计算机控制技术第三版第2章

自动化教研室第2章工业控制计算机2.1工控机2.2可编程控制器2.3嵌入式系统2.1.1IPC的组成与特点2.1.4IPC输入/输出模板2.1.5IPC的主要产品2.1.2IPC的内部总线2.1.3IPC的外部总线2.1.1IPC的组成与特点工业控制计算机也称为工业计算机（IPC）,简称工控机。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等。以工控机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。⒈IPC硬件组成典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。人-机接口主机板系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道AI模拟量输出通道AO数字量输入通道DI数字量输出通道DO内部总线外部总线图2.1IPC系统基本框图⑴主机板工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。⑵系统总线系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。⑶人-机接口人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。⑷通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道。常用的通信接口有IEEE-488并行接口、RS-232C和RS485串行、USB总线接口。⑸输入/输出模板工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）。⑹系统支持①监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）；②电源掉电监测；③后备存储器；④实时日历时钟。⑺磁盘系统半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘⑴系统软件系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务。包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司的iRMX86实时多任务操作系统。除了实时多任务操作系统以外，也常使用MS-DOS，特别是Windows软件。⑵工具软件工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。⑶应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。⒉IPC软件组成⒊IPC的特点⑴可靠性高；⑵实时性好；⑶环境适应性强；⑷丰富的输入输出模板；⑸系统扩充性和开放性好；⑹控制软件包功能强；⑺系统通信功能强；⑻冗余性。2.1.2IPC的内部总线IPC由多个不同功能的插件板与主机板共同构成，插件板采用大规模集成电路LSI芯片作为核心。构成系统的各类插件板之间的互联和通信通过系统总线来完成。这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线，而是指系统插件板交换信息的板级总线。这种系统总线就是一种标准化的总线电路，它提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。内部总线是指计算机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。工业控制计算机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在一起，组成系统的多功能模板插入接口插槽，由内部总线完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总线和PCI总线。IBMPC总线是针对Intel8088微处理器而设计的，其第一个标准是PC/XT总线，它定义了8位数据线和20位地址和若干条控制线，共62引脚。为了和Intel8028616位机兼容，对XT总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原来62引脚的基础上增加了一个36引脚插座而形成AT总线。AT总线将数据总线扩展为16位，地址总线扩展到24位，将中断扩充到15个并提供了中断共享功能，DMA通道也扩充到8个。AT总线也称ISA总线标准。1989年，COMPAQ公司联合HP，AST等9家计算机公司，在ISA总线基础上，推出了适应32位微处理器的系统总线标准EISA总线标准。⒈ISA总线⒉PCI总线PCI总线是介于CPU芯片级总线与系统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得以大大提高。PCI总线支持64位数据传送、多总线主控模块和线性猝发读写和并发工作方式。主要特点：①PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位。②PCI传输率高：最大传输率为133MB/s（266MB/s），能提高硬盘、网络界面卡的性能；充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。③PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低设计成本。CompactPCI总线标准由PICMG于1995年正式发布。CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，它采用与标准PCI相同的电气规范,所以可使用与传统PCI系统相同的芯片、防火墙和相关软件。将一个标准PCI插卡转化成CompactPCI插卡几乎不需重新设计，只需对物理连接进行重新分布。⒊CompactPCI总线PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线。IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范，IEEE协会将它定义IEEE-P996.1，PC/104实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。