1、第 2章 PC的基本原理第 2章 PC的基本原理2.1 PC的组成及其各部分的功能的组成及其各部分的功能2.2 PC的结构形式的结构形式2.3 PC的工作过程的工作过程2.4 PC的使用步骤的使用步骤第 2章 PC的基本原理2.1 PC的组成及其各部分的功能的组成及其各部分的功能2.1.1 PC的基本组成的基本组成图图2.1.1 PC的基本组成的基本组成中央处理单元(CPU)系统存储器用户存储器输入部件输出部件外设接口I/O扩展口编程器电源可编程序控制器至现场用户设备接触器指示灯电磁阀电源模拟量输出来自用户设备按钮选择开关限位开关电源模拟量输入第 2章 PC的基本原理图2.1.2 PC的单总线
2、结构框图输出锁存、电平转换等I/O扩展智能I/O输入滤波、电平转换、锁存功能开关和指示器编程器微处理器CPU系统程序EPROM用户数据RAM用户程序EPROM存储器扩展通信接口系统总线去现场来自现场后备电池至其他PC监视器或打印机光电耦合光电耦合、继电器或可控硅第 2章 PC的基本原理2.1.2 PC各组成部分的功能各组成部分的功能 1输入部件输入部件 输入部件是PC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PC的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。主令元件是指由用户在控制键盘(或控制台)上操作的一切功能键，如开机、关机、调试或紧急停车等按键。主令元件给出的信号称为主令信号
3、。检测元件的功能是检测一些物理量(如行程距离、速度、位置、压力、流量、液位、温度、电压、电流等)在设备工作进程中的状态，并通过输入部件送入PC以控制工作程序的转换等。常见的检测元件有行程开关、限位开关、光电检测开关、继电器触点及其他各类传感器等。第 2章 PC的基本原理 输入方式有两种，一种是数字量输入(也称为开关量或接点输入)，另一种是模拟量输入(也称为电平输入)。后者要经过模拟/数字变换部件才能进入PC。输入部件均带有光电耦合电路，其目的是把PC与外部电路隔离开来，以提高PC的抗干扰能力。为了与现场信号连接，输入部件上设有输入接线端子排。为了滤除信号的噪声和便于PC内部对信号的处理，输入部
4、件内部还有滤波、电平转换、信号锁存电路。各PC生产厂家都提供了多种形式的I/O部件或模块，供用户选用。第 2章 PC的基本原理 2输出部件输出部件 输出部件也是PC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。对于PC，希望它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。与输入部件类似，输出部件上也有输出状态锁存、显示、电平转换和输出接线端子排。输出部件或模块也有多种类型供选用。第
5、2章 PC的基本原理 3中央处理器中央处理器(CPU)与一般的计算机控制系统一样，CPU是整个系统的核心，它按PC中系统程序赋予的功能，指挥PC有条不紊地进行工作。其主要任务有：控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中；诊断电源、PC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器表的内容，再经由输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。第 2章 PC的基本原理
6、 目前，小型PC为单CPU系统，而中型及大型PC则为双CPU甚至多CPU系统。PC所采用的微处理器有三种：(1)通用微处理器。小型PC一般使用8位微处理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PC除使用位片式微处理器外，大都使用16位或32位微处理器。当前不少PC的CPU已升级到INTEL公司的微处理器产品，有些已采用奔腾(PENTIUM)处理器，如西门子公司的S7-400。采用通用微处理器的优点是：价格便宜，通用性强，还可借用微机成熟的实时操作系统和丰富的软硬件资源。第 2章 PC的基本原理 (2)单片微处理器(即单片机)。它具有集成度高、体积小、价格低及可扩展性好等优点。如INT
7、EL公司的8位MCS-51系列运行速度快，可靠性高，体积小，很适合于小型PC；16位96系列速度更快，功能更强，适合于大中型PC使用。(3)位片式微处理器。它是独立于微型机的一个分支，多为双极型电路，4位为一片，几个位片级联可组成任意字长的微处理器，代表产品有AMD2900系列。PC中位片式微处理器的主要作用有两个，一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度，减少了位指令对字处理器的压力；二是将PC的面向工程技术人员的语言(梯形图、控制系统流程图等)转换成机器语言。模块式PC把CPU作为一种模块，备有不同型号供用户选择。第 2章 PC的基本原理 4.存储器及存储器扩展存储器及存储器扩展
8、 PC中存储器的功能与普通微机系统中的存储器功能相似，用来存储系统程序和用户的程序与数据。目前主要采用的系统程序存储器是指用来存放系统管理、用户指令解释及标准程序模块、系统调用等程序的存储器，常用EPROM构成。用户存储器用来存储用户编制的梯形图程序或用户数据。存储用户程序的叫用户程序存储器，常用EPROM或EEPROM构成。存储用户数据的叫用户数据存储器，常用RAM构成，为防止掉电时信息的丢失，有后备电池作保护。第 2章 PC的基本原理 由于PC系统程序关系到PC的性能，不能由用户直接存取，因而，PC产品样本或使用手册中所列存储器形式及其容量一般都是指用户存储器而言。PC中已提供一定容量的存
