工业控制计算机及其接口-计算机控制接口设计
机电一体化系统设计 学习指南
机电一体化系统设计学习指南一、理论教学第一章绪论[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化的基本涵义。
2．掌握机电一体化系统及其组成。
3．了解机电一体化控制系统。
[本章主要内容]：1.1 什么是机电一体化?1.2 机电一体化实例—机器人介绍1.3 机电一体化系统基本组成1.4 机电一体化设计方法[本章重点]：1．机电一体化系统基本概念2．机电一体化系统基本组成[本章难点]：1．机电一体化系统基本组成第二章机电一体化系统总体设计[教学目的与要求]：1．了解机电一体化系统的总体设计方法2．掌握机电一体化产品的工程路线3．掌握几种典型机电一体化装置的基本组成[本章主要内容]：2.1 机电一体化产品设计过程2.2 机电一体化系统设计方法2.3 机电一体化产品设计实例[本章重点]：1．机电一体化总体设计的内容及方法2．典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构[本章难点]：1．机电一体化系统设计的方法2．典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法第三章传感检测系统[教学目的与要求]：1．了解传感检测系统的基本组成和传感器的基本评价指标。
2．掌握机电一体化系统中常用传感器的基本原理与适用场合。
3．了解传感检测系统中常用信号预处理技术的基本原理。
[本章主要内容]：3.1 检测的基本概念3.2 传感器概述3.3 常见传感器原理及应用3.4 信号处理[本章重点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）4．信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换)[本章难点]：1．各类传感器的工作原理2．传感器的功用和特性3．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第四章机械系统设计[教学目的与要求]：1．掌握机电一体化系统中传动机构的种类、特点、基本要求。
2．了解常用工业机器人的基本构型。
3．掌握机电一体化系统常用精密传动机构的基本原理与设计方法。
[本章主要内容]：4.1 机电一体化系统典型机构4.2 机器人机构4.3 精密齿轮传动4.4 同步带传动4.5 滚珠丝杠传动4.6 导轨设计4.7 机械系统设计综合应用实例[本章重点]：1．滚珠丝杠副传动机构[本章难点]：1．传动机构的设计方法2．滚珠丝杠副传动机构3．谐波齿轮传动第五章伺服驱动系统[教学目的与要求]：1．了解伺服系统的一般组成、分类和基本组成形式。
常用的工业控制计算机总线
(6) 技术综合性要求高
工业控制计算机应用是系统工程问题。除了要解决计 算机的基本部分以外，还需要解决它如何与被测控对象的 接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业 管理相结合等一系列问题。
以上是工业控制计算机和其它类型计算机相比的区别
5.1.2 微型计算机系统总线的概念
总线：微型计算机系统中信号线的集合，是一种传送规定 信息的公共通道，有时亦称数据公路，通过它可以把各种 数据和命令传送到各自要去的地方。 在微型计算机系统中广泛采用三总线的结构形式 数据总线、地址总线和控制总线。
为了和 Intel 80286等高性能16位微处理器兼容， IBM公司在 PC总线基础上增加了一个36个引脚的 AT扩展插座而形成16位的AT总线，IBM／AT及其 兼容机机箱中，通常在母板上分别设置几个AT插 槽和PC插槽，这种结构也称之为IBM公司的ISA (Industrial Standard Architecture)结构，即工业标准 结构。
4 CompactPCI 工业控制计算机
第五章 工业控制计算机及其接口技术
5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念与特点
机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统 的先进性和智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成 要素。一般微型机往往在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的 微型机通常在条件不比较恶劣的条件下使用，必须采用工业控制机或按工业环境要 求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。
1. 工业控制计算机的概念
一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一 般也叫IPC[Industry Personal Computer]。严格说来，所谓工业控制计算机，是指那 些满足下述条件的计算机系统： · 能够提供各种数据采集和控制功能。 · 能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 · 能够在苛刻的工业环境下可靠运行。
计算机控制及接口技术
第五章计算机控制及接口技术机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着系统的先进性和智能特性。
计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。
计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。
例如，卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等。
现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。
