第2章计算机控制系统的硬件设计技术

实验课：s2073班三组周二1-2，周四5-6，周五1-24班三组周三1-2,周三5-6，周五5-6第2章计算机控制系统的硬件设计技术2.1总线技术2.2总线扩展技术2.3数字量输入输出接口与过程通道2.4模拟量输入接口与过程通道2.5模拟量输出接口与过程通道2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术2.7硬件抗干扰技术2.1总线技术2.1.1总线的定义、层次结构及种类所谓总线，就是计算机各模块之间互联和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。以微处理器为核心，总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总线、SPI总线、SCI总线等；系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等；外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。另外，在工业控制中，还定义了其它总线，如：VME、STD、PC-104、CompactPCI等。2.1.2数据通信技术

计算机测控系统中，很多情况下是由多台PC工控机或单片机控制系统构成所谓的多机系统。在多机系统中，计算机与设备之间或计算机之间需要相互通信，数据共享，而大的测控系统的相互通信，距离往往有远有近，机型互有区别，不同类型计算机之间的数据交换依赖于标准的计算机通信技术。1.数据通信的基本概念我们把PC机、单片机和外围设备之间的相互数据交换称为数据通信。数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。具体的通信方式的选择，取决于通信距离的长短，以及对通信通道的资源要求。距离短可考虑采用并行通信，距离长则要考虑采用串行方式。

并行数据通信是指数据各位同时进行传送（发送和接受）的通信方式。优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，在硬件上就需要多少根通信线进行数据传输。当传输位数多，距离长的时候不适宜用并行方式传输。理论上讲，并行传输N位数据的时间为t，那么串行传送的时间至少为Nt，实际上总是大于Nt，右图所示为并行和串行通信的连接示意图。串行数据通信是指数据一位一位地按顺序进行传送的通信方式。其突出优点是使用的传输线少，只需要一对传输线就可以满足要求，这样大大降低了传送的成本，特别适用于远距离通信，当然其传输速度比并行通信要慢。2.串行通信数据传送方式根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。

（1）单工方式。通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。（2）半双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻只能向一个方向传送数据。

（3）全双工方式。通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。如下图所示为串行通信数据传送方式的示意图。

串行数据通信的方式分为异步通信和同步通信两种，它们的主要区别在于信息格式上的不同。

3.异步通信异步通信中，数据是一帧一帧的传送，所谓数据的帧是指包含一个字符代码或一个字节的数据，每一个串行帧的数据格式如下图所示。4.同步通信（1）同步通信方式的特点在传送大量数据时，为了提高传送信息的效率，采用一个数据块共用一个同步字作为起始位的格式，叫同步通信方式，如下图所示。

1.RS-232C总线标准及接口串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA代表美国电子工业协会，RS代表推荐标准，232是标识号，C代表RS-232的最新一次修改（1969）。目前在PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。2.1.3串行外部总线简介★RS232的信号传输模式如图所示。由上图可知，RS232的信号标准电位是参考地线而来的，传输端参考接地端1来传送数据；接收端则参考接地端2来还原出传输端的信号；在两个接地端同电位的前提下，传输端与接收端的信号会呈现出相同的结果。如果有噪声进入到传输线路中，可能会产生干扰。★干扰信号在地线和信号上均会产生影响，原始信号在加上干扰信号后依然传送到接收端；而地线部分的信号则被地电位给抵消掉了，因此信号发生了扭曲，当然整个信号就不对了。如下图所示。单端驱动单端接收不平衡驱动非差分接收电路,数据传输速率低，传输距离短。2.RS-485串行通信

RS-485的信号在传送出去之前会先分解成正负的两条线路，当到达接收端后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原始的信号标注为（DT）,而被分解后的信号分别标注为（D+）和（D-），则原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的运算关系为：（DT）=（D+）-（D-）同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的关系还原成原来的样子。其信号的传输方式如下图所示。平衡驱动（双绞线）和差分接收方法，半双工工作方式

