计算机控制技术第二章

有关本课程学习的几点建议

本课程属于专业课,多媒体上课,信息量大,速度块;课件内容比较多,上课重点讲解一些内容;有些内容作为扩展知识面,课堂不进行讲解,考试不做要求（自学）;

本门的课程的难点在于:(1)和前续课程的联系,温故而知新；记笔记……;(2)前沿性的东西很多,新技术,新设备不断推陈出新,培养自己自学能力

要求:学生把本课件通读一遍,了解本们课程的一个总体轮廓;

第二章工业控制计算机IPC

（IndustrialPersonalComputer）2.1工控机（掌握）2.2可编程逻辑器（PLC）（了解）2.3嵌入式系统（了解）2.1.1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。（IndustrialPersonalComputer）它主要用于工业过程测量、控制、数据处理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。典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。工控机硬件组成1图1工控机机箱图图2主板图图3底板图图4IPC的硬件组成框图2．系统总线（内部总线和外部总线）

内部总线是IPC内部各组成部分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ISAPC总线和PCI总线等。

外部总线是IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公共通道。常用的外部总线有RS-232C、RS-485和USB通信总线等。1．主机板主机板由中央处理器（CPU）、内存储器（RAM、ROM）等部件组成,它是IPC的核心。3．输入输出模板模拟量和数字量输入输出通道。4．人-机接口人机接口是人与计算机交流的一种外设.它由标准的PC键盘、鼠标、显示器和打印机等组成。5.通信接口通信接口是IPC和其它计算机或智能外设的接口,常用的接口有RS-232C、RS-485和USB等接口。6．系统支持板IPC的系统支持板主要包括如下部分：（1）程序运行监视系统,即看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动复位,恢复运行.（2）电源掉电检测：其目的是为了及时检测到电源掉电后,立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态.（3）保护重要数据的后备存储器：采用带有后备电池的SRAM、NOVRAM、EEPROM,能在系统掉电后保证数据不丢失.（4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功能和自动记录某个控制是在何时发生的.7.磁盘系统磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘或USB盘。工控机软件组成21．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,包括实时多任务操作系统RTOS、引导程序、调度执行程序等,其中操作系统是系统软件最基本的部分,如MS-DOS和Windows(XP/2007/2010)等系统软件.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,借以提高软件生产效率,改善软件产品质量.(KEIL,PROTEL……)3．应用软件应用软件是系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序,它往往涉及应用领域的专业知识.它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和控制程序等.当今工业自动化的发展趋势是计算机控制技术的控制与管理一体化,以便适应不断变化的市场需求.而工业控制的应用软件就起着关键性的作用,因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点.

现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件,如数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件等,这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台.工控机的特点（了解）3

IPC是一种专用于工业场合下的控制计算机。一方面工业环境常常处于高温、高湿、腐蚀、振动、冲击、灰尘,以及电磁干扰严重、供电条件不良等等恶劣环境中；一方面工业生产过程因行业、原料、产品的不同,而使生产过程、工艺要求也五花八门。这些都是工业自动化控制中要解决的重要课题。IPC采用了总线技术和模板化结构,再加上采取了多重抗干扰措施,因而使IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点。1.可靠性和可维修性好2.实时性好3.环境适应性强4.丰富的输入输出模板5.系统扩充性和开放性好6.控制软件包功能强7.系统通信功能强8.冗余性

2.1.2工控机的内部总线

内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。工业控制计算机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在一起，组成系统的多功能模板插入接口插槽，由内部总线完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。

目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总线和PCI总线。ISA总线1IBMPC总线是针对Intel8088微处理器而设计的，其第一个标准是PC/XT总线，它定义了8位数据线和20位地址和若干条控制线，共62引脚。为了和Intel8028616位机兼容，对XT总线在电气和机械特性上作了较大的扩充，在原来62引脚的基础上又增加了一个36引脚插座而形成AT总线。AT总线将数据总线扩展为16位，地址总线扩展到24位，将中断扩充到15个并提供了中断共享功能，而DMA通道也扩充到8个。AT总线也称ISA（IndustryStandardArchitecture）总线标准。