第一节概述一、计算机控制系统的组成将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图5-1所示。
因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。
图5-1 计算机控制系统基本框图在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。
在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。
当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。
典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2来示意，它可分为硬件和软件两大部分。
硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。
（1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。
计算机控制技术 第2章 工业控制计算机简介
(2) 元器件筛选 除进行一般静态与动态技术指标的测试外， 需进行高温老化与高低温冲击试验，以剔除早期 失效的器件。
(3) 接插件和各种开关采用双触点结构，并对其表面 进行镍打底镀金处理。 (4) 安装工艺 当前的发展趋势是采用多层印制电路板高密度 表面安装技术，减少印制电路板面积和提高抗干 扰性能，以减少外引线数目和长度。
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6. 现场控制站的可靠性与可维护性
在DCS中，现场控制站是直接与生产过程相联系 的单元，因此对它提出了最高的可靠性要求。目前平 均无故障工作时间(MTBF) ≥10万小时，而平均修复时 间（MTTR）≤10分钟，为保证这么高的可靠性指标， 所采取的技术措施有以下几个方面： (1) 元器件选用 采用低额定值的原则，即将功率额定值与使用 温度的额定值分别控制在其标准额定值的50％和75 ％以内。另外，尽量选用CMOS电路与专用集成电 路(ASIC)，能显著降低功耗与减少外引线，大大提 高可靠性。
2
②实时性好： 工控机对生产过程进行实时控制与监测，因此要 求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过 程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应，并能 实时地进行报警和处理。为此工控机需配有实时多任 务操作系统(RTOS)。
实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够 在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。 主要考虑两个要素： 一是根据生产过程出现的事件能够保持多长的时间； 二是该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反 应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。
23
6）信号调理板 在DCS系统中，输入信号中存在各种微弱信 号或强电信号，它们是不能直接输入I／O功能模 板上的，必须先将其转化为0~5V或4~20mA的标 准信号，这项工作就是由信号调理板 来完成。 这些信号调理功能包括： 信号放大 隔离 多路复用 滤波 传感器激励 同步采样与保持
计算机控制技术PPT 第3章
3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．既要考虑
到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处
理，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机 参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得 一定控制目的而构成的系统。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
微型计算机的控制技术课后答案详解
习题一1，微型计算机控制系统的硬件由哪几局部组成？各局部的作用是什么？答：CPU，接口电路与外部设备组成。
CPU，这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个局部发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进展实时检测与处理。
接口电路，微机和生产对象之间进展信息交换的桥梁和纽带。
外部设备：这是实现微机和外界进展信息交换的设备2，微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各局部软件的作用。
答：软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。
整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进展的，因此说软件是微机系统的中枢神经。
就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。
2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
3，常用工业控制机有几种？它们各有什么用途？4，操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？答：(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。
