计算机控制技术课件第4章
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教学课件 《计算机控制技术》陈红卫
③消去方程式中间变量，得到输入量与输出量相关联的 方程；
④标准化：将与输入有关的各项放在等号右边，与输出 有关的各项放在等号左边，并且分别按降幂排列，最后将系 数化为如时间常数等反映系统动态特性的参数。
，
例2.1：如图2.1所示，水经过阀门1不断地流入水槽，又
通过阀门2不断流出，水槽的横截面积为A。假定水槽的液
控控制制网网 控控制制器器
现现场场总总线线网网
工工作作站站
决决策策管管理理网网络络
网网桥桥
显显示示终终端端
生生产产管管理理网网络络
操操作作站站
网网桥桥
操操作作站站 控控制制网网络络
PPLLCC PPLLCC
┅┅ 控控制制器器
现现场场总总线线网网络络
现现场场传传感感器器
现现场场传传感感器器
┅┅ 现现场场传传感感器器
业
计
对
算
象
机
显显示示终终端端
调节器
打印机 计算机操作指导控制系统框图
1.3.2 直接数字控制系统
直接数字控制（Direct Digital Control ，DDC）系统的框 图如图所示。
外部设备
A/D转换器
检测装置
被
计
控
算
对
机
D/A转换器
驱动器
执行机构
象
操作台
计算机直接数字控制系统框图
1.3.3 监督控制系统
至其它局域网 网间连接器
计算机监督 控制级
工作站
工作站
工作站 监控计算机 网间连接器
分散控制 现场级
现场 控制站
智能 调节器
各种 测控装置
通信联络 PLC 系统
计算机分布式控制系统结构
④标准化：将与输入有关的各项放在等号右边，与输出 有关的各项放在等号左边，并且分别按降幂排列，最后将系 数化为如时间常数等反映系统动态特性的参数。
，
例2.1：如图2.1所示，水经过阀门1不断地流入水槽，又
通过阀门2不断流出，水槽的横截面积为A。假定水槽的液
控控制制网网 控控制制器器
现现场场总总线线网网
工工作作站站
决决策策管管理理网网络络
网网桥桥
显显示示终终端端
生生产产管管理理网网络络
操操作作站站
网网桥桥
操操作作站站 控控制制网网络络
PPLLCC PPLLCC
┅┅ 控控制制器器
现现场场总总线线网网络络
现现场场传传感感器器
现现场场传传感感器器
┅┅ 现现场场传传感感器器
业
计
对
算
象
机
显显示示终终端端
调节器
打印机 计算机操作指导控制系统框图
1.3.2 直接数字控制系统
直接数字控制（Direct Digital Control ，DDC）系统的框 图如图所示。
外部设备
A/D转换器
检测装置
被
计
控
算
对
机
D/A转换器
驱动器
执行机构
象
操作台
计算机直接数字控制系统框图
1.3.3 监督控制系统
至其它局域网 网间连接器
计算机监督 控制级
工作站
工作站
工作站 监控计算机 网间连接器
分散控制 现场级
现场 控制站
智能 调节器
各种 测控装置
通信联络 PLC 系统
计算机分布式控制系统结构
《计算机控制技术》课件
《计算机控制技术》ppt课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
计算机控制技术ppt第4章
差动方式输入，放大器差模闭环增益A＝1＋2R0／R，R为
R1~R8中的一个。R1~R8值可以根据不同放大倍数要求，用公 式A＝1＋2R0／R来选取，电子开关CD4051选通哪一路电阻
，
31
可以由CPU通过程序进行控制。当电阻都不被电子开关选通 时，放大倍数为1。当信号源采用单端输入时，运放A2的正 输入端通过电阻接地。
12
图4-4 干簧继电器开关矩阵
13
在计算机控制系统中，目前用得最多的是由晶体管、场 效应管或光电耦合开关等组成的电子式无触点开关。这类开 关工作频率高，体积小，寿命长。其缺点是导通电阻大，驱 动部分和开关元件不独立而影响了小信号的测量精度。 常用的电子开关有CMOS、FET单片多路开关，如 CD4051、CD4052、CD4053(或MC14501、C511)等以及由 TTL电路组成的数据选择器74LS150、74LS151等；也有的 将多路开关与A／D集成在一个芯片内，如ADC0808、 ADC0809、ADC1211等。
控制信号后，S闭合，进入采样阶段，模拟信号迅速向电容
充电到输入电压值(这个时间越短越好)；控制信号去除时， S断开，进入保持阶段，为让A／D转换器对保持电容C上的
电压进行量化，希望电容维持稳定电压的时间长一些。
34
由于充电时间远小于A／D转换时间，保持器的电压下降率 又较低，因此大大减小了误差。
35
扰场合。
19
图4-8 光电耦合开关用法之一
20
2．多路开关的连接方式
多路开关有单端输入、差动输入和伪差动输入等基本连 接方式，如图4-9所示。 图4-9(a)是单端多路输入方式，一般用于高电平输入信 号。由于一个通道传送一路信号，因此通道利用率高。但因 这种方式无法消除共模干扰，所以当共模电压Ucm和信号
《计算机控制技术》PPT课件
生 产 过 程
模拟控制系统结构图
计算机控制系统结构图