1989年，COMPAQ公司联合HP.AST等9家计算机公司，在ISA总线基础上，推出了适应32位微处理器的系统总线标准EISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）。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。D18D1C18C1B31B1A31A1图5ISA总线插槽图PCI总线2

PCI总线（PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连总线）是介于CPU芯片级总线与系统总线之间的一级总线。外设通过局部总线与CPU的数据传输率得以大大提高。PCI总线支持64位数据传送、多总线主控模块和线性猝发读写和并发工作方式。PCI引脚图如图6所示。其主要特点如下：①PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位。②PCI传输率高：最大传输率为133MB/s（266MB/s），能提高硬盘、网络界面卡的性能；充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。③PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低设计成本。地址和数据线接口控制信号中断信号64位总线扩展信号接口控制支持高速缓存信号边界扫描信号系统仲裁出错报告必需的可选的图6PCI总线引脚图20图6ISA和PCI总线槽位图⑵PCI总线

坚实的PCI总线，是标准PCI总线的改进。更加可靠，插槽更多，可以热插拔。CompactPCI总线（了解）3

PC总线是IBMPC总线的简称,PC总线因IBMPC及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准.PC总线IPC,或称为工业PC机即IPC,即是脱胎于IBMPC机发展起来的.PC/104总线（了解）4

STD总线是美国PRO-LOG公司1978年推出的一种工业控制计算机的标准系统总线.该总线结构简单,全部56根引脚线都有确切的定义。可以兼容各种通用的8位微处理器,如8080、8085、6800等。可以升级为16位微处理器兼容总线。STD总线（了解）5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，又称通信总线。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232C串行总线、RS485通信总线和USB总线。2.1.3工控机的外部总线IEEE-488并行通信总线（了解）1RS-232C串行通信总线2

RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定的一种通信接口标准,专门用于数据终端设备和数据通信设备之间的串行通信。目前RS-232C接口已成为计算机的标准配置,如串行口COM1、COM2均为RS-232C总线接口标准.

在许多工业过程控制中,往往要求用最少的信号线来完成通信任务.目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的.它实际就是RS-422总线的变型,二者不同之处在于：

RS-422为全双工,采用两对差分平衡信号线；

RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线. RS-485更适合于多站互连(已经具备了现场总线的概念),一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器.其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰.RS-485总线（1983年提出）3全双工半双工USB总线4USB总线是PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口,它是一个所谓“万能接口”,可以取代传统PC机上连接外围设备的所有端口(包括串行端口和并行端口),用户几乎可以将所有外设装置——包括键盘、显示器、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备,统一通过USB接口与主机相接.同时,它还可为某些设备(如数码相机、扫描仪等)提供电源（手机充电）,使这些设备无须外接独立电源即可工作.USB是1995年由称为“USB实现者论坛”

(USBImplementerForum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准.1996年1月,颁布了USB1.0版本规范,其主要技术规范是：(1)支持低速(1.5Mbps)和全速(12Mbps)两种数据传输速率.前者用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置.(2)一台主机最多可连接127个外设装置(含USB集线器Hub市面有卖的)；连接节点(外设或Hub)间距可达5米,可通过USB集线器级联的方式来扩展连接距离,最大扩展连接距离可达20米.(3)采用4芯连接线缆,其中两线用于以差分方式传输串行数据,另外两线用于提供+5V电源.线缆种类有两种规格,即无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP).前者适合于1.5Mbps的数据速率,后者适合于12Mbps的数据速率.(4)具有真正的“即插即用”特性.主机依据外设的安装情况自动配置系统资源,用户无需关机即可进行外设更换,外设驱动程序的安装与删除完全自动化.

USB2.0速度更快（2000年）USB2.0的理论传输速度最高可达到480Mbps.图7USB接口示例图ARINC429总线（了解）5美国航空电子工程委员会1977年提出，并批准使用，主要应用于航空电子设备及有关系统间的信息传输要求。2.1.4IPC输入/输出模板（了解）1.模拟量输入模板2.模拟量输出模板3.数字量输入输出模板4.其他功能模板5.远程I/O模块2.1.5IPC的主要产品（了解）

目前国内外生产总线式IPC的专业厂家很多,著名品牌比比皆是,如爱瑞、研华、研祥、凌华、中泰、康泰克、康拓、威达、华控、浪潮等等.现以深圳研祥工控集团研制的PC总线工业计算机产品为例作一说明.

