测控系统综合设计任务书

摘要
早期，针对工业自动化中特殊规格及严苛的环境要求，工业计算机厂商设计特殊的主板、芯片、机箱、操作系统等，以满足特殊作业环境的需要。

随着计算能力的提高，工业计算机日渐成为工业自动化的关键技术。

目前，在通讯、网络、软件及光电的整合应用之下，工业计算机也不再单纯局限于工业自动化领域的应用，而是结合了通讯、消费电子、光电、半导体及软件等应用，其所扮演的角色也愈来愈重要且呈现多元及定制化的设计特点。

工业计算机在自动化和信息化产业链中处于要素市场，不仅是传统行业升级改造与"两化融合"的加速器，而且是"3C融合"与3G建设的主要硬件架构和基础平台。

工业计算机领域包括工业计算机整机、处理器板或嵌入式主板、数据采集板、通信板、功能板(如图像、视频、存储、运动控制、MCGS、DSP等)，以及一体机或HMI、机箱背板、周边设备、软件和应用系统。

关键字工业计算机 MCGS 工业自动化
目录
第一章课程设计内容与要求 (1)
1.1 设计目的 (1)
1.2 设计内容 (1)
1.3 设计要求 (1)
第二章介绍工业计算机 (2)
2.1 工业计算机概念 (2)
2.2 工业计算机迅速发展趋势及前景 (2)
2.3 工业计算机产业发展特点 (3)
2.4 工业计算机的应用 (5)
第三章工业计算机的总线类型及特点 (6)
3.1 总线按功能和规范可分为三大类型 (6)
3.2 采用总线结构的主要优点 (8)
第四章研华板卡的简介 (9)
4.1 研华_PCL730板卡设备构件 (9)
4.2 PCL-818HD概述 (16)
第五章 MCGS设备窗口中模拟设备和硬件设备 (18)
5.1 MCGS外接电路 (18)
5.2 PCL-818HD板卡与外接电路的连接 (18)
5.3 PCL730板卡与外接电路的连接 (19)
总结 (20)
参考文献 (21)
第一章课程设计内容与要求
第一章课程设计内容与要求
1.1 设计目的
（1）掌握 MCGS 的使用方法和工程设计步骤。

（2）重点掌握 MCGS的流程控制、设备驱动、数据采集、数据处理、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作方法。

1.2 设计内容
（1）设计题目总体设计方案
（2）应用工控组态软件MCGS进行硬件接口设计；
（3）系统的综合硬件调试
（4）撰写课程设计论文
（5）完成课程设计论文答辩
1.3设计要求
组态软件硬件接口设计要求：
（1）开关量测量：
输入信号- 启动按钮、闸门正反转限位、物料位置等。

输出信号- 停止按钮、控制、显示和故障报警信号等。

（2）模拟量测量：
A/D信号- 电流、转速、温度、压力、流量和频率等。

D/A信号- 电流和电压。

（3）数据采集卡：I/O 采集卡、A/D采集卡和 D/ A采集卡。

（4）数据对象：设置数据变量的名称、类型、初始值和数值范围。

（5）动画连接：数据对象的实时采集值驱动图形的动画效果。

（6）控制流程：编制脚本程序用来完成特定工艺流程的操作和处理。

（7）设备连接：通过设备窗口驱动和配置各种数据采集卡。

（8）数据处理：数据显示、数据存储、报警输出、曲线生成和安全机制等。

第二章介绍工业计算机
2.1 工业计算机概念
工业计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。

传统意义上，工业计算机主要用于工业生产过程的测量、控制和管理，但今天的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制，而是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域。

2.2 工业计算机迅速发展趋势及前景
工业计算机将朝着创建一个开放、标准化平台的方向发展。

随着信息技术的快速发展，通信和计算的融合是大势所趋。

计算机与通信技术的发展使独立的业务应用逐步融合为更易使用的、集成的业务应用，同时融合带来了一个新的契机，它必须是一个兼容并蓄的通用平台，在这样的基础之上有一个特点，就是一定要有一个开放的标准架构。

这对工业计算机提出了更高的要求。

由于IPC结构和金手指连接器的限制，使其难以从根本上解决散热和高可用性问题，1997年国际PICMG(PCI工业计算机制造者组织)发布了新一代工业计算机技术CPCI，即PICMG2.0标准。

