第2章 计算机控制系统的硬件设计技术2 (1)

1、 采用计算机控制系统实现生产过程的控制，需要采集生采用计算机控制系统实现生产过程的控制，需要采集生产过程中的各种必要信息（参数），并转换成计算机能够接产过程中的各种必要信息（参数），并转换成计算机能够接受的数据形式。受的数据形式。 这种实现在这种实现在过程信号与计算机数据之间变换传递的电路过程信号与计算机数据之间变换传递的电路称称为输入输出过程通道，简称过程通道。为输入输出过程通道，简称过程通道。 过程通道按变换传递信号的种类分为过程通道按变换传递信号的种类分为模拟量通道和数字量模拟量通道和数字量通道。通道。 输入输出接口是输入输出接口是计算机与外部设备进行数据交换的通道和计算机与外部设备进行

2、数据交换的通道和桥梁。桥梁。由于外设的种类多，控制方式各不相同，很难由由于外设的种类多，控制方式各不相同，很难由CPUCPU统统一控制，而且外设的数据传输率千差万别，数据格式也不相一控制，而且外设的数据传输率千差万别，数据格式也不相同，所以需要接口电路来协调和控制数据的输入输出。同，所以需要接口电路来协调和控制数据的输入输出。2.2 2.2 过程通道和输入输出接口过程通道和输入输出接口2.2.1 2.2.1 过程通道的一般结构过程通道的一般结构（1 1） 输入输出过程通道的基本概念输入输出过程通道的基本概念 过程通道的一般结构，如图所示。过程通道的一般结构，如图所示。 输入过程通道输入过程通道

3、 输入过程通道是指从生产过程的被控设备输入过程通道是指从生产过程的被控设备到计算机的物理信号传输和变换的通道。到计算机的物理信号传输和变换的通道。分为分为模拟量和数字量模拟量和数字量两种。两种。 输出过程通道输出过程通道 输出过程通道是指从计算机到生产过程的输出过程通道是指从计算机到生产过程的被控设备的物理信号传输和变换的通道。被控设备的物理信号传输和变换的通道。分为分为模拟量和数字量模拟量和数字量两种。两种。（2 2） 输入过程通道的结构类型输入过程通道的结构类型 输入通道的结构主要有以下几种。输入通道的结构主要有以下几种。 单信号通道类型单信号通道类型 高电压、大电流模拟信号，低电压、小电

4、流模高电压、大电流模拟信号，低电压、小电流模拟信号，脉冲信号，开关信号等拟信号，脉冲信号，开关信号等. .多信号输入通道类型多信号输入通道类型 多路模拟信号的采集采用多路模拟开多路模拟信号的采集采用多路模拟开关关( (多路转多路转换器换器) )分分时进行，在多路模拟信号输入通道中，一般时进行，在多路模拟信号输入通道中，一般共享一个共享一个A/DA/D转换器。转换器。如图所示。如图所示。 当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直当传感器或变送器输出信号电压较大时，多路开关可直接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放接和传感器（或变送器）输出相连，并在多路开关后设置放大电路，如

5、图所示。大电路，如图所示。 图中采用了共用放大电路的结构形式。当各种放大信号图中采用了共用放大电路的结构形式。当各种放大信号相差比较大的时候，宜采用可编程增益放大器，根据不同信相差比较大的时候，宜采用可编程增益放大器，根据不同信号选择不同增益，由计算机进行控制。号选择不同增益，由计算机进行控制。（3 3） 输出过程通道的结构类型输出过程通道的结构类型 输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点，输出过程通道根据输出信号形式和控制对象的特点，其结构形式如图所示。其结构形式如图所示。输出的数字量要经过光电隔离。输出的数字量要经过光电隔离。需要利用需要利用D/AD/A进行信号转换。进行信号转换。

6、2.2.2 输入输出接口 计算机控制系统中，外部设备是不能直接与中央处理单元计算机控制系统中，外部设备是不能直接与中央处理单元（CPUCPU）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，）相连的，因为它们的速度、数据格式不一定相同，信号形式也不一定相匹配。信号形式也不一定相匹配。 为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPUCPU和外和外部通道连接起来，该中间环节就是部通道连接起来，该中间环节就是接口电路接口电路。其可分为。其可分为并行并行和串行接口和串行接口，具有以下功能。，具有以下功能。数据缓冲数据缓冲 计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备