PC/104以其小尺寸（90mmX96mm）、开放的高可靠性的工业规范、模块可自由扩展、低功耗、堆栈式连接、丰富的软件资源等优点，在嵌入式系统领域得到了广泛应用。⒋PC/104总线STD总线在1978年最早由Pro-Log公司作为工业标准发明的，由STDGM制定为STD-80规范。1987年，STD总线被被批准为国际标准IEEE-961。STD-80/MPX作为STD-80追加标准，支持多主（MultiMaster）系统。STD总线工控机是工业型计算机，STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/OOEM模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、可靠性和良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。⒌STD总线2.1.3IPC的外部总线IEEE-488并行通信总线又称为通用接口总线，是一种24线总线。打印机、绘图仪、电压表、信号发生器等各类外设都可以使用这种总线。IEEE-488总线电缆是一条无源的电缆线，包括16条信号线和8条地线。16根信号线可分成3组，即8根双向数据总线、3根数据字节传送控制总线和5根接口管理总线，均为低电平有效。⒈IEEE-488并行通信总线RS-232C是在异步串行通信中应用最早和最广泛的标准串行总线，是由美国电子工业协会(EIA)制定的一种串行接口标准。RS-232的连接插头用25针或9针的EIA连接插头座。⒉RS-232C串行通信总线(1)信号含义①由计算机到MODEM的信号DTR：数据终端准备好。RTS：请求发送。②由MODEM到计算机的信号DSR：数据设备准备好。CTS：发送清零。DCD：数据信号检测。RI：振铃指示器，告知计算机对端的电话已经在振铃了。③数据信号TXD：发送数据。RXD：接收数据。(2)电气特性RS-232C的电气特性要求总线信号采用负逻辑，低电平为逻辑“1”，高电平为逻辑“0”。逻辑“1”状态电平为-15V～-5V；逻辑“0”状态电平为+5V～+15V；其中-5V～+5V用作信号状态的变迁区。在串行通信中把逻辑“1”称为传号(MARK)或OFF状态，把逻辑“0”称为空号(SPACE)或ON状态。RS-232C串行接口采用TTL输入输出电平，而RS-232C的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连，必须进行电平转换。RS-232-C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，其缺点主要表现在数据传输速率低、传送距离短、未规定标准的连接器、接口处各信号间容易产生串扰等。由于RS-232-C有上述一些缺点，所以，EIA对它做了部分改进，于1977年制订出新标准RS-449；1980年它成为美国标准。在制订新标准时，除了保留与RS-232-C兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离，改进电器特性等方面做了很多努力。它增加了RS-232-C所没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接口问题。与RS-449一起推出的还有RS-423A和RS-422A。实际上，它们都是RS-449标准的子集。⒊RS-422/RS-485串行通信总线⑴RS-422ARS-422-A规定了差分平衡的电气接口。它能够在较长距离传输时明显地提高数据传送速率，如在1200m距离内把速率提高到100Kbps，或在较近距离（12m）内提高到10Mbps。这种性能的改善源于平衡结构的优点，这种差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号。实际上，差分接收器可以区分0.2V以上的电位差，因此，可不受地参考电平波动及共模电磁干扰的影响。⑵RS-485在许多工业过程控制中，要求用最少的信号线来完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需要而产生的。它实际上就是RS-422总线的变型。两者不同之处在于：①RS-422为全双工，而RS-485为半双工；②RS-422采用两对平衡差分信号线，RS-485只需其中的一对。RS-485更适合多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。此电路结构在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器或组合收发器。和RS-232-C标准总线一样，RS-422和RS-485两种总线也需要专用的接口芯片完成电平转换。MAX481E是低电源（只有+5V）RS-485/RS-422收发器。芯片内都包含一个驱动器和一个接收器，采用8脚DIP/SO封装。和MAX481E相同的系列芯片还有AX483E/485E/487E/1487E等。通用串行总线USB是为实现计算机和通信的集成而提出的,是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并可以进行热插拔的串行接口，它已被公认为是一种用于扩充PC体系结构的工业标准。⒋通用串行总线USBARINC429总线协议是美国航空电子工程委员会(AirlinesEngineeringCommittee)于1977年7月提出的，并于同年同月发表并获得批准使用。它的全称是数字式信息传输系统DITS。协议标准规定了航空电子设备及有关系统间的数字信息传输要求。ARINC429广泛应用在先进的民航客机中，如B-737、B757、B-767，俄制军用飞机也选用了类似的技术。我们与之对应的标准是HB6096-SZ-01。⒌ARINC429总线2.1.4IPC输入/输出模板工业控制需要处理和控制的信号主要有模拟量信号和数字量信号（开关量信号）两类。开关量信号主要有两个特征：信号电平幅值；开关时变化的频度。开关量信号通常有TTL电平，ECL电平和继电器触点信号等，为使计算机有效识别这些信号，必须对这些信号进行调理（变换），包括把非TTL电平转换为TTL电平和隔离等。对于开关量输出，则需根据外设所需信号情况设计隔离电路、输出驱动电路等。模拟信号通常是