为了在国内更好的推广新技术，1998年STDMG/P.R.C分会正式更名为PICMG/P.R.C分会，并成为国际PICMG 组织的执行会员。

如果说STD总线工业计算机解决了当时工业计算机的有无问题;IPC解决了低成本和PC兼容性问题;那么CPCI技术解决的是可靠性和可维护性问题。

"CPCI是PCI总线的电气和软件加上欧洲卡，它具有在不关闭系统的情况下的即插即用功能，该功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要"，2004年度科技部科技型中小企业技术创新基金项目指南中的这段话，概括出了CPCI技术的主要特点和重要性。

进入21世纪，工业计算机技术更是无处不在，它带来的是一个充满联网设备的世界。

融合通信最大的设备挑战是可用性和功能开发缓慢等不利因素。

提供全IP功能的通用平台可以支持业务差异化，整合内容和业务支
撑系统，将复杂的网络简单化，提供最佳用户体验。

为此，2001年PICMG 将以太网包交换背板总线引入到CPCI标准中，为电信语音增值服务设备和基于以太网的工业自动化系统提供了新的技术平台。

2002年，PICMG颁布了面向电信的新标准AdvancedTCA，简称ATCA。

ATCA比CPCI有更大的规格和容量、更高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的制冷能力等。

主要是为了解决电信系统目前主要面临的系统带宽问题、高可用性问题、现场升级问题、可伸缩性问题、可管理性问题以及可互操作问题，并最终降低成本。

目前通信和计算机领域都在向开放标准演进，而ATCA的诞生恰恰赶上了信息产业链变革的机遇。

随着工业计算机应用的日益广泛，市场细分成为大多数厂商的共同战略，也使工业计算机技术进一步细分，流行的开放规格繁多，主要包括：PCI-ISA、SHB、CPCI/PXI、ATCA/MTCA、VME/VPX、PC 104/Plus、PMC、AMC、COM E、ETX;母板类包括ATX、Micro ATX、BTX、DTX、EPIC、3寸板、5寸板等。

2.3 工业计算机产业发展特点
（1）企业由模仿向自主创新转变
经过多年的积累，我国的工业计算机企业正在经历着从中国制造到中国创造的转变。

研华公司自主研制推出的新一代工业计算机EPI，解决了IPC工业计算机金手指连接方式不可靠，在多尘、潮湿、振动的环境下连接处易堵塞或氧化而接触不良使工业计算机失效的问题，并且完全兼容PCI标准，具有开放性、良好的散热性和抗振性、高稳定性、高可靠性等特点，而且加工工艺容易，成本低，便于推广，已经成功应用于国产数控装置。

（2）工业计算机越来越被行业用户所接受
工业计算机产品和技术的一个主要特点，就是属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算基础平台。

随着社会信息化的不断深入，国民经济许多行业的关键任务将越来越多地依靠工业计算
机，而以工业计算机为共性技术和基础平台的低成本工业自动化正在成为传统行业升级改造的主流技术路线，中国的工业计算机厂商所受到的重视程度也越来越高。

随着电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业的迅速发展，从数字家庭用的机顶盒、数字电视，到银行柜员机、高速公路收费系统、加油站管理、制造业生产线控制，金融、政府、国防等行业信息化需求不断增加，对工业计算机的需求很大，工业计算机市场发展前景十分广阔。

（3）个性化和定制化是市场的主要形态
工业计算机界不同于商用计算机采用大批量标准化的生产方式，在不同应用有不同的功能需求设计，企业需针对用户需要设计符合其功能需求及外观的产品。

因产品复杂度较高，价格敏感度较低，毛利率较高，普遍均在30%以上，相较于商用计算机市场，仍处于蓝海市场。

因单品数量少而小型供应商多，呈现长尾市场特点。

（4）全生命周期管理使工业计算机走向服务化
值得注意的是，近年来国际厂商提出了一个新的概念：预集成平台或整合平台。

它是在工业计算机技术发展的基础上继续向产业链下游发展的结果。

国际厂商不再把自己仅仅看作是工业计算机的供应商，而是针对用户的某一个项目或装置的开发，从系统方案的制定开始，包括部件集成、硬件采购、软件配置、现场调试、直到验收，全过程都由其承担。

它们既是方案供应商，又是产品供应商，还是系统集成商。

这种做法既可以进一步满足用户的要求，同时也可以解决工业计算机厂商目前价格过于透明，利润率降低的问题。

但是这将要求厂商对应用行业技术发展走向、目标系统的设计要求、产业链上下游产品技术发展、不同类型模块的功能和性能都要十分了解。

这对国内工业计算机企业的技术能力、市场能力、产业链支持提出了更高的要求和挑战。

（5）新兴产业与生产性服务业成为新增长点
据一份关于安防监控市场发展的调查数据显示，在政府"平安城市"建设、城市报警与监控系统("3111"工程)等工程的推动下，加上奥运会、世博会等大型活动的带动，2008年全国进入了安防设施建设的新高潮，安防
监控行业持续保持了快速的增长，年增长率达到20%以上，市场总规模达到1500亿元左右。

