第1章計算機控制系統(tǒng)的基本概念

第1章計算機控制系統(tǒng)的基本概念1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成1.3微機控制系統(tǒng)的分類1.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展1.5工業(yè)控制機的組成及特點1.6工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)

1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念

古典控制理論： -20世紀40年代發(fā)展起來； -頻率法（幅頻特性和相頻特性）和根軌跡法（穩(wěn)定性分析）； -適于單輸入單輸出的線性自動控制系統(tǒng)；現(xiàn)代控制理論：為數(shù)字計算機應用于自動控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件 -20世紀60年代逐漸形成； -以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)； -適于多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時 間變化的時變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。

直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

當電動機的負載轉(zhuǎn)矩變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預期的要求。否則，電動機的實際轉(zhuǎn)速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負載轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速的影響，可以采用干擾補償?shù)霓k法，但是，采用干擾補償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)

帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉(zhuǎn)速變化。

隨動控制系統(tǒng)示意圖

隨動系統(tǒng)的原理圖（例：輪船主機轉(zhuǎn)速控制）自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的類型：①恒值系統(tǒng)：給定值是恒定值（輪船主機定速控制）；②隨動系統(tǒng)：給定值(控制指令)是事先未知的時間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)（火炮控制）； ③程序控制系統(tǒng)：控制指令已預先知道的系統(tǒng)（自動包裝線）； ④自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)：如前面所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的（商店室溫控制）。自動控制的基本方式： ①開環(huán)控制：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制（打出去的炮彈）；

當被控對象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時，系統(tǒng)不能進行自動補償，被控制精度難以保證。但是由于結(jié)構(gòu)比較簡單，在控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小的場合應用比較廣泛。 ②閉環(huán)控制：被控量參與系統(tǒng)控制。閉環(huán)控制從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性，它對控制元件的要求比開環(huán)控制的低。但與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計比較麻煩，結(jié)構(gòu)也比較復雜，因而成本較高。閉環(huán)控制是自動控制中廣泛采用的一種控制方式。當控制精度要求較高，干擾影響較大時，一般都采用閉環(huán)控制。對控制系統(tǒng)的基本要求：①穩(wěn)定性：系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時，系統(tǒng)抑制振蕩的能力；②快速性：被控量趨近希望值的快慢程度；③精確性：過渡過程結(jié)束后，被控量與希望值接近的程度。1.2計算機控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)（火焰切割機）計算機控制系統(tǒng)的控制過程包括以下四個方面：(1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結(jié)果輸入到計算機；(2)實時決策：對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，稱為(實時)決策；(3)實時控制：根據(jù)實時決策結(jié)果，適時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號； (4)信息管理：結(jié)合網(wǎng)絡技術(shù)和控制策略，實現(xiàn)信息共享和管理（例如：數(shù)據(jù)庫技術(shù)）。測、算、控、管實時 滿足實時性：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣間隔)內(nèi)完成。 實時控制：計算機能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量、計算和控制輸出。在線

在線方式：生產(chǎn)過程與計算機直接相接并受控于計算機，也稱為聯(lián)機方式； 離線方式：生產(chǎn)過程不與計算機相接且不受控于計算機，而靠人聯(lián)系并實施操作，也稱為脫機方式；

實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)計算機控制的優(yōu)點：(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，可以數(shù)字濾波等； (2)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設(shè)備的情況下逐步提高控制水平。 (3)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。計算機控制系統(tǒng)的組成 計算機系統(tǒng)硬件： 過程相關(guān)設(shè)備：傳感器、執(zhí)行器 軟件：控制軟件及系統(tǒng)軟件； *計算機通信網(wǎng)絡： *其它設(shè)備：操作臺、檢測設(shè)備等；

在各種計算機控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計算機控制系統(tǒng)一般就是指微機控制系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)硬件：各種工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器(PLC)等 1)計算機主機：CPU+存儲器； 2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等)； 3)輸入/輸出通道：計算機和生產(chǎn)過程之間信息傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道；一般包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道；過程通道不能直接由主機控制，必須由接口傳送相應的信息和命令； 4)通用外圍設(shè)備：鍵盤、鼠標等常用輸入設(shè)備，顯示器、打印機、記錄儀等常用輸出設(shè)備，磁盤、光盤等存儲設(shè)備；

