（控制理论与控制工程专业论文）无机堵料生产线控制系统.pdf

塑至查兰堡：! 堂垡堡兰 摘要 、p 3 6 9 9 9 垂熟堕魁是一种广泛应用在工业生产中的防火材料。随着计算机技术的飞速 发展和普及，我们将让篁圭控制技术运用在传统的无机堵料生主蕉猩中，不仅减 轻了操作人员的劳动强度，也提高了系统运行的可靠性。同时，由于该控制系统 可以实时记录每个台班的工作量和生产进度，这也为管理者的科学决策提供了依 据。 该项目完成了整个筵剑丕统的硬件和软件设计，通过现场调试，现已投入了 实际生产。 在论文中详细介绍了该控制系统的硬件，软件设计。对计算机的接口技术， 数据库编程，多线程技术，以及w i n d o w s 环境下的实时工况显示等各方面都作 了较为详细的探讨。 ， f 生产控制系统的设计涉及到了生产过程中的许多具体的实际问题，作为论文， 没有将其一一列出。本文的目的，是给出一个该系统的最基本的设计思路和设计 方案。卜一) 一 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r e p r o o fm a t e r i a l i s w i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r ，t h en e wt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e dt ot h ep r o d u c t i o np r o c e s s t h en e w s y s t e mb a s e do n t h ec o m p u t e rc o n t r o li nr e a lt i m en o to n l ys a v e sm u c hm a n u a ll a b o r , b u ta l s ob e c o m e sr e l i a b l e d u et ot h ed a t ar e c o r do ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h em a n a g e r c a r lm a k em o r e p r e c i s ep r o d u c t i o np l a n sf o rt h ef u t u r e t h e d e s i g no f t h i ss y s t e mi sc o m p l e t e d ，a n di th a sr u nf o ra b o u t1y e a ri nt h ew o r k i n g e n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei se l a b o r a t e l yd i s c u s s e d ，i n c l u d i n g t h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e ri n t e r f a c e ，d a t a b a s e ，m u l t i - t h r e a d ，a n dt h er e a l t i m ed i s p l a y o ft h ew o r k i n gs t a t u s t h ed e s i g no ft h ep r o d u c t i o ns y s t e mc o n c e r n sm a n y p r a c t i c a lp r o b l e m s ，a n ds o m ea r e o m i t t e db e c a u s et h e ya r eu n i m p o r t a n tt ot h i sp r o j e c t s o m ev a l u a b l ea n di m p o r t a n t a s p e c t so f t h i sp r o j e c ta r es e l e c t e dt ob ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s 2 浙江大学硕士学位论文 致谢 在两年半的研究生学习期间，许多老师和朋友在学习和研究工作各方面给予了 我许多的帮助和鼓励，使我能够不断进步，较好地完成了学习和研究工作，这些使 我终生难忘，我在此对他们表示衷心的感谢。 我诚挚地感谢我的导师蒋静坪教授。硕士研究生期间，蒋老师在科研和生活各 方面给予了我谆谆的教诲和无私的帮助。蒋老师渊博的知识、严谨的治学态度、实 事求是的工作作风使我受益非浅，必将在我以后的工作和学习中产生积极的影响。 蒋老师在病榻上帮我审阅和修改毕业论文，感激之情，无以回报。衷心祝蒋老师早 目身体康复。 还要感谢汪雄海老师的无私帮助，从项目选题，到整个系统的投入运行。汪老 师化费了大量的时间和精力，从而保证了整个项目的最终次试车成功。也使我在 参加整个项目的过程中，学到了很多处理和解决问题的实际工作经验。在论文写作 期间，汪老师的悉心指导和大力帮助也给了我巨大的信心和鼓励。 另外，实验室和谐融洽、积极向上的工作气氛，为我的论文得以顺利完成提供 了保证。徐炎昭同学和我参加了整个项目的软件编程，在此一并致谓 。 