从技术角度来看，数字化视频监控正在成为监控行业发展的主流，工业计算机正作为监控系统的控制核心;从运营模式来看，监控系统的集中构建也正在逐步取代之前那种用户自主构建的模式，运营商正在成为监控产业链条中的一个关键环节，他们凭借自身带宽和技术优势，建设电信级别的数字视频监控系统，为用户提供从网络到设备、从建设到维护的解决方案。

这样一来，数据的集中处理不仅大幅提高了数据的安全效率和安全保障，同时最终用户也不必花费巨资去建设和维护系统，从而降低了总体投入成本。

如今，这种模式正在成为视频监控行业发展的重要方向。

在电信级别的数字化监控系统中，工业计算机以强大的处理能力、良好的稳定性以及便于扩展的模块化结构，一直是视频监控系统的核心控制器。

2.4工业计算机的应用
随着近年来无线网络技术、信息家电、汽车、以及医疗等行业的蓬勃发展，从而使得原本"鲜为人知"的工业计算机如今正发生着翻天覆地的变化，由于在以上这些行业中工业计算机正越来越多的扮演着十分重要的角色，这便使得工业计算机产品在未来行业市场上的需求和发展也变得更加旺盛而迅猛!
工业计算机的广泛应用已经渗入到我们日常生活的各个方面，已由智能建筑、交通智能、车载计算机、医疗仪器等工业领域扩展到无线基础设施、网络应用设备、网络安全、多媒体应用、金融服务等网络通信与数字多媒体相关的领域。

3C融合、三网融合、企业信息化加速进行，无论是信息产业基础设备、还是企业计算市场，对工业计算机的需求从来都未像今天这般为IT业所重视。

工业计算机已经成为信息产业基础设备的核心，包括移动计算平台、通讯计算平台、车载计算平台、工业控制、商业控制、电子商务平台和信息家电，还可应用于与Internet相联接的接入设备。

第三章工业计算机的总线类型及特点
3.1总线按功能和规范可分为三大类型
(1) 片总线(Chip Bus, C-Bus)
称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。

(2) 内总线(Internal Bus, I-Bus)
又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。

例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。

(3) 外总线(External Bus, E-Bus)
又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIA RS-232C、IEEE-488等。

其中的系统总线，即通常意义上所说的总线，一般又含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。

有的系统中，数据总线和地址总线是复用的，即总线在某些时刻出现的信号表示数据而另一些时刻表示地址；而有的系统是分开的。

51系列单片机的地址总线和数据总线是复用的，而一般PC中的总线则是分开的。

“数据总线DB”用于传送数据信息。

数据总线是双向三态形式的总线，即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。

数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。

例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。

需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

“地址总线AB”是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。

地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的
地址总线为16位，则其最大可寻址空间为2^16=64KB，16位微型机（x位处理器指一个时钟周期内微处理器能处理的位数（1 、0）多少，即字长大小）的地址总线为20位，其可寻址空间为2^20=1MB。

一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2^n字节。

“控制总线CB”用来传送控制信号和时序信号。

控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号，片选信号、中断响应信号等；也有是其它部件反馈给CPU的，比如：中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。

因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，(信息)一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。

实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

按照传输数据的方式划分，可以分为串行总线和并行总线。

串行总线中，二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件；并行总线的数据线通常超过2根。

常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。

按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。

同步总线的时钟信号独立于数据，而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。

SPI、I2C是同步串行总线，RS232采用异步串行总线。

微型计算机硬件结构的最重要特点是总线(Bus)结构。

它将信号线分成三大类，并归结为数据总线(Date Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线(Control Bus)。

这样就很适合计算机部件的模块化生产，促进了微计算机的普及。

微型计算机的总线化硬件结构图如图所示。

图3-1 硬件结构图
3.2 采用总线结构的主要优点
1、简化了硬件的设计。

便于采用模块化结构设计方法，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作cpu插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。

2、简化了系统结构。

整个系统结构清晰。

连线少，底板连线可以印制化。

3、系统扩充性好。

一是规模扩充，规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件。

二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件，插件插入机器的位置往往没有严格的限制。

4、系统更新性能好。

因为cpu、存储器、I/O借口等都是按总线规约挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，其他插件和底板连线一般不需要改。