9、储器供用户使用，但对有些用户，可能还不够用，因此大部分PC都提供了存储器扩展(EM)功能，用户可以将新增的存储器扩展模板直接插入CPU 模板中，也有的是插入中央基板中。第 2章 PC的基本原理 5.通信接口通信接口 为了实现人-机或机-机之间的对话，PC中配有多种通信接口。通过这些通信接口，PC可以与监视器、打印机、其他PC或计算机相连。当PC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。第 2章 PC
10、的基本原理 6.智能智能I/O接口接口 为了满足更加复杂控制功能的需要，PC配有多种智能I/O接口。例如满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等等。这类智能模板都有其自身的处理器系统。7.I/O扩展接口扩展接口 当一个PC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展。扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。8.功能开关与指示灯功能开关与指示灯 功能开关是用来控制PC工作状态的，如编程、监视、运行开关等。指示灯有PC工作状况指示灯、电源指示灯，电压过低指示灯等。第 2章 PC的基本原理 9.编程器编程器 编程器的作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试
11、和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上。磁带上的信息可以重新装入PC。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入，简易编程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或其他显示器件组成。智能编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的软件包。第 2章 PC的基本原理2.2 PC的结构形式的结构形式2.2.1 单元式结构单元式结构 图2.2.1 单元式结构的PC第 2
12、章 PC的基本原理2.2.2 模块式结构模块式结构图图2.2.2 模块式结构模块式结构PC的结构的结构 电源单元DIN导轨CPU单元第 2章 PC的基本原理2.2.3 叠装式结构叠装式结构 前者结构紧凑、安装方便、体积小巧，易于与被控设备组合成一个整体，但由于每个单元的I/O点数有一定的搭配关系，有时配置的系统输入点或输出点不能充分利用，加之各单元尺寸大小不一致，因此不易安装整齐。而后者无论是输入还是输出点数均可灵活配置，又易于构成较多点数的大规模控制系统，且尺寸统一、安装整齐，但是尺寸较大，难于与小型设备联成一体。为此有些PC生产厂家开发出叠装式结构，将二者的优点结合起来。叠装式结构的CPU
13、、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接安装不需要用基板，仅用电缆连接即可，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可以将体积做得小巧。第 2章 PC的基本原理2.3 PC的工作过程的工作过程2.3.1 大中型大中型PC的工作过程的工作过程电源启动电源检查WDT时间与编程器交换信息是否用DPU？与DPU交换信息是否有网络？与网络交换信息状态判定执行用户程序I/O服务I/O故障运行停止运行NNYY1234562.3.1 大中型大中型PC的工作过程的工作过程第 2章 PC的基本原理 1自监视扫描阶段自监视扫描阶段 为了保证工作的可靠性，PC内部具有自监视或自诊断功
14、能。自监视功能是由监视定时器WDT(Watch-dog Timer)完成的，WDT 是一个硬件时钟。自监视过程主要是检查及复位WDT。如果在复位前，扫描时间已超过WDT的设定值，CPU将停止运行、输入/输出复位，并给出报警信号。这种故障称为WDT故障。WDT故障可能由CPU硬件引起，也可能由于用户程序执行时间太长，使扫描周期超过WDT的规定时间而引起。用编程器可以清除WDT故障。WDT的设定时间一般为150200 ms，而一般系统的扫描时间均小于5060 ms。有些PC中，用户可以对WDT的时间进行修改(修改方法在使用手册中给出)。第 2章 PC的基本原理 2.与编程器交换信息的扫描阶段与编程
15、器交换信息的扫描阶段 用户程序通过编程器写入PC，以及用编程器进行在线监视和修改时，CPU将总线的控制权交给编程器，CPU处于被动状态。当编程器完成处理工作或达到信息交换的规定时间，CPU重新得到总线权，并恢复主动状态。在这一扫描阶段，用户可以通过编程器修改内存程序，启动或停止CPU，读CPU状态，封锁或开放输入/输出，对逻辑变量和数字变量进行读写等。3.与数字处理器与数字处理器DPU交换信息的扫描阶段交换信息的扫描阶段 当系统配有数字处理器时，一个扫描周期中才包含这一阶段。第 2章 PC的基本原理 4.网络进行通信的扫描阶段网络进行通信的扫描阶段 在配有网络的PC系统中，才有通信扫描阶段。在
