计算机控制技术教案

1、计算机控制系统教案任课教师：王叙职业技术学校教案（理论教学用）第1次课2学时章节第1章绪论讲授主要内容1计算机控制系统概述2计算机控制系统的组成及分类3计算机控制研究的课题与发展方向重点难点1计算机控制系统的组成及分类要求掌握知识点和分析方法.掌握计算机控制系统的基本概念.掌握计算机控制系统的组成与分类.了解计算机控制研究的课题与发展方向授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：讲授为主，对开环系统，闭环控制系统进行实例介绍，与现实生活中的控制系统紧密联系起来。水温控制，锅炉控制板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析

2、重点突出及难点解决：上课开始指出本次课的学习要求相任务，然后讲授相关的知识点，让学生联想日常生活中常见的控制系统，下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师列举生活中的典型的计算机控制系统作业布置.计算机控制系统的硬件。.过程通道的含义及分类。主要参考资料1.见相关书籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注1.1计算机控制系统概述计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。计算机控制系统简单地说就是以计算机替代

3、了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。计算机控制系统产生的原因随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入一多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。1.开环控制系统如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来

4、运动或变化。设定值-lI.控制器k被控对象被控参数图1.1开环控制系统框图2闭环控制系统闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。本章教案设定值被控参数噢一控制器一*被控对象图1.2闭环控制系统框图本章教案（b）有负反馈3计算机控制系统在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A）,如图1.3所示。图1.3

5、计算机控制系统基本框图（闭环）计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：(1)信息的获取计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。(2)信息的处理计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理。(3)信息的输出计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。计算机控制系统的组成在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分。硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础。软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的

6、处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。1.2.2计算机控制系统的硬件组成典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。本章教案CPUMEME操作台(通讯)控制对象1系统图1.4典型的计算机控制系统的硬件组成框图1.主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。它主要完成数据和程

7、序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。2过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：(1)模拟量输入通道完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。(2)模拟量输出通道目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。(3)数字量输入通道数字量的输

8、入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。(4)数字量输出通道数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。3.操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括：(1)信息的显示(2)信息的记录(3)工作方式状态的选择(4)信息输入4.通讯

9、设备随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。1.2.3计算机控制系统的软件组成对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低.所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。1系统软件系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度

10、、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。2应用软件应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、C#、C+、VB、VC等。目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。1.2.4计算机控制系统的分类

11、在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类.操作指导系统（OperationGuideCont

12、rol）操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-6所示：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。(1)操作指导系统(OperationGuideControl)计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算

13、，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。.直接数字控制系统(DirectDigitalControl)直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的一类计算机控制系统。其一般Z构如图1-7所示：操作台级处理设过程控制通生产过程图1-7直接数字控制系统.计算机监督控制系统(SupervisoryComputerControl)计算机监督控制系统是一

14、种两级的计算机控制系统。如图1-8所示输入通道SCC计算机输出通道数字(或模拟)控制器生产过程图1-8计算机监督控制系统该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。.集散控制系统(DistributedControl)集散控制系统又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中操作、分级管

15、理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。.现场总线控制系统(FieldBusControlSystem)现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用

16、现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之o6.计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造的概念是在70年代美国的一名叫哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验

17、出厂一体化的模式。随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。由于其涉及面广，应用存在的困难较多，所以许多CIMS工程在规划实话中都提出了整体规划分步实施的策略。尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实使企业真正走向现代化的方向。职业技术学校教案（理论教学用）第2次课4学时章节第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构讲授主要内容.传感器和变送器.过程控制中常用的执行器.运动控制中常用的执行机构重点难点.