研祥的PC总线工业计算机共有14种系列：工业计算机机箱,工业一体化工作站,工业平板电脑/显示器,便携式工业计算机,工业级CPU卡,工业级底板,工业计算机外设,亚当（Adam）系列远端数据采集与控制模块,基于ISA总线数据采集与控制卡,基于PC总线数据采集与控制卡,端子板和附件,工业通信,应用软件等；每一种系列又有几种至十几种规格型号.以下简单介绍公司的几种产品.1.工业计算机机箱

研祥的机箱按带不带底板和电源、安装形式是桌面、壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题,又可分为二十几种型号。图8为IPC-810/811型号的14槽上架型计算机机箱。图8IPC-810/811机箱

其产品特性为：19’上架型,符合EIARS-310C标准,14槽ISA/PCI/PICMG无源底板,提供三个3.5”和两个5.25“磁盘驱动器空间,前面板带电源开关,CPU复位按钮,键盘锁开关,电源开关LED和HDDLED,防尘带锁门保护控制部件,前后面板均带键盘接口,防止插卡振动的防震压条,支持PS/2规格电源,尺寸177(高)×482(宽)×452(深)mm,支持ATX母板.2.工业级底板

研祥的底板按插槽种类、槽数多少、电源种类以及配置不同等问题,又可分为三十几种型号.图9为IPC-6114P4A型号的14槽底板.产品规格为：最大扩展槽14,最大分段1,ISA槽9,PCI槽4,PICMG槽1,电源LED±5V,±12V,+3V,可能配置14(1-PCI系统),尺寸(mm)322×300.34图9IPC-6114P4A14槽底板3.工业级主板

研祥的主板按CPU种类、存储器容量、显示方式、主板长短以及I/O接口不同等问题,又可分为十几种型号.图10为IPC-586VDNH(GX)主板.图10IPC-586VDNH(GX)主板4.模拟量输入模板

研祥的模拟量输入板卡按模拟量输入路数与极性、采样速率的不同等问题,又可分为十余种型号.图11为PCI-64AD系列数据采集与控制卡图11

PCI-64AD系列数据采集与控制卡2.2可编程逻辑器（PLC）（了解）可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。它吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，发展十分迅速。从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，PLC均担当着重要角色，PLC的应用最普遍，它在工厂自动化设备中占据第一位。2.2.1可编程控制器的基本结构PLC实质上是一种专门为在工业环境下自动控制应用而设计的计算机，它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口，更直接的适用于控制要求的编程语言和更强的抗干扰能力。尽管在外形上，PLC与普通计算机差别较大，但在基本结构上，PLC与微型计算机系统基本相同，也由硬件和软件两大部分组成。。

无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口单元、I/O扩展接口及扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线进行连接。对于整体式PLC，通常将CPU、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、外设接口以及电源等部分集成在一个箱体内，构成PLC的主机，如图12所示。对于模块式PLC，上述各组成部分均做成各自相互独立的模块，可根据系统需求，灵活配置。可编程控制器的硬件结构1图12整体式PLC硬件结构框图图13PLCI/O处理示意图PLC的工作过程⑴系统软件

