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1、第三章 思考題與習(xí)題3.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有什么主要特點(diǎn)?有哪幾種主要類型?答:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱工控機(jī),是為滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)與控制等要求而設(shè)計(jì)的一類計(jì)算機(jī)的總稱,它通常采用開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu),將各種過(guò)程通道做成相應(yīng)的模板或模塊,以便與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接連接,并配有功能齊全的控制軟件。目前,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)不但用于工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程控制,而且也直接參與生產(chǎn)調(diào)度管理,從而使工業(yè)自動(dòng)化在就地控制、集中控制的基礎(chǔ)上,向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。它與通用計(jì)算機(jī)相比有許多不同點(diǎn),其主要特點(diǎn)有:(1)可靠性高 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程大部分是連續(xù)不間斷的,在運(yùn)行期間不允許停機(jī)檢修,一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致質(zhì)

2、量事故甚至是生產(chǎn)事故。因此,它要求故障率低、維修時(shí)間短,可靠性高。(2)實(shí)時(shí)性好 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主要用于實(shí)時(shí)控制與檢測(cè),它必須滿足實(shí)時(shí)性。(3)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴(yán)重等,這要求它具備抗電磁干擾、防振、防潮、耐高溫等性能,可實(shí)現(xiàn)各種惡劣環(huán)境下控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。(4)輸入和輸出模板配套好 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有良好的過(guò)程通道,以滿足生產(chǎn)控制要求。(5)系統(tǒng)通信功能強(qiáng) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較好的串行通信和網(wǎng)絡(luò)功能,以構(gòu)成較大的計(jì)算機(jī)控制下圖,如現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)、DCS分布控制系統(tǒng)、CIMS綜合自動(dòng)化系統(tǒng)等等。(6)系統(tǒng)開(kāi)放性和擴(kuò)充性好 要求系統(tǒng)在軟件和硬件上具有開(kāi)放性,以便于

3、系統(tǒng)擴(kuò)充、異種機(jī)連接、軟件升級(jí)、移植和互換等。(7)控制軟件包功能強(qiáng) 以適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程控制的各種要求。(8)后備措施齊全和具有冗余性 應(yīng)具備系統(tǒng)冗余或雙機(jī)工作等方式,以滿足生產(chǎn)實(shí)際要求。其主要類型有:3.2 何為總線?何為總線標(biāo)準(zhǔn)?答:總線是連接一個(gè)或多個(gè)部件的一組電纜的總稱,通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線??偩€的特點(diǎn)在于公用性和兼容性,它能同時(shí)掛連多個(gè)功能部件,且可互換使用。 如果是兩個(gè)部件之間的專用信號(hào)連接線,就不能稱為總線。總線標(biāo)準(zhǔn)是指芯片之間、模板之間及系統(tǒng)之間,通過(guò)總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí),應(yīng)遵守的一些協(xié)議與規(guī)范。總線標(biāo)準(zhǔn)包括硬件和軟件兩個(gè)方面,如總線工作時(shí)鐘頻率、總線信號(hào)線定義

4、、總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總線仲裁機(jī)構(gòu)與配置機(jī)構(gòu)、電氣規(guī)范、機(jī)械規(guī)范和實(shí)施總線協(xié)議的驅(qū)動(dòng)與管理程序。通常說(shuō)的總線,實(shí)際上指的是總線標(biāo)準(zhǔn)。 3.3 何為接口?何為接口標(biāo)準(zhǔn)?總線標(biāo)準(zhǔn)與接口標(biāo)準(zhǔn)有何特點(diǎn)?答:3.4 總線有哪幾種形式?答:1根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途分類 (1)專用總線。只實(shí)現(xiàn)一對(duì)物理部件間連接的總線稱為專用總線,可同時(shí)完成收發(fā)。 (2)非專用總線。非專用總線可以被多種功能或多個(gè)部件所共享,所以也稱之為共享總線,可分時(shí)復(fù)用。 2根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境分類 (1)局部總線。又稱為芯片總線。它是微處理器總線的延伸,是微處理器與外部硬件接口的通路。它是構(gòu)成中央處理機(jī)或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。局部總線通常

5、包括地址總線(用于傳遞地址信息)、數(shù)據(jù)總線(用于傳遞數(shù)據(jù)信息)和控制總線(包括控制、時(shí)序和中斷信號(hào)線,用于傳遞各種控制信息,決定了總線的性能好壞)三類。 (2)系統(tǒng)總線(內(nèi)部總線(Internal Bus)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊(板)之間通信) 。由于微處理器芯片總線驅(qū)動(dòng)能力有限,所以大量的接口芯片不能直接掛在微處理器芯片上。系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線和板級(jí)總線,即微型計(jì)算機(jī)總線,用于各微處理機(jī)之間、模塊之間的通信,可用于構(gòu)成分布式多機(jī)系統(tǒng),如STD總線、PC總線等。 (3)外總線。又稱為通信總線,用于計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其它智能儀器儀表間的通信。外總線通常通過(guò)總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上,外總線如圖3所示

