第2章 计算机控制系统总线技术
计算机控制系统习题集
一各章习题
1.1 第1章绪论
1. 计算机控制系统的硬件主要包括哪几个部分？
2. 什么是过程控制通道，过程控制通道主要有哪几种？
3. 根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态，计算机控制系统可分为哪6类，各有何特点？
4. 计算机控制系统从深度和广度两方面各有何发展趋势。
1.2 第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构
1. 什么叫传感器及变送器？
2. 简述压力检测的主要方法和分类。
3. 简述温度检测的主要方法和分类。
4. 简述热电偶测温的原理。
2. 物位仪表分为哪几类？
6. 简述电容式差压变送器的工作原理。
7. 简述常用执行机构和执行器的工作原理。
8. 简述TT302温度变送器的结构和工作原理。
9. 简述交流、直流伺服电机的工作原理。
10.简述步进电机的工作原理。
1.3 第3章计算机总线技术
1.什么叫总线？为什么要制定计算机总线标准？
2.计算机总线可以分为哪些类型？
3.评价总线的性能指标有哪些？
4.STD总线有哪些特点？
5.常用的PC总线有哪些？各有什么特点？
6.简述PCI总线的性能特点。
7. 简述IEEE-488总线的工作过程。
8. 详述RS-232C 、RS-485和RS-422总线的特点和性能。
9. RS-232C 总线常用的有哪些信号？如何通过该接口实现远程数据传送？
10. 什么是平衡方式和不平衡传输方式？试比较两种方式的性能。
11. USB 数据传输方式有哪几种？USB 协议中是如何区分高速设备和低速设备的？
12. 简述USB 总线的枚举过程
1.4 第4章 过程通道与人机接口
第二章 计算机控制系统的组成
第二章 计算机控制系统的组成
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第二章 计算机控制系统的组成 第一节 计算机控制系统组成概述
一、计算机控制系统的组成
图2－1(a) 计算机控制系统的组成框图
如图2－1（a）所示，计算机控制系统主要由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分；生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置，这些装置有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时根据需要进行合理选型。
二、工业控制机
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
1、工业控制机的硬件组成
图2－1（b）工业控制机的硬件组成原理图
工业控制机的硬件包括主机板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。
（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。
作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。
（2）内部总线和外部总线
内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有IBM PC、PCI总线和STD总线。
外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。RS—232C、USB和IEEE—488通信总线。
（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。
（4）磁盘系统：软盘和硬盘。
（5）通信接口: 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用RS—
232C、USB和IEEE—488接口。
(6)系统支持功能
①监控定时器(看门狗-Watchdog) ②电源掉电检测
第2章 计算机控制系统的硬件设计技术
（2）数字量输入/输出模块
（3）继电器输出模块
（4）ADAM以太网模块的应用软件
（1）模拟量输入/输出模块 模拟量输入模块通过为A/D提供的光电隔离和3000V变压器隔离防止对地 环路/浪涌电压对设备造成损坏。 ADAM-6015是16位，6通道热电阻输入模块，各通道输入范围可调。可 以连接Pt100, Pt1000，Balco 500或者Ni50，Ni508热电阻。以工程单位形 式向主机发送数据。 ADAM-6017是16位8通道差分模拟量输入模块，通道输入范围均可程控。 ADAM-6018是16位8通道热电偶输入模块，所有通道的输入范围均可程 控。 ADAM-6024是3个模拟量输入/1个模拟量输出。 （2）数字量输入/输出模块 ADAM-6050具有12个数字量输入，6个输出通道，并且为以太网的无缝 连接提供了10/100 Base-T接口。 ADAM-6051提供12路数字量输入，2路数字量输出和2个计数器 （10MHz时基）并且为以太网的无缝连接提供了10/100 Base-T接口。 （3）继电器输出模块 ADAM-6060提供6路继电器输出，6路模拟量输入，并且为以太网的无缝 连接提供了10/100 Base-T接口。除了以太网口，内置网页，ADAM-6050还 提供了6路继电器输出和6路模拟量输入。 （3）ADAM以太网模块的应用软件 ADAM-6000系列模块使用集成的专用应用软件工具进行系统配置，应用 软件名称为：ADAM-5000TCP/6000 Utility Program，该工具同时支持 ADAM-5000/TCP和ADAM-6000模块，提供了图形化的界面来方便用户的 配置工作，同时也可以方便的用来监控远端的DA&C系统。
