第2章(修改)-计算机控制系统的硬件设计技术-计算机控制技术课件.ppt

1、2.1.1 2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类2.1.2 PC/ISA/EISA2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介总线简介1.PC/ISA1.PC/ISA总线的发总线的发展展2.ISA2.ISA信号线定义信号线定义3.EISA3.EISA（Extended Extended Industry Industry Standard Standard ArchitectureArchitecture）2.1.3 PCI/Compact PCI2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介总线简介 1.PCI 1.PCI总线的主要性能总线的主要性能 2.2.其

2、它性能其它性能PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。3.PCI3.PCI总线信号定义总线信号定义主控设备主控设备4949条，目标设备条，目标设备4747条，可选引脚条，可选引脚 5151条（主条（主要用于要用于6464位扩展、中断请位扩展、中断请求、高速缓存支持等），求、高速缓存支持等），总引脚数总引脚数 1

3、20120条（包含电条（包含电源、地、保留引脚等）。源、地、保留引脚等）。4.Compact PCI4.Compact PCI总线总线图图2-19 PCL-7302-19 PCL-730板卡组成框图板卡组成框图程序设计举例程序设计举例(基地址设为基地址设为220H)220H)：PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下：语言程序如下：outportb(0 x220outportb(0 x220，Ox55)Ox55)outportb(Ox221outportb(Ox221，0 x55)0 x55

4、)inportb(Ox220)inportb(Ox220)inportb(Ox221)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV DXMOV DX，220H220HMOV ALMOV AL，55H55HOUT DXOUT DX，ALALMOV DXMOV DX，221H221H OUT DXOUT DX，ALALMOV DXMOV DX，220H220HIN ALIN AL，DX DX MOV AHMOV AH，ALALMOV DXMOV DX，221H221HIN ALIN AL，DXDX 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。图2-2

5、7 CD4051原理图12minmaxnyyq图7.71 ADC0808引线图图 ADC0809工作时序图 图7.73 ADC0809的一种接口电路 D0D71CBAG2AGA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3G2BIOR&D0D7DI0DI1DI7EEA2A1A074LS1381174LS244D0D7DI0EED0D7Q7Q6CP74LS2731D0D1D7ADC0809EOCSTARTALEOEQ2Q1Q0ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7IOWY2Y1Y074LS244n(3)12 位A/D变换器芯片AD574。n AD

6、574 的引脚及功能。AD574 变换器的引脚如图8.29所示。图8.29 AD574 的引脚图 各引脚的定义如下：REFOUT：内部参考电源电压输出(10 V)。REFIN：参考电压输入。BIP：偏置电压输入。10VIN：5 V输入或 010 V输入。20VIN：10 V输入或 020 V输入。DB0DB11：高字节为DB8DB11，低字节为DB0DB7。STS：“忙”信号输出，高电平有效。12/8：变换输出字长选择端，输入为高电平时，变换字长输出为12位；输入为低电平时按8位输出。CS：片选信号。A0：字节地址控制输入，在启动A/D时(R/0)，用来控制转换长度。A00 时转换长度为12位

7、，A01时转换长度为8位。在变换数据输出时，在12/0的情况下，A00，输出高8位数据DB4DB11；A01时，输出低4位数据DB0DB3。R/C：数据读输出和转换控制输入。CE：工作允许信号，高电平有效。15 V、15 V：15 V、15 V电源输入端。AGND：模拟地。DGND：数字地。AD574的的工作时序。时序。AD574的控制功能如表的控制功能如表8.6所示。所示。AD574的控制功能的控制功能 A/D变换器芯片内部集成有高精度参考电压形成电路，可满足12位A/D变换的要求。同时，其内部还集成有变换时钟电路，故无需外接时钟。这些都为使用者提供了很大的方便。AD574的一次变换时间大约

8、为1535 s，该时间随型号的不同而有所区别，其变换过程的时序关系如图8.30所示。图 AD574的工作时序 AD574 的应用。下面对以AD574 芯片构成的A/D变换器电路实例进行说明。通过实例使读者能较清楚地了解设计A/D变换器电路的基本内容和方法。a.AD574的模拟输入电路。模拟输入电路的极性选择。由AD574 引脚图可知，它有两个模拟电压输入引脚，即 10VIN和20VIN，具有10 V和20 V的动态范围。这两个引脚的输入电压可以是单极性的也可以是双极性的，可通过改变输入电路的连接形式来进行选择，如图所示。输入路数的扩展。一般A/D芯片只有一个或两个模拟输入端。但是，实际的系统往

