第2章工业控制计算机
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3. 人-机接口 人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。 通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。
4. 通信接口 通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传 送的通道。 5. 输入/输出模板 输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换 的连接通道。包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道 （AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关 量）输出通道（DO）。 6. 系统支持 系统支持功能主要包括： ①监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）。 ②电源掉电监测： ③后备存储器： ④实时日历时钟 7. 磁盘系统 半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘。
必需的 AD0~AD31 C/BE0~C/BE3 PAR FRAME IRDY TRDY STOP DEVSEL IDSEL PCI 总线 可选的 AD32~AD63 C/BE4~C/BE7 PAR64 REQ64 ACK64 LOCK INTA INTB INTC INTD SBO SDONE TDI TDO TCK TMS TRST 边界扫描信号 中断信号 接口控制 64位总线扩展信号
2.2.2 IPC工控机的软件组成
软件是工业控制机的程序系统，可分为系统软件、支持软件、 应用软件三部分。 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。 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。 3.应用软件: 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和 管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机 接口程序、打印显示程序和公共子程序等。
2.3.2 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，也 称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。 常用的内部总线主要有STD总线、VME总线、ISA总线和 PCI总线。 1．STD总线 1）、总线标准 STD总线即Standard Bus，是一种规模最小，面向工业控制， 设计周密的8位系统总线。
2.2.3 IPC工控机的特点
IPC工控机主要有以下六个特点： 1.可靠性高 2. 丰富的输入输出模板 3. 实时性好 4. 开放性好 5. 连续工作时间长 6. 便于安装
2.3 IPC总线结构
2.3.1 总线概述
1. 总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。 2. 总线定义与分类: 总线是一组信号线的集合，它定义了引线的信号、电气、机 械特性，是微机系统内部各组成部分之间、不同的计算机之间 建立信号联系，进行信息传送的通道。 总线:内部总线（系统总线）和外部总线（通信总线）。 3. 总线按功能或信号类型划分，主要有三类总线：数据总线、 地址总 线、控制总线。 4. 总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功 能。
出错报告
仲裁
{ {
PERR SERR REQ GNT CLK RST
系统
{
Fra Baidu bibliotek
图2-9 PCI总线引脚
{
支持高速缓存
2.3.3 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。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、 RS-232C串行总线和RS485通信总线。
1．IEEE-488并行通信总线
3．ISA总 线 ISA总线(Industrial Standard Architecture)即AT总线，它 是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。 后来，在大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留3～4个 ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位 ISA卡。 ISA总线插槽 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。
4．PCI总线
PCI总线（Peripheral Component Interconnect，外围部件互 连总线）具有先进的结构特性及其优异的性能，是现代微机系统 总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。 （1）PCI总线的主要特点： 1）传输率高； 2）采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数； 3）总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式； 4）总线宽度为32位（5V），可升级为64位（3.3V）； 5）PCI总线与CPU异步工作：PCI总线的工作频率固定为33 MHz，与CPU的工作 频率无关，使PCI总线不受处理器的限制； 6）提供了即插即用功能，允许PCI局部总线扩展卡和元件进 行自动配置。
2.2 IPC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。 主要内容有以下四部分: 1.工控机硬件组成 2.工控机的软件组成 3.工控机的特点 4.IPC工控机的发展方向
2.1 控制计算机的主要类型
目前计算机控制系统中控制器的种类主要有：可编程控 制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机、嵌 入式系统、DSP、ARM及其他控制装置。 1.可编程控制器（PLC） 可编程控制器，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结 合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端 为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输 入组件、输出组件、电源及编程器等组成。它有以下特点： 是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定； 采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出；应用广泛--不仅在顺序程序控制领域中具 有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也 毫不逊色；系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易， 抗干扰能力强。外观如图2-1所示。