第2章 系统总线
线仲裁时序图。
例题
解：从时序图看出，该总线采用异步定时协议。 当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线 上发出申请信号BRi（1）。CPU按优先原则同意后给出 授权信号BGi作为回答（2）。BGi链式查询各设备，并上 升从设备回答SACK信号证实已收到BGi信号（3）。CPU 接到SACK信号后下降BGi作为回答（4）。在总线“忙” 标志BBSY为“0”的情况该设备上升BBSY，表示该设备获 得了总线控制权，成为控制总线的主设备（5）。在设备 用完总线后，下降BBSY和SACK（6）释放总线。 在上述选择主设备过程中，可能现行的主从设备正 在进行传输。此时需等待现行传输结束，即现行主设备下 降BBSY信号后（7），新的主设备才能上升BBSY，获得 总线控制权。
2.1 计算机系统互连结构
• 计算机是由一组相互之间通信的3种基本类型 （CPU、存储器和I/O）的部件或模块组成的 网络。因此，必须有使模块连接在一起的通 路。 • 连接各种模块的通路的集合称为互连结构。 这一结构的设计取决于模块之间所必须交换 的信息。
2.1 计算机系统互连结构
读 写 地址 存储器 0 数据
2.2.2 总线性能指标
① 总线宽度：它是指数据总线的根数 ② 标准传输率：即在总线上每秒能传输的最大字节量，MB/s （每秒多少兆字节） ③ 时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为 同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步总线。 ④ 总线传输信息的不同：分为地址总线、数据总线和控制总 线3种总线。 ⑤ 总线复用：通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两 种总线。为了提高总线的利用率，可以将地址总线和数据 总线共用一组物理线 ⑥ 总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻 辑方式、计数方式等。
计算机控制技术课后题答案整理版（1到5章基本都有了）
第一章
1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。 2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？
（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？
（1）操作指导控制系统（OIS）
优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）
优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）
优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统
优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统
河海大学《微机原理》第2章微处理器与总线
执行单元EU
负责指令的译码、执行和数据的运算
两个单元相互独立，分别完成各自操作，还可 以并行执行，实现指令预取（指令读取和执行 的流水线操作）
8088/8086的内部结构框图
执行单元(EU)
算术逻辑单元 数据暂存寄存器 标志寄存器 EU控制器 通用数据寄存器组 地址指针和变址寄存器
AD0～AD7 地址/数据复用引脚（双向、三态）。当ALE=1时，这 些引脚上传输的是地址，而不是数据。
IO/#M
IO/存储器控制（输出、三态）。低电平表示CPU当前 访问的是存储器，高电平表示访问的是I/O接口。
#WR
写控制（输出、三态）。低电平表示CPU正在对存储器 或I/O接口进行写操作。
DT/#R 数据传送方向控制（输出、三态）。用于确定数据传送 的方向。高电平时表示CPU向存储器或I/O接口发送数 据；低电平表示CPU从存储器或I/O接口接收数据。此 信号常用于控制总线收发器的传送方向。
指令流水线的操作过程
当指令队列空时，EU就等待，直到有指令为止。只要 有一条指令，EU就从指令队列取出指令并执行之；
第2章 计算机控制系统的硬件设计技术
PC104Plus
3.STD总线(外部总线)： STD总线属外总线，是美国普洛公司于1978年推出， 适用于工业控制机的特点和要求而设计的56根线的总线，如图3.16所示。采 用公共母板结构，板上安装若干个插座，插座对应引脚都是连到同一根总线 信号线上，总线信号符合STD规范，各功能模块（如CPU模块、存储器模块、 图形显示模块、A/D模块、D/A模块、开关量I/O模块等）都按标准尺寸制作， 可插入任意插座，从而组建成不同规模的计算机系统。 STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求。在56根总线中，有6 根逻辑电源线、4根辅助电源线、8根数据总线、16根地址总线和22根控制总 线。 STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求。 4.STD32总线：32位总线。
