第2章 计算机控制系统的硬件设计技术2 (1)

3.标准计算机扩展版
计算机扩展插槽从ISA标准、VISA标准，发展到现在的PCI标准。 利用计算机的扩展功能，将I/O接口装置按照计算机扩展槽的标准 开发，并制成多种类型的板卡，可直接插在计算机的扩展槽上。 这些板卡功能强大，可以接收各种输入输出信号，便于计算机控 制系统的设计和实现，灵活性好、可靠性高。
查询式输入输出方式是指CPU在与外部设备交换 信息时，往往不能预知传递信息的确切时间。为此 可以编一个查询外部设备状态的程序，用它去检查 表示外部设备的数据是否准备就绪的状态标志。 采用这种工作方式时，外围设备除了要有数据 口外，还要有状态口，用来判断外围设备的工作状 态。 查询的方式有两种：
① 采用定时查询的方式。定时查询的方式即按 一定的时间间隔定时查询一次所有外围设备的状态 信息，如发现某一个外围设备准备就绪，CPU就为 它服务。 采用这种工作方式的优点是CPU具有较高的效 率，并且CPU与外围设备在一定程度上并行工作。 缺点是可靠性不高，假如某外围设备出现紧急情况 需要及时处理而查询时间间隔未到，CPU不能及时 发现和处理，有可能引起事故，故实时性不是很好。
常用的可编程接口芯片有并行接口8255A/8155/8156、串 行接口8251A、中断控制器8259A、计数器/定时器8253/8254、 DMA控制器8237A以及键盘和显示器接口8279等。
2.单板式整体结构
将测控系统制作成一个独立的装置，接口设备与 CPU制作成一 体，就形成了单板式结构，直接进行软件开发就可以了。
计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是 比较慢的，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作等。
②信号转换
过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的 信号一般是不相同的，利用接口电路实现信号转换，如电平变换、数据 转换等。
③驱动功能
由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台 外部设备时，总线资源可能不够。利用接口电路可以提高总 线的负载能力，使一个接口与多个外部设备相连接，充分利 用计算机的硬件资源。
2.2
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过程通道和输入输出接口
采用计算机控制系统实现生产过程的控制，需要采集生产 过程中的各种必要信息（参数），并转换成计算机能够接受 的数据形式。 ● 这种实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称 为输入输出过程通道，简称过程通道。 ● 过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量 通道。 ● 输入输出接口是计算机与外部设备进行数据交换的通道和 桥梁。由于外设的种类多，控制方式各不相同，很难由CPU统 一控制，而且外设的数据传输率千差万别，数据格式也不相 同，所以需要接口电路来协调和控制数据的输入输出。
3.直接存储器存取方式（DMA方式）
DMA是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。 以这种方式工作时，外设和存储器之间直接进行数据交换， 而不通过CPU. DMA和CPU共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总 线。当进行DMA操作时，DMA控制器从CPU中接管对总线的控 制，直接使存储器和外设之间进行数据传送，从而使数据传 送速度大为提高。这种控制方式适合于数据传送量较大或要 求较高的场合。
4.模块化
模块化输入输出接口的实现是将I/O功能以模块的方式来实现， I/O模块与计算机之间，以及I/O模块和I/O之间的物理连接可以很 灵活，可以是并行总线，也可以是串行总线，还可以是双绞线相 互连接，系统的构成和扩展非常方便。
（3） 输入输出控制方式
计算机控制系统往往有许多的外围设备，它包括显 示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标以及各类过程通道。 整个系统的运行过程基本上就是计算机（主要指 CPU或内存RAM）与各种外部设备进行信息交换的过程， 而计算机的工作速度与上述外部设备的工作速度又千差 万别。 为了能使各种外部设备在CPU的统一管理和调度下 有条不紊地工作，CPU采用分时工作方式与外设交换信 息。CPU与外部设备交换数据的方式就是输入输出控制 方式。
