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自动化教研室,工业控制计算机,2.1 工控机,2.1.1 IPC的组成与特点,2.1.4 IPC输入/输出模板,2.1.5 IPC的主要产品,2.1.2 IPC的内部总线,2.1.3 IPC的外部总线,2.1.1 IPC的组成与特点,工业控制计算机也称为工业计算机（IPC）,简称工控机。 它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等。 以工控机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。,IPC硬件组成,典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。,图2.1 IPC系统基本框图,主机板 工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程 。,系统总线 系统总线可分为内部总线和外部总线。 内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。 外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。,人-机接口 人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。,通信接口 通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用的通信接口有IEEE-488并行接口、RS-232C和RS485串行、USB总线接口。,输入/输出模板 工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。 包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）。,系统支持 监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）； 电源掉电监测； 后备存储器； 实时日历时钟。,磁盘系统 半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘,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、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司的iRMX86实时多任务操作系统。除了实时多任务操作系统以外，也常使用MS-DOS，特别是Windows软件。 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。 应用软件 是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。,IPC软件组成,IPC的特点,可靠性高； 实时性好； 环境适应性强； 丰富的输入输出模板； 系统扩充性和开放性好； 控制软件包功能强； 系统通信功能强； 冗余性。,2.1.2 IPC的内部总线,IPC由多个不同功能的插件板与主机板共同构成，插件板采用大规模集成电路LSI芯片作为核心。 构成系统的各类插件板之间的互联和通信通过系统总线来完成。 这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线，而是指系统插件板交换信息的板级总线。 这种系统总线就是一种标准化的总线电路，它提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。 总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。,内部总线是指计算机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。 工业控制计算机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在一起，组成系统的多功能模板插入接口插槽，由内部总线完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。 目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总线和PCI总线。,IBM PC 总线是针对 Intel8088微处理器而设计的，其第一个标准是 PC/XT 总线，它定义了8位数据线和 20位地址和若干条控制线，共 62引脚。 为了和 Intel80286 16位机兼容，对 XT 总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原来 62引脚的基础上增加了一个 36引脚插座而形成 AT 总线。AT 总线将数据总线扩展为16位，地址总线扩展到 24位，将中断扩充到 15个并提供了中断共享功能， DMA 通道也扩充到 8个。AT总线也称 ISA 总线标准。 1989年，COMPAQ 公司联合 HP，AST 等 9家计算机公司，在 ISA 总线基础上，推出了适应 32位微处理器的系统总线标准 EISA 总线标准。,ISA 总线,PCI总线,PCI总线是介于CPU芯片级总线与系统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得以大大提高。PCI总线支持64位数据传送、多总线主控模块和线性猝发读写和并发工作方式。 主要特点： PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位。 PCI传输率高：最大传输率为133MB/s（266MB/s），能提高硬盘、网络界面卡的性能；充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。 PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低设计成本。,Compact PCI 总线标准由PICMG于1995年正式发布。Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，它采用与标准PCI相同的电气规范, 所以可使用与传统PCI系统相同的芯片、防火墙和相关软件。 将一个标准PCI插卡转化成Compact PCI 插卡几乎不需重新设计，只需对物理连接进行重新分布。