2计算机测控系统_软硬件介绍

计算机测控系统 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 硬件技术 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 2 计算机测控系统硬件技术2 1测控系统主机2 2系统总线技术2 3测控系统过程通道 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 2 1测控系统主机 测控系统主机 主机是测控系统的核心 构建测控系统的主机类型种类繁多 一般可分为如下几类 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 2 1测控系统主机 嵌入式处理器 嵌入式微控制器 Micro ControllerUnit MCU 嵌入式微处理器 MicroProcessorUnit MPU 嵌入式DSP处理器 DigitalSignalProcessor DSP 嵌入式片上系统 SystemOnChip SoC 20世纪70年代出现 目前嵌入式处理器品种总量已经超过1000多种 30多个系列 相对于设备级系统主机 嵌入式处理器具有体积小 质量轻 成本低 高可靠性等优点 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 2 1测控系统主机 嵌入式处理器 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流 约占嵌入式市场70 的份额 典型代表是单片机 单片化 体积小 功耗低 可靠性高 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 2 1测控系统主机 嵌入式处理器 2 嵌入式微处理器 由通用计算机中的CPU演变而来 主要特征是具有32位以上的处理器 具有较高的性能 与计算机处理器不同的是 实际应用中只保留了与应用紧密相关的功能硬件 去除了冗余功能 以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 2 1测控系统主机 嵌入式处理器 3 嵌入式DSP处理器 专门用于信号处理方面的处理器 其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计 具有很高的编译效率和指令执行速度 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 2 1测控系统主机 嵌入式处理器 4 嵌入式片上系统 用户不需要再像传统的设计一样 绘制庞大复杂的电路板 只需要使用精确的硬件描述语言 直接生成可以交付芯片生产厂家生产的网表文件 最大的特点是实现了软硬件无缝结合 逻辑核 CPU 时钟电路 定时器 中断控制器 串并行接口 用于各种IP核之间的粘合逻辑等等 存储器核 易失 非易失 Cache等存储器 模拟核 ADC DAC PLL等 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 2 1测控系统主机 工控机 工控机是一种加固的增强型个人计算机 即工业PC 一方面继承了个人计算机丰富的软件资源 使其软件开发更加方便 另一方面在结构上采用总线结构 实现模块化 工控机与个人计算机的主要差别 取消了PC中的母板 变成通用的底板总线插座系统 将母板分成几块PC插件 如CPU板 存储器板等 把原PC电源改造成工业电源 采用密封机箱 内部正压送风 配以相应的工业应用软件 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 2 1测控系统主机 工控机 机箱 一般采用全钢机箱 增强了抗电磁干扰能力 一般要求配置双冷风扇 用于解决高温环境下的散热问题 同时保持机箱内空气正压 另外要求装有滤尘网 机箱一般设计成卧式 基于国际机柜标准 重心低 适合多机架安装 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 2 1测控系统主机 工控机 无源底板 电源不安装在底板上 底板以总线结构形式设计成多插槽的底板 所有的电子组件均采用模块化设计 最多可扩充至20块板卡 降低了死机概率 简化了查错过程 板卡插拔方便 能够快速修复 升级简便 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 2 1测控系统主机 可编程控制器 可编程序逻辑控制器 ProgrammableLogicController PLC 是由继电器控制系统发展而来的 它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置 专为在工业现场应用而设计的一类控制器 克服了继电器接触器控制系统中的机械触点的接线复杂 可靠性低 功耗高 通用性和灵活性差的缺点 将计算机的编程灵活 功能齐全 应用面广等优点与继电器系统的控制简单 使用方便 抗干扰能力强 可靠性高 价格便宜等优点结合起来 机械结构力学及控制国家重点实验室 13 2 1测控系统主机 可编程控制器 程序采用 顺序扫描 不断循环 的方式进行工作 在PLC运行时 CPU根据用户按控制眼前编制好并存于用户存储器中的程序 