2．VME总线 （1）VME总线，Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推 出的第一代32位工业开放标准总线，其主要特点是VME总线的 信号线模仿Motorola公司生产的 68000系列单片机信号线，由于 其应用的广泛性被IEEE收为标准，即IEEE1014-1987,其标准文 件为VMEbus specification Rev C.1。 （2）VME总线的插板一般有两种尺寸，一种是3U高度的带一个 总线接口J1， 高×长为100mm*160mm，另一种是6U高度的带2 个总线接口J1、J2，高×长为233mm× 160mm。 （3）一般每块VME总线的插板上的接口J1、J2都有96针，每一 个接口都是3排，按A、B、C排列，每排32针，J1一般用于直接 与VME总线相连，J2的中间列 用于扩展地址总线或数据总线， 另外两列可由用户定义及I/O、磁盘驱动及其他外设等。因此 VME总线已对未来的应用扩展预留了信号针，这也是VME总线 将来可以灵活升级的原因。
第二章 工业控制计算机
• 计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛，控制计算机 是计算机控制系统的主要组成部分，因而如何依据不同的 需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本 章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、 选择和有关的总线技术： • 2.1、控制计算机的主要类型； • 2.2、IPC工控机的组成与特点； • 2.3、IPC总线结构； • 2.4、MODBUS通信协议。
2. 可编程调节器
可编程调节器又称单回路调节器、智能调节器、数字调节 器，主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出） 单元、面板 单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图 2-2所示。
图2-1 可编程控制器
图2-2 可编程调节器
3.总线式工控机
总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工 业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业 控制机或工控机IPC（Industrial Personal Computer）。 总线式工控机具有小型化、 模板化、组合化、标准化的设 计特点，能满足不同层次、不 同控制对象的需要，又能在恶 劣的工业环境中可靠地运行。 因而，它广泛应用于各种控制 场合，尤其是十几到几十个回 路的中等规模的控制系统中。
数字信号处理技术是当今的一个热门领域，世界上各大半导 体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域，比 较有代表性的是TI公司的 TMS320F240x系列。 8. ARM处理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公 司的名称，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为 是一种技术的名词。
2.2.1 IPC工控机硬件组成
2.2.1 IPC工控机硬件组成 硬件:主机板（CPU、内存储器）、系统总线、过程输入 输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统。
主机 板 人-机 接口 系统 支持 磁盘 系统 通信 接口 外部总线
内部总线
模拟量 输入通道 AI
模拟量 输出通道 AO
数字量 输入通道 DI
数字量 输出通道 DO
图2-4 工控机硬件组成结构图
1. 主机板 是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器 （RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采 集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、 数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程 。 2. 系统总线 系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部 各组成部分之间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IBM PC总线和STD总线。外部总线是工控机与 其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线 有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。
数据线 数据控制线 接口管理线 设备A 控者 听者 讲者 计算机 设备B 听者 讲者 电压表 设备C
听者 打印机
图2-10 IEEE-488并行通信总线
（2）PCI总线的功能特性 ： 连接到PCI总线上的设备分为两类：主控设备（Master）和 目标设备（Target）。PCI支持多主控设备，主控设备可以控制 总线、驱动地址、数据及控制信号；目标设备不能启动总线操 作，只能依赖于主控设备向它进行传递或从中读取数据 （3）PCI总线引脚信号定义，如图2-9所示。
图2-3 总线式工控机
4. 单片微型计算机 单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片 机，它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚 至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集 成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有 相当控制功能的微控制器。 5. 嵌入式处理器 嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计 算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、 功耗等综合性能要求严格的场合。嵌入式处理器的特点： 1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的 执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。 3）可扩展的处理器结构。 4）嵌入式微处理器的功耗很低。