18、传感器和变送器原理；.步进电动机。要求掌握知识点和分析方法.传感器和变送器原理；.掌握传动机构的原理。授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：本章内容覆盖面广,涉及控制领域的前向通道和后向通道，传感器及变送器原理，执行机构等多个学科。因此只要求学生掌握正确的分析方法。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：实例介绍师生互动：教师和学生共同举出在实际中的例子。作业布置.电动机，流量计，伺服系统等等。.举出在实际中利用上述元件设备的例子。主要参考资料1.见相关书

19、籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注珀图1锅炉水温控制系统斡1%建隹立声可声2.1传感器和变送器传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量（如温度、压力、流量、液位、成份等）和电、气信号（如电流、电压、频率、气压信号等）转换成该系统统的标准信号。因此，变送器的性能、精度等指标对控制系统影响重大。2.1传感器和变送器2.1.1信号传输及供电的四线制与两线制变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。

20、气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输电源和输出信号。本章教案二线制变送器电源-0（a）二线制变送器（h）四线制变送器信号源R1_24VDC电源负载|（调节器,记录仪等）变送器信号的远距离传输决定于被测变量HART协议智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通讯电缆中同时传输420mA电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通讯方式。智能式变送器的电源也由通信电缆传输。2.1.2压力检测及变送液注式压力检测：依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。U型管压力计、单管压力计、

21、补偿微压计等。结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响。一般用于测量较低压力、真空度或压力差。弹性式压力检测：根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来实现压力测量。主要有弹簧管、膜片和波纹管等负荷式压力检测：利用静压平衡原理进行压力测量。典型仪表：活塞式、浮球式和钟罩式。普遍用作标准仪器对压力仪表进行标定。电气式压力检测：利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。具有较好的动态响应，特性量程范围大，线形好，便于进行压力的自动控制。其它压力检测方法：弹振式压力计、压磁式压力计。IL差动平板式电容传感器结构图测量部分的作用是通过电容

22、式压力传感器及相关电路把被测差压？p成比例的转换成为差动电流信号Id。差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id,经放大后转换成420mA输出电流。测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压？p成比例的转换成为差动电流信号Id。差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id,经放大后转换成420mA输出电流。测温方法分类接触式测量：基于物体的热交换原理设计而成。优点：较直观、可靠，系统结构相对简单，测量准确度高。缺点：测温有较大滞后，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差，不能测量移动或太小的物体。测温上限

23、受到温度计材料的限制，故所测温度不能太高。接触式测量主要仪表：基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度检测仪表；基于密闭容器内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻随温度变化而变化的热电阻温度检测仪表基于热电效应的热电偶温度检测仪表。基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触测量基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而设计的。优点:测温范围广，测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测量运动物体；测温响应速度快。缺点：所测温度受物体发射率、中间介质和测温距离的影响。主要仪表：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。其他测量技术：光纤测温技术、集成

24、温度传感器测温技术等工业上常用的（已标准化）热电偶有：钳铐30-钳铐6热电偶（分度号为B）、钳铐10-钳热电偶（分度号为S）、馍铭-馍硅（馍铭-馍铝）热电偶（分度号为K）等。引言：先看一个实验热电偶工作原理演示热电极A左端称为：测量端/（工作端、热7端）结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势热电偶测温原理热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定电动势门+OO1OA-Oe*E电场接触电势eAB（T）.答eNbk玻耳兹曼常数；T接触面的绝对温度；e单

25、位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NB金属电极B的自由电子密度*电场温差电势（汤姆逊电势）T eA(T,To) 1 dTT08 汤姆逊系数，它表示温度为 1C时所产生的电动势值,它与材料的性质有关。Eab(T,To)eAB(T)eA(T,To)eAB(T。)eB(T,T。)eAB(T) eAB (T0 )kNA.T To)ln-A eNbT。)eB(T,T。)TT(AB)dtT0结论1)热电极A和B为同一种材料时，NA=NB,8A=8B,则EAB(T,T0)=0。2)若热电偶两端处于同一温度下，T=T0,贝UEAB(T,T0)=0。3)热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金属材料组成

26、热电偶，二、它的两端存在温差。T%EaB(T,To)eAB(T)0(AB)dteAB(To)T(AB)dtf(T)f(T0)热电势是t和TO的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0C时，f(T0)=0则有：Eab(T,To)f(T)E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T,热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。热电阻测温原理热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变(当温度变化范围不是很大时)，但每个自由电子的动能将增

