计算机控制技术第3章计算机控制系统的硬件技术

1、2022-5-81 第第3章章 计算机控制系统计算机控制系统 的硬件技术的硬件技术3.1主机：工控机、主机：工控机、PLC、单片机、嵌入式、单片机、嵌入式3.2 输入输出接口技术：输入输出接口技术：3.3 计算机控制系统的总线技术计算机控制系统的总线技术串行总线有串行总线有SPI、I2C、RS232、RS485、USB总线总线并行总线并行总线ISA、PCI、STD、PC104总线等总线等 数字量输入输出接口数字量输入输出接口 模拟量输入输出接口2022-5-82 计算机控制系统的硬件主要由四部分组成：计算机控制系统的硬件主要由四部分组成： （1）主机；（）主机；（2）输入输出通道；）输入输出通

2、道； （3）外部设备；（）外部设备；（4）检测与执行机构。）检测与执行机构。 3.1.1 工业控制计算机简称工控机，是专门为工工业控制计算机简称工控机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中的机器设备、业控制设计的计算机，用于对生产过程中的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机经常在生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机经常在比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也很高，比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也很高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。工控机对于扩展性的要求也非常高，辐射等

3、特殊设计。工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备。因此，工控机通接口的设计需要满足特定的外部设备。因此，工控机通常采用模块化的硬件板卡，如处理器板卡、开关量板卡常采用模块化的硬件板卡，如处理器板卡、开关量板卡、模拟量、模拟量I/O板卡、定时板卡、定时/计数板卡、通信板卡等基本计数板卡、通信板卡等基本板卡，可以灵活地组成中、小规模的控制系统。板卡，可以灵活地组成中、小规模的控制系统。 3.1主机主机2022-5-83 3.1.2 可编程序控制器简称可编程序控制器简称PLC，是一种专门为在工，是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制业环境下应用而设计

4、的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。械或生产过程。PLC及其有关的外部设备都按易于与及其有关的外部设备都按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。目前，国内市场占主导地位的而设计。目前，国内市场占主导地位的PLC有德国西有德国西门子门子S7-20030

5、0400系列和新产品系列和新产品S7-1200、1500系列系列；美国；美国A-B公司公司PLC；日本欧姆龙；日本欧姆龙CPM1A系列、三菱系列、三菱FX2N系列、松下电工系列、松下电工FP1等产品。等产品。2022-5-84 3.1.3 单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了中央处理器（上集成了中央处理器（CPU）、存储器（）、存储器（RAM、ROM）、定时器）、定时器/计数器和输入计数器和输入/输出（输出（I/O）接口（）接口（并行并行I/O口、串行口、串行I/O口）等。它们之间互相连接构口）等。它们之间互相连接构成了一个有机的整体，可见单片机

6、就是一种计算机。成了一个有机的整体，可见单片机就是一种计算机。以单片机为核心，扩展一些必要的外围电路就可方便以单片机为核心，扩展一些必要的外围电路就可方便地构成单片机控制系统。这样设计的控制系统，是针地构成单片机控制系统。这样设计的控制系统，是针对控制要求的专用最小系统。对控制要求的专用最小系统。 2022-5-85 嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。简单地说，嵌入式系

7、统集计算机系统的应用软件。简单地说，嵌入式系统集计算机系统的应用软件与硬件于一体，类似于普通计算机中与硬件于一体，类似于普通计算机中BIOS的工作方的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑特点。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。 2022-5-86常用的单片机或嵌入式系统芯片有常用的单片机或嵌入式系统芯片有Intel8051系列单片机；系列单片机；C8051F系列单片机；系列单片机；ATMEL公司的公司的AV

8、R系列单片机；系列单片机；TI公司的公司的MSP430系列单片机；系列单片机；Motorola单片机；单片机；PIC系列单片机；系列单片机；飞思卡尔系列单片机；飞思卡尔系列单片机；STM32系列单片机；系列单片机；ARM系列嵌入式系统等等。系列嵌入式系统等等。 2022-5-873.2 输入输出接口技术输入输出接口技术1.数字量（开关量）输入通道数字量（开关量）输入通道数字量输入通道（数字量输入通道（DI 通道）的任务通道）的任务是把是把生产过程中的开关信号转换成计算机易于接受生产过程中的开关信号转换成计算机易于接受的数字量形式。的数字量形式。在计算机控制系统中，常常需要处理一类最在计算机控制

9、系统中，常常需要处理一类最基本的开关量信号，主要是开关的闭合与断开、基本的开关量信号，主要是开关的闭合与断开、指示灯的亮和灭、继电器或接触器的吸合和释指示灯的亮和灭、继电器或接触器的吸合和释放、马达的启动和停止、晶闸管的通和断、阀放、马达的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭，它们是以二进制的逻辑门的打开和关闭，它们是以二进制的逻辑“1”和和“0”或电平的高和低出现。或电平的高和低出现。2022-5-88（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。号转换为电压信号。（2）RC滤波是用滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰

10、。（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。位在安全电平上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。电压输入。（5）光电隔离是采用光耦隔离器实现计算机与）光电隔离是采用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。外部的完全电隔离。2022-5-892022-5-8102.开关量（数字量）输出开关量（数字量）输出开关量输出通道（开关量输出通道（DO通道）的任务是把计算通道）的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能

11、对生产过程进机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的开关量驱动信号。行控制的开关量驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器构成不同的开关量驱动输出通道。常用放大器构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。动电路等。2022-5-8112022-5-8122022-5-8133.2.2模拟量输入接口