7、的工作速度相比则是计算机的工作速度很快，过程通道和外部设备的工作速度相比则是比较慢的，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作等。比较慢的，利用接口电路进行数据缓冲，协调两者的工作等。信号转换信号转换 过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的过程通道和外部设备提供的状态信号和控制信号与计算机能识别的信号一般是不相同的，利用接口电路实现信号转换，如电平变换、数据信号一般是不相同的，利用接口电路实现信号转换，如电平变换、数据转换等。转换等。 驱动功能驱动功能 由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台由于计算机总线的信号驱动能力有限，当需要连接多台外部设备时，总线资源可能不

8、够。利用接口电路可以提高总外部设备时，总线资源可能不够。利用接口电路可以提高总线的负载能力，使一个接口与多个外部设备相连接，充分利线的负载能力，使一个接口与多个外部设备相连接，充分利用计算机的硬件资源。用计算机的硬件资源。中断管理中断管理 外部设备与计算机的沟通，一个重要的手段就是采用中外部设备与计算机的沟通，一个重要的手段就是采用中断处理技术。采用具有中断控制管理功能的接口，便于计算断处理技术。采用具有中断控制管理功能的接口，便于计算机处理有关中断事物，包括提出中断请求、中断优先级排队机处理有关中断事物，包括提出中断请求、中断优先级排队等。等。 （1 1） 接口技接口技术术 在计算机控制系统

9、中，在计算机控制系统中，CPUCPU与外设所交换的信息有与外设所交换的信息有数据信息、数据信息、控制信息和状态信息控制信息和状态信息，为了，为了CPUCPU对外设的寻址，还要有对外设的寻址，还要有地址信息。地址信息。为保证信息的正确传送为保证信息的正确传送，接口内部一般设置若干寄存器，用以，接口内部一般设置若干寄存器，用以暂存暂存CPUCPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息。相应的寄存和外设之间传输的数据、状态和控制信息。相应的寄存器分别称为器分别称为数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。这些能被。这些能被CPUCPU直接访问的直接访问的寄存器统称为端口寄存

10、器统称为端口，分别叫做，分别叫做数数据端口、状态端据端口、状态端口和控制端口口和控制端口，负责对应信息的传送，负责对应信息的传送。 数数据端据端口：口：用于用于存放外设送往存放外设送往CPUCPU的数据以及的数据以及CPUCPU输出到外设去的数据输出到外设去的数据，这些，这些数据是主机和外设之间交换的最基本信息，长度一般数据是主机和外设之间交换的最基本信息，长度一般1-21-2个字节。个字节。数据端口数据端口主要起着数据缓冲作用主要起着数据缓冲作用。状状态端态端口：口：主要用来指示外设的当前状态。主要用来指示外设的当前状态。每种状态用一个二进制位表示，每种状态用一个二进制位表示，每个外设可以有

11、几个状态位，它们可以被每个外设可以有几个状态位，它们可以被CPUCPU读取，以测试或检查读取，以测试或检查外设的状态，决定程序的流程。外设的状态，决定程序的流程。（Ready/Busy/ErrorReady/Busy/Error）控控制端制端口口: :又叫命令端口，用来存放又叫命令端口，用来存放CPUCPU向接口发出的各种命令和控制字，以向接口发出的各种命令和控制字，以便便控制接口或设备的动作。控制接口或设备的动作。 CPUCPU和外设的数据交换实质就是和外设的数据交换实质就是CPUCPU的内部寄存器和接口内部的的内部寄存器和接口内部的端口之间的数据交换。端口之间的数据交换。 CPU CPU对

12、对数据端口数据端口进行一次读或写操作也就是与该接口连接的外进行一次读或写操作也就是与该接口连接的外设进行一次数据传送；设进行一次数据传送；CPUCPU对对状态端口状态端口进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的进行一次读操作，就可以获得外设或接口自身的状态代码；状态代码；CPUCPU把若干位控制代码写入把若干位控制代码写入控制端口控制端口，则意味着对该接口或外设，则意味着对该接口或外设发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作。发出一个控制命令，要求该接口或外设按规定的要求工作。（2 2） 输入输出通道接口实现及控制输入输出通道接口实现及控制 计算机控制系统由于规模、开发目的不同，采

13、用不同计算机控制系统由于规模、开发目的不同，采用不同的芯片以及测控对象的多样化，结构形式多种多样，相应的的芯片以及测控对象的多样化，结构形式多种多样，相应的过程通道的接口及其控制也有所不同。过程通道的接口及其控制也有所不同。 若用若用硬件实现硬件实现，实时性好，速度快；若用，实时性好，速度快；若用软件实现软件实现，可，可以方便系统功能的改变以方便系统功能的改变。 硬硬件设计时，可以采用通用件设计时，可以采用通用I/OI/O接口芯片实现，也可选用接口芯片实现，也可选用现成的现成的I/OI/O接口模板实现。采用通用接口模板实现。采用通用I/OI/O接口芯片自行开发设接口芯片自行开发设计，针对性强、