浙江大学硕士学位论文 计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径。现代控制理论的发展又给 自动控制系统增添了理论支柱。应用现代控制理论加上计算机的快速运算、强大 的信息存储能力以及逻辑判断能力，形成的计算机控制系统能解决通常自动控制 技术所不能解决的问题，是生产过程达到优异的性能指标。图1 显示了一个典型 的计算机闭环控制系统的方块图。 图l 计算机闭环实时控制系统方块图 目前常见的计算机控制系统有： ( 1 ) 数据采集系统，定期采集生产系统的各种参数，对采集的数据进行图表 显示、打印制表、在线画面表示等，并提供生产操作。 ( 2 ) 计算机数字控制系统，这是一种直接数字控制系统，对生产对象发生直 接控制作用，被广泛的应用在数控机床中，图2 显示一个典型的机床数字控制系 统 ( 3 ) 生产过程计算机控制系统，这也是直接数字控制系统的一种。 ( 4 ) 智能机器人控制系统，它属于一种复杂的计算机控制系统，其智能 浙江大学硕士学位论文 性的一个很重要的方面是与控制和传感系统有关的计算方法。 ( 5 ) 计算机管理和控制集成系统，就是将生产过程计算机控制系统，通过 直接控制，监督控制与生产过程优化、作业调度、逐级向上并与面向生产管理和 经营管理的计算机数据处理系统连接起来，形成多级的计算机综合系统。它代表 了现代工厂企业自动化的发展方向。图3 表示其系统结构图。 图3 计算机管理与控制集成系统 计算机自动控制技术的发展和计算机技术和控制理论的发展有着密切的 浙江大学硕士学位论文 关系，一方面随着微处理机、可编程控制器以及微型机的不断发展，成本不断降 低，性能不断完善，可靠性不断提高，从而计算机控制系统出现多c p u ，同一 总线，智能化模块结构的控制型式，从而出现了分散型控制系统，多级型控制系 统。另一方面用作计算机控制的主要控制策略自动控制理论也迅速发展，出 现了随机线性系统控制、自适应控制，二次型系统的最优控制，鲁棒控制和神经 网络控制等现代控制理论，这些理论和经典控制理论作为计算机控制系统的控制 策略，获得越来越广泛的应用，从而使炼油、冶炼、造纸、水泥、电力等生产过 程以及宇宙空间技术、航空等科学技术领域达到高度自动化的先进水平。 本项目作为生产过程计算机控制系统，能够大大减轻操作人员的劳动强度， 提高生产效率和产品质量，降低制造成本。相对于传统的手工生产系统而言，有 着不可替代的优点。 浙江大学硕士学位论文 第一章生产线系统简介 本项目的控制对象是无机堵料生产线系统。无机堵料是一种广泛应用在工业 生产中的防火材料。在石化，电力等易燃，易爆的场合，为了防止局部的火灾通 过电缆而导致大面积的引燃，通常将电缆线路或电缆桥架间隔一定距离用防火堵 料隔断，从而使得电缆燃烧由于缺氧而不会大面积的蔓延，减小事故的隐患。防 火堵料的物理成份以石灰，瓷粉，水泥为主，通过将它们经过一定比例的混合、 搅拌，从而生产出不同技术参数的防火堵料。 防火堵料传统的生产工艺是由工人事先对每种原料加以称量，然后一起倒入 搅拌设备进行加工，最后将成品灌包。整个生产过程需要消耗大量的人力，并且 在手工计量过程中，还会导致大量的粉尘扩散，造成环境污染，影响工作人员的 身体健康。 本课题项目下的无机堵料生产线系统，其电气系统的控制主要由工业控制计 算机，可编程控制器( p l c ) ，压力及位置传感器等协同实现。其中p l c 负责系 统中的原料位置控制，电气连锁及定时控制，工控机负责整个系统的实时状态点 采样，工作状态显示以及配方数据库系统的管理及日常报表打印。 新的堵料生产线系统，其原料计量采用由工控机实时读入电子秤的输出电平 进行控制，不仅杜绝了人为因数的干扰，保证了系统精度，而且由于原料全部在 接近密闭的容器中生产和传输，减少了生产环境的粉尘污染。 第一节生产过程简介 无机堵料生产线系统由推包、切包装置，低位料仓，高位料仓，计量箱，双 螺旋搅拌器，成品仓及灌包装置共同构成。其中推包，切包装置以及低位、高位 料仓各有四套。( 见图1 1 ) 图1 1 无机堵料生产线系统设备示意图 推包和切包装置负责原料包装袋的切割，以及将原料运送至低位料仓。独立的四 浙江大学硕士学位论文 套料仓分别储存生产无机堵料的不同的三种或四种原料。由于原料配方不同，比 例不同，生产出的成品就具有了性能上的差异。在计量箱底部安装了一台电子秤， 原料1 进入计量箱，完成称量，接着原料2 进入计量箱，进行称量，依次执行， 当所有原料都完成称量以后，开启计量箱门放料，原料进入双螺旋搅拌器并启动双 螺旋搅拌器进行搅拌。搅拌过程结束以后，成品经过提升机进入成品仓。经振动 筛过滤筛选，最后由灌包机构完成产品的计量和灌包整个生产过程。 该生产线控制系统，除了可以完成原料自动计量，自动搅拌，成品的自动灌包以外， 还具有实时产量统计，数据库报表打印，系统故障报警和断电自动保护功能。 第二节电气控制过程及原理说明 一程序启动，选择配方 二控制功能选择自动 a 拆包系统动作( 共四套) 拆包系统包括托包、推包、割包，抓爪、扫袋、给料机、提升机 1 初始化：托包器( 气动) 处于放包状态( m 位置) ，推包器在a 位置，抓爪 器在下位e 位置，各电机停。废料输送电机四套共用一台。 2 当推包框有包( 料包落入料位) 时，开关b 动作。同时割刀电机，废料输送 电机启动运行，( 当四个拆包系统都停止工作时，废料输送电机才停止工作。) 