总线接口与过程通道.ppt

计算机控制技术,2.1总线及其标准,一套计算机系统除中央处理器件外，还有存储器、系统总线、接口电路、外部设备等多个部分。各类外部设备和存储器，都通过各种接口电路连接到计算机系统的总线上，用户可根据不同应用，选择不同类型的外部设备，设置相应的接口电路，把它挂接到系统总线上，构成不同用途、不同规模的计算机应用系统。,1.常规外围设备，如键盘、CRT显示器、打印机、磁盘机等。2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。,外设通过输入输出(IO)接口和输入输出(IO)通道与 CPU的总线相连。,一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外设：,为什么外围设备不能像存储器那样直接挂到主机 CPU的总线上呢？,因此，IO接口和 IO通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分。,这是由存储器和外围设备各自不同的性质、特点决定的。(1)由于存储器功能单一(保存信息)、品种有限(ROM、RAM)、存取速度与 CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到 CPU总线上，很方便。(2)外围设备种类繁多，有机械式的、机电式的或电子式的；有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比 CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠 CPU及其总线是无法承担的，必须增加 IO接口电路和 IO通道才能完成。,总线的概念,所谓总线就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。总线可以把计算机或控制系统的模板或各种设备连成一个整体以便彼此间进行信息交换。,总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，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。,总线结构连接示意图,总线与总线接口一起便称之为总线结构,微型计算机广泛采用总线技术，用以简化硬件、软件的系统设计。从硬件角度看，接口设计者只需按总线规范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，以便大批量生产，支持计算机系统的性能及系列产品的开发。从软件角度看，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。,采用总线的优点,1简化了系统结构 2简化了硬件与软件的设计 3便于系统的扩充与更新 4便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价 5可维护性好,总线类别,片内总线(On-Chip BUS)集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路 内部总线（Internal Bus)用于计算机内部模块（板）之间通信。外部总线（通讯总线）用于计算机之间或计算机与设备之间通信,1、按总线在系统结构中的层次位置：,计算机总线层次结构图,内部总线是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。,数据、地址、控制、电源总线,数据总线D：地址总线A：控制总线C：电源总线P：,外部总线 外总线又称通信总线。用于微型计算机系统与微型计算机系统之间或微型计算机系统与外部设备之间的通信。如：IEEE-488、RS-232C、RS-485、USB等,按总线数据传输方式 分：并行总线(Parallel BUS)每个信号都有自己的信号线 传输速度快、接口简单 使用电缆线数多串行总线（Serial Bus)多个信号复用少量信号线 电缆线数少，便于远距离传播 信号传输慢，接口复杂,所有信号复用一对信号线,每个信号都有自己的信号线,总线标准,总线标准的含义,对于总线上的各个单元如芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，如果要进行正确的连接与传输信息，就应遵守一些协议与规范，这些协议与规定就被称为总线标准。,总线标准 1、规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性 2、为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路 3、采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性,常见总线标准,总线是微机中各模块之间传送信息的通道，各模块分时共享总线。为了方便微机系统的扩展及各厂家产品的互换或互连，国际上根据微机的发展制定了许多总线标准。如PC总线标准、ISA总线标准、EISA总线标准、PCI总线标准、USB总线标准等。,ISA总线 PC总线仅适用于8位数据的传送，所以，从IBM PC/XT微机开始采用ISA总线，也称为AT总线，以便进行16位数据传送。ISA总线的数据传送速率最快为8 MB/s，地址总线宽度为24位，可以支持16 MB的内存。为了和PC总线兼容，在PC总线的基础上，ISA总线延伸出一段插槽，如图所示。这一小段插槽上的引线主要是扩展的地址线和高8位数据线及增加的中断申请线等。,PC总线 PC总线是PC机和XT机中采用的系统总线标准，适用于8位的数据传送，最大通信速率为5 MB/s。它有62根引脚，引脚如图所示。可插入符合PC总线的各种扩展板，以扩展微机的功能。,PCI局部总线 PCI(外部设备互连)是高速外设与CPU间的桥梁。它在CPU 与外设间插入了一个复杂的管理层，以协调数据传输，并提供了一个标准的总线接口。该管理层提供信号的缓冲，使PCI能支持10种外设，并在高时钟频率下保持高性能。,PCI插槽,ISA插槽,USB通用串行总线 USB（Universal Serial Bus）是由DEC、IBM、Intel、Microsoft以及NEC等七家高技术企业制定的串行接口总线标准。由于目前微机系统的外设接口没有统一的标准，如键盘的插口是圆的，打印插口是长方形等等，而利用USB则可把这些不同的接口统一起来。