第04章常用工业控制计算机简介ppt课件.pptx
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1、第04章 常用工业控制计算机简介,主要知识点,4.1 总线式工控机4.2 可编程控制器,4.4 可编程调节器,4.3 嵌入式计算机系统,4.5 其他控制装置,15:58:45,4.1 总线式工控机(IPC),总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机,一般称为工业控制计算机,简称为工业控制机(Industrial Personal ComputerIPC)或工控机(IPC)。,15:58:45,4.1.1 IPC结构组成,主要知识点 一、IPC的硬件组成 二、IPC的软件组成,15:58:45,IPC 概述,随着计算机设计的日益科学化、合理化和标准化,计算机总线
2、概念与模板化结构已经形成且完善起来。IPC在硬件上,由计算机生产厂家按照某种标准总线,设计制造出符合工业标准的主机板及各种I/O模板;设计者只要选用相应的功能模板,象搭积木似的、灵活地构成各种用途的计算机控制装置;而在软件上,利用熟知的系统软件和工具软件,编制或组态出相应的应用软件,就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理,并进一步向综合自动化网络化方向发展。,15:58:45,4.1.1 IPC结构组成,图4-1 IPC 的硬件组成结构,15:58:45,一、IPC的硬件组成,IPC的硬件主要由以下内容组成:(1)主机板:由中央处理器(CPU)、内存储器(RAM、ROM)等部件组成
3、,它是IPC的核心 作用:进行数值计算、逻辑判断、数据处理。,15:58:45,升技TH7-RAID P4主板配置图,CD音频输入I/O 控制芯片CNR插槽AGP插槽北桥芯片i8505个PCI插槽DIP开关主板电池BIOS Flash芯片南桥芯片ICH2RAID功能芯片前置USB插座板载声卡芯片前置面板插座主板自检状态软驱插座,音频插座鼠标键盘插座USB接口串口并口ATX12V电源CPU Socket 478主板辅助电源RIMM A1RIMM B1RIMM A2RIMM B2ATX电源IDE4插座IDE3插座IDE2插座IDE1插座,15:58:45,(2)内部总线和外部总线,所谓总线就是在模
4、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。,15:58:45,内部总线,内部总线指IPC内部各个功能模板之间的信息通路,它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽,也称系统总线。分类按功能分数据总线DB/地址总线AB/控制总线CB/电源总线PB每种型号的计算机都有自身的内部总线。,总线结构,15:58:45,结构形式一块置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽,各插槽上的同号引
5、脚是电气相连的,从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送。常用总线工控领域应用最广的两种总线是STD总线和PC总线。,15:58:45,发展STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线,STD是Standard的缩写。1987年,STD总线被国际标准化会议定名为IEEE961。随着32位微处理器的出现,通过采用附加金手指或系统总统与局部总线转换等技术,1989年美国的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线。结构全部56根引脚线都有确切的定义。STD总线定义了一个8位微处理器总线标准,其中有8根数据线、16根地址线、22根控制线和1
6、0根电源线,可以兼容各种通用的8位微处理器,如8080、8085、6800、Z80、NSC800等。通过采用周期窃取和总线复用技术,还可以定义16根数据线、24根地址线,使STD总线升级为8位/16位微处理器兼容总线,可以容纳16位微处理器,如8086、68000、80286、80386等。,*STD总线,15:58:45,数据总线数据总线用于CPU与其他部件之间传送信息(数据和指令代码)。具有三态(高阻、“1”和“0”三种状态)控制功能,而且是双向传输的,即CPU通过数据总线可以接收来自其它部件的信息,也可以通过数据总线向其它部件发送信息。如ISA总线数据线是16位,PCI总线是32位或64
7、位。数据线的宽度表示了总线数据传输的能力,反映了总线的性能。,15:58:45,地址总线地址总线用来传送CPU要访问的存储单元或I/O接口地址信号。地址信号一般由CPU发往其它芯片,属于单向总线,但也具有三态控制功能。地址总线的数据位数决定了该总线构成的微机系统的寻址能力。例如,ISA总线有24位地址线,可寻址16MB,PCI总线有32位地址线,可寻址到4GB。地址总线的宽度视CPU所能直接访问的存储空间的容量而定。,15:58:45,控制总线根据不同的使用条件,控制总线有的为单向,有的为双向;有的为三态,有的为非三态。控制总线用于传送控制信息、时序信息和状态信息。比如,I/O读写信号、存储器
8、读写信号和中断信号等等。控制总线是最能体现总线特色的信号线,它决定总线功能的强弱和适应性。,15:58:45,外部总线,外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路,常称为通信总线。通信总线的数据传输方式可以是并行的,也可以是串行的,可分别称为并行通信总线和串行通信总线。,15:58:45,图4-15是某型号个人计算机的外设接口示意图,15:58:45,电源线与地线电源线与地线为挂在总线上的模块或设备提供了电能以及电流通路。电源的区别在一定程度上也体现了总线标准的特色。例如,ISA采用+12V和+5V,PCI采用+5V和+3V。一般来说,
9、越是先进的总线标准,采用的电压越低。,15:58:45,采用总线的优点:,简化了系统结构 简化了硬件与软件的设计 便于系统的扩充与更新 便于组织生产,提高产品质量,降低产品造价 可维护性好,15:58:45,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。总线标准包括:各个信号线的功能定义、总线工作的时钟频率、总线系统的结构、总线仲裁机构与配置机构、信号的逻辑电平、时序要求、电路驱动能力、抗干扰能力、机械规范(包括接插件的几何形状与尺寸)和实施总线协议的驱动与管理程序。,1