开关b 动作后托包器行程开关动作，托包。同时推包器推包至c 位置时，行 程开关c 动作，推包器回程至a 位置停止。开关a 动作时，推包器行程开 关断电，m 线圈动作，托包器再次放包。 3 当行程开关c 动作时，启动抓爪电机和电磁振动器，抓爪振动着上升，抓爪 器上升到d 位置时停止( 电磁振动器亦停止) 。行程开关d 动作时扫袋器( 气 动) 开始工作，前进至g 位置后回程，返回至f 位置时扫袋器停止。开关f 动作使抓爪下降到原位e 。e 动作时，抓爪停止。 以上为拆包过程，当推包器在原位a ，放包到位置b ，抓爪器在原位e 时，进入 第二循环。只要当高位料仓的料还未满( 即料位开关r x 2 i r x 2 4 未动作) ，四 个拆包系统循环一直分别重复进行。 4 当某一抓爪上升( 即行程开关c 动作) 时，启动这一拆包系统给料机提升机 ( 与1 4 # 中相对应的一个) 。 5 当某个高位料仓料满时，即料位开关( r x l l r x 4 1 ) 中的某一料位开关动作时， 该拆包系统停止，关闭该系统割刀电机，延时2 0 s 后，同时关相应给料机提 升机( 1 - 4 # 中对应的一个) 。 当某个高位料仓中料将放完时，即该料位开关( r x 2 l - r x 2 4 中的对应的一个) 复位时，该拆包系统恢复工作。 b 配料计量与搅拌系统： 配料计量与搅拌系统包括：配料计量、定时搅拌、给料机9 # 、提升机5 # 组 成。 1 计量箱门由气动控制，初始状态为关门，i 压合，搅拌机门气动控制，初 始状态为关门，x s i 压合。 2 当四个高位料仓均有料( 即r x 2 t - r x 2 4 均动作) 时，允许进行配料计量。 3 计量箱去皮、清零，进行第一种原料称重计量，启动计量给料机1 # ( 或配 方中重量由高向低，依次称重) ，如遇配方中四种原料中某种原料缺省时，该 浙江大学硕士学位论文 原料数据设定值为零。该原料不进行称重计量。 4 当原料称重到额定值的8 0 时，变频器降速，减小给料数量，直至达到额定 值时停止给料。计量秤再次清零，进行第二种原料的称重计量，重复第一种 原料称重过程，直至四种原料全部称重完毕。 5 当任一高位料仓的料将放完( 即r x 2 l r x 2 4 的某一料位开关复位) 时，发报 警信号，并重新启动该拆包系统工作。在配料称重的过程中计量箱中的任一 种原料重量w _ 1 0 5 w e ( 额定值) 时，停止称重计量，并发报警信号，数值显 示于屏幕，待处理后，按指令进行原料称重计量。 6 称重完毕后，计量箱门打开放料( 放料时间设定为3 0 s ) ，3 0 s 后自动关闭计 量箱门。计量箱门打开与关闭不到位时视为故障，即p l c 发开门信号l o s 后 x j 2 来动作，关门信号1 0 s 后x j l 未动作，即发报警信号，停止执行下一个动 作。 7 计量箱门打开同时启动搅拌机( 并保持搅拌机常转) ，搅拌( 定时) 8 分3 0 秒，然后打开搅拌机门( 搅拌机门为气动控制，初始状态为关闭状态) ，打开 3 0 s 后自动关闭。搅拌门打开后关闭不到位时，即p l c 发开门信号后1 0 s ，x s 2 不动作，发关门信号后1 0 s ，x s l 不动作，视为故障，发报警信号，并停止执 行下一个动作。 8 搅拌机门打开前2 0 s 同时启动振动筛、提升机5 # 及给料机5 # 。 搅拌机门关闭后3 0 s ，关振动筛、提升机5 # 及给料机9 # 。 9 计量箱关闭并且高位料仓均有料( 即料位开关r x 2 1 一r x 2 4 均动作) 时，进入 第二循环计量，重复前一计量过程，再次计量完成后，等待搅拌机完成定时 搅拌，放完料( 放料时间设定为3 0 s ) ，搅拌机门关闭后，再向搅拌机放入称 重后的原料，以此类推循环作业，直至程序停止指令的发出。 l o 当某一高位料仓将放完( 即r x z i - r x 2 4 中的某一料位开关复位) 时，或者成 品料仓满( 即料位开关r x l 动作) 时，配料计量称完最后一批称重并放完料 后，计量称重停止，搅拌机完成搅拌，放料工序后( 即搅拌机门关闭后3 0 s ) 关给料机9 # ，提升机5 # 及振动筛。 在高位料仓某一料将放完( r x 2 i r x 2 4 中的某一料位开关复位) 时，重新启动对 应拆包系统工作( 接到程序关机指令除外) 。 c 成品灌包系统： 1 半自动灌包，当成品料仓满( 料位开关r x t 动作) 时，发声响信号提醒或需 要灌包时，人工发信号给工控机( x g 闭合) 。然后计量秤2 # 清零后，再启动 灌包机( 电机k m 0 6 启动) ，同时松开电磁制动器及打开灌包嘴门。当称重 至额定重量2 5 + 0 2 5 k g 时自动关灌包电机，灌包嘴门，电磁制动。 2 当成品料仓放完时( 即料位开关r x 2 复位) 禁止灌包。 d 生产线整个程序停机： 1 当按下程序停止按钮后，先使各部门完成当前运行过程后停机。 2 p l c 转入待机状态，显示关机字样。 3 人工关断电源。 e 生产线局部程序停机： 1 拆包系统：当按下某一拆包系统停止按钮后( 停、不考虑初始状态) ，2 0 s 后 关与该拆包系统对应的提升机( 1 - - 4 # 中的一条) 同时关提升机( 17 - 4 # 中的 一条) 。等四条拆包系统的提升和给料机都关闭时，再关闭废料输送电机。 