6. 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Micro-controller Unit，简称MCU）一般 以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内 部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数 器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、 FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。 7. 数字信号处理器DSP
4. 通信接口 通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传 送的通道。 5. 输入/输出模板 输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换 的连接通道。包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道 （AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关 量）输出通道（DO）。 6. 系统支持 系统支持功能主要包括： ①监控定时器：俗称“看门狗”（Watchdog）。 ②电源掉电监测： ③后备存储器： ④实时日历时钟 7. 磁盘系统 半导体虚拟磁盘，软盘,硬盘或USB磁盘。
必需的 AD0~AD31 C/BE0~C/BE3 PAR FRAME IRDY TRDY STOP DEVSEL IDSEL PCI 总线 可选的 AD32~AD63 C/BE4~C/BE7 PAR64 REQ64 ACK64 LOCK INTA INTB INTC INTD SBO SDONE TDI TDO TCK TMS TRST 边界扫描信号 中断信号 接口控制 64位总线扩展信号
2.2.2 IPC工控机的软件组成
软件是工业控制机的程序系统，可分为系统软件、支持软件、 应用软件三部分。 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。 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。 3.应用软件: 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和 管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人-机 接口程序、打印显示程序和公共子程序等。
2.3.2 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，也 称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。 常用的内部总线主要有STD总线、VME总线、ISA总线和 PCI总线。 1．STD总线 1）、总线标准 STD总线即Standard Bus，是一种规模最小，面向工业控制， 设计周密的8位系统总线。
2.2.3 IPC工控机的特点
IPC工控机主要有以下六个特点： 1.可靠性高 2. 丰富的输入输出模板 3. 实时性好 4. 开放性好 5. 连续工作时间长 6. 便于安装
2.3 IPC总线结构
2.3.1 总线概述
1. 总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。 2. 总线定义与分类: 总线是一组信号线的集合，它定义了引线的信号、电气、机 械特性，是微机系统内部各组成部分之间、不同的计算机之间 建立信号联系，进行信息传送的通道。 总线:内部总线（系统总线）和外部总线（通信总线）。 3. 总线按功能或信号类型划分，主要有三类总线：数据总线、 地址总 线、控制总线。 4. 总线主要有数据传输、中断、多主设备支持、错误处理等功 能。
出错报告
仲裁
{ {
PERR SERR REQ GNT CLK RST
系统
{
Fra Baidu bibliotek
图2-9 PCI总线引脚
{
支持高速缓存
2.3.3 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。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、 RS-232C串行总线和RS485通信总线。
1．IEEE-488并行通信总线
3．ISA总 线 ISA总线(Industrial Standard Architecture)即AT总线，它 是在8位的XT总线基础上扩展而成的16位的总线体系结构。 后来，在大多数Pentium系列的PC机主板上仍保留3～4个 ISA总线扩充槽，即可以插入8位ISA卡，又可以插入16位 ISA卡。 ISA总线插槽 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。
4．PCI总线
PCI总线（Peripheral Component Interconnect，外围部件互 连总线）具有先进的结构特性及其优异的性能，是现代微机系统 总线结构中的佼佼者，并被多数现代高性能微机系统所广泛采用。 （1）PCI总线的主要特点： 1）传输率高； 2）采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数； 3）总线支持无限猝发读写方式和并行工作方式； 4）总线宽度为32位（5V），可升级为64位（3.3V）； 5）PCI总线与CPU异步工作：PCI总线的工作频率固定为33 MHz，与CPU的工作 频率无关，使PCI总线不受处理器的限制； 6）提供了即插即用功能，允许PCI局部总线扩展卡和元件进 行自动配置。
2.2 IPC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。 主要内容有以下四部分: 1.工控机硬件组成 2.工控机的软件组成 3.工控机的特点 4.IPC工控机的发展方向
2.1 控制计算机的主要类型
目前计算机控制系统中控制器的种类主要有：可编程控 制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机、嵌 入式系统、DSP、ARM及其他控制装置。 1.可编程控制器（PLC） 可编程控制器，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结 合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端 为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输 入组件、输出组件、电源及编程器等组成。它有以下特点： 是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定； 采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟 式的输入和输出；应用广泛--不仅在顺序程序控制领域中具 有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也 毫不逊色；系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易， 抗干扰能力强。外观如图2-1所示。