,Compact PCI总线,PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，IEEE协会将它定义IEEE-P996.1，PC/104实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC/104以其小尺寸（90mmX96mm）、开放的高可靠性的工业规范、模块可自由扩展、 低功耗、堆栈式连接、丰富的软件资源等优点，在嵌入式系统领域得到了广泛应用。,PC/104总线,STD总线在1978年最早由Pro-Log公司作为工业标准发明的，由STDGM制定为STD-80规范。 1987年，STD总线被被批准为国际标准IEEE-961。STD-80/MPX作为STD-80追加标准，支持多主（MultiMaster）系统。 STD总线工控机是工业型计算机，STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/O OEM模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、可靠性和良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。,STD总线,2.1.3 IPC的外部总线,IEEE-488并行通信总线又称为通用接口总线，是一种24线总线。 打印机、绘图仪、电压表、信号发生器等各类外设都可以使用这种总线。 IEEE-488总线电缆是一条无源的电缆线，包括16条信号线和8条地线。 16根信号线可分成3组，即8根双向数据总线、3根数据字节传送控制总线和5根接口管理总线，均为低电平有效。,IEEE-488并行通信总线,RS-232C是在异步串行通信中应用最早和最广泛的标准串行总线，是由美国电子工业协会(EIA)制定的一种串行接口标准。 RS-232的连接插头用25针或9针的EIA连接插头座。,RS-232C串行通信总线,(1)信号含义 由计算机到MODEM的信号 DTR：数据终端准备好。 RTS：请求发送。 由MODEM到计算机的信号 DSR：数据设备准备好。 CTS：发送清零。 DCD：数据信号检测。 RI：振铃指示器，告知计算机对端的电话已经在振铃了。 数据信号 TXD：发送数据。 RXD：接收数据。,(2)电气特性 RS-232C的电气特性要求总线信号采用负逻辑，低电平为逻辑“1”，高电平为逻辑“0”。 逻辑“1”状态电平为-15V-5V； 逻辑“0”状态电平为+5V+15V； 其中-5V+5V用作信号状态的变迁区。 在串行通信中把逻辑“1”称为传号(MARK)或OFF状态，把逻辑“0”称为空号(SPACE)或ON状态。,RS-232-C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，其缺点主要表现在数据传输速率低、传送距离短、未规定标准的连接器、接口处各信号间容易产生串扰等。 由于RS-232-C有上述一些缺点，所以， EIA对它做了部分改进，于1977年制订出新标准RS-449；1980年它成为美国标准。在制订新标准时，除了保留与RS-232-C兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离，改进电器特性等方面做了很多努力。它增加了RS-232-C所没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接口问题。 与RS-449一起推出的还有RS-423A和RS-422A。实际上，它们都是RS-449标准的子集。,RS-422/RS-485串行通信总线,RS-422A RS-422-A规定了差分平衡的电气接口。它能够在较长距离传输时明显地提高数据传送速率，如在1200m距离内把速率提高到100Kbps，或在较近距离（12m）内提高到10Mbps。这种性能的改善源于平衡结构的优点，这种差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号。实际上，差分接收器可以区分0.2V以上的电位差，因此，可不受地参考电平波动及共模电磁干扰的影响。,RS-485 在许多工业过程控制中，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而产生的。它实际上就是RS-422总线的变型。两者不同之处在于： RS-422为全双工，而RS-485为半双工； RS-422采用两对平衡差分信号线，RS-485只需其中的一对。 RS-485更适合多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。此电路结构在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器或组合收发器。,通用串行总线USB是为实现计算机和通信的集成而提出的,是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并可以进行热插拔的串行接口，它已被公认为是一种用于扩充PC体系结构的工业标准。,通用串行总线USB,2.1.4 IPC输入/输出模板,工业控制需要处理和控制的信号主要有模拟量信号和数字量信号（开关量信号）两类。 开关量信号主要有两个特征： 信号电平幅值； 开关时变化的频度。 开关量信号通常有TTL电平，ECL电平和继电器触点信号等，为使计算机有效识别这些信号，必须对这些信号进行调理（变换），包括把非TTL电平转换为TTL电平和隔离等。 对于开关量输出，则需根据外设所需信号情况设计隔离电路、输出驱动电路等。,模拟信号通常是非电物理量； 通过传感器或变送器转换来的电信号，由于传感器特性及工业现场各种因素的影响，有时还需对传感器所变换的模拟信号进行放大、滤波、线性化补偿、隔离等后，才能送入模数（A/D）转换器，将模拟量转换为数字量，输入给工业计算机进行数据处理。 当需要对工业对象进行控制时，根据控制策略，工业计算机计算后输出的数字信号须经数模（D/A）转化器转换成模拟信号（电流或电压）送到执行机构以驱动工业设备，如电动调节阀、电动机、机器手等。,输入/输出模板一般由3部分组成： PC总线接口部分、模板功能实现部分、信号调理部分。 对于不同的工业现场信号和工业控制要求，模板的特点主要体现在模板功能实现部分和信号调理部分。 对于模拟信号来说，模板的功能主要包括采样、隔离、放大、A/D和D/A电路的设计和接口控制逻辑的实现，对于芯片的选择则应根据控制的精度和可靠性来选取； 对于开关量来说，模板的功能实现部分主要包括数据的输入缓冲和输出锁存器以及隔离电路等。 PC总线接口部分是相同的。