计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进展处理，计算出各控制量应有的较适宜或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。
(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进展巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进展比拟，再进展控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。
DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。
(3)计算机监视控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory puter Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进展控制，系统不能运行在最优状态，而SCC系统不仅可以进展给定值控制，并且还可以进展顺序控制、最优控制以与自适应控制等SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与开展。
工业控制计算机(IPC)
(2)ISA总线已被绝大多数工业PC机人员所接受和掌握，这 是其发展的人才来源。
(3)ISA总线性能基本能够满足多数工业控制领域的需求。 (4)ISA总线产品价格便宜，这容易被大多数工控系统设计 人员所接受。 (5)在要求速度高的外设使用中，可采用PCI总线，一般总 线底板具有4-5个PCI插槽。 因此，在工业PC机市场事实上还是以ISA(AT)、PCI总线为 主
引脚数
86(P1) 96
60(P2)
插 板 尺 寸 ／ 304×171 233×220
mm×mm
VM E 总线
IEEE P1014 8／32 4G 5-20M
多主部件
68000 80286 16032
128
160X100 160×233
STD 总线 IBMPC 总线
Q 总线
PC AT M CA
1EEE 961
第二种途径是：由专利总线的倡始人提出建议，将其总线 由专家小组给予评价和 修改，生成新的规程，进而纳入国家或 国际标准。例如HP的 GHIB，S-l00总线和Intel的Multibus均经 历了上述过程；
第三种 途径是：由专家小组在标准化组织的主持下从事 开发和制定总线 标准的工作，标准推出后即可由厂家和用户使 用。例如CAMAC、 Fast Bus和Future Bus均来自于这种途径。
计算机是由主机 、基本输入输出设备和外部磁盘机等组 成 ；过程输入输出（I/O）通道由各种开关量、模拟量等特殊 模板组成。
计算机完成系统的控制作用；过程输入输出（I/O）通道完 成工业生产过程的检测数据送入计算机进行处理以及完成将计 算机要行使对生产过程控制的命令 、信息转换成工业控制对象 的控制变量的信号 ，再送往工业控制对象的控制器去。继而由 控制器行使对生产设备运行控制。
工业控制计算机组成
4.1 工业控制计算机及发展演变
4.1.1 工业控制计算机的组成结构及特点
工业控制计算机是为满足工业应用领域而发展起来的。 要求:系统实时性好，可靠性高，输入输出模板配套好， 系统通信功能强几系统开放性与扩充性好。
1.工业控制计算机的硬件组成,如图4.1。
硬件包括主机板(CPU、RAM、ROM)、内部总 线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系 统、通信接口、输入输出通道。 2.工业控制计算机的硬件组成
开中断 键盘命令处理
显示处理
图4.36 程序主要结构
中断服务开始 计数
T=1S ? 读计数器值 重置计数器 计算流量 PID运算 输出控制量
结束
工控机 RS232 Adam4520 RS485
1# Adam4018 2# Adam4018 … 6# Adam4018
…
1
6
…
77
147 计算机分布式温度检测系统硬件构成
4.2.2.3智能通用I／O单元——UIO板 UIO－CPU的主要指标 主要硬件说明
4.2.3工业控制系统中的人-机接口技术
人-机接口，是指显示技术、打印技术和输入技术三 个方面的问题。
1 显示技术
常用的显示技术有指示灯方式、LED方式、LCD（液 晶显示）方式、模拟屏显示方式、图形显示方式， 以及新型薄膜晶体管TFT方式。
– 2 PLC及其网络是现代工业自动化的支柱 ●PLC集三电于一体 ●PLC网络的性能价格比高
4.3.2 PLC产品概览
4.3.2.1 PLC的几种流派
PLC产品按地域大体可以分成三个流派：
●美国产品 ●欧洲产品 ●日本产品
4.3.2.2 三种流派的三类代表产品
7.2 计算机控制接口技术
• 2.状态信息 • 状态信息是外围设备通过接口向CPU提供的反映外围设 备所处的工作状态的信息，可作为两者交换信息的联 络信号。 • 3.控制信息 • 控制信息是CPU通过接口传送给外围设备的信息。
7.2.3计算机和外部的通信方式
• 计算机和外部交换信息又称为通信（communication） ,按数据传送方式可分为并行通信和串行通信两种基本
7.2.2 I/O信号的种类
• 在微机控制系统或微机系统中，主机和外围设备间所交 换的信息通常分为数据信息、状态信息和控制信息三类 。 • 1.数据信息 • 数据信息是主机和外围设备交换的基本信息，通常是8位 或16 位的数据，它可以用并行格式传送，也可以用串行
格式传送。数据信息又可以分为数字量、模拟量、开关
图7-5 无条件传送方式I/O接口的电路原理图
（2）查询式I/O方式。 • 查询式 I/O 方式也称为条件传送方式。按查询式 I/O 方 式传送信息时， CPU 和外围设备的 I/O 接口除需设置数 据端口外，还要有状态端口。查询式I/O接口电路的原
理框图如图7-6所示。
图7-6 查询式I/O方式接口电路的原理框图
2.
