第3章硬件设计基础

第3章硬件设计基础总线技术数字量输入输出通道计算机控制系统常用主控制器模拟量输入输出通道输入输出板卡举例计算机控制系统基本硬件结构主要包括主控机、人机接口、模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道、测量变送环节、执行机构、输入电气开关、输出电气开关、被控制对象，以及其他特殊功能扩展板卡等。因此，计算机控制系统的硬件设计主要包括：主控机的选型；输入/输出过程通道的设计；系统各类总线形式的选择；特殊功能板卡的设计；执行机构的选择；测量变送环节的选择；接口电路的设计；系统的抗干扰技术设计等。人机接口内部总线主板存储系统通信接口模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道测量变送执行机构输入开关输出开关被控对象主控机生产过程外部总线图3.1计算机控制系统基本硬件结构3.1计算机控制系统常用主控制器在计算机控制系统中，常用主控制器包括：工业控制计算机（IPC）、可编程序控制器（PLC）、智能工业调节器、数字信号处理器（DSP）、单片机（MCU）、ARM处理器等。3.1.1工业控制计算机工业控制计算机即工控机（IPC：IndustryPersonalComputer），就是专门为工业现场而设计的计算机，是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，如图3.2所示，也叫产业电脑或工业电脑。3.1.2可编程序控制器PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。a.整体式b.组合式3.1.3智能工业调节器智能工业调节器是一种基于数字集成技术的过程控制智能型仪表，采用专用微处理器或单片机作为调节器的核心，硬件采用电擦除存储器、开关电源、高速A/D转换器等设计而成，常嵌入有成熟的PID算法及PID自整定技术，从而保证智能型工业调节器具有测控精度高，抗干扰性能强，功能完备，操作简单等特点，具有广泛的适用性。硬件多采用模块方式设计，可根据需要进行灵活配置；软件采用组态方式，可通过按键操作对仪表功能进行组态编程，以实现多种信号类型输入和多种调节、控制输出。3.1.4数字信号处理器数字信号处理器（DSP：DigitalSignalProcessor）是进行数字信号实时处理的微处理器，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的器件，如图3.5所示。它可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP处理器的品种繁多，四大DSP生产商主要有：TexasInstruments（德州仪器）公司、LucentTechnologies（朗讯技术）公司、AnalogDevies（模拟设备）公司和Motorola（摩托罗拉）公司，其中TI占有最大的市场份额。在工程应用中，DSP的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源，如定时器的数量、I/O口数量、中断数量、DMA通道数等。3.1.5单片机单片机是典型的嵌入式微控制器（MCU：MicrocontrollerUnit），是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口、中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。有些型号的单片机甚至还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等功能电路等。单片机的种类非常多，常用单片机有几下几种：1）STC单片机5）PHLIPIS51LPC系列单片机2）PIC单片机6）TI公司单片机3）EMC单片机4）ATMEL单片机3.1.6ARM处理器ARM（AdvancedRISCMachines）处理器由ARM公司设计，采用发放许可方式，由其它公司生产。它是一个32位精简指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）处理器架构，具有性能高、成本低和耗能省的特点，适用于多种领域，如嵌入式实时控制系统、消费或教育类多媒体、移动式应用设备等。ARM内核分为ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等几类。每一类又根据各自包含的功能模块而具有多种构成。各类ARM处理器流水线如图3.7所示。图3.7ARM处理器流水线3.2总线技术所谓总线就是计算机各功能部件之间互联和传送信息的一组信号线，按照所传输的信息种类，总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线按功能和规范可分为三大类型：片总线、内总线和外总线。(1)片总线又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块的信息传输通路。包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C（Inter-IntegratedCircuit）总线、SPI（SerialPeripheralInterface,串行外设接口）总线、SCI（serialcommunicationinterface，串行通信接口）总线等；(2)内总线又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件之间的信息传输通路，即微机主板插槽遵循的各种标准。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。