计算机控制系统的硬件设计技术.ppt
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、Compact PCI等。,2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介,1.PC/ISA总线的发展(4.77MHz,8DB,20AB)2.ISA信号线定义(8MHz,16DB,20AB)3.EISA（32位）(16MHz,32DB,32AB),2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介,PCI 是美国SIG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)。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 188条（包含电源、地、保留引脚等）。,2.1.4 其它总线简介,1.PC/104总线 2.PC/104 plus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多点互连 平衡差分驱动。,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）适用于高/低速各种外设连接,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,2.2.2 I/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（直接接入）(2)大功率输入调理电路(光电耦合器),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 功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路,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2-19 PCL-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(0 x220，Ox55)outportb(Ox221，0 x55)inportb(Ox220)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：MOV DX，220HMOV AL，55HOUT DX，ALMOV DX，221HOUT DX，ALMOV DX，220HIN AL，DX MOV AH，ALMOV DX，221HIN AL，DX,2.4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）不平衡电桥 热电阻调理：,2.4.2 信号调理和I/V变换,（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x l、x 2、x 4、x 8、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2-27 CD4051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。LSB,3.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）常用的采样保持器 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。,2.4.5 A/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212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2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图,2.4.6 模拟量输入通道模板举例,PCL-813B 的寄存器地址程序设计举例 PCL-813B A/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,2.5.2 D/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,2.5.4 V/I变换,1.集成V/I转换器ZF2B20,2.集成V/I转换器AD694,2.5.5 模拟量输出通道模板举例,图2-47 PCL-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=16）。（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(D3DO 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，000H0FFFH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(0 x220,0 x07)/D/A 通道l 输出50%outportb(0 x221,0 xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：MOV AL，07H；D/A 通道l 输出50%MOV DX，0220H OUT DX，ALMOV DX，0221H MOV AL，0FFH,
