计算机控制系统电子课件-李正军第2章

1、在第二章总线技术和MODBUS通信协议2.1中总结出，在计算机控制系统的设计中，除了选择微处理器和微控制器来设计自己的硬件系统或者选择现有的智能仪表、集散控制系统等系统外，设计人员还可以根据不同的需要选择一个微型计算机系统(如PC或工业控制PC)，然后配合I/O扩展卡形成一个硬件系统。I/O扩展板是插入微机系统总线以满足控制系统需要的电路板。工业控制计算机的结构是无源背板，具有多个ISA或PCI总线插槽。CPU板为一体式结构，采用工业电源和专用机箱。它具有高可靠性，可连续运行24小时，并与通用电脑兼容。2.1.1总线的概念和分类，以及采用总线结构是微机系统体系结构的特点之一。总线是若干连接的集

2、合，包括数据线和地址线、控制时序和中断信号、电源线和地线以及未定义的备用线。1总线定义总线是计算机模块之间信息传输的通道。它包括信道控制、仲裁方法和传输方式。2总线分类在计算机控制系统中，总线通常分为两部分：内部总线(也称为系统总线)和外部总线。2.1.2总线组成和总线功能，1条总线构成数据总线；地址总线；控制总线；电源。(1)数据总线数据总线是外部设备和总线主控设备之间进行数据传输的数据通道。(2)地址总线地址总线是在外部设备和主设备之间传输地址信息的通道。(3)控制总线控制总线是专用于传输各种控制信号的通道，总线操作的所有功能都由控制总线完成。(4)电源为12V、-12V、5V和-5V，是

3、系统必需的总线。-5V很少使用，5V需要大电流电源。PCI总线还具有3.3V的电源信号，这表明计算机系统向低电压发展的趋势，即电源的种类正在向3.3V、2.5V和1.7V发展。2总线功能总线功能是计算机总线研究的重点。地址总线、数据总线和控制总线的功能如下：数据传输功能；中断功能；多主设备支持功能；错误处理功能。2.2内部总线内部总线是计算机中功能模板之间的通信通道，也称为系统总线，是完整计算机系统的内部信息中枢。由于ISA总线已被淘汰，下面仅介绍流行的标准总线、PCI总线和低通接口总线。2.2.1标准总线标准总线(STD)总线由Pro-Log公司和Mostek公司于1978年首次推出，并于1

4、987年被批准为国际标准IEEE961。1 STD总线STD总线的特点是56条并行计算机总线，具有小模板结构，尺寸为165114毫米，插入标准的56芯插座中，所有56针导线都有精确的定义。STD总线的优点是：模块化的总体设计布局，允许系统设计人员选择所需的功能模块来解决具体问题；开放的系统结构使用户能够根据自己的需要选择各种功能模板，并像积木一样随意组装自己的计算机系统；具有丰富的输入输出功能，可广泛应用于工业控制的各个领域；模板的小尺寸设计消除了冲击和振动。2标准总线的信号分布标准总线定义了与8位/16位微处理器兼容的总线标准，并规定了模板尺寸、总线连接器和引脚分布、信号定义和电气标准。它的

5、56条引线(引脚)按功能可分为五类：6条逻辑电源线(16条引线)；八条数据总线(引线714)；16条地址总线(引线1530)；22条控制总线(引线3152)；四根辅助电源电缆(导线5356)。2.2.2 PCI总线1概述制定PCI总线的目标是建立一个工业标准、低成本、灵活配置和高性能的本地总线结构；它不仅为今天的系统建立了一个新的性能价格比，而且适应了未来中央处理器的特点，可以应用于各种平台和结构。PCI本地总线是一种具有32位或64位地址/数据线多路复用的高性能总线。其目的是在高度集成的外围控制器设备、扩展板和处理器系统之间提供内部连接机制。PCI局部总线已经形成了一个行业标准并被公布。其高

6、性能总线架构满足了不同系统的需求，由低成本PCI总线组成的计算机系统达到了性能价格比的新水平。因此，PCI总线适用于各种平台和架构，PCI局部总线的各种应用如图2-1所示。服务器、高端台式机、低端台式机便携、3.3V 5V、自动配置、64位升级路径、X86架构、Alpha AXPTM、未来的CPU处理器系列、图2-1 PCI局部总线应用、PCI总线规范为多种产品的生产建立了高性能局部总线标准。PCI规范提供参数选择，以实现不同的性能/价格指数，并允许在不同的系统和组件级别应用。为了管理数据和寻址、接口控制、仲裁和系统操作，单个目标设备的PCI接口至少需要47个引脚，主设备至少需要49个引脚。图