●
1.采用通用I/O接口芯片实现
● 功能不同的过程通道和外部设备，需要采用不同的I/O
接口电路来实现与计算机的连接。
● 常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器74LS273、
74LS373，8位并行I/O接口8212，8位双向三态输出数据缓冲 器8266、8287，8位三态双向驱动器74LS245，外部地址译码 器74LS138、74LS139等。
● 另一类功能极强的接口芯片为可编程接口芯片。所谓可
编程接口，是指接口的通用部分由大规模集成电路实现，其 具体功能由程序来确定。
可编程接口芯片内部设置有控制寄存器，CPU通过向控制 寄存器写入控制命令来决定接口的功能。这类接口具有硬件 的快速性，又具有软件编程的灵活性，在计算机控制系统中 获得广泛的应用。
CPU应能判断出是哪个外围设备提出了中断请求，并转入到 相应的中断服务程序中。
(3) 能够实时地响应外围设备的中断请求：
对于外围设备的每一次中断请求，CPU都能在尽可能短的时 间内进行响应，并在可以接受的时间内完成服务。
(4) 中断优先级：
根据外围设备激发中断事件的重要程度，将各中断源设置成 不同的中断优先级。当多个外围设备同时提出中断申请时， CPU将根据优先级的高低，首先处理优先级高的中断请求， 然后再响应优先级次高的中断请求，最后再处理优先级低端 中断请求。
② 巡回检测的方式。
巡回检测方式的基本工作原理：每个外围设备提供一个或 多个状态信息，程序中使用测试指令和条件转移指令。CPU 逐个读入并测试外围设备的状态信息，如果该外围设备请求 服务且准备就绪，则与之交换数据。否则，不与该外设交换 数据，直接查询下一个外围设备。各个外围设备查询完后， 再返回，继续循环查询直至系统停止工作。
（2） 输入输出通道接口实现及控制
计算机控制系统由于规模、开发目的不同，采用不同的 芯片以及测控对象的多样化，结构形式多种多样，相应的过 程通道的接口及其控制也有所不同。
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若用硬件实现，实时性好，速度快；若用软件实现，可 以方便系统功能的改变。 硬件设计时，可以采用通用I/O接口芯片实现，也可选用 现成的I/O接口模板实现。采用通用I/O接口芯片自行开发设 计，针对性强、成本低，但周期长；选用现成的I/O接口模 板开发周期短。
采用这种工作方式的优点是工作方式比较简单，对于 CPU不是很繁忙且系统对数据传送速度要求也不很高时可以 采用。 采用这种工作方式的缺点是CPU要花费大量的时间用于 查询，工作效率比较低。
2.中断控制方式
计算机控制系统对实时性通常有着较高的要求，如实时 数据采集、实时运算、实时控制、实时报警等。采用查询方 式，CPU会浪费大量的时间在循环等待之中，不仅实时性差， 而且也很不经济。 中断技术的引入在很大程度上克服了这个弊端，此时CPU 不必去循环检测外部设备的状态，而是在外部设备就绪时主 动向CPU发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当 前CPU所运行的工作，CPU会立即响应该中断请求，停止其当 前的工作，转去处理该中断申请事件。处理完毕后，又返回 去进行被中断了的原来的工作。
中断方式的采用，要求系统设计时解决好下列 问题： (1)现场保护与恢复：
中断产生的时机是随机的。在程序设计时，应考虑到当CPU 响应中断请求后，将运行程序的中间结果（如运算中间结果、 地址、指令、指针以及当前标志等）完整保存好，即保护好 现场数据和状态，待中断服务程序执行完毕后，能够准确返 回。
(2) 正确判断中断源：
通常采用的输入输出控制方式有三种：程序控制 方式、中断控制方式和直接存储器存取（DMA）方 式。 进行计算机控制系统设计和开发时，应根据外 部设备的种类、产生事件的重要性、对数据处理速 度的要求以及控制系统的要求等，选择适当的控制 方式。
1.程序控制方式 程序控制输入输出方式是指CPU与外围设备之间 的数据交换是在程序控制之下进行的。这种方式又 可以分为两种：无条件输入输出方式和查询式输入 输出方式。 无条件输入输出方式是指CPU无需查询外围设备的 状态即可进行数据传送的方式。在这种工作方式下， 外围设备应总是处在准备就绪状态。这种方式可以 用于一些简单的外围设备，如电动机启/停控制、 继电器的吸合/释放控制等。
（2） 输入过程通道的结构类型 输入通道的结构主要有以下几种。 ① 单信号通道类型 高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模 拟信号，脉冲信号，开关信号等.
