計算機控制技術ppt第7章

1、1 1第7章 工業(yè)控制微型計算機u71 工業(yè)控制計算機的特點工業(yè)控制計算機的特點u7.2 總線式工控機的組成結(jié)總線式工控機的組成結(jié) u7.3 常用工控總線常用工控總線(STDVMEPC工控機工控機)u7.4 IPC的主要外部結(jié)構(gòu)形式的主要外部結(jié)構(gòu)形式2 2工業(yè)控制微型計算機簡稱工業(yè)控制計算機或工控機，它基于商用微型計算機或個人電腦，采用了總線式結(jié)構(gòu)、工業(yè)標準機箱和工業(yè)級元器件等諸多滿足工業(yè)控制需求的實用技術。工業(yè)控制微機系統(tǒng)則由工業(yè)控制微機、工業(yè)過程通道和工業(yè)控制軟件構(gòu)成。在我國，曾經(jīng)使用或正在使用的工業(yè)控制微機有MC6800系列、MC68000系列(VME工控機系列)、STD系列和IPC系列

2、等。IPC系列工控機具有和個人電腦(PC)同樣豐富的硬/軟件資源和PC用戶資源，是當今主流的工控機。3 3工業(yè)控制計算機的特點包括：（1）適應工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強，可靠性高。工業(yè)環(huán)境條件惡劣，情況復雜，存在著高溫、高濕、震動、粉塵等情況，電磁干擾源多且復雜，這些都會給控制系統(tǒng)造成極大的危害。工業(yè)生產(chǎn)要求所使用的系統(tǒng)可靠性高，否則會造成巨大的損失。因此，工控機必須具有良好的抗干擾能力和很高的可靠性。7.1 工業(yè)控制計算機的特點工業(yè)控制計算機的特點4 4（2）模塊化板卡結(jié)構(gòu)。工控機充分利用了PC的硬件和操作環(huán)境，采用了模塊化的硬件板卡結(jié)構(gòu)。如取消了PC中的母板，將原來的大母板上的總線插槽部分分成

3、了通用的底板總線插座系統(tǒng)和PC插卡式主板，如各種無源底板和多種CPU卡。把各種工業(yè)控制功能都做成各種硬件板卡，如開關量I/O卡、模擬量I/O卡、計數(shù)器/定時器卡、通信板卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理卡等基本模板，利用這些板卡就可以很方便地組成各種規(guī)模的控制系統(tǒng)。目前，工業(yè)控制計算機的廠商已開發(fā)出上千種的專業(yè)化板卡。5 5這些板卡結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場功能豐富，使用方便，用戶可以利用廠商提供的板卡，方便地組成自己需要的控制系統(tǒng)硬件，還可以利用廠商提供的驅(qū)動程序，開發(fā)滿足自己需要的控制程序，這就大大縮短了控制系統(tǒng)硬件的開發(fā)周期。（3）各種工控機機箱。為了適應工業(yè)現(xiàn)場的安裝要求，工控機機箱有各種尺寸的立式、臥式、

4、壁掛式機箱可供選擇。機箱采用全鋼密封結(jié)構(gòu)，采取了很多措施以適應工業(yè)環(huán)境，具有防電磁干擾能力；還采用內(nèi)部正壓送風，具有良好的散熱和防塵效果。機箱內(nèi)還配備了抗干擾、具有自動保護功能的工業(yè)電源。6 6（4）豐富的工業(yè)應用軟件。為了實現(xiàn)工業(yè)控制，有許多專業(yè)軟件公司開發(fā)了很多工業(yè)控制軟件，這些軟件由專業(yè)人員開發(fā)并經(jīng)過實際運行考驗，可靠性高，用戶可以直接根據(jù)自己的需要進行選用。為了使控制效果更直觀生動，這些控制軟件都采用了組態(tài)技術和多媒體技術。用戶也可以利用廠商提供的驅(qū)動程序，開發(fā)滿足自己需要的控制程序。7 7（5）應用廣泛。近年來，工控機又推出了嵌入式單板計算機，有3.5in(1in25.4 mm)和5