减速机 绕线轮
8号索
检算计算机
同步采集卡
CCD相机
悬索馈源支撑控制系统硬件结构框图
基于FPGA的八轴联动伺服控制卡总体设计硬件结构图
2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介
PCI(Peripheral Component Interconnect, 外设部件互连标 准)是美国SIG集团推出的64位总线。该总线的工作频率为 33MHz/66MHz，数据传输率为80MB/s(峰值传输率为133MB/s)。 通常认为：I/O总线的速度应为外设速度的3-5倍。
(完整版)计算机控制技术第二章习题答案整理及详解(.04.26修改版SK)
b
e i n
g 第2章 习题参考答案
1.什么是接口、接口技术和过程通道？
答：
接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何减缓信息的技术。过程通道是计算机与生产过程之间的信息传送和转换的连接通道。
2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA 总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。
答：
数字量输入接口设片选端口地址为port MOV DX,port
MOV DPTR,PORT
MOVX A,@DPTR
IN
AL,DX
74LS244
PC 总线
*IOR(*RD)_
数字量输出接口
MOV AL,DATA MOV A,DATA
MOV DX ，port MOV DPTR,PORT OUT
DX,AL
MOVX @DPTR,A
3.用8位A/D 转换器ADC0809与8051单片机实现8路模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
输出信号
PC 总线(*WR)
程序：
ORG 0000H
MOV R0，#30H ；数据区起始地址存在R0
MOV R6，#08H ；通道数送R6
MOV IE，#84H ；开中断
SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1
NEXT：MOVX @R1，A ；启动A/D转换
LOOP:SJMP LOOP
INC R0
INC R1
DJNZ R6，NEXT ；8路采样未接受，则转NEXT
计算机控制技术基础知识复习
计算机控制技术基础知识复习
第一章绪论
自动控制系统：在没有人参与的状况下，经过控制器使消费进程自动地依照预定规律运转的系统。
开环控制系统：指无被控量反应的控制系统，即需求控制的是被控对象的某一量，而测量的只是给定信号，被控量关于控制造用没有任何影响的系统。
闭环控制系统：指有被被控量反应的控制系统，即系统的输入信号沿反应通道又回到系统的输入端，构成闭合通道的系统。
典型工业消费进程：延续进程〔流体〕、团圆进程〔固体〕、批量进程〔延续进程和团圆进程交替停止〕。
计算机控制系统：应用计算机〔通常称为工业控制计算机，简称工业控制机〕来完成消费进程自动控制的系统。
计算机控制系统的组成：计算机〔工业控制机〕和消费进程。工业控制机是指按消费进程控制的特点和要求而设计的计算机，包括硬件和软件。硬件包括主机板、外部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通讯接口、输入输入通道。软件包括系统软件和运用软件，系统软件包括实时多义务操作系统、引导顺序、调度执行顺序，运用软件是系统设计人员针对某个消费进程而编制的控制和管理顺序，包括进程输入顺序、进程控制顺序、进程输入顺序、人机接口顺序、打印显示顺序和公共子顺序等。消费进程包括被控对象和测质变送、执行机构、电气开关等装置。
计算机控制系统的任务原理：①实时数据采集：对来自测质变送装置的被控量的瞬时值停止检测和输入。②实时控制决策：对采集到的被控量停止剖析和处置，并按已定的控制规律，决议将要采取的控制行为。③实时控制输入：依据控制决策，适时地对执行机构收回控制信号，完成控制义务。
计算机控制技术第2章
图2.18Βιβλιοθήκη BaiduADC0809的逻辑结构框图
2.3 A/D 转换器及其接口技术
可见ADC0809由： 8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁 存与译码）、8位A/D转换器及三态输出锁存缓冲器组成 （1）各引脚功能： IN0～IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入， 共用一个A/D转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时 锁存3位通道选择信号。 A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电 平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿 时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。
CE、 、R/ C CS
、12/8 、 A0各控制信号的组合作用.