2 配料计量、搅拌系统：当按下该系统的程序停止按钮后，执行完成当前计量 浙江大学硕士学位论文 和搅拌工序后，停止执行下一个循环，延时3 0 s 后关给料机9 # ，同时关提升机 5 # 及振动筛。 f 紧急停机： 当整个系统异常，按下急停按钮时，或电网停电时，封锁输出，并记忆当前状态， 待故障排除或恢复供电时，自动从当前状态开始继续工作。 图1 2 拆包系统原理示意图 第三节电子秤、工控机与放料机构构成的闭环控制系统 图1 3 闭环控制系统示意图 在本系统中，共有两台电子秤。分别负责原料的计量和成品的计量。为了控 制物料在生产过程中的称重，电子秤的计量电平信号通过a d 转换，由工控机 负责与设定的重量进行比较。当物料的计量值接近设定的重量值时，工控机改变 d a 接口电路的输出电平，从而降低变频器的输出频率，最终降低放料机构的放 料速度。当物料的计量值非常逼近设定值时，完全关闭放料机构。通过这个简单 的闭环控制系统，最终实现物料的精确计量。 在生产线工作过程中，由于最多只有一台送料电机投入运行，故电机的转速控 制利用一台变频器实现。例如，当一号送料电机由工作转为停止，而二号送料电 机将要投入运行时，首先，变频的接触器断开，切断电机电源，这时，一号电 浙江大学硕士学位论文 机的切换开关由闭合变为断开，- - g - c a 机的切换开关由断开变为闭合，完成上述 动作之后，变频器的接触器闭合，二号电机投入运行。 第四节系统的控制信号输入输出部分 为了实时监控整个系统的运行状态及接受生产现场的控制信号，系统的位置传感 器和压力传感器将相关的位置，压力等物理参数转换成为电平信号，并通过i o 接口电路传送给工控器和p l c 。其中，工控机的输入控制信号如下所示： 数字输入o ：高位仓l 有无料 数字输入1 ：高位仓2 有无料 数字输入2 ：高位仓3 有无料 数字输入3 ：高位仓4 有无料 数字输入4 ：成品仓空信号 数字输入5 ：计量门是否打开到位 数字输入6 ：计量门是否关闭到位 数字输入7 ：成品仓满信号 数字输入8 ：搅拌机状态( 搅拌停止) 数字输入9 ：要求灌包信号 原料计量和灌包计量分别由电子秤的输出电平值经过a d 转换送入工控机，其 中： a d 输入0 为原料计量值 a d 输入l 为灌包计量值 在整个生产线控制系统中，送料机构电机的启动和停止，各个储料仓仓门的打开 关闭，以及发报警信号，都需要工控机发出相应的控制信号，它的输出控制信号 如下所示： 数字输出0 ：变频主电源开关 数字输出1 ：变频总开关 数字输出2 ：变频电机1 开关 数字输出3 ：变频电机2 开关 数字输出4 ：变频电机3 开关 数字输出5 ：变频电机4 开关 数字输出6 ：计量仓底阀开 数字输出7 ：灌包机及灌包嘴开关 数字输出8 ：要求p l c 开搅拌机 数字输出9 ：计量仓底阀关 数字输出1 3 ：告警 送料电机的转速控制由工控机d a 接口电路的输出电平控制变频器的输出频率 实现： d a 输出0 ：送料电机转速控制 浙江大学硕士学位论文 第二章控制系统硬件设计 在本系统中，完成整个控制系统功能的是一台研祥公司的p e n t i u m1 6 6 工控机和上 海兰星电气有限公司的h 型系列可编程序控制器。其中，可编程控制器将在后面 章节中专门加以讨论。 第一节计算机控制系统硬件的功能概述 本系统中的微机选用e v o c 公司生产的p c 总线工业计算机。 它在硬件上必须能实现现场的数据采集，控制信号输出，以及与p l c 通讯等一系 列功能。 一数据采集部分 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机 能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和 处理，得出所需的数据。于此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实 现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用于 控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下， 应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集，实时处理和实时控制对速度的要求。 常用的数据采集系统的结构如图2 1 所示。由图可知，微型计算机数据采集系统是 由传感器，模拟多路开关，程控放大器，采样，保持器，a d 转换器，计算机及外 设等部分组成。各部分的作用如下： 1 传感器 各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先要把这些 非电量转换成电信号，然后才能做进一步的处理。而传感器就是完成这一任务的。 2 模拟多路开关 数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样的场合，一般采 用公共的a d 转换器，分时对各路模拟量进行模数转换，目的是简化电路，降低 成本。可以用模拟多路开关来轮流切换各路模拟量与a d 转换器间的通道，使得 在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到a d 转换器，从而实现分时转 换的目的。 