5、in兩種規(guī)格。3.5in的規(guī)格是146 mm102 mm，5in的規(guī)格是203 mm146 mm。嵌入式單板計算機集成了CPU、CRT/LCD控制、10/100 Mbit/s網(wǎng)絡接口、電子盤接口、串行口、并行口、USB、鍵盤和鼠標等接口。嵌入式單板計算機以其超小的體積、超強的功能，可廣泛應用于信息家電、儀器儀表、智能產(chǎn)品等各種嵌入式領域。8 8工控機系統(tǒng)由工控機系統(tǒng)硬件和工控機系統(tǒng)軟件兩部分組成。工控機系統(tǒng)硬件由工控機和執(zhí)行機構(gòu)、測量環(huán)節(jié)(傳感器)組成。工控機由工業(yè)微機(如WC)和工業(yè)過程通道組成。圖71是總線式工控機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。工業(yè)控制微機和商用微機的組成原理十分相似。工控機系統(tǒng)硬件在

6、工業(yè)控制微機的基礎上增加了過程通道板卡，以實現(xiàn)工業(yè)過程信號的輸入和輸出。7.2 總線式工控機的組成結(jié)構(gòu)總線式工控機的組成結(jié)構(gòu)9 9圖7-1 總線式工控機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)10 10主機板和其他各板卡之間又是怎樣連接和實現(xiàn)信息傳輸?shù)哪?它們是通過總線實現(xiàn)互連和數(shù)據(jù)信息的傳輸和交換功能的。所謂總線，就是指板卡(模塊)與板卡(模塊)之間或者設備與設備之間傳送信息的一組公用共享信號線。過程通道包括輸入通道和輸出通道兩部分。輸入通道可以將現(xiàn)場的過程信號經(jīng)過變換或調(diào)理后輸入到計算機，輸出通道可以將計算機輸出的控制信號經(jīng)過變換或調(diào)理后輸出給執(zhí)行機構(gòu)。11 11總線式工控機系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，一個完整的硬件系統(tǒng)可以從

7、一個OEM廠家購買到，也可以從不同的OEM廠家購買不同的部分，然后自己集成，以適應特定的性能和功能需求。構(gòu)成總線式工控機系統(tǒng)的硬件都是模塊化的，便于維護和升級擴充，也便于用戶開發(fā)自己所需要的功能板卡。12 127.3.1 STD總線工控機總線工控機STD工控機基于STD總線，該總線由PRO-LOG公司于1978年推出，其正式標準為IEEE961。8位STD工控機支持絕大多數(shù)的8位微處理器。16位STD工控機基于采用總線周期竊取和復用技術改進后的16位STD總線。32位STD工控機只是作為一種技術推出過，其產(chǎn)品還未真正進入市場，就已被迫退出市場。7.3 常用工控總線常用工控總線(STDVMEIP

8、C工控機工控機)13 13我國于20世紀80年代中后期引入STD工控機技術，國內(nèi)曾經(jīng)有數(shù)十個STD工控機廠家。20世紀90年代初期是STD工控機發(fā)展的鼎盛時期，也是STD和IPC工控機的共同繁榮時期。 STD工控機曾為我國工業(yè)自動化改造做出過重要貢獻，但由于STD工控機本身的技術局限性和IPC工控機市場的不斷擴大，STD工控機于20世紀90年代末基本上退出了工控領域。14 147.3.2 MC6800MC68000工控機工控機1.MC6800系列工控機系列工控機我國于20世紀70年代末期和80年代初期引進MC6800系列工控機及其過程通道。MC6800工控機系統(tǒng)在20世紀80年代初期得到應用。

9、MC6800工控機是8位微機，隨著計算機技術的發(fā)展，該系列工控機于20世紀90年代初期已基本上退出工控領域。15 152.MC68000系列工控機系列工控機MC68000系列工控機采用的是VME總線，通常又稱為VME工控機。VME工控機主要提供了MC68000系列CPU的主機、外設和過程通道。VME工控機的主機系統(tǒng)都是32位的微機，相應的微處理器主要有MC68000、MC68010、MC68020、MC68040等。我國于20世紀80年代末期引進了VME工控機，并實現(xiàn)了部分主機板卡和過程板卡的國產(chǎn)化。VME工控機采用的VME總線是當今工業(yè)界最好的微機數(shù)字總線之一，只是由于推出VME工控機的Mo