,输入信号量程：即所能转换的电压（电流）范围。有0200mV，05V，010V，2.5V，5V，110V，010mA，420mA等多种范围。 分辨率：定义为基准电压与2n-1的比值，其中n为D/A转换的位数。有8位、10位、12位、16位之分。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反映就越灵敏， 精度：指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差。有绝对精度和相对精度两种表示法。通常采用数字量的最低有效位作为度量精度的单位，如1/2LSB。,模拟量输入模板主要指标,输入信号类型：单端输入或差分输入。 输入通道数：单端/差分通道数。如16路单端/8路差分输入。 转换速率：转换时间是定义为A/D转换器完成一次完整转换所需的时间。采样速率为转换时间的倒数，单位为采样点数s。 可编程增益：每个通道的增益可编程选择。 支持软件：性能良好的模板可支持多种应用软件并带有多种语言的接口及驱动程序。 一些板卡上具有FIFO。FIFO实际是一个数据缓冲区，I/O卡在每次完成A/D转换后，依次将数据存入FIFO，这样可保证高速采集。一些板卡具有自动通道扫描，可由软设置扫描起止通道，由硬件完成通道切换。,分辨率：与A/D转换器定义相同。 稳定时间：又称转换速率，是指D/A转换器中代码有满度值的变化时，输出达到稳定（一般稳定到与1/2最低位值相当的模拟量范围内）所需的时间，一般为几十个毫微秒到几个毫微秒。 输出电平：不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大，一般为510V，也有一些高压输出型为2430V。电流输出型为420mA，有的高达3A级。 输入编码：如二进制BCD码、双极性时的符号数值码、补码、偏移二进制码等。 编程接口和支持软件：与A/D转换器相同。 D/A板卡上也有FIFO，可用来存储D/A转换值。,模拟量输出模板主要技术指标,数字量输入输出模板一般分为数字量输入板、数字量输出板以及一块板上既有数字量输入也有数字量输出的接口板。 数字量板卡有非隔离型和隔离型，其中非隔离型为TTL电平，隔离型则为光电隔离型。在工业控制系统中应尽量选择隔离型板卡，以提高系统的抗干扰能力。,数字量输入输出模板,其他功能模板,其它功能模板包括： 信号调理板； 通信模板； 计数器/定时器模板； 步进电机控制模板。,远程I/O模块可放置在生产现场，将现场的信号转换成数据信号，经远程通信线路传送给计算机进行处理。 各模块均采用隔离技术，可方便的与通信网络相连，大大减少了现场接线的成本。 目前的远程I/O模块采用RS485标准总线，并正在向现场总线方向发展。 目前使用较多的是亚当模块（ADAM Modules）。,远程I/O模块,2.1.5 IPC的主要产品,目前有一定市场和发展前景的工控机的产品有： IPC（ISA、PCI、STD总线）； PC/104或PC/104 plus； VME/VXI； Compact PCI 专用单板计算机（包括基于RISC、DSP和单片机的嵌入式专用计算机）等。 IPC工控机（ISA、PCI、STD总线）目前依然是主流产品。 PC/104凭借小尺寸优势占有一定的市场，通过PC/104 plus兼容PCI总线，正在向高性能应用拓展。 VME/VXI，继续在军事设备和大型测试系统方面占有很大的市场份额，但已经受到Compact PCI/PXI产品强有力的冲击。 Compact PCI总线工控机技术将得到迅速普及和广泛应用。,IPC主要品牌： 台湾的研华、威达、艾讯、磐仪、大众； 国内的研祥、凌华、中泰、康拓、华控、浪潮； 美国的ICS、德国西门子、日本康泰克等。 研华是世界三大工控机厂商之一，在大陆及台湾市场均有较高的市场占有率，产品品种广泛。 工业计算机机箱，工业一体化工作站，工业平板电脑，嵌入式工业计算机，工业级CPU卡，工业级底板，工业计算机外设，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PCI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。,工业控制机机箱,IPC610是一个19in加固的架装PC/AT电脑机箱，用于工业应用系统中。可容纳一个14槽PC/AT总线无源底板或一个标准Baby-AT主板和一个110220V可切换电源。一个可锁式前面板门，可以保护设备免于任何未授权的使用。两个过滤冷却风扇可在整个机箱内维持正的空气循环。,14槽PICMG BP，2个ISA槽，10个PCI槽，2个PICMG槽。如图2.9所示。主要技术指标如下 系统数：1 尺寸：315 x 260 mm (12.4“ x 10.24“) PCI 桥：Pericom PI7C8150MA 槽数：2个ISA槽, 10个 PCI槽, 2个 PICMG槽 主级PCI：3 槽；二级PCI：7 槽,工业级底板PCA-6114P,PCA-6187是一款Intels Socket 478架构支持的Pentium 4/Celeron 处理器板卡 支持多达2个串行-ATA设备 、支持双通道DDR400 SDRAM 主板集成Adaptec AIC-7899 双Ultra 160 SCSI通道，速度达160MB/Sec Intel 865G 芯片组 400/533/800MHz前端总线 主板集成VGA控制器，共享内存架构 支持10/100Base-T 或 10/100/1000 Base-T自适用网络 6个USB 2.0端口 CMOS具有自动备份/恢复功能,工业级主板PCA-6187,PCI-1713是研华公司生产的一款基于PCI总线的32通道模拟量采集控制卡，它采用12位高速A/D转换，采样率可达100KS/s，并在输入和PCI总线之间提供了2500VDC的直流光隔离保护。 PCI-1713模板由PCI总线控制器、地址译码器、中断发生器、FIFO、ADC控制逻辑、12位A/D转换器、增益码发生器、PGIA、通道码发生器、多路开关、隔离电路等部分组成。 由于它支持PnP(Plug and Play)，其基地址及中断都由系统自动配置。,模拟量输入模板PCI-1713,PCI-1713的主要特性 32路单端或16路差分模拟量输入，或采用单端和差分输入的不同组合方式来完成多通道采样； 各输入通道的增益可独立编程，用户可通过软件选择最适合被测信号的电压范围，并且每个通道不同的增益值及配置会存储到卡上的SRAM中； 信号输入范围： 单极性：0-5V；0-10V；0-2.5V；0-1.25V 双极性：0.625V；1.25V；2.5V；5V；10V 自动通道/增益扫描，板上的自动通道/增