注：× 表示1或0都可以。
2.3 A/D 转换器及其接口技术 10VIN:模拟信号输入，量程范围为10V
20VIN：模拟信号输入，量程范围为20V BIP OFF：双权性偏置端
表 模拟输入信号的几种接法
2.3 A/D 转换器及其接口技术
计算机控制技术第二章输入输出接口与过程通道
NEPU 10
（2）大功率输入调理电路
当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点 工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压（因为直流电 平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电压高， 所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。
“光电隔离”：
通常使用一个光耦将电子 信号转换为光信号，在另 一边再将光信号转换回电 子信号。如此，这两个电 路就可以互相的隔离。
设片选端口地址为port，可用以 下指令完成数据输出控制。
MOV AL， DATA MOV DX， port OUT DX， AL
NEPU 5
锁存器(Flip-latch)
当CLK（使能端）为高电平时，锁存器的数据输出端Q的
状态与数据输入端D相同（透明的）。
当CLK端从高电平返回到低电平时（下降沿后），输入端
NEPU 3
2.1.1 数字量输入输出接口技术
1. 数字量输入接口
作用：对生产过程进行控制，往往要收集生产过程的状态信息，根据状态
信息，再给出控制量。
完成过程：用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。经过端口地址译码，
得到片选信号CS，当在执行IN指令周期时， 产生IOR信号，则被测的状态信息可通过三 态门送到PC总线工业控制机的数据总线， 然后装入AL寄存器。
NEPU 1
2.1 数字量输入输出通道
计算机控制技术(第二版)课后习题答案(王建华主编)
计算机控制技术课后习题答案
第一章绪论
1.计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：P2
(1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入
(2)实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将
要采取的控制策略。
(3)实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2 .计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。P3
答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部组成。
（2）方块图如下图1.1所示：
图1.1 计算机控制系统的组成框图
作用：①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。其中系统软件
包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基
础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序；
②过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。
③生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。
3. 计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计
算机控制系统中要考虑实时性？P2
(1)实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做
出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并
作相应操作的方式。
(2)在计算机控制系统中要考虑实时性，因为根据工业生产过程出现的事件能够保
持多长的时间；该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应，否则，将对
计算机系统第九章总线分析
• 外部总线
– 如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等
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第二章 计算机总线技术
9
---计算机控制系统---
2-1-2 总线的分类（3）
• 局部总线、系统总线、通信总线 • 局部总线----是在传统的ISA/EISA总线和CPU
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第二章 计算机总线技术
21
---计算机控制系统---
2-2-1 总线的体系结构（7）
• 带cache的并发总线体系结构
协处理器
CPU
Cache控制器 Cache存储器
主存储器
总线控制器
其它I/O卡 Modem 显示器 硬 驱 打打印印机机 光盘驱动器
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第二章 计算机总线技术
30.08.2021
第二章 计算机总线技术
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---计算机控制系统---
2-2-1 总线的体系结构（6）
• 带cache的并发总线体系结构
(Concurrent Bus Architecture With cache) – 类似于并发总线体系结构，只是在CPU和存储器
的数据通路上多了一个高速缓冲存储器cache及 cache控制器。
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第二章 计算机总线技术
工业控制计算机总线技术
轧制过程的计算机控制系统