10、torola公司工作重心的轉(zhuǎn)移和工控機的PC化潮流，16 16導致了VME工控機逐漸退出工控領域，但是，VME工控機所采用的規(guī)范和體系結(jié)構(gòu)，逐步被高檔次IPC采用，這就充分說明VME工控機作為技術本身是比較優(yōu)秀的。17 177.3.3 IPC總線工控機總線工控機工業(yè)個人計算機簡稱IPC(IndustrialPersonalComputer)，它和IBMPC保持了硬件和軟件上的兼容。IPC擁有豐富的硬件資源、軟件資源和PC用戶資源，使得IPC成為工控機的主流。由IPC組成的各類工業(yè)控制微機系統(tǒng)在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應用，因此提高了我國的生產(chǎn)自動化水平。從PC到今天的IPC，有一個相對長的發(fā)

11、展歷程。在發(fā)展期間，眾多IPC商家克服了PC無法直接應用于工業(yè)控制領域的諸多缺陷，主要表現(xiàn)在以下各方面：18 18(1)采用總線式結(jié)構(gòu)取代PC的大母板結(jié)構(gòu)，便于維修和維護。(2)采用工業(yè)級元器件進行板卡設計。(3)采用全鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)標準臺式機箱或插箱式機箱，箱體密封，并設有一大一小兩個風扇，以形成機箱內(nèi)的正壓，防止粉塵進入。(4)開發(fā)和設計了適用于工業(yè)控制的系列過程板卡。(5)主板增設了看門狗、RS-485通信口等工業(yè)控制所必需的功能。19 19總之，在標準的工業(yè)總線基礎上發(fā)展起來的IPC不僅克服了PC的一些弱點，而且充分發(fā)揮了PC軟/硬件產(chǎn)品的資源優(yōu)勢，使它在工業(yè)控制領域中牢牢地占據(jù)了應有的地

12、位。如今，它不僅能出色地完成工廠企業(yè)中的數(shù)據(jù)采集、過程控制、能源管理、質(zhì)量控制、機電一體化等一般化的任務，而且在大型控制系統(tǒng)中也大顯身手，促使傳統(tǒng)分散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻的變化。在新一代DCS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中普遍采用了IPC作為系統(tǒng)的操作站和系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點機，并由此組合成大型系統(tǒng)。2020如Honeywell公司的TPS(TotalPlantSolution)系統(tǒng)采用了IPC作為GUS(GlobalUserStation)操作站，其操作系統(tǒng)為WindowsNTWorkstation；YOKOGAWA公司的CENTUMCSl000也采用了IPC作為操作站和WindowsNT作為操作系統(tǒng)。

13、大型控制系統(tǒng)公司采用IPC技術后，不斷降低DCS系統(tǒng)的成本，而且促使DCS向標準化和PC化方向發(fā)展，同時也推動了IPC向縱深發(fā)展。即將進入市場的FCS也將采用IPC作為操作站，因此IPC的前景十分看好。21 21美國的CONTROLENGINEERING早在20世紀80年代末就曾經(jīng)指出：“20世紀90年代是IPC的時代，全世界15的工業(yè)計算機使用的是IPC，并繼續(xù)以每年21的速度增長。”十幾年來的事實證明這種評論和預測是正確的。IPC的技術進步，一方面取決于技術本身的進步，另一方面則取決于市場的需求。進入21世紀后，隨著計算機技術的發(fā)展以及自動化技術的普及和推廣，IPC的性能進一步增強并逼近商

14、用PC的發(fā)展速度。隨著標準化工控組態(tài)軟件的不斷推出和完善、現(xiàn)場總線標準的統(tǒng)一和現(xiàn)場總線產(chǎn)品正式進入市場，IPC將以全新的角色發(fā)揮更大的作用。2222工業(yè)PC簡稱IPC，是用得最廣泛的一種工業(yè)微機，也是工控機系統(tǒng)的核心組成部分之一。目前，市場上的IPC多種多樣，主要包括臺式IPC、盤裝式IPC、插箱式IPC、IPC工作站及嵌入式IPC。不同類型的IPC，其性能、價格和適用場合是不同的。7.4 IPC的主要外部結(jié)構(gòu)形式的主要外部結(jié)構(gòu)形式23237.4.1 臺式臺式IPC臺式IPC的結(jié)構(gòu)如圖7-2所示，其主要特點如下：(1)類似于臺式個人電腦的結(jié)構(gòu)，但機箱為19英寸工業(yè)標準的全鋼結(jié)構(gòu)。(2)機箱不帶

