计算机控制技术第3章计算机控制系统的硬件技术

2020/3/91第3章计算机控制系统的硬件技术3.1主机：工控机、PLC、单片机、嵌入式3.2输入输出接口技术：3.3计算机控制系统的总线技术串行总线有SPI、I2C、RS232、RS485、USB总线并行总线ISA、PCI、STD、PC104总线等数字量输入输出接口模拟量输入输出接口2020/3/92计算机控制系统的硬件主要由四部分组成：（1）主机；（2）输入输出通道；（3）外部设备；（4）检测与执行机构。3.1.1工业控制计算机简称工控机，是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机经常在比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也很高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备。因此，工控机通常采用模块化的硬件板卡，如处理器板卡、开关量板卡、模拟量I/O板卡、定时/计数板卡、通信板卡等基本板卡，可以灵活地组成中、小规模的控制系统。3.1主机2020/3/933.1.2可编程序控制器简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在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。PLC及其有关的外部设备都按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。目前，国内市场占主导地位的PLC有德国西门子S7-200\300\400系列和新产品S7-1200、1500系列；美国A-B公司PLC；日本欧姆龙CPM1A系列、三菱FX2N系列、松下电工FP1等产品。2020/3/943.1.3单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、定时器/计数器和输入/输出（I/O）接口（并行I/O口、串行I/O口）等。它们之间互相连接构成了一个有机的整体，可见单片机就是一种计算机。以单片机为核心，扩展一些必要的外围电路就可方便地构成单片机控制系统。这样设计的控制系统，是针对控制要求的专用最小系统。2020/3/95嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。简单地说，嵌入式系统集计算机系统的应用软件与硬件于一体，类似于普通计算机中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。2020/3/96常用的单片机或嵌入式系统芯片有Intel8051系列单片机；C8051F系列单片机；ATMEL公司的AVR系列单片机；TI公司的MSP430系列单片机；Motorola单片机；PIC系列单片机；飞思卡尔系列单片机；STM32系列单片机；ARM系列嵌入式系统等等。2020/3/973.2输入输出接口技术1.数字量（开关量）输入通道数字量输入通道（DI通道）的任务——是把生产过程中的开关信号转换成计算机易于接受的数字量形式。在计算机控制系统中，常常需要处理一类最基本的开关量信号，主要是开关的闭合与断开、指示灯的亮和灭、继电器或接触器的吸合和释放、马达的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭，它们是以二进制的逻辑“1”和“0”或电平的高和低出现。2020/3/98（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。（2）RC滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。（5）光电隔离是采用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。2020/3/992020/3/9102.开关量（数字量）输出开关量输出通道（DO通道）的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的开关量驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。2020/3/9112020/3/9122020/3/9133.2.2模拟量输入接口模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。模拟量输入通道结构组成如图3-6所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。该通道的核心是模/数转换器，即A/D转换器。2020/3/914图3-6模拟量输入通道的结构组成2020/3/9155.逐位逼近式A/D转换原理一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。逐位逼近式A/D转换原理如图3-12所示。2020/3/916A/D转换器的性能指标（1）分辨率分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。（2）转换精度A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示（3）转换时间A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。2020/3/917模拟量输入八通道多路模拟开关地址锁存和译码器ABCALE三一八地址线地址锁存允许控制逻辑逐次逼近寄存器SAR开关树纽256R电阻分压器输出缓冲锁存器（三态）比较器STARTCLOCK转换结束（中断）EOC八位输出OCVREF1+1VREF1-1VCCGNDU1U0图3-138位A/D转换器ADC08092020/3/918图3-14查询方式读A/D转换数2020/3/919图3-16AD574A单极性/双极性输入电路图2020/3/920图3-178路12位A/D转换模板2020/3/9213.2.3模拟量输出接口图3-18D/A转换器工作原理2020/3/92232103210422222REFOUTRFfVIIRDDDD对于n位D/A转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1~D0)的关系式可写成：12101210222222nnREFREFOUTnnnnVVVDDDDBD/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：分辨率；转换精度；偏移量误差；稳定时间。2020/3/923图3-19DAC0832的原理框图2020/3/924图3-20DAC0832单缓冲接口电路2020/3/9252020/3/9263.3计算机控制系统的总线技术总线是一组信号线，是在多于2个模块（子系统或设备）间相互通讯的通路，也是微处理器与外部硬件接口的桥梁，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，这些连线包括数据线和地址线、控制时序和中断信号、电源和地线以及未定义的备用线等。使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。2020/3/927按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。常见的串行总线有SPI、I2C、RS232、RS485、USB总线等；而并行总线相对来说种类要少，常见的如ISA、PCI、STD、PC104总线等。3.3.2ISA/EISA总线3.3.3PCI/CompactPCI总线2020/3/928（1）RS-232C串行通信总线在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。RS-232C是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。该标准规定采用一个25个脚的DB-25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC机将RS-232简化成了DB-9连接器，从而成为事实标准。而工业控制的RS-232口一般只使用RXD、TXD、GND三条线。目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。2020/3/9292020/3/930在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3到-15V；逻辑“0”为+3到+15V。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。2020/3/931（2）RS-485串行通信总线RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。RS485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。RS485现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。RS-485的最大传输距离约为1200米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。2020/3/932串口通讯实例2020/3/933（3）USB总线USB(UniversalSerialBus)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的PC串行通信协议。USB协议出台后得到各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持。USB本身也处于不断的发展和完善中，从当初的0.7、0.8、1.0到现在广泛采用的2.0、3.0版本。USB外设在国内外以惊人的速度发展，迄今为止，各种支持USB的外设已经有上千种。2020/3/934USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Downstream)设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mbps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host)，集线器（Hub)和功能设备。2020/3/9352020/3/9362020/3/9372020/3/9382020/3/9392020/3/9402020/3/941