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SMEMRSBHESMEMWIOWIORMEMRMEMWIOCHRDYMASTERMSMCS16IOCS160WSIOCHCHKl ：0 0等待信号。等待信号。l ：I/OI/O通道检验错误信号。通道检验错误信号。lCLKCLK：系统时钟信号。：系统时钟信号。 PCI(Peripheral Component Interconnect) PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国是美国SIG(Special Interest Group of Association for SI

2、G(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)Computer Machinery)集团推出的集团推出的6464位总线。该总线的最高总位总线。该总线的最高总线频率为线频率为33MHz33MHz，数据传输率为，数据传输率为80Mby/s(80Mby/s(峰值传输率为峰值传输率为133Mby/s)133Mby/s)。 是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。它是在是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。它是在CPUCPU和原来的系统总线之间插入的总线，由桥接电路实现对这一和原来的系统总线之间插入的总线，由桥接电路实现对

3、这一层的管理。层的管理。 2.其它性能其它性能A A0 0A A9 91010根地址线，利用根地址线，利用 、 信号控信号控制对端口的读写，利用制对端口的读写，利用AENAEN信号控制非信号控制非DMADMA传送。传送。 IOWIOR 原理：当原理：当S S在上时，输出上为在上时，输出上为1 1，下为，下为0 0。 当当S S按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产 生瞬间不闭合，造成生瞬间不闭合，造成R-SR-S触发器输入为双触发器输入为双1 1，故状态，故状态 不改变。不改变。零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。 图图2-19 PCL

4、-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输出都只需要二条指令就可以完成。成。C C语言程序如下：语言程序如下：outportb(0 x220outportb(0 x220，Ox55) Ox55) outportb(Ox221outportb(Ox221，0 x55)0 x55)inportb(Ox220) inportb(Ox220) inportb(Ox221)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：汇编

5、语言程序如下：MOV DXMOV DX， 220H220HMOV ALMOV AL， 55H55HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 221H221HOUT DXOUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 220H220HIN ALIN AL， DX DX MOV AHMOV AH， ALALMOV DXMOV DX， 221H221HIN ALIN AL， DXDX100,132RRRRRttRtRPt00)()(1000RCD4051原理图原理图 12minmaxnyyq1002ADft图图2-36 PCL-813B2-36 PCL-813B数据采集卡组

6、成框图数据采集卡组成框图 PCL-813B PCL-813B 的寄存器地址的寄存器地址（1 1）寄存器地址分配）寄存器地址分配（2 2）寄存器格式）寄存器格式2.2.程序设计举例程序设计举例 PCL-813B A/D PCL-813B A/D 转换基于查询方式，由软件触发。转换基于查询方式，由软件触发。A/D A/D 转转换器被触发后，利用程序检查换器被触发后，利用程序检查A/DA/D状态寄存器的数据准备位状态寄存器的数据准备位（DRDY DRDY ）。如果检测到该位为）。如果检测到该位为“1”1”，则，则A/D A/D 转换正在进行。转换正在进行。当当A/D A/D 转换完成后；该位变为低电

7、平，此时转换数据可由程转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。序读出。 nREFOUTDVV21) 12()(1123132nREFOUTREFOUTDVVRRVRRV AD694 AD694是一种是一种4 420mA20mA转换器，转换器，适当接线也可使其输出范围为适当接线也可使其输出范围为0 020mA20mA。 输出范围：输出范围：4 420mA,020mA,020mA20mA。输入范围：输入范围：0 02V2V或或0 010V10V。 电源范围：电源范围：+4.5+4.536V36V。 可与电流输出型可与电流输出型D/AD/A转换器直接配合转换器直接配合使用，实现程控电流

8、输出。使用，实现程控电流输出。 具有开路或超限报警功能。具有开路或超限报警功能。 电流输出型电流输出型D/A转转换器直接配合使用，换器直接配合使用，实现程控电流输出。实现程控电流输出。图图2-47 PCL-7262-47 PCL-726板卡组成框图板卡组成框图2. D/A 2. D/A 转换程序流程转换程序流程D/A D/A 转换程序流程如下（以通道转换程序流程如下（以通道1 1为例）：为例）：（1 1）选择通道地址）选择通道地址n=1n=1（n=1n=16 6）。）。（2 2）确定）确定D/AD/A高高4 4位数据地址（基地址位数据地址（基地址+00+00）。）。（3 3）置）置 D/A D