15、顯示器，需外接CRT或液晶顯示器。(3)總線型結(jié)構(gòu)，主板和ISAPCI總線型底板分離，底板一般有多個PCMCIA、ISA、PCI插槽。(4)機箱內(nèi)安裝的吹風機的容量大于抽風機的容量，機箱內(nèi)為正壓，且風口有過濾網(wǎng)，避免粉塵進入機箱。2424(5)使用工業(yè)級電源。(6)電源開關配有保護倉，防止沒有授權(quán)的人員開關電源。鍵盤設置有硬件鎖，可防止外人進行操作。2525圖7-2 臺式IPC的外觀結(jié)構(gòu)26267.4.2 盤裝式盤裝式IPC盤裝式IPC的結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，其主要特點如下：(1)內(nèi)部是全鋼結(jié)構(gòu)，外殼是防火塑料。(2)質(zhì)量輕、體積小，可以直接安裝在控制屏上。(3)采用TFT型LCD顯示器，和主機

16、構(gòu)成一體化結(jié)構(gòu)。(4)使用觸摸屏作為信息輸入工具。(5)完善的接口功能，配有串口、并口、USB接口，還配有少量PCMCIA、ISA、PCI插槽。(6)集成網(wǎng)卡功能。2727圖7-3 盤裝式IPC的外觀結(jié)構(gòu)28287.4.3 IPC工作站工作站IPC工作站的結(jié)構(gòu)如圖7-4所示，其主要特點如下：(1)全鋼盤裝式結(jié)構(gòu)(尺寸為19英寸)，可以安裝在控制屏或機柜上。(2)主機箱、TFTLCD顯示屏和觸摸屏做成一體化結(jié)構(gòu)。(3)面板上嵌有專用鍵盤。(4)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能與臺式IPC完全類似。2929圖7-4 IPC工作站的外觀結(jié)構(gòu)30307.4.4 插箱式插箱式IPC插箱式IPC有ISA總線和PCI總線兩種

17、類型?；诓煌目偩€，其底板、總線、板卡的尺寸各不相同。兩種插箱式IPC的板卡在結(jié)構(gòu)上不能互換。圖7-5所示為基于ISA總線的插箱式IPC(如研華公司推出的MIC-2000系列IPC)及其板卡。31 31圖7-5 基于ISA總線的插箱式IPC及其板卡3232基于ISA總線的插箱式IPC的主要特點如下：(1)采用19英寸標準插箱式機箱，全鋼結(jié)構(gòu)。(2)機箱上下側(cè)都有風機(抽風、吹風各一)，機箱內(nèi)為正壓，空氣對流暢通。(3)811槽無源ISA總線底板。(4)模塊化設計，便于維護，縮短MITR。(5)現(xiàn)場信號直接進入前面板的接線端子。(6)板卡前面板上下兩端都有把手，容易插拔。3333圖7-6 基于

18、PCI總線的插箱式IPC及其板卡3434基于PCI總線的插箱式IPC的主要特點如下：(1)采用19英寸標準插箱式機箱，全鋼結(jié)構(gòu)。(2)機箱上下側(cè)都安裝有風機，一個抽風，一個吹風，機箱內(nèi)為正壓，空氣對流暢通。(3)8槽CompactPCI總線底板，可以擴展。(4)板卡的機械規(guī)范符合IEEE1101.11101.10標準，類似VME規(guī)范。(5)使用氣密式連接器(針座式)，接觸效果好，符合IEC-1076國際標準。35357.4.5 嵌入式嵌入式IPC在眾多嵌入式IPC中，較有代表性的當數(shù)PC104嵌入式IPC(尺寸為96mm90mm)、3.5英寸嵌入式IPC(尺寸為146mm102mm)和5.25