14、成本低，但周期长；选计，针对性强、成本低，但周期长；选用现成的用现成的I/OI/O接口模接口模板开发周期短。板开发周期短。 1.1.采用通用采用通用I/OI/O接口芯片实现接口芯片实现 功能不同的过程通道和外部设备，需要采用不同的功能不同的过程通道和外部设备，需要采用不同的I/OI/O接口电路来实现与计算机的连接。接口电路来实现与计算机的连接。 常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器74LS27374LS273、74LS37374LS373，8 8位并行位并行I/OI/O接口接口82128212，8 8位双向三态输出数据缓冲位双向三态输出数据缓冲器器82668

15、266、82878287，8 8位三态双向驱动器位三态双向驱动器74LS24574LS245，外部地址译码，外部地址译码器器74LS13874LS138、74LS13974LS139等。等。 另一类功能极强的接口芯片另一类功能极强的接口芯片为可编程接口芯片。为可编程接口芯片。所谓可所谓可编程接口，是指接口的通用部分由大规模集成电路实现，其编程接口，是指接口的通用部分由大规模集成电路实现，其具体功能由程序来确定。具体功能由程序来确定。 可编程接口芯片内部设置有控制寄存器，可编程接口芯片内部设置有控制寄存器，CPUCPU通过向控制通过向控制寄存器写入控制命令来决定接口的功能。这类接口寄存器写入控制

16、命令来决定接口的功能。这类接口具有硬件具有硬件的快速性，又具有软件编程的灵活性的快速性，又具有软件编程的灵活性，在计算机控制系统中，在计算机控制系统中获得广泛的应用。获得广泛的应用。 常用的可编程接口芯片有并行接口常用的可编程接口芯片有并行接口8255A/8155/81568255A/8155/8156、串、串行接口行接口8251A8251A、中断控制器、中断控制器8259A8259A、计数器、计数器/ /定时器定时器8253/82548253/8254、DMADMA控制器控制器8237A8237A以及键盘和显示器接口以及键盘和显示器接口82798279等。等。 2.2.单板式整体结构单板式整

17、体结构 将测控系统制作成一个独立的装置，接口设备与将测控系统制作成一个独立的装置，接口设备与CPUCPU制作成一制作成一体，就形成了单板式结构，直接进行软件开发就可以了。体，就形成了单板式结构，直接进行软件开发就可以了。3 3. .标准计算机扩展版标准计算机扩展版 计算机扩展插槽从计算机扩展插槽从ISAISA标准、标准、VISAVISA标准，发展到现在的标准，发展到现在的PCIPCI标准。标准。利用计算机的扩展功能，将利用计算机的扩展功能，将I/OI/O接口装置按照计算机扩展槽的标准接口装置按照计算机扩展槽的标准开发，并制成多种类型的板卡，可直接插在计算机的扩展槽上。开发，并制成多种类型的板卡

18、，可直接插在计算机的扩展槽上。这些板卡功能强大，可以接收各种输入输出信号，便于计算机控这些板卡功能强大，可以接收各种输入输出信号，便于计算机控制系统的设计和实现，灵活性好、可靠性高制系统的设计和实现，灵活性好、可靠性高。4 4. .模块化模块化 模块化输入输出接口的实现是将模块化输入输出接口的实现是将I/OI/O功能以模块的方式来实现，功能以模块的方式来实现，I/OI/O模块与计算机之间，以及模块与计算机之间，以及I/OI/O模块和模块和I/OI/O之间的物理连接可以很之间的物理连接可以很灵活，可以是并行总线，也可以是串行总线，还可以是双绞线相灵活，可以是并行总线，也可以是串行总线，还可以是双

19、绞线相互连接，系统的构成和扩展非常方便。互连接，系统的构成和扩展非常方便。（3 3） 输入输出控制方式输入输出控制方式 计算机控制系统往往有许多的外围设备，它包括显计算机控制系统往往有许多的外围设备，它包括显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标以及各类过程通道。示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标以及各类过程通道。 整个系统的运行过程基本上就是计算机（主要指整个系统的运行过程基本上就是计算机（主要指CPUCPU或内存或内存RAMRAM）与各种外部设备进行信息交换的过程，）与各种外部设备进行信息交换的过程，而计算机的工作速度与上述外部设备的工作速度又千差而计算机的工作速度与上述外部设备的工作速度又千差万别。万别