27、加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种。热电阻传感器是把由温度变化所引起导体电阻值的变化，通过测量电路转换成电压(毫伏)信号，然后再显示被记录的温度。热电阻两线测量桥路热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种为了消除和减小引线1电阻影响，米2一引出线常用的热电阻钳热电阻：钳材料的优点是：物理，化学性能稳定，抗氧化能力强，并且有较宽的测量范

28、围。钳热电阻的阻值与温度间对应的特性曲线如下：钳热电阻(1200C以下)当-200CWtW0C时Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3当0CWtw850C时Rt=R0(1+At+Bt2)Rt温度为tC时钳热电阻的阻值；R0温度为0c时钳热电阻的阻值；A、B、C温度系数，它们的数值分别为A=3.90802X10-3(1/C),B=-5.802X10-7(1/C2),C=-4.27350X10-12(1/C4)。铜热电阻(-50150c)(1)在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎成线性关系，即可近似表示为Rt=R0(1+at)式中a电阻温度系数，a=(4.254.28)/C(2)电

29、阻温度系数比钳高，而电阻率比钳低。(3)容易提纯，加工性能好，价格便宜。(4)易氧化，不宜在腐浊介质或高温下工作。3多轴步进电机控制技术数控机床的驱动元件常常是步进电机。步进电机是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数决定于指令脉冲的总数，而刀具移动的速度则取决于指令脉冲的频率。步进电机不是连续的变化，而是跳跃的，离散的。步进电机：脉冲电机，给一个脉冲电机转一下。它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模(D/A)转换器。步进电机的工作原理步进电机控制接口及输出字表步进电机控制程序数控系统设计举例一一三轴步进电机控制步进电机的工作原理(

30、1)步进电机的结构：一句话，内转子和定子构成。定子：定子上有绕组，教材上这个电机是三相电机，有3对磁极，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等等。三对磁极分别为A、B、C,通过开关轮流通电。转子：上面带齿。为了说明问题，这里只画了4个齿。(其实一般有几十个齿)(2)工作原理：对于三相步进电机的A、B、C这三个开关，每个开关闭合，就会产生一个脉冲，现在我们一块看一下工作过程。初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。这就相当于初始化。当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，产生一个扭矩，使得转子的1

31、、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。很明显，这时转子移动了一个齿距角。如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那对A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍。对A、B、C三相轮组轮流通电一次称为一个周期。从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。

32、由于按A-B-C-A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动了360。空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。在图中，车t子的齿数为4,故齿距角90。，转动了一个齿距也即转动了90。同样的，如果转自由40个齿，则转完一个周期是9。齿踞角和步踞角:对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z,它的齿距角。Z为。Z=2兀/Z=360/Z而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。步进电机的步距角0可以表示如下0=0Z/N=360/(NZ)其中：N是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。对于三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是。=360/(3X4)=30对于转子有40个齿且采用三拍方式的步

33、进电机而言，其步距角是。=360/(3X40)=33.2步进电机的工作方式.步进电机单三拍工作方式.步进电机的双三拍工作方式.步进电机的三相六拍工作方式1.单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电，其余的绕组断开。绕组的通电顺序：A-B-C-A-电压波形在这里，步进电机是由脉冲控制的。而脉冲的输出受计算机的控制。2.步进电机的双三拍工作方式绕组的通电顺序：ABBCCA电压波形3.步进电机的三相六拍工作方式绕组的通电顺序：AABBBCCCAA电压波形 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark77 o Current Document AJ|Ib_rIcII|L职

