现在的keil c51、 dynamic c等语言. 由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉 、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点,特 别是强大的面向控制的能力,使它在工业控制、智能仪表、外 设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广 泛的应用. 单片机的应用从4位机开始,历经8位、16位、32位四种. 但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里,8位单片 机因其品种多、功能强、价格廉,目前仍然是单片机系列的主 流机种. 31 5.其他控制装置 dcs分散控制系统与fcs现场总线控制系统-最初 是以一种控制方案的形式出现的,但很快受到工控市 场的极大推崇,因而已经成为国内外自动化厂家争先 推出的两种典型的装置,产品不断推陈出新. 32 1.2 计算机控制系统的发展概况及趋势 （了解） 1946年世界上第一台电子计算机enica问世 1.2.1 计算机控制系统的发展概况 1计算机控制技术的发展过程 开创时期（19551962年） 直接数字控制时期（19621967年） 小型计算机时期（19671972年） 微型计算机时期（1972年至今） 33 软件的发展： 50年代至70年代软件发展缓慢 70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制 2计算机控制理论的发展过程 采样定理 差分方程 34 z变换法 状态空间理论 最优控制与随机控制 代数系统理论 系统辨识与自适应控制 35 1.2.2 计算机控制系统的发展趋势 1推广应用成熟的先进技术 普及应用可编程序控制器（plc） 广泛使用智能调节器 采用新型的dcs和fcs 2大力研究和发展智能控制系统 分级递阶智能控制系统 模糊控制系统 专家控制系统 学习控制系统 神经控制系统 36 1.3 工业控制计算机ipc （industrial personal computer） 1.ipc的结构组成、总线技术和模板结构化 2.ipc的功能特点与主要模板 37 38 在采用计算机的工业生产过程中,特别是对于具有 一定规模的工程项目而言,出于可靠性实时性好、功能 丰富配套完善与扩充控制系统灵活开发周期短的考虑, 人们更愿意选用专用于工业控制的现成的通用控制计算 机. 工业控制机ipc与可编程控制器plc是应用十分广泛 但结构显著不同的两种计算机控制系统.它们不仅在中 小型控制系统中担当主要控制装置,而且还可以作为大 型网络控制系统中最基层的一种控制单元. 39 随着计算机设计的日益科学化、合理化和标准化,计 算机总线概念与模板化结构已经形成且完善起来.ipc在 硬件上,由计算机生产厂家按照某种标准总线,设计制造出 符合工业标准的主机板及各种i/o模板,所以控制系统的设 计者只要选用相应的功能模板,像搭积木似的、灵活地构 成各种用途的计算机控制装置；而在软件上,利用熟知的 系统软件和工具软件,编制或组态出相应的应用软件,就可 以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理,并 进一步向综合自动化网络化方向发展. 1.3.1 ipc结构组成 40 l 硬件组成 为了提高ipc的通用性、灵活性和扩展性,ipc的 各部件均采用模板化结构,即在一块无源的并行底板总 线上,插接多个功能模板即组成了一台ipc的硬件装置. 其硬件组成框图如图1.1所示,除了构成计算机基本系统 的cpu、ram/rom主机、人机接口、系统支持、磁盘系统 、通信接口板外,还有ai、ao、di、do等数百种工业i/o 接口板可供选择.其选用的各个模板彼此通过内部总线 相连,而由cpu通过总线直接控制数据的传送和处理.下 面分别介绍各个组成部分. 41 图1.1 ipc的硬件组成框图 42 1内部总线和外部总线 内部总线是ipc内部各组成部分进行信息传送的公共 通道,是一组信号线的集合.常用的内部总线有pc总线、 std总线,以及vme总线和multibus等总线. 外部总线是ipc与其它计算机或智能设备进行信息传送 的公共通道.常用的外部总线有rs-232c、rs-485和ieee 488,usb通信总线等. 2主机板 主机板由中央处理器（cpu）、内存储器（ram、 rom）等部件组成,它是ipc的核心 43 3人-机接口 人机接口是人与计算机交流的一种外设.它由标准的pc 键盘、鼠标、显示器和打印机等组成. 