第2章计算机控制系统的硬件设计技术1

1、计算机控制技术 电子与电气工程学院 第第2 2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术 第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 2.1 2.1 总线技术总线技术2.2 2.2 总线扩展技术总线扩展技术2.3 2.3 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.4 2.4 模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道 2.5 2.5 模拟量输出接口与过程通道模拟量输出接口与过程通道2.6 2.6 基于串行总线的计算机控制系统硬件技术基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7 2.7 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出

2、接口在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连，和过程通道与生产过程相连，输入输出接口和过程通道输入输出接口和过程通道是是计算机控制系统的计算机控制系统的重要组成部分重要组成部分。接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接输入接口和输出接口口和输出接口。外部设备的各种信息通过输入接口送到计。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。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过程通道是在计算机和生产过程之间设置的

3、信息传送和转换通道，它包括换通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道量输入通道、数字量输出通道。 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后的结果通过入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实模拟量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。现对生产过程的控制。计算机控制系统的组成框图计算机控制系统的组成框图接口A/D接口D/A接口2.1 总线技术2.1.1

4、2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类 所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。地址和数据）的一组信号线。 以微处理器为核心，总线可以分为以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线内部总线和外部总线，而，而内部总线又可分为片级总线和系统总线内部总线又可分为片级总线和系统总线。 片级总线片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、包括数据总线、地址总线、控制总线、I I2 2C C总线、总线、SPISPI总线、总线、SCISCI总线等；总线等； 系统总线系统总线包括包括ISAI

5、SA总线、总线、EISAEISA总线、总线、VESAVESA总线、总线、PCIPCI总线等；总线等； 外部总线外部总线包括包括RS-232CRS-232C、RS-485RS-485、IEEE-488IEEE-488、USBUSB等总线。另等总线。另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VMEVME、STDSTD、PC-104PC-104、Compact PCICompact PCI等。等。2.1.2 数据通信技术 计算机测控系统中，很多情况下是由多台计算机测控系统中，很多情况下是由多台PCPC工工控机或单片机控制系统构成所谓的多机系统。控机或单片机控制

6、系统构成所谓的多机系统。 在多机系统中，计算机与设备之间或计算机之在多机系统中，计算机与设备之间或计算机之间需要相互通信，数据共享，而大的测控系统的相间需要相互通信，数据共享，而大的测控系统的相互通信，距离往往有远有近，机型互有区别，不同互通信，距离往往有远有近，机型互有区别，不同类型计算机之间的数据交换依赖于标准的计算机通类型计算机之间的数据交换依赖于标准的计算机通信技术。信技术。1.1.数据通信的基本概念数据通信的基本概念 我们把我们把PCPC机、单片机和外围设备之间的相互数机、单片机和外围设备之间的相互数据交换称为数据通信。据交换称为数据通信。数据通信方式有两种，即并数据通信方式有两种，

7、即并行数据通信和串行数据通信。行数据通信和串行数据通信。 具体的通信方式的选择，取决于通信距离的长具体的通信方式的选择，取决于通信距离的长短，以及对通信通道的资源要求。短，以及对通信通道的资源要求。距离短可考虑采距离短可考虑采用并行通信，距离长则要考虑采用串行方式。用并行通信，距离长则要考虑采用串行方式。 并行数据通信并行数据通信是指数据各位同时进行传送（发送和是指数据各位同时进行传送（发送和接受）的通信方式。接受）的通信方式。 优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，在优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，在硬件上就需要多少根通信线进行数据传输。当传输硬件上就需要多少根通信线进行数据传输。当传

8、输位数多，距离长的时候不适宜用并行方式传输。位数多，距离长的时候不适宜用并行方式传输。 串行数据通信串行数据通信是指数据是一位一位地按顺序进行是指数据是一位一位地按顺序进行传送的通信方式。传送的通信方式。 其突出优点是使用的传输线少，只需要一对传其突出优点是使用的传输线少，只需要一对传输线就可以满足要求，这样大大降低了传送的成本，输线就可以满足要求，这样大大降低了传送的成本，特别适用于远距离通信，当然其传输速度比并行通特别适用于远距离通信，当然其传输速度比并行通信要慢。信要慢。理论上讲，并行传输理论上讲，并行传输N N位数据的时间为位数据的时间为t t，那么串行，那么串行传送的时间至少为传送的