16、这一阶段，PC与PC之间，PC与磁带机或与上位计算机之间进行信息交换。5.用户程序扫描阶段用户程序扫描阶段 PC处于运行状态时，一个扫描周期中包含了用户程序扫描阶段。在用户程序扫描阶段，对应于用户程序存储器所存的指令，PC从输入状态暂存区和其他软元件的状态暂存区中将有关元件的通/断状态读出，从第一条指令开始顺序执行，每一步的执行结果均存入输出状态暂存区。第 2章 PC的基本原理 6.输入输入/输出输出(I/O)服务扫描阶段服务扫描阶段 CPU在执行用户程序时，使用的输入值不是直接从实际输入端得到的，运算的结果也不直接送到实际输出端，而是在内存中设置了两个暂存区，一个是输入暂存区或称输入映像寄存
17、器，一个是输出暂存区或称输出映像寄存器。用户程序中所用到的输入值是输入状态暂存区的值，运算结果放在输出状态暂存区中。图2.3.2给出了用户程序执行阶段与I/O服务阶段的信息流程图。在输入服务(输入采样及输入刷新)扫描过程中，CPU 将实际输入端的状态读入输入状态暂存区。在输出服务(输出刷新与锁存)扫描过程中，CPU将输出状态暂存区的值同时传送到输出状态锁存器。第 2章 PC的基本原理 由于输入/输出暂存区的设置，使PC对输入/输出的处理具有以下特点：输入状态暂存区的数据，取决于输入服务阶段各实际输入点的通/断状态。在用户程序执行阶段，输入状态暂存区的数据不再随输入的变化而变化。在用户程序执行阶
18、段，输出状态暂存区的内容随程序执行结果不同而随时改变，但输出状态锁存器的内容不变。在输出服务阶段，将用户程序执行阶段的最终结果由输出状态暂存区传递到输出状态锁存器。输出端子的状态由输出状态锁存器决定。第 2章 PC的基本原理图2.3.2 I/O服务阶段与用户程序执行阶段输入端子输入滤波及光电耦合输入状态暂存器输出状态锁存器输出状态暂存器输出光电耦合及功率放大输出端子输入输出梯形图输入采样阶段用户程序执行阶段输出执行阶段第 2章 PC的基本原理2.3.2 小型小型PC的工作过程的工作过程图2.3.3 小型PC的典型工作过程上 电清I/O和内部电器复位定时器检查总线及I/O边接情况复位监视定时器检
19、查硬件和程序存储器复位监视定时器输出刷新执行用户程序输入采样复位监视定时器执行来自外设(如编程器)的命令正确？置错误标志和光显示错误还是报警？NY错误报警第 2章 PC的基本原理 小型PC的工作过程可以分为四个扫描阶段。一般处理扫描阶段。在此扫描阶段PC复位WDT，检查I/O总线和程序存储器。执行外设命令扫描阶段。在此阶段PC执行编程器、图形编程器等外设输入的命令。执行用户程序扫描阶段。数据输入/输出扫描阶段。与大中型PC的I/O服务阶段类似。第 2章 PC的基本原理2.3.3 输入输入/输出响应的滞后现象输出响应的滞后现象响应时间的大小与以下因素有关：输入滤波的时间常数(输入延迟)；输出继电
20、器的机械滞后(输出延迟)；PC的循环扫描工作方式；PC的输入采样、输出刷新的特殊处理方式；用户程序中语句的安排，程序的优化。第 2章 PC的基本原理图2.3.4 PC的最短响应时间数据入/出时间输入采样/输出刷新时间扫描时间扫描时间执行指令执行指令扫描输入输出输入延迟时间输出延迟时间最短I/O响应时间CPU读输入(采样)第 2章 PC的基本原理图图2.3.5 PC的最长响应时间的最长响应时间最长响应时间输入延迟时间二个扫描周期输出延迟时间输入采样/输出刷新时间扫描输入输出最短I/O响应时间CPU读输入(采样)扫描时间扫描时间执行指令执行指令输入延迟时间输出延迟时间第 2章 PC的基本原理2.4
21、 PC的使用步骤的使用步骤 1系统设计系统设计 通过系统设计确定被控制对象的动作及动作顺序。例如用CPM2A来控制一个报警器或加热器周期性通(ON)和断(OFF)，TIM000导通时间5 s，TIM001断开时间3 s。2I/O分配分配 通过I/O分配确定哪些信号是送到PC的，并分配给相应的输入端号，哪些信号是由PC送到被控对象的，并分配给相应的输出端号。此外，对用到的PC内部的计数器、定时器等也要进行分配。PC是通过编号来识别信号的。第 2章 PC的基本原理表2.4.1 I/O分配表第 2章 PC的基本原理图2.4.1 例题的接线图0000200003COMCOMDC24 V01000CPM
22、2A报警灯SB1SB2AC220 V第 2章 PC的基本原理图2.4.2 例题的梯形图和时序图01000TIM001TIM0002000000002000032000020000TIM001TIM000TIM000200005.0 s3.0 sON5.0 sON5.0 sON5.0 sON3.0 s3.0 s3.0 sOFFOFFOFF000020000301000第 2章 PC的基本原理4助记符机器程序助记符机器程序表表2.4.2 助助 记记 符符 程程 序序第 2章 PC的基本原理 5编辑程序编辑程序 编辑程序检查程序中每条语句是否有语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。6调试程序调试程序 调试程序检查程序是否能正确完成逻辑要求，若不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、写助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个计算机配有相应编程的软件。7保存程序保存程序 调试通过的程序，可利用写入器固化在EPROM中或保存在磁带上备用。
