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计算机控制技术主讲教师：陈 进
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有关本课程学习的几点建议本课程属于 专业课,多媒体上课,信息量大,速度块 ;课件内容比较多,上课重点讲解一些内容 ;有些内容作为扩展知识面,
课堂不进行讲解,考试不做要求（自学） ;
本门的课程的 难点在于,
(1)和前续课程 的联系,温故而知新；记笔记 …… 有条件打印 ;
(2)前沿性的东西很多,新技术,新设备不断推陈出新,培养自己自学能力要求,学生把本课件通读一遍,了解本们课程的一个总体轮廓 ;
每个学生准备一本练习本,上课做笔记,最后一次实验的时候进行检查,作为平时成绩考核依据 ;
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参考书籍：
1.潘新民 王燕芳,微型计算机控制技术,2003
2.胡文金,计算机测控应用技术,重庆大学 2003
3.林敏,计算机控制技术及工程应用,国防工业出版社 2005
4.（国外教材）,计算机控制系统：原理与设计,(第 3
版 ) 瑞典 Astrom,Wittenmark著 周兆英翻译 2001
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本门学科发展很快,技术不断更新 ;不断跟踪电子技术的最新发展 网络、杂志、广告 ;中国期刊网杂志：,测控技术,,工业控制计算机,
,单片机与嵌入式系统应用,
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第 1章 概论第 2章 (1) 计算机控制的数据采集技术 (前向通道 )
第 2章 (2) 计算机控制的后向通道及功率接口技术第 3章 数字程序控制技术第 4章 常规及复杂控制技术第 5章 应用程序设计和实现技术 (1) 数据处理技术第 5章 应用程序设计和实现技术 (2) 监控组态软件第 5章 应用程序设计和实现技术 (3) 抗干扰技术第 6章 测控网络技术 (1) 控制网络技术第 6章 测控网络技术 (2) DCS与 FCS
第 7章 控制系统设计与工程实现理论教学,(40学时 ) 实验教学 4*2 (8 学时 ) Σ40+8=48
成绩评定：
平时占 20% (作业 +实验 +考勤 +课堂笔记）
期末考试占 80%（闭卷 笔试）?Good Luck !!！
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第一章,绪论本章重点掌握一些基本概念：
1.计算机控制系统,几部分组成；
2.总线、外部总线、内部总线；
3.集散型控制系统；
4.现场总线控制系统；
5.实时控制、在线方式、离线方式；
6.ISA,PCI,USB,IEEE1394,AGP总线；
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1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统及其组成
1.1.2 计算机控制系统的典型形式
1.2 计算机控制系统的发展概况及趋势
1.2.1 计算机控制系统的发展概况
1.2.2 计算机控制系统的发展趋势
1.3 工业控制机 IPC
1.3.1 IPC结构组成 1.3.2 IPC总线结构
1.3.3 IPC功能特 1.3.4 IPC产品简介
1.4 IPC总线结构
1.STD总线 2.PC总线
3.ISA/PCI/USB/1394/AGP
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计算机技术 (单片机,IPC,PLC)
自动控制技术传感器技术
CRT显示技术通信与网络技术微电子技术
计算机控制系统及其组成
计算机控制系统的典型形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
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计算机控制技术及工程应用 --是把 计算机技术与自动化控制系统 融为一体的一门综合性学问,是以 计算机为核心部件 的 过程控制系统和运动控制系统,从计算机应用的角度出发,自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看,计算机技术又是一个主要的实现手段,本课程立足于工业自动化的领域,讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用,下图为 一个 制药车间 的自动化生产流程,
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1.1 计算机控制系统概述
★ (复习 )自动控制：在没有人直接参与的情况下,通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行,
1.1.1计算机控制系统及其组成
1,计算机控制系统的 定义 ————利用 计算机 来实现生产过程自动控制的系统,
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输出通道
D/A
输入通道
A/D
对象被控变量
y
输 入通 道 计算机给定
1）计算机控制系统的 工作原理
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1.实时 数据 采集,
2.实时 控制 决策,
3.实时 控制 输出,
工作原理：
对来自测量变送装置的被控变量的 瞬时值进行 检测 和输入；
对采集到的被控变量进行分析和处理,并按已定的控制规律,决定将要采取的控制行为；
根据控制决策,适时地 对执行机构 发出控制信号,完成控制任务；
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2）在线方式和离线方式
★ 在线 方式或 联机 方式：生产过程和计算机 直接连接,并受计算机控制的方式,
★ 离线 方式或 脱机 方式：生产过程 不和计算机相连,且不受计算机控制,而是靠人进行联系并作相应操作的方式,（调试）
3） 实时 的含义 （ Realtime control）：
★ 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在 一定的时间范围内完成,
★ 实时控制系统 必定是在线系统
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2.计算机控制系统的组成
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★ 主机
中央处理器（ CPU）
内存储器 (RAM和 ROM)
★ 接口电路,主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的 桥梁
★ 过程输入 /输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道
★ 外部设备
★ 操作台
输入设备输出设备外存储器
（ CRT）显示器或 (LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）
硬件部分 (Hardware)
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软件
系统软件应用软件
操作系统语言加工系统诊断系统
控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接,装配程序调试程序子程序库
软件部分 (Software)
数据可靠性检查程序
A/D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序?
数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序?
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1.1.2 计算机控制系统的典型形式
1,操作指导控制系统 (OGC-Operating Guide Control) (了解 )
这种形式的系统属于 开环系统,计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警,操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作,
优点：结构简单,控制灵活和安全,
缺点：要由 人工操作,速度受到限制,不能控制多个对象,
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2.直接数字控制系统 （ DDC—Direct Digital Control） (了解 )
利用 微型计算机对多个被控参数进行巡回检测,并与给定值比较,然后按照预定的控制规律进行计算,最后发出控制信息完成对生产过程的控制,使被控参数稳定在给定值上,
要求,实时性好,可靠性高和适应性强一台计算机通常要 控制几个或几十个回路输入通道
(AI.DI）
输出通道
(AO.DO)
打印机报 警操作台
CRT
计算机生产过程
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3,监督控制系统 （ Supervisory Computer Control —SCC ） (了解 )
DDC
计算机生产过程
SSC
计算机记录显示打印调节测量设定值
(b)
工艺数据模 拟调节器生产过程
SSC
计算机记录显示打印调节测量设定值
(a)
工艺数据
1960年在美国的一个 合成氨 厂采用 RW-300计算机系统实现了 计算机监督控制,基本思想是微型计算机根据 原始工艺信息和其它参数,按照描述生产过程的数学模型,自动改变 模拟调节器或 DDC微型计算机的给定值,从而使生产过程始终处于最优工况,
SCC+模拟调节器
SCC+DDC
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4,集散型 控制系统 （ DCS—Distributed Control System）
基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则,将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级,构成一分级分布式控制系统,（重要）
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5,现场总线 控制系统 （ FCS----Fieldbus Control System）
操作站模拟量输出功能块控制功能块
H1现场总线差压变送 器模拟量输入功能块
PIDI10 …...
AOI10
AI110
H1
H1 网桥
H2现场总线
…….
现场节点服务器
LAN（局域网）
其结构模式为,工作站 —— 现场总线智能仪表,二层结构,成本低,可靠性高,可实现真正的开放式互连系统结构（重要）
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1.可编程控制器 PLC
可编程逻辑控制器是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物,其 低端为常规继电逻辑控制的替代装置,而高端为一种高性能的工业控制计算机,它主要由 CPU、存储器、输入组件、
输出组件、电源及编程器等组成,
1.1.3 控制装置种类西门子 S7-200/300/400
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特点：
一种数字运算操作的电子系统,专为 工业环境 下应用而设定 ;
采用 可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、
定时、计数和算术操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出；
应用广泛 --不仅在 顺序程序控制 领域中具有优势,而且在 运动控制、过程控制、网络通信领域方面 也毫不逊色；
PLC具有系统构成灵活,扩展容易,编程简单,调试容易,抗干扰能力强；
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2.可编程调节器又称单回路调节器,智能调节器,数字调节器,它主要由 微处理单元（单片机）,过程 I／ O（输入 /输出）单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成,外观如图所示,
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可编程调节器是 一种 仪表化了的微型控制计算机
易操作,易编程、方便灵活
设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计
软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言
具有断电保护、自诊断功能、通信等功能
可以组成多级计算机控制系统,实现各种高级控制和管理
大型分散控制系统中最基层的控制单元
适用于连续过程中 模拟量信号的控制系统 中
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3.总线式 工控机总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机,一般称为 工业控制计算机,简称为工业控制机或工控机,通常,计算机的生产厂家是按照某个 总线标准,设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板,而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求,选用相应的功能模板 组合成自己所需的计算机控制系统,总线式工控机的 外形类似普通计算机,如图所示,
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不同的是它的外壳采用 全钢标准的工业加固型机架机箱,机箱密封并加 正压送风散热,机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的 底板总线插座系统,将 主板分解成几块 PC插件,采用工业级抗干扰电源和工业级芯片,并配以相应的 工业应用软件,
总线式工控机具有 小型化、模板化、组合化、标准化 的设计特点,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能 在恶劣的工业环境中可靠地运行,因而,它广泛应用于各种控制场合,尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中,
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4.单片微型计算机随着微电子技术与超大规模集成技术的发展,计算机技术的另一个分支 ── 超小型化的单片微型计算机 (Single Chip Microcomputer)简称单片机 诞生了,它是将 CPU,存储器,串并行
I/O口,定时 /计数器,甚至 A/D转换器,脉宽调制器,图形控制器 等功能部件 全都集成 (SOC-
System On Chip)在一块大规模集成电路芯片上,
构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器,
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Atmel
标准型,AT89C51 AT89C52 AT89lv51 AT89lv52
低档型,AT89C1051 AT89C2051(2Kflash) (20PIN)
高档型,AT89S51 AT89S52 ISP功能
AVR系列
Philips
P80CXX P87CXX P89CXX P87LPC7XX
TI MSP430 PIC系列
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单片机的应用软件可以采用面向机器的 汇编语言,但这需要较深的计算机软硬件知识,而且汇编语言的通用性与可移植性差,随着高效率结构化语言的发展,其软件开发环境正在逐步改善,目前,市场上已推出面向单片机结构的高级语言,如早期的
Archimedes C和 Franklin C,现在的 Keil C51,Dynamic C等语言,
由于单片机具有体积小,功耗低,性能可靠,价格低廉,
功能扩展容易,使用方便灵活,易于产品化等诸多优点,特别是强大的面向控制的能力,使它在工业控制,智能仪表,外设控制,