9、时间至少为NtNt，实际上总是大于，实际上总是大于NtNt。2.2.串行通信数据传送方式串行通信数据传送方式 根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：分为三种方式：单工、半双工与全双工。单工、半双工与全双工。 （1 1）单工方式。通信双方设备中发送器与接收）单工方式。通信双方设备中发送器与接收器器分工明确分工明确，只能由发送器向接收器的，只能由发送器向接收器的单一固定方单一固定方向向上传送数据。上传送数据。 （2 2）半双工方式。通信双方设备既是发送器，）半双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，也是接收器，

10、两台设备可以相互传送数据，但某一但某一时刻则只能向一个方向传送数据。时刻则只能向一个方向传送数据。 （3 3）全双工方式。通信双方设备既是发送器，）全双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送两台设备可以同时在两个方向上传送数据。数据。 1).1).异步通信异步通信 异步通信中，数据是一帧一帧的传送，所谓数异步通信中，数据是一帧一帧的传送，所谓数据的帧是指包含据的帧是指包含一个字符代码或一个字节一个字符代码或一个字节的数据，的数据，每一个串行帧的数据格式如下图所示。每一个串行帧的数据格式如下图所示。串行数据通信的方式分为串行数据通信的方式分为异步

11、通信和同步通信异步通信和同步通信两两种，它们的种，它们的主要区别主要区别在于在于信息格式上的不同。信息格式上的不同。 从图中可看出，这种格式是靠起始位和停止位从图中可看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为来实现字符的界定或同步的，故称为起止式协议起止式协议。 起止式异步通信的起止式异步通信的特点特点是：一个字符一个字是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以个字符时，总是以“起始位起始位”开始，以开始，以“停止位停止位”结束，结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。字符之间没有固定的时间间隔

12、要求。 异步通信的信息格式如下表所示。异步通信的信息格式如下表所示。 异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。同步。 若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的步串行通信的可靠性高。可靠性高。 但由于要在每个字符的前后加上起始位和停但由于要

13、在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有约约80%80%。因此，。因此，起止协议一般用在数据速率较慢的起止协议一般用在数据速率较慢的场合（小于场合（小于19.2Kbps19.2Kbps）。在高速传送时，一般要采）。在高速传送时，一般要采用同步协议。用同步协议。2).2).同步通信同步通信 （1 1）同步通信方式的特点）同步通信方式的特点 在传送大量数据时，为了提高传送信息的效率，在传送大量数据时，为了提高传送信息的效率，采用一个采用一个数据块数据块共用一个同步字符作为起始位的格共用一个同步字符作为起始位的格式，叫同步

14、通信方式，如下图所示。式，叫同步通信方式，如下图所示。 （2 2）同步问题的重要性）同步问题的重要性 采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每帧这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每帧信息的开始要加上同步字符。信息的开始要加上同步字符。 异步通信异步通信是是“起起- -止止”方式通信，即在以起始位方式通信，即在以起始位开始、停止位结束的一个字符内按约定的频率进行开始、停止位结束的一个字符内按约定的频率进行同步接收。各字符之间允许有间隙，而且两个字符同步接收。各字符之间允许有间隙，而且两个字符之间的间隔是不

15、固定的。之间的间隔是不固定的。 而在而在同步通信同步通信方式中，不仅同一字符中的相方式中，不仅同一字符中的相邻两位间的时间间隔要相等，而且字符间的间隔也邻两位间的时间间隔要相等，而且字符间的间隔也要求都相等，这是同步与异步通信方式的主要差别。要求都相等，这是同步与异步通信方式的主要差别。2.1.3 通信接口技术 1969 1969年，美国电子工业协会（年，美国电子工业协会（EIAEIA）公布了）公布了RS-RS-232C232C作为串行通信接口的电气标准，该标准定义了作为串行通信接口的电气标准，该标准定义了数据终端设备（数据终端设备（DTEDTE）和数据通信设备（）和数据通信设备（DCEDCE