過程相關(guān)設(shè)備 1)傳感器：工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號。在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測元件和儀表，它們的主要功能是把被檢測的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量。這些信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機標準電平后再送入微機。檢測元件精度的高低直接影響微機控制系統(tǒng)的精度。 2)執(zhí)行器：為了控制生產(chǎn)過程，需要有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動和氣動等形式。動力電機和控制電機也是經(jīng)常用到的執(zhí)行機構(gòu)；

軟件

軟件是指能完成各種功能的微機程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。

1)系統(tǒng)軟件：DOS，Windows，WindowsNT，UNIX等操作系統(tǒng)和專業(yè)化的軟件工作平臺（如匯編、編譯等語言加工軟件軟件和控制系統(tǒng)的編程軟件等）； 2)應用軟件和數(shù)據(jù)庫：應用軟件是用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。在微機控制系統(tǒng)中，每個控制對象或控制任務都配有相應的控制程序，用這些控制程序來完成對各個控制對象的不同要求。在平衡系統(tǒng)硬件和軟件的性能和功能時，只有當確定系統(tǒng)硬件后，才能確定如何配制軟件。只有軟件和硬件相互有機配合，才能充分發(fā)揮微機的優(yōu)勢，研制出完善的微機控制系統(tǒng)。

1.3微機控制系統(tǒng)的分類按照功能結(jié)構(gòu)對計算機控制系統(tǒng)分類 1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)（安防系統(tǒng)） 2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)（數(shù)控機床）(DirectDigitalControl) 3)微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)（鍋爐）(SupervisoryComputerControl) 4)集散控制系統(tǒng)(DCS)(DistributedControlSystem)及分級控制系統(tǒng) 5)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)（PROFIBUS）(FieldbusControlSystem) 6)計算機控制網(wǎng)絡 ……數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)對大量的過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警及對大量數(shù)據(jù)進行積累和實時分析，按要求定時制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲器中，作為資料保存和供分析使用，最終對指導生產(chǎn)過程發(fā)揮一定作用。DDC系統(tǒng)框圖計算機參加閉環(huán)控制過程。用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較，再根據(jù)規(guī)則進行控制運算，最后輸出到執(zhí)行機構(gòu)對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。計算機可完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，且不需改變硬件，只通過改變軟件就可有效實現(xiàn)較復雜的控制算法。在DDC方法中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預先設(shè)定的，這個給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時修改，因此DDC方式無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制(SCC)中的計算機根據(jù)工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其它方法，自動改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(如最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。由于其作用是改變給定值，所以又稱SCC為給定值控制SPC(SetPointControl)。微機對各物理量進行巡回檢測并接收管理命令，按照一定的數(shù)學模型計算并輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算后輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。由此系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷改變給定值，達到實現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。該種系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術(shù)改造工程，能夠充分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器，又可實現(xiàn)最優(yōu)控制。兩級微機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，二級為控制級DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計算最佳給定值，SCC與DDC之間通過接口進行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進行比較，其偏差由DDC進行數(shù)字計算，并實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能?？刂葡到y(tǒng)可靠性提高，使用更加靈活。DCS系統(tǒng)框圖DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡化的控制結(jié)構(gòu)，靈活地將控制設(shè)備、服務器、基礎(chǔ)自動化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動化角度出發(fā)，按功能分散、危險分散、管理集中和應用靈活等原則進行設(shè)計，具有高可靠性能，便于維修與更新。它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以微處理機為核心，與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、CRT顯示、人機接口技術(shù)和輸入/輸出接口技術(shù)相結(jié)合，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、過程控制和生產(chǎn)管理分級控制系統(tǒng)框圖微機控制系統(tǒng)不但包含控制的功能，而且還包含生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度的功能。計算機控制網(wǎng)絡由一臺中央計算機(CC)和若干臺衛(wèi)星計算機(SC)構(gòu)成計算機網(wǎng)絡，中央計算機配置了齊全的各類外圍設(shè)備，各個衛(wèi)星計算機可以共享資源，網(wǎng)絡中的設(shè)備以及其他資源可以得到充分利用。各個衛(wèi)星機按照不同單元的功能要求由不同的微處理機進行操作控制；中央計算機用于協(xié)調(diào)各衛(wèi)星機之間的工作，并實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)督控制功能，還能進行最優(yōu)化計算和計劃、調(diào)度、庫存管理等工作。按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類 1)程序控制和順序控制：程序控制是指被控量按照預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)；順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。 2)比例―積分―微分控制(簡稱PID控制)：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。

