第2章 计算机控制系统的硬件设计技术

1、 2.1.1 2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类 2.1.2 pc/isa/eisa2.1.2 pc/isa/eisa总线简介总线简介 1.pc/isa1.pc/isa总线的发总线的发 展展 2.isa2.isa信号线定义信号线定义 3.eisa3.eisa（extended extended industry industry standard standard architecturearchitecture） 2.1.3 pci/compact pci2.1.3 pci/compact pci总线简介总线简介 1.pci 1.pci总线的主要性能总线的主要性

2、能 2.2.其它性能其它性能 pci(peripheral component interconnect)是美国 sig(special interest group of association for computer machinery)集团推出的64位总线。该总线 的最高总线频率为33mhz，数据传输率为80mby/s(峰 值传输率为133mby/s)。 3.pci3.pci总线信号定义总线信号定义 主控设备主控设备4949条，目标设备条，目标设备 4747条，可选引脚条，可选引脚 5151条（主条（主 要用于要用于6464位扩展、中断请位扩展、中断请 求、高速缓存支持等），求、高速缓

3、存支持等）， 总引脚数总引脚数 120120条（包含电条（包含电 源、地、保留引脚等）。源、地、保留引脚等）。 4.compact pci4.compact pci总线总线 图图2-19 pcl-7302-19 pcl-730板卡组成框图板卡组成框图 程序设计举例程序设计举例( (基地址设为基地址设为220h)220h)： pcl-730pcl-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/ / 输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。 c c语言程序如下：语言程序如下： outportb(0 x220outportb(0 x220，ox55) ox55) outportb(

4、ox221outportb(ox221，0 x55)0 x55) inportb(ox220) inportb(ox220) inportb(ox221)inportb(ox221) 汇编语言程序如下：汇编语言程序如下： mov dxmov dx， 220h220h mov almov al， 55h55h out dxout dx， alal mov dxmov dx， 221h221h out dxout dx， alal mov dxmov dx， 220h220h in alin al， dx dx mov ahmov ah， alal mov dxmov dx， 221h221h i

5、n alin al， dxdx 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压 信号的关键元件。 图2-27 cd4051原理图 1 2 minmax n yy q 图2-36 pcl-813b数据采集卡组成框图 1.pcl-813b 的寄存器地址 2.程序设计举例 pcl-813b a/d 转换基于查询方式，由软件触发。a/d 转 换器被触发后，利用程序检查a/d状态寄存器的数据准备位 （drdy ）。如果检测到该位为“1”，则a/d 转换正在进行。 当a/d 转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程 序读出。 n refout d vv 2 1 ) 1 2 ()( 1 1 2 3

6、 1 3 2 n refoutrefout d vv r r v r r v 图2-47 pcl-726板卡组成框图 2. d/a 转换程序流程 d/a 转换程序流程如下（以通道1为例）： （1）选择通道地址n=1（n=16）。 （2）确定d/a高4位数据地址（基地址+00）。 （3）置 d/a高4位数据(d3do 有效 )。 （4）确定d/a低8位数据地址（基地址+01）。 （5）置 d/a低8位数据并启动转换。 3. 程序设计举例 pcl-726 的d/a 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位， 000h0fffh分别对应输出0%100%，若输出50%，则对应的输出数字量

7、为7ffh， 设基地址为220h，d/a通道l输出50%的程序如下： c语言参考程序段如下： outportb ( 0 x220 , 0 x07 ) / d/a 通道l 输出50% outportb ( 0 x221 , 0 xff ) 汇编语言参考程序如下：（基地址为220h ）： mov al， 07h ；d/a 通道l 输出50% mov dx， 0220h out dx， al mov dx， 0221h mov al， 0ffh 基于rs-485的分布式测控系统结构图 rs-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传 输距离远 、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的

8、多 机通信系统。在各种工业仪器、仪表大量使用的今天，rs-485总 线得到了广泛的应用。 智能远程i/o模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远 程i/o单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置的微处 理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、 i/o隔离、模拟量i/o、数字量i/o、数据显示和串行数字通信接口。 远程i/o模块可以安装在现场，就地完成a/d、d/a转换、i/o操作 及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息， 构成数据采集控制系统。通过采用rs-485中继器，可以将多达256 个远程模块连接到rs-485网络上，或者将最大通信距离延伸到 10