计算机总线的主要职能：负责计算机各部件之间 的信息传输。 总线性能 ：总线的传输速率 、总线的兼容性、 性能价格比 。 多总线结构：多总线结构是指CPU与存贮器、 I/O等部件之间有两种以上的总线，这样可以将 速度不同的部件挂在不同的总线上，以提高系统 效率。
5
传输地址信息，单向三态 其宽度决定了微机系统的寻址能力
例如，ISA为24位，可寻址16MB；PCI为32/64位，可寻 址4GB/224TB，一般n根地址线可寻址2n字节的内存。
控制总线（Control
Bus，CB）
传输控制信号、时序信号和状态信号 特点各异：三态、入/出/双向等特性均不相同
18
轧制过程的计算机控制系统
(1)总线申请阶段：总线上一般都有多个主控设备 。当某主控设备需要启动一次数据传输时，它首 先要向系统提出使用总线的请求，总线仲裁逻辑 按照预先规定好的协议决定是否将总线控制权交 给申请者。取得总线控制权的主控设备，即可启 动一次数据传输。
19
轧制过程的计算机控制系统
12
轧制过程的计算机控制系统
二、系统总线 系统总线又称局部总线(LocalBus)，是CPU片内总线的延 伸。系统总线并不是对CPU引脚的简单复制，而是按 照相应的总线标准对片内总线进行扩充，增加中断控 制、仲裁控制等控制信号。为了加大其驱动能力和在 必要时交出总线的控制权，在相应信号线之间加上驱 动电路和缓冲(三态)电路，并且保证其兼容性。为便 于系统扩充，所有总线标准均将系统总线的信号以总 线扩展插槽的形式引出，以便和功能插件接口。总线 扩展插槽中只能插入与之兼容的插件板。
第2章 工业控制计算机
2.2 IPC工控机的组成与特点
工业控制计算机,简称工控机,也称为工业计算机IPC 。 （Industrial Personal Computer）。它主要用于工业过程 测量、控制、数据采集等工作。以工控机为核心的测量和 控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要 求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对 生产进行监督和管理。 主要内容有以下四部分: 1.工控机硬件组成 2.工控机的软件组成 3.工控机的特点 4.IPC工控机的发展方向
数字信号处理技术是当今的一个热门领域，世界上各大半导 体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域，比 较有代表性的是TI公司的 TMS320F240x系列。 8. ARM处理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公 司的名称，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为 是一种技术的名词。
第二章 工业控制计算机
• 计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛，控制计算机 是计算机控制系统的主要组成部分，因而如何依据不同的 需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本 章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、 选择和有关的总线技术： • 2.1、控制计算机的主要类型； • 2.2、IPC工控机的组成与特点； • 2.3、IPC总线结构； • 2.4、MODBUS通信协议。
数据线 数据控制线 接口管理线 设备A 控者 听者 讲者 计算机 设备B 听者 讲者 电压表 设备C
《计算机控制技术》课程教学大纲 (2022版)
《计算机控制技术》课程教学大纲
一、课程基本信息：
二、课程描述
本课程跨越多个学科方向，包括数学相关内容、控制理论和技术、电子技术和计算机技术等，是一门理论基础扎实、知识面广、应用性强、对学生水平要求较高的课程。控制科学和技术在军事、航空航天、工业、农业、社会和经济等领域都有重要应用。该课程将介绍计算机控制技术中最基本、最重要、最成熟的内容。通过课程学习，学生将巩固前期所学的基础课程，并能予以深入理解和应用，能开拓视野提升使用理论工具分析解决复杂系统的能力。
三、课程教学目标及其对毕业要求的重点支持
计算机控制技术是研究如何利用计算机的软件和硬件来代替自动控制系统中的控制器，实现对系统的计算机数字控制。通过本课程的学习，要求学生掌握计算机控制系统的基础知识、计算机控制系统的硬件和软件设计方法、控制算法、系统的分析方法、工业控制通信网络、抗干扰设计与计算机控制系统的综合设计，为进一步的学习和研究工业控制系统创造良好的条件。同时培养学生的辩证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高综合分析问题的能力。为进一步学习深造以及从事相关专业技术工作、科学研究
工作、管理工作提供重要的理论基础和技能。
本课程由绪论、过程输入输出通道、现代数控技术和工业机器人、边缘计算、自动驾驶汽车技术、计算机控制系统的控制算法、计算机控制系统的软件设计、现场总线与工业以太网控制网络技术、计算机控制系统的电磁兼容与抗干扰设计和分布式控制系统的设计内容组成。通过本课程的教学，不仅使学生在计算机控制系统理论和方法方面树立正确的概念，同时培养学生科学抽象、逻辑思维的能力，进一步强化实践是检验理论的唯一标准的认识观。具体分析如下：
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循环回送握手
当只有一台设备要求握手信号时，从一个DTE 到DCE接口中使用循环回送握手信号。在这种 情况下，数据线正常连接，但是握手信号输出 循环回送到它们相应的输入。
3.RS-232电平转换器
RS232的应用方式
单 片 机
P3.1 TXD
RS232电平
P3.1
MAX P3.0 RXD 232
~ C/BE31 ~ PAR 3
FRAME TRDY IRDY STOP DEVSEL IDSEL PERR SERR REQ GNT CLK RST
AD
AD 32
接口控制 信号
错误报告 信号 仲裁信号 系统信号
PCI 总线 设备
C/BE 4 PAR64 REQ64 ACK64 LOCK INTA INTB INTC INTD SBO SDONE TDI TDO TCK TMS TRST
2.1.2 总线组成及总线功能
组成
4.