家用电器,机器人,军事装置等方面得到了极为广泛的应用,
单片机的应用从 4位机开始,历经 8位,16位,32位四种,
但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里,8位单片机因其品种多,功能强,价格廉,目前仍然是单片机系列的 主流机种,
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5.其他控制装置
DCS分散控制系统与 FCS现场总线控制系统 --最初是以一种 控制方案的形式 出现的,但很快受到工控市场的极大推崇,因而已经成为国内外自动化厂家争先推出的 两种典型的装置,产品不断推陈出新,
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1.2 计算机控制系统的 发展概况及趋势
（了解）
1946年世界上第一台电子计算机 ENICA问世
1.2.1 计算机控制系统的发展概况
1,计算机控制技术的发展过程
开创时期（ 1955～ 1962年）
直接数字控制时期（ 1962～ 1967年）
小型计算机时期（ 1967～ 1972年）
微型计算机时期（ 1972年～至今）
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软件的发展：
50年代至 70年代软件发展缓慢
70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制
2,计算机控制理论 的发展过程
采样定理
差分方程
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Z变换法
)()(
0
kTfzkTfZ
k
K
状态空间理论
最优控制 与随机控制
代数系统理论
系统辨识与自适应控制
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1.2.2 计算机控制系统的 发展趋势
1．推广应用 成熟的先进技术
普及应用 可编程序控制器（ PLC）
广泛使用 智能调节器
采用新型的 DCS和 FCS
2,大力研究和发展 智能控制系统
分级递阶智能控制系统? 模糊控制系统
专家控制系统? 学习控制系统
神经控制系统
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1.3 工业控制计算机 IPC
（ Industrial Personal Computer）
1.IPC的结构组成、总线技术和模板结构化
2.IPC的功能特点与主要模板
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在采用计算机的工业生产过程中,特别是对于具有一定规模的工程项目而言,出于可靠性实时性好、功能丰富配套完善与扩充控制系统灵活开发周期短的考虑,
人们更愿意 选用专用于工业控制的现成的通用控制计算机,
工业控制机 IPC与可编程控制器 PLC是应用十分广泛但结构显著不同的两种计算机控制系统,它们不仅在中小型控制系统中担当主要控制装置,而且还可以作为大型网络控制系统中 最基层的一种控制单元,
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随着计算机设计的日益科学化,合理化和标准化,计算机总线概念与模板化结构已经形成且完善起来,IPC
在 硬件上,由计算机生产厂家按照某种标准总线,设计制造出符合工业标准的主机板及各种 I/O模板,所以控制系统的设计者 只要选用相应的功能模板,像 搭积木似的,
灵活地构成各种用途的计算机控制装置；而在 软件上,
利用熟知的系统软件和工具软件,编制或组态出相应的应用软件,就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理,并进一步向综合自动化网络化方向发展,
1.3.1 IPC结构组成
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硬件 组成为了提高 IPC的通用性,灵活性和扩展性,IPC的各部件均采用模板化结构,即在一块无源的并行底板总线上,插接多个功能模板即组成了一台 IPC的硬件装置,其硬件组成框图如图 1.1所示,除了构成计算机基本系统的 CPU,RAM/ROM主机,人机接口,系统支持,
磁盘系统,通信接口板外,还有 AI,AO,DI,DO等数百种工业 I/O接口板可供选择,其选用的各个模板彼此通过内部总线相连,而由 CPU通过总线直接控制数据的传送和处理,下面分别介绍各个组成部分,
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图 1.1 IPC的硬件组成框图
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1．内部总线和外部总线内部总线是 IPC内部各组成部分进行信息传送的公共通道,是一组信号线的集合,常用的内部总线有 PC总线、
STD总线,以及 VME总线和 Multibus等总线,
外部总线是 IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公共通道,常用的外部总线有 RS-232C,RS-485和
IEEE－ 488,USB通信总线等,
2．主机板主机板由中央处理器（ CPU）、内存储器（ RAM、
ROM）等部件组成,它是 IPC的核心
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3．人 -机接口人机接口是人与计算机交流的一种外设,它由标准的 PC
键盘、鼠标、显示器和打印机 等组成,
4．系统支持板
IPC的系统支持板主要包括如下部分：
（ 1） 程序运行监视系统,即 看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动复位,恢复运行,
（ 2） 电源掉电检测,其目的是为了及时检测到电源掉电后,立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态,
（ 3）保护重要数据的后备存储器：采用 带有后备电池的 SRAM,NOVRAM,EEPROM,能在系统掉电后保证数据不丢失,
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（ 4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功能和自动记录某个控制是在何时发生的,
5.磁盘系统磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘,
6.通信接口通信接口是 IPC和其它计算机或智能外设的接口,
常用的接口有 RS-232C,RS-485和 IEEE-488等接口,
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7．输入输出模板输入输出模板是 IPC和生产过程之间信号传递和变换的连接通道,它包括 模拟量输入（ AI或 AD）模板、
模拟量输出（ AO或 DA）模板,数字量输入（ DI）模板、
数字量输出（ DO）模板 等种类,
由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种类、个数、精度、干扰等等,因而其该类模板是系统中性能 差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为丰富的一种,在第 2,3章将要讨论的接口电路技术就是此类模板的构成基础,也是选用这类模板性能指标的理论依据,
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软件组成
IPC的硬件构成了工业控制机系统的设备基础,要真正实现生产过程的计算机控制,必须为硬件提供或研制相应的计算机软件,即把人的知识逻辑与控制思维加入计算机中,才能实现控制任务,在工业控制系统中,软件可分为 系统软件,工具软件和应用软件 三大部分,有时也将工具软件归于系统软件,
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1．系统软件系统软件用来管理 IPC的资源,并以简便的形式向用户提供服务,包括 实时多任务操作系统 RTOS、引导程序、调度执行程序等,其中操作系统是系统软件最基本的部分,如
MS-DOS和 Windows (XP/2000/NT)等系统软件,
2.工具软件工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件,包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、
调试程序、诊断程序等,借以提高软件生产效率,改善软件产品质量,(KEIL,PROTEL…… )
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3．应用软件应用软件是 系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序,它往往涉及应用领域的专业知识,它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和控制程序等,
当今工业自动化的发展趋势是 计算机控制技术的控制与管理一体化,以便适应不断变化的市场需求,而工业控制的应用软件就起着关键性的作用,因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点,
现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件,如 数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件 等,这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台,
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1.3.2 IPC功能特点（了解）
IPC是一种专用于 工业场合 下的控制计算机,一方面工业环境常常处于 高温,高湿,腐蚀,振动,冲击,灰尘,以及 电磁干扰严重,供电条件不良 等等恶劣环境中；
一方面工业生产过程因行业,原料,产品的不同,而使生产过程,工艺要求也五花八门,这些都是 工业自动化控制中要解决的重要课题,由于 IPC采用了 总线技术和模板化结构,再加上采取了 多重抗干扰措施,因而使 IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点,
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1.可靠性和可维修性好可靠性和可维修性 是生产过程中两个非常重要的先决因素,它们决定着系统在控制上的可用程度,
可靠性（平均无故障时间 MTBF-Mean Time
Between Failure） 的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障,可维修性 是指工业控制机发生故障时,维修快速、简单方便,
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IPC把计算机系统的各种功能分解到 每一块只具备单一功能的模板上,而 模板结构的小型化,使之机械强度好,抗震动能力强；模板功能的单一,便于对系统故障的诊断与维修,甚至可作到模板的带电插拔 ；模板的线路设计布局合理,即由 总线缓冲模块到功能模块,再到 I/O
驱动输出模块,使信号流向基本为直线到达,降低了信号间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施,
如 密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统支持板 等等,所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了系统的可靠性和可维护性,
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2．通用性和扩展性好通用性和扩展性也是生产过程中两个重要的因素,它们关系着系统在控制领域中的使用范围,通用性的简单含义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控制；扩展性是指当工艺变化或生产扩大时,IPC能灵活地扩充或增加功能,
IPC针对各种控制对象进行分析与综合后,设计出 几大类上百个不同功能的输入输出模板,足以满足各种需求,
比如 某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品,
二阶有源低通滤波器板,4路 /8路热电阻信号调理板,16路差分输入 I/V变换板,32路单端输入 I/V变换板,64路带光隔模拟量输入扩展板等等,
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所以通过 对模板品种和数量的选择与组合,并插入底板总线插槽,就十分方便地配置成不同生产过程所需
IPC.其灵活性、通用性和扩展性显而易见,
3．软件丰富编程趋向组态
IPC已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的工具软件以及各种控制软件包,工业控制软件正向结构化、组态化方向发展,
4．控制实时性强
IPC配有实时操作系统和中断系统,因而具有时间驱动和事件驱动能力,能对生产过程的工况变化实时地进行监视和控制,
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5．精度和速度适当一般生产过程,对于精度和运算速度要求并不苛刻,通常字长为 8～ 32位,速度在每秒几万次至几百万次,但随着自动化程度的提高,对于精度和运算速度的要求也在不断提高,IPC相应地也配有 不同层次的机型,
总之,总线式 IPC具有小型化、标准化、模板化、
组合设计的特点,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能在恶劣的工业环境中可靠地运行,因而,它广泛应用于各种控制场合,尤其是中等规模的控制系统中,
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目前国内外生产总线式 IPC的专业厂家很多,著名品牌比比皆是,如爱瑞,研华,研祥,凌华,中泰,
康泰克,康拓,威达,华控,浪潮等等,现以 深圳研祥工控集团研制 的 PC总线工业计算机产品为例作一说明,
1.3.4 IPC产品简介 (了解 )
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研祥 的 PC总线工业计算机共有 14种系列,工业计算机机箱,工业一体化工作站,工业平板电脑 /显示器,便携式工业计算机,工业级 CPU卡,工业级底板,工业计算机外设,亚当（ Adam）系列远端数据采集与控制模块,基于
ISA总线数据采集与控制卡,基于 PC总线数据采集与控制卡,端子板和附件,工业通信,应用软件等；每一种系列又有几种至十几种规格型号,以下简单介绍公司的几种产品,
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1.工业计算机机箱研祥的机箱按带不带底板和电源,安装形式是桌面,壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题,又可分为二十几种型号,图 1-2为 IPC-810/811型号的 14槽上架型计算机机箱,
图 1-2 IPC-810/811机箱
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其产品特性为,19’上架型,符合 EIA RS-310C标准,14槽 ISA/PCI/PICMG无源底板,提供三个 3.5”和两个 5.25“磁盘驱动器空间,前面板带电源开关,CPU复位按钮,键盘锁开关,电源开关 LED和 HDD LED,防尘带锁门保护控制部件,前后面板均带键盘接口,防止插卡振动的防震压条,支持 PS/2规格电源,尺寸
177(高 )× 482(宽 )× 452(深 )mm,支持 ATX母板,
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2.工业级 底板
研祥的底板按插槽种类,槽数多少,电源种类以及配置不同等问题,又可分为三十几种型号,图 1-3为
IPC-6114P4A型号的 14槽底板,
产品规格为：最大扩展槽 14,最大分段 1,ISA槽 9,PCI
槽 4,PICMG槽 1,电源 LED± 5V,± 12V,+3V,可能配置
14(1-PCI系统 ),尺寸 (mm) 322× 300.