4系统支持板 ipc的系统支持板主要包括如下部分： （1）程序运行监视系统,即看门狗定时器：当系统出现 异常时能使系统自动复位,恢复运行. （2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉 电后,立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态. （3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池 的sram、novram、eeprom,能在系统掉电后保证数据不 丢失. 44 （4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功 能和自动记录某个控制是在何时发生的. 5.磁盘系统 磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和 硬磁盘. 6.通信接口 通信接口是ipc和其它计算机或智能外设的接口, 常用的接口有rs-232c、rs-485和ieee-488等接口. 45 7输入输出模板 输入输出模板是ipc和生产过程之间信号传递和 变换的连接通道.它包括模拟量输入（ai或ad）模板 、模拟量输出（ao或da）模板,数字量输入（di）模 板、数字量输出（do）模板等种类. 由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种 类、个数、精度、干扰等等,因而其该类模板是系统 中性能差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为 丰富的一种.在第2、3章将要讨论的接口电路技术就 是此类模板的构成基础,也是选用这类模板性能指标 的理论依据. 46 l软件组成 ipc的硬件构成了工业控制机系统的设备基础,要 真正实现生产过程的计算机控制,必须为硬件提供或研制 相应的计算机软件,即把人的知识逻辑与控制思维加入计 算机中,才能实现控制任务.在工业控制系统中,软件可分 为系统软件、工具软件和应用软件三大部分,有时也将工 具软件归于系统软件. 47 1系统软件 系统软件用来管理ipc的资源,并以简便的形式向用户 提供服务,包括实时多任务操作系统rtos、引导程序、调 度执行程序等,其中操作系统是系统软件最基本的部分,如 ms-dos和windows (xp/2000/nt)等系统软件. 2.工具软件 工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软 件,包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、 调试程序、诊断程序等,借以提高软件生产效率,改善 软件产品质量.(keil,protel) 48 3应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时 编制的控制和管理程序,它往往涉及应用领域的专业知 识.它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程 序、人机接口程序、打印显示程序和控制程序等.当今 工业自动化的发展趋势是计算机控制技术的控制与管 理一体化,以便适应不断变化的市场需求.而工业控制 的应用软件就起着关键性的作用,因此它应具有通用性 、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点. 现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控 制软件,如数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软 件等,这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台 . 49 1.3.2 ipc功能特点（了解） ipc是一种专用于工业场合下的控制计算机.一方面 工业环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘 ,以及电磁干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一 方面工业生产过程因行业、原料、产品的不同,而使生产 过程、工艺要求也五花八门.这些都是工业自动化控制中 要解决的重要课题.由于ipc采用了总线技术和模板化结构 ,再加上采取了多重抗干扰措施,因而使ipc系统具有其它 计算机系统无法比拟的功能特点. 50 1.可靠性和可维修性好 可靠性和可维修性是生产过程中两个非常重要 的先决因素,它们决定着系统在控制上的可用程度. 可靠性（平均无故障时间 mtbf-mean time between failure）的简单含义是指设备在规定的 时间内运行不发生故障,可维修性是指工业控制机 发生故障时,维修快速、简单方便. 51 ipc把计算机系统的各种功能分解到每一块只具备 单一功能的模板上.