包括ISA(IndustryStandardArchitecture）总线、EISA总线、VESA(VideoElectronicStandardAssociation)总线、PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线等；(3)外总线又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统之间信息传输的通路，它用于设备一级的互连，多表现为微机对外的标准接口插头，有时也称为接口标准。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(VersaModuleEurocard)、STD、PC-104、CompactPCI等。另外，按照传输数据的方式，总线又可划分为串行总线和并行总线。串行总线用于串行通信，外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线、控制线等），数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。常见的串行总线有I2C总线、SPI总线、USB、RS-232、RS-422、RS-485等。并行总线就是并行接口与计算机设备之间传递数据的通道，采用并行传送方式在计算机与外部设备之间进行数据传送的接口叫并行接口，它有两个主要特点：一是同时并行传送的二进制位数就是数据宽度；二是在计算机与外设之间采用应答式的联络信号来协调双方的数据传送操作，这种联络信号又称为握手信号。这种通信方式传输速度快，常用于近距离通信。常见的并行总线有ISA总线、PCI总线等。评价一种总线的性能主要注意以下几个方面参数：1）总线时钟频率2）总线宽度3）总线传输速率可以通过总线宽度和总线时钟频率来计算总线传输速率（带宽）：传输速率=总线时钟频率×总线宽度/8，如某主板PCI总线宽度16位，总线频率66MHZ，总线数据传输速率=66×16/8(MB/S)=132(MB/S)。3.2.1片总线3.2.1.1I2C总线I2C总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。它只有两条总线线路：一条串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。3.2.1.2SPI总线SPI高速同步串行口是一种标准的四线同步双向串行总线。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，很多芯片集成了这种通信协议。SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要4根连线；用于单向传输时，也就是半双工方式时，3根线也可以。4根信号线包括：（1）SDO（数据输出）：主设备数据输出，从设备数据输入；（2）SDI（数据输入）：主设备数据输入，从设备数据输出；（3）SCK（时钟）：时钟信号，由主设备产生；（4）CS（片选）：从设备使能信号，由主设备控制。3.2.2内总线3.2.2.1ISA/EISA总线ISA总线（IndustryStandardArchitecture，工业标准体系结构）又称AT总线，是IBM公司为PC/AT电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，支持8/16位的I/O设备，最大传输率为16MB/S，总线频率8MHz，也称为AT标准。ISA总线扩展插槽由两部分组成，一部分为8位基本插槽，有62引脚，正反面分别称为A列和B列；另一部分是AT机的添加部分，由36引脚组成，正反面分别称为C列和D列，它增加了8位数据线和7位地址线，不能独立工作，需和基本插槽一起使用。图3.9具有ISA总线的PCB板卡及ISA插槽总线基本信号总线访问信号总线控制信号总线访问信号总线控制信号BCLKOSCRESETSA19~SA0BALEAENSMEMRSMEMWIORIOWTCLA23~LA17SBHEMEMRMEMWDACK5~DACK7DACK0MASTER8位ISA总线16位ISA扩充SD7~SD0I/OCHRDYI/OCHCK0WS总线访问信号IRQ7~IRQ3DRQ3~DRQ1总线控制信号SD15~SD8MEMCS16IOCS16总线访问信号IRQ15、IRQ14IRQ12~IRQ9DRQ7~DRQ5DRQ0总线控制信号DACK1~DACK3图3.10ISA插槽引脚3.2.2.2PCI/CompactPCI总线I/O总线的速度应为外设速度的3-5倍。因此，随着外设速度的提高，对总线的速度提出了更高的要求，原有的ISA和EISA已远远不能满足需要。PCI总线从1992年创立规范至今，已成为了计算机的一种标准总线，取代了早先的ISA总线，如图3.11所示为PCI总线及系统主板上的PCI插槽。当然在PCI总线后又出现了专门用于显卡的AGP（AcceleratedGraphicsPort，加速图形接口）总线，以及PCIExpress总线，但是PCI本身具有许多优点，如即插即用(PlugandPlay)，即当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。因此PCI总线得到了非常广泛的应用。1.PCI总线简介从数据宽度上看，PCI总线有32位（5V）、64位（3.3V）之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz两种。改良的PCI系统PCI-X最高可以达到64bit、133MHz，这样就可以得到超过1GB/s的数据传输速率。PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理。桥就是一个总线转换器和控制器，习惯上将与CPU连接的芯片称为北桥，与I/O设备连接的芯片称为南桥，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信