19、英寸嵌入式IPC(尺寸為203mm146mm)。圖7-7（a)和(b)分別表示PC104和3.5英寸嵌入式IPC的外形結(jié)構(gòu)。嵌入式IPC不用插板滑道和總線底板，模塊之間采用層疊式封裝。PC104與ISA的電氣規(guī)范兼容，廠商能用與臺式PC機同樣的ISA芯片和外設芯片系列開發(fā)出各類PC104產(chǎn)品。3636目前，絕大多數(shù)的工業(yè)標準總線產(chǎn)品都在以不同的方式向嵌入式PC技術靠攏。有的廠家采用總線轉(zhuǎn)換技術，推出了非ISA總線的產(chǎn)品，也有的廠家推出了基于VME總線規(guī)范的嵌入式PC。3737圖7-7 嵌入式IPC(a)PC/104嵌入式IPC；(b)3.5英寸嵌入式IPC38387.5.1 工業(yè)控制計算機的組

20、成工業(yè)控制計算機的組成(1)加固型工業(yè)機箱。由于工控機應用于較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，因此對機箱采取了一系列的加固措施，以達到防震、防沖擊的效果。機箱一般都采用全鋼結(jié)構(gòu)，具有良好的電磁屏蔽能力。7.5 IPC總線工控機內(nèi)部典總線工控機內(nèi)部典型構(gòu)成形式型構(gòu)成形式3939工控機的機箱為了達到防塵目的，采用了全密封方式，還采用了進風量大于排風量的正壓送風方式，使工業(yè)環(huán)境的灰塵不能進入機內(nèi)，保證了工控機的清潔運行，提高了運行的可靠性。機箱內(nèi)一般安裝有多個風扇，通風散熱性能良好。工控機的機箱有臥式、壁掛式之分，機箱的外形如圖7-8所示。機箱的高度一般按U(1U1.75in)計算。在實際選用時，可根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場

21、選擇合適的機箱。4040圖7-8 工控機機箱(a)外形；(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)41 41(2)工業(yè)電源。工控機的電源要求具有防浪涌沖擊、過壓/過流保護功能，抗干擾能力強。工控機的電源有多種型號可供選擇。為了適應工業(yè)現(xiàn)場電壓波動大的特點，工控機電源都具有比較寬的調(diào)整范圍，輸出電壓、電流的偏差也比較小，平均無故障時間(MTBF)長，一般為610萬小時。 (3)無源底板。無源底板是用來安裝各種板卡的基板，采用4層PCB板，帶有電源層和接地層，用以抗干擾和減少阻抗。板上有用于電源指示的LED，分別指示不同的電壓，根據(jù)LED的亮或暗就能反映電壓的正常與否。4242圖7-9 14槽的無源底板4343無源底板上有多

22、個總線插槽，可安裝ISA、EISA、PCI總線的各種板卡。無源底板上的插槽數(shù)最多可以達到20個。一個14槽的無源底板如圖79所示，其尺寸為315 mm260 mm。工控機的機箱、電源、無源底板必須配套使用，即機箱、電源、無源底板的結(jié)構(gòu)尺寸必須按照機箱的結(jié)構(gòu)尺寸來進行選擇。這方面的內(nèi)容可參考工控機廠商的產(chǎn)品選型目錄。4444(4)主機板(CPU卡)。CPU卡是工控機的核心部件，目前有80486、80586、PentiumCeleron系列等各類CPU板卡。板上所有元件性能都達到了工業(yè)級標準，并且是一體化主板。板上有CPU插座和各種接口插座，如顯示器接口、串行通信接口、軟盤驅(qū)動器接口、硬盤接口、網(wǎng)

23、絡接口等，板上還有內(nèi)存條插槽等。CPU卡有全長卡和半長卡之分，全長卡的外形尺寸是338 mm122 mm，半長卡的外形尺寸是185 mm122 mm。圖7-10是一個全長CPU卡。4545圖7-10 全長CPU卡4646下面給出一個全長CPU卡的技術參數(shù)：400 MHz系統(tǒng)總線，Socket478Pentium4CPU；Intel845芯片組，兩條200266DDRDIMM插槽；AGP1X2X4X帶2D、3D圖形加速控制器，32MB獨立顯存；一個10 Mb/s或100Mbs以太網(wǎng)控制器，RJ-45接口；兩個ATA66100接口，四個USB接口；支持ATATX電源。4747(5)外部存儲器。外存