而模板结构的小型化,使之机械强度 好,抗震动能力强；模板功能的单一,便于对系统故障的 诊断与维修,甚至可作到模板的带电插拔；模板的线路 设计布局合理,即由总线缓冲模块到功能模块、再到i/o 驱动输出模块,使信号流向基本为直线到达,降低了信号 间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施, 如密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统 支持板等等.所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了 系统的可靠性和可维护性. 52 2通用性和扩展性好 通用性和扩展性也是生产过程中两个重要的因素,它 们关系着系统在控制领域中的使用范围.通用性的简单含 义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控 制；扩展性是指当工艺变化或生产扩大时,ipc能灵活地扩 充或增加功能. ipc针对各种控制对象进行分析与综合后,设计出几 大类上百个不同功能的输入输出模板,足以满足各种需求. 比如某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品： 二阶有源低通滤波器板,4路/8路热电阻信号调理板,16路 差分输入i/v变换板,32路单端输入i/v变换板,64路带光隔 模拟量输入扩展板等等.53 所以通过对模板品种和数量的选择与组合,并插入 底板总线插槽,就十分方便地配置成不同生产过程所需 ipc.其灵活性、通用性和扩展性显而易见. 3软件丰富编程趋向组态 ipc已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的 工具软件以及各种控制软件包.工业控制软件正向结构 化、组态化方向发展. 4控制实时性强 ipc配有实时操作系统和中断系统,因而具有时间 驱动和事件驱动能力,能对生产过程的工况变化实时 地进行监视和控制. 54 5精度和速度适当 一般生产过程,对于精度和运算速度要求并不苛 刻.通常字长为832位,速度在每秒几万次至几百万 次.但随着自动化程度的提高,对于精度和运算速度的 要求也在不断提高,ipc相应地也配有不同层次的机型 . 总之,总线式ipc具有小型化、标准化、模板化、 组合设计的特点,能满足不同层次、不同控制对象的 需要,又能在恶劣的工业环境中可靠地运行.因而,它 广泛应用于各种控制场合,尤其是中等规模的控制系 统中. 55 目前国内外生产总线式ipc的专业厂家很多,著 名品牌比比皆是,如爱瑞、研华、研祥、凌华、中泰、 康泰克、康拓、威达、华控、浪潮等等.现以深圳研祥 工控集团研制的pc总线工业计算机产品为例作一说明. 1.3.4 ipc产品简介(了解) 56 研祥的pc总线工业计算机共有14种系列：工业计算 机机箱,工业一体化工作站,工业平板电脑/显示器,便携 式工业计算机,工业级cpu卡,工业级底板,工业计算机外 设,亚当（adam）系列远端数据采集与控制模块,基于 isa总线数据采集与控制卡,基于pc总线数据采集与控制 卡,端子板和附件,工业通信,应用软件等；每一种系列 又有几种至十几种规格型号.以下简单介绍公司的几种 产品. 57 1.工业计算机机箱 研祥的机箱按带不带底板和电源、安装形式是 桌面、壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题,又可分 为二十几种型号.图1-2为ipc-810/811型号的14槽上架 型计算机机箱. 图1-2 ipc-810/811机箱 58 其产品特性为：19上架型,符合eia rs-310c 标准,14槽isa/pci/picmg无源底板,提供三个3.5”和 两个5.25“磁盘驱动器空间,前面板带电源开关,cpu 复位按钮,键盘锁开关,电源开关led和hdd led,防尘 带锁门保护控制部件,前后面板均带键盘接口,防止插 卡振动的防震压条,支持ps/2规格电源,尺寸177(高 )482(宽)452(深)mm,支持atx母板. 59 2.工业级底板 研祥的底板按插槽种类、槽数多少、电源种类以及 配置不同等问题,又可分为三十几种型号.图1-3为ipc- 6114p4a型号的14槽底板. 产品规格为：最大扩展槽14,最大分段1,isa槽9,pci 槽4,picmg槽1,电源led5v,12v,+3v,可能配置14(1 -pci系统),尺寸(mm) 322300. 60 图1-3 ipc-6114p4a 14槽底板 61 3.工业级cpu卡 研祥的cpu卡按cpu种类、存储器容量、显示方式、 主板长短以及i/o接口不同等问题,又可分为十几种型 号.图1-4为ipc-586vdnh(gx)cpu卡. 