PLC的系统软件一般包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序库和编程软件等。系统软件是PLC生产厂家编制的，并固化在PLC内部ROM或PROM中，随产品一起提供给用户。系统软件的主要功能为：①系统自检，②时序控制，③存储空间（地址）管理，④解释用户程序，⑤提供标准程序库，⑥编程软件。⑵用户程序用户程序指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照所用PLC规定的编程语言而编写的应用程序。用户程序可采用梯形图语言、指令表语言、功能块语言、顺序功能图语言和高级语言等多种方法来编写，利用编程装置输入到PLC的程序存储器中去。可编程控制器的软件结构22.2.2可编程控制器的分类与特点PLC生产厂家众多，产品种类繁杂，而且不同厂家的产品各成系列，难以用一种标准进行划分。在实际应用中，通常可按输入/输出（I/O）点数（即控制规模）、处理器功能和硬件结构形式三方面来进行分类。可编程控制器的分类1⑴按I/O点数划分根据PLC能够处理的I/O点数来分类，PLC可分为微型、小型、中型、大型4种⑵按处理器功能划分根据PLC的处理器功能强弱的不同，可分为低档、中档和高档3个档次。通常微型、小型PLC多属于低档机，处理器功能以开关量为主，具有逻辑运算、定时、计数等基本功能，有一定的扩展功能。中型和大型PLC多属中、高档机。中型机在低档机的基础上，兼有开关量和模拟量控制，增强I/O处理能力和定时、计数以及数学运算能力，具有浮点运算、数制转换能力和通信网络功能。高档机在中档机的基础上，增强I/O处理能力和数学运算能力，增加数据管理功能，网络功能更强，可以方便地与其它PLC系统连接，构成各种生产控制系统。⑶按硬件结构分根据PLC的外形和硬件安装结构的特点，PLC可分为整体式和模块式两种。①整体式结构整体式PLC又称箱体式，它将CPU、存储器、I/O接口、外设接口和电源等都装在一个机箱内。机箱的上、下两侧分别是I/O和电源的连接端子，并有相应的发光二极管显示I/O、电源、运行、编程等状态。面板还有编程器/通信口插座、外存储器插座和扩展单元接口插座等。这种结构的PLC的I/O点数少、结构紧凑、体积小、价格低，适用于单机设备的开关量控制和机电一体化产品的应用场合。

②模块式结构模块式PLC通常把CPU、存储器、各种I/O接口等均做成各自相互独立的模块，功能单一、品种繁多。模块既有统一安装在机架或母板插座上，插座由总线连接（即有底板或机架连接），也有直接用扁平电缆或侧连接插座连接（即无底板连接）。这种结构的PLC具有较多的输入/输出点数，易于扩展，系统规模可根据要求配置，方便灵活，适用于复杂生产控制的应用场合。⑴可靠性高，适应性强⑵功能完善，通用性好⑶安装方便，扩展灵活⑷操作维护简单，施工周期短可编程控制器的特点2●开关量逻辑控制●运动控制●闭环过程控制●数据处理●通讯联网PLC的应用32.2.3可编程控制器的主要产品当前PLC的生产厂家众多，按地域范围划分，这些生产厂家主要集中在美国：如罗克韦尔自动化（Rockwell-Automation）、通用电气（GE）、德州仪器（TI）、哥德（GOULD）和西屋（WESTINGHOUSE）等；欧洲：如西门子（SIEMENS）、莫迪康（MODICON）等；日本：如欧姆龙（OMRON）、三菱（（MITSUBISHI）、日立（HITACHI）、富士（Fuji）和东芝（TOSHIBA）等。美国PLC技术与欧洲PLC技术基本上是各自独立开发而成的，二者间表现出明显的差异性；日本的PLC技术是由美国引进的，因此它对美国的PLC技术既有继承，又有发展，而且日本产品主要定位在小型PLC上。此外，随着PLC技术的日趋完善，越来越多的电子设备公司也加入到生产PLC的行列中来，如韩国的LG、三星（SAMSUNG）、中国台湾的台达等，已开始在低端的PLC市场崭露头角。

。西门子S7系列PLC产品介绍S7-200微型PLCS7-200LOGO!S7-300S7-400S7-300C中/大型High-endrange/mediumrangeS7-400中/小型Low-endrangeS7-300通用逻辑模块I/O点数小于64点I/O点数在65—128点I/O点数在129—512点I/O点数在513—896点I/O点数在896点以上1S7系列可编程控制器

1)S7-200可编程控制器

DC/DC/DC——24VDC电源/24VDC输入/24VDC输出

；14点输入/10点输出

AC/DC/继电器——100～230VAC电源/24VDC输入/继电器输出；●8/16路数字量输入（24VDC）；●8路数字量输入（AC120V/230V）；●8/4路数字量输出（24VDC）；●8/4路数字量输出（继电器-10A）；●8路数字量输出（AC120V/230V）；EM221数字量输入模块EM222数字量输出模块2)S7-300可编程控制器