20、。 为了能使各种外部设备在为了能使各种外部设备在CPUCPU的统一管理和调度下的统一管理和调度下有条不紊地工作，有条不紊地工作，CPUCPU采用分时工作方式与外设交换信采用分时工作方式与外设交换信息。息。CPUCPU与外部设备交换数据的方式就是输入输出控制与外部设备交换数据的方式就是输入输出控制方式。方式。 通常采用的输入输出控制方式有三种：程序控制通常采用的输入输出控制方式有三种：程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取（方式、中断控制方式和直接存储器存取（DMADMA）方）方式。式。 进行计算机控制系统设计和开发时，应根据外进行计算机控制系统设计和开发时，应根据外部设备的种类、产生事件的

21、重要性、对数据处理速部设备的种类、产生事件的重要性、对数据处理速度的要求以及控制系统的要求等，选择适当的控制度的要求以及控制系统的要求等，选择适当的控制方式。方式。1.1.程序控制方式程序控制方式 程序控制输入输出方式是指程序控制输入输出方式是指CPUCPU与外围设备之间与外围设备之间的数据交换是在程序控制之下进行的。这种方式又的数据交换是在程序控制之下进行的。这种方式又可以可以分为两种：无条件输入输出方式和查询式输入分为两种：无条件输入输出方式和查询式输入输出方式。输出方式。 无条件输入输出方式无条件输入输出方式是指是指CPUCPU无需查询外围设备的无需查询外围设备的状态即可进行数据传送的方

22、式。在这种工作方式下，状态即可进行数据传送的方式。在这种工作方式下，外围设备应总是处在准备就绪状态。这种方式可以外围设备应总是处在准备就绪状态。这种方式可以用于一些简单的外围设备，如电动机启用于一些简单的外围设备，如电动机启/ /停控制、停控制、继电器的吸合继电器的吸合/ /释放控制等。释放控制等。 查询式输入输出方式查询式输入输出方式是指是指CPUCPU在与外部设备交换在与外部设备交换信息时，往往不能预知传递信息的确切时间。为此信息时，往往不能预知传递信息的确切时间。为此可以编一个查询外部设备状态的程序，用它去检查可以编一个查询外部设备状态的程序，用它去检查表示外部设备的数据是否准备就绪的状

23、态标志。表示外部设备的数据是否准备就绪的状态标志。 采用这种工作方式时，外围设备除了要有数据采用这种工作方式时，外围设备除了要有数据口外，还要有状态口，用来判断外围设备的工作状口外，还要有状态口，用来判断外围设备的工作状态。态。 查询的方式有两种：查询的方式有两种： 采用定时查询的方式。采用定时查询的方式。定时查询的方定时查询的方式即按一定的时间间隔定时查询一次所有外围设备式即按一定的时间间隔定时查询一次所有外围设备的状态信息，如发现某一个外围设备准备就绪，的状态信息，如发现某一个外围设备准备就绪，CPUCPU就为它服务。就为它服务。 采用这种工作方式的优点是采用这种工作方式的优点是CPUCP

24、U具有较高的效具有较高的效率，率，并且并且CPUCPU与外围设备在一定程度上并行工作。与外围设备在一定程度上并行工作。缺点是可靠性不高，假如某外围设备出现紧急情况缺点是可靠性不高，假如某外围设备出现紧急情况需要及时处理而查询时间间隔未到，需要及时处理而查询时间间隔未到，CPUCPU不能及时不能及时发现和处理，有可能引起事故，故发现和处理，有可能引起事故，故实时性不是很好实时性不是很好。 巡回检测的方式。巡回检测的方式。 巡回检测方式的基本工作原理：每个外围设备提供一个或巡回检测方式的基本工作原理：每个外围设备提供一个或多个状态信息，程序中使用测试指令和条件转移指令。多个状态信息，程序中使用测试

25、指令和条件转移指令。CPUCPU逐个读入并测试外围设备的状态信息，如果该外围设备请求逐个读入并测试外围设备的状态信息，如果该外围设备请求服务且准备就绪，则与之交换数据。否则，不与该外设交换服务且准备就绪，则与之交换数据。否则，不与该外设交换数据，直接查询下一个外围设备。各个外围设备查询完后，数据，直接查询下一个外围设备。各个外围设备查询完后，再返回，继续循环查询直至系统停止工作。再返回，继续循环查询直至系统停止工作。 采用这种工作方式的优点是采用这种工作方式的优点是工作方式比较简单工作方式比较简单，对于，对于CPUCPU不是很繁忙且系统对数据传送速度要求也不很高时可以不是很繁忙且系统对数据传送