I/O接口与存储器统一编址方式
• 统一编址方式不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间 ，它把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元 对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编 号的地址号；也不设专门的输入/输出指令，所有传送和 访问存储器的指令都可用来对 I/O 接口操作。 M6800 和 6502微处理器以及Intel51系列的51、96系列单片机都采 用I/O接口与存储器统一编址方式。 • 两种编址方式有各自的优缺点。 • I/O接口的编址方式是由所选定的微处理器决定的，接口 设计时应按所选定的处理器规定的编址方式来设计I/O接 口地址译码器。
计算机接口设计
18、点亮LED数码管有静态和动态两种方法。所谓静态 显示就是数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定 的导通或截止。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮 度，所以可以由单片机IO口直接驱动，静态显示方法适合 与显示位数少的情况。当位数较多时，用静态显示需要占 用太多的IO口，所以，一般采用动态显示的方法。所谓动 态显示就是一位一位地轮流点亮各位数码管，即扫描点亮。 数码管的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和扫描间 隔时间有关。通过调整电流和时间参数，可以实现高亮度、 高稳定的显示。动态显示需要电流较大，一般需要在单片 机和数码管之间增加驱动电路。
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19、对于文本、图形等复杂参数的显示，可以采用 LCD液晶屏来完成，其具有低压微功耗、显示信息 量大、显示内容直观等优点，是机电一体化系统中 应用非常广泛的输出设备。从显示内容来分，LCD 液晶屏有字段型、点阵字符型和点阵图形型三类。
20、下图是HC16202字符型LCD模块与单片机接口电路 图，说明关键引脚RS、R/W、E、V0的作用，并分析 控制端口地址。
图4.3 硬件去抖电路及其工作原理 华北科技学院
9、若机电一体化系统需要输入少量的参数，如修正系数、控 制目标等，采用拨码盘较为方便，这种方式具有保持性。
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10、 BCD拨码盘的输入输出状态 表
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11、当需要输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入接口 。常见的键盘为4X4矩阵式键盘。
1、在机电一体化系统中，计算机控制器是整个系 统的核心，它通过计算机接口与检测设备和驱动系统 联系。计算机接口技术就是研究计算机控制器与外围 设备交换信息的技术，它在计算机控制中占有相当重 要的地位。
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工业控制系统接口标准
工业控制系统接口标准
工业控制系统的接口标准有多种，以下是一些常见的接口标准：
1. Modbus：Modbus是一种串行通信协议，用于在工业控制系统中连接不同设备，如传感器、执行器和监视器。
它是一个开放的通信协议，支持多种物理介质和网络架构。
2. Profibus：Profibus是一种现场总线通信协议，广泛应用于工业自动化领域。
它可以用于连接各种设备，包括传感器、执行器、PLC和DCS等。
Profibus提供了高速、可靠的数据传输，并支持分布式控制系统。
3. Ethernet/IP：Ethernet/IP是一种基于以太网的工业通信协议，它将以太网和工业自动化集成在一起。
它提供了实时数据传输、设备管理和网络安全等功能，广泛应用于工业控制系统中。
4. CAN（Controller Area Network）：CAN是一种串行通信协议，主要用于车辆和工业领域的控制系统。