一般模拟多路开关有2 “个模拟输入量n 个通道选择端，由n 个选通信号控制选 择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模 拟信号通过。有规律地周期性改变n 个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合 各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的a d 转换器分时 复用对各通道模拟信号进行周期性转换。 3 程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控放大 器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用a d 转换器的满量程分辨 率。例如，传感器的输出信号一般是毫伏数量级，而a d 转换器的满量程输入电 压多数是2 5 v ，5 v 或1 0 v ，且a d 转换器的分辨率是以满量程电压为依据确定的。 为了能充分利用a d 转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要把模拟输 入信号放大到与a d 转换器满量程电压相应的电平值。 一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道。而各通道的模拟信号电压可能有较 浙江大学硕士学位论文 大差异，因此最好是对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍 数可以实时控制改变。程控放大器能够实现这个要求，就在于它的放大倍数随时 可以由一组数码控制，这样，在多路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相 应的一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。它 的使用大大拓宽了数据采集系统的适应面。 靛 删 物 理 量 2 1 数据采集系统结构示意图 4 采样保持器 在很多情况下，待转换的模拟信号是随时间快速变化的。如果在转换过程( 即转 换时间) 内信号电平有了改变，则转换结果或者与指定瞬间的模拟信号有较大误 差，甚至可能已是面目全非了。为了保证模数转换的精确性，需要将模拟信号 样品在一定时间内保持恒定，这就是采样保持器的作用。 5 a d 转换器 a d 转换器是整个数据采集系统里最重要的一个部件，它的功能是将一个未知的 模拟输入信号( 通常是电压) 转换成易被计算机处理的一个n 位二进制数字量。 其中最重要的指标是分辨率和转换率。a d 转换器的分辨率是指a d 能够分辨 的最小模拟输入电压变化量，即在这一模拟输入变量作用下，a d 的数字输出最 低有效位的状态将有改变。a d 把模拟信号转换成数字信号需要一定时间，称为 转换时间。转换时间的倒数即为转换率，表示a d 每秒能够完成的转换次数。 微型计算机数据采集系统的特点是： 1 系统结构简单，容易实现，能够满足中，小规模数据采集的要求。 2 微型计算机对环境的要求不是很高，能够在比较恶劣的环境下工作。 3 微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即使是比较小的 系统，也可以采用它。 4 微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部 分。 5 微型计算机的各种i o 模板及软件都比较齐全，很容易构成系统，便于 浙江大学硕士学位论文 使用和维修。 二控制信号输出部分 控制信号输出是信号输入的一个逆过程。它通常包括d a 信号转换和开关数据 量的输出。这个部分中最重要的是d a 转换器，它是一种把数字信息转换为模 拟信号的器件。它既包含有数字电路部分，又包含有模拟电路部分，因而是种 混合系统。一个二进制的数字字，如果有n 位，则有2 ”个二进制的组合。因此， d a 就要具备有2 “个分立的模拟电压或电流，以与不同的数字字一一对应。 2 2 控制信号输出部分结构示意图 三与p l c 通讯部分 这个部分实际上是数据采集和信号输出部分的综合。计算机和可编程控制器通过 各自的接口电路发送或接受对方的数字信号。由于不涉及到模拟量的传送，因此 不需要d a 和a d 的相互转化。 第二节p c 系列微机的系统结构( 接口与总线) p c 微机是以c p u 为核心，用总线将多个功能模块相连接而组成的微机系统。p c 机主要是由微机主板、外设接口及外设组成的。由于在主机板上包括了微处理器、 存储器、各类控制器芯片以及部分常用外设的接口，所以主机板是p c 机系统的 核心。由于外设的复杂与多样性大部分外设与主机板的通信还要通过外设接口 完成。 微机的主机板结构及i 0 通道 主机板的结构如图2 3 所示，它主要包括： 1 微处理器 微处理器在p c 机上的地位如同人的大脑，是整个系统的核心，它要指挥和调度 整个系统，完成数据处理等工作。 浙江大学硕士学位论文 2 存储器 由r a m 存储器和r o m 存储器组成。主要保存微机系统各个处理过程中的数据， 以及少量控制管理程序。通常，存储器的容量越大，微机的处理能力也就越强。 