9、/A高高4 4位数据位数据(D3(D3DO DO 有效有效 ) )。（4 4）确定）确定D/AD/A低低8 8位数据地址（基地址位数据地址（基地址+01+01）。）。（5 5）置）置 D/AD/A低低8 8位数据并启动转换。位数据并启动转换。3. 3. 程序设计举例程序设计举例PCL-726 PCL-726 的的D/A D/A 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为分辨率为1212位，位，000H000H0FFFH0FFFH分别对应输出分别对应输出0%0%100%100%，若输出，若输出50%50%，则对应的输出数字量为，则对应的输出数字量为7

10、FFH7FFH，设基地址为，设基地址为220H220H，D/AD/A通道通道l l输出输出50%50%。C C语言参考程序段如下：语言参考程序段如下：outportb ( 0 x220 , 0 x07 ) / D/A outportb ( 0 x220 , 0 x07 ) / D/A 通道通道l l 输出输出50% 50% outportb ( 0 x221 , 0 xff ) outportb ( 0 x221 , 0 xff ) 汇编语言参考程序如下：（基地址为汇编语言参考程序如下：（基地址为220H 220H ）：）：MOV ALMOV AL， 07H 07H ；D/A D/A 通道通道

11、l l 输出输出50%50% MOV DX MOV DX， 0220H0220H OUT DX OUT DX， ALALMOV DXMOV DX， 0221H0221H MOV AL MOV AL， 0FFH0FFH 基于基于RS-485RS-485的分布式测控系统结构图的分布式测控系统结构图 RS-485 RS-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、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、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。的多机通信系统。智能远程智能远程I/OI/O模块是传感器和执行机

12、构到计算机的多功模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远程能远程I/OI/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计。单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计。内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、立提供智能信号调理、I/OI/O隔离、模拟量隔离、模拟量I/OI/O、数字量、数字量I/OI/O、数据显示和串行数字通信接口。数据显示和串行数字通信接口。远程远程I/OI/O模块可以安装在现场，就地完成模块可以安装在现场，就地完成A/DA/D、D/AD/A转换、转换、I/OI/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算操作

13、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。机交换信息，构成数据采集控制系统。通过采用通过采用RS-485RS-485中继器，可以将多达中继器，可以将多达256256个远程模块连个远程模块连接到接到RS-485RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到网络上，或者将最大通信距离延伸到10km10km。 典型的远程典型的远程I/OI/O模块有研华公司的模块有研华公司的ADAM-4000ADAM-4000系列、研发公系列、研发公司的司的DAC-8000DAC-8000系列、研祥公司的系列、研祥公司的Ark-14000Ark-14000系列以及威达公司系列以及威达

14、公司的牛顿的牛顿-7000-7000系列。系列。可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。 伺服电机伺服电机PMACPMAC卡卡驱动器驱动器A B C接口板接口板ABC编码器编码器. .机械机械 I/OI/O软件接口软件接口图图2-51 2-51 开放式结构的运动控制系统示意图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，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，所以必须采此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，所以必须采用双端输

15、入不对地方式。用双端输入不对地方式。 Z ZS S、Z ZS1S1、Z ZS2S2为信号源为信号源U US S的内阻抗的内阻抗 Z ZC C、Z ZC1C1、Z ZC2C2为输入电路的输入阻抗。为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压共模干扰电压U Ucmcm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端端A A和和B B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：111ccscmAZZZUU222ccscmBZZZUU)(lg20dBUUCMRRncm MAX1232 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以

16、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。及电源供电监控功能。MAX1232MAX1232通过监控微处理器通过监控微处理器系统电源系统电源供电及监控软件供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的个反弹的( (无锁的无锁的) )手动复位输入。手动复位输入。 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

17、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、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。也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直、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。流电，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、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。越小。 4 4、输出整流与滤波：根据负载需要

18、，提供稳定可靠的直、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。流电源。各自的优缺点：各自的优缺点： 从防止噪声角度看，串联接地方式是最不适用的，由于地电从防止噪声角度看，串联接地方式是最不适用的，由于地电阻阻r r1 1、r r2 2和和r r3 3是串联的，所以各电路间相互发生干扰是串联的，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