它具有高度可靠性和抗干扰能力，适用于需要长距离通信和实时数据传输的应用场景。
5. OPC（OLE for Process Control）：OPC是一种通信协议和软件标准，用于在工业控制系统中实现设备间的数据交换。
它提供了统一的接口和数据模型，使得不同厂商的设备可以互相通信和集成。
这些接口标准在工业控制系统中起到了关键作用，使得不同设备能够进行数据交换和协调工作，实现自动化控制和监测。
具体选择哪种接口标准取决于应用需求、设备兼容性和网络架构等因素。
1。
机械设计工程师资格认证考试内容
一、《现代机械设计方法》内容：创新设计、机械动态设计、有限元分析、稳健设计、优化设计和可靠性设计。
二、《机电一体化系统设计》内容：机电一体化系统设计的基本原理与方法、机械一体化系统数学模型、机械传动及其驱动系统设计、传感器与检测系统、工业控制计算机及其接口设计、典型机电一体化系统。
三、《计算机辅助设计与制造》笔试内容：计算机辅助设计技术、三维几何造型技术、CAPP技术、CAM技术、产品数据管理PDM技术。
机试内容：计算机辅助设计与制造相关软件的应用。
由机械设计学会指定的考试点根据自身的计算机软硬件条件在下列软件范围内任选两种（ANSYS、MSC、Software、Relex、ProFES、RelF MECA、CBT/NOVA、新洲软件、开目软件、CATIA、Sdidwork、Cimatron）。
考试复习大纲《现代机械设计方法》第1章绪论了解设计的定义及其分类、现代机械设计理论与方法学科的研究领域。
第2章产品生命周期设计（1）产品生命周期设计的基本概念。
了解产品生命周期和产品生命周期设计的内涵及其组成。
熟悉产品生命周期设计的基本特点。
（2）面向材料选择的设计技术。
了解绿色材料的基本概念。
了解绿色材料的评价方法和选用方法。
（3）面向产品质量的设计技术。
了解产品质量设计的基本概念、质量设计模型以及其主要设计方法及评价方法。
（4）面向环境的设计技术。
了解面向环境设计的基本概念。
熟悉拆卸设计、回收设计和维修设计的定义、分类及设计基本原则。
（5）产品生命周期设计的评估。
了解产品生命周期设计的基本概念和评估方法。
第3章创新设计（1）创新设计的概念。
了解设计理论的分层、创新设计的特点和创新设计的过程。
（2）产品设计中的冲突。
了解工程设计中的冲突。
掌握T RIZ的冲突分类。
熟悉技术冲突的通用化和标准化的方法描述。
（3）冲突解决原理。
熟悉发明原理。
掌握冲突矩阵和技术冲突问题的解决过程。
（4）物理冲突解决原理。
了解物理冲突的类型。
第六章计算机控制系统
⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机
工业控制计算机完美版PPT
DMA 通道也扩充到 8个。AT总线也称 常用的通信接口有IEEE-488并行接口、RS-232C和RS485串行、USB总线接口。 ISA 总线标准。
1989年，COMPAQ 公司联合 HP，AST 等 9家计算机公司，在 ISA 总线根底上，推出了适应 32位微处理器的系统总线标准 EISA 总线标准。
工业控制计算机
2.1 工控机
IPC的组成与特点 的内部总线 的外部总线 输入/输出模板 的主要产品
IPC的组成与特点
工业控制计算机也称为工业计算机〔IPC〕,简称工控机。 它 主要用于工业过程测量、控制、数据采集等。 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。
成。 这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线，而是指
系统插件板交换信息的板级总线。
这种系统总线就是一种标准化的总线电路，它提供通用的电 平信号来实现各种电路信号的传递。
总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。
❖ 内部总线是指计算机内部各功能模块间进行通信的总线， 也称为系统总线，是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。
为了和 Intel80286 16位机兼容，对 有绝对精度和相对精度两种表示法。
IEEE-488总线电缆是一条无源的电缆线，包括16条信号线和8条地线。
XT
总线在电气和机械特性上
作了较大的扩充，在原来 控制器完全符合PCI 总线规格Rev2.