如果传输线路受到干扰，如下图所示。这时，在两条传输线上的信号会分别成为（D+）+Noise和（D-）+Noise，如果接收端接收此信号，它必须按照一定的方式将其合成，如下（DT）=[（D+）+Noise]-[（D-）+Noise]=（D+）-（D-）所以，使用RS485串口通信可以有效地防止噪声干扰，也正因为这种特性，工业上使用这种串行传输方式较多。3.USB通用串行总线通用串行总线USB（UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，可实现外设的简单快速连接。（1）具有热插拔功能，设备可以在计算机打开状态下连接到USB端口。（2）采用“级联”方式连接各个外部设备，（3）适用于低速外设连接，也可以连接数字相机一类的较高速外设。

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RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线

（1）平衡和不平衡传输方式

（2）RS-232C（3）RS-422A/RS-485（4）RS-485多点互连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受的数据形式。

在计算机控制系统中，工业控制机必须经过输入输出接口和过程通道与生产过程相连，输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。输入输出过程通道是计算机与生产过程之间进行信息传送和转换的连接通道，简称过程通道。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通道。模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。

2.2过程通道和输入输出接口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桥梁，它包括输入接口和输出接口。外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。

生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。2.2.1过程通道的一般结构（1）过程通道的一般结构，如图所示。

（2）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。①

单信号通道类型高电压、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，它们对应的输入通道结构如下图所示。

V/F转换器是把测量的物理参数转换成与这些参数成比例的TTL电平的频率信号，若用作A/D转换，具有良好的精度、线性和积分输入特性，但转换速度要比A/D要慢很多。②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关分时进行，在多路模拟信号输入通道中，一般共享一个A/D转换器。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。（3）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，其结构形式如图所示。①输出的数字量要经过光电隔离。②需要利用D/A进行信号转换。

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（CPU）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。为便于两者交换信息，需要通过一个中间环节将CPU和外部通道连接起来，该中间环节就是接口电路。其可分为并行和串行接口，具有以下功能。

①数据缓冲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。②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。

③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，充分利用计算机的硬件资源。④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、中断优先级排队等。

1.I/O端口在计算机控制系统中，CPU与外设所交换的信息有数据信息、控制信息和状态信息，为了CPU对外设的寻址，还要有地址信息。为保证信息的正确传送，I/O接口中有三种端口，即数据端口、状态端口和控制端口，负责对应信息的传送。接口内部一般设置若干寄存器，用于暂存CPU和外设之间传输的数据、状态和控制信息，相应的寄存器分别成为数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。这些能够被CPU直接访问的寄存器统称为端口（1）数据端口：用于存放外设送往CPU的数据以及CPU输出到外设去的数据。缓冲作用（2）状态端口：主要用来指示外设的当前状态。准备就绪位（Ready），外设忙位（Busy），错误位（Error）。（3）命令端口：控制端口，用来存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口和设备的动作。

2.输入输出通道接口实现

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，相应的过程通道的接口也有所不同。若用硬件实现，实时性好，速度快；若用软件实现，可以方便系统功能的改变。1).采用I/O接口芯片实现硬件设计时，可以采用通用I/O接口芯片实现，也可选用现成的I/O接口模板实现。采用通用I/O接口芯片自行开发设计，针对性强、成本低，但周期长；选用现场的I/O接口模板开发周期短。

●常见的接口集成芯片有地址和数据锁存器74LS273、74LS373，8位并行I/O接口8212，8位双向三态输出数据缓冲器8266、8287，8位三态双向驱动器74LS245，外部地址译码器74LS138、74LS139等。

●另一类功能极强的接口芯片为可编程接口芯片。芯片内部设置有控制寄存器，CPU通过向控制寄存器写入控制命令来决定接口的功能。可编程接口具有硬件的快速性，又具有软件编程的灵活性，在计算机控制系统中获得广泛的应用。常用的可编程接口芯片有并行接口8255A/8155/8156、串行接口8251A、中断控制器8259A、计数器/定时器8253/8254、DMA控制器8237A以及键盘和显示器接口8279等。

2).单板式整体结构将测控系统制作成一个独立的装置，接口设备与CPU制作成一体，就形成了单板式结构，直接进行软件开