7、2-3显示了按功能组划分的引脚，左侧为所需引脚，右侧为可选引脚。JTAG (IEEE 1149.1)，支持高速缓存、中断、64位扩展、PAR64 REQ64# ACK64#、地址和数据、clkrst #、req # gnt #、perr # serr #、pra、PCI兼容设备、AD3100、C/BE74#、C/BE30#、AD6332、接口控制、接口控制、错误报告、仲裁(仅适用于主控制)、系统、帧#、trdy #、irdy #TDI，TDO，TCK，TMS，TRST#，图2-3 PCI引脚，2.2.3 PC104总线，PC104是一个嵌入式总线规范和扩展的ISA(IEEE996)标准。PC1

8、04是专门为嵌入式控制定义的工业控制总线。IEEE协会将其定义为IEEE-P996.1，而PC104本质上是一个紧凑的IEEEP996。它的信号定义与PC机/AT基本相同，但其电气和机械规格完全不同。PC104是一个优化的小型堆叠嵌入式控制系统。其整体尺寸为90毫米和96毫米，典型模块功耗为12W，在嵌入式系统领域得到了广泛应用。此外，还有PC104 plus总线，单行和三行有120个总线引脚，有效信号和控制线与PCI总线完全兼容。2.3外部总线，主要用于计算机系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。外部总线分为两类：一类是在比特之间并行传输的并行总线，如IEEE-488；另一种是用于位之间

9、串行传输的串行总线，如RS-232C和RS-485。2.3.1 IEEE-488总线1 IEEE-488总线概述IEEE-488是惠普公司于1970年开发的测量仪器接口总线，名为惠普-IB。在惠普-IB的基础上，IEEE建立了IEEE-488标准接口总线(也称为通用接口总线)。各种外设，如打印机、绘图仪、磁盘驱动器、数字化仪、电压表、电源、信号发生器等。可以用这辆公共汽车。有三种类型的设备连接在IEEE-488总线上：控制器、扬声器和监听器，它们通过24线无源电缆相互连接，如图2-4所示。图2-4 IEEE _ 488总线的连接，表2-2 IEEE-488总线的引线分配，以及IEEE-488总

10、线各引线的定义见表2-2。2 IEEE-488总线的信号分配IEEE-488总线电缆为24线无源电缆，包括16条信号线和8条接地线。其中，16条信号线分为三组：8条双向数据总线、3条数据字节传输控制总线和5条接口管理总线，它们都是低电平有效的。总线传输模式有位并行、字节串行、三线握手和双向异步。MC68488、8291A等接口芯片符合IEEE-488总线标准。随着微处理器技术和数据通信技术的快速发展，串行通信越来越多地应用于工业过程计算机控制系统中。相比之下，IEEE-488和其他并行总线的应用范围较小。2.3.2串行通信的基础1。串行异步通信数据格式可以是RS232或RS485。串行异步收发

11、器通信的数据格式如图2-5所示。连接握手连接握手过程是指发送方在发送数据块之前使用特定的握手信号来吸引接收方的注意，表示要发送数据，而接收方通过握手信号对发送方做出响应，表示准备接收数据。连接握手可以通过软件或硬件实现。3.确认接收方回复发送方以表明数据已被接收的过程称为确认。图2-5串行异步通信的数据格式4。错误检查数据通信中的接收器可以通过错误检查来判断接收的数据是否正确。冗余数据校验、奇偶校验、校验和和循环冗余校验都是串行通信中常用的错误校验方法。2.3.3 RS-232C串行通信接口1。RS-232C端子的连接插头早期使用25针EIA连接插座，现在使用9针EIA连接插座。主要终端分布见