3)有限拍控制：有限拍控制的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短，要求設(shè)計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應用。 4)復雜規(guī)律的控制：針對生產(chǎn)過程的實際情況引入的各種復雜規(guī)律的控制，如串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應、自學習控制等。 5)智能控制：人工智能、運籌學和控制理論相結(jié)合實現(xiàn)的綜合自動化系統(tǒng)。1.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機技術(shù)的發(fā)展過程 1)開創(chuàng)時期(1955~1962) 2)直接數(shù)字控制時期(1962~1967) 3)小型計算機時期(1967~1972) 4)微型計算機時期(1972~)計算機控制理論的發(fā)展過程 1)采樣定理； 2)差分方程； 3)Z變換法； 4)狀態(tài)空間理論； 5)最優(yōu)控制與隨機控制； 6)代數(shù)系統(tǒng)理論； 7)系統(tǒng)辨識與自適應控制；微機控制系統(tǒng)的發(fā)展 1)成熟先進技術(shù)的推廣(PLC、智能調(diào)節(jié)器、DCS、FCS) 2)智能控制系統(tǒng)研究（人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡） 3)微機控制系統(tǒng)深入發(fā)展微機控制系統(tǒng)之成熟先進技術(shù)的推廣普及應用PLC

廣泛使用智能調(diào)節(jié)器采用新型DCS和FCS微機控制系統(tǒng)之智能控制系統(tǒng)研究分級階梯智能控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)學習控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)微機控制系統(tǒng)之深入發(fā)展系統(tǒng)辨識（建立模型）最優(yōu)估計（狀態(tài)變量的估計）最優(yōu)控制（控制參數(shù)的最優(yōu)選擇）系統(tǒng)辨識工業(yè)過程的數(shù)學模型可通過過程的機理分析或?qū)嶒灉y試的方法獲得，分別稱為機理模型和實驗模型。系統(tǒng)辨識把工業(yè)過程看作“黑盒子”，僅憑借過程的輸入輸出的測試數(shù)據(jù)，應用數(shù)學方法決定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。若機理建模提供了模型的結(jié)構(gòu)，測試數(shù)據(jù)只決定其中的未知參數(shù)，則稱為參數(shù)識別或參數(shù)估計。適應性控制就是當系統(tǒng)特性隨著負荷、物料性質(zhì)和操作條件的改變而改變時，為了達到系統(tǒng)的最優(yōu)控制，要隨時改變控制結(jié)構(gòu)與參數(shù)，以適應變化了的工況，保持給定的控制指標，因此要求在線實時識別過程模型，以新測數(shù)據(jù)為依據(jù)，用迭代方法為手段，不斷更新模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。最優(yōu)估計工業(yè)過程中，除了可測的輸入輸出參數(shù)外，還有無法測量而又對過程操作具有重要意義的參數(shù)?，F(xiàn)代控制理論引入了系統(tǒng)的狀態(tài)空間與狀態(tài)向量的概念，可通過適當選擇，將那些不可測的變量定義為狀態(tài)向量中的元素。狀態(tài)估計就是以過程數(shù)學模型為基礎(chǔ)，依據(jù)輸入輸出的在線測量數(shù)據(jù)來估計不可測的狀態(tài)變量。對于隨機過程，由于測到的輸入輸出信息和模型本身都會被噪聲污染，其真實狀態(tài)的估計就是最優(yōu)狀態(tài)估計。最優(yōu)控制生產(chǎn)過程中，常會要求以最少的消耗(能量或物料)達到最大的實效。對于大型企業(yè)就存在大系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制一般采用動態(tài)規(guī)劃、變分法與極大值原理等方法。一個典型的高級控制系統(tǒng)可以過程模型為基礎(chǔ)，包括在線參數(shù)估計、模型參數(shù)的自適應修正、卡爾曼濾波或狀態(tài)估計的微機綜合控制模式等。1.5工業(yè)控制機的組成及特點工業(yè)控制機的硬件組成系統(tǒng)支持.Watchdog：.電源監(jiān)測： MAX708.掉電保護： 電擦除可編程只讀存儲器EEPROM(X24F008) 非易失性隨機存儲器NOVRAM(X20C04) 非易失性數(shù)控電位器EEPOT(X9311) 閃存器FLASH.實時時鐘： DS1287,DS12887X25045：將可編程看門狗、電壓監(jiān)控、E2PROM集于一體的多功能芯片X25045有一個狀態(tài)寄存器，可以用來提供X25045的狀態(tài)信息以及設(shè)置塊保護和看門狗的超時功能。WIP：寫進程狀態(tài)位；WEL：寫使能鎖存器的狀態(tài)位；可以由指令進行復位和置位操作。寫使能鎖存器被復位時向其寫操作被禁止。BL0，BL1：確定E2PROM的塊保護地址范圍；WD0，WD1：看門狗超時功能設(shè)定位，可以設(shè)置不同的周期（典型值1.4s、600ms、200ms）.當WD0和WD1同時為1時，功能被禁止。

