新第2章 计算机控制系统的硬件设计技术

1、硬件设计: 输入输出接口与过程通道设计 接口是计算机与外部设备（部件与部件之间）交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。 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(开关量)输出通道。 AI/AO、DI/DO.,第2章 计算机控制系统的硬件设计技术,2.1 工控机的总线技术,2.1.1 总线的定义、层次结构及种类 (1) 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。 (2) 总线可以分为内部总线和外部总线。 内部总线: 分为片级总线和系统总线。 .片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总 线、SPI总线、SCI总线等； .系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总 线、 PCI-E总线等。 外部总线：包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。 另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VME、STD、PC-104、Compact PCI等。,PC/ISA总线

2、简介: 1981年，PC/XT PC总线62线； 1984年，PC/AT PC总线98(62+36)线； 1987年，IEEE ISA总线98(62+36)线； ISA信号线定义: （Industry Standard Architecture）,ISA信号线,工业控制机的组成结构及特点,ISA-板卡,PCI总线简介:,PCI (Peripheral Component Interconnect)是美国SIG 集团推出的64位总线。 该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mb/s (峰值传输率为133Mb/s)。,工业控制机的组成结构及特点,PCI-板卡,PCI总线信号定义: 总引脚数 120条（包含电源、地、保留引脚等）。 主控设备49条， 目标设备47条， 可选引脚51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等）.,工业控制机的组成结构及特点,其它总线简介:,1.PC/104总线 2.PC/104 plus总线 3.STD总线 (1)STD总线信号 (2)STD32总线,1.3 工业控制机的组成结构及特点,2.外部总线 外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与其

3、它智能设备之间进行通信的连线。 主要包括：RS-232C、USB等总线。,1.3 工业控制机的组成结构及特点,（1）RS-232C 串行通信总线 通信距离不大于15米; 传送信号的速率不大于20kbps; 总线信号采用负逻辑, 逻辑“1”电平为15V5V， 逻辑“0”电平为+5V15V，其中5V5V用作信号状 态的变迁区。,RS-232C电平转换及接口电路：,（2）USB 串行通信总线 a. 具有热插拔功能 b. USB采用“级联”方式连接各个外部设备（可连127个外设/5m） c. 适用于低速外设连接 (传送速度12Mb/s),1.3 工业控制机的组成结构及特点,2.1.2系统总线简介,1.PC/ISA总线,2.PCI总线,PCI总线的主要性能 其它性能,PCI (Peripheral Component Interconnect)是美国SIG (Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mb/s (峰值传输率为133Mb/s)。,2

4、.PCI总线 主控设备49条，目标设备47条，可选引脚 51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数 120条（包含电源、地、保留引脚等）。,3.PCI-E总线,PCI-E（PCI-Express）是第三代总线接口传输技术。PCI-E保持与传统PCI的软件兼容性，但是将物理总线代替成为一个高速（2.5Gb/s）的串行总线。因为这种体系结构发生了改变，所以插槽本身并不兼容。但是，在PCI向PCI Express的过渡过程中，大部分计算机主板将既提供PCI插槽又提供PCI Express插槽。具有较少信道插槽的设备可以“向上插入”至主板上具有较多信道的插槽，从而提高硬件的兼容性和灵活性。但是，“向下插入”至较少信道的插槽是不支持的。,PCI-E总线与PCI总线相比具有的主要技术优势,是串行总线，进行点对点传输，每个传输通道独享带宽。 PCI-E总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式。其中数据分通道传输模式即PCI-E总线的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道连接，x1单向传输带宽即可达到250MB/s，双向传输带宽更能够达到500MB/s，这已不是PC

5、I总线所能相比的了。 PCI-E总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议来实现新的总线性能和特征。电源管理、服务质量、热插拔支持、数据完整性、错误处理机制等也是PCI-E总线所支持的高级特征。 与PCI总线良好的继承性，可以保持软件的继承和可靠性。PCI-E总线关键的PCI特征，比如应用模型、存储结构、软件接口等与传统PCI总线保持一致，但是并行的PCI总线被一种具有高度扩展性的、完全串行的总线所替代。 PCI-E总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性和难度，从而大大降低了系统的开发制造设计成本，极大地提高系统的性价比和健壮性。系统总线带宽提高同时，减少了硬件PIN的数量，硬件的成本直接下降。,PCI-E总线硬件协议,PCI-E的连接是建立在一个双向的序列的(1-bit)点对点连接基础之上，这称之为“传输通道”。 PCI-E是一个多层协议，由一个交换层、一个数据链接层和一个物理传输层构成。物理层又可进一步分为逻辑子层和电气子层。逻辑子层又可分为物理代码子层（PCS）和介质访问控制子层(MAC)。,4.其它总线简介,(1)PC/104总线 (2)P