3 r o m b i o s r o mb i o s 是主机板的低层管理软件，它通常被固化在主机板的r o m 之中， r o m b i o s 负责对主板上的一些芯片进行管理和设定，如在p c 机中，r o m b i o s 负责开机的初始化及各项硬件设备功能设定等。 4 控制及接口电路 控制及接口电路是主机板的主体部分，它是数个功能模块的集合。控制及接口电 路包括了时钟电路、信号转换电路、译码和控制逻辑电路及部分接口电路。虽然 微处理器是p c 机的核心，控制及接口是它的周边电路，图2 4 中的地址锁存、 数据缓冲、中断控制逻辑、d m a 逻辑等功能模块都可认为是主机板的控制及接 口电路。但是如果没有控制及接口电路的辅助，微机就不能正常工作。 5 扩展槽 扩展槽为p c 机主板和外设提供了信息交换的桥梁，因此，扩展槽又叫i o 通道。 大部分外设都要通过扩展槽及相应接口卡才能与主机进行通信。p c 机i o 通道 的构成逻辑如图2 4 所示。 二目前使用较多的p e n t i u m 系列微机，这些主板的共同特点是： 1 具有基本一致的结构，采用了几乎同样的辅助控制芯片组。 2 主板的r o mb i o s 主要采用a w a r db i o s 和a m ib i o s 等。 3 主板采用二级缓存子系统，有同步突发缓存或异步缓存两种类型，有的主板 还在板上固化了5 1 2 k b 的同步突发式高速缓存。 4 主板支持的内存类型有f p ( 高页方式) 、d r a m 、e d o ( 扩充数据输出) 、d r a m 和s d r a m 等。 5 主板上的接口功能，除了基本的二串一并和e i d e 接口外，有的还支持通用 串口总线u s b 接口和新代的u l t r a d m a 3 3 等先进的接口标准。 6 多数主板有四个i s a 扩展槽和四个p c i 扩展槽。 2 3 i b m p c 系列微机结构框图 另外，有的主板还具有b i o s 可升级性、c d r o m 的自举功能、s o i lm e n u 功能、 6 浙江大学硕士学位论文 晶体碾荡 麟橱陛饕 d i 扣i尸 | 封 r d y _ 【o 垤巨 处 道 理 通 l 嚣l r e a d y 磕备 m 豫b 丁磊1 盟一，就绪 状态线 o 扩 lil 一嘉烈存储器读丽舔 展 s l s ls n 槽 = i 莩诺器写丽l 丽甫c i k 总线 i 0 读i 际 挖制器 i o 写i 玎w c e n 命 令 定时i 地址 逻辑l控恻 允 许 实时钟 并行i 地址 i等待状态逻辑 或 接口l 控错逻辑 。_ j莱 。 数据 统 总线请求h r e q d m ai 地址 总 i l l i 控制 总线应答h o l d 线 * e m i le r 键盘i 地址 ( 仅a t 有) 接口i控斛 c p u 自动过热保护、主板的结构标准采用a t 或a t x 等许多新的先进技术。新 型主板还有a g p ( 先进的图形处理) 总线接口。 兰薰嘉冀椎 嵩| | 浙江大学硕士学位论文 三计算机接口 工控机的控制信号输入、输出，这些功能的实现，都需要依赖于计算机的接口 电路。因此，如何设计工控机的接口电路，是本项目中硬件系统要解决的核心 问题。 随着微型计算机的普及和广泛应用，接口技术已成为十分重要，十分关键的技 术。因为计算机的强大功能往往是由接口外围设备的能力和处理外围信息的能 力表现出来的。 所谓接口( i n t e r f a c e ) 就是微处理器或微机与外界的连接部件( 电路) ，它是c p u 与外界进行信息交换的中转站。从图1 1 可以看出，各类外设和内存，都是通 过各自的接口电路连到微机系统总线上去的，因此用户可以根据自己的要求， 选用不同类型的外设，设置相应的接口电路，把它们连到系统总线上，构成不 同用途，不同规模的应用系统。 通常，内存是在c p u 的同步控制下工作的，故内存接口电路及相应的控制比较 简单。而y o 设备种类繁多，故y o 接口电路逻辑各异，控制较复杂。所以， 接口一般多指i 0 接口。 c p u 与外设( 或总线与外设) 之间的接口，从解决c p u 与外设在连接时存在 的矛盾的观点，一般应具有如下功能： 1 资料缓冲功能 为了解决c p u 高速与外设低速的矛盾，避免因速度不一致而丢失资料，接口中 一般都设置资料寄存器或锁存器。称之为数据口。为了实现c p u 与外设之间的 联络，接口电路还要提供寄存器“空”，“满”，“准备好”，“e ”，“闲”等状态 信号，以便向c p u 报告接口或外设的工作情况，称之为状态口。 9 接受和执行c p u 命令的功能 c p u 对1 1 0 设备的控制命令一般均以代码的形式送到接口的命令寄存器，称之 为命令口，再由接口电路对命令代码进行识别和分析，产生若干个控制信号， 再传到i o 设备，使其产生相应的具体操作。 l o 信号转换功能 由于外设所需的控制信号和它所能提供的状态信号往往与微机的总线信号不匹 配，信号变换就不可避免。因此，信号转换包括c p u 的信号与外设信号的逻辑 关系，时序配合以及电平匹配上的转换，它是接口设计中的一个重要内容。 1 1 设备选择功能 微机系统中一般带有多种外设，同一种外设也可能匹配多台，一台外设也可能 包含多个y o 端口，这就要借助于接口中的地址译码电路对外设进行i o 端口 寻址。