RTS：请求发送。
62引脚的根底上增加了一个
36引脚
③精度：指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差。
⒊IPC的特点
⑴可靠性高； ⑵实时性好； ⑶环境适应性强； ⑷丰富的输入输出模板； ⑸系统扩充性和开放性好； ⑹控制软件包功能强； ⑺系统通信功能强； ⑻冗余性。
《工业控制计算机》PPT课件
全长主板(PCI)
ppt课件
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工业控制计算机的主板
半长主板(Advantech PCI-7020)
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第三章 工业控制计算机
概述 工业控制计算机的组成及特点 工业控制计算机的主板 工业控制计算机的接口 工业组态软件 基于工控机的控制系统应用
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25
工业控制计算机的接口
▪ 模拟量输入/输出(AI/AO) ▪ 数字量输入/输出(DI/DO) ▪ 计数/定时(C/T，Counter/Timer) ▪ 多功能(AI、AO、DI、DO、 Counter、Timer) ▪ 运动控制(Motion) ▪ 通信(Communication) ▪ 其他
第三章 工业控制计算机
概述
工业控制计算机的组成及特点
工业控制计算机的概念及特点
工业控制计算机的组成
工业控制计算机的总线结构
基于工业控制计算机的机电一体化系统
工业控制计算机的主板
工业控制计算机的接口
工业组态软件
基于工控机的控制系统应用
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工业控制计算机的概念及特点
▪ 概念
• 简称工控机(IPC，Industrial Personal Computer)，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。
PCI-1780 + PCL-10168 + ADAM-3968
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多功能(AI、AO、DI、DO、 Counter、Timer)
多功能数据采集卡(Advantech PCI-1716)
05第五章 机电一体化系统设计 工业控制计算机及其接口技术
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 2. 拨盘输入接口
拨盘内部有一可转动圆盘， 具有“0～9”十个位置，可以通 过前面两个“+、-”按钮进行位 置选择，对应每个位置，前面 窗口有数字提示，拨盘后面有 五根引出线，分别定义为 A、 1、2、4、8。当拨盘在不同位 置时，1、2、4、8线的通断关 系如下表所示。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 软件消抖是在检测到开关状态后，延时一段时 间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同 则认为有效。延时时间应大于抖动时间。 • 硬件消抖常采用下图所示电路。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 2. 拨盘输入接口
(1).BCD 码拨盘结构 拨盘种类很多，作为人机 接口使用最方便的是十进制 输入、BCD码输出的BCD码 拨盘，其结构如右图所示。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
二、信息采集接口
1.常用数据采集的结构形式 2.常用的A/D转换器
第五章 工业控制计算机及其接口技术
二、信息采集接口
1.常用数据采集的结构形式
ห้องสมุดไป่ตู้
多路A/D通道。每个信号源检测的信号都有各自独立的 采集通道，该结构形式使用了较多数量的采样-保持器、 A/D转换器，成本高，但转换速度高。
输入接口 • 1. 开关输入接口 • 对于一些二值型控制命 令和参数，常采用简单的 开关作为输入设备。
第五章 工业控制计算机及其接口技术
• 控制微机通过 I/O 口或扩展 I/O 口对开关点电位 进行检测，从而判断开关的状态。由于这类开关 都是机械开关，机械触点的弹性作用使开关在闭 合及断开瞬间产生抖动，造成开关点点电位产生 一系列脉冲，电压抖动时间的长短，与机械特性 有关，一般为 5～10ms。按钮的稳定闭合期由 操作员的按键动作决定，一般在几百微秒至几秒 之间。所以，在进行接口设计时需要采取软件或 硬件措施进行消抖处理。
工业计算机
1.2 工业标准总线
• 1）电源总线 • 电源总线分为逻辑电源总线和辅助电源总线两组，其中逻辑地和辅助地各自独
立，使总线具有更高的抗干扰性能，但在实际中通常将所有的地都连到电源地。 电源总线最多可提供5个独立的电源及2个独立的地。 • 2）数据总线 • 数据总线是双向三态8位工作总线。数据总线的流向由当前主板来控制并受读 信号RD、写信号WR及中断响应信号INTAK • 当地址范围扩充时，数据总线可以被复用。利用机器周期同步信号MCSYNC 可复用数据总线，传送高位地址A23～A16
• 计算机的每一种总线都有特定的含义。按照总线的规模、用途和应用场合，总 线分为片总线、内总线和外总线。
1.1 总线技术
• 1.片总线 • 片总线是芯片级总线，用来实现芯片之间的连接和通信，如单片机的数据总线、地址总线和
控制总线等。 • 2.内总线 • 内总线又称为系统总线或者板级总线，用来实现各个功能模块之间的连接和通信，如计算机
• RS-232C规定采用一个25个引脚的DB25连接器来实现设备互联。 在电话网络通信中，DB25的串口实际仅用了10根线，其中有保 护地和信号地两根地线，由于这两根地线之间没有进行有效的隔 离措施，在很多情况下只用9根线，也就是说用DB9的接口代替 了DB25
1.2 工业标准总线
• 当RS-232C总线用在不同计算机之间、计算机和设备之间直接 连接通信时，通常用到的引脚只有3个，即接收端RXD（2脚）、 发送端TXD（3脚）和地GND（5脚），由此可构成半双工通