两者都是自动控制系统，两者都实现PID控制 模拟控制器 硬设备 只能控制一个回路 控制过程中算法不能改变 数字控制器 软设备 可控制多个回路 控制过程中算法可以改变，可实 现除PID以外的多种复杂控制
9
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1.4计算机控制系统举例
如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：
G( s )
a ( s)
u( s )
1 s s( 1) a
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工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。
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罝尵絿蜅揅鼻魮歮懷 瀳鎮殻梨姁佁垍缮鲟 铢闅罛槢醑鳟蜂戚运 庉裻怰鷲脆闞褠轛煿 闔蘹揙幵梁氌熽柕櫱 漞巈蚴禿孰挅要临曹 111111111 玌瘽錙聒抚巖诠唜璶 看看 閎飛憴氍沓壘蠰錏砙 慅叻乎糔袙顯隂鵑肱
17
18
痖靅甤憌腗隧睓湥蚩椢砌翲糮殣 荟讃襊焕妋瓶懸劆鵐坦帅鎺钞邮 巰軸璩骳惨褈釼虉謱坴卉任鶢囆 椞觍登譃兎魈唉祠族菼蹚夸緩藮 1 2 慷璀趭賋戚飵擤齰胈鐖睚烬拕熧 3 縋鸫爠糷栿緩琊憢氟簜灠鰾衬摣 4 5 昕絚氽万昌晇栢嗒炧頴觃汍柀楘 6男女男男女 漽訐暪浕畹唭譞貜淅猽艜毅冲淈 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 涙誖栔细餴風襹鋃侳殜淽呝陙普 9 愧銺鴈崀燼震凍痟媾圑箦衃爊肾 岏荧瓘幯艈颚仅顶鄰蓜卼黽吁蜋
计算机控制技术PPT 第4章
4.4 传感器和传感系统
信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的 高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微 处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。 随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元 ，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和 机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成， 其重要性变得越来越明显。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
主要教学内容和学时分配
第1章 概论：计算机控制技术和企业自动化
4
第2章 工业通信基础和计算机接口总线
8
第3章 计算机控制系统
8
第4章 控制系统的接口：输入输出通道
6
第5章 控制器设计技术
12
第6章 计算机控制系统的抗干扰技术
6
第7章 主要的工业控制器
进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号 和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成 具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作 是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某 些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的 。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器 。
控制总线
4.3 模拟量输出通道
将计算机输出的数字控制量转换成执行机构可用的模拟 量，就是模拟量输出通道应解决的问题。模拟量输出通道 一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换电路等组成。
模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持结构 的组成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号来 到之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保 持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道 的两种基本结构形式。 一个通路设置一个数／模转换器 多个通路共用一个数／模转换器
计算机控制技术课件4
总线带宽（MB/S）= 1/8×总线宽度×总线频率
2019/11/22
计算机控制技术
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第3章 计算机总线技术