24、儲器有軟盤驅(qū)動器、硬盤和CD-ROM，可根據(jù)需要配置。(6)顯示器。顯示器有普通顯示器和液晶顯示器(LCD)，其尺寸和分辨率可根據(jù)需要選擇。(7)鍵盤。一般采用101標準鍵盤或觸摸式功能鍵盤。(8)鼠標。有機械式或光電式之分。(9)打印機。有針式打印機、噴墨打印機和激光打印機，用于數(shù)據(jù)報表、工藝流程畫面等的打印。48487.5.2 工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的組成工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的組成(1)工控機主機：包括機箱、電源、無源底板、CPU卡、顯示器、磁盤驅(qū)動器、鍵盤、鼠標等。(2)輸入接口板卡：包括模擬量輸入、開關量輸入板卡等。(3)輸出接口板卡：包括模擬量輸出板卡、開關量輸出板卡等。(4)通信接口模塊

25、：包括串行通信接口模塊(RS-232、RS-422、RS-485等)、網(wǎng)絡通信模塊(如以太網(wǎng)模塊、光纖模塊、無線調(diào)制解調(diào)器模塊等)等。4949(5)信號調(diào)理模塊：完成對工業(yè)現(xiàn)場各種輸入信號的預處理，對輸入/輸出信號進行隔離、驅(qū)動，還能完成信號的轉(zhuǎn)換等。(6)遠程數(shù)據(jù)采集模塊：可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場，能夠通過多通道IO模塊進行數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控，可以將現(xiàn)場信號通過現(xiàn)場總線與工控機進行通信。(7)工控軟件包：支持數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制、報警、畫面顯示、通信等功能。目前大部分控制軟件以Windows操作系統(tǒng)為平臺，也有以實時多任務操作系統(tǒng)為平臺的，可根據(jù)實際需要選擇。5050圖7-11 工業(yè)控制計算機

26、系統(tǒng)組成框圖51 517.6.1 IPC總線工業(yè)控制計算機的概念總線工業(yè)控制計算機的概念1.總線總線計算機總線是CPU與計算機其他部分進行信息傳遞的公共通道，通常傳遞三種信號：地址、數(shù)據(jù)和控制信號。工控機早期使用的總線是STD總線，目前常用的總線有ISA總線、EISA總線、PCI總線等。7.6 IPC總線工業(yè)控制計算機常用總線工業(yè)控制計算機常用板卡介紹板卡介紹52522.總線指標總線指標(1)總線寬度?？偩€寬度是指總線一次操作可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。STD總線的總線寬度是8位，ISA總線的總線寬度是16位，PCI總線的總線寬度是32位或64位。(2)總線頻率?？偩€頻率是指總線工作時的最高時鐘頻率。

27、時鐘頻率越高，單位時間內(nèi)可傳送的數(shù)據(jù)量越大。ISA總線的頻率都為8.33MHz，PCI總線的頻率為33.3MHz或66MHz。(3)總線數(shù)據(jù)傳輸率。它表示單位時間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)量的大小(數(shù)據(jù)傳輸率總線寬度的字節(jié)數(shù)總線頻率，單位是MBs)。53533.ISA總線總線ISA(Industrial Standard Architecture)總線是IBM公司1984年推出的系統(tǒng)總線標準，它同時具有8位和16位擴展槽結(jié)構(gòu)，1993年后在很多地方被PCI總線取代。54544.PCI總線總線PCI(Peripheral Component Interconnect，外圍部件互連)總線以其64位處理能力和即插即

28、用的特性，取得了在新型微機系統(tǒng)中的應用地位，是目前微機系統(tǒng)常用的總線。它有兩種數(shù)據(jù)寬度：32位和64位，總線頻率最高可達66MHz，數(shù)據(jù)處理能力在32位時是264MBs，64位時是528MBs，非常適合在高速計算機和高速數(shù)據(jù)通信中應用。目前工業(yè)控制計算機中ISA總線、PCI總線都在被使用，但以PCI總線為主，用戶可根據(jù)實際需要選擇。55557.6.2 工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機IO接口信號板卡接口信號板卡IO接口是計算機與外界交換信息的橋梁，通過IO接口，完成外部信息的輸入和計算機控制功能。1.接口信號的分類接口信號的分類工業(yè)控制需要處理和控制的信號可分為模擬量、數(shù)字量和開關量。（1)模擬量