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图 1-3 IPC-6114P4A 14槽底板
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3.工业级 CPU卡
研祥的 CPU卡按 CPU种类、存储器容量、显示方式、
主板长短以及 I/O接口不同等问题,又可分为十几种型号,图 1-4为 IPC-586VDNH(GX)CPU卡,
图 1-4 IPC-586VDNH(GX)CPU卡
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(1)产品简介
IPC-586VDNH（ GX）采用美国国家半导体公司低功耗 586级处理器 GX1系列设计,单 5V供电,板上集成了
VGA/LCD控制器,支持 18bit TFT显示；作为 486及以下主板替代产品,IPC-586VDNH（ GX）支持 168-pin内存
（代替 30线,72线旧产品）,网络接口升速至 100Mbps,
增加了两个广泛使用的 USB接口,处理器达到 586多媒体级性能,在 0～ 60℃ 工作范围内无需风扇,极大提高了系统的可靠性,IPC-586VDNH（ GX）既可通过工业底版机箱组成工业级应用产品,也可作为嵌入式单板使用,可广泛应用于工业产品、仪器仪表,Internet设备、各种智能仪器仪表,
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(2)产品规格总线类型,ISA总线半长卡处理器：板上增强型低功耗 NS GXLV 2.2V
200/233MHz CPU,无需 CPU 风扇可正常工作系统芯片集,NS Cx5530A
系统内存,168pin DIMM× 1,最大 128MB内存
BIOS,Award PnP BIOS
在板视频,NS CX5530 支持 CRT/LCD显示,显示内存
1.5MB～ 4MB,分辨率 1024× 768× 24bpp（ CRT）、
1024× 768× 18bpp（ LCD）,18bit TFT LCD接口
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在板 LAN,RTL8139C 10/100M Ethernet 控制器,RJ-45接口优盘接口,M-System DiskOnChip flash盘
IDE控制器：一个 Ultra DMA33通道,可接 2个设备
USB接口,2个 USB接口 （少了）
多 I/O接口,PC97317I/O接口芯片,一个 FDD接口,一个并口,一个
RS-232接口,一个 RS-232/422/485接口,一个键盘,一个鼠标接口,
一个 115Kbps IrDA接口电源,+5V单电源扩充总线,PC/104扩充总线外形尺寸,185mm× 122mm
工作温度,0～ 60℃
相对湿度,5%～ 90%,非凝结
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4.PCI总线 I/O卡研祥的 I/O卡按模拟量输入路数与极性,采样速率,模拟量输出范围以及数字 I/O通道的不同等问题,又可分为十余种型号,图 1-5为 PCI-64AD系列数据采集与控制卡图 1-5 PCI-64AD系列 I/O卡
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1．特性：
32位 PCI总线,即插即用
64路单端或 32路双端模拟输入通道双极性模拟输入范围板上 A/D1K字 FIFO内存自动扫描通道选择最高至 100kHz采样速率可编程增益 × 1,× 10,× 100,× 1000
3个触发模式,软件触发,定时器触发和外部触发
16通道 DI和 16通道 DO
紧凑型,半长 PCB
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2.规格：
模拟量输入 (A/D)
转换器和分辨率,12位 ADS774或兼容芯片通道数,64 S.E./32D.I,
模拟信号输入范围（软件控制）：
增益 =100或 1000时,精度为 0.02% ± 1LSB
输入阻抗,10M
触发模式：软件、定时触发或外部触发数据传输：程序控制、中断
FIFO大小,1024字
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3．可编程计数器器件,8254
A/D定时触发器,32位定时器 (两个 16位计数器级连 ),带一个 2MHz的时基,
定时触发器输出,0.00046Hz--0.5MHz
4．通用规范工作温度,0～ 55° C
储存温度,-20～ 80° C
湿度,5～ 95% 无凝结功耗,+5V,600mA典型值； +12V,100mA典型值尺寸：紧凑型,107mm× 172mm
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5．数字 I/O
输入通道数,16 DI
输出通道数,16 DO
信号类型,TTL兼容
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IPC的模板结构正是依存于它的总线结构,总线是一组信号线的集合,它定义了各引线的信号特性,电气特性和机械特性,使计算机箱内各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号联系,
进行信息传送和通信,因此总线是 IPC的重要组成部分,它分 内部总线与外部总线 两种,
1.4 IPC总线结构 （掌握 )
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内部总线内部总线是指 IPC内部各个功能模板之间的信息通路,它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽,
也称为 系统总线,尽管各种总线的引线数目不同,但按功能都是分为 数据总线 DB,地址总线 AB,控制总线 CB和 电源总线 PB四大部分,
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内部总线是一块 置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽,各插槽上的同号引脚是电气相连的,从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送,显然,
内部总线对计算机 设计者和用户 都是十分重要的一种 设计标准,采用总线标准设计、组装的计算机模板与设备的兼容性很强,因为接插件的机械尺寸、各引脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等都 遵守统一的总线标准,
由于历史的原因,存在着多种总线标准,目前工控领域里应用最广的两种总线是 STD总线和 PC总线,
74
1,STD总线 Standard
STD总线是美国 PRO-LOG公司 1978年 推出的一种工业控制计算机的标准系统总线,该总线结构简单,
全部 56根引脚 线都有确切的定义,STD总线定义了一个 8位微处理器 总线标准,其中有 8根数据线,16根地址线,22根控制线和 10根电源线,可以兼容各种通用的 8位微处理器,如 8080,8085,6800,Z80、
NSC800等,通过采用周期窃取和总线复用技术,还可以定义 16根数据线,24根地址线,使 STD总线升级为
8位 /16位微处理器兼容总线,可以容纳 16位微处理器,如 8086,68000,80286,80386等,
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表 1-1列出了 STD总线的 56根引脚分配,
其中：
电源线 和辅助电源线为引脚 1～ 6和 53～ 56,
数据总线 为引脚 7～ 14、
地址总线 为引脚 15～ 30、
控制总线 为引脚 31～ 52.
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表 1-1 STD总线 56根引脚分配
77
1987年,STD总线 被国际标准化会议定名为 IEEE961.
随着 32位微处理器的出现,通过采用附加 金手指 或系统总统与局部总线转换等技术,1989年美国的 EAITECH公司又开发出对 32位微处理器 兼容的 STD32总线,
STD总线 IPC由于具有 小模板结构,开放式结构和兼容式总线结构的几大优点,以及价格较低,因而成为
20世纪八、九十年代的主流机型,
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2.PC总线
PC总线是 IBM PC总线的简称,PC总线因 IBM PC
及其兼容机 的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准,PC总线 IPC,或称为工业 PC机即 IPC,
即是脱胎于 IBM PC机发展起来的,
IBM PC总线共有 62根引脚线,其 CPU是 Intel公司准 16位的 8088或 16位的 8086,随着 CPU的更新换代,PC
总线也随之扩充,诸如支持 80286CPU的 ISA总线,支持
80486和 奔腾系列的 PCI,VESA总线 等,
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表 1-2 PC总线 62根引脚分配
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表 1-2列出了 PC总线的 62根引脚分配,其中：电源线和辅助电源线为 11根,数据总线为 8根,地址总线为 20根,控制总线为 21根,另外还有外态线 2根,即
I/O（ I/O通道检查）,I/O CH RDY（ I/O通道准备好）,
PC总线 IPC由于既兼顾了 STD总线 IPC的抗干扰性能,又与 PC机及其不断升级的硬软件资源完全兼容,因而近年来已成为 工控领域中的主流机型,
81
外部总线外部总线是指 计算机与计算机之间,计算机与远程终端之间,计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路,常称为 通信总线,通信总线的数据传输方式可以是 并行 的,也可以是 串行 的,可分别称为 并行通信总线和串行通信总线,
82
微型计算机控制部件寄存器组
ALU
C-Bus
存储器 I/O接口
I/O接口 存储器
I-Bus
E-Bus
设备 Modem 仪器 仪器图 1.2 三类总线在微机系统中的地位和关系
83
为了充分发挥总线的作用,每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明,通常包括如下几个方面的技术规范或特性：
(1) 机械特性,规定模块插件的 机械尺寸,总线插头、插座的规格及位置等；
(2) 电气特性,规定总线信号的 逻辑电平、噪声容限及负载能力等；
(3)功能特性,给出各总线信号的名称及 功能 定义；
(4) 规程特性,对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明,
84
总线标准的产生通常有两种途径：
(1) 某 计算机制造厂家 (或公司 )在研制本公司 的微机系统时所采用的一种总线,由于其性能优越,得到用户普遍接受,
逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实上 的总线标准,
(2) 在 国际标准组织或机构主持 下开发和制定的总线标准,
公布后由厂家和用户使用,
85
3.另外几种常见和重要总线,ISA/PCI/USB/1394/AGP
20世纪 80年代初期,IBM在推出自己的微机系统 IBM PC/XT
时,就定义了一种总线结构,称为 XT总线,这是 8位数据宽度的总线,
随着 IBM采用 80286 CPU,推出 IBM PC/AT微机系统,又定义了与 XT总线兼容的 16位的 AT总线,
ISA总线即 AT总线,它是在 8位的 XT总线基础上扩展而成的
16位的总线体系结构,
(1) ISA总线
(Industrial Standard Architecture)工业标准结构总线
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在一段时间内,大多数 Pentium系列的 PC机主板上仍保留 3～ 4个 ISA总线扩充槽,即可以插入 8位 ISA卡,又可以插入 16位 ISA卡,
ISA总线插槽
ISA总线插槽有 一长一短两个插口,
长插口有 62个引脚,以 A31～ A1和 B31～ B1表示,分别列于插槽的两面；
短插口有 36个引脚,以 C18～ C1和 D18～ D1表示,也分别列于插槽的两面,
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D18 D1
C18 C1
B31 B1
A31 A1
ISA总线插槽
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(2) PCI总线
(Peripheral Component Interconnect,外围部件互连总线 )
PCI总线 ---对传统总线结构的突破
人们注意到,随着 微处理器速度 及性能的改进与更新,作为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和更新,否则,低速的总线将成为系统性能的瓶颈,
同时,人们也看到了另一个不容忽视的事实,即 随着微处理器的更新换代,一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色了,与其配套制造的一大批接口设备 (板卡、适配器及连接器等 )也渐渐被束之高阁,
这就迫使人们思考一个问题,即能否制定和开发 一种性能优越且能保持相对稳定的总线结构 和技术规范来摆脱传统总线技术发展的这种困境呢?
92
PCI总线于 1991年由 Intel公司首先提出,并由 PCI
SIG(Special Interest Group)来发展和推广,
PCI SIG是一个包括 Intel,IBM,Compaq,Apple
和 DEC等 100多家公司在内的组织集团,1992.6 推出了
PCI 1.0版,1995年 6月 又推出了支持 64位数据通路、
66MHz工作频率的 PCI 2.1版,
由于 PCI总线先进的结构特性及其优异的性能,使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者,并被多数现代高性能微机系统所广泛采用,
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CPU 存储器
CPU总线
CPU总线 /PCI
总线桥（ 北桥 ）
PCI总线 /ISA
总线桥（ 南桥 ）
PCI图形适配器 PCI网卡
PCI硬盘控制器
PCI总线
ISA总线
ISA卡,,,ISA卡图 1.3 PCI总线结构框图
PCI总线的系统结构及特点
95
由图 1.3可见,这是一个由 CPU总线,PCI总线及 ISA总线组成的 三层总线结构,
CPU总线 也称,CPU-主存总线”或“微处理器局部总线”,CPU是该总线的主控者,此总线实际上是 CPU引脚信号的延伸,
通过 桥芯片 (北桥和南桥 ),上边与高速的 CPU总线相连,
下边与 ISA总线相连,
PCI总线 是一个 32位 /64位总线,且其地址和数据是同一组线,分时复用,在现代 PC机 (如 Pentium系列 )主板上一般都有 3～ 4个 PCI总线扩充槽,
96
在上述 PCI总线结构中,CPU总线,PCI总线及 ISA总线通过 两个桥芯片 连成一个整体,桥芯片起到信号缓冲、
电平转换和控制协议转换的作用,
人们通常将,CPU总线 /PCI总线桥”称为“北桥”,称
,PCI总线 /ISA总线桥”为“南桥”,
这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起的技术特别能够适应系统 的升级换代,
每当微处理器改变时 只需改变 CPU总线和改动“北桥”
芯片,而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用,从而保护了用户的投资,
97
PCI总线的引脚信号
PCI总线的 数据宽度为 32位或 64位,地址总线为 32位
(可扩展至 64位 ).另外,它的地址线和数据线是 多路复用的,以节省引脚并减小连接器的尺寸,这些多路复用的引脚信号标识为 AD0～ AD63.(单片机 P0)
PCI总线有 5V和 3V两种插槽类型,每种插槽的全部引脚号均为 1～ 94(A1/B1～ A94/B94),32位卡只用 1～ 62
号,64位卡则占用全部 1～ 94号引脚,
其中,标为 res (reserved)的引脚为 保留未用 的引脚；
标为 code的引脚是防止将插卡插错而设置的接口标记,也称连接器钥匙 (connector key).