•同步方式 可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线
上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定 的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模 块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的， 就可达到很高的总线带宽。
第3章 计算机总线技术
计算机控制技术课件4
2019/11/22
计算机控制技术
1
第3章 计算机总线技术
第3章 计算机总线技术
• 总线的基本概念 • 内部总线 • 外部总线
2019/11/22
计算机控制技术
2
第3章 计算机总线技术
3.1 总线的基本概念
•总线的定义 总线就是一组信号线的集合，它定义了各引 线的信号、电气和机械特性，使计算机系统 内部的各部件之间以及外部的各系统之间建 立信号联系，进行数据传递和通信。
计算机控制技术
17
第3章 计算机总线技术
3.2 内部总线
本节主要内容 • STD总线 • PC系列总线
2019/11/22
计算机控制技术
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第3章 计算机总线技术
3.2.1 STD总线
• STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总 线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线
•STD总线的特点：
第3章 计算机总线技术
总线的分类（续）
•内部总线：系统总线或板级总线
– 内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微 机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、 PCI总线等
– 按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、 和电源总线PB
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计算机控制技术
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第3章 计算机总线技术
•同步方式 可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线
上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定 的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模 块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的， 就可达到很高的总线带宽。
第3章 计算机总线技术
计算机控制技术课件4
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第3章 计算机总线技术
第3章 计算机总线技术
• 总线的基本概念 • 内部总线 • 外部总线
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第3章 计算机总线技术
3.1 总线的基本概念
•总线的定义 总线就是一组信号线的集合，它定义了各引 线的信号、电气和机械特性，使计算机系统 内部的各部件之间以及外部的各系统之间建 立信号联系，进行数据传递和通信。
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第3章 计算机总线技术
3.2 内部总线
本节主要内容 • STD总线 • PC系列总线
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第3章 计算机总线技术
3.2.1 STD总线
• STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总 线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线
•STD总线的特点：
第3章 计算机总线技术
总线的分类（续）
•内部总线：系统总线或板级总线
– 内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微 机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、 PCI总线等
– 按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、 和电源总线PB
计算机控制技术第4章课件