12、表2-3。表2-3 RS-232 c的主终端，(1)信号含义信号DTR数据终端(DTE)从计算机到调制解调器就绪：告诉调制解调器计算机已打开并准备好。即时战略请求发送：告诉调制解调器现在发送数据。从调制解调器到计算机的信号DSR数据设备(DCE)就绪：告诉计算机调制解调器已打开并准备就绪。CTS正在发送明文：告诉计算机调制解调器已准备好接收数据。DCD数据信号检测：告诉计算机调制解调器已经与对面的调制解调器建立了连接。振铃指示器：告诉电脑对方的电话正在振铃。数据信号TXD传输数据。RXD收到数据。(2)电气特性RS-232C电路的连接方式如图2-6所示。图2-6 RS-232的电气连接，接口不

13、平衡，每个信号使用一根线，所有信号电路共用一根地线。信号速率限制在20kbps，电缆长度限制在15米。因为是单线，所以线之间的干扰很大。12V标准脉冲用于其电气性能。值得注意的是，RS-232C采用了否定逻辑。数据线上：Mark=-5-15V，Space=5 15V，逻辑“1”电平，On=5 15V，逻辑“0”电平，Off=-5-15V，逻辑“1”电平，RS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，因为RS-232C采用电平传输，当通信速率为19.2kbps时，其通信距离只有15m，要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。2.通信接口的连接当两台计算机通过RS-232C端口直接通信时，两台计算

14、机之间的连接线如图2-8所示。RS-232C电平转换器为了实现TTL与5V供电的互补金属氧化物半导体通信接口电路和RS-232c标准接口之间的连接，需要对串口输入输出信号进行电平转换。目前常用的电平转换器有摩托罗拉公司生产的MC1488驱动器和MC1489接收器，TI公司生产的SN75188驱动器和SN75189接收器，美国MAXIM公司生产的单5V电源和多通道RS-232驱动器/接收器，如MAX232A等。图2-8显示了不使用调制解调器信号的RS-232C接口和2.3.4 RS-485串行通信接口。由于RS-232通信距离短，当传输距离远时，可以使用RS-485串行通信接口。1.RS-485

15、接口标准RS-485接口采用双线差分平衡传输，其信号定义如下。使用5V电源时：如果差分电压信号为-2500-200毫伏，则为逻辑“0”；如果差分电压信号为2500200毫伏，则为逻辑“1”；如果差分电压信号为-200-200毫伏，则处于高阻抗状态。RS-485的差动平衡电路如图2-11所示。一根导线上的电压与另一根导线上的电压相反。接收器的输入电压是这两条线的电压之差。2.RS-485收发器有多种RS-485收发器，如马克西姆公司的MAX485、意大利电信公司的SN75LBC184和SN65LBC184以及高速的SN65ALS1176。它们的引脚完全兼容，其中SN65ALS1176主要用于高速

16、应用，如PROFIBUS-DP现场总线。下面只介绍SN75LBC184。SN75LBC184是一款具有瞬态电压抑制功能的差分收发器，SN75LBC184为商用级，其工业级产品为SN65LBC184。引脚如图2-12所示。图2-11差分平衡电路，引脚介绍如下：r:接收端。回复：接收启用，低电平有效。启用传输，高电平有效。d:发送端a:差分正输入端。b:差分负输入端。VCC: 5V电源。GND:地面。图2-12 SN75LBC184、SN75 LBC 184和SN65LBC184的引脚图具有以下特征。具有瞬态电压抑制能力，可防止雷电和静电放电冲击；斜率受限驱动器可将电磁干扰降至最低，并减少由传输线

17、终端不匹配引起的反射；总线上可以连接64个收发器；接收器输入的开路故障保护；带热关机保护；低禁止电源电流，最大值。300a与SN75176引脚兼容。3.应用电路RS-485应用电路如图2-13所示。在图2-13中，RS-485收发器可以是SN75LBC184、SN65LBC184、MAX485等。当P10处于低电平时，接收数据；P10为高电平时，传输数据。如果RS-485用于形成具有总线拓扑的分布式控制系统，则120的终端电阻应连接到双绞线终端。图2-13 RS-485应用电路，连接到其他RS-485收发器的相应端，TXD，P10，RXD，4。RS-485网络互联可以利用RS-485接口将一台或多台信号发射机与接收机互联，实现多台计算机或带微控制器的设备之间的远程数据通信，形成分布式测控网络系统。图2-14中的两个120电阻作为总线的终端电阻存在。当终端电