计算机控制技术 第二章

图7 USB接口示例图
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ARINC429总线（了解）
美国航空电子工程委员会1977年提出，并批准使用， 主要应用于航空电子设备及有关系统间的信息传输要求。
2.1.4 IPC输入/输出模板（了解）
2.1.3工控机的外部总线 外部总线是指用于计算机与计算机之间或计算机与其 它智能外设之间的通信线路，又称通信总线。常用的外部 总线有 IEEE-488 并行总线、 RS-232C 串行总线、 RS485 通信总线和USB总线。
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IEEE-488并行通信总线（了解） RS-232C串行通信总线
RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年 修定 的一种通信接口标准,专门用于数据终端设备和数 据通信设备之间的串行通信。目前RS-232C接口已成为计 算机的标准配置,如串行口COM1、COM2均为RS-232C总 线接口标准.
内部总线是IPC内部各组成部分进行信息传送的公共通道,是 一组信号线的集合.常用的内部总线有ISA PC总线和PCI总线等。
外部总线是IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公 共通道。常用的外部总线有RS-232C、RS-485和USB通信总线等。
3．输入输出模板 模拟量和数字量输入输出通道。 4．人-机接口 人机接口是人与计算机交流的一种外设.它由标准的PC键盘、 鼠标、显示器和打印机等组成。 5.通信接口 通信接口是IPC和其它计算机或智能外设的接口,常用的 接口有RS-232C、RS-485和USB等接口。
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工控机的特点（了解）
IPC 是一种专用于工业场合下的控制计算机。一方面工业
环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘 ,以及电磁
干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一方面工业生产过程
因行业、原料、产品的不同 ,而使生产过程、工艺要求也五花八 门。这些都是工业自动化控制中要解决的重要课题。 IPC采用了 总线技术和模板化结构 , 再加上采取了多重抗干扰措施 , 因而使 IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点。
2.工具软件 工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件,包括汇 编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程 序等,借以提高软件生产效率,改善软件产品质 量.(KEIL,PROTEL„„)
3．应用软件
应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控 制和管理程序,它往往涉及应用领域的专业知识.它包括过程输 入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印 显示程序和控制程序等.当今工业自动化的发展趋势是计算机 控制技术的控制与管理一体化,以便适应不断变化的市场需求. 而工业控制的应用软件就起着关键性的作用,因此它应具有通 用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点. 现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件, 如数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件等,这些都为 应用软件的开发提供了绝佳的使用平台.
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PC/104总线（了解）
PC总线是IBM PC总线的简称,PC总线因IBM PC及其兼容 机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标 准.PC总线IPC,或称为工业PC机即IPC,即是脱胎于IBM PC机 发展起来的. 5
STD总线（了解）
STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制 计算机的标准系统总线.该总线结构简单,全部56根引脚线 都有确切的定义。可以兼容各种通用的8位微处理器,如 8080、8085、6800等。可以升级为16位微处理器兼容总线。
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工控机硬件组成
典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示 板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显 示器、键盘、鼠标、打印机等组成。
图1 工控机机箱图
图2 主板图
图3 底板图
图4 IPC的硬件组成框图
1．主机板 主机板由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM）等部 件组成,它是IPC的核心。 2．系统总线（内部总线和外部总线）
1.可靠性和可维修性好
2.实时性好
3.环境适应性强 4.丰富的输入输出模板 5.系统扩充性和开放性好 6.控制软件包功能强 7.系统通信功能强 8.冗余性
2.1.2工控机的内部总线 • 内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线， 。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。工业控制计算 机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在 一起，组成系统的多功能模板插入接口插槽，由内部总线 完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算 机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。 • 目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总 线和PCI总线。
全双工
半双工
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USB总线
USB总线是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口,它 是一个所谓“万能接口”,可以取代传统PC机上连接外围设备的 所有端口(包括串行端口和并行端口),用户几乎可以将所有外设 装置——包括键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫 描仪及各种数字音影设备,统一通过USB接口与主机相接. 同时,它还可为某些设备(如数码相机、扫描仪等)提供电源（手 机充电）,使这些设备无须外接独立电源即可工作.USB是1995年 由称为“USB实现者论坛” (USB Implementer Forum)的组织 联合开发的新型计算机串行接口标准.
能和自动记录某个控制是在何时发生的.
7.磁盘系统 磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘或USB 盘。
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工控机软件组成
1．系统软件
系统软件用来管理IPC的资源,并以简便的形式向用户提供服务, 包括实时多任务操作系统RTOS、引导程序、调度执行程序等,其中 操作系统是系统软件最基本的部分,如MS-DOS和Windows (XP/2007/2010)等系统软件.