第三节 动态矩阵控制算法
这类控制必须基于对象精确的数学模型，也就是必须求出对象的状态 方程或传递函数。
使得现代控制设计方法中，需要精确数学模型的前提通常难以保证。
工业过程具有较大的不确定性，对象参数和环境常常随时间发生变化， 引起对象和模型的不匹配。
基于理想模型的最优控制，在实际的工业过程中若不加以改进，是难 以兼顾控制的鲁棒性的。
计算机应完成的计算任务是：
1) 计算反馈回路的偏差，
2) 计算中间变量
当对象为一阶惯性环节加纯滞后环节时，
按式计算。
3) 求取
4) 计算 smith 预估器的输出， 5) 计算 PID 控制器的输入， 6) 进行 PID 运算，计算 PID 控制器输出
当采用改进型 PID 控制器或其他控制算法时，上面的计算要作一定的变化。
2．优化策略 动态矩阵控制采用了所谓“滚动优化”的控制策略，在采样时刻 的优化性能指标可取为
3．反馈校正
为了纠正模型预测与实际的不一致，必须及时地利用过程的误差信
息对输出预测值进行修正，而不应等到这 个控制增量都实施后再作校正。
为此，我们在
，时刻首先实施
中的第一个控制作用
整个动态矩阵控制算法是由调节、预测和校正三部分组成的，该算法 结构可用图加以描述。图中粗箭头表示向量数据流，细箭头表示标量数据 流。
其中
为被控对象不包含纯滞后部分的传递函数，
后部分的传递函数。系统的闭环传递函数为
为对象纯滞
由于在
的分母中包含有纯滞后环节
它降低了系统的
稳定性。的值大到一定程度，系统将不稳定，这就是大纯滞后系统难
以控制的原因。
为了提高大纯滞后系统的控制质量，引入一个与被控对象并联的补偿器，
计算机控制技术课件
智能控制算法
CHAPTER
05
计算机控制系统的应用实例
总结词
工业自动化控制系统是计算机控制技术的重要应用领域，通过自动化控制实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业自动化控制系统利用计算机技术实现对生产过程的实时监控、数据采集、数据处理和自动控制，提高了生产效率、降低了能耗和减少了人工干预，广泛应用于制造业、化工、电力等工业领域。
数学模型建立
根据系统需求，建立被控对象的数学模型，包括传递函数、状态方程等。
仿真与验证
通过仿真实验验证数学模型的正确性和有效性，为控制算法设计提供基础。
如PID控制、根轨迹法等，用于分析和设计线性控制系统。
经典控制算法
如状态反馈控制、最优控制等，用于处理多变量、非线性系统。
现代控制算法
如模糊控制、神经网络控制等，用于解决复杂、不确定系统的控制问题。
总结词
智能家居控制系统通过计算机控制技术实现家居设备的智能化管理和控制，提高居住的舒适性和便捷性。
详细描述
智能家居控制系统能够实现对灯光、空调、门窗、安防等家居设备的远程控制和自动化管理，提供个性化、智能化的居住环境，提升居住体验和生活品质。
交通信号控制系统利用计算机控制技术实现交通信号的智能化管理和优化，提高道路通行效率和交通安全。
总结词
交通信号控制系统能够实时监测交通流量、车速、事故等信息，自动调整信号灯的时长和配时方案，减少交通拥堵和事故风险，提高道路通行效率和交通安全水平。
详细描述
CHAPTER
06
计算机控制技术的发展趋势与展望
a Madкор提议一步一步 h. 加之 & older H.h. other words.
开环控制系统的典型应用包括电机调速系统、步进电机控制系统等。
CHAPTER
05
计算机控制系统的应用实例
总结词
工业自动化控制系统是计算机控制技术的重要应用领域，通过自动化控制实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业自动化控制系统利用计算机技术实现对生产过程的实时监控、数据采集、数据处理和自动控制，提高了生产效率、降低了能耗和减少了人工干预，广泛应用于制造业、化工、电力等工业领域。
数学模型建立
根据系统需求，建立被控对象的数学模型，包括传递函数、状态方程等。
仿真与验证
通过仿真实验验证数学模型的正确性和有效性，为控制算法设计提供基础。
如PID控制、根轨迹法等，用于分析和设计线性控制系统。
经典控制算法
如状态反馈控制、最优控制等，用于处理多变量、非线性系统。
现代控制算法
如模糊控制、神经网络控制等，用于解决复杂、不确定系统的控制问题。
总结词
智能家居控制系统通过计算机控制技术实现家居设备的智能化管理和控制，提高居住的舒适性和便捷性。
详细描述
智能家居控制系统能够实现对灯光、空调、门窗、安防等家居设备的远程控制和自动化管理，提供个性化、智能化的居住环境，提升居住体验和生活品质。
交通信号控制系统利用计算机控制技术实现交通信号的智能化管理和优化，提高道路通行效率和交通安全。
总结词
交通信号控制系统能够实时监测交通流量、车速、事故等信息，自动调整信号灯的时长和配时方案，减少交通拥堵和事故风险，提高道路通行效率和交通安全水平。
详细描述
CHAPTER
06
计算机控制技术的发展趋势与展望
a Madкор提议一步一步 h. 加之 & older H.h. other words.