图1-4 ipc-586vdnh(gx)cpu卡 62 (1)产品简介 ipc-586vdnh（gx）采用美国国家半导体公司低功 耗586级处理器gx1系列设计,单5v供电,板上集成了 vga/lcd控制器,支持18bit tft显示；作为486及以下 主板替代产品,ipc-586vdnh（gx）支持168-pin内存（ 代替30线、72线旧产品）,网络接口升速至100mbps,增 加了两个广泛使用的usb接口,处理器达到586多媒体级 性能,在060工作范围内无需风扇,极大提高了系统 的可靠性.ipc-586vdnh（gx）既可通过工业底版机箱 组成工业级应用产品,也可作为嵌入式单板使用.可广 泛应用于工业产品、仪器仪表、internet设备、各种 智能仪器仪表. 63 (2)产品规格 总线类型：isa总线半长卡 处理器：板上增强型低功耗ns gxlv 2.2v 200/233mhz cpu,无需cpu 风扇可正常工作 系统芯片集：ns cx5530a 系统内存：168pin dimm1,最大128mb内存 bios：award pnp bios 在板视频：ns cx5530 支持crt/lcd显示,显示内存 1.5mb4mb,分辨率 102476824bpp（crt）、 102476818bpp（lcd）、18bit tft lcd接口 64 在板lan：rtl8139c 10/100m ethernet 控制器,rj-45接口 优盘接口：m-system diskonchip flash盘 ide控制器：一个ultra dma33通道,可接2个设备 usb接口：2个usb接口（少了） 多i/o接口：pc97317i/o接口芯片,一个fdd接口,一个并口,一个 rs-232接口,一个rs-232/422/485接口,一个键盘,一个鼠标接口 ,一个115kbps irda接口 电源：+5v单电源 扩充总线：pc/104扩充总线 外形尺寸：185mm122mm 工作温度：060 相对湿度：5%90%,非凝结 65 4.pci总线i/o卡 研祥的i/o卡按模拟量输入路数与极性、采样速 率、模拟量输出范围以及数字i/o通道的不同等问题, 又可分为十余种型号.图1-5为pci-64ad系列数据采集 与控制卡 图1-5 pci-64ad系列i/o卡 66 1特性： 32位pci总线, 即插即用 64路单端或32路双端模拟输入通道 双极性模拟输入范围 板上a/d1k字fifo内存 自动扫描通道选择 最高至100khz采样速率 可编程增益1,10,100,1000 3个触发模式: 软件触发,定时器触发和外部触发 16通道di和16通道do 紧凑型, 半长pcb 67 2.规格： 模拟量输入(a/d) 转换器和分辨率:12位ads774或兼容芯片 通道数：64 s.e./32d.i. 模拟信号输入范围（软件控制）： 增益=100或1000时,精度为0.02% 1lsb 输入阻抗:10m 触发模式：软件、定时触发或外部触发 数据传输：程序控制、中断 fifo大小：1024字 68 3可编程计数器 器件：8254 a/d定时触发器: 32位定时器(两个16位计数器级连 ), 带一个2mhz的时基. 定时触发器输出: 0.00046hz-0.5mhz 4通用规范 工作温度：055c 储存温度：-2080c 湿度：595% 无凝结 功耗：+5v,600ma典型值；+12v,100ma典型值 尺寸：紧凑型,107mm172mm 69 5数字i/o 输入通道数：16 di 输出通道数：16 do 信号类型：ttl兼容 70 ipc的模板结构正是依存于它的总线结 构.总线是一组信号线的集合,它定义了各引线的 信号特性、电气特性和机械特性,使计算机箱内 各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号 联系,进行信息传送和通信.因此总线是ipc的重 要组成部分,它分内部总线与外部总线两种. 1.4 ipc总线结构 （掌握) 71 微型计算机 控制部件 寄存器组 alu c-bus 存储器i/o接口 i/o接口存储器 i-bus e-bus 设备modem仪器仪器 图1-6 总线在微机系统中的地位和关系 72 l 内部总线 内部总线是指ipc内部各个功能模板之间的信息 通路,它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽,也 称为系统总线.尽管各种总线的引线数目不同,但按功 能都是分为数据总线db、地址总线ab、控制总线cb和 电源总线pb四大部分. 73 内部总线是一块置于机箱内的无源底板上的多 组并列插槽,各插槽上的同号引脚是电气相连的,从 而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送.显然 ,内部总线对计算机设计者和用户都是十分重要的一 种设计标准.采用总线标准设计、组装的计算机模板 与设备的兼容性很强,因为接插件的机械尺寸、各引 脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等 都遵守统一的总线标准. 