26、速度要求也不很高时可以采用。采用。 采用这种工作方式的缺点是采用这种工作方式的缺点是CPUCPU要花费大量的时间用于要花费大量的时间用于查询，查询，工作效率比较低。工作效率比较低。 2.2.中断控制方式中断控制方式 计算机控制系统对实时性通常有着较高的要求，如实时计算机控制系统对实时性通常有着较高的要求，如实时数据采集、实时运算、实时控制、实时报警等。采用查询方数据采集、实时运算、实时控制、实时报警等。采用查询方式，式，CPUCPU会浪费大量的时间在循环等待之中，不仅实时性差，会浪费大量的时间在循环等待之中，不仅实时性差，而且也很不经济。而且也很不经济。 中断技术的引入在很大程度上克服了这个弊

27、端，此时中断技术的引入在很大程度上克服了这个弊端，此时CPUCPU不必去循环检测外部设备的状态，而是在外部设备就绪时主不必去循环检测外部设备的状态，而是在外部设备就绪时主动向动向CPUCPU发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当发出一个中断请求信息，若该事件的优先级高于当前前CPUCPU所运行的工作，所运行的工作，CPUCPU会立即响应该中断请求，停止其当会立即响应该中断请求，停止其当前的工作，转去处理该中断申请事件。处理完毕后，又返回前的工作，转去处理该中断申请事件。处理完毕后，又返回去进行被中断了的原来的工作。去进行被中断了的原来的工作。 中断方式的采用，要求系统设计时解决好下列中断

28、方式的采用，要求系统设计时解决好下列问题：问题： (1)(1)现场保护与恢复：现场保护与恢复：中断产生的时机是随机的。在程序设计时，应考虑到当中断产生的时机是随机的。在程序设计时，应考虑到当CPUCPU响应中断请求后，将运行程序的中间结果（如运算中间结果、响应中断请求后，将运行程序的中间结果（如运算中间结果、地址、指令、指针以及当前标志等）完整保存好，即保护好地址、指令、指针以及当前标志等）完整保存好，即保护好现场数据和状态，待中断服务程序执行完毕后，能够准确返现场数据和状态，待中断服务程序执行完毕后，能够准确返回。回。 (2) (2) 正确判断中断源：正确判断中断源：CPUCPU应能判断出是

29、哪个外围设备提出了中断请求，并转入到应能判断出是哪个外围设备提出了中断请求，并转入到相应的中断服务程序中。相应的中断服务程序中。 (3) (3) 能够实时地响应外围设备的中断请求：能够实时地响应外围设备的中断请求：对于外围设备的每一次中断请求，对于外围设备的每一次中断请求，CPUCPU都能在尽可能短的时都能在尽可能短的时间内进行响应，并在可以接受的时间内完成服务。间内进行响应，并在可以接受的时间内完成服务。 (4) (4) 中断优先级：中断优先级：根据外围设备激发中断事件的重要程度，将各中断源设置成根据外围设备激发中断事件的重要程度，将各中断源设置成不同的中断优先级。当多个外围设备同时提出中断

30、申请时，不同的中断优先级。当多个外围设备同时提出中断申请时，CPUCPU将根据优先级的高低，首先处理优先级高的中断请求，将根据优先级的高低，首先处理优先级高的中断请求，然后再响应优先级次高的中断请求，最后再处理优先级低端然后再响应优先级次高的中断请求，最后再处理优先级低端中断请求。中断请求。3.3.直接存储器存取方式（直接存储器存取方式（DMADMA方式）方式） DMADMA是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。是一种完全由硬件完成输入输出操作的工作方式。以这种方式工作时，以这种方式工作时，外设和存储器之间直接进行数据交换，外设和存储器之间直接进行数据交换，而不通过而不通过CPU.CPU. DMA DMA和和CPUCPU共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总共享总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。当进行线。当进行DMADMA操作时，操作时，DMADMA控制器从控制器从CPUCPU中接管对总线的控中接管对总线的控制，直接使存储器和外设之间进行数据传送，从而使数据传制，直接使存储器和外设之间进行数据传送，从而使数据传送速度大为提高。这种控制方式适合于数据传送量较大