29、信號。模擬量是指在時間和數(shù)值上連續(xù)的量。在工業(yè)現(xiàn)場，溫度、流量、壓力、位移等都是模擬量，而這些非電量的模擬量需要經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)過放大、線性化補償?shù)忍幚恚?656得到模擬電壓或電流，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入IPC處理，IPC根據(jù)事先確定的控制策略進行計算，并把輸出結(jié)果經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬量信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)(如電動機、電磁閥等)。（2)開關量信號。開關量是指具有兩個狀態(tài)的量，每個開關量可以用一位二進制數(shù)表示(“1”或“0”)。開關量信號有信號電平幅值和開關時變化的頻率兩個特征。開關信號通常有繼電器觸點信號、TTL電平等。為了讓計算機有效識別開關信號，必須對開關信號進行調(diào)理(變換)，包

30、括將非TTL電平轉(zhuǎn)換成TTL電平和隔離等。輸出的開關信號則需要根據(jù)控制對象加隔離電路、驅(qū)動電路等。5757（3)數(shù)字量信號。數(shù)字量是指用多位二進制形式表示的數(shù)或用ASCII碼表示的字符。對數(shù)字量信號的處理方法與開關量類似，其區(qū)別是數(shù)字量是多位二進制而開關量是一位二進制。58582.IO接口信號板卡接口信號板卡工控機的接口板卡一般由三部分組成：PC總線接口部分、板卡功能實現(xiàn)部分和信號調(diào)理部分。模擬量板卡功能實現(xiàn)部分主要包括信號的采樣、隔離、放大、AD和DA電路及接口控制邏輯。開關量板卡功能實現(xiàn)部分主要包括數(shù)據(jù)的輸入緩沖和輸出鎖存以及隔離電路等。它們的PC總線接口部分是相同的?，F(xiàn)在工控機生產(chǎn)廠商已

31、把模擬量、數(shù)字量的控制功能集成在一塊板卡上，這就是數(shù)據(jù)采集控制卡。59591)數(shù)據(jù)采集控制卡數(shù)據(jù)采集控制卡一般完成以下一個或多個功能：模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計數(shù)定時功能。此類板卡有各種型號和類型，用戶可根據(jù)需要選擇。6060圖7-12 PCI-17101710HG結(jié)構(gòu)圖61 61PCI-17101710HG是研華科技公司生產(chǎn)的一款基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，如圖7-12所示。它包含五種最常用的測量和控制功能：12位AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計數(shù)器定時器功能?？ㄉ嫌幸粋€自動通道增益掃描電路，該電路能代替軟件，控制采樣期間多路開關的切換。卡上的SR

32、AM存儲了每個通道不同的增益值及配置，可以讓不同的通道使用不同的增益，并自由組合單端和差分輸入來完成多通道的高速采樣(采樣速率可達100kHz)。6262卡上還有一個4KB的FIFO(先進先出)存儲器，能存儲4KB的AD采樣值。當FIFO滿時，板卡會產(chǎn)生一個中斷。該特性提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)傳輸及Windows下更可靠的性能?？ㄉ线€提供了可編程的計數(shù)器定時器，可以為AD變換提供觸發(fā)脈沖和用作脈沖觸發(fā)的定時器。為了降低模擬信號線上的噪聲，還專門為PCI-17101710HG設計了屏蔽電纜PCL10168，該電纜采用雙絞線，并且模擬信號線和數(shù)字信號線是分開屏蔽的，這樣能使信號間的交叉干擾降到最小。6

33、363圖7-13 PCI-1713結(jié)構(gòu)圖6464PCI-17101710HG的特點如下：16路單端或8路差分模擬量輸入，或組合輸入方式；12位AD轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100kHz；每個輸入通道的增益可編程；單端或差分輸入自由組合；卡上有容量為4KB的采樣FIFO緩沖器；2路12位模擬量輸出；16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出；可編程計數(shù)器定時器。65652)模擬量輸入/輸出板卡(1)PCI-1713(32路隔離模擬量輸入卡)。PCI-1713是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，如圖7-13所示。它提供了32個模擬量輸入通道，采樣頻率可達100 kHz，12位分辨率及2500V直流隔離保護。