9、往需要对多路模拟输入信号进行A/D变换。利用多块A/D芯片虽可解决这个问题，但从价格上讲是不可取的。为了充分发挥A/D芯片的作用，可以采用模拟开关来对输入路数进行扩展。图 AD574的模拟电压输入(a)单极性输入；(b)双极性输入 模拟开关有多个模拟输入端和一个模拟输出端。在某一时刻究竟哪一个输入端和输出端相通取决于路地址输入端的输入状态。例如，H1508 是一个8路的模拟开关，如图8.32所示。它有 8 路模拟输入端IN0IN7，1 个模拟输出端OUT，3个路地址输入端A0A2和一个选通端EN。当EN1，A2A1A0000B时，IN0 输入端和OUT输出端接通。同理，当EN1，A2A1A00

10、01B时，IN1与OUT接通。当EN0时，OUT为高阻。这样，只要将输出端OUT和AD574的模拟输入端相连接，在变换前给H1508送一个EN有效和路地址信号，则可对相应路的模拟输入信号进行A/D变换，从而将1路模拟输入扩展为8路模拟输入。如想扩展成64路，则在该H1508 的各输入端IN0IN7上再各接一块H1508，将每个输入端再扩展为8路就可以了。这样一来，9块H1508就可以将一路模拟输入扩展为 64路模拟输入。请读者注意，这种扩展并不是可以无限延伸的。每个模拟开关在导通时都是有内阻的，串联级数多了，内阻相应就会增大，精度也就随之降低。一般的串联不要超过两级。图 8路模拟开关H1508

11、引脚图 采样保持电路。A/D变换器从变换开始到结束需要一段时间，这段时间的长短随各种变换器速度的不同而不同。在变换器工作期间一般要求输入电压保持不变，否则就会造成不必要的误差。为此，在A/D变换器输入端之前总要插入一个采样保持电路，如图8.33所示。在启动变换器时，对模拟输入电压进行采样，采样保持电路的输出就一直保持采样时的电压不变，从而为A/D变换器的输入端提供一个稳定的模拟输入电压。当然，采样保持电路的电压保持时间是有限的，但与变换时间相比，已是足够长了。显然，若在A/D变换时间内，模拟输入信号的变化对所要求的精度产生的影响可以忽略，则可以不用采样保持电路。滤波电容的连接。为了平滑输入模拟

12、电压和减小干扰，在A/D变换器的模拟输入端与地之间通常接有一个滤波电容。其电容值的大小应不至于对正常变化产生太大影响，即由模拟信号源内阻与该滤波电容所构成的时间常数的倒数，应大于模拟信号中有用分量的最高频率分量。例如，模拟信号的最高频率分量为2 kHz，那么该时常数应选择为：ms5.0kHz21RC滤波时常数图 采样保持电路的连接 另外，滤波电容的连接点也应该仔细选择，否则会造成很大的人为误差。一般应接在模拟信号输入的最外端。例如，在图8.32中，我们可以将滤波电容接在H1508的OUT端，也可以接在H1508的IN0IN7各输入端。前者只要接1个，后者却要接8个。到底哪一种接法好?在前一种情

13、况下，假设IN0 输入电压为5 V，IN1的输入电压为0 V，当对IN0 路的输入进行A/D变换时，接于OUT端的滤波电容被充电至5 V。当IN0路变换结束，紧接着对IN1路进行变换时，由于滤波电容上已充有5 V电压，要放电到 0 V电压需要一定的时间，因此很可能在没有放电到0 V时A/D变换器已经启动，从而对IN1路的输入变换精度带来不利的影响。如果滤波电容按第二种情况连接，就不会产生这种不利的影响。b.AD574 与CPU的连接。AD574是12位A/D变换器，它可以和16位CPU相连接，也可以和8位的CPU相连接。只要适当地改变AD574某些控制引脚的接法就可以实现上述要求。AD574

