第二章 计算机控制系统理论基础1 - 复件

§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ① 按结构分： 嵌入式
独立式
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ② 按构成模式分： 模板式
模块式
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 通用工业控制计算机（PC-Based Control System）
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 通用工业控制计算机（PC-Based Control System）
变形机
AT96总线工控机主板
CompactPCI/AT96总线工控机主板
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： PLC（Programmable Controller）
打印机
数字量输出
操作台 实时 时钟 通用外部设备 主机 接口 外部通道 检测及变送 控制对象
人机接口单元
控制核心
输入输出单元
§2.1 硬件基础
软件 接口
显示终端
变送器 传感器 A\D D\A 多路开关 反多路开关 数字量输入 执行机构 生 产 对 象
磁盘驱动器
微 型 计 算 机
接口 接口 接口
打印机
MC3486 MC3487
Data Communication Equipment，DCE
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： ② RS-422总线 基本特性： 点对点连接方式 传输距离12~1200m 传输速率 120Kbps~10Mbps 双端发送器和接收器 无公共地线 全双工通信方式
数字量输出
操作台
控制核心—系统的核心
通用外部设备
实时 时钟 主机 接口 外部通道 检测及变送 控制对象
输入输出接口—系统的耳目、手脚
人机接口—系统的窗口 抗干扰技术、可靠性技术 — 系统的安全保障
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
1、组成： CPU RAM，ROM(PROM、E2PROM或FLASH) RAM，ROM(PROM、E2PROM或FLASH) 外设接口（外存储器、显示器、键盘或操作台等） 通信接口（串行、并行） 其它等等。
整体式
电源 中央处理单元 CPU 系 输入输出接口 统 总 编程器 存储器
线 通信接口 …
特殊I/O接口
模块式
现场用户设备
打印机
CRT
其他PLC
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： DCS控制器（主控单元）
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
5、系统总线： 例如，PC总线：PC/XT(62线)， PC/AT或ISA(62线+36线)， PCI(124线)， PC104(104线)， Compact PCI， …….
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： 外部总线： 串行总线：RS-232，RS-422，RS-485， USB，IEEE-1394； 例如：DCS的输入输出总线IOBUS 局域网(LAN)：工业以太网(Ethernet), MAP (制造自动化协议), TCP/IP等 例如：DCS控制网络(C-NET) 。 现场总线：FF，PROFIBUS，LON，CAN等 例如：DCS的输入输出总线IOBUS、FCS中
§2.1 硬件基础
Tolapai
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
SoC（System-on-Chip ）
Promise SmartStor NS4600
今天的SoC芯片主要可以分为有三种类型： A.以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O和 A/D、D/A功能于一个芯片上； B.是以DSP为核心，多功能集成为SoC； C.上两种的混合或者把系统算法与芯片结构有机地集成为SoC。
OUT R T IN MC1489 MC1488
Data Terminal Equipment，DTE Data Communication Equipment，DCE
SGND
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： ① RS-232总线 基本特性： 25线或9线 基本的三根线： ●发送数据线TxD ●接收数据线RxD ●信号地线SGND 点对点连接方式 传输距离≤15m 传输速率≤ 20Kbps 单端发送器和接收器 公共地线容易引进干扰
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
ARM
A.体积小、低功耗、低成本、高性能； B.支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件; C.大量使用寄存器，指令执行速度更快; D.大多数数据操作都在寄存器中完成; E.寻址方式灵活简单，执行效率高; F.指令长度固定。
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
单片机
A. 接口线多、位操作指令丰富、逻辑操作功能强； B. 集成度较好； C. 主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通信设 备和家用电器等。
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 通用工业控制计算机（PC-Based Control System）
Compact PCI-based 工控机
A.兼具IPC的许多优点； B.良好的开放性； C.良好的散热性； D.高温定性； E.高可靠性； F.可热拔插。
§2.1 硬件基础
PC/104总线工控机
A. 小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸，即96×90mm。 B. 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”的 形式 层叠连接，即PC/104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下 层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。 C. 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模 块正常工作，每个模块1～2W能耗。
一、控制核心（主机）
5、系统总线： 总线含义： 总线是一些线的集合， 定义了各引线的信号、电气和机械特性。 总线目的： 厂商按标准设计制造计算机或部件， 用户按标准选计算机或部件集成所需系统。
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
5、系统总线： 总线类型： 内部总线：计算机内部的模块之间进行通信的总 线。 外部总线：计算机之间、计算机与设备之间进行 通信的总线。 并行总线：按字节或字并行传送位信号，传送线 数等于位数。 串行总线：按字节或字串行传送位信号，一根传 送线上按位先后依次传送。
DTE MC1488 IN T DCE MC1489
TxD
R
OUT
OUT
R
RxD SGND
T
IN
MC1489
.