9、km。 典型的远程i/o模块有研华公司的adam-4000系列、研发公司 的dac-8000系列、研祥公司的ark-14000系列以及威达公司的牛顿 -7000系列。 可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。 伺服电机 pmacpmac卡卡 驱动器驱动器 a b c 接口板接口板 a b c 编码器. 机械机械 i/oi/o 软件接口 图2-51 开放式结构的运动控制系统示意图 共模干扰示意图共模干扰示意图 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时 的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采

10、用双的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双 端端输入输入不对地方式，如右图所示。不对地方式，如右图所示。 z zs s、z zs1 s1、 、z zs2 s2为信号源 为信号源usus的内阻抗，的内阻抗，z zc c、z zc1 c1、 、z zc2 c2为输入电路的输入阻 为输入电路的输入阻 抗。共模干扰电压抗。共模干扰电压u ucm cm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端 对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端a a和和b b的的 共模电压和共模电压和两个输入端之间的共模电压两个输入端之间的共模电压分别为：分别为： 1 11 c cs cm a z zz

11、u u 2 22 c cs cm b z zz u u )(lg20db u u cmrr n cm 计算机控制系统的计算机控制系统的cpucpu抗干扰措施：抗干扰措施： watchdog(watchdog(俗称看门狗俗称看门狗) ) 电源监控电源监控( (掉电检测及保护掉电检测及保护) ) 复位复位 max1232 max1232微处理器监控电路给微处理器提供辅微处理器监控电路给微处理器提供辅 助功能以及电源供电监控功能。助功能以及电源供电监控功能。max1232max1232通过监控通过监控 微处理器系统电源供电微处理器系统电源供电及及监控软件的执行监控软件的执行，来增强，来增强 电路的可

12、靠性，它提供一个反弹的电路的可靠性，它提供一个反弹的( (无锁的无锁的) )手动复手动复 位输入。位输入。 另外常用的集成电路还有另外常用的集成电路还有x5045x5045、imp813imp813等。等。 max1232 引脚图 max1232 内部 原理图 监控电路监控电路max1232max1232的典型应用的典型应用 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻 碍本机产生的杂波反馈到公共电网。碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2 2、整流

13、与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电， 以供下一级变换。以供下一级变换。 3 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关 电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电 源。源。 在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字 地、安全

14、地、系统地、交流地。地、安全地、系统地、交流地。 模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、a/da/d和和d/ad/a转换器中模转换器中模 拟电路的零电位。拟电路的零电位。 数字地数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地 分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电 而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机

15、 壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 系统地系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众 所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大， 电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电 位。位。 交流地交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位 很不稳定。很不稳定。 接地理论接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接分

16、析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接 地。地。 单点接地的单点接地的目的目的：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引 入到信号回路内引起干扰。入到信号回路内引起干扰。 地环路产生的原因地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相 距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差， 地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流 导致对电路造成影响的差模干扰电压。导致对电

17、路造成影响的差模干扰电压。 回流法单点接地回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地：模拟地、数字地、安全地( (机壳地机壳地) )的分别回的分别回 流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由 多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇 流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地( (机壳地机壳地) )始终始终 与信号地与信号地( (模拟地、数字地模拟地、数字地) )是浮离开的。这些地之间只在最后汇是浮离开的。这些

18、地之间只在最后汇 聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2300mm2 的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。 各自的优缺点： 从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的， 由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰 。 并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只 与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路 间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻 烦。 电路一点地基准电路一点地基准: :如图所示的将信号源与输入放大器分别接如图所示的将信号源与输入放大器分别接 地的方式是不正确的。地的方式是不正确的。 误认为误认为a a和和b b两点都是地球地电位应该相等，是造成这种两点都是地球地电位应该相等，是造成这种 接地错误的接地错误的根本原因根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入。为了克服双端接地的缺点，应将输入 回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放 大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信