16、）间按）间按位串行传输的接口信息，规定了接口的电气信号和位串行传输的接口信息，规定了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。 由于采用由于采用单端单端驱动非差分接收电路，存在着传驱动非差分接收电路，存在着传输距离不太远（最大传输距离输距离不太远（最大传输距离15m15m）和传送速率不）和传送速率不太高（最大位速率为太高（最大位速率为20Kbps20Kbps）的问题）的问题，因而需要制，因而需要制定新的串行通信接口标准。定新的串行通信接口标准。1.RS-232C1.RS-232C总线标准及接口总线标准及接口 串行通信接口标准经过使用和发展，

17、目前已经串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在有几种。但都是在RS-232RS-232标准的基础上经过改进而标准的基础上经过改进而形成的。由于通信设备厂商都生产与形成的。由于通信设备厂商都生产与RS-232CRS-232C制式制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。在微机通信接口中广泛采用。 RS-232C RS-232C标准（协议）的全称是标准（协议）的全称是EIA-RS-232CEIA-RS-232C标标准，准，其中其中EIAEIA代表美国电子工业协会，代表美国电子工业协会，RSRS代表推荐代表

18、推荐标准，标准，232232是标识号，是标识号，C C代表代表RS-232RS-232的最新一次修改的最新一次修改（19691969）。目前在）。目前在PCPC机上的机上的COM1COM1、COM2COM2接口，就是接口，就是RS-232CRS-232C接口。接口。2021-9-24计算机控制技术20RS-232-C总线的接口连接器采用DB-25插头和插座，其中阳性插头（DB-25-P）与DTE相连，阴性插座（DB-25-S）与DCE相连。 RS-232-C总线的机械特性总线的机械特性RS-232-C 25个引脚只定义了个引脚只定义了22个。个。通常使用的通常使用的RS-232-C接口信号只有

19、接口信号只有9根引脚，其插头根引脚，其插头插座在插座在RS-232-C的机械特性中都有规定。的机械特性中都有规定。最基本的三根线是发送数据线最基本的三根线是发送数据线2、数据线、数据线3和信号地线和信号地线7（1 1）DB-9DB-9连接器连接器: :使用使用DB-9DB-9连接连接器，作为提供多功能器，作为提供多功能I/OI/O卡或主板卡或主板上上COM1COM1和和COM2COM2两个串行接口的连两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的接器。它只提供异步通信的9 9个信个信号，其引脚及外形见右图所示。号，其引脚及外形见右图所示。 2)2)联络控制信号线联络控制信号线 数据终端准备好（数据终

20、端准备好（Data terminal ready-Data terminal ready-DTRDTR）-有效时有效时（ONON），表明数据终端可以使用。），表明数据终端可以使用。 数据通信设备准备好（数据通信设备准备好（Data set ready-Data set ready-DSRDSR）-有效时有效时（ONON）, ,表明数据通信设备处于可以使用的状态。表明数据通信设备处于可以使用的状态。这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始态信号有效，只表示设备本身可用，

21、并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送（请求发送（Request to send-Request to send-RTSRTS）- -用来表示请求发送数据，即当终端要用来表示请求发送数据，即当终端要接收数据时，使该信号有效（接收数据时，使该信号有效（ONON状态）。状态）。 允许发送（允许发送（Clear to send-Clear to send-CTSCTS）-用来表示准备好接收发来的数据，是对用来表示准备好接收发来的数据，是对请求发送信号请求发送信号RTSRTS的响应信号。的响应信号。接收