98
(3) USB总线
(Universal Serial Bus,通用串行总线 )
USB概述
在传统的 PC机使用中,为了连接显示器、键盘、鼠标及打印机等外围设备,必须在 主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口,给 PC机的安装、放置及使用带来极大的不便,
另外,为了安装一个新的外设,除 需要关掉机器电源外,还需安装专门的设备驱动程序,否则,系统是不能正常工作的,这也给用户带来不少麻烦,
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USB总线 是 PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口,
它是一个 所谓,万能接口,,可以取代传统 PC机上连接外围设备的所有端口 (包括串行端口和并行端口 ),用户几乎可以将 所有外设装置 ——包括键盘、显示器、鼠标、
调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备,统一通过 USB接口与主机相接,
同时,它还可为 某些设备 (如数码相机、扫描仪等 )提供电源（手机充电）,使这些设备无须外接独立电源即可工作,USB是 1995年由称为,USB实现者论坛,(USB
Implementer Forum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准,
有许多著名计算机公司,如 Compaq,IBM,Intel,DEC及
Microsoft等均是该联合组织的重要成员,
104
1996年 1月,颁布了 USB 1.0版本 规范,其主要技术规范是：
(1) 支持 低速 (1.5M bps)和全速 (12M bps)两种数据传输速率,前者用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置,
(2) 一台主机最多可连接 127个 外设装置 (含 USB集线器 Hub 市面有卖的 )；连接节点 (外设或 Hub)间距可达 5米,可通过 USB集线器级联的方式来扩展连接距离,最大扩展连接距离可达 20米,
(3) 采用 4芯连接线缆,其中 两线用于以差分方式传输串行数据,另外两线用于提供 +5V电源,线缆种类有两种规格,即无屏蔽双绞线
(UTP)和屏蔽双绞线 (STP).前者适合于 1.5M bps的数据速率,后者适合于 12M bps的数据速率,
(4) 具有 真正的“即插即用”特性,主机依据外设的安装情况自动配置系统资源,用户无需关机即可进行外设更换,外设驱动程序的安装与删除完全自动化,
USB 2.0 速度更快（ 2000年） USB 2.0的理论传输速度最高可达到 480Mbps.图 1.4 表示了一个典型的 USB应用和配置情况,
105
扫描仪、数码相机,U盘 …,..
106
目前 新型主板一般配有 2-4个内建的 USB连接器,可以连接两个 USB设备,或一个连接 USB外设,另一个连接 USB
Hub； USB Hub还可以串接另一个 USB Hub,但是 USB Hub
连续串接最多不能超过 3个,
USB Hub自身也是 USB设备,它主要由信号中继器和控制器组成,中断器完成信号的整形、驱动并使之沿正确方向传递,控制器理解协议并管理和控制数据的传输,
四芯 USB线缆及连接器 情况如图 1.5所示,USB集线器 (USB
Hub)及其端口情况 如图 1.6所示,
107
引脚
1
2
3
4
Vcc（电源）
Data＋
Data－
Ground（地）
(a) 4芯 USB线缆
1
2 3 4
A系列
2
1 3 4
B系列
(b) 两种类型的 USB连接器图 1.5 USB线缆及连接器端口 1 端口 2 端口 3
端口 4 端口 5 端口 6
上行端口连接至 USB主机图 1.6 USB集线器
108
(4)高速总线接口 IEEE 1394(数码摄像机 )
USB总线是一种新型计算机外设接口标准,但 USB总线的数据传输主要还是适合于中、低速设备,而对于那些高速外设 (如多媒体数字视听设备 )就显得有些不够了,
IEEE 1394(又称 i.Link或 Fire Wire),是由 Apple公司和 TI(德克萨斯仪器 )公司 开发的高速串行接口标准,
其数据传输率已达 100M bps,200M bps,400M bps、
800M bps,即将达到 1Gbps和 1.6G bps.
而前一时期流行的 USB 1.1的通信速率仅为 12M
bps(2000年问世的 USB 2.0的速率也仅为 480M bps).
109
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111
采用 IEEE 1394标准,一次最多可将 63个 IEEE 1394设备接入一个总线段,设备间距可达 4.5米 ；如加转发器
(repeater)还可相距更远,
目前,人们正在进行将这个距离延伸至 25米 的尝试,最多 63个设备可以通过菊花链方式串接到单个 IEEE 1394
适配器上,另外,通过桥接器 (bridge),允许将 1000个以上的总线段互联,可见 IEEE 1394具有相当大的扩展能力,
使用专门设计的 6芯电缆,其中 两线用于提供电源
(连接在总线上的设备可以取得电压为直流 8V～ 40V、
电流可达 1.5A的电能 )；另外 四线分为两个双绞线对,
用于传输数据及时钟信号,图 1.17给出了 IEEE 1394的电缆及连接器情况,
112
电脑主板上的接口
113
114
与 USB相似,IEEE1394也完全支持,即插即用,(PnP).
任何时候,都可以在总线上添加或拆卸 IEEE 1394设备,
即使总线正处于全速运行的状态,
总线配置发生改变以后,节点地址会自动重新分配,而不需用户进行任何形式的介入,
通过 IEEE 1394连接的设备包括 多种高速外设如硬盘、
光驱、新式 DVD以及数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等,
一个 IEEE 1394的典型应用实例如图 1.18所示
115
116
(5)高速图形端口 AGP
AGP(Accelerated Graphics Port,高速图形端口 )
在一般的 PC机中,三维图形卡与主存之间 是通过
PCI总线进行连接和通信的,其最大数据传输率仅为
132MB/S(兆字节 /秒 ).加之 PCI总线还接有其他设备
(如硬盘控制器、网卡、声卡等 ),所以,实际数据传输率远低于 132MB/S.
而三维图形加速卡在进行三维图形处理时不仅有极高的数据处理量,而且要求具有 很高的总线数据传输率,因此,这种通过 PCI总线的连接和通信方式,实际上成了 三维图形加速卡进行高速图形数据传送和处理的一大瓶颈,
117
118
119
AGP是为解决 计算机三维图形显示中,图形纹理,数据传输瓶颈问题应运而生的,现在许多 PC机系统都增加了 AGP功能,
AGP是由 Intel公司 开发,并于 1996年 7月 正式公布的一项新型 视频接口 技术标准,它定义了一种高速的连通结构,把 三维图形控制卡从 PCI总线上分离出来,直接连在 CPU/PCI控制芯片组,(北桥 )上,形成专用的高速点对点通道 ——高速图形端口 (AGP).
图 1.8给出了 Pentium Ⅱ 系统中 AGP的连接以及系统中其他总线的情况,
120
PentiumⅡ
处理器局部总线
(66MHz或 100MHz)
CPU/PCI桥芯片
(440LX或 440BX) 存储器
AGP视频控制卡
AGP接口
(66MHz)
局部帧缓冲区
PCI/ISA桥芯片 PCI卡 PCI卡
ISA卡 ISA卡
ISA总线 (8MHz)
USB总线 (12MB/s)
PCI总线 (22MHz或 66MHz)
图 1.8 PentiumⅡ 系统中的 AGP
121
从严格的总线意义上讲,AGP并不是一种总线标准,因为总线通常是多个设备共享的资源,而 AGP仅为供 AGP视频控制卡专用的高速数据传输端口,
AGP允许视频卡能与系统 RAM(主存 )直接进行高速连接,
即支持所谓 DIME(Direct Memory Execute,直接存储器执行 )方式,当显存容量不够时,将主存当作显存来使用,
把耗费 显存 的三维操作全部放在 主存 中来完成,这样一可以节省显存,二可以充分利用现代 PC机大容量主存 (现已达 GB容量级 )的优越条件,
这在 三维图形操作 需要越来越多存储资源的今天显得特别重要,
122
AGP可以工作于处理器的时钟频率下,若以 66MHz的基本频率 (实际为 66.66MHz)运行,则称为 基本 AGP
模式 (即 AGP 1X),每个时钟周期完成一次数据传输,
由于 AGP的数据传输宽度为 32位 (4字节 ),所以在
66MHz的时钟频率下能达到约 266MB/S的数据传输能力；
123
此外,还定义了 AGP 2X模式,每个时钟周期完成两次数据传输 (宽度仍为 32位 ),速率达 533MB/S；大多数
AGP卡都工作在 2X模式,
AGP 2.0规范增加了 4X模式 的传输能力,每个时钟周期完成四次数据传输,达 1066MB/S(约 1GB/S)的数据传输速率,是传统 PCI数据传输率的 8倍,
现代 PC主板均全面支持 AGP2.0规范及 AGP 4X模式,
124
本章小结本章概要介绍了计算机控制系统的构成原理,
硬件组成与软件组成,分别从计算机控制系统的控制方案与装置种类这两个不同的角度讨论分析了计算机控制系统的分类,后续章节将在本章的基础上渐次对计算机控制系统的各个组成部分展开讨论,
125
思考题
1,计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？
2,分析说明图 1-3计算机控制系统的硬件组成及其作用,
3,计算机控制系统的软件由哪些部分构成？
4,按控制方案来分,计算机控系统划分成那几大类？
5．计算机控制装置可以分成哪几种机型？
计算机控制技术主讲教师：陈 进
2
有关本课程学习的几点建议本课程属于 专业课,多媒体上课,信息量大,速度块 ;课件内容比较多,上课重点讲解一些内容 ;有些内容作为扩展知识面,
课堂不进行讲解,考试不做要求（自学） ;
本门的课程的 难点在于,
(1)和前续课程 的联系,温故而知新；记笔记 …… 有条件打印 ;
(2)前沿性的东西很多,新技术,新设备不断推陈出新,培养自己自学能力要求,学生把本课件通读一遍,了解本们课程的一个总体轮廓 ;
每个学生准备一本练习本,上课做笔记,最后一次实验的时候进行检查,作为平时成绩考核依据 ;
3
参考书籍：
1.潘新民 王燕芳,微型计算机控制技术,2003
2.胡文金,计算机测控应用技术,重庆大学 2003
3.林敏,计算机控制技术及工程应用,国防工业出版社 2005
4.（国外教材）,计算机控制系统：原理与设计,(第 3
版 ) 瑞典 Astrom,Wittenmark著 周兆英翻译 2001
4
本门学科发展很快,技术不断更新 ;不断跟踪电子技术的最新发展 网络、杂志、广告 ;中国期刊网杂志：,测控技术,,工业控制计算机,
,单片机与嵌入式系统应用,
5
第 1章 概论第 2章 (1) 计算机控制的数据采集技术 (前向通道 )
第 2章 (2) 计算机控制的后向通道及功率接口技术第 3章 数字程序控制技术第 4章 常规及复杂控制技术第 5章 应用程序设计和实现技术 (1) 数据处理技术第 5章 应用程序设计和实现技术 (2) 监控组态软件第 5章 应用程序设计和实现技术 (3) 抗干扰技术第 6章 测控网络技术 (1) 控制网络技术第 6章 测控网络技术 (2) DCS与 FCS
第 7章 控制系统设计与工程实现理论教学,(40学时 ) 实验教学 4*2 (8 学时 ) Σ40+8=48
成绩评定：
平时占 20% (作业 +实验 +考勤 +课堂笔记）
期末考试占 80%（闭卷 笔试）?Good Luck !!！
6
第一章,绪论本章重点掌握一些基本概念：
1.计算机控制系统,几部分组成；
2.总线、外部总线、内部总线；
3.集散型控制系统；
4.现场总线控制系统；
5.实时控制、在线方式、离线方式；
6.ISA,PCI,USB,IEEE1394,AGP总线；
7
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统及其组成
1.1.2 计算机控制系统的典型形式
1.2 计算机控制系统的发展概况及趋势
1.2.1 计算机控制系统的发展概况
1.2.2 计算机控制系统的发展趋势
1.3 工业控制机 IPC
1.3.1 IPC结构组成 1.3.2 IPC总线结构
1.3.3 IPC功能特 1.3.4 IPC产品简介
1.4 IPC总线结构
1.STD总线 2.PC总线
3.ISA/PCI/USB/1394/AGP