电源：电源+12V、-12V、+5V、-5V，是 系统必备总线，-5V用得较少，+5V要求大 电流供电。PCI总线还有3.3V电源信号，这 表现了计算机系统向低压发展的趋向，即电 源的种类在向3.3V、2.5V、1.7V方向发展。
2.1.2 总线组成及总线功能
传输方式
EPP信号定义
EPP接打印机信号定义
2.3.3 RS-232C串行通信接口
1. RS-232端子
发展历史及特点(1) RS-232C标准是美国EIA(电子工业联合会）规 定的通信协议。 数据传输速率在: 0 ～ 20000b/s范围内。 通信协议对串行通信接口信号线功能、电气特 性都作了明确规定。 通讯设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通 信设备，因此，作为一种标准，目前已在智能 通信接口中广泛采用。
2.2.1 STD总线
结构：56根引脚确切定义；小尺寸板子结 构；支持16位甚至32位数据传输。 优点：开放式系统结构；耐振动、冲击， 具有良好的坚固性和可靠性，适合 于工业测控场合的应用；机箱、插 件板结构简单、成本低。 缺点：边缘式印制插头接触不良 。
STD总线信号分配
1.
电源线（1~6,53~56)
2.1.1总线的概念及分类
1. 定义：总线是计算机各模块间进行信息 传输的通道。
解释：总线是指计算机中多个部件之间 公用的一组连线，是若干互连信号线的 集合，由它构成系统插件间、插件的芯 片间或系统间的标准信息通路。
2.1.1总线的概念及分类
2. 分类： 微处理器芯片总线（元件级总线） 内部总线（系统总线）
全握手连接
两台设备的控制信号都有连接，又称为 MODEM连接方式
全握手连接发送数据过程
DTE
DCD 1 RXD 2 TXD 3 DTR 4
DCE
1 DCD 2 RXD 3 TXD 4 DTR
GND 5
DSR 6 RTS 7 CTS 8 RI 9
5 GND
6 DSR 7 RTS 8 CTS 9 RI
数据线、地址线、读／写控制逻辑线、时钟 线以及电源线、地线等 中断机制 总线主控仲裁 应用逻辑，如握手联络线、复位、自启动、 休眠维护等
总线标准的基本内容（2）
电气规范
规定信号逻辑电平、负载能力及最大额定值、 动态转换时间等
采用标准总线的优点
简化系统设计 ； 简化系统结构，提高系统可靠性； 便于系统的扩充和更新； 能得到多家厂商的支持，便于组织生产， 便于维修，经济性好。
DTE DSR
DCE
计 CTS 算 DCD 机 RI
调 制 解 调
信号定义（3）
数据信号
DTE
DCE
TXD——发送数据。 RXD——接收数据。
计 算 RXD 机
TXD
调 制 解 调
电气特性（1）
接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所 有信号共用一根地线。信号速率限于 20kbit/s内，电缆长度限于15m内，单线， 线间干扰大。电性能用±12V标准脉冲，采 用负逻辑。 在数据线上：传号Mark= — 5 ~ — 15V， 逻辑“1”; 空号Space=+ 5 ~ + 15V， 逻辑“0” 在控制线上：通On= + 5 ~ + 15V，逻辑0 断Off = - 5 ~ — 15V，逻辑1
IBM PC、ISA， PCI 、STD 和VME
RS232和USB，IEEE-488，VXI， Centronics ，RS485
外部总线
计算机的总线层次结构
内总线
扩充存储器 外部总线
CPU 片内 总线
片总线
通信接口
计算机
打印机接口 ROM RAM I/O接口 仪表接口
打印机
智能仪表
主机板 网络接口 局域网络
2．总线功能
总线功能是计算机总线研究的重点，计算 机的A-BUS，D-BUS，C-BUS，即地址总 线、数据总线和控制总线的功能如下：
1.数据传输功能；
2.中断功能； 3.多主设备支持功能； 4.错误处理功能
总线标准的基本内容（1）
机械结构规范
规定模块尺寸、总线插头、连接器等的规格
功能结构规范
逻辑电源和辅助电源分别为数字电路和模拟电路提供电 源，两组电源各自有独立的地线。
2.
数据总线（7~14）
双向、三态（高电平、低电平、悬浮态），由当前主模 块控制数据流方向。
3.
地址总线（15~30）
