計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

1、第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù),2.1 總線技術(shù),2.1.1 總線的定義、層次結(jié)構(gòu)及種類 所謂總線，就是計(jì)算機(jī)各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號(hào)線。 以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級(jí)總線和系統(tǒng)總線。 片級(jí)總線包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、I2C總線、SPI總線、SCI總線等； 系統(tǒng)總線包括ISA總線、EISA總線、VESA總線、PCI總線等； 外部總線包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等總線。另外，在工業(yè)控制中，還定義了其它總線，如：VME、STD、PC-104、Compact PCI等,2.1.2

2、PC/ISA/EISA總線簡(jiǎn)介,1.PC/ISA總線的發(fā)展 (4.77MHz,8DB,20AB) 2.ISA信號(hào)線定義 (8MHz,16DB,20AB) 3.EISA（32位） (16MHz,32DB,32AB,2.1.3 PCI/Compact PCI總線簡(jiǎn)介,PCI 是美國(guó)SIG集團(tuán)推出的64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率為80Mby/s(峰值傳輸率為133Mby/s)。 主控設(shè)備49條，目標(biāo)設(shè)備47條，可選引腳 51條（主要用于64位擴(kuò)展、中斷請(qǐng)求、高速緩存支持等），總引腳數(shù) 188條（包含電源、地、保留引腳等,2.1.4 其它總線簡(jiǎn)介,1.PC/104總線 2.P

3、C/104 plus總線 3.STD總線 (1)STD總線信號(hào) (2)STD32總線,2.1.5 串行外部總線簡(jiǎn)介,1.RS-232/RS-422/RS-485串行通信總線 （1）平衡和不平衡傳輸方式 （2）RS-232C,3）RS-422A/ RS-485多點(diǎn)互連 平衡差分驅(qū)動(dòng),2.1.5 串行外部總線簡(jiǎn)介,2.USB總線 （1）具有熱插拔功能 （2）USB采用“級(jí)聯(lián)”方式連接各個(gè)外部設(shè)備 （3）適用于高/低速各種外設(shè)連接,2.2 總線擴(kuò)展技術(shù),2.2.1 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I/O端口與地址分配 1.I/O端口及I/O操作 （1）數(shù)據(jù)端口 （2）狀態(tài)端口 （3）命令端口 2. I/O端口編址方式

4、 （1）統(tǒng)一編址 （2）獨(dú)立編址 3.I/O端口地址分配 （1）系統(tǒng)板上的I/O接口 （2）擴(kuò)展卡上的I/O接口 4.I/O端口地址選用原則,2.2.2 I/O端口地址譯碼技術(shù),1.三種譯碼方式 （1）線選法 （2）全譯碼法 （3）部分譯碼,2.I/O端口地址譯碼電路信號(hào) 3.I/O端口地址譯碼方法及電路形式 （1）固定地址譯碼,3.I/O端口地址譯碼方法及電路形式 （2）開(kāi)關(guān)選擇譯碼,2.2.3 基于ISA總線端口擴(kuò)展,1.板選譯碼與板內(nèi)譯碼 2.總線驅(qū)動(dòng)及邏輯控制 3.端口及其讀寫(xiě)控制,2.3 數(shù)字量輸入輸出接口與過(guò)程通道,2.3.1 數(shù)字量輸入輸出接口技術(shù) 1.數(shù)字量輸入接口 2.數(shù)字量

5、輸出接口,2.3.2 數(shù)字量輸入通道,1.數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu),2.輸入調(diào)理電路 (1)小功率輸入調(diào)理電路（直接接入） (2)大功率輸入調(diào)理電路(光電耦合器,2.3.3數(shù)字量輸出通道,1.數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu),2.輸出驅(qū)動(dòng)電路 (1)小功率直流驅(qū)動(dòng)電路 功率晶體管輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路 達(dá)林頓陣列輸出驅(qū)動(dòng)繼電器電路,2.3.3數(shù)字量輸出通道,2.輸出驅(qū)動(dòng)電路 (2)大功率交流驅(qū)動(dòng)電路,2.3.4 數(shù)字（開(kāi)關(guān)）量輸入/輸出通道模板舉例,圖2-19 PCL-730板卡組成框圖,2.3.4 數(shù)字（開(kāi)關(guān)）量輸入/輸出通道模板舉例,程序設(shè)計(jì)舉例(基地址設(shè)為220H)： PCL-730板卡的開(kāi)關(guān)量輸入/ 輸出