芯片引腳功能定義：

1–CS 芯片選擇輸入

2SO 串行輸出

3-WP 寫保護輸入

4Vss 地

5SI 串行輸入

6SCK 串行時鐘輸入

7RESET復位輸出

8Vcc 電源電壓(1)串行輸入子程序unsignedcharX25045Rece(){unsignedcharidatai;//定義變量unsignedcharidatavar=0;for(i=0;i<8;i++)//8位帶進位左移{var<<=1;//帶進位左移sck=1;sck=0; //產(chǎn)生SCK脈沖if(so)var+=1;//SO移進位位}return(var);//返回}(2)串行輸出子程序voidX25045Send(unsignedcharvar){unsignedchardatai;for(i=0;i<8;i++)//8位字節(jié)輸出{sck=0;//使SCK為低si=(var&0x80)?1:0;//輸出高位sck=1;//使SCK為高var<<=1;//左移1位}si=0;//清SI}(3)看門狗復位程序voidReset(){cs=1;cs=0;cs=1;}//CS脈沖復位看門狗(4)寫狀態(tài)寄存器子程序voidXwrite(unsignedcharvar,add){sck=0;//使SCK為低電平cs=0;//芯片選擇有效X25045Send(0x02);//WREN指令X25045Send(add);//調(diào)輸出子程序X25045Send(var);//調(diào)輸出子程序sck=0;//使SCK為低電平cs=1;//芯片選擇無效X25045wip-poll();//看門狗時限子程序}(5)讀狀態(tài)寄存器子程序unsignedcharXBRead(unsignedcharadd){unsignedchardatai;sck=0;//使SCK為低電平cs=0;//芯片選擇有效X25045Send(0x03);//READ指令X25045Send(add);//調(diào)輸出子程序i=X25045Rece();//調(diào)輸入子程序sck=0;//使SCK為低電平cs=1;//芯片選擇無效return(i);//返回}DS12887實時時鐘(RTC)加RAM設(shè)計用于直接替代DS1287。在24引腳雙列直插式封裝中整合了鋰電池、石英晶體以及寫保護電路，可替代典型應用中的16個元件。獨特之處在于能在沒有電源的情況下維持日歷與存儲信息。直接替代IBMAT計算機時鐘/日歷引腳與MC146818B與DS1287兼容在沒有電源的情況下，可以在10年工作中保持完全非易失包含鋰電池、石英晶體和支持電路的完備子系統(tǒng)計算秒、分、時、星期、日、月、年信息，有效至2100年的閏年補償用二進制或BCD表示時間、日歷和鬧鐘信息配合AM、PM的12小時模式或24小時模式夏令時選擇可選擇Motorola或Intel總線時序復用總線提高引腳利用率軟件接口類似128個RAM地址14字節(jié)時鐘與控制寄存器114字節(jié)通用RAM可編程方波輸出總線兼容的中斷信號(/IRQ)三路中斷可分別通過軟件屏蔽與檢測日歷鬧鐘可設(shè)置為每秒一次至每天一次周期中斷可設(shè)置在122ms至500ms時鐘刷新結(jié)束UL認證磁盤接口