34、PCI-1713有一個自動通道增益掃描電路。在采樣時，該電路可以自己完成對多路選通開關的控制?？ㄉ系腟RAM存儲了每個通道不同的增益值及配置。這種設計可以對不同的通道使用不同的增益，并采用單端和差分輸入的不同組合方式來完成多通道采樣。6666此卡具有高速數(shù)據(jù)采集功能。對于AD轉(zhuǎn)換，此卡支持三種觸發(fā)模式：軟件觸發(fā)、內(nèi)部定時器觸發(fā)和外部觸發(fā)。軟件觸發(fā)允許用戶在需要的時候可以獲得一個采樣值；內(nèi)部定時器觸發(fā)用于連續(xù)、高速的數(shù)據(jù)采集；外部觸發(fā)允許與外部設備進行同步采樣。6767PCI-1713的特點如下：2500V直流隔離保護；32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式；12位AD轉(zhuǎn)換器，采樣速率

35、可達100 kHz；每個輸入通道的增益可編程；卡上有4KB采樣FIFO緩沖器；支持軟件、內(nèi)部定時器觸發(fā)或外部觸發(fā)。PCI-1713主要應用在信號隔離、工業(yè)過程監(jiān)測和控制、變送器傳感器接口、多路直流電壓測量等方面。6868圖7-14 PCI-1720結(jié)構(gòu)圖6969(2)PCI-1720(4路隔離DA輸出卡)。PCI-1720是一款PCI總線的4路12位隔離數(shù)字量模擬量的輸出卡，如圖7-14所示。它能夠在輸出和PCI總線之間提供2500V直流隔離保護，非常適合需要有高電壓保護的工業(yè)現(xiàn)場。用戶可以單獨將四個通道的輸出設為不同的范圍：05V、010V、5V、10V、020mA或420mA。該板卡還使用

36、了PCI控制器來完成卡與PCI總線的接口，使其具有即插即用功能。7070PCI-1720的特點如下：4路12位DA輸出；多種輸出范圍；PCI總線和輸出之間有2500V直流隔離；系統(tǒng)重啟動后保持輸出設置和輸出值；便于接線DB-37接口。PCI-1720主要應用在過程控制、可編程電壓源、可編程電流環(huán)、伺服控制等方面。71 713)數(shù)字量輸入/輸出板卡在工業(yè)現(xiàn)場，除了模擬量信號以外，還有大量的開關量信號。開關量信號的電氣接口形式較多，如繼電器觸點信號和開關信號、TTL電平或非TTL電平等。對某些開關量輸出信號，還需要大功率驅(qū)動器來實現(xiàn)對工業(yè)設備的驅(qū)動控制。為了方便用戶，工控機廠商生產(chǎn)了多種規(guī)格和信號

37、的數(shù)字量輸入/輸出板卡，既有輸入/輸出功能在一塊板卡上，也有輸入/輸出功能分別做成單獨的板卡。用戶可根據(jù)實際需要進行選擇。下面僅介紹具有輸入/輸出功能的板卡。7272PCI-1750是一款PCI總線的半長卡，如圖7-15所示。它能提供16個數(shù)字量輸入通道，16個隔離數(shù)字量輸出通道及一個帶輸入信號的隔離計數(shù)器定時器。由于帶有2500V直流隔離保護及支持干接點，因此非常適合需要高電壓保護的工業(yè)應用場所。PCI-1750的每個IO通道對應PCIO端口的每一位，使得編程非常方便。該卡還提供了一個計數(shù)器或定時器中斷，以及兩個數(shù)字量輸入中斷，用戶可以方便地用軟件對它們進行配置。7373圖7-15 PCI-1750結(jié)構(gòu)圖7474PCI-1750的特點如下：16路隔離DI和16路隔離DO通道；所有隔離通道均可以承受2500V高電壓；隔離輸出通道可以承受200mA通道的匯電流；支持干接點輸入或550V直流隔離輸入；具有定時器計數(shù)器中斷處理功能。PCI-1750主要應用在工業(yè)開關控制、觸點閉合監(jiān)控、開關狀態(tài)檢測、BCD接口、數(shù)字量IO控制、工業(yè)和實驗室自動化等方面。75754)信號調(diào)理模塊在工業(yè)現(xiàn)場，有各種各樣的輸入/輸出信號，它們是不能直接