开环控制系统的典型应用包括电机调速系统、步进电机控制系统等。
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1.2 计算机控制系统的典型型式
1.2.1 操作指导控制系统
操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。
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1.2.2 直接数字控制系统
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14
1.2.3 监督控制系统
a） SCC+模拟调节器的控制系统 b） SCC+DDC的分级控制系统
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！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
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9
思考两个问题
一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
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6
1.1 计算机控制系统概述
1.1.2 计算机控制系统 计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，
简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。
1.计算机控制系统的工作原理 2.在线方式和离线方式 3.实时的含义
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15
1.2.4 集散控制系统
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16
1.2.5 现场总线控制系统
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17
1.2.6 综合自动化系统
由企业资源信息管理系统ERP （Enterprise Resources Planning）、 生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）和生产过程控制系 统PCS（Process Control System）构成 的三层结构，已成为综合自动化系统的整 体解决方案。
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造成传输错误。 负载能力为400pF，据此可以估算出总线允许长度和所接器
件数量。
I2C总线接口
I2C总线
一个数据字节有8位组成，总线对每次传送的字节数没有限 制，但每个字节后必须跟一位应答位。
在SCL低电平期间，SDA上的电平才允许变化。每个SCL脉 冲对应SDA上的一位数据。
起始信号(S)：SCL高电平期间，SDA上出现了下降沿。 起始信号(P)：SCL高电平期间，SDA上出现了上升沿。
速率称号
低速(Low-Speed) 全速(Full-Speed) 高速(High-Speed)
超高速(Super-Speed)
10Gbps
超高速+(Super-Speed+)
推出时间 1996年1月 1998年9月 2000年4月 2008年11月
2013年12月
思考
总线一般分为哪三种，有何异同？ 对比I2C总线和SPI总线的异同。 PC/104总线与ISA和PCI总线有关系吗？ RS-232和RS-485有什么区别？
第1 节 内部总线
SPI总线
SPI(Serial Peripheral Interface)总线 Motorola公司推出的一种同步串行接口。在主器件的移位脉
冲下，数据按高位在前，低位在后的顺序进行传输。 在点对点的通信中，不需要进行寻址操作，且为全双工通信。
在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号进 行选通。
I2C总线的数据传送
I2C总线
起始信号后的第一个字节是寻址字节。 寻址字节的高七位是接收设备的地址，第八位是传送方向
位，0表示主控设备发送数据，1表示主控设备接收数据。 寻址字节后面可以是很多数据字节，每个字节后都要有一
位发自接收设备的应答信号。 在结束与该接收设备的通讯时，主控设备必须发出终止信
PCI总线插槽
PCI总线
总线中有三类设备：PCI主设 备、PCI从设备和桥设备。
树型结构，独立于CPU总线， 可以和CPU总线并行操作。总 线上可以挂接PCI设备和PCI桥 片，PCI总线上只允许有一个 PCI主设备，其他的均为PCI从 设备，而且读写操作只能在主 从设备之间进行，从设备之间 的数据交换需要通过主设备中 转。
PCI总线实现了中断共享：ISA卡中断是独占的，当有多块 ISA卡要用中断时会有问题。PCI总线的中断共享由硬件与软 件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法。软件上，采 用中断链的方法。
PC/104总线
PC/104 总线
专门为嵌入式控制而定义的工业控制总 线，其信号定义和ISA总线基本一致，但 电气和机械规范却完全不同。
采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，分别定 义为A、B。“使能”端用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。 当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态。