6、C/104 plus总线 (3)STD总线,2.1.3 串行外部总线简介,1.RS-232,RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。 RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。 目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。,RS-232物理连接特性,RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-9插头座，通常插头在DCE端，孔插座在DTE端。PC 机的RS-232为9芯针插座。 一些设备与PC机连接的RS-232接口，因为不使用对方的传送控制信号,因而工业控制的RS-232口一般只使用三条接口线,即“发送数据TXD“、“接收数据RXD“和“信号地GND“。 RS-232传输线采用屏蔽双绞线。,RS-232 电气标准-（1）电气信号基准,RS-232电气标准接口的电气特性,典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正

7、电平在+5+15V，负电平在-5-15V电平。 接收器典型的工作电平在+3+12V与-3-12V。 由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。 RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以RS-232适合本地设备之间的通信。,RS-232电气转换标准接口,RS-232-C电平与TTL/CMOS电平不兼容，故两者连接时，必须进行电平转换。,以MC1488/MC1489作为收/发转换,2.1.3 串行外部总线简介,2.USB总线 （1）具有热插拔功能 （2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备 （3）适用于低速外设连接,2.2 总线接口扩展技术,2.2.1 系统总线接口扩展技术 1.I/O端口及I/O操作 （1）数据端口 （2）状态端口 （3）命令端口 2. I/O端口编址方式 （1）统一编址 （2）独立编址,3. I/O端口地址译码技术,（1）三种译码方式 1）线选法 2）全译码法 3）部分译码,（2）I/O端口地址译码电路信号,使用A0A9

8、、IOW、IOR 等信号组合。 利用AEN信号控制非DMA传送。,3.I/O端口地址译码技术 （1）固定地址译码,AEN,（2）开关选择译码,4.总线端口扩展,1.板选译码与板内译码 2.总线驱动及逻辑控制 3.端口及其读写控制,（1）平衡和不平衡传输方式,2.2.2 外部总线接口扩展技术,2. RS-422A/ RS-485,3. RS-485多点互连,2.3 输入输出接口与过程通道设计原理,数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口 2.数字量输出接口,汇编： MOV DX,220H MOV AL,8FH IN AL,DX MOV DX,221H OUT DX,AL C语言： a=inportb(0x220) outportb(0x221,0x8f),2.3.1 数字量输入接口与过程通道,1.数字量输入通道的结构,2.输入调理电路 (1)小功率输入调理电路 (2)大功率输入调理电路,2.3.2 数字量输出接口与过程通道,1.数字量输出通道的结构,2.输出驱动电路 (1)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路,MC1416,2.输出驱动电路 (

9、2)大功率交流驱动电路 固态继电器（SSR）,2.3.3 模拟量输入接口与过程通道,1. 模拟量输入通道的组成 由五部分组成。,2.信号调理电路 信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。 （1）非电信号的检测不平衡电桥,热敏电阻三线制接线图,热敏电阻测量电桥电路,（2）信号放大电路 1)基于ILC7650的前置放大电路,ILC7650特点 失调电压（Von）为0.7uV；失调电压平均温度系数（VOS/T）为0.01uV/； 输入电流（I0）为35uA；输入电阻（Ri）为1012；输出电压摆幅为-4.85+4.95V；共模抑制比（CMRR）为130dB；单位增益带宽为2MHz；放大器增益可以设置为=1500倍；输出电压精度0.2%；输出噪声5mV。,2）AD526可编程仪用放大器,AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x l、x 2、x 4、x 8、x16等五挡。 AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。（表2-5提供状态表） 透明模式是13脚CLK端接地。 锁存模式是CLK内逻辑信号提供。,（2）I/V变换 （1）无源I/V变换 （2）有源I/V变换,3.多路转换器,多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。常用的多路开关有CD4051（或MC14051）、AD7501、LF13508等,图2-27 CD4051原理图,4.采样、量化及采样保持器,（1）信号的采样,（2）量化 所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。,（3）采样保持器 1)孔径时间和孔径误差的消除 孔径时间、孔径误差 孔径误差的消除 2)采样保持原理,3）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等，LF398的采样控制电平为“1”，保持电平为“0”，AD582相反。引脚排列如下图所示。,5.A/D转换器及其接口技术,（1）8

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