22、线信号检出（接收线信号检出（Received-line-detection-RLSDReceived-line-detection-RLSD）- -用来表示已接通通信链路，告知对方准备接收数据。此用来表示已接通通信链路，告知对方准备接收数据。此线也叫数据载波检出线（线也叫数据载波检出线（DCDDCD）。）。 振铃指示（振铃指示（Ringing-Ringing-RIRI）-呼叫信号。该信号有呼叫信号。该信号有效时，通知终端，已被呼叫。效时，通知终端，已被呼叫。2 2）数据线）数据线 发送数据（发送数据（Transmitted data-TxDTransmitted data-TxD）-通过通过T

23、xDTxD终端终端将串行数据发送到将串行数据发送到DCEDCE。 接收数据（接收数据（Received data-RxDReceived data-RxD）-通过通过RxDRxD线终端线终端接收从接收从DCEDCE发来的串行数据。发来的串行数据。3 3）地线）地线 SG- SG-信号地和保护地信号线，无方向。信号地和保护地信号线，无方向。 上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，若示了接口信号的传送过程。例如，若DTEDTE要发送数要发送数据，则预先将据，则预先将DTRDTR线置成有效（线置成有效（ONON）状态，等）状态，

24、等CTSCTS线线上收到有效（上收到有效（ONON）状态的回答后，才能在）状态的回答后，才能在TxDTxD线上线上发送串行数据。发送串行数据。 RS-232C RS-232C的电气特性的电气特性 EIA-RS-232C EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。都作了规定。 在在TxDTxD和和RxDRxD上：逻辑上：逻辑1 1（MARKMARK）=-3V=-3V-15V-15V 逻辑逻辑0 0（SPACESPACE）=+3V=+3V+15V+15V 在在RTSRTS、CTSCTS、DSRDSR、DTRDTR和和DCDDCD等控制

25、线上：等控制线上： 信号有效（接通，信号有效（接通，ONON状态，正电压）状态，正电压）=+3V=+3V+15V+15V 信号无效（断开，信号无效（断开，OFFOFF状态，负电压）状态，负电压）=-3V=-3V-15V-15V 因此，实际工作时，应保证电平在因此，实际工作时，应保证电平在（3 31515）V V之间。之间。 RS232RS232的信号传输模式如图所示。的信号传输模式如图所示。由上图可知，由上图可知，RS232RS232的信号标准电位是参考地线而来的，传的信号标准电位是参考地线而来的，传输端参考接地端输端参考接地端1 1来传送数据；接收端则参考接地端来传送数据；接收端则参考接地端

26、2 2来还原来还原出传输端的信号；在两个接地端同电位的前提下，传输端与出传输端的信号；在两个接地端同电位的前提下，传输端与接收端的信号会呈现出相同的结果。如果有噪声进入到传输接收端的信号会呈现出相同的结果。如果有噪声进入到传输线路中，可能会产生干扰。线路中，可能会产生干扰。 干扰信号在地线和信号上均会产生影响，原始信号在加干扰信号在地线和信号上均会产生影响，原始信号在加上干扰信号后依然传送到接收端；而地线部分的信号则被地上干扰信号后依然传送到接收端；而地线部分的信号则被地电位给抵消掉了，因此信号发生了扭曲，当然整个信号就不电位给抵消掉了，因此信号发生了扭曲，当然整个信号就不对了。如下图所示。对

27、了。如下图所示。主要特点：主要特点：单端驱动单端接收单端驱动单端接收, 不平衡驱动非差分接收电路不平衡驱动非差分接收电路,数据传输速率低，传输距离短。数据传输速率低，传输距离短。2.RS-4852.RS-485串行通信串行通信 RS-485 RS-485的信号在传送出去之前会先分解成的信号在传送出去之前会先分解成正负正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。成原来的信号。如果将原始的信号标注为（如果将原始的信号标注为（DTDT）, ,而被分解后的信号分别标注为（而被分解后的信号分别标注为（D+D+）和（）和（D-D-），），则则原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的运算关系为：运算关系为： （DTDT）= =（D+D+）- -（D-D-） 同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的关系还原成原来的样子。其信号的传输方式如下图关系还原成原来的样子。其信号的传输方式如下图所示。所示。 如果传输线路受到干扰，如下图所示。这时，在两条传如果传输线路受到干扰，如下图所示。这