发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是逻辑“1”，负电平在 -2～-6V，表示逻辑“0”。当接在收端AB之间有大于+200mV的电平 时，输出正逻辑电平，表示逻辑“1”，小于-200mV时，输出负逻 辑电平，表示逻辑“0”。
计算机控制技术
第四章
计算机控制系统中的总线技术
内部总线 系统总线 外部总线
总线技术概述
总线：即一束公用信号线的集合。其定义了各引线的信号、 时序、电气和机械特性，为计算机系统内部各部件、各模 块间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路。
分类：总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。 内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线， 用于芯片一级的互连； 系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于 插件板一级的互连； 外部总线是微机和外部设备之间的总线，微机通过该总 线和其他设备进行信息与数据交换，用于设备一级的互 连。
一种经过优化的、小型、堆栈式结构。 PC/104总线产品软件上与PC/AT完全兼容。
PC/104 Plus总线
PC/104总线模块
专为PCI总线设计，可以连接高速设备。 通过增加4x30=120孔插座，PC/104 Plus包括PCI 2.1版本的所有信号。
为向下兼容， PC/104 Plus保持PC/104所有特性。
DB-25和DB-9连接器及管脚功能
DB-25管脚功能说明
RS-232总线
电气特性
采用负逻辑，各种信号电平规定如下： 数据信号逻辑“1”:-3V～-15V（一般用-12V） 数据信号逻辑“0”:+3V～+15V（一般用+12V）
在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换的常 用芯片包括：MAX232、MAX3232等。
半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流 传输。
USB接口常见类型
USB总线
USB版本 USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB3.0
USB 3.1
USB接口常见类型
理论最大传输速率
1.5Mbps 12Mbps 480Mbps
5Gbps
一般采用总线拓扑结构，每个网段最多连接32个节点， 传输距离不超过1200m，如果应用需要超过这个限制， 可利用中继器进行扩展。为了减少信号长线传输时，由 于阻抗不连续造成的波反射问题，在总线的两端配置终 端电阻。
RS-485总线
RS-485总线拓扑的网络连接
USB总线
最大的特点是支持热插拔和即插即用。 可为设备提供电源，基于差分信号传输，USB 2.0基于
相对于PC/104，增加了第三个连结接口支持PCI总线； 加入了控制逻辑单元，以满足高速度总线的需求； 改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性。
第3 节 外部总线
RS-232总线
机械特性和管脚功能
用于数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据通讯的标准。
对DB-25连接器的引脚的电平和功能等加以规定。后简 化成DB-9连接器。
PC/104总线
PC/104总线特点
小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是96×90mm； 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和
“孔”形式层叠连接，这种层叠封装有极好的抗震性； 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。
PC/104总线特点
PCI总线结构
PCI总线
对比ISA总线，PCI总线优势：
数据宽度和速度的提升：从数据宽度上看，PCI总线从 32bit已发展到了64bit；从总线速度上看，33MHz、66MHz 不断提高，改良的PCI系统——PCI-X，从133MHz开始，可 以提高的533MHz。
即插即用的实现：即插即用是当板卡插入系统时，系统会自 动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动 寻找相应的驱动程序。简化了ISA板卡需要进行复杂的手动 配置的繁琐。
SPI总线接口
SS：从器件使能 信号，由主器件 控制，有的芯片 会标注为CS。
I2C总线
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线 Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线； 当总线空闲时，SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)都是
高电平。 线路中电容会影响总线传输速度。当电容过大时，有可能
RS-485接口
RS-485传输电压范围
RS-485总线
网络连接
只是物理层的接口规范，只规定了物理接口的机械、电 气特性等，并没有对通信中的链路连接、网络控制权问 题做出相关规定。
一些通信协议采用RS-485作为其物理层的接口标准，如 PROFIBUS、BACnet和SAEJ1708等。
每个节点都具有发送和接收的能力，但同一时刻只能有 一个节点向总线上发送报文，因此，一般采用主从方式 进行通信。
若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，最大传 输距离为15m（50英尺）。驱动器的负载电容应小于 2500pF。