S7-300PLC采用紧凑的、无槽位限制的模板结构。主要组成部分：导轨（RACK）、电源模板（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模板（SM）、模板功能（FM）。还可加上接口模板（IM）和通讯处理器（CP）

S7-300系列PLCCPU结构CPU31x（比如：CPU312,314,315-2DP）●输入电压100to240VAC；●输出电压24VDC；数字量输入模块数字量输出模块模拟量输入通道:8模拟量输入；（0to5V,-10to+10V，0to20mA）热电偶输入范围

E型,J型,K型,N型电阻测量模拟量输入点数:4

热电阻输入范围

Ni100,LG-Ni1000,Pt100

电阻输入范围

0-150Ω,0-300Ω0-600Ω,0-6000Ω模拟量输入模块模拟量输出通道:2/4/8模拟量输出

模拟量输出模块（-10to+10V，4to20mA）3)S7-400可编程控制器

SIMATICS7-400可编程控制器采用模块式结构，无风扇设计。可将各种模板装在一个模板基架上，组成所需要的系统。各种基架都带有集成的背板总线，用户安装只要简单地插入模板并用螺钉固定即可。2.3嵌入式系统（了解）嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。目前的应用领域有工业控制、交通管理、家庭智能管理系统、军事、机器人等。嵌入式系统的相关产品网络设备:交换机、路由器,MODEM消费电子:手机、MP3、PDA、可视电话、电视机顶盒、数字电视、数码照相机、数码摄像机、信息家电办公设备:打印机、传真机、扫描仪汽车电子:ABS(防死锁刹车系统)、供油喷射控制系统、车载GPS。工业控制:各种自动控制设备2.3.1嵌入式系统的组成与特点它一般由以下几部分组成:1.嵌入式微处理器（硬件）2.外围硬件设备（硬件）3.嵌入式操作系统（软件）4.特定的应用程序（软件）

嵌入式系统的硬件基本结构嵌入式处理器1支持实时多任务.较短的中断响应时间存储区保护功能可扩展的处理器结构较低的功耗分类：★嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit）★嵌入式DSP处理器EDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor)★嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit)★嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip)★嵌入式微处理器特点:1.功能和微处理器基本一样,是具有32位以上的处理器，具有较高的性能.2.具有体积小,功耗少,成本低,可靠性高的特点.3.有的可提供工业级应用.4.流行的嵌入式微处理器:ARM/Strong(ARM公司)PowerPC(MOTOROL公司)68000(MOTOROL公司)MIPS(MIPS公司)★嵌入式微控制器嵌入式微控制器就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中,芯片内部集成ROM/EPROM,RAM,总线,总线逻辑,定时/计数器,Watchdog,I/O,串行口等各种必要功能和外设.其特点为:

一个系列的微控制器具有多种衍生产品;单片化,体积大大减小,功耗和成本降低,可靠性提高;是目前嵌入式工业的主流,约占嵌入式系统70%的份额;多是8位和16位处理器流行的嵌入式微控制器通用系列:8051,MCS251,MCS-96/196/296半通用系列:支持I2C,CANBUS,LCD及众多专用MCU和兼容系列★嵌入式DSP处理器嵌入式DSP处理器有两个发展方向：是嵌入式DSP处理器和嵌入式处理器经过单片化设计，片上增加丰富的外设成为具有高性能DSP功能的SoC；是在通用微处理器、微控制器或SoC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。★嵌入式片上系统成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。外围设备2根据外围设备的功能可分为以下3类存储器外部设备接口人机交互接口存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件，目前常见的存储设备按使用的存储器类型分为：静态易失型存储器（RAM，SRAM）；动态存储器（DRAM）；非易失性存储器ROM（ROMEPROM，EEPROM，FLASH）；硬盘、软盘、CD－ROM等。★存储器

★外部设备接口（通信接口）

目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有其广泛的应用，应用最为广泛的接口设备包括

RS-232接口（串口UART）

USB接口（通用串行总线接口）

IrDA（InfraRedDataAssociation－红外线接口）、

SPI（串行外围设备接口）、

I2C、CAN总线接口、蓝牙接口（Bluetooth）