②多信号输入通道类型 多路模拟信号的采集采用多路模拟开关(多路转 换器)分时进行，在多路模拟信号输入通道中，一般 共享一个A/D转换器。如图所示。
2.2.3 数字量输入通道
1．数字量输入通道的结构
输 入 缓 冲 器 输 入 调 理 电 路
PC总线
来自生 产过 程
地址译码电路
图2-12 . 数字量输入通道结构
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2．输入调理电路
外部装置或生产过程的状态信号，可能是电压、 电流、开关的触点等，会引起瞬时的高压、过低 压、接触抖动等现象，为了将外部开关量引入到 计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保 护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的 逻辑信号，这些功能称为信号调理。
当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直 接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放 大电路，如图所示。
图中采用了共用放大电路的结构形式。当各种放大信号 相差比较大的时候，宜采用可编程增益放大器，根据不同信 号选择不同增益，由计算机进行控制。
（3） 输出过程通道的结构类型 输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点， 其结构形式如图所示。 ①输出的数字量要经过光电隔离。 ②需要利用D/A进行信号转换。
为保证信息的正确传送，接口内部一般设置若干寄存器，用以
暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息。相应的寄存 器分别称为数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。这些能被 CPU直接访问的寄存器统称为端口，分别叫做数据端口、状态端 口和控制端口，负责对应信息的传送。
数据端口： 用于存放外设送往CPU的数据以及CPU输出到外设去的数据，这些 数据是主机和外设之间交换的最基本信息，长度一般1-2个字节。 数据端口主要起着数据缓冲作用。 状态端口： 主要用来指示外设的当前状态。每种状态用一个二进制位表示， 每个外设可以有几个状态位，它们可以被CPU读取，以测试或检查 外设的状态，决定程序的流程。（Ready/Busy/Error） 控制端口: 又叫命令端口，用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以 便控制接口或设备的动作。
CPU和外设的数据交换实质就是CPU的内部寄存器和接口内部的 端口之间的数据交换。 CPU对数据端口进行一次读或写操作也就是与该接口连接的外 设进行一次数据传送； CPU对状态端口进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的 状态代码；
CPU把若干位控制代码写入控制端口，则意味着对该接口或外设 发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作。
2.2.2 输入输出接口
计算机控制系统中，外部设备是不能直接与中央处理单元 （CPU）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同， 信号形式也不一定相匹配。 为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPU和外 部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。其可分为并行ห้องสมุดไป่ตู้和串行接口，具有以下功能。 ①数据缓冲
2.2.1 过程通道的一般结构
（1） 输入输出过程通道的基本概念 过程通道的一般结构，如图所示。
① 输入过程通道 输入过程通道是指从生产过程的被控设备 到计算机的物理信号传输和变换的通道。 分为模拟量和数字量两种。 ② 输出过程通道 输出过程通道是指从计算机到生产过程的 被控设备的物理信号传输和变换的通道。 分为模拟量和数字量两种。
④中断管理
外部设备与计算机的沟通，一个重要的手段就是采用中 断处理技术。采用具有中断控制管理功能的接口，便于计算 机处理有关中断事物，包括提出中断请求、中断优先级排队 等。
（1） 接口技术
在计算机控制系统中，CPU与外设所交换的信息有数据信息、 控制信息和状态信息，为了CPU对外设的寻址，还要有地址信息。