RS-232总线
常用连接方式
在工业领域应用时， 一般只使用RXD、TXD、 GND三条线，采用最简 单连接方式进行连接。
RS-232常用连接方式
RS-485总线
接口与电气性能
号(P)，或者发出对另一个设备传输数据的起始信号(S)。
I2C总线的数据传送
第2 节 系统总线
ISA总线
IBM公司
1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线 1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线
Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出
与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(Industry Standard Architecture)总线，即8/16位的“工业标 准结构”：数据传输率最高8MB/s, 寻址空间为 224=16MB
ISA总线
ISA总线的定义:
ISA总线
ISA总线插槽
PCI总线
• PCI(Peripheral Component Interconnect)
同步的独立于处理器的32位或64位局部总线。从结构 上看，PCI是在CPU和系统总线之间插入的一级总线。
信号线分成必需的和可选的两大类。总数为120条（包 括电源、地、保留引脚等）。
件数量。
I2C总线接口
I2C总线
一个数据字节有8位组成，总线对每次传送的字节数没有限 制，但每个字节后必须跟一位应答位。
在SCL低电平期间，SDA上的电平才允许变化。每个SCL脉 冲对应SDA上的一位数据。
起始信号(S)：SCL高电平期间，SDA上出现了下降沿。 起始信号(P)：SCL高电平期间，SDA上出现了上升沿。
速率称号
低速(Low-Speed) 全速(Full-Speed) 高速(High-Speed)
超高速(Super-Speed)
10Gbps
超高速+(Super-Speed+)
推出时间 1996年1月 1998年9月 2000年4月 2008年11月
2013年12月
思考
总线一般分为哪三种，有何异同？ 对比I2C总线和SPI总线的异同。 PC/104总线与ISA和PCI总线有关系吗？ RS-232和RS-485有什么区别？
第1 节 内部总线
SPI总线
SPI(Serial Peripheral Interface)总线 Motorola公司推出的一种同步串行接口。在主器件的移位脉
冲下，数据按高位在前，低位在后的顺序进行传输。 在点对点的通信中，不需要进行寻址操作，且为全双工通信。
在多个从器件的系统中，每个从器件需要独立的使能信号进 行选通。
I2C总线的数据传送
I2C总线
起始信号后的第一个字节是寻址字节。 寻址字节的高七位是接收设备的地址，第八位是传送方向
位，0表示主控设备发送数据，1表示主控设备接收数据。 寻址字节后面可以是很多数据字节，每个字节后都要有一
位发自接收设备的应答信号。 在结束与该接收设备的通讯时，主控设备必须发出终止信
PCI总线插槽
PCI总线
总线中有三类设备：PCI主设 备、PCI从设备和桥设备。
树型结构，独立于CPU总线， 可以和CPU总线并行操作。总 线上可以挂接PCI设备和PCI桥 片，PCI总线上只允许有一个 PCI主设备，其他的均为PCI从 设备，而且读写操作只能在主 从设备之间进行，从设备之间 的数据交换需要通过主设备中 转。
PCI总线实现了中断共享：ISA卡中断是独占的，当有多块 ISA卡要用中断时会有问题。PCI总线的中断共享由硬件与软 件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法。软件上，采 用中断链的方法。
PC/104总线
PC/104 总线
专门为嵌入式控制而定义的工业控制总 线，其信号定义和ISA总线基本一致，但 电气和机械规范却完全不同。
采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，分别定 义为A、B。“使能”端用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。 当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态。
发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是逻辑“1”，负电平在 -2～-6V，表示逻辑“0”。当接在收端AB之间有大于+200mV的电平 时，输出正逻辑电平，表示逻辑“1”，小于-200mV时，输出负逻 辑电平，表示逻辑“0”。
计算机控制技术
第四章
计算机控制系统中的总线技术
内部总线 系统总线 外部总线
总线技术概述
总线：即一束公用信号线的集合。其定义了各引线的信号、 时序、电气和机械特性，为计算机系统内部各部件、各模 块间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路。
分类：总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。 内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线， 用于芯片一级的互连； 系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于 插件板一级的互连； 外部总线是微机和外部设备之间的总线，微机通过该总 线和其他设备进行信息与数据交换，用于设备一级的互 连。
一种经过优化的、小型、堆栈式结构。 PC/104总线产品软件上与PC/AT完全兼容。
PC/104 Plus总线
PC/104总线模块
专为PCI总线设计，可以连接高速设备。 通过增加4x30=120孔插座，PC/104 Plus包括PCI 2.1版本的所有信号。