.
MC1488
RS-232接口电路示例
TxD RxD DTE SGND DCE
Data Terminal Equipment，DTE Data Communication Equipment，DCE
IPC Compact PCI-based 工控机 变形机
AT96总线 工控机主板
CompactPCI/A T96总线 工控机主板
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 通用工业控制计算机（PC-Based Control System）
IPC
A.价格低； B.系统资源相对充裕； C.软件可移植性优良控制； D.人机界面及编程功能易于集成； E.易于将过程控制、逻辑控制、批量控制及运动 控制等合为一体； F.不依赖于各种专有的控制系统; G.恶劣环境适应性较差； H.运行稳定性、热拔插和冗余配置较差。
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
4、存储器： 类型： 内存储器：RAM，ROM 外存储器：硬盘，软盘，光盘 工业现场安装： 由于现场环境恶劣和机械设备震动等因素， 不易采用具有运动部件的 硬盘、软盘和光盘驱动器， 那就采用电子盘，并用后备电池， 保证停电后不丢失电子盘中的数据。
§2.1 硬件基础
DSP
A. DSP芯片采用改进的哈佛结构,程序和数据具有独立的存储空间，有着各 自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址， 数据处理能力强； B. DSP指令系统是流水线操作使取指、译码和执行等操作可以重叠执行 ; C.采用专用的硬件乘法器; D.快速的中断处理和硬件I/O支持 ; E.可以并行执行多个操作 F.其它。
OUT
DTE MC3487 IN T DCMC3486
MC3487
RS-422接口电路示例
DTE
DCE
Data Terminal Equipment，DTE Data Communication Equipment，DCE
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： ③ RS-485总线 基本特性： 1点对多点连接方式 传输距离12~1200m 传输速率 120Kbps~10Mbps 双端发送器和接收器 无公共地线 半双工通信方式
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 嵌入式系统
ARM
ARM处理器是Acorn有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处 理器。全称为Acorn RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配 备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统 的所有优势。
电力学院自动化系
张计科
第二章
计算机控制系统理论基础
§2.1 硬件基础
§2.2 信号分析
§2.3 数学描述
§2.4 控制系统分析基础
§2.1 硬件基础
软件 接口
显示终端
变送器 传感器 A\D D\A 多路开关 反多路开关 数字量输入 执行机构 生 产 对 象
磁盘驱动器
微 型 计 算 机
接口 接口 接口
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： ① RS-232总线
DTE MC1488 IN T DCE MC1489
TxD
R
OUT
发送和接收电路 ： RxD 逻辑“l‖电平为-15V至-5V， . SGND . 逻辑“0‖电平为+5V至+15V， RS-232电平与TTL电平的 RS-232接口电路示例 互相转换用 TxD MC1488发送器和 RxD MC1489接收器。 DTE DCE
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
5、系统总线：
内部总线组成： 数据总线 DB 地址总线 AB 控制总线 CB 电源总线 PB
总线母板结构
CPU板
AI板
AO板
DI板
DO板
总 线 母 板
DB AB CB PB
内部总线的组成 总 线 母 板
机械要素：模板尺寸， 接插件尺寸和针数， 电气要素：信号的电平和时序。
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
6、系统通信： ② RS-422总线
OUT R T IN DTE MC3487 IN T DCE MC3486 R OUT
发送和接收电路 ： RS-422接口电路示例 逻辑“l‖电平为-6V至-2V， 逻辑“0‖电平为+2V至+6V， RS-422电平与TTL电平的 互相转换用 DTE DCE MC3487发送器和 MC3486接收器。 Data Terminal Equipment，DTE
§2.1 硬件基础
一、控制核心（主机）
3、分类： ③ 按应用分： 通用工业控制计算机（PC-Based Control System）
Compact PCI-based 工控机
Compact PCI是一种基于标准PCI总线的小巧而坚 固 的 高 性 能 总 线 技 术 。 1994 年 PICMG （ PCI Industrial Computer Manufacturers Group, PCI工 业计算机制造商联盟）提出了 Compact PCI 技术， 它定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑 和软件方面，它与PCI标准完全兼容。卡安装在支 架上，并使用标准的Eurocard外型。
软件 接口 A\D D\A 多路开关 反多路开关 数字量输入 执行机构 生 产 对 象
变送器 传感器
2、主要功能： 接受数据与信息 控制策略解算与决策 发布信息与报警
显示终端
磁盘驱动器
微 型 计 算 机
接口 接口 接口
打印机
数字量输出
操作台 实时 时钟 通用外部设备 主机 接口 外部通道 检测及变送 控制对象