三态，由主模块控制地址总线。
4.
控制总线（31~52)
存储器和I/O控制，外围设备定时控制，中断和总线控制， 时钟和复位串级优先级链。
发展历史及特点（2）
两点说明：
1.
2.
RS-232C标准，最初是为远程通信连接数据终 端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数 据通信设备DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此这个标准的制定， 并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广 泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机 接口）与终端或外设之间的近端连接标准。 RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”， 都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来 定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和 I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双 方都能发送和接收。
信号定义（1）
从计算机到MODEM 的信号
DTR——数据终端 （DTE）准备好：告 诉MODEM计算机已 接通电源，并准备好。 RTS——请求发送： 告诉MODEM现在要 发送数据。
DTE
DCE
计 算 RTS 机
DTR
调 制 解 调
信号定义（2）
从MODEM到计算机的信号
DSR——数据设备（DCE） 准备好：告诉计算机 MODEM已接通电源，并准 备好 CTS——为发送清零：告诉 计算机MODEM已作好了接 收数据的准备。 DCD——数据信号检测：告 诉计算机MODEM已与对端 的MODEM建立连接了。 RI——振铃指示器：告诉计 算机对端电话已在振铃了。
MAX 232
P3.0
单 片 机
RS232应用电路
2.3.4 RS-485串行通信接口--RS-485特点1
传输距离长
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛 采用RS-485 串行总线
抑制干扰能力强
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具 有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具 有高灵敏度，能检测低至200mV的电压， 故传输信号能在千米以外得到恢复。
2.2.2 PCI总线（自学内容）
特点：
高性能（64位）； 不依附于具体处理器。
信号定义：
必要引脚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120条（包含电源、地、保留 引脚等）
PCI引脚
必需的 地址/数据线 AD 0 C/BE 0 可选的
(a) (b)
串行总线：RS-232、 RS-485等
并行总线：IEEE-488、 EPP
EPP总线
15 SPP标准工作模式：单工传输， Kbps， 默认工作模式 EPP增强型工作模式：双向半双工传输，Mbps， 2 三种工作模式 很多设备采用 ECP扩充工作模式：双向全双工传输，速率高， 但支持的设备不多
第2章 计算机控制系统总线技术—序言
总线是计算机系统广泛采用的一种技术。 总线的标准化可以简化系统设计过程， 有助于系统的模块化设计，增强系统的 可扩展性。 了解总线，对设计开发计算机产品的工 程技术人员来说十分重要。
第2章 计算机控制系统总线技术—学习要点
总线定义 总线的组成及功能 STD总线的特点 RS-232总线的信号含义，接口连 接 RS-485总线特点 USB总线简介
PCI总线插槽
2.3 外部总线
内总线 扩充存储器 外部总线 CPU 片内 总线 片总线 通信接口 计算机
打印机接口 ROM RAM I/O接口 仪表接口
打印机
智能仪表
主机板 网络接口 局域网络