要求:学生把本课件通读一遍,了解本们课程的一个总体轮廓;
第二章 工业控制计算机IPC
（Industrial Personal Computer）
2.1 工控机（掌握） 2.2 可编程逻辑器（PLC）（了解） 2.3 嵌入式系统（了解）
2.1.1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、数据处理等工作 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。
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ISA总线
IBM PC 总线是针对 Intel8088微处理器而设计的，其第 一个标准是 PC/XT 总线，它定义了8位数据线和 20位地址 和若干条控制线，共 62引脚。为了和 Intel80286 16位机兼 容，对 XT 总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原 来 62引脚的基础上又增加了一个 36引脚插座而形成 AT 总 线。AT 总线将数据总线扩展为16位，地址总线扩展到 24位， 将中断扩充到 15个并提供了中断共享功能，而 DMA 通道也 扩充到 8个。AT总线也称 ISA （IndustryStandard Architecture）总线标准。 1989年，COMPAQ 公司联合 HP.AST 等 9家计算机公 司，在 ISA 总线基础上，推出了适应 32位微处理器的系统 总线标准 EISA （Extended IndustrialStandard Architecture）。
有关本课程学习的几点建议
本课程属于专业课,多媒体上课,信息量大,速度块;课件内容 比较多,上课重点讲解一些内容;有些内容作为扩展知识面,课堂 不进行讲解,考试不做要求（自学）; 本门的课程的难点在于: (1)和前续课程的联系,温故而知新；记笔记……; (2)前沿性的东西很多,新技术,新设备不断推陈出新,培养自己 自学能力
6．系统支持板 IPC的系统支持板主要包括如下部分：
（1）程序运行监视系统,即看门狗定时器：当系统出现异常时能 使系统自动复位,恢复运行.
（2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉电后,立即 保护当时的重要数据和各寄存器的状态. （3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池的SRAM、 NOVRAM、EEPROM,能在系统掉电后保证数据不丢失. （4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功
IRDY STOP
DEVSEL
IDSEL
INTC
INTD
出错报告 仲裁 系统
PERR
SERR
REQ
SBO SDONE
TDI TDO
TCK
GNT
CLK RST
TMS
TRST
图6 PCI总线引脚图
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⑵PCI总线PCI总线（了解） Compact
坚实的PCI总线，是标准PCI总线的改进。更加可靠， 插槽更多，可以热插拔。
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RS-485总线（1983年提出）
在许多工业过程控制中,往往要求用最少的信号线来完成通 信任务.目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需 要应运而生的.它实际就是RS-422总线的变型,二者不同之处在于 ： RS-422为全双工,采用两对差分平衡信号线； RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线. RS-485更适合于多站互连(已经具备了现场总线的概念),一 个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备,负载设备可以是被 动发送器、接收器和收发器.其电路结构是在平衡连接的电缆上 挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端各挂接一个终 端电阻用于消除两线间的干扰.
• 1996年1月,颁布了USB 1.0版本规范,其主要技术规范是： (1) 支持低速(1.5M bps)和全速(12M bps)两种数据传输速率.前者 用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接 打印机、扫描仪、数码相机等外设装置. (2) 一台主机最多可连接127个外设装置(含USB集线器Hub 市面有 卖的)；连接节点(外设或Hub)间距可达5米,可通过USB集线器级 联的方式来扩展连接距离,最大扩展连接距离可达20米. (3) 采用4芯连接线缆,其中两线用于以差分方式传输串行数据,另外 两线用于提供+5V电源.线缆种类有两种规格,即无屏蔽双绞线 (UTP)和屏蔽双绞线(STP).前者适合于1.5M bps的数据速率,后者 适合于12M bps的数据速率. (4) 具有真正的“即插即用”特性.主机依据外设的安装情况自动配 置系统资源,用户无需关机即可进行外设更换,外设驱动程序的安 装与删除完全自动化. USB 2.0 速度更快（2000年）USB 2.0的理论传输速度最高 可达到480Mbps.
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ISA总线插槽有一长一短两个插口，长插口有62个引脚， 以A31～A1和B31～B1表示，分别列于插槽的两面；短插 口有36个引脚，以C18～C1和D18～D1表示，也分别列于 插槽的两面。ISA总线插槽如图所示。
D18 D1
C18 B31
C1 B1
A31
图5 ISA总线插槽图
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PCI总线
PCI总线（Peripheral Component Interconnect， 外围部件互连总线）是介于CPU芯片级总线与系统总线之 间的一级总线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得 以大大提高。PCI总线支持64位数据传送、多总线主控模 块和线性猝发读写和并发工作方式。PCI引脚图如图6所 示。 其主要特点如下： ①PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为 32位，可扩充到64位。 ②PCI传输率高：最大传输率为133MB/s（266MB/s）， 能提高硬盘、网络界面卡的性能；充分发挥影像、图形及 各种高速外围设备的性能。 ③PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数 ，从而节省线路空间，降低设计成本。
必需的 地 址 和 数据线
AD 0 ~ AD31
可选的
AD32 ~ AD63
C/BE 0 ~ C/BE 3
PAR
C/BE 4 ~ C/BE 7
PAR64
PC总 线
REQ64
64 位 总 线 扩展信号
FRAME
ACK64
LOCK INTA INTB
接口控制 信号
TRDY
接口控制 中断信号 支持高速缓 存信号 边界扫描 信号