与内存的片选，字选操作十分类似，通常将高位地址用于外设接口芯片 的选择，低位地址进行芯片内部寄存器或锁存器的选择，以选定需要与自己交 换信息的设备，只有被选中的设备才能与c p u 进行资料交换或通信。 1 2 中断管理功能 当外设需要及时得到c p u 的服务，特别是在出现故障时，在接口中设置中断控 制器，为c p u 处理有关中断事务( 如发出中断请求，进行中断优先级排队，提 供中断向量等) ，这样既做到微机系统对外界的实时响应，又使c p u 与外设并 行工作，提高了c p u 的效率。 1 3 资料宽度变换的功能 c p u 能直接处理的是并行资料( 8 位，1 6 位或3 2 位等) ，而有的外设( 如串行 通信设备，绘图仪，电传打字机等) 只能处理串行资料，在这种情况下，接口 浙江大学硕士学位论文 就应具有资料“并串”和“串卜并”变换的能力。 1 4 可编程功能 现在的接口芯片基本上都是可编程的，这样在不改动硬件的情况下，只修改相 应的驱动程序就可以改变接口的工作方式，大大地增加了接口的灵活性和可扩 展性。 上述功能并非是每种接口都要求具备，对不同配置和不同用途的微机系统，其 接口功能不同，接口电路的复杂程度也大不一样，但前四种功能是一般接口都 应具备的。 四c p u 与接口之间传送信息的方法 微机与外部设备之间的信息传输实际上是c p u 与接口之间的信息传送。在接口 电路设计时，根据应用系统的要求，在c p u 与外设之间的信息传送采用适当的 信息传送控制方式是至关重要的。传送的方式不同，c p u 对外设的控制方式也 不同，从而使接口电路的结构及功能也不同。传送方式一般有三种：即程序控 制方式，中断方式和d m a 方式。 1 程序控制方式 程序控制方式通常又分为无条件传送和条件传送方式两类。 - 无条件传送方式( 同步方式) 无条件传送方式是一种最简单的输入输出控制方式，它使用简便，所需的硬件、 软件都较简单，其所有的操作是由执行程序来完成的。采用这种传送方式，要 求外设和c p u 始终是准备好的，c p u 直接执行输入或输出指令。也就是说， 无条件传送方式所需的条件就是：c p u 与外设一定要能保证非常准确的同步。 无条件传送方式一般只需要资料端口。 一 查询方式( 条件传送方式) 查询方式是指c p u 在传送资料之前，要先检查外设是否“准备好”，若没有准 备好，则继续查询其状态，等待外设，直至外设准备好了，即确认外部设备已 具备传送条件之后，才能进行资料传送。显然，在这种传送方式下，c p u 每传 送一个资料，需要花费很多时间来进行等待外设进行数据传送的准备，因此c p u 的效率很低，且c p u 与外设不能同时工作。但实现这种传送方式的硬件接口电 路简单，在c p u 不太忙且传送速度要求不高时，可以采用。采用查询方式的接 口一般需要两个端口，即数据端口和状态端口。 2 中断方式 采用中断方式传送信息时，不需要反复查询外部设备的状态。当外设已准备好， 需要和c p u 交换数据时，它就通过i o 接口给c p u 一个中断请求信号。c p u 响应接口的中断请求，暂停正在执行的程序( 通常称为主程序) ，插入i o 操作 程序( 称为中断服务子程序) ，完成数据传送。由于c p u 省去了对外设状态查 询和等待的时间，从而使c p u 与外设可以并行地工作，因此大大提高了c p u 的效率。 3 d m a 方式 中断方式由于下面的两个因素不适用于大批量的数据高速传输：一是在中断方 式下，i o 仍需通过c p u 执行肘、o u t 、m o v 等指令来实现外设与内存之间 的信息传送，因为上面诸条指令的执行会花费不少的时间；二是每次中断的进 入或返回，以及现场保护要花去大量的时间。采用d m a ( 直接存储器存取) 方 法，使c p u 不参加数据i o ，而是由d m a 控制器d m a c 来实现内存与外设之 间、外设与外设之间的直接快速传送，从而减轻了c p u 的负担。 1 9 浙江大学硕士学位论文 d m a 方式把i o 操作过程中外设与内存交换信息的控制交给了d m a 控制器， 实质上是在硬件控制下而不是c p u 软件的控制下完成数据的传输，大大提高了 传输速率，这对大批量数据的高速传送特别有用。 五总线 接1 2 1 电路中另一个关键的问题就是计算机的系统总线，采用总线结构是微型计 算机系统最显著的特点之一。微型计算机的系统总线主要用于主c p u 与磁盘驱 动器、显示器、打印机等众多外设之间传送数据。 总线是指连接计算机各部件或计算机之间的一束公共信息线，它是计算机中传 送信息代码的公共途径。在计算机总线中，传送的信息代码是用电平来表示的， 而且在某一瞬间只能允许一个发送门打开向总线上发送信息，而不允许几个发 送门同时向总线申请上发送信息代码，即不同的发送门需要在不同的时刻发送 信息。换言之。总线是分时复用的。 总线是连接多个数据系统的公共信息通道。从这个意义上将，微型计算机应用 系统所使用的芯片内部、电路插件板元器件之间、系统各插件板之间、系统与 系统之间的连接，通常是通过总线来实现的。根据总线在微机系统中所处的位 置不同，可将总线分为以下几类： 1 片内总线 顾名思义，片内总线位于微处理器芯片内部，是a l u 、各种寄存器及功能单元 之间的信息通道。 2 片间总线( 又称元件极总线或局部总线) 该总线限制在一块电路板内，用以实现电路板内各元器件的相互连接的信号线。 将各接口芯片与c p u 连接就必须考虑这类总线。