它使用一个4针的插头作为标准插头，可连接的外围设备数目最多达127个，支持热插入（Hot Plug In）和即插即用（PlugPlay），最高传送速度可达480 Mbs，既可用于低速的外围设备，如键盘、鼠标等，也可用于中速装置，如打印机、数码照相机、调制解调器、扫描仪等。,USB接口,某型号个人计算机的外设接口示意图,计算机控制技术,2.2 I/O接口,I/O接口定义,计算机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现CPU与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的一门技术。,所谓接口就是微处理器CPU与外部连接的部件，是CPU与外部设备进行消息交换的中转站。如：源程序或数据要通过接口从输入设备送入计算机，运算结果要通过接口向输出设备送出；控制命令通过接口发出，现场状态通过接口取进来，实现现场的实时控制等。,所谓标准接口，就是指明确定义了几何尺寸、信号功能、信号电平等的接口。有了标准接口，可以使不同类型、不同生产厂家的数据终端和数据通信设备之间方便地进行通信。,由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：1）速度不匹配。I/O设备的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2）时序不匹配。各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。,3）信息格式不匹配。不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。4）信息类型不匹配。不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。基于以上原因，I/O设备一般不和微机内部直接相连，而是必须通过I/O接口与微机内部进行信息交换。接口的作用主要就是为了解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾。,接口的分类,1按接口的功能划分1）人机对话接口。这类接口主要为操作者与计算机之间的信息交换服务，如键盘接口、显示器接口、图形设备接口和语音输入输出接口等。,2）过程控制接口（I/O接口）。这类接口是为实现对生产过程进行检测与控制的接口。它一般包括传感器接口和控制接口两部分，前者输入各种外界信息，以实现对生产过程的检测，后者输出经计算机处理后的控制信号，以实现对生产过程的控制。所以过程接口是计算机应用于控制系统的关键部分。3）通用外设接口（标准接口）。这类接口是通用外设（如打印机、磁盘机、绘图仪等）与计算机之间的接口。,某型号个人计算机的外设接口示意图,接口的实现方式：1.整体方式2.板卡方式3.模块方式,计算机控制技术,2.3 过程通道,输入与输出信号,工业生产过程实现计算机控制的前提是，必须将工业生产过程的工艺参数、工况逻辑和设备运行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。,传感器和变送器输出的信号有多种规格，其中毫伏（mV）信号、05V电压信号、15V电压信号、010mA电流信号、420mA电流信号、电阻信号是计算机控制系统经常用到的信号规格。在实际工程中，通常将这些信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号三大类。,针对某个生产过程设计一套计算机控制系统，必须了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、工程量换算等诸多要素。,1.模拟量信号,许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温度、位置、pH值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所需的控制信号也是模拟量，如调节阀、电动机、电力电子的功率器件等的控制信号。模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。,模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的420mA的电流信号或15V的电压信号。这些模拟信号经过采样和A/D转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。,模拟信号的常用规格：1）15V电压信号 此信号规格有时称为DDZ-型仪表电压信号规格。15V电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程通道。工程量的量程下限值对应的电压信号为lV，工程量上限值对应的电压信号为5V，整个工程量的变化范围与4V的电压变化范围相对应。过程通道也可输出15V电压信号，用于控制执行机构。,2）420mA电流信号 420mA电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为4mA，量程上限对应的电流信号为20mA，整个工程量的变化范围与16mA的电流变化范围相对应。过程通道也可输出420mA电流信号，用于控制执行机构。,2.数字（开关）量信号,有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、马达的起动和停止、指示灯的亮和灭、仪器仪表的BCD码、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。,开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0就是1。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。,开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。例如：行程开关可以指示出某个部件是否达到规定的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出1个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。如果开关量信号的幅值为TTL/CMOS电平，有时又将一组开关量信号称之为数字量信号。,开关量输入信号有触点输入和电平输入两种方式。