• 其次，由于工业环境中不可避免地存在振动、灰尘、高温和电磁干扰等，所以工业计算机的 结构和普通计算机不同，它取消了普通计算机的大母板结构，改用无源母板，各种功能的模 块通过母板接口实现相互通信，改善了大母板抗振动能力差的缺点。另外，工业计算机采用 工业控制专用的CPU，其CPU工作频率要比普通计算机低很多，并采用特殊机箱和屏蔽方式 实现抗干扰、防尘等要求。
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第5章 工业控制计算机及其接口技术
图7-14 8255A与CPU和外设的连接 机电一体化 MECHATRONICS
第5章 工业控制计算机及其接口技术
图7-15 8251A与CPU和外设的连接 机电一体化 MECHATRONICS
第5章 工业控制计算机及其接口技术 7.3.2 I/O接口扩展
1.地址译码器的扩展 • 扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口（寄存器）的
，机量电一化体误化差最大值emax＝±0.5V。
MECHATRONICS
第5章 工业控制计算机及其接口技术
1. 输入/输出通道 在微机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，
要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入微机。微机 经过运算、处理后，将结果以数字量的形式输出，此时也 要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以 在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连 接通道。该连接通道被称为输入与输出通道，它包括模拟 量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量 输出通道，其组成如图7-22所示。
UREF（+） =+5V，ＵREF（-） =-5V。
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图7-24 ADC0808/0809 管脚排列图
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图7-25 ADC0808/0809 时序图
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5. 12位A/D转换器AD574 AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲
图7-19 模拟量输入通道的组成方框图
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1. 信号处理装置 • 信号处理装置一般包括敏感元件、传感器、滤波电路、线
性化处理及电参量间的转换电路等。 2. 采样单元 • 采样单元也称为多路转换器或多路切换开关，它的作用是
把多个已变换成统一电压信号（0~40mV）的测量信号按 序或随机地接到采样保持器或直接接到数据放大器上。 3. 计算机采样与量化 • 模拟信号的计算机数据采集过程需要解决用离散数据表示 连续信号的精度问题。
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图7-21 (a）离散模拟信号；(b）数字信号
• 量化单位q是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟
量的值。设fmax和f min分别为转换信号的最大值和最小
值，i为转换后二进制数的位数，
•
q
fmax 2i
f m in
例如，模拟信号fmax＝16V、fmin＝0，取i＝4，则q ＝1V
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图7-17 I/O接口地址译码扩展
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• 图7-17中，独立编址方式的片选信号只利用地址总线的低
8位（A0～A7）译出，为了区别是访问存储器还是访问I/O
接口，IORQ信号是必须用的。同时,为了控制数据流向也 要 使 用 读 （ RD ） 、 写 （ WR ） 信 号 。 但 是 Z80PIO 和 Z80CTC 芯 片 有 些 特 殊 ， 没 有 WR 信 号 引 脚 ， 它 是 利 用
，则使B7～B0为输入线。在系统中，T端和CPU的DT/R
端相连，DT/R为数据收发信号。当CPU进行数据输出时 ，DT/为高电平，于是数据流由A7～A0进入，从B7～B0送 出；当CPU进行数据输入时，DT/R为低电平，于是数据 流由B7～B0进入，而从A7～A0送出。
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1）分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数表示,如8位、10位、 12位、16位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝ 1/256的增量作出反应。分辨率是指能使转换后数字量变化 为1的最小模拟输入量。
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2）量程 量程是指所能转换的电压范围,如5V、10V等。 3）转换精度 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度， 有绝对精度和相对精度两种表示法。 4）转换时间 转换时间是指从启动A/D到转换结束所需的时间。 5）工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为-40~85℃，较差的为 0~70℃。
AD574 DB0～DB11——12位数据输出，分三组，均带三态输出 缓冲器。 ULOGIC ——逻辑电源+5V（+4.5~+5.5V）。 UCC——正电源+15V（+13.5～+16.5V）。 UEE——负电源-15V（-13.5～-16.5V）。 AGND、DGND——模拟和数字地。
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第七章 工业控制计算机及其接口