14、可以通过简单的三态门、锁存器接口与微机的系统总线相连接，也可以通过可编程接口(如8255)与系统总线相连接。由表8.6可见，AD574可以工作在8位，也可以工作在12位。下面就以8255为接口芯片，将工作于12位下的AD574 接到8位ISA系统总线上，其连接如图8.34所示。图中，简化的连接可使CE和12/8恒为高电平，而使CS和A0接地。此时只用R/来启动，查询STS状态可判断变换是否完成。对应图8.34的采集变换程序如下：；对 8255 初始化，此段程序放在应用程序开始的位置上INTI55：MOV DX，0063HMOV AL，10011010BOUT DX，AL；控制字写入 8255

15、的CRMOV AL，00000001BOUT DX，AL；位控方式，使PC01；以下是对输入信号进行一次变换的程序ACQUQ：MOV DX，0062H MOV AL，00H OUT DX，ALMOV AL，01HOUT DX，AL；由PC0输出负R/脉冲启动变换NOP NOPWAITS：IN AL，DX；取STS状态AND AL，80H；判断变换结束否?JNZ WAITS；未结束等待MOV DX，0060HINAL，DX；读A口，取得A/D变换低8位MOV BL，ALMOV DX，0061HIN AL，DXAND AL，0FH；读B口，取得高4位MOV BH，ALRET 图 AD574经825

16、5与8位ISA系统总线相连接 图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图 1.PCL-813B 的寄存器地址2.程序设计举例 PCL-813B A/D 转换基于查询方式，由软件触发。A/D 转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY）。如果检测到该位为“1”，则A/D 转换正在进行。当A/D 转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。18位D/A转换器与微机的接口设计（1）8位D/A转换器 普通型D/A转换器DAC0832。nDAC0832是美国国家半导体公司（National）生产的8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。单电

17、源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20mW。其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832可以通过对控制引脚的不同设置而决定是采用双缓冲方式（两级输入锁存），单缓冲方式（两级同时输入锁存或只用一级输入锁存，另一级始终直通）还是完全接成直通的形式。nDI0DI7：8位数据输入线。nILE：数据允许锁存信号，高电平有效。n/CS ：输入寄存器选择信号，低电平有效。它与ILE信号结合可对信号是否起作用进行控制。n/WR1：输入寄存器的写选通信号，低电平有效，用以把数字量输入锁存于输入寄存

18、器中，在/WR1 有效时，必须/CS和ILE同时有效。n/XFER：数据传送信号，低电平有效。n/WR2：DAC寄存器的写选通信号，低电平有效，用以将锁存于输入寄存器的数字量传送到D/A寄存器中锁存。/WR2 有效时，必须/XFER有效。单极性电压输出电路：nREFOUTDVV21)12()(1123132nREFOUTREFOUTDVVRRVRRVDAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路START:MOV A,#80H；待转换的数字量 MOV DPTR,#0BFFFH；将数字量送入输入锁存器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#7FFFH；将输入数字量送入DAC寄存器 M

19、OVX DPTR,A；完成D/A转换START:MOVDPTR,#0DFFFH；指向DAC0832（1）MOVA,#DATA1；#DATA1送入DAC0832（1）的 输入锁存器 MOVXDPTR,A MOVDPTR,#0BFFFH；指向DAC0832（2）MOVA,#DATA2；#DATA2送入DAC0832（2）的 输入锁存器 MOVXDPTR,A MOVDPTR,#7FFFH；DAC0832（1）和DAC0832 （2）同时完成 MOVXDPTR,A；D/A转换 MOV DPTR,#0DFFFH ；指向DAC0832MOV A,#DATA ；数字量先装入累加器AMOVXDPTR,A ；完

20、成一次D/A输入与转换图2-47 PCL-726板卡组成框图2.D/A 转换程序流程D/A 转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=16）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）置 D/A高4位数据(D3DO 有效)。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）。（5）置 D/A低8位数据并启动转换。3.程序设计举例PCL-726 的D/A 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H0FFFH分别对应输出0%100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段