5、便于故障诊断和维修。

用主板测试卡可以很方便找到出现故障的部位，以及总线类型。

第四章研华板卡的简介
4.1 研华_PCL730板卡设备构件
1、设备简介
研华_PCL730板卡提供32路光电隔离数字量I/O通道（16路DI和16路DO）和32路TTL数字量I/O通道（16路DI和16路DO）。

允许1000V 电隔离。

(1) 16路光隔离输入
输入电压：5～24V（直流）
输入阻抗：1.2千欧@0.5瓦
隔离电压：2500V（直流）
最大速度：10KHz
(2) 16路TTL输入
输入电压：低电平：0.8V max；高电平；2.0V min
输入负荷：低电平：在0.5V最大0.4mA；高电平：在2.7V最大0.05mA (3) 16路光隔离输出
输出电压：5～40V（直流）
反向电流：200mA max
隔离电压：1000V（直流）
(4) 16路TTL输出
输出电压：低电平：在0.5V最大反向电流8mA；高电平：在2.4V最小源电流-0.4mA
2、硬件连线
研华_PCL730提供4个20针连接器和1个37针D型连接器，引脚定义如下图所示。

(1)16路光隔离输出
图4-1 16路光隔离输出
(2) 16路光隔离输入
图4-2 16路光隔离输入
3、板卡设置
(1) 设置基地址
PCL730使用一组拨码开关SW1来对板卡的IO基地址进行设置，其中拨码开关拨到ON表示0，拨到OFF表示1。

开关和地址的对应关系见下表。

表4-1 开关和地址的对应关系
(2) 关闭计算机及相关外部设备电源，将PCL730插到计算机当前空闲的ISA插槽内，安装时注意板卡插稳，使其与ISA槽接触良好，然后重新启动计算机。

(3) 安装研华自带的板卡测试软件Device Manager和PCL730板卡驱动（这两个软件包都可以从研华网站获得），先使用研华测试软件与板卡进行简单通讯测试，以确定板卡本身没有问题。

(4) 打开研华自带测试软件Device Manager,可以看到软件中驱动列表里PCL-730驱动图标变为可用（红叉标志已消失）。

选中Advantech PCL-730驱动，单击“Add”钮，进入板卡设置界面。

注意板卡地址及中断通道必须与板卡上实际设定的一致。

设置完成后点击“OK”确认。

图4-3 板卡设置界面
(5) 单击“TEST”，进入板卡测试界面，对板卡的基本输入输出功能使用万用表做详细的测试。

在确认板卡本身没有问题的情况下，点击“Remove”按钮从Device Manager软件内卸载已经安装的板卡，然后退出Device Manager测试程序，可以使用MCGS对研华_PCL730进行操作。

图4-4 板卡测试界面
4、设备构件的使用
a. 父设备的参数设置
本设备驱动为独立设备，不需要挂接在父设备下使用，应该直接添加在设备窗口中使用。

b.“研华_PCL730”设备构件的使用
设备构件基本属性的设置：
图4-5 构件基本属性的设置
内部属性：点击“设置设备内部属性”，进入内部属性页设置对话框。

在线帮助：点击“查看设备在线帮助”，获得设备使用帮助信息。

设备名称：可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有的其它设备构件同名。

初始工作状态：运行组态工程时，本设备是“启动”还是“停止”状态，默认为“启动”。

最小采集周期(ms)：此属性为设备驱动采集接口的调用时间周期，其默认值为1000，如果希望驱动计数器的当前计数值刷新频率快些，可以将此属性值改为200。

IO基地址(16进制)：用16进制数表示，默认值300(十六进制)，必须和板
卡上SW1的拨码开关设置一致。

设备构件内部属性的设置：本设备构件无内部属性页。

c. 通道信息和设备命令
通道信息：
本设备构件共提供64个通道，所有通道皆为开关型通道。

16路光电隔离数字量输入通道，开关型只读；
16路光电隔离数字量输出通道，开关型只写；
16路TTL数字量输入通道，开关型只读；
16路TTL数字量输出通道，开关型只写。

设备命令：本设备构件没有设备命令。

5、设备调试
设备调试在“设备调试”属性页中进行，以检查和测试板卡是否正常工作，在进行调试前，要先把板卡的基地址和各种跳线设置正确，关闭计算机电源后，把板卡插入计算机插槽，有条件时，把外部的调试信号接好。