为向下兼容， PC/104 Plus保持PC/104所有特性。
DB-25和DB-9连接器及管脚功能
DB-25管脚功能说明
RS-232总线
电气特性
采用负逻辑，各种信号电平规定如下： 数据信号逻辑“1”:-3V～-15V（一般用-12V） 数据信号逻辑“0”:+3V～+15V（一般用+12V）
在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换的常 用芯片包括：MAX232、MAX3232等。
半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB 3.0采用四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流 传输。
USB接口常见类型
USB总线
USB版本 USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB3.0
USB 3.1
USB接口常见类型
理论最大传输速率
1.5Mbps 12Mbps 480Mbps
5Gbps
一般采用总线拓扑结构，每个网段最多连接32个节点， 传输距离不超过1200m，如果应用需要超过这个限制， 可利用中继器进行扩展。为了减少信号长线传输时，由 于阻抗不连续造成的波反射问题，在总线的两端配置终 端电阻。
RS-485总线
RS-485总线拓扑的网络连接
USB总线
最大的特点是支持热插拔和即插即用。 可为设备提供电源，基于差分信号传输，USB 2.0基于
相对于PC/104，增加了第三个连结接口支持PCI总线； 加入了控制逻辑单元，以满足高速度总线的需求； 改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性。
第3 节 外部总线
RS-232总线
机械特性和管脚功能
用于数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据通讯的标准。
对DB-25连接器的引脚的电平和功能等加以规定。后简 化成DB-9连接器。
PC/104总线
PC/104总线特点
小尺寸结构：标准模块的机械尺寸是96×90mm； 堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和
“孔”形式层叠连接，这种层叠封装有极好的抗震性； 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。
PC/104总线特点
PCI总线结构
PCI总线
对比ISA总线，PCI总线优势：
数据宽度和速度的提升：从数据宽度上看，PCI总线从 32bit已发展到了64bit；从总线速度上看，33MHz、66MHz 不断提高，改良的PCI系统——PCI-X，从133MHz开始，可 以提高的533MHz。
即插即用的实现：即插即用是当板卡插入系统时，系统会自 动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动 寻找相应的驱动程序。简化了ISA板卡需要进行复杂的手动 配置的繁琐。
SPI总线接口
SS：从器件使能 信号，由主器件 控制，有的芯片 会标注为CS。
I2C总线
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线 Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线； 当总线空闲时，SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)都是
高电平。 线路中电容会影响总线传输速度。当电容过大时，有可能
RS-485接口
RS-485传输电压范围
RS-485总线
网络连接
只是物理层的接口规范，只规定了物理接口的机械、电 气特性等，并没有对通信中的链路连接、网络控制权问 题做出相关规定。
一些通信协议采用RS-485作为其物理层的接口标准，如 PROFIBUS、BACnet和SAEJ1708等。
每个节点都具有发送和接收的能力，但同一时刻只能有 一个节点向总线上发送报文，因此，一般采用主从方式 进行通信。
若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，最大传 输距离为15m（50英尺）。驱动器的负载电容应小于 2500pF。
RS-232总线
常用连接方式
在工业领域应用时， 一般只使用RXD、TXD、 GND三条线，采用最简 单连接方式进行连接。
RS-232常用连接方式
RS-485总线
接口与电气性能
号(P)，或者发出对另一个设备传输数据的起始信号(S)。
I2C总线的数据传送
第2 节 系统总线
ISA总线
IBM公司
1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线 1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线
Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出
与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(Industry Standard Architecture)总线，即8/16位的“工业标 准结构”：数据传输率最高8MB/s, 寻址空间为 224=16MB
ISA总线
ISA总线的定义:
ISA总线
ISA总线插槽
PCI总线
• PCI(Peripheral Component Interconnect)
同步的独立于处理器的32位或64位局部总线。从结构 上看，PCI是在CPU和系统总线之间插入的一级总线。
信号线分成必需的和可选的两大类。总数为120条（包 括电源、地、保留引脚等）。