21、如下：outportb(0 x220,0 x07)/D/A 通道l 输出50%outportb(0 x221,0 xff)汇编语言参考程序如下：（基地址为220H）：MOV AL，07H ；D/A 通道l 输出50%MOV DX，0220H OUT DX，ALMOV DX，0221H MOV AL，0FFH 基于RS-485的分布式测控系统结构图 RS-485串行总线由于平衡差分传输特性具有的干扰性好、传输距离远、有较大级联能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。在各种工业仪器、仪表大量使用的今天，RS-485总线得到了广泛的应用。智能远程I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能远

22、程I/O单元，专为恶劣环境下的可靠操作而设计，具有内置的微处理器，严格的工业级塑料外壳，使其可以独立提供智能信号调理、I/O隔离、模拟量I/O、数字量I/O、数据显示和串行数字通信接口。远程I/O模块可以安装在现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作，以通信方式和计算机交换信息，构成数据采集控制系统。通过采用RS-485中继器，可以将多达256个远程模块连接到RS-485网络上，或者将最大通信距离延伸到10km。典型的远程I/O模块有研华公司的ADAM-4000系列、研发公司的DAC-8000系列、研祥公司的Ark-14000系列以及威达公司的牛顿-7000系列。

23、可编程控制器的结构形式分为整体式和模块式两类。伺服电机PMACPMAC卡卡驱动器驱动器A B C接口板接口板ABC编码器.机械机械 I/OI/O软件接口图2-51 开放式结构的运动控制系统示意图共模干扰示意图共模干扰示意图 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时对于存在共模干扰的场合，不能采用单端，对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端端输入输入不对地方式，如右图所示。不对地方式，如右图所示。Z ZS S、Z ZS1S1、Z ZS2S2为信号源为信号源USUS

24、的内阻抗，的内阻抗，Z ZC C、Z ZC1C1、Z ZC2C2为输入电路的输入阻为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压抗。共模干扰电压U Ucmcm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A A和和B B的的共模电压和共模电压和两个输入端之间的共模电压两个输入端之间的共模电压分别为：分别为：111ccscmAZZZUU222ccscmBZZZUU)(lg20dBUUCMRRncm计算机控制系统的计算机控制系统的CPUCPU抗干扰措施：抗干扰措施：Watchdog(Watchdog(俗称看门狗俗称看门狗)电源监控电源监控(掉电检测及保护掉电检测及保护)复位复

25、位 MAX1232 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。助功能以及电源供电监控功能。MAX1232MAX1232通过监控通过监控 微处理器系统电源供电微处理器系统电源供电及及监控软件的执行监控软件的执行，来增强，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的无锁的)手动复手动复位输入。位输入。另外常用的集成电路还有另外常用的集成电路还有X5045X5045、IMP813IMP813等。等。MAX1232引脚图MAX1232内部原理图监控电路监控电路MAX1232MAX1232的典型应用的典型应用

26、从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。碍本机产生的杂波反馈到公共电网。2 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。以供下一级变换。3 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。电源的核心部分，频率越高，体积、重

27、量与输出功率之比越小。4 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。源。在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。地、安全地、系统地、交流地。模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模转换器中模拟电路的零电位。拟电路的零电位。数字地数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。分开，避免模

28、拟信号受数字脉冲的干扰。安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。系统地系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电电位比较恒定，所以人们把它的

29、电位作为基准电位，也就是零电位。位。交流地交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。很不稳定。接地理论接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。地。单点接地的单点接地的目的目的：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引：是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。入到信号回路内引起干扰。地环路产生的原因地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，距

30、较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。导致对电路造成影响的差模干扰电压。回流法单点接地回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地：模拟地、数字地、安全地(机壳地机壳地)的分别回的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入

31、途径。安全地流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地机壳地)始终始终与信号地与信号地(模拟地、数字地模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。各自的优缺点：从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗

32、有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。电路一点地基准电路一点地基准:如图所示的将信号源与输入放大器分别接如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。地的方式是不正确的。误认为误认为A A和和B B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的接地错误的根本原因根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不大器

33、电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。接地。电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。当一个电路有一个不接地的信号源与一个蔽层也应一点接地。当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的接地的(即使不是接大地即使不是接大地)放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。共端。