由于历史的原因,存在着多种总线标准.目前工控 领域里应用最广的两种总线是pci总线. 74 1. std总线 standard std总线是美国pro-log公司1978年推出的一种 工业控制计算机的标准系统总线.该总线结构简单, 全部56根引脚线都有确切的定义.std总线定义了一 个8位微处理器总线标准,其中有8根数据线、16根 地址线、22根控制线和10根电源线,可以兼容各种 通用的8位微处理器,如8080、8085、6800、z80、 nsc800等.通过采用周期窃取和总线复用技术,还可 以定义16根数据线、24根地址线,使std总线升级为 8位/16位微处理器兼容总线,可以容纳16位微处理 器,如8086、68000、80286、80386等. 75 表1-1列出了std总线的56根引脚分配, 其中： 电源线和辅助电源线为引脚16和5356, 数据总线为引脚714、 地址总线为引脚1530、 控制总线为引脚3152. 76 表1-1 std总线56根引脚分配 77 1987年,std总线被国际标准化会议定名为 ieee961.随着32位微处理器的出现,通过采用附加金手 指或系统总统与局部总线转换等技术,1989年美国的 eaitech公司又开发出对32位微处理器兼容的std32总 线. std总线ipc由于具有小模板结构、开放式结构和 兼容式总线结构的几大优点,以及价格较低,因而成为 20世纪八、九十年代的主流机型. 78 2.pc总线 pc总线是ibm pc总线的简称,pc总线因ibm pc 及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一 种事实上的标准.pc总线ipc,或称为工业pc机即 ipc,即是脱胎于ibm pc机发展起来的. ibm pc总线共有62根引脚线,其cpu是intel公司 准16位的8088或16位的8086,随着cpu的更新换代,pc 总线也随之扩充,诸如支持80286cpu的isa总线、支持 80486和奔腾系列的pci、vesa总线等. 79 表1-2 pc总线62根引脚分配 80 表1-2列出了pc总线的62根引脚分配,其中：电 源线和辅助电源线为11根,数据总线为8根,地址总 线为20根,控制总线为21根,另外还有外态线2根,即 i/o（i/o通道检查）、i/o ch rdy（i/o通道准备 好）. pc总线ipc由于既兼顾了std总线ipc的抗干扰 性能,又与pc机及其不断升级的硬软件资源完全兼 容,因而近年来已成为工控领域中的主流机型. 81 20世纪80年代初期,ibm在推出自己的微机系统ibm pc/xt 时,就定义了一种总线结构,称为xt总线.这是8位数据宽度的总 线. 随着ibm采用80286 cpu,推出ibm pc/at微机系统,又定义 了与xt总线兼容的16位的at总线. isa总线即at总线,它是在8位的xt总线基础上扩展而成的 16位的总线体系结构. 3. isa总线(industrial standard architecture) 工业标准结构总线 82 83 84 85 在一段时间内,大多数pentium系列的pc机主板上仍 保留34个isa总线扩充槽,即可以插入8位isa卡,又可 以插入16位isa卡. isa总线插槽 isa总线插槽有一长一短两个插口. 长插口有62个引脚,以a31a1和b31b1表示,分别 列于插槽的两面； 短插口有36个引脚,以c18c1和d18d1表示,也分 别列于插槽的两面. 86 d18d1 c18c1 b31b1 a31a1 isa总线插槽 87 pci总线-对传统总线结构的突破 人们注意到,随着微处理器速度及性能的改进与更新,作 为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和 更新.否则,低速的总线将成为系统性能的瓶颈. 同时,人们也看到了另一个不容忽视的事实,即随着微处 理器的更新换代,一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然 失色了,与其配套制造的一大批接口设备(板卡、适配器及 连接器等)也渐渐被束之高阁. 这就迫使人们思考一个问题,即能否制定和开发一种性能 优越且能保持相对稳定的总线结构和技术规范来摆脱传统 总线技术发展的这种困境呢? 4.pci总线 (peripheral component interconnect,外围部件互连总线) 88 pci总线于1991年由intel公司首先提出,并由pci sig(special interest group)来发展和推广. pci sig是一个包括intel、ibm、compaq、apple和 dec等100多家公司在内的组织集团.1992.6 推出了pci 1.0版,1995年6月又推出了支持64位数据通路、66mhz 工作频率的pci 2.1版. 