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计算机技术 (单片机,IPC,PLC)
自动控制技术传感器技术
CRT显示技术通信与网络技术微电子技术
计算机控制系统及其组成
计算机控制系统的典型形式
计算机控制系统的发展概况及趋势
9
计算机控制技术及工程应用 --是把 计算机技术与自动化控制系统 融为一体的一门综合性学问,是以 计算机为核心部件 的 过程控制系统和运动控制系统,从计算机应用的角度出发,自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看,计算机技术又是一个主要的实现手段,本课程立足于工业自动化的领域,讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用,下图为 一个 制药车间 的自动化生产流程,
10
1.1 计算机控制系统概述
★ (复习 )自动控制：在没有人直接参与的情况下,通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行,
1.1.1计算机控制系统及其组成
1,计算机控制系统的 定义 ————利用 计算机 来实现生产过程自动控制的系统,
11
输出通道
D/A
输入通道
A/D
对象被控变量
y
输 入通 道 计算机给定
1）计算机控制系统的 工作原理
12
1.实时 数据 采集,
2.实时 控制 决策,
3.实时 控制 输出,
工作原理：
对来自测量变送装置的被控变量的 瞬时值进行 检测 和输入；
对采集到的被控变量进行分析和处理,并按已定的控制规律,决定将要采取的控制行为；
根据控制决策,适时地 对执行机构 发出控制信号,完成控制任务；
13
2）在线方式和离线方式
★ 在线 方式或 联机 方式：生产过程和计算机 直接连接,并受计算机控制的方式,
★ 离线 方式或 脱机 方式：生产过程 不和计算机相连,且不受计算机控制,而是靠人进行联系并作相应操作的方式,（调试）
3） 实时 的含义 （ Realtime control）：
★ 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在 一定的时间范围内完成,
★ 实时控制系统 必定是在线系统
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2.计算机控制系统的组成
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★ 主机
中央处理器（ CPU）
内存储器 (RAM和 ROM)
★ 接口电路,主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的 桥梁
★ 过程输入 /输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道
★ 外部设备
★ 操作台
输入设备输出设备外存储器
（ CRT）显示器或 (LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）
硬件部分 (Hardware)
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软件
系统软件应用软件
操作系统语言加工系统诊断系统
控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接,装配程序调试程序子程序库
软件部分 (Software)
数据可靠性检查程序
A/D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序?
数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序?
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1.1.2 计算机控制系统的典型形式
1,操作指导控制系统 (OGC-Operating Guide Control) (了解 )
这种形式的系统属于 开环系统,计算机按照一定的时间间隔对生产现场的参数进行采样、处理、显示、打印或报警,操作人员根据这些结果进行设定值的修改或必要的操作,
优点：结构简单,控制灵活和安全,
缺点：要由 人工操作,速度受到限制,不能控制多个对象,
18
2.直接数字控制系统 （ DDC—Direct Digital Control） (了解 )
利用 微型计算机对多个被控参数进行巡回检测,并与给定值比较,然后按照预定的控制规律进行计算,最后发出控制信息完成对生产过程的控制,使被控参数稳定在给定值上,
要求,实时性好,可靠性高和适应性强一台计算机通常要 控制几个或几十个回路输入通道
(AI.DI）
输出通道
(AO.DO)
打印机报 警操作台
CRT
计算机生产过程
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3,监督控制系统 （ Supervisory Computer Control —SCC ） (了解 )
DDC
计算机生产过程
SSC
计算机记录显示打印调节测量设定值
(b)
工艺数据模 拟调节器生产过程
SSC
计算机记录显示打印调节测量设定值
(a)
工艺数据
1960年在美国的一个 合成氨 厂采用 RW-300计算机系统实现了 计算机监督控制,基本思想是微型计算机根据 原始工艺信息和其它参数,按照描述生产过程的数学模型,自动改变 模拟调节器或 DDC微型计算机的给定值,从而使生产过程始终处于最优工况,
SCC+模拟调节器
SCC+DDC
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4,集散型 控制系统 （ DCS—Distributed Control System）
基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则,将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级,构成一分级分布式控制系统,（重要）
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5,现场总线 控制系统 （ FCS----Fieldbus Control System）
操作站模拟量输出功能块控制功能块
H1现场总线差压变送 器模拟量输入功能块
PIDI10 …...
AOI10
AI110
H1
H1 网桥
H2现场总线
…….
现场节点服务器
LAN（局域网）
其结构模式为,工作站 —— 现场总线智能仪表,二层结构,成本低,可靠性高,可实现真正的开放式互连系统结构（重要）
22
1.可编程控制器 PLC
可编程逻辑控制器是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物,其 低端为常规继电逻辑控制的替代装置,而高端为一种高性能的工业控制计算机,它主要由 CPU、存储器、输入组件、
输出组件、电源及编程器等组成,
1.1.3 控制装置种类西门子 S7-200/300/400
23
特点：
一种数字运算操作的电子系统,专为 工业环境 下应用而设定 ;
采用 可编程序的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、
定时、计数和算术操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出；
应用广泛 --不仅在 顺序程序控制 领域中具有优势,而且在 运动控制、过程控制、网络通信领域方面 也毫不逊色；
PLC具有系统构成灵活,扩展容易,编程简单,调试容易,抗干扰能力强；
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2.可编程调节器又称单回路调节器,智能调节器,数字调节器,它主要由 微处理单元（单片机）,过程 I／ O（输入 /输出）单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成,外观如图所示,
25
可编程调节器是 一种 仪表化了的微型控制计算机
易操作,易编程、方便灵活
设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计
软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言
具有断电保护、自诊断功能、通信等功能
可以组成多级计算机控制系统,实现各种高级控制和管理
大型分散控制系统中最基层的控制单元
适用于连续过程中 模拟量信号的控制系统 中
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3.总线式 工控机总线式工控机,是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机,一般称为 工业控制计算机,简称为工业控制机或工控机,通常,计算机的生产厂家是按照某个 总线标准,设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板,而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求,选用相应的功能模板 组合成自己所需的计算机控制系统,总线式工控机的 外形类似普通计算机,如图所示,
27
不同的是它的外壳采用 全钢标准的工业加固型机架机箱,机箱密封并加 正压送风散热,机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的 底板总线插座系统,将 主板分解成几块 PC插件,采用工业级抗干扰电源和工业级芯片,并配以相应的 工业应用软件,
总线式工控机具有 小型化、模板化、组合化、标准化 的设计特点,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能 在恶劣的工业环境中可靠地运行,因而,它广泛应用于各种控制场合,尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中,
28
4.单片微型计算机随着微电子技术与超大规模集成技术的发展,计算机技术的另一个分支 ── 超小型化的单片微型计算机 (Single Chip Microcomputer)简称单片机 诞生了,它是将 CPU,存储器,串并行
I/O口,定时 /计数器,甚至 A/D转换器,脉宽调制器,图形控制器 等功能部件 全都集成 (SOC-
System On Chip)在一块大规模集成电路芯片上,
构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器,
29
30
Atmel
标准型,AT89C51 AT89C52 AT89lv51 AT89lv52
低档型,AT89C1051 AT89C2051(2Kflash) (20PIN)
高档型,AT89S51 AT89S52 ISP功能
AVR系列
Philips
P80CXX P87CXX P89CXX P87LPC7XX
TI MSP430 PIC系列
31
单片机的应用软件可以采用面向机器的 汇编语言,但这需要较深的计算机软硬件知识,而且汇编语言的通用性与可移植性差,随着高效率结构化语言的发展,其软件开发环境正在逐步改善,目前,市场上已推出面向单片机结构的高级语言,如早期的
Archimedes C和 Franklin C,现在的 Keil C51,Dynamic C等语言,
由于单片机具有体积小,功耗低,性能可靠,价格低廉,
功能扩展容易,使用方便灵活,易于产品化等诸多优点,特别是强大的面向控制的能力,使它在工业控制,智能仪表,外设控制,
家用电器,机器人,军事装置等方面得到了极为广泛的应用,
单片机的应用从 4位机开始,历经 8位,16位,32位四种,
但在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里,8位单片机因其品种多,功能强,价格廉,目前仍然是单片机系列的 主流机种,
32
5.其他控制装置
DCS分散控制系统与 FCS现场总线控制系统 --最初是以一种 控制方案的形式 出现的,但很快受到工控市场的极大推崇,因而已经成为国内外自动化厂家争先推出的 两种典型的装置,产品不断推陈出新,
33
1.2 计算机控制系统的 发展概况及趋势
（了解）
1946年世界上第一台电子计算机 ENICA问世
1.2.1 计算机控制系统的发展概况
1,计算机控制技术的发展过程
开创时期（ 1955～ 1962年）
直接数字控制时期（ 1962～ 1967年）
小型计算机时期（ 1967～ 1972年）
微型计算机时期（ 1972年～至今）