12、模拟量输入接口 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。模拟量输入通道结构计算机可以接收的数字量信号。模拟量输入通道结构组成如图组成如图3-6所示，来自于工业现场传感器或变送器所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模持和模/数转换，通过接口电路以数

13、字量信号进入主数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。该通机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。该通道的核心是模道的核心是模/数转换器，即数转换器，即A/D转换器。转换器。2022-5-814图图3-6模拟量输入通道的结构组成模拟量输入通道的结构组成2022-5-8155. 逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理一个一个n位位A/D转换器是由转换器是由n位寄存器、位寄存器、n位位D/A转转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以五部分组成。现以4位位A/D转换器把模拟量转换器把模拟量

14、9转换为转换为二进制数二进制数1001为例，说明逐位逼近式为例，说明逐位逼近式A/D转换器的转换器的工作原理。逐位逼近式工作原理。逐位逼近式A/D转换原理如图转换原理如图3-12所示。所示。2022-5-816A/D转换器的性能指标转换器的性能指标（1）分辨率）分辨率分辨率是指分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如常用数字量的位数来表示，如8位、位、10位、位、12位等。位等。（2）转换精度）转换精度 A/D转换器的转换

15、精度可以用绝对误差和相对误差来表示。转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差是对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示（3）转换时间）转换时间A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐转换器完成一次转换所需的时间称

16、为转换时间。如逐位逼近式位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转转换器的转换时间为毫秒级。换器的转换时间为毫秒级。2022-5-817图图3-13 8位位A/D 转换器转换器ADC08092022-5-818图图3-14查询方式读查询方式读A/D转换数转换数2022-5-819图图3-16 AD574A单极性单极性/双极性输入电路图双极性输入电路图2022-5-820图图3-17 8路路12位位A/D转换模板转换模板2022-5-8213.2.3模拟量输出接口模拟量输出接口图图3-18 D/A 转换器工作原理转换器工作原理2022-5-822

17、32103210422222REFOUTRFfVIIRDDDD 对于对于 n 位位 D/A 转换器，它的输出电压转换器，它的输出电压VOUT与输入二与输入二进制数进制数B( Dn-1 D0) 的关系式可写成：的关系式可写成：12101210222222nnREFREFOUTnnnnVVVDDDDB D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：芯片型号的依据。主要性能指标有：分辨率；转换精度；偏移量误差；稳定时间。分辨率；转换精度；偏移量误差；稳定时间。2022-5-823图图3-19 DAC0832

18、的原理框图的原理框图2022-5-824图图3-20 DAC0832单缓冲接口电路单缓冲接口电路2022-5-8252022-5-8263.3 计算机控制系统的总线技术计算机控制系统的总线技术 总线是一组信号线，是在多于总线是一组信号线，是在多于2个模块（子个模块（子系统或设备）间相互通讯的通路，也是微处系统或设备）间相互通讯的通路，也是微处理器与外部硬件接口的桥梁，它定义了各引理器与外部硬件接口的桥梁，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，这些连线包括线的信号、电气、机械特性，这些连线包括数据线和地址线、控制时序和中断信号、电数据线和地址线、控制时序和中断信号、电源和地线以及未定义的备用线等

19、。使计算机源和地线以及未定义的备用线等。使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。建立信号联系，进行信息传送和通信。2022-5-827按照数据传输的方式划分，总线可以被分为按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。常见的串行总线有串行总线和并行总线。常见的串行总线有SPI、I2C、RS232、RS485、USB总线等；而总线等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如并行总线相对来说种类要少，常见的如ISA、PCI、STD、PC104总线等。总线等。3.3.2 ISA/EISA总线总线3.3.3 PCI/

20、Compact PCI总线总线2022-5-828（1）RS-232C串行通信总线串行通信总线在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又接口（又称称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。）是目前最常用的一种串行通讯接口。RS-232C是在是在1970 年由美国电子工业协会（年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的

21、用于串行通讯的标准。该标准规定采用一个串行通讯的标准。该标准规定采用一个25 个脚的个脚的DB-25 连连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来种信号的电平加以规定。后来IBM的的PC 机将机将RS-232 简化成简化成了了DB-9 连接器，从而成为事实标准。而工业控制的连接器，从而成为事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用口一般只使用RXD、TXD、GND 三条线。目前在三条线。目前在IBM PC机上的机上的COM1、COM2接口，就是接口，就是RS-232C接口。接口。2022-5-82920

22、22-5-830在在RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑逻辑“1”为为-3 到到-15V；逻辑；逻辑“0”为为+3 到到+15V 。 RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。波特。 2022-5-831（2）RS-485串行通信总线串行通信总线RS-485与与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为称作

23、平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为，另一线定义为B 。RS485采用差分信号负逻辑，采用差分信号负逻辑，-2V-6V表示表示“0”，+2V+6V表示表示“1”。RS485现在多采用的现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为是两线制接线方式，这种接线方式为总线总线式拓扑结构在同式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接一总线上最多可以挂接32个结点。在个结点。在RS485通信网络通信网络中一中一般采用的是主从通信方式，即一个般采用的是主从通信方式，即一个主机主机带多个从机。带多个从机。RS-485的最大传输距离约为的最大传输距离约为1200米，最大传输速率为米，最大传输速率

24、为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传米长双绞线最大传输速率仅为输速率仅为1Mb/s。2022-5-832串口通讯实例2022-5-833（3）USB总线总线USB(Universal Serial Bus)是是1995年年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的等公司联合制定的一种新的PC串行通串行通信协议。信协议。USB协议出台后得到各协议出台后得到各PC厂商、芯片制造厂商、芯片制造商和商和PC外设厂商的广泛支持。外