片间总线通常包括地址总线、 数据总线和控制总线。 3 内总线( 又称微机总线或接插件总线，一般称为系统总线) 它用于微机各插件电路板间的相互连接，是微机系统最重要的一种总线。一般 谈到微型计算机内部的系统总线，所指的就是这种总线。有的系统总线由c p u 引脚定义经过重新驱动和扩展而成，其性能与某种c p u 有关。但不少系统总线 并不依赖某种型号的c p u ，可为多种型号c p u 及配套芯片所使用。在用各种插 件来组成或扩展微机系统时，就要选用适当的系统总线，并严格按总线的规定 来制作插件板，并严格按总线的规定来制作插件板。 4 外总线 外总线主要用于微机系统与微机系统之间、微机系统与其他仪器或设备之间的 连接线。 外总线用于实现微机系统与其他系统或设备的通信。一般来讲，外部系统或设 备相距微机系统要远些，它们之间的通信可以用并行方式或串行方式来实现， 但数据传输速率可能会低些，不像内总线那样都是并行的高速总线。因此，对 于不同的应用场合，应该采取不同的外总线。常用的外总线有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 、 e e 4 8 8 、现场总线等。 图2 5 是微型计算机各级总线示意图。 在接口设计中，经常要与各种总线打交道。这些总线通常有几十至上百根信号 线，根据其功能大致可分为以下几类： 1 地址总线：微机用来传送地址信息的信号线。地址线的数目决定了直接寻址 的范围。例如，2 0 根地址线可直接寻址1 m b 地址空间，3 2 根数据线可直接 浙江大学硕士学位论文 寻址4 g b 的内存空间。地址总线均为单向、三态总线。 2 数据总线：传送数据和代码的总线，通常为双向、三态总线。 3 控制总线：传送控制信号的总线，用来实现命令或状态传送、中断请求、d m a 传送控制，以及提供系统使用的时钟和复位信号等。控制总线是一组很重 要的信号线，它决定了总线的功能。好的总线控制功能强，传输速率高， 时序简单且使用方便。 主机板 2 5 计算机各级总线的关系 4 电源和地线：决定总线使用的电源种类及地线分布和用法。 5 备用线：留作功能扩充和用户的特殊要求使用。 通常，微机系统总线都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚通过总线连在 一起。总线接口引脚的定义、传输速率的设定、驱动能力的限制、信号电平的 规定、时序的安排以及信息格式的约定等，都有统一的标准。外总线则使用标 准的接口插件，其结构和通信规约也是标准的。 目前市面上常见的p c 机控制板卡，按其总线类型划分，可大致分为两类：1 i s a 总线类型。2 p c i 总线类型。 1 i s a 总线 i s a 总线又称a t 总线，是在p c a t 微机上所配备的扩展系统总线。 p c a t 的扩展总线系统设计的最大速度为8 m h z ，而最佳的数据传输率为 2 0 m b s 。由于c p u 的执行速度更快，因此要增加额外的等待周期，方能使扩 展总线与c p u 之间进行数据传送。改善的方法是在总线控制器中增加缓冲器， 作为高速的微处理器与较低速的a t 总线之间的缓冲器，从而使a t 总线可以在 比c p u 低得多的环境下工作。 由于i b m p c ，) c r a t 系列总线的开放性，全世界的p c 机制造商纷纷向i b m - p c 靠拢，从而使i b m - p c 系列风靡全球。为了满足众多p c 兼容机厂商的要求， 美国电气和电子工程师协会( m e e ) 成立了一个委员会，并确定以p c a t 总线 为标准，称之为工业标准体系结构i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) ，即i s a 总线标准。 s a 总线的数据总线为1 6 位，地址总线为2 4 位，中断数目为1 5 个，并提供了 中断共享功能，而d m a 通道也由p c t 总线的4 个扩充到8 个。从而，这种 1 6 位的扩展总线一直是各制造厂商严格遵守的标准，至今仍广泛都使用。 2 p c i 局部总线 塑垩盔兰堡主兰垡堡壅 一 1 9 9 1 年，i n t e l 公司首先提出了p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti m e r c o n n e c 石o n ) 总线的 概念，并与i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等公司联合，于1 9 9 3 年推出p c 局部总线标准p c i 总线。 第三节项目硬件设计 本项目中，工控机接口部分选用e v o c 公司提供的增强型多功能数据采集卡， 型号为p c l 8 1 2 p g ，通过数据线与相应的p c l d - 7 8 2 数据输入卡与p c l d - 7 8 5 数据输出卡相连，从而完成整个系统的a d ，d a 转换，开关量数据输入输出等 一系列功能。 1 p c l 8 1 2 p g 多功能数据采集卡 p c l 8 1 2 p g 多功能数据采集卡( 见图2 6 ，图2 7 ) 具有a d ，d a ，开关量输入输出 的功能，以下是它的主要技术参数： a t b u s 1 6 位模拟输入通道 可编程a d 增益：x l ，x