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软件的发展：
50年代至 70年代软件发展缓慢
70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制
2,计算机控制理论 的发展过程
采样定理
差分方程
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Z变换法
)()(
0
kTfzkTfZ
k
K
状态空间理论
最优控制 与随机控制
代数系统理论
系统辨识与自适应控制
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1.2.2 计算机控制系统的 发展趋势
1．推广应用 成熟的先进技术
普及应用 可编程序控制器（ PLC）
广泛使用 智能调节器
采用新型的 DCS和 FCS
2,大力研究和发展 智能控制系统
分级递阶智能控制系统? 模糊控制系统
专家控制系统? 学习控制系统
神经控制系统
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1.3 工业控制计算机 IPC
（ Industrial Personal Computer）
1.IPC的结构组成、总线技术和模板结构化
2.IPC的功能特点与主要模板
38
39
在采用计算机的工业生产过程中,特别是对于具有一定规模的工程项目而言,出于可靠性实时性好、功能丰富配套完善与扩充控制系统灵活开发周期短的考虑,
人们更愿意 选用专用于工业控制的现成的通用控制计算机,
工业控制机 IPC与可编程控制器 PLC是应用十分广泛但结构显著不同的两种计算机控制系统,它们不仅在中小型控制系统中担当主要控制装置,而且还可以作为大型网络控制系统中 最基层的一种控制单元,
40
随着计算机设计的日益科学化,合理化和标准化,计算机总线概念与模板化结构已经形成且完善起来,IPC
在 硬件上,由计算机生产厂家按照某种标准总线,设计制造出符合工业标准的主机板及各种 I/O模板,所以控制系统的设计者 只要选用相应的功能模板,像 搭积木似的,
灵活地构成各种用途的计算机控制装置；而在 软件上,
利用熟知的系统软件和工具软件,编制或组态出相应的应用软件,就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理,并进一步向综合自动化网络化方向发展,
1.3.1 IPC结构组成
41
硬件 组成为了提高 IPC的通用性,灵活性和扩展性,IPC的各部件均采用模板化结构,即在一块无源的并行底板总线上,插接多个功能模板即组成了一台 IPC的硬件装置,其硬件组成框图如图 1.1所示,除了构成计算机基本系统的 CPU,RAM/ROM主机,人机接口,系统支持,
磁盘系统,通信接口板外,还有 AI,AO,DI,DO等数百种工业 I/O接口板可供选择,其选用的各个模板彼此通过内部总线相连,而由 CPU通过总线直接控制数据的传送和处理,下面分别介绍各个组成部分,
42
图 1.1 IPC的硬件组成框图
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1．内部总线和外部总线内部总线是 IPC内部各组成部分进行信息传送的公共通道,是一组信号线的集合,常用的内部总线有 PC总线、
STD总线,以及 VME总线和 Multibus等总线,
外部总线是 IPC与其它计算机或智能设备进行信息传送的公共通道,常用的外部总线有 RS-232C,RS-485和
IEEE－ 488,USB通信总线等,
2．主机板主机板由中央处理器（ CPU）、内存储器（ RAM、
ROM）等部件组成,它是 IPC的核心
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3．人 -机接口人机接口是人与计算机交流的一种外设,它由标准的 PC
键盘、鼠标、显示器和打印机 等组成,
4．系统支持板
IPC的系统支持板主要包括如下部分：
（ 1） 程序运行监视系统,即 看门狗定时器：当系统出现异常时能使系统自动复位,恢复运行,
（ 2） 电源掉电检测,其目的是为了及时检测到电源掉电后,立即保护当时的重要数据和各寄存器的状态,
（ 3）保护重要数据的后备存储器：采用 带有后备电池的 SRAM,NOVRAM,EEPROM,能在系统掉电后保证数据不丢失,
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（ 4）实时日历时钟：用于定时自动执行某些控制功能和自动记录某个控制是在何时发生的,
5.磁盘系统磁盘系统有半导体虚拟磁盘以及通用的软磁盘和硬磁盘,
6.通信接口通信接口是 IPC和其它计算机或智能外设的接口,
常用的接口有 RS-232C,RS-485和 IEEE-488等接口,
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7．输入输出模板输入输出模板是 IPC和生产过程之间信号传递和变换的连接通道,它包括 模拟量输入（ AI或 AD）模板、
模拟量输出（ AO或 DA）模板,数字量输入（ DI）模板、
数字量输出（ DO）模板 等种类,
由于输入或输出均涉及到生产现场被控参数的种类、个数、精度、干扰等等,因而其该类模板是系统中性能 差异最大、品种类型最多、也是用户选择最为丰富的一种,在第 2,3章将要讨论的接口电路技术就是此类模板的构成基础,也是选用这类模板性能指标的理论依据,
47
软件组成
IPC的硬件构成了工业控制机系统的设备基础,要真正实现生产过程的计算机控制,必须为硬件提供或研制相应的计算机软件,即把人的知识逻辑与控制思维加入计算机中,才能实现控制任务,在工业控制系统中,软件可分为 系统软件,工具软件和应用软件 三大部分,有时也将工具软件归于系统软件,
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1．系统软件系统软件用来管理 IPC的资源,并以简便的形式向用户提供服务,包括 实时多任务操作系统 RTOS、引导程序、调度执行程序等,其中操作系统是系统软件最基本的部分,如
MS-DOS和 Windows (XP/2000/NT)等系统软件,
2.工具软件工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件,包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、
调试程序、诊断程序等,借以提高软件生产效率,改善软件产品质量,(KEIL,PROTEL…… )
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3．应用软件应用软件是 系统设计人员针对某个生产过程现时编制的控制和管理程序,它往往涉及应用领域的专业知识,它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和控制程序等,
当今工业自动化的发展趋势是 计算机控制技术的控制与管理一体化,以便适应不断变化的市场需求,而工业控制的应用软件就起着关键性的作用,因此它应具有通用性、开放性、实时性、多任务性和网络化的特点,
现在许多专业化公司开发生产了商品化的工业控制软件,如 数据采集软件、工控组态软件、过程仿真软件 等,这些都为应用软件的开发提供了绝佳的使用平台,
50
1.3.2 IPC功能特点（了解）
IPC是一种专用于 工业场合 下的控制计算机,一方面工业环境常常处于 高温,高湿,腐蚀,振动,冲击,灰尘,以及 电磁干扰严重,供电条件不良 等等恶劣环境中；
一方面工业生产过程因行业,原料,产品的不同,而使生产过程,工艺要求也五花八门,这些都是 工业自动化控制中要解决的重要课题,由于 IPC采用了 总线技术和模板化结构,再加上采取了 多重抗干扰措施,因而使 IPC系统具有其它计算机系统无法比拟的功能特点,
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1.可靠性和可维修性好可靠性和可维修性 是生产过程中两个非常重要的先决因素,它们决定着系统在控制上的可用程度,
可靠性（平均无故障时间 MTBF-Mean Time
Between Failure） 的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障,可维修性 是指工业控制机发生故障时,维修快速、简单方便,
52
IPC把计算机系统的各种功能分解到 每一块只具备单一功能的模板上,而 模板结构的小型化,使之机械强度好,抗震动能力强；模板功能的单一,便于对系统故障的诊断与维修,甚至可作到模板的带电插拔 ；模板的线路设计布局合理,即由 总线缓冲模块到功能模块,再到 I/O
驱动输出模块,使信号流向基本为直线到达,降低了信号间的相互干扰；另外在结构配置上还采取了许多措施,
如 密封机箱正压送风、使用工业电源、带有看门狗系统支持板 等等,所有这一切多重抗干扰措施都大大提高了系统的可靠性和可维护性,
53
2．通用性和扩展性好通用性和扩展性也是生产过程中两个重要的因素,它们关系着系统在控制领域中的使用范围,通用性的简单含义是指适合于各种行业、各种工艺流程或设备的自动化控制；扩展性是指当工艺变化或生产扩大时,IPC能灵活地扩充或增加功能,
IPC针对各种控制对象进行分析与综合后,设计出 几大类上百个不同功能的输入输出模板,足以满足各种需求,
比如 某工控公司的模拟量输入模板有如下几种主要产品,
二阶有源低通滤波器板,4路 /8路热电阻信号调理板,16路差分输入 I/V变换板,32路单端输入 I/V变换板,64路带光隔模拟量输入扩展板等等,
54
所以通过 对模板品种和数量的选择与组合,并插入底板总线插槽,就十分方便地配置成不同生产过程所需
IPC.其灵活性、通用性和扩展性显而易见,
3．软件丰富编程趋向组态
IPC已配备完整的操作系统、适合生产过程控制的工具软件以及各种控制软件包,工业控制软件正向结构化、组态化方向发展,
4．控制实时性强
IPC配有实时操作系统和中断系统,因而具有时间驱动和事件驱动能力,能对生产过程的工况变化实时地进行监视和控制,
55
5．精度和速度适当一般生产过程,对于精度和运算速度要求并不苛刻,通常字长为 8～ 32位,速度在每秒几万次至几百万次,但随着自动化程度的提高,对于精度和运算速度的要求也在不断提高,IPC相应地也配有 不同层次的机型,
总之,总线式 IPC具有小型化、标准化、模板化、
组合设计的特点,能满足不同层次、不同控制对象的需要,又能在恶劣的工业环境中可靠地运行,因而,它广泛应用于各种控制场合,尤其是中等规模的控制系统中,
56
目前国内外生产总线式 IPC的专业厂家很多,著名品牌比比皆是,如爱瑞,研华,研祥,凌华,中泰,
康泰克,康拓,威达,华控,浪潮等等,现以 深圳研祥工控集团研制 的 PC总线工业计算机产品为例作一说明,
1.3.4 IPC产品简介 (了解 )
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研祥 的 PC总线工业计算机共有 14种系列,工业计算机机箱,工业一体化工作站,工业平板电脑 /显示器,便携式工业计算机,工业级 CPU卡,工业级底板,工业计算机外设,亚当（ Adam）系列远端数据采集与控制模块,基于
ISA总线数据采集与控制卡,基于 PC总线数据采集与控制卡,端子板和附件,工业通信,应用软件等；每一种系列又有几种至十几种规格型号,以下简单介绍公司的几种产品,
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1.工业计算机机箱研祥的机箱按带不带底板和电源,安装形式是桌面,壁挂还是上架以及尺寸长度不一等问题,又可分为二十几种型号,图 1-2为 IPC-810/811型号的 14槽上架型计算机机箱,
图 1-2 IPC-810/811机箱
59
其产品特性为,19’上架型,符合 EIA RS-310C标准,14槽 ISA/PCI/PICMG无源底板,提供三个 3.5”和两个 5.25“磁盘驱动器空间,前面板带电源开关,CPU复位按钮,键盘锁开关,电源开关 LED和 HDD LED,防尘带锁门保护控制部件,前后面板均带键盘接口,防止插卡振动的防震压条,支持 PS/2规格电源,尺寸
177(高 )× 482(宽 )× 452(深 )mm,支持 ATX母板,
60
2.工业级 底板
研祥的底板按插槽种类,槽数多少,电源种类以及配置不同等问题,又可分为三十几种型号,图 1-3为
IPC-6114P4A型号的 14槽底板,
产品规格为：最大扩展槽 14,最大分段 1,ISA槽 9,PCI
槽 4,PICMG槽 1,电源 LED± 5V,± 12V,+3V,可能配置
14(1-PCI系统 ),尺寸 (mm) 322× 300.
