第2章-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总线技术2.2总线扩展技术2.3数字量输入输出接口与过程通道2.4模拟量输入接口与过程通道2.5模拟量输出接口与过程通道2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7硬件抗干扰技术2.1总线技术2.1.1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、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可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、CompactPCI等。2.1.2PC/ISA/EISA总线简介1.PC/ISA总线的发展2.ISA信号线定义3.EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）2.1.3PCI/CompactPCI总线简介1.PCI总线的主要性能2.其它性能PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美国SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)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80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。3.PCI总线信号定义主控设备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）。4.CompactPCI总线2.1.4其它总线简介1.PC/104总线2.PC/104plus总线3.STD总线(1)STD总线信号(2)STD32总线2.1.5串行外部总线简介1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线（1）平衡和不平衡传输方式（2）RS-232C（3）RS-422A/RS-485（4）RS-485多点互连2.1.5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总线扩展技术2.2.1微型计算机系统I/O端口与地址分配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端口地址分配（1）系统板上的I/O接口（2）扩展卡上的I/O接口4.I/O端口地址选用原则2.2.2I/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3.I/O端口地址译码方法及电路形式（1）固定地址译码3.I/O端口地址译码方法及电路形式（2）开关选择译码2.2.3基于ISA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2.3数字量输入输出接口与过程通道2.3.1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2.3.2数字量输入通道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2.3.3数字量输出通道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①功率晶体管输出驱动继电器电路②达林顿阵列输出驱动继电器电路2.3.3数字量输出通道2.输出驱动电路(2)大功率交流驱动电路2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例图2-19PCL-730板卡组成框图2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例程序设计举例(基地址设为220H)：PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下：outportb(0x220，Ox55)outportb(Ox221，0x55)inportb(Ox220)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：MOVDX，220HMOVAL，55HOUTDX，ALMOVDX，221HOUTDX，ALMOVDX，220HINAL，DXMOVAH，ALMOVDX，221HINAL，DX2.4模拟量输入接口与过程通道2.4.1模拟量输入通道的组成2.4.2信号调理和I/V变换1.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。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。（1）非电信号的检测-不平衡电桥（2）信号放大电路1)基于ILC7650的前置放大电路2.4.2信号调理和I/V变换1.信号调理电路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xl、x2、x4、x8、x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。2.4.2信号调理和I/V变换2.I/V变换（1）无源I/V变换（2）有源I/V变换2.4.3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。图2-27CD4051原理图2.4.4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。12minmaxnyyq3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除(2)采样保持原理3.采样保持器（3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。2.4.5A/D转换器及其接口技术1.8位A/D转换器ADC0809(1)8通道模拟开关及通道选择逻辑(2)8位A/D转换器(3)三态输出锁存缓冲器2．12位A/D转换器AD574A(1)12位A/D转换器(2)三态输出锁存缓冲器(3)控制逻辑3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口3.AD574A/1674与PC总线工业控制机接口2.4.6模拟量输入通道模板举例图2-36PCL-813B数据采集卡组成框图2.4.6模拟量输入通道模板举例1.PCL-813B的寄存器地址2.程序设计举例PCL-813BA/D转换基于查询方式，由软件触发。A/D转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D转换正在进行。当A/D转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。2.5模拟量输出接口与过程通道2.5.1模拟量输出通道的结构型式1.一个通道设置一个数/模转换器的形式2.多个通道共用一个数/模转换器的形式2.5.2D/A转换器及其接口技术1.8位D/A转换器接口2.12位D/A转换器接口2.5.3单极性与双极性电压输出电路nREFOUTDVV21)12()(1123132nREFOUTREFOUTDVVRRVRRV2.5.4V/I变换1.集成V/I转换器ZF2B202.集成V/I转换器AD6942.5.5模拟量输出通道模板举例图2-47PCL-726板卡组成框图2.D/A转换程序流程D/A转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=1～6）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）置D/A高4位数据(D3～DO有效)。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。（5）置D/A低8位数据并启动转换。3.程序设计举例PCL-726的D/A输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H～0FFFH分别对应输出0%～100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段如下：outportb(0x220,0x07)//D/A通道l输出50%outportb(0x221,0xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：MOVAL，07H；D/A通道l输出50%MOVDX，0220HOUTDX，ALMOVDX，0221HMOVAL，0FFH2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术基于RS-485的分布式测控系统结构图RS-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传输距离远、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。在各种工业仪器、仪表大量使用的今天，RS-485总线得到了广泛的应用。2.6.1智能远程I/O模块智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口。远程I/O模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统。通过采用RS-485中继器，可以将多达256个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到10km。典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、研发公司的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿-7000系列。1.ADAM-4000系列模块ADAM4000系列模块的功能特点：(1)远端可编程输入范围(2)内置看门狗(3)网络配置灵活(4)可选的独立控制策略(5)模块化的工业设计(6)满足工业环境的需要2.ADAM-5000系列ADAM-4000通过RS-485总线与主站连接成一个主从式测控系统，可以实现点对点通信和广播通信(仅有的模块允许广播通信)。一条RS-485通信链路所连接的模块数是有限的，当需要配置更多的模块数时，可以使用ADAM-4510中继器，每个ADAM-4510中继器可再增加32个模块或将网络再延伸1200米，一条RS-485通信链路最多可以连接256个ADAM-4000系列模块。ADAM-5000系列具有以下功能特点：(1)系统设计灵活(2)系统维护及故障处理(3)易于安装及组网(4)数据采集及控制(5)三端隔离(6)看门狗定时器(7)内置诊断器(8)远程配置(9)能独立于PC主机进行ON/OFF控制3.ADAM-6000系列模块ADAM-6000系列产品是基于Ethernet的数据采集和控制模块，它们集数据采集和网络传输能力于一身。使用这些模块可以轻而易举的建立低成本、适应于各个行业的基于Ethernet的数据采集和控制系统。通过标准的以太网，ADAM-6000模块可以实时的将来自传感器的数据发送到局域网/以太网结点上。以太网类产品因为其远距离的数据传输能力，高速的数据通信能力正在成为工业应用的主导。（1）模拟量输入/输出模块（2）数字量输入/输出模块（3）继电器输出模块（4）ADAM以太网模块的应用软件（1）模拟量输入/输出模块模拟量输入模块通过为A/D提供的光电隔离和3000V变压器隔离防止对地环路/浪涌电压对设备造成损坏。ADAM-6015是16位，6通道热电阻输入模块，各通道输入范围可调。可以连接Pt100,Pt1000，Balco500或者Ni50，Ni508热电阻。以工程单位形式向主机发送数据。ADAM-6017是16位8通道差分模拟量输入模块，通道输入范围均可程控。ADAM-6018是16位8通道热电偶输入模块，所有通道的输入范围均可程控。ADAM-6024是3个模拟量输入/1个模拟量输出。（2）数字量输入/输出模块ADAM-6050具有12个数字量输入，6个输出通道，并且为以太网的无缝连接提供了10/100Base-T接口。ADAM-6051提供12路数字量输入，2路数字量输出和2个计数器（10MHz时