10、5:58:45,常用的总线标准,1)PC总线这里所说的PC总线是狭义的。1982年IBM公司在推出其IBM PC/XT个人计算机时,在其主板上设计有58个总线插槽(I/O通道),用于插入各种适配器以扩展系统的功能,这就是IBM PC/XT总线,简称PC总线。PC总线共有62条信号线,用双列插槽连接,分A面(元件面)和B面。PC总线实际上是8088CPU核心电路总线的扩充与重新驱动。PC总线共有8条数据线、20条地址线(寻址空间为1MB)、总线时钟频率为4MHz、总线最大传输速率为4MB/s、最大负载能力为8个、采用半同步的工作方式。,15:58:45,2)ISA总线ISA(Industry S
11、tandard Architecture)总线是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线,它是对XT总线的扩展,以适应8位或16位数据总线要求。它推出后得到广大计算机同行的认可,兼容这一标准的微型计算机纷纷问世,直到现在,许多以Pentium芯片为CPU的计算机上仍然有ISA插槽。,15:58:45,ISA总线的主要特点(1)它有比XT总线更强的支持能力,它支持:1K I/O地址空间(0000H03FFH);24位存储器地址;8位或16位数据存取;15级硬件中断,7级DMA通道;产生I/O等待状态等。(2)它是一种多主控(Multi Master)总线,除主
12、CPU外,DMA控制器、DRAM刷新控制器和带处理器的智能接口控制卡都可以成为ISA总线的主控设备(但它只支持一个智能接口控制卡)。(3)可支持8种类型的总线周期:8位或16位的存储器读周期;8位或16位的存储器写周期;8位或16位的I/O读周期,8位或16位的I/O写周期;中断请求和中断响应周期;DMA周期;存储器刷新周期;总线仲裁周期。,15:58:45,3)PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect)是计算机外围设备互连的意思。1992年由Intel发布,很快就成为了商用计算机的总线标准。发展至今,PCI实际上已经不是一个简单的总线标准,而是一
13、类标准。例如,从使用的电源电压来分,就有5V和3.3V两个版本;从总线时钟频率来分可以有33.3MHz和66MHz两种;从总线的宽度来分可以有32位和64位两种。,15:58:45,归纳起来,PCI总线具有以下特点:(1)总线传输速率高最大允许64位并行数据传送,采用地址/数据总线复用方式,若总线时钟频率为33.3MHz,总线宽度为32位,则传输速率为133MB/s;若总线时钟频率为66MHz,总线宽度为64位,则传输速率为528MB/s。如此之高的传输速率是其它总线难以比拟的,它大大地缓解了数据I/O瓶颈,使高性能CPU得以充分发挥作用,并满足了高速设备数据传输的需要。(2)不受处理器限制P
14、CI总线通过CPU局部总线到PCI总线之间的桥接器形成了一种独特的中间缓冲器设计方式,它将中央处理器子系统与外围设备分开,使PCI总线具有独立于处理器的结构特点。一般来说,在中央处理总线上增加更多的设备或部件会降低系统的性能和可靠程度。而有了缓冲器的设计方式,用户可随意增添外围设备,以扩展电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致系统性能的降低。,15:58:45,(3)兼容性强微机系统内均通过PCI/ISA总线桥实现PCI总线与ISA、VESA及MCA总线的完全兼容,保证了通用的ISA总线技术到高性能PCI总线的平稳过渡,这正是PCI总线的生命力所在。并实现不同总线之间的隔离。如当CPU通过局
15、部总线从Cache中存取数据进行处理时,PCI总线可同时对DRAM进行读写操作,而ISA总线则可进行I/O操作。(4)自动配置功能PCI总线标准为PCI接口提供了一套完整的自动配置功能,使PCI接口所需要的各种硬件资源如中断、内存、I/O地址等通过即插即用的BIOS在系统启动时进行自动配置,达到对计算机资源的优化使用和合理配置,从而使PCI接口达到真正的即插即用((PnP)目的,使接口的设计和应用更加简单容易。,PCI插槽,ISA插槽,15:58:45,PCI总线I/O卡-常用的数据采集卡,1)模拟量输入卡(A/D卡),在工业测控系统中,输入信号往往是模拟量,这就需要一个装置把模拟量转换成数字
16、量,各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际的计算机测控系统中,不是以A/D芯片为基本单元,而是制成商品化的A/D板卡。模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同,性能有很大的区别。板卡通常有单端输入、差分输入以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器,对采样数据进行缓冲处理,缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面,A/D板卡通常采取光电隔离技术,实现信号的隔离。板卡模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。,15:58:45,例如,下图所示为研华PCI-1713模拟量输入卡。该板卡具有32 路单端或16 路差分模拟量输入,或组合
17、输入方式,12位A/D转换分辨率,A/D转换器的采样速率可达100 kHz,每个输入通道的增益可编程,卡上有4K采样FIFO缓冲器,2500VDC 隔离保护,支持软件、内部定时器触发或外部触发。,15:58:45,2)模拟量输出卡(D/A卡),计算机内部处理采用的是数字量,而执行机构采用的是模拟量。计算机通过D/A板卡将数字量转化为模拟量,从而通过控制执行机构的动作去控制生产工艺过程。D/A转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同,转换性能指标有很大的差别。,15:58:45,例如,下图所示为研华PCI-1720U模拟量输出卡。该板卡具有四路12 位D/A 输出通道,多种输出范围。由于能够
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