触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平输入。开关量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。输出触点也有常开和常闭之分。,对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有5V、12V、24V和48V等。,3.脉冲量信号,当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲量，也就是说脉冲量具有周期性。测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，也是以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可以获得电动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步进电机转角或速度。,脉冲量信号的幅值通常有TTL电平、CMOS电平、24VDC电平和任意电平等几种规格。实际上，数据采集卡的逻辑部件都是TTL/CMOS规格，其中的过程通道将不同幅值的脉冲量信号转换成了TTL/CMOS电平。脉冲量通道或脉冲输入/输出板卡对脉冲量的上升时间和下降时间有一定的要求，对于上升时间和下降时间较长的脉冲信号，必须增加整形电路，改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲量通道能有效识别所输入的脉冲量信号。,信号传输标准,电压制信号传输标准：,电压传输：信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适合于信号的远距离传输。,电流制信号传输标准：,电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。故非常适合于信号的远距离传输。,信号传输标准,国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准：现场传输信号：直流 420mA；控制室内仪表间的联络信号：直流 15V.适用范围：DDZ-型、数字仪表、DCS系统等,信号传输标准,两种标准的比较：这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。,信号传输标准,“活零点”的优点：有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。,信号传输标准,两线制变送器,信号传输标准,另外，采用直流信号传输的优点：传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。其它信号传输标准：RS485数字信号传输、Smart传输技术、现场总线技术等等。,1、采用活零点有什么优点？2、画出模拟量输入通道的结构,并说明每个器件的作用。,过程通道,过程通道的含义,过程通道是计算机控制系统中计算机与被监控过程的现场设备之间的物理信息通道。输入通道的作用是将传感器或变送器的电流/电压信号转换为计算机可以识别的数字信号。输出通道的作用则是将计算机输出的数字信号转换为可直接推动执行机构的电气信号。,过程通道的模式,过程通道的类型,1、模拟量输入通道,模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。,模拟量输入通道的基本结构,模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放大器、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分，其组成如图2-15所示。,2、模拟量输出通道,在计算机控制系统中，被采样的过程参数经运算处理后输出控制量，但计算机输出的是数字信号，必须转换为模拟信号才能驱动执行元件工作。众所周知，计算机输出的控制量仅在程序执行瞬时有效，无法被利用，因此，如何把瞬时输出的数字信号保持，并转换为能推动执行元件工作的模拟信号，以便可靠地完成对过程的控制作用，就是模拟量输出通道的任务。模拟量输出通道的作用就是将计算机输出的数字量转换为执行机构能接收的模拟电压或模拟电流，去驱动相应的执行机构，以达到用计算机实现控制的目的。,模拟量输出通道一般应包括：接口电路、D/A转换器、多路开关、保持电路、V/I变换器等几个组成部分，如图2-17所示。,多个D/A转换器结构,模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象的环节，主要由D/A转换器及保持器组成，其结构形式有两种，一种是多个D/A转换器的模拟量输出，另一种是共用一个D/A转换器的模拟量输出结构形式。,单个D/A转换器结构,3、开关量输入通道,开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常，及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。,开关量输入通道主要由输入接口电路、接口地址译码器以及相关的输入电路组成，如图2-18所示。,外部装置或生产过程的状态信号，可能是电压、电流、开关的触点等，会引起瞬时的高压、过低压、接触抖动等现象为了将外部开关量引入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。,信号调理电路的功能有两个:克服开关或触点通断时的抖动。克服DI信号的抖动，采用滤波电路或单稳态触发器。进行信号隔离。隔离采用光电隔离技术。,4、开关量输出通道,对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电机的运行等。开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开关信号传送给这些执行机构或器件。,开关量输出通道主要由输出锁存器、接口地址译码器以及相应的输出驱动电路组成，如图2-20所示。,输出驱动电路的功能有两个:一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。,开关量输出隔离的目的在于隔断微型计算机与执行机构之间的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构的误动作，甚至导致计算机控制系统本身的损坏。,