34、业技术学校教案（理论教学用）第4次课2学时章节第3章计算机总线技术讲授主要内容.总线的基本概念.内部总线重点难点1.总线的概念和分类；要求掌握知识点和分析方法.总线的基本概念；.常用的计算机总线。授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：总线是一组线的集合，它定义了引线的电气，机械，时序等性能，用于实现计算机内部各个部件之间的相互通信，由于是集成在芯片内部，比较抽象，所以我们将总线按照各类定义进行了分类。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：本节的重点在理解

35、总线的定义和作用，并能列举常用的计算机总线。下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师和学生共同对相关问题讨论计算。作业布置.什么是总线，计总线的分类。.简述PCI总线的性能和特点。主要参考资料1.见相关书籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注计算机总线技术?随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。?芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、CoreConnect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。?工

36、业控制的PROFIBUS,FF等现场总线技术。总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/S,PCI-X可达1GB/S,系统总线传输速率也由66MB/S提高到100MB/S甚至更高的133MB/S、150MB/S、200MB/S。?总线的基本概念?内部总线?外部总线总线的基本概念总线的定义：总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。总线的特点?规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性?为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路?采用

37、总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性总线的分类按照总线内部信息传输的性质，总线可分为?数据总线：DB用于传送数据信息地址总线:AB是专门用来传送地址的?控制总线:CB控制总线包括控制、时序和中断信号线电源总线:PB用于向系统提供电源总线的分类按照总线在系统结构中的层次位置，总线可分为?片内总线(On-ChipBUS)在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路?内部总线(InternalBus)用于计算机内部模块(板)之间通信?外部总线(ExternalBus):又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信根据总线的数据传输方式，总线可分为并行总线：每个信号都有自己的信号

38、线串行总线：所有信号复用一对信号线总线的分类 TOC o 1-5 h z 地址息线ABI一vJ内存储器L0接口三I。设备微处理器数总值DB?卜部总统EISAMC和PCk11用机型一80286t3S6486系列机J3S6r436r5S(5IBM系列机小乙书5EM-PC系列加IBM个人机马工作站4P$个人机，|PowerPCAlpha工作站口最大传输率;33MBJ财2M6“33MB/科133MB/科k绽宽度4初6位Q32位一辞16位32位不总线频率一8MHz平833MHe2MHza10MHz-2。笈同步方式裂举1司步产后以司明p异步产司步.地址宽度/24?24P3”嵬用4小负载能加诉加无限制口无限

39、制3限号或机映1435徐12皿前位扩展小RJ/无规定健小国口可口可/1多路匿用口的非一旧p是，I3.1.4总线控制与总线传输集中式：将控制逻辑集中在一处（如在CPU中）。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。分布式：将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。总线传输总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的，总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：申请分配阶段由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲3裁机构决定在卜一传输周期是否能获得总线使用权；寻址阶段取得了使用权的主模

40、块，通过总线发出本次打算访问的从n模块（或从设备）的存储地址或设备地址及有关命令，启动参u与本次传输的从模块；数据传2阶段主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经口数据总线流入目的模块；结束阶段主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。3.2内部总线?STD总线?PC系列总线STD总线?STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构，尺寸为165X114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制小模板结构，*II板尺寸小，可减少冲击

41、和震动的影响STD总线的信号分配56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类逻辑电源线6根(引线16)(2)数据总线8根(引线714)(3)地址总线16根(引线1530)(4)控制总线22根(引线3152)(5)辅助电源线4根(弓|线5356)PC系列总线-ISA总线MCA:微通道体系结构EISA总线PCI局部总线ISA总线问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准最高传输速率8Mbps寻址空间为16MB将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线MCA总线(MicroChannelArc

42、hitechure)IBM在推出386时提出数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力数据传速率33Mbps在电气及物理上与ISA不兼容IBM没有公布标准-EISA总线-89年，推出486时提出-32位数据总线，支持32位地址通路-总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器-与ISA兼容，支持多个主模块-可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换一一支持多总线主控模块扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板PCI局部总线一一一一一PCI（PeripheralComponentInterconnect,设备部件互连）总线是l种局性能局部总线，它是92年由Intel公司带头