61
图 1-3 IPC-6114P4A 14槽底板
62
3.工业级 CPU卡
研祥的 CPU卡按 CPU种类、存储器容量、显示方式、
主板长短以及 I/O接口不同等问题,又可分为十几种型号,图 1-4为 IPC-586VDNH(GX)CPU卡,
图 1-4 IPC-586VDNH(GX)CPU卡
63
(1)产品简介
IPC-586VDNH（ GX）采用美国国家半导体公司低功耗 586级处理器 GX1系列设计,单 5V供电,板上集成了
VGA/LCD控制器,支持 18bit TFT显示；作为 486及以下主板替代产品,IPC-586VDNH（ GX）支持 168-pin内存
（代替 30线,72线旧产品）,网络接口升速至 100Mbps,
增加了两个广泛使用的 USB接口,处理器达到 586多媒体级性能,在 0～ 60℃ 工作范围内无需风扇,极大提高了系统的可靠性,IPC-586VDNH（ GX）既可通过工业底版机箱组成工业级应用产品,也可作为嵌入式单板使用,可广泛应用于工业产品、仪器仪表,Internet设备、各种智能仪器仪表,
64
(2)产品规格总线类型,ISA总线半长卡处理器：板上增强型低功耗 NS GXLV 2.2V
200/233MHz CPU,无需 CPU 风扇可正常工作系统芯片集,NS Cx5530A
系统内存,168pin DIMM× 1,最大 128MB内存
BIOS,Award PnP BIOS
在板视频,NS CX5530 支持 CRT/LCD显示,显示内存
1.5MB～ 4MB,分辨率 1024× 768× 24bpp（ CRT）、
1024× 768× 18bpp（ LCD）,18bit TFT LCD接口
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在板 LAN,RTL8139C 10/100M Ethernet 控制器,RJ-45接口优盘接口,M-System DiskOnChip flash盘
IDE控制器：一个 Ultra DMA33通道,可接 2个设备
USB接口,2个 USB接口 （少了）
多 I/O接口,PC97317I/O接口芯片,一个 FDD接口,一个并口,一个
RS-232接口,一个 RS-232/422/485接口,一个键盘,一个鼠标接口,
一个 115Kbps IrDA接口电源,+5V单电源扩充总线,PC/104扩充总线外形尺寸,185mm× 122mm
工作温度,0～ 60℃
相对湿度,5%～ 90%,非凝结
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4.PCI总线 I/O卡研祥的 I/O卡按模拟量输入路数与极性,采样速率,模拟量输出范围以及数字 I/O通道的不同等问题,又可分为十余种型号,图 1-5为 PCI-64AD系列数据采集与控制卡图 1-5 PCI-64AD系列 I/O卡
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1．特性：
32位 PCI总线,即插即用
64路单端或 32路双端模拟输入通道双极性模拟输入范围板上 A/D1K字 FIFO内存自动扫描通道选择最高至 100kHz采样速率可编程增益 × 1,× 10,× 100,× 1000
3个触发模式,软件触发,定时器触发和外部触发
16通道 DI和 16通道 DO
紧凑型,半长 PCB
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2.规格：
模拟量输入 (A/D)
转换器和分辨率,12位 ADS774或兼容芯片通道数,64 S.E./32D.I,
模拟信号输入范围（软件控制）：
增益 =100或 1000时,精度为 0.02% ± 1LSB
输入阻抗,10M
触发模式：软件、定时触发或外部触发数据传输：程序控制、中断
FIFO大小,1024字
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3．可编程计数器器件,8254
A/D定时触发器,32位定时器 (两个 16位计数器级连 ),带一个 2MHz的时基,
定时触发器输出,0.00046Hz--0.5MHz
4．通用规范工作温度,0～ 55° C
储存温度,-20～ 80° C
湿度,5～ 95% 无凝结功耗,+5V,600mA典型值； +12V,100mA典型值尺寸：紧凑型,107mm× 172mm
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5．数字 I/O
输入通道数,16 DI
输出通道数,16 DO
信号类型,TTL兼容
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IPC的模板结构正是依存于它的总线结构,总线是一组信号线的集合,它定义了各引线的信号特性,电气特性和机械特性,使计算机箱内各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号联系,
进行信息传送和通信,因此总线是 IPC的重要组成部分,它分 内部总线与外部总线 两种,
1.4 IPC总线结构 （掌握 )
72
内部总线内部总线是指 IPC内部各个功能模板之间的信息通路,它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽,
也称为 系统总线,尽管各种总线的引线数目不同,但按功能都是分为 数据总线 DB,地址总线 AB,控制总线 CB和 电源总线 PB四大部分,
73
内部总线是一块 置于机箱内的无源底板上的多组并列插槽,各插槽上的同号引脚是电气相连的,从而完成插入槽内的各功能模板之间的信息传送,显然,
内部总线对计算机 设计者和用户 都是十分重要的一种 设计标准,采用总线标准设计、组装的计算机模板与设备的兼容性很强,因为接插件的机械尺寸、各引脚的信号定义、逻辑关系、时序要求和驱动能力等都 遵守统一的总线标准,
由于历史的原因,存在着多种总线标准,目前工控领域里应用最广的两种总线是 STD总线和 PC总线,
74
1,STD总线 Standard
STD总线是美国 PRO-LOG公司 1978年 推出的一种工业控制计算机的标准系统总线,该总线结构简单,
全部 56根引脚 线都有确切的定义,STD总线定义了一个 8位微处理器 总线标准,其中有 8根数据线,16根地址线,22根控制线和 10根电源线,可以兼容各种通用的 8位微处理器,如 8080,8085,6800,Z80、
NSC800等,通过采用周期窃取和总线复用技术,还可以定义 16根数据线,24根地址线,使 STD总线升级为
8位 /16位微处理器兼容总线,可以容纳 16位微处理器,如 8086,68000,80286,80386等,
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表 1-1列出了 STD总线的 56根引脚分配,
其中：
电源线 和辅助电源线为引脚 1～ 6和 53～ 56,
数据总线 为引脚 7～ 14、
地址总线 为引脚 15～ 30、
控制总线 为引脚 31～ 52.
76
表 1-1 STD总线 56根引脚分配
77
1987年,STD总线 被国际标准化会议定名为 IEEE961.
随着 32位微处理器的出现,通过采用附加 金手指 或系统总统与局部总线转换等技术,1989年美国的 EAITECH公司又开发出对 32位微处理器 兼容的 STD32总线,
STD总线 IPC由于具有 小模板结构,开放式结构和兼容式总线结构的几大优点,以及价格较低,因而成为
20世纪八、九十年代的主流机型,
78
2.PC总线
PC总线是 IBM PC总线的简称,PC总线因 IBM PC
及其兼容机 的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准,PC总线 IPC,或称为工业 PC机即 IPC,
即是脱胎于 IBM PC机发展起来的,
IBM PC总线共有 62根引脚线,其 CPU是 Intel公司准 16位的 8088或 16位的 8086,随着 CPU的更新换代,PC
总线也随之扩充,诸如支持 80286CPU的 ISA总线,支持
80486和 奔腾系列的 PCI,VESA总线 等,
79
表 1-2 PC总线 62根引脚分配
80
表 1-2列出了 PC总线的 62根引脚分配,其中：电源线和辅助电源线为 11根,数据总线为 8根,地址总线为 20根,控制总线为 21根,另外还有外态线 2根,即
I/O（ I/O通道检查）,I/O CH RDY（ I/O通道准备好）,
PC总线 IPC由于既兼顾了 STD总线 IPC的抗干扰性能,又与 PC机及其不断升级的硬软件资源完全兼容,因而近年来已成为 工控领域中的主流机型,
81
外部总线外部总线是指 计算机与计算机之间,计算机与远程终端之间,计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路,常称为 通信总线,通信总线的数据传输方式可以是 并行 的,也可以是 串行 的,可分别称为 并行通信总线和串行通信总线,
82
微型计算机控制部件寄存器组
ALU
C-Bus
存储器 I/O接口
I/O接口 存储器
I-Bus
E-Bus
设备 Modem 仪器 仪器图 1.2 三类总线在微机系统中的地位和关系
83
为了充分发挥总线的作用,每个总线标准都必须有具体和明确的规范说明,通常包括如下几个方面的技术规范或特性：
(1) 机械特性,规定模块插件的 机械尺寸,总线插头、插座的规格及位置等；
(2) 电气特性,规定总线信号的 逻辑电平、噪声容限及负载能力等；
(3)功能特性,给出各总线信号的名称及 功能 定义；
(4) 规程特性,对各总线信号的动作过程及时序关系进行说明,
84
总线标准的产生通常有两种途径：
(1) 某 计算机制造厂家 (或公司 )在研制本公司 的微机系统时所采用的一种总线,由于其性能优越,得到用户普遍接受,
逐渐形成一种被业界广泛支持和承认的事实上 的总线标准,
(2) 在 国际标准组织或机构主持 下开发和制定的总线标准,
公布后由厂家和用户使用,
85
3.另外几种常见和重要总线,ISA/PCI/USB/1394/AGP
20世纪 80年代初期,IBM在推出自己的微机系统 IBM PC/XT
时,就定义了一种总线结构,称为 XT总线,这是 8位数据宽度的总线,
随着 IBM采用 80286 CPU,推出 IBM PC/AT微机系统,又定义了与 XT总线兼容的 16位的 AT总线,
ISA总线即 AT总线,它是在 8位的 XT总线基础上扩展而成的
16位的总线体系结构,
(1) ISA总线
(Industrial Standard Architecture)工业标准结构总线
86
87
88
89
在一段时间内,大多数 Pentium系列的 PC机主板上仍保留 3～ 4个 ISA总线扩充槽,即可以插入 8位 ISA卡,又可以插入 16位 ISA卡,
ISA总线插槽
ISA总线插槽有 一长一短两个插口,
长插口有 62个引脚,以 A31～ A1和 B31～ B1表示,分别列于插槽的两面；
短插口有 36个引脚,以 C18～ C1和 D18～ D1表示,也分别列于插槽的两面,
90
D18 D1
C18 C1
B31 B1
A31 A1
ISA总线插槽
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(2) PCI总线
(Peripheral Component Interconnect,外围部件互连总线 )
PCI总线 ---对传统总线结构的突破
人们注意到,随着 微处理器速度 及性能的改进与更新,作为微型计算机重要组成部件的总线也被迫作相应的改进和更新,否则,低速的总线将成为系统性能的瓶颈,
同时,人们也看到了另一个不容忽视的事实,即 随着微处理器的更新换代,一个个曾颇具影响的总线标准也相继黯然失色了,与其配套制造的一大批接口设备 (板卡、适配器及连接器等 )也渐渐被束之高阁,
这就迫使人们思考一个问题,即能否制定和开发 一种性能优越且能保持相对稳定的总线结构 和技术规范来摆脱传统总线技术发展的这种困境呢?