IDE(IntegratedDriveElectronics):ATA(ATAttachment):definesthephysical,electrical,transport,andcommandprotocolsfortheinternalattachmentofstoragedevices.ATAPI(ATAttachmentPacketInterface):SATA(SerialATA):SCSI(SmallComputerSystemInterface):IDEinterfacepinassignmentsAboutIDEAboutSerialATAAboutSCSI工業(yè)控制機的軟件組成工業(yè)控制機的特點1.6工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)

總線就是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同計算機之間藉此建立聯(lián)系，實現(xiàn)信息通信。

獨享共用！

BusTypeBusWidthBusSpeedMB/secISA16bits8MHz16MBpsEISA32bits8MHz32MBpsVL-bus32bits25MHz100MBpsVL-bus32bits33MHz132MBpsPCI32bits33MHz132MBpsPCI64bits33MHz264MBpsPCI64bits66MHz512MBpsPCI64bits133MHz1GBps內(nèi)部總線：PC總線早期PC總線對應8088CPU,為62線8位總線系統(tǒng)

ISA=IndustryStandardArchitectureEISA=ExtendedIndustryStandardArchitectureVL-bus=VesaLocalBus(Vesa=VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI=PeripheralComponentInterconnect

----ISA（industrialstandardarchitecture）總線標準是IBM公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。----EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。----VESA（videoelectronicsstandardassociation）總線是1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESAlocalbus)總線。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。----PCI（peripheralcomponentinterconnect）總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

上述幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機中，在計算機系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的系統(tǒng)總線，如STD總線、VME總線、PC/104總線、CompactPCI等。AboutPC/104:BusSignalAssignments早期PC總線AboutPC/104:ConnectorDimentionsPCIcardsuse47pinstoconnect(49pinsforamasteringcard,whichcancontrolthePCIbuswithoutCPUintervention).PCI-104不支持的部分AboutPCI:PinListCompactPCI是當今第一個采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業(yè)組裝標準，是當今最新的一種工業(yè)計算機標準。CompactPCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(tǒng)的I/O和其他功能。AboutPCI:ApplicationStructuresPlugandPlay

（PnP）PnPBIOS-ThecoreutilitythatenablesPnPanddetectsPnPdevices.TheBIOSalsoreadstheESCDforconfigurationinformationonexistingPnPdevices.ExtendedSystemConfigurationData(ESCD)-AfilethatcontainsinformationaboutinstalledPnPdevices.PnPoperatingsystem-Anyoperatingsystem,suchasWindows95/98/ME,thatsupportsPnP.PnPhandlersintheoperatingsystemcompletetheconfigurationprocessstartedbytheBIOSforeachPnPdevice.

AboutPCI:PnP內(nèi)部總線：STD總線

56根并行總線早期為8位總線系統(tǒng)，8根數(shù)據(jù)線/16根地址線采用周期竊取和總線復用技術(shù)定義成16根數(shù)據(jù)線/24根地址線，升級為8位/16位微處理器兼容總線AboutSTD:BusSignalAssignmentsAboutSTD:CardExample外部總線：計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間的通信總線

RS232C串行通信總線:EIA(ElectronicIndustriesAssociation)1960年提出，最新版本為EIA232E(1991年)。RS232C規(guī)定通信距離不大于15m，通信速率不大于20kbps。

IEEE-488并行通信總線:HP公司1970年提出HP-IB(Hewlett-PackardInterfaceBus)，1975年IEEE以此為基礎(chǔ)制定IEEE-488標準接口總線(GPIB:General-PurposeInterfaceBus)。允許最多15臺設(shè)備互連，總線長度不超過20m，傳輸速率500kbps，最大1Mbps。DTE

DataTerminalEquipmentDCE DataCommunicationsEquipment

AboutRS232AboutRS232----RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。----RS-485總線。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。----IEEE-488總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

其它串行設(shè)備總線----I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。在主從通信中，可以有多個I2C總線器件同時接到I2C總線上，通過地址來識別通信對象（線路板上各元件之間用來通訊）。----SPI總線，串行外圍設(shè)備接口SPI（serialperipheralinterface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（