43、制定的设备总线标准支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式具有即插即用功能（PnP）最高传送数据132Mbps兼容性强、成本低职业技术学校教案（理论教学用）第5次课2学时章节第3章计算机总线技术讲授主要内容1外部总线重点难点IEEE-488总线定义；RS232总线定义和RS485;通用USB总线。要求掌握知识点和分析方法1.RS232总线定义；授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：IEEE-488是一种并行的外部总线，用于计算机与测量仪器，输入输出设备，以及这些仪器之间的并行通信；RS-232是一种串行的外部总线，U

44、SB是目前USB接口的基本配置，用得相当广泛。结合实物，讲解每类线的特，也计用途。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：本节的重点和难点理解各类总线的接口定义，用途及相应的典型案例。下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师和学L起对各类总线进行总结，比较他们的优劣。作业布置RS232总线常用的有哪些信号？如何通过该接口实现数据远程发送与接收。USB数据传输的有哪些。主要参考资料1.见相关书籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注3.3外部总线外部总线又称

45、为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线.?IEEE-488总线?RS-232-C总线?RS-422和RS-485总线?通用串行总线（USB）3.3.2RS-232-C总线RS-232-C总线是一种串行外部总线，专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。是1969年由美国电子工业协会（EIA）从CCITT远程通信标准中导出的一个标准。常用的9根引脚分为两类：一类是基本的数据传送引脚基本数据传送引脚包括：TXD、

46、RXD和GND?另一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反映其状态的引脚。?MODEM控制和状态引脚分为两组?一组为DTR和RTS,负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM?另一组为DSR、CTS、DCD和RI,负责从MODEM通过RS-232C接口送给计算机的状态信息RS-232C总线的电气特性电气连接方式主要特点：一非平衡的连接方式一米用点对点通信一公用地线引线信号状态RS-232C标准引线状态必须是以下三种之一，即SPACE/MARK（空号/传号）、或ON/OFF（通/断）、或逻辑0/逻辑1。引线逻辑电平用-3-15V表示逻辑1用+3+15V表示逻辑0?短路抑制性能RS-23

47、2C的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路通信速率一最高通信速率为115200bpsRS-232C标准规定通信距离应小于15m。RS-232-C总线的通信结构具有MODEM设备的远距离通信线路2：522207发送数据接收数据度TSCTS载体检测DSR振铃指示DTR信号地发送数据接收数据RTECTS载体检测DSR振铃指示DTR信号地45线8端622207职业技术学校教案（理论教学用）第6次课2学时章节第4章过程通道与人机接口讲授主要内容.数字量的输入输出通道.模拟量的输出通道；重点难点.数字量输入调理电路.数字量的输出驱动电路。.D/A转换器原理要求掌握知识点和分析方法.掌握常见的输入调理电路，

48、输出驱动电路；.D/A转换器的原理；授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：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，他是计算机进行控制的必经之道，而且现实生活中也能找到相应的连接通道，因此学生必修掌握。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：本节的重点和难点在于如何让学生理解各个通道的具体含有，特征和用途。下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师和学生共同通过试验加深对电感器基本特

49、征的理解。作业布置.什么是过程通道，及组成。.数字量输出驱动电路的三种形式。主要参考资料1.见相关书籍或者报刊2.网络3.杂志和教学参考书备注本章教案第4章过程通道与人机接口过程通道与人机接口过程通道：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，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关里）输出通道。人机接口：计算机和操作人员之间常常需要互通信息，为此计算机和操作人员之间应设置显示器和操作器，其中一种是CRT显示器和键盘，另外一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台等。通常把上述两类设备简称为人机接口。作用：显示生产过程的状况；供