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PCI总线于 1991年由 Intel公司首先提出,并由 PCI
SIG(Special Interest Group)来发展和推广,
PCI SIG是一个包括 Intel,IBM,Compaq,Apple
和 DEC等 100多家公司在内的组织集团,1992.6 推出了
PCI 1.0版,1995年 6月 又推出了支持 64位数据通路、
66MHz工作频率的 PCI 2.1版,
由于 PCI总线先进的结构特性及其优异的性能,使之成为现代微机系统总线结构中的佼佼者,并被多数现代高性能微机系统所广泛采用,
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CPU 存储器
CPU总线
CPU总线 /PCI
总线桥（ 北桥 ）
PCI总线 /ISA
总线桥（ 南桥 ）
PCI图形适配器 PCI网卡
PCI硬盘控制器
PCI总线
ISA总线
ISA卡,,,ISA卡图 1.3 PCI总线结构框图
PCI总线的系统结构及特点
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由图 1.3可见,这是一个由 CPU总线,PCI总线及 ISA总线组成的 三层总线结构,
CPU总线 也称,CPU-主存总线”或“微处理器局部总线”,CPU是该总线的主控者,此总线实际上是 CPU引脚信号的延伸,
通过 桥芯片 (北桥和南桥 ),上边与高速的 CPU总线相连,
下边与 ISA总线相连,
PCI总线 是一个 32位 /64位总线,且其地址和数据是同一组线,分时复用,在现代 PC机 (如 Pentium系列 )主板上一般都有 3～ 4个 PCI总线扩充槽,
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在上述 PCI总线结构中,CPU总线,PCI总线及 ISA总线通过 两个桥芯片 连成一个整体,桥芯片起到信号缓冲、
电平转换和控制协议转换的作用,
人们通常将,CPU总线 /PCI总线桥”称为“北桥”,称
,PCI总线 /ISA总线桥”为“南桥”,
这种以“桥”的方式将两类不同结构的总线“粘合”在一起的技术特别能够适应系统 的升级换代,
每当微处理器改变时 只需改变 CPU总线和改动“北桥”
芯片,而全部原有外围设备及接口适配器仍可保留下来继续使用,从而保护了用户的投资,
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PCI总线的引脚信号
PCI总线的 数据宽度为 32位或 64位,地址总线为 32位
(可扩展至 64位 ).另外,它的地址线和数据线是 多路复用的,以节省引脚并减小连接器的尺寸,这些多路复用的引脚信号标识为 AD0～ AD63.(单片机 P0)
PCI总线有 5V和 3V两种插槽类型,每种插槽的全部引脚号均为 1～ 94(A1/B1～ A94/B94),32位卡只用 1～ 62
号,64位卡则占用全部 1～ 94号引脚,
其中,标为 res (reserved)的引脚为 保留未用 的引脚；
标为 code的引脚是防止将插卡插错而设置的接口标记,也称连接器钥匙 (connector key).
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(3) USB总线
(Universal Serial Bus,通用串行总线 )
USB概述
在传统的 PC机使用中,为了连接显示器、键盘、鼠标及打印机等外围设备,必须在 主机箱背后接上一大堆信号线缆及连接器端口,给 PC机的安装、放置及使用带来极大的不便,
另外,为了安装一个新的外设,除 需要关掉机器电源外,还需安装专门的设备驱动程序,否则,系统是不能正常工作的,这也给用户带来不少麻烦,
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USB总线 是 PC机与多种外围设备连接和通信的标准接口,
它是一个 所谓,万能接口,,可以取代传统 PC机上连接外围设备的所有端口 (包括串行端口和并行端口 ),用户几乎可以将 所有外设装置 ——包括键盘、显示器、鼠标、
调制解调器、打印机、扫描仪及各种数字音影设备,统一通过 USB接口与主机相接,
同时,它还可为 某些设备 (如数码相机、扫描仪等 )提供电源（手机充电）,使这些设备无须外接独立电源即可工作,USB是 1995年由称为,USB实现者论坛,(USB
Implementer Forum)的组织联合开发的新型计算机串行接口标准,
有许多著名计算机公司,如 Compaq,IBM,Intel,DEC及
Microsoft等均是该联合组织的重要成员,
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1996年 1月,颁布了 USB 1.0版本 规范,其主要技术规范是：
(1) 支持 低速 (1.5M bps)和全速 (12M bps)两种数据传输速率,前者用于连接键盘、鼠标器、调制解调器等外设装置；后者用于连接打印机、扫描仪、数码相机等外设装置,
(2) 一台主机最多可连接 127个 外设装置 (含 USB集线器 Hub 市面有卖的 )；连接节点 (外设或 Hub)间距可达 5米,可通过 USB集线器级联的方式来扩展连接距离,最大扩展连接距离可达 20米,
(3) 采用 4芯连接线缆,其中 两线用于以差分方式传输串行数据,另外两线用于提供 +5V电源,线缆种类有两种规格,即无屏蔽双绞线
(UTP)和屏蔽双绞线 (STP).前者适合于 1.5M bps的数据速率,后者适合于 12M bps的数据速率,
(4) 具有 真正的“即插即用”特性,主机依据外设的安装情况自动配置系统资源,用户无需关机即可进行外设更换,外设驱动程序的安装与删除完全自动化,
USB 2.0 速度更快（ 2000年） USB 2.0的理论传输速度最高可达到 480Mbps.图 1.4 表示了一个典型的 USB应用和配置情况,
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扫描仪、数码相机,U盘 …,..
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目前 新型主板一般配有 2-4个内建的 USB连接器,可以连接两个 USB设备,或一个连接 USB外设,另一个连接 USB
Hub； USB Hub还可以串接另一个 USB Hub,但是 USB Hub
连续串接最多不能超过 3个,
USB Hub自身也是 USB设备,它主要由信号中继器和控制器组成,中断器完成信号的整形、驱动并使之沿正确方向传递,控制器理解协议并管理和控制数据的传输,
四芯 USB线缆及连接器 情况如图 1.5所示,USB集线器 (USB
Hub)及其端口情况 如图 1.6所示,
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引脚
1
2
3
4
Vcc（电源）
Data＋
Data－
Ground（地）
(a) 4芯 USB线缆
1
2 3 4
A系列
2
1 3 4
B系列
(b) 两种类型的 USB连接器图 1.5 USB线缆及连接器端口 1 端口 2 端口 3
端口 4 端口 5 端口 6
上行端口连接至 USB主机图 1.6 USB集线器
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(4)高速总线接口 IEEE 1394(数码摄像机 )
USB总线是一种新型计算机外设接口标准,但 USB总线的数据传输主要还是适合于中、低速设备,而对于那些高速外设 (如多媒体数字视听设备 )就显得有些不够了,
IEEE 1394(又称 i.Link或 Fire Wire),是由 Apple公司和 TI(德克萨斯仪器 )公司 开发的高速串行接口标准,
其数据传输率已达 100M bps,200M bps,400M bps、
800M bps,即将达到 1Gbps和 1.6G bps.
而前一时期流行的 USB 1.1的通信速率仅为 12M
bps(2000年问世的 USB 2.0的速率也仅为 480M bps).
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采用 IEEE 1394标准,一次最多可将 63个 IEEE 1394设备接入一个总线段,设备间距可达 4.5米 ；如加转发器
(repeater)还可相距更远,
目前,人们正在进行将这个距离延伸至 25米 的尝试,最多 63个设备可以通过菊花链方式串接到单个 IEEE 1394
适配器上,另外,通过桥接器 (bridge),允许将 1000个以上的总线段互联,可见 IEEE 1394具有相当大的扩展能力,
使用专门设计的 6芯电缆,其中 两线用于提供电源
(连接在总线上的设备可以取得电压为直流 8V～ 40V、
电流可达 1.5A的电能 )；另外 四线分为两个双绞线对,
用于传输数据及时钟信号,图 1.17给出了 IEEE 1394的电缆及连接器情况,
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电脑主板上的接口
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与 USB相似,IEEE1394也完全支持,即插即用,(PnP).
任何时候,都可以在总线上添加或拆卸 IEEE 1394设备,
即使总线正处于全速运行的状态,
总线配置发生改变以后,节点地址会自动重新分配,而不需用户进行任何形式的介入,
通过 IEEE 1394连接的设备包括 多种高速外设如硬盘、
光驱、新式 DVD以及数码相机、数字摄录机、高精度扫描仪等,
一个 IEEE 1394的典型应用实例如图 1.18所示
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(5)高速图形端口 AGP
AGP(Accelerated Graphics Port,高速图形端口 )
在一般的 PC机中,三维图形卡与主存之间 是通过
PCI总线进行连接和通信的,其最大数据传输率仅为
132MB/S(兆字节 /秒 ).加之 PCI总线还接有其他设备
(如硬盘控制器、网卡、声卡等 ),所以,实际数据传输率远低于 132MB/S.
而三维图形加速卡在进行三维图形处理时不仅有极高的数据处理量,而且要求具有 很高的总线数据传输率,因此,这种通过 PCI总线的连接和通信方式,实际上成了 三维图形加速卡进行高速图形数据传送和处理的一大瓶颈,
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AGP是为解决 计算机三维图形显示中,图形纹理,数据传输瓶颈问题应运而生的,现在许多 PC机系统都增加了 AGP功能,
AGP是由 Intel公司 开发,并于 1996年 7月 正式公布的一项新型 视频接口 技术标准,它定义了一种高速的连通结构,把 三维图形控制卡从 PCI总线上分离出来,直接连在 CPU/PCI控制芯片组,(北桥 )上,形成专用的高速点对点通道 ——高速图形端口 (AGP).
图 1.8给出了 Pentium Ⅱ 系统中 AGP的连接以及系统中其他总线的情况,
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PentiumⅡ
处理器局部总线
(66MHz或 100MHz)
CPU/PCI桥芯片
(440LX或 440BX) 存储器
AGP视频控制卡
AGP接口
(66MHz)
局部帧缓冲区
PCI/ISA桥芯片 PCI卡 PCI卡
ISA卡 ISA卡
ISA总线 (8MHz)
USB总线 (12MB/s)
PCI总线 (22MHz或 66MHz)
图 1.8 PentiumⅡ 系统中的 AGP
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从严格的总线意义上讲,AGP并不是一种总线标准,因为总线通常是多个设备共享的资源,而 AGP仅为供 AGP视频控制卡专用的高速数据传输端口,
AGP允许视频卡能与系统 RAM(主存 )直接进行高速连接,
即支持所谓 DIME(Direct Memory Execute,直接存储器执行 )方式,当显存容量不够时,将主存当作显存来使用,
把耗费 显存 的三维操作全部放在 主存 中来完成,这样一可以节省显存,二可以充分利用现代 PC机大容量主存 (现已达 GB容量级 )的优越条件,
这在 三维图形操作 需要越来越多存储资源的今天显得特别重要,
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AGP可以工作于处理器的时钟频率下,若以 66MHz的基本频率 (实际为 66.66MHz)运行,则称为 基本 AGP
模式 (即 AGP 1X),每个时钟周期完成一次数据传输,
由于 AGP的数据传输宽度为 32位 (4字节 ),所以在
66MHz的时钟频率下能达到约 266MB/S的数据传输能力；
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此外,还定义了 AGP 2X模式,每个时钟周期完成两次数据传输 (宽度仍为 32位 ),速率达 533MB/S；大多数
AGP卡都工作在 2X模式,
AGP 2.0规范增加了 4X模式 的传输能力,每个时钟周期完成四次数据传输,达 1066MB/S(约 1GB/S)的数据传输速率,是传统 PCI数据传输率的 8倍,
现代 PC主板均全面支持 AGP2.0规范及 AGP 4X模式,
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本章小结本章概要介绍了计算机控制系统的构成原理,
硬件组成与软件组成,分别从计算机控制系统的控制方案与装置种类这两个不同的角度讨论分析了计算机控制系统的分类,后续章节将在本章的基础上渐次对计算机控制系统的各个组成部分展开讨论,
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思考题
1,计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？
2,分析说明图 1-3计算机控制系统的硬件组成及其作用,
3,计算机控制系统的软件由哪些部分构成？
4,按控制方案来分,计算机控系统划分成那几大类？
5．计算机控制装置可以分成哪几种机型？