由于pci总线先进的结构特性及其优异的性能,使之 成为现代微机系统总线结构中的佼佼者,并被多数现代 高性能微机系统所广泛采用. 89 90 cpu存储器 cpu总线 cpu总线/pci 总线桥（北桥） pci总线/isa 总线桥（南桥） pci图形 适配器 pci网卡 pci硬盘 控制器 pci总线 isa总线 isa卡 . . . isa卡 图1.3 pci总线结构框图 pci总线的系统结构及特点 91 由图1.3可见,这是一个由cpu总线、pci总线及isa总 线组成的三层总线结构. cpu总线也称“cpu-主存总线”或“微处理器局部总线 ”,cpu是该总线的主控者.此总线实际上是cpu引脚信号 的延伸. 通过桥芯片(北桥和南桥),上边与高速的cpu总线相连, 下边与isa总线相连. pci总线是一个32位/64位总线,且其地址和数据是同一 组线,分时复用.在现代pc机(如pentium系列)主板上一般 都有34个pci总线扩充槽. 92 在上述pci总线结构中,cpu总线、pci总线及isa总线 通过两个桥芯片连成一个整体,桥芯片起到信号缓冲、电 平转换和控制协议转换的作用. 人们通常将“cpu总线/pci总线桥”称为“北桥”,称“pci 总线/isa总线桥”为“南桥”. 这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起 的技术特别能够适应系统的升级换代. 每当微处理器改变时只需改变cpu总线和改动“北桥”芯 片,而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续 使用,从而保护了用户的投资. 93 pci总线的引脚信号 pci总线的数据宽度为32位或64位,地址总线为32位( 可扩展至64位).另外,它的地址线和数据线是多路复用 的,以节省引脚并减小连接器的尺寸.这些多路复用的 引脚信号标识为ad0ad63.(单片机p0) pci总线有5v和3v两种插槽类型,每种插槽的全部引 脚号均为194(a1/b1a94/b94),32位卡只用162号 ,64位卡则占用全部194号引脚. 其中,标为res (reserved)的引脚为保留未用的引脚 ；标为code的引脚是防止将插卡插错而设置的接口标 记,也称连接器钥匙(connector key). 94 l 外部总线 外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与 远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表 之间的信息通路,常称为通信总线.通信总线的数据传 输方式可以是并行的,也可以是串行的,可分别称为并 行通信总线和串行通信总线. 95 为了充分发挥总线的作用,每个总线标准都必 须有具体和明确的规范说明,通常包括如下几个方面的技 术规范或特性： (1) 机械特性：规定模块插件的机械尺寸,总线插头、插座 的规格及位置等； (2) 电气特性： 规定总线信号的逻辑电平、噪声容限及负 载能力等； (3)功能特性： 给出各总线信号的名称及功能定义； (4) 规程特性：对各总线信号的动作过程及时序关系进行 说明. 96 总线标准的产生通常有两种途径： (1) 某计算机制造厂家(或公司)在研制本公司的微机系统时 所采用的一种总线,由于其性能优越,得到用户普遍接受,逐渐 形成一种被业界广泛支持和承认的事实上的总线标准. (2) 在国际标准组织或机构主持下开发和制定的总线标准,公 布后由厂家和用户使用. 97 1. rs232c通信总线 rs-232c总线是由美国电子工业协会eia于 1969年修定的一种通信接口标准,专门用于数据终端 设备dte(data terminal equipment)和数据通信设 备dce (data communication equipment)之间的串 行通信. 目前rs-232c接口已成为计算机的标准配置,如 串行口com1、com2均为rs-232c总线接口标准. 98 美国电子工业协会(eia)公布的一种异步通信标准. rs232c标准是:(掌握) 1.设备之间通信的距离不大于15米 2.最大传输速率20k bps 3.在txd和rxd上,采用负逻辑： “1”(mark) -5v-15v “0”(space) +5v+15v 在rts、cts、dsr、dtr和dcd等控制线上： 信号有效(接通,on状态, 正电压)= +5v+15v 信号无效(断开,off状态,负电压)= -5v-15v 不带负载时输出电平：-25v+25v 输出短路电流： 0.5a 最大负载电容: 2500pf 99 2rs-485总线(常用,1983年提出) 在许多工业过程控制中,往往要求用最少的信号线来完 成通信任务.目前广泛应用的rs-485串行接口总线就是为适应 这种需要应运而生的.它实际就是rs-42