第2章计算机控制系统的硬件设计技术1.ppt

计算机控制技术 电子与电气工程学院 第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 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 在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连，输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。 接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。 计算机控制系统的组成框图 接口 A/D 接口 D/A 接口 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 数据通信技术 计算机测控系统中，很多情况下是由多台PC工控机或单片机控制系统构成所谓的多机系统。 在多机系统中，计算机与设备之间或计算机之间需要相互通信，数据共享，而大的测控系统的相互通信，距离往往有远有近，机型互有区别，不同类型计算机之间的数据交换依赖于标准的计算机通信技术。 1.数据通信的基本概念 我们把PC机、单片机和外围设备之间的相互数据交换称为数据通信。数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。 具体的通信方式的选择，取决于通信距离的长短，以及对通信通道的资源要求。距离短可考虑采用并行通信，距离长则要考虑采用串行方式。 并行数据通信是指数据各位同时进行传送（发送和接受）的通信方式。 优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，在硬件上就需要多少根通信线进行数据传输。当传输位数多，距离长的时候不适宜用并行方式传输。 串行数据通信是指数据是一位一位地按顺序进行传送的通信方式。 其突出优点是使用的传输线少，只需要一对传输线就可以满足要求，这样大大降低了传送的成本，特别适用于远距离通信，当然其传输速度比并行通信要慢。 理论上讲，并行传输N位数据的时间为t，那么串行传送的时间至少为Nt，实际上总是大于Nt。 2.串行通信数据传送方式 根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。 （1）单工方式。通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。 （2）半双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。 （3）全双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。 1).异步通信 异步通信中，数据是一帧一帧的传送，所谓数据的帧是指包含一个字符代码或一个字节的数据，每一个串行帧的数据格式如下图所示。 串行数据通信的方式分为异步通信和同步通信两种，它们的主要区别在于信息格式上的不同。 从图中可看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起止式协议。 起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。 异步通信的信息格式如下表所示。 异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。 若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