按指令步序号 或地址号 作周期循环扫描 如无跳转指令 则从第一条逐条顺序执行至程序结束 然后返回第一条指令 开始下一轮扫描 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 2 1测控系统主机 可编程控制器 机械结构力学及控制国家重点实验室 15 2 1测控系统主机 可编程自动化控制器 为了满足现代化工业应用所提出的各项要求 将PLC型的确定性控制与基于PC系统的灵活组态和企业集成功能结合 形成一种新型的控制系统 即可编程序自动化控制器 ProgrammableAutomationController PAC 结合了PC处理器 内存及软件 并且拥有PLC的稳定性 坚固性和分布式本质 采取开放式架构 兼容性高 整合性强 价格低廉 升级容易 机械结构力学及控制国家重点实验室 16 2 1测控系统主机 PAC与PLC及PC的区别 与PLC相比 具有开放的体系结构和优秀的互操作性 灵活性 与PC相比 具有更高的稳定性和更好的实时性 形式与传统的PLC很相似 但内部性能却大相径庭 PAC是一种多功能控制器平台 包含多种用户可以按照自己意愿组合 搭配和实施的技术和产品 PLC是基于专有架构的产品 仅具备制造商确定的性能 PLC的性能依赖于专用的硬件 应用程序依靠专门的硬件芯片实现 对于功能的改进 需要使用不同的硬件 PAC设计了通用的 软件形式的控制引擎用于应用程序的执行 与硬件平台无关 PAC使用了实时操作系统 所有系统硬件软件功能的控制引擎和应用程序负责 是真正的实时的 确定性的控制系统 PC使用商业操作系统 系统的控制属于操作系统任务的一部分 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 2 计算机测控系统硬件技术2 1测控系统主机2 2系统总线技术2 3测控系统过程通道 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 2 2系统总线技术 系统总线技术 测控系统总线从主机的角度可以分为内部总线和外部总线 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 2 2系统总线技术 常用内部总线 ISA总线 ISA IndustrialStandardArchitecture 总线是8 16位的IBMPC AT系统总线 最大传输速率为8Mb s 具有较好的兼容性 在上世纪80年代是最广泛采用的系统总线 目前在个人PC中 ISA总线已被淘汰 但在计算机测控领域 仍有一定的使用率 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 2 2系统总线技术 常用内部总线 PCI总线 外围组件接口 PeripheralComponentInterconnect PCI 是一种新型的高带宽 处理器无关的总线系统 它既可以作为中间层的总线也可以作为周边总线系统使用 PCI总线也为高速I O设备提供了更好的支持 现行的PCI标准允许在33MHz下使用64根数据线 纯传输速率可达2 11Gb s 另外它适应了现代I O设备对系统的要求 只需要很少的芯片就可以实现并支持其他总线系统 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 2 2系统总线技术 常用内部总线 PCI总线 PCI总线的地址总线与数据总线采用分时复用的工作方式 1 节省了接插件引脚数 2 便于实现突发数据传输 数据总线32位 可扩充到64位 可进行突发数据传输 总线操作与处理器 存储器子系统操作并行 总线时钟频率33MHz或66MHz 最高传输率可达264MB s 中央集中式总线仲裁 全自动配置式即插即用 中断共享 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 2 2系统总线技术 常用内部总线 PXI总线 面向仪器系统PCI扩展总线 PCIeXtensionsforInstrumentation PXI 是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台 PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性 模块化及Eurocard机械封装的特性 采用标准高性能IEC连接器 增加了专门的同步总线 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 2 2系统总线技术 常用内部总线 PXI总线 PXI总线的技术特点 采用业界标准PCI芯片组 以低价格提供高性能 单总线8个槽 可通过PCI桥扩展 欧式插卡结构 高密度气密2mm针孔接头 前面板安装和拆卸 板卡垂直安装 冷却性能优良 强抗冲击和振动特性 支持热插拔 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 2 2系统总线技术 常用内部总线 其它工控机总线 AT96总线 为将ISA总线PC机应用在更恶劣的环境中 提出的一种新的标准总线 ISA总线电气规范 96芯针孔连接器 欧洲卡规范 VME总线 主要在图像处理 工业控制 实时处理和军事通信中应用 