2．VME总线 （1）VME总线，Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推 出的第一代32位工业开放标准总线，其主要特点是VME总线的 信号线模仿Motorola公司生产的 68000系列单片机信号线，由于 其应用的广泛性被IEEE收为标准，即IEEE1014-1987,其标准文 件为VMEbus specification Rev C.1。 （2）VME总线的插板一般有两种尺寸，一种是3U高度的带一个 总线接口J1， 高×长为100mm*160mm，另一种是6U高度的带2 个总线接口J1、J2，高×长为233mm× 160mm。 （3）一般每块VME总线的插板上的接口J1、J2都有96针，每一 个接口都是3排，按A、B、C排列，每排32针，J1一般用于直接 与VME总线相连，J2的中间列 用于扩展地址总线或数据总线， 另外两列可由用户定义及I/O、磁盘驱动及其他外设等。因此 VME总线已对未来的应用扩展预留了信号针，这也是VME总线 将来可以灵活升级的原因。
第二章 工业控制计算机
• 计算机控制系统在工业生产过程中应用广泛，控制计算机 是计算机控制系统的主要组成部分，因而如何依据不同的 需求选择合适的控制计算机是实现计算机控制的基础。本 章主要从以下四部分介绍工业控制计算机的结构、特点、 选择和有关的总线技术： • 2.1、控制计算机的主要类型； • 2.2、IPC工控机的组成与特点； • 2.3、IPC总线结构； • 2.4、MODBUS通信协议。
2. 可编程调节器
可编程调节器又称单回路调节器、智能调节器、数字调节 器，主要由微处理单元、过程I／O（输入/输出） 单元、面板 单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。外观如图 2-2所示。
图2-1 可编程控制器
图2-2 可编程调节器
3.总线式工控机
总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工 业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业 控制机或工控机IPC（Industrial Personal Computer）。 总线式工控机具有小型化、 模板化、组合化、标准化的设 计特点，能满足不同层次、不 同控制对象的需要，又能在恶 劣的工业环境中可靠地运行。 因而，它广泛应用于各种控制 场合，尤其是十几到几十个回 路的中等规模的控制系统中。
数字信号处理技术是当今的一个热门领域，世界上各大半导 体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域，比 较有代表性的是TI公司的 TMS320F240x系列。 8. ARM处理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公 司的名称，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为 是一种技术的名词。
2.2.1 IPC工控机硬件组成
2.2.1 IPC工控机硬件组成 硬件:主机板（CPU、内存储器）、系统总线、过程输入 输出通道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统。
主机 板 人-机 接口 系统 支持 磁盘 系统 通信 接口 外部总线
内部总线
模拟量 输入通道 AI
模拟量 输出通道 AO
数字量 输入通道 DI
数字量 输出通道 DO
图2-4 工控机硬件组成结构图
1. 主机板 是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器 （RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。主机板的作用是将采 集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、 数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程 。 2. 系统总线 系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部 各组成部分之间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IBM PC总线和STD总线。外部总线是工控机与 其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线 有RS-232C、RS485和IEEE-488通信总线。
数据线 数据控制线 接口管理线 设备A 控者 听者 讲者 计算机 设备B 听者 讲者 电压表 设备C
听者 打印机
图2-10 IEEE-488并行通信总线
（2）PCI总线的功能特性 ： 连接到PCI总线上的设备分为两类：主控设备（Master）和 目标设备（Target）。PCI支持多主控设备，主控设备可以控制 总线、驱动地址、数据及控制信号；目标设备不能启动总线操 作，只能依赖于主控设备向它进行传递或从中读取数据 （3）PCI总线引脚信号定义，如图2-9所示。
图2-3 总线式工控机
4. 单片微型计算机 单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片 机，它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚 至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集 成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有 相当控制功能的微控制器。 5. 嵌入式处理器 嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计 算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、 功耗等综合性能要求严格的场合。嵌入式处理器的特点： 1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的 执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。 3）可扩展的处理器结构。 4）嵌入式微处理器的功耗很低。
6. 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Micro-controller Unit，简称MCU）一般 以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内 部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数 器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、 FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。 7. 数字信号处理器DSP