图4-6设备调试
对于DI数字量输入通道，在“通道值”一列显示通道输入状态，对应高（或低）TTL电平。

值为1表示当前输入的是高电平，值为0表示当前输入的是低电平。

使用万用表，对DI通道值进行测量，观察采集进来的数据和板卡的实际输入信号是否相符，可以测试通道DI是否正常工作。

对于DO数字量输出通道，在“通道值”一列对DI通道赋值，为0表示输出低电平，为1表示输出高电平，驱动会将输出的高低电平信号送入板卡输出。

打开“设备调试”页时，DO通道都没有值（因为都是只写通道）。

在“通道值”中，当用鼠标左键按下时，对应通道的输出状态为1；松开鼠标左键时，输出状态为0；当用鼠标右键单击时，对应通道的输出状态交替变化（从0变为1，或从1变成0）。

6、常见故障分析
在数据采集或调试过程中发现有问题时，请按如下步骤检查故障：
(1) 如果使用研华自带的测试软件不能正常操作，请检查连线是否正确，板卡基地址是否和计算机内其它I/O设备的基地址相冲突。

(2) 如果使用研华自带的测试软件测试正常，而使用MCGS不正常，请检查设备构件属性的属性设置是否正确，IO基地址是否和Advantech Device Manager软件中PCI730的基地址一致。

(3) 检查完毕后，在“设备调试”页中检查输入输出是否正确。

(4) 如果在驱动的设备调试页中测试外部DI/DO信号时总是没有信号或信号有误，但是可以确认板卡基地址并没有和系统中其它I/O设备地址冲突，那么检查外部数字量信号是否正常，板卡接口板或端子板接线是否正确。

(5) 如果在使用WIN2000系统时，重启系统后MCGS板卡驱动不能和板卡正常通讯，必须先运行研华测试软件Device Manager和板卡通讯一次，MCGS 才能和板卡正常通讯。

此时解决方法如下：运行研华测试软件“Device Manager ”，点击“Remove”按钮从Device Manager软件内卸载已经安装的板卡，退出“Device Manager”，重新启动WIN2000，运行MCGS，问题即可解决。

如果确认不是板卡本身的问题及设置方面的问题，可以致电MCGS技术支持。

7、特殊应用的开发
本设备构件目前只实现利用循环采集方式进行采集，如需要用作其它用途或本构件不能满足要求时，可自行进行开发，《MCGS高级开发指南》中有关于开发设备构件的详细说明，用户可根据需要在源代码的基础上进行进一步的修改，也可以提出具体的技术要求，由我们亲自为你定制。

4.2 PCL-818HD概述
PCL-818HD 能确保在所有增益（X1、2、4 或8，可编程）及输入范围内可达到100KHz 的采样速率。

该卡带有一个1K 的采样FIFO（先入先出）缓冲器，能够获得更快的数据传输和Windows 下更好的性能。

PCL-818HG 提供与PCL-818HD 相同的功能，但它带有一个可编程的信号放大器，可用来读取微弱输入信号（X0.5，1，5，10，50，100，500 或1000）初始检查研华 PCL-818HD/HG/L ，包含如下三部分：多功能数据采集卡PCL-818HD/HG/L，一本使用手册和一个内含板卡驱动的光盘。

打开包装后，请您查看这三件是否齐全，请仔细检查有没有在运送过程中对板卡造成的损坏，如果有损坏或者规格不符,请立即告知我们的服务部门或是本地经销代理商，我们将会负责维修或者更换。

取出板卡后，请保留它的防震包装，以便在您不使用时将采集卡保护存放。

在您用手持板卡之前，请先释放手上的静电（例如，通过触摸您电脑机箱的金属底盘释放静电），不要接触易带静电的材料，比如塑料材料等。

手持板卡时只能握它的边沿，以免您手上的静电损坏面板上的集成电路或组件。

1 基址的选择
PCL-818HD/HG/L 数据采集卡是通过计算机的I/O 口来控制的，每个I/O 口各自都有一个独立的I/O 存储空间以免相互之间发生地址冲突，PCL-818HD/HG/L 使用32 个连续的I/O 地址空间（当FIFO 使能时）或使用16个连续的I/O 地址空间（当FIFO 关闭时），下图给出了它的I/O 地址选择，地址的选择可通过面板上的6 位DIP 开关SW1 的设置来设定。

PCL-818HD/HG/L 的
有效地址范围是000 到3F0（十六进制），初始默认地址为300，您可以根据系统的资源占用情况，给PCL-818HD/HG/L 分配正确的地址，按照下图来设置它的地址。