CompactPCI总线 紧凑型PCI PCIMG协会与1994年提出来的一种标准 结合了VME密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果 PC机的廉价等优势 AdvancedTCA标准 CompactPCI总线标准上发展起来的 面向电信行业 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 2 2系统总线技术 常用外部总线 RS232C总线 RS232C是由美国电子工业协会在1969年颁布的一种串行物理接口标准 RS是推荐标准 RecommendedStandard 的英文缩写 232为标识号 C表示版本号 RS232C定义了25芯标准连接器中的20根信号线 其中2条地线 4条数据线 11条控制线 3条定时信号线 另外5根引线未定义 目前 常用的是9芯连接器 即9个信号 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 2 2系统总线技术 常用外部总线 RS232C总线 RS232C的一些不足 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 与TTL电平不兼容 需要电平转换芯片 MAX232 传输速率较低 采用共地传输容易产生共模干扰 传输距离有限 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 2 2系统总线技术 常用外部总线 RS422A RS485总线 RS422A相较于RS232C 在传输速率和距离上有了大幅提高 RS485总线将RS422A的双通道全双工结构改为半双工 在某一时刻 数据流单向传输 增加了发送器的驱动能力和冲突保护功能 允许多个驱动器连接到同一条总线上 扩展了总线共模范围 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 2 2系统总线技术 常用外部总线 USB总线 USB UniversalSerialBus 即通用串行总线 1995年Microsoft IBM等公司联合制定的一种新的PC串行通信协议 该协议一出台就得到了众多厂商的广泛支持 另外USB本身也处于不断发展和完善中 目前已发展至3 0版本 5Gs s 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 2 2系统总线技术 常用外部总线 USB总线 USB的技术特点 即插即用 USB具有自动侦测功能热插拔 支持带电插拔各种硬件速度快可扩充 1个USB搭配集线器 最多可扩充127个外部周边USB装置自供电 内置了 5V的电源线 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 2 2系统总线技术 常用外部总线 GP IB总线 GP IB GeneralPurpose InterfaceBus 即通用接口总线 最初是HP公司用于连接计算机和可编程智能仪器的接口总线 由于其高转换速率和广泛的认可 被接收为IEEE 488标准 精确定义了控制器和仪器的通信方式 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 2 计算机测控系统硬件技术2 1测控系统主机2 2系统总线技术2 3测控系统过程通道 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 2 3测控系统过程通道 要实现计算机对生产过程的控制 需要设法给计算机提供生产过程的各种物理参数 这就需要有信号的输入通道 另外还需将计算机的控制命令作用于生产过程 这就需要有信号的输出通道 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道 包括模拟量输入 模拟量输出 数字量输入 数字量输出 脉冲量输入等过程通道 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机 计算机经过计算和处理之后将所得的结果通过模拟输出通道或数字量输出通道送到生产过程 从而实现对生产过程的控制 测控系统过程通道 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 2 3测控系统过程通道 板卡式过程通道 此类计算机测控系统的过程通道其输入 输出装置为板卡的形式 板卡通过计算机内部总线直接与个人计算机相连 模拟量输入板卡模拟量输出板卡开关量输入板卡多功能板卡等 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 2 3测控系统过程通道 板卡式过程通道 PCI1710HG多功能板卡 16路单端或8路差分模拟量输入12位A D转换器 采样率100K 2路12位模拟量输出16路数字量输入16路数字量输出定时器 计数器 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 2 3测控系统过程通道 板卡式过程通道 PCI1760多通道继电器控制卡 8路隔离数字量输入8路继电器输出通道 2路单刀双掷 6路单刀单掷2路光电隔离PWM输出通道8通道16位加计数器 