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第5章 工业控制计算机及其接口技术
7.3 计算机控制接口设计
7.3.1 I/O接口与系统的连接 • 计算机接口是CPU和外围设备之间的连接界面。典型
的I/O接口和外部的连接如图7-12所示。
图7-12 典型的I/O接口 与外部的连接
器的A/D转换器，它可以直接与8位或16位微型机总线 进行接口。AD574的分辨率为12位，转换时间为15～ 35μs。
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第5章 工业控制计算机及其接口技术 1) AD574的电路组成 AD574的原理框图如图7-26所示。AD574由模拟芯
片和数字芯片两部分组成。
第5章 工业控制计算机及其接口技术
图7-18 8286收发器和8088的连接 机电一体化 MECHATRONICS
第5章 工业控制计算机及其接口技术 7.3.3.信息采集接口 模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换 成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要 求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。 目前普遍采用的是共用运算放大器和A/D转换器的结 构形式，其组成方框图如图7-19所示。
（1）数据信号D0～D7。 （2）读/写控制信号 RD、WR (或IOR、IOW )
（3）片选信号CS和地址线A１、A0。 （4）时钟、复位、中断控制、联络信号等控制信号。
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图7-13 Z80PIO与CPU和外设的连接 机电一体化 MECHATRONICS
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图7-22 输入与输出通道的组成 机电一体化 MECHATRONICS
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2. 模拟量输入通道 模拟量输入通道一般由信号处理装置、多路转换器、采样 保持和A/D转换器等组成。 模拟量输入通道有以下两种基本结构形式。 （1）一个通道设置一个A/D转换器的形式。 （2）多个通道共用一个A/D转换器的形式。
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图7-26 AD574原理框图
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第5章 工业控制计算机及其接口技术 2) AD574的引脚功能说明 AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装，
引脚图如图7-27所示。
图7-27 AD574引脚图 机电一体化 MECHATRONICS
第5章 工业控制计算机及其接口技术
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3. A/D转换器的主要技术参数 A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数来分类，
包括：8位的ADC0801、0804、0808、0809；10位的 AD7570、AD573、AD575、AD579；12位的AD574、 AD578、AD7582；16位的AD7701、AD7705等。A/D转换 器的主要技术参数如下：
编址和选址问题。每个通用接口部件都包含一组寄存 器，一般称这些寄存器为I/O端口。 • 74LS138的管脚图如图7-16所示。
图7-16 74LS138管脚图 机电一体化 MECHATRONICS
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• 例7-1 此例采用8位的Z80CPU的微机控制系统，按控制要 求 扩 展 一 个 并 行 接 口 芯 片 PIO 、 一 个 计 数 器 ／ 定 时 器 （ CTC）、一个8位的A/D转换器（ADC0808）和一个8位的 D/A转换器（DAC0832）。若指定它们的地址分别为40H ～43H、44H～47H、58H和5CH，那么可以设计出如图717所示的地址译码电路。
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第5章 工业控制计算机及其接口技术
• 图7-13、图7-14和图7-15中，分别画出了典型的I/O 接口芯片Z80PIO、8255A和8251A与CPU和外围设 备的连接关系。由图7-13、图7-14和图7-15可见， 接口芯片与CPU之间必要的连接信号有下列4类：
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4. 8位A/D转换器ADC0809 1）电路组成及转换原理 ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路转换开关以及
与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。 ADC0809无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关
的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也 可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。
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D7～D0——数字量输出端。 UREF（+）、ＵREF（-）——参考电压输入端，分别 接+、-极性的参考电压，用来提供D/A转换器权电阻的标准 电平。 在模拟量为单极性输入时,
UREF（+）＝5V，ＵREF（-）＝0V; 当模拟量为双极性输入时，
IORQ、RD 和Mi三个信号通过内部逻辑电路的组合而得
到读、写、复位、中断响应等控制信号的。