6、都只需要二條指令就可以完成。 C語(yǔ)言程序如下： outportb(0 x220，Ox55) outportb(Ox221，0 x55) inportb(Ox220) inportb(Ox221) 匯編語(yǔ)言程序如下： MOV DX， 220H MOV AL， 55H OUT DX， AL MOV DX， 221H OUT DX， AL MOV DX， 220H IN AL， DX MOV AH， AL MOV DX， 221H IN AL， DX,2.4模擬量輸入接口與過(guò)程通道,2.4.1 模擬量輸入通道的組成,2.4.2 信號(hào)調(diào)理和I/V變換,1.信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路主要通過(guò)非電量的轉(zhuǎn)換

7、、信號(hào)的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁，也是測(cè)控系統(tǒng)中重要的組成部分。 （1）不平衡電橋 熱電阻調(diào)理,2.4.2 信號(hào)調(diào)理和I/V變換,2）AD526可編程儀用放大器：AD526是可通過(guò)軟件對(duì)增益進(jìn)行編程的單端輸入的儀用放大器，器件本身所提供的增益是x l、x 2、x 4、x 8、x16等五擋。它是一個(gè)完整的包括放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和TTL數(shù)字邏輯電路的器件，使用時(shí)不需外加任何元件就可工作,2.4.2 信號(hào)調(diào)理和I/V變換,2. I/V變換 （1）無(wú)源I/V變換 （2）有源I

8、/V變換,2.4.3 多路轉(zhuǎn)換器,多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)是用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件,圖2-27 CD4051原理圖,2.4.4 采樣、量化及采樣保持器,1.信號(hào)的采樣,2.量化 所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為量化過(guò)程，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。 LSB,3.采樣保持器 (1)孔徑時(shí)間和孔徑誤差的消除 (2)采樣保持原理,3.采樣保持器 （3）常用的采樣保持器 常用的集成采樣保持器有LF398、AD582等，LF398的采樣控制電平為“1”，保持電平為“0”，AD582相反,2.4.

9、5 A/D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù),1. 8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809 (1) 8通道模擬開(kāi)關(guān)及通道選擇邏輯 (2) 8位A/D轉(zhuǎn)換器 (3) 三態(tài)輸出鎖存緩沖器 212位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A (1)12位A/D轉(zhuǎn)換器 (2)三態(tài)輸出鎖存緩沖器 (3)控制邏輯 3. AD574A/1674與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口,3. AD574A/1674與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口,2.4.6 模擬量輸入通道模板舉例,圖2-36 PCL-813B數(shù)據(jù)采集卡組成框圖,2.4.6 模擬量輸入通道模板舉例,PCL-813B 的寄存器地址 程序設(shè)計(jì)舉例 PCL-813B A/D 轉(zhuǎn)換基于查詢方式，由軟件觸發(fā)。A/D

10、轉(zhuǎn)換器被觸發(fā)后，利用程序檢查A/D狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備位（DRDY ）。如果檢測(cè)到該位為“1”，則A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換完成后；該位變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可由程序讀出,2.5 模擬量輸出接口與過(guò)程通道,2.5.1 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)型式 1.一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式 2.多個(gè)通道共用一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的形式,2.5.2 D/A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù),1. 8位D/A轉(zhuǎn)換器接口,2. 12位D/A轉(zhuǎn)換器接口,2.5.3 單極性與雙極性電壓輸出電路,2.5.4 V/I變換,1.集成V/I轉(zhuǎn)換器ZF2B20,2.集成V/I轉(zhuǎn)換器AD694,2.5.5 模擬量輸出通道模板舉例,圖

11、2-47 PCL-726板卡組成框圖,2. D/A 轉(zhuǎn)換程序流程 D/A 轉(zhuǎn)換程序流程如下（以通道1為例）： （1）選擇通道地址n=1（n=16）。 （2）確定D/A高4位數(shù)據(jù)地址（基地址+00）。 （3）置 D/A高4位數(shù)據(jù)(D3DO 有效 )。 （4）確定D/A低8位數(shù)據(jù)地址（基地址+01）。 （5）置 D/A低8位數(shù)據(jù)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 3. 程序設(shè)計(jì)舉例 PCL-726 的D/A 輸出、數(shù)字量輸入等操作均不需要狀態(tài)查詢，分辨率為12位， 000H0FFFH分別對(duì)應(yīng)輸出0%100%，若輸出50%，則對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)字量為7FFH， 設(shè)基地址為220H，D/A通道l輸出50%的程序如下： C語(yǔ)言參考程序段如下：