50、操作人员操作；三是显示操作结果。4.1.1数字量的概念及种类（1）?数字量（开关量）的概念开关的闭合与断开指示灯的凫与火继电器或接触器的吸合与释放电机的启动与停止设备的安全状况等。?数字量（开关量）的种类按类型分有电平式和触点式两种?电平式为高电平或彳氐电平?触点式为触点闭合或触点断开，一般又分为机械触点和电子触点。?机械触点：按钮、旋钮、行程开关、继电器等触点?电子触点：晶体管输出型的接近开关和光电触点等?DI的任务：把外界被控对象的开关状态信号、或数字信号送至计算机或微处理器。.数字量输入通道的结构.输入调理电路为了将外部开关量引入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离

51、等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。.小功率输入调理电路.大功率输入调理电路用的几种数字量输入的接线方式在工业现场中，经常用到的数字量输入有：按钮、接近开关、光电开关、旋转编码器等。其中按钮是无源接点，晶体管输出型的接近开关、光电开关和旋转编码器等的输出有NPN和PNP两种方式。下面分别以源极和漏极输入为例，来介绍工业中常见的几种数字量输入的接线方法。.漏极输入输入的数字量输入接线原理框图.源极输入+ 24VMDO的任务：把计算机送出的数字信号(或开关信号)传送给开关器件，如指示灯、继电器,控制它们的通断、闭合或亮、灭等。.数字量输出通道的结构.输出驱动电路晶体管输出驱

52、动电路继电器输出驱动电路固态继电器输出驱动电路(1).晶体管输出驱动电路(2).继电器输出驱动电路有V一一R1输出锁存器负载保险丝1电源DC5-30V职业技术学校教案（理论教学用）第7次课4学时章节第4章过程通道与人机接口讲授主要内容.D/A转换器芯片及接口电路.D/A转换器隔离技术.A/D转换器原理及接口芯片.A/D转换器的外围电路重点难点.D/A转换器芯片及接口电路.D/A转换器隔离技术.A/D转换器原理及接口芯片要求掌握知识点和分析方法.理解D/A转换器芯片及接口电路.理解D/A转换器隔离技术.理解A/D转换器原理及接口芯片.理解A/D转换器的外围电路授课思路，采用的教学方法和辅助手段，

53、板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：A/D、D/A是模拟量转换成数字量和数字量转换成模拟量的芯片，一般是将传感器的输出信号送给A/D,计算机的控制信号送给D/A,以实现对外部设备的控制，因此这部分对干-个准备搞硬件设计的人员非常重要，计算机只能处理数字信号，好控制外部设备，只能间接处理，所以可以提出问题，假设问题，再之解决问题的方式进行。板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：上课开始指出本次课的学习耍求和任务，通过编程讲解加深学生对重点难点的理解和掌握，下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习

54、效果。师生互动：列举正弦交流电路的应用实例后，让学生自己进行举例，并进行讨论。作业布置主要参考资料.见相关书籍或者报刊.网络.杂志和教学参考书备注4.2模拟量输出通道?模拟量输出通道的功能?模拟量输出通道的组成接口电路控制电路数/模转换器(D/A)电压/电流(V/I)变换器等4.2.1D/A转换器原理1.D/A转换器工作原理-D/A转换器输入的数字量是由二进制代码按数位组合起来表示的，任何一个n位的二进制数，均可用表达式DATA=D020+D121+D222+Dn-12n-1来表示。其中Di=0或1(i=0,1n-1);20,21,n-1分别为对应数位的权。-在D/A转换中，要将数字量转换成模

55、拟量，必须先把每一位代码按其权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。-D/A转换器的主要组成基准电压VREFT型(R-2R)电阻网络一位切换开关BSi(i=0,1,，n-1)本章教案运算放大器A-输出电压VOUT与输入二进制数D0Dn-1的关系56VOUT=-VREF(D020+D121+D222+Dn-12n-1)/2nT型网络组成的D/A转换器原理图2.D/A转换器性能指标分辨率反映了D/A转换器对模拟量的分辨能力，定义为基准电压与2n之比值，其中n为D/A转换器的位数。它就是与输入二进制数最低有效位LSB(LeastSignificantBit)相当的输出模拟电压，简称1LSB。在实际使用中，