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 2 3测控系统过程通道 模块式过程通道 远程数据采集控制模块提供了A D D A DI DO 计数器等便携功能模块 专为工业现场数据采集与控制设计的 这些模块可以用特定指令集通过RS 485网络或CAN网络控制远端模块 与PLC一样 是目前实现网络化测控系统的主要设备 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 2 3测控系统过程通道 模块式过程通道 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 1 测控系统主机主要有哪些种类 其中按形态分可分为 级和 级 2 嵌入式处理器主要有哪几种 3 嵌入式微处理器一般性能要比微控制器高 对or错 4 工控机为什么采用卧式结构类型 5 工控机可以当作个人PC机使用 个人PC机不一定能当作工控机使用 对or错 6 工控机一般不带USB接口 对or错 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 7 常用的内部总线 外部总线分别有哪些 8 请简述PCI总线与PXI总线的区别有哪些 9 请简述RS 232C总线与RS 485总线的区别有哪些 10 常用测控系统过程通道有哪些形式 各用于什么场合 计算机测控系统 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 软件技术简介 计算机测控软件概述 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 硬件是计算机测控系统的设备基础 只有配备了所需的相关软件 才能构成完整的测控系统 在计算机测控系统中 不同测控对象和不同的测控任务在软件编写上有很大区别 定义 完成各种功能的计算机程序的总和 称为软件 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 42 3 计算机测控系统软件技术3 1测控系统软件主要特征3 2测控系统软件组成3 3测控系统软件开发工具 机械结构力学及控制国家重点实验室 43 3 1测控系统软件主要特征 主要特征 测控系统软件根据特点的应用目标需求 依据用户不同的应用目的和环境而生成 应用程序的设计和开发专用性强 主要包括 实时数据采集 控制策略 闭环输出 报警监视 通信功能 数据存储 系统保护等等 机械结构力学及控制国家重点实验室 44 3 1测控系统软件主要特征 主要特征 开放性 有助于各个系统的互连 兼容 有利于测控系统的设计 建立和实现 实时性 工业生产过程的主要特征之一 多任务性 现代测控系统所面临的应用对象常常是比较复杂的多任务系统 功能多样性 不仅具有很强的数据采集与控制功能 还要支持虚拟仪器 大数据分析 挖掘 测控过程仿真等等功能 智能化 人机界面友好化 网络化集成化等 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 45 3 计算机测控系统软件技术3 1测控系统软件主要特征3 2测控系统软件组成3 3测控系统软件开发工具 机械结构力学及控制国家重点实验室 46 3 2测控系统软件组成 测控系统软件组成 机械结构力学及控制国家重点实验室 47 3 2测控系统软件组成 1 系统软件 系统软件用于管理 调度 操作计算机的各种资源 实现对系统的监控和诊断 提高各种开发支持的程序 主要有 Windows操作系统 DOS操作系统 UNIX操作系统 WindowsCE Linux等等 机械结构力学及控制国家重点实验室 48 3 2测控系统软件组成 2 应用软件 应用软件是面向测控系统本身应用的程序 是为解决某类测控问题而专门研制的软件 具有专用性 测控系统应用程序应具有以下特点 实时性要求 对于复杂的测控任务 应用软件设计应考虑程序执行时间 特别注意采用周期 控制周期 中断周期等在实时性上能否满足要求 可靠性与抗干扰要求 工业现场环境复杂 干扰源多 与硬件配置关联密切 实时性可靠性要求 最大限度地挖掘硬件潜能 机械结构力学及控制国家重点实验室 49 3 2测控系统软件组成 3 软件开发环境 为支持系统软件和应用软件的工程化开发和维护而使用的一组软件 它主要提供给软件开发人员开发软件时使用 由集成在一起的一组软件工具和软件信息库等组成 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 50 3 计算机测控系统软件技术3 1测控系统软件主要特征3 2测控系统软件组成3 3测控系统软件开发工具 机械结构力学及控制国家重点实验室 51 3 3测控系统软件开发工具 概述 开发软件的工具 类型繁多 面向机器的汇编语言 面向过程的编程语言 C语言 面向对象的编程语言 C Java 等等 测控系统软件的功能和指标要求高 采用何种软件编写应用程序 主要取决于系统软件的配置情况和测控系统的要求 机械结构力学及控制国家重点实验室 52 3 3测控系统软件开发工具 软件开发工具之编程语言 面向机器的编程语言直接被计算机理解并执行 速度特快 效率高 语言不直观 开发周期长 难于推广与掌握 高级语言与计算机硬件结构及指令系统无关 具有更强的表达能力