外部总线：主要用于计算机系统与系统之间或者 计算机系统与外ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设备之间的通信。
外部总线分类
8位数据线 0 1 1 0 1 0 1 0 8T 源 目的 源 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 目的 1 1 0
~
AD
63
~ C/BE 7
64位总线 扩展信号 接口控制 中断信号
支持Cache 的信号 边界扫描 信号
PCI总线性能
支持10台外设 总线时钟频率33.3MHz/66MHz 最大数据传输速率133MB/s 时钟同步方式 与CPU及时钟频率无关 总线宽度 32位（5V）/64位（3.3V） 能自动识别外设 特别适合与Intel的CPU协同工作
2.3.4 RS-485串行通信接口--RS-485特点2
需要使能信号
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只 能有一点处于发送状态，因此，发送电路须 由使能信号加以控制。
节约信号线
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省 掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成 分布式系统，其允许最多并联32台驱动器 和32台接收器。
2.1 概述
在计算机控制系统的设计中，除选择一种微处理器、微控制 器自行设计硬件系统或选用现有的智能仪表、DCS等系统外， 设计者还可以根据不同的需要，选择微型计算机系统（如 PC机或工控PC机），再配以I/O扩展板卡，即可构成硬件 系统。 I/O扩展板卡是插在微型计算机系统中总线上的满足控制系 统需要的电路板。 工控PC机采用的结构是无源底板，在无源底板上具有多个 ISA或PCI总线插槽，CPU板卡为ALL-IN-ONE结构，采用 工业级电源及特制的机箱，可靠性高，可连续24小时运行， 又与一般PC机兼容。
差分平衡电路引脚
R——接收端 D——发送端 /RE——接收使 能 DE——发送使能 A——差分正端 B——差分负端
R /RE DE D
1 2 3 4
8 7 6 5
Vcc B A GND
图2-11 差分平衡电路
B端电压为A端电 压值取反
RS-485收发器
RS-485收发器种类较多，如MAXIM公司 的MAX485，TI公司的SN75LBC184、 SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。 它们的引脚是完全兼容的，其中 SN65ALS1176主要用于高速应用场合， 如PROFIBUS-DP现场总线等。 SN75LBC184为具有瞬变电压抑制的差分 收发器，SN75LBC184为商业级，其工业 级产品为SN65LBC184。
总线在系统中的分布
2.1.2 总线组成及总线功能
组成
1.
2.
3.
数据总线：数据总线是外部设备和总线主控 设备之间进行数据传送的数据通道。总线宽 度表征数据传输能力 地址总线：地址总线是外部设备与主控设备 之间传送地址信息的通道。不同的总线对地 址的分配不同 控制总线：控制总线是专供各种控制信号传 递的通道，总线操作的各项功能都是由控制 总线完成的。控制信号最能体现总线特色。
电气特性（2）
RS-232的逻辑电平与TTL电平不兼容，与 TTL器件相连必须进行电平转换。
采用电平传输，通信速率为19.2kbit/s时， 通信距离只有15m。若要延长通信距离，必 须以降低通信速率为代价。
2. 通信接口的连接
无握手连接
用于相关程序中未调用和握手信号相关的中断 用于简单系统的连接，当DTE发送数据时确信 DCE已准备好。
2.2内部总线
首先明确：所谓某一种总线，就是一个 或几个组织对总线根数及其所传输的信 号进行定义并命名形成的。所以当大家 看到STD总线，或者PCI总线这样的代 号时不要感觉很抽象，或者不可思议。 不同种类总线间的区别只是总线的机械 规范、功能规范和电气规范不同。
2.2.1 STD总线
STD（Standard）总线最早在1978年由 Pro-Log公司和Mostek公司共同推出， 1987年被批准为国际标准IEEE961。