6、。常用的外總線有:連接智能儀器儀表的IEEE-488通用接口總線、RS-232C、RS-422、RS-485、USB串行通信總線等。3根據(jù)總線傳送信號(hào)的形式分類 (1)并行總線。如果用若干根信號(hào)線同時(shí)傳遞信號(hào),就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件來(lái)運(yùn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。 (2)串行總線。串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號(hào)。其特點(diǎn)是可以用幾根信號(hào)線在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息,主要用于數(shù)據(jù)通信。 上面提到的系統(tǒng)總線和局部總線均屬于并行總線范疇。而現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)則是連接工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。3.5 STD是什么總線?有

7、何特點(diǎn)?答:STD總線是內(nèi)部總線(板機(jī)總線),是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)連接各插件板的總線。由Matt Biewer研制,1978年由美國(guó)Pro-Log公司和Mostek公司首先作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定的8位工業(yè)I/O總線,以及隨后發(fā)展的16位總線,統(tǒng)稱為STD80。1987年正式成為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。STD總線采用同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STD總線的特點(diǎn):56根并行總線,采用小模板結(jié)構(gòu), 尺寸為165×114mm模塊化的總體設(shè)計(jì)布局開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擁有豐富的I/O功能模板的小尺寸設(shè)計(jì), 減少?zèng)_擊和震動(dòng)的影響特別適合用來(lái)組建小型自動(dòng)控制系統(tǒng)STD總線的信號(hào)分配56根并行總線都有明確的定義,按功能可分

8、為五大類(1)邏輯電源線6根(引線16) (2)數(shù)據(jù)總線8根(引線714)(3)地址總線16根(引線1530)(4)控制總線22根(引線3152)(5)輔助電源線4根(引線5356)在制定STD總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)以多種微處理器作為背景,許多類型的CPU引腳信號(hào)不必經(jīng)過(guò)多少邏輯變換就可以于STD總線連接,所以其總線接口簡(jiǎn)單可靠,且對(duì)地址和數(shù)據(jù)線采用復(fù)用技術(shù)既可用于8位系統(tǒng)也可用于16位系統(tǒng),系統(tǒng)地址空間可達(dá)16MB,同時(shí),設(shè)置有多種等級(jí)的電源,如±5V、±12V,以及多條地線,給多種類型的模板提供電源,特別適合于高精度模擬量輸入輸出電路綜上所述,STD總線具有良好的抗干擾、防振動(dòng)、抑

9、操聲的性能,接口簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng),簡(jiǎn)單易學(xué),容易普及并支持多微處理機(jī)系統(tǒng)。3.6 PC系列總線包括哪幾種?答:PC系列總線 是以8088/8086為CPU的IBM/XT及其兼容機(jī)的XT62總線基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的,從最初的XT總線到PCI局部總線、以及最新的PCI Express總線。包括:(1)ISA總線即AT總線,是在XT總線基礎(chǔ)上擴(kuò)充設(shè)計(jì)的16位總線其尋址空間最大16MB,操作速度為8MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為16MB/s。(2)EISA總線(Extend ISA)是32為總線,支持總線主控,其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)32MB/s。(3)VL總線也稱VESA Lacal總線,它是局部總線(local Bus

10、)標(biāo)準(zhǔn),是ISA總線的簡(jiǎn)單擴(kuò)展,可以與ISA或EISA總線同時(shí)使用。由通過(guò)ISA總線進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換改為CPU總線直接進(jìn)行,傳送速度與CPU一致,局部總線設(shè)備可直接連接到處理器總線,并以處理器的時(shí)鐘速率運(yùn)行。(4)PCI(外部設(shè)備連接接口)總線, PCI(Peripheral Component Interconnect)是美國(guó)SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集團(tuán)推出的64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率為80Mby/s(峰值傳輸率為133Mby/s)(5)PCI Express

11、總線是在PCI基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的第3代內(nèi)部總線,解決了PCI總線的帶寬問(wèn)題目前工業(yè)PC機(jī)大多采用ISA總線(AT總線)或PCI總線3.7 PCI總線有何特點(diǎn)?答:PCI總線的特點(diǎn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)它是一種兼容性很強(qiáng)、功能齊全的計(jì)算機(jī)總線??赏瑫r(shí)支持多組外圍設(shè)備,且不受制于處理器,為CPU及外圍設(shè)備高性能、高吞吐量、低延遲的數(shù)據(jù)通道。PCI支持5V及3.3V的通信環(huán)境,其主要特點(diǎn)有:傳輸速率高。數(shù)據(jù)寬度是32位(64位),總線時(shí)鐘33MHz(66MHz),最大傳輸速率為132MB/s(264MB/s)采用總線主控和同步操作。主控可讓智能外圍設(shè)備暫時(shí)接管總線,以加速執(zhí)行高吞吐量、高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。同步操作功能

12、可保證微處理器與執(zhí)行主控者的同時(shí)操作,無(wú)需等待后者完成任務(wù)再操作。PCI執(zhí)行與CPU異步工作。PCI總線的工作頻率固定為33MHz(66MHz),與CPU的工作頻率無(wú)關(guān),因此,PCI總線不受微處理器控制。 低成本、高效益。PCI的芯片將系統(tǒng)功能高度集成,節(jié)省了邏輯電路,占用較小的電路板空間。PCI部件采用地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用,使PCI部件用以連接其他部件的引腳數(shù)較少。軟件兼容性好。由于PCI的設(shè)計(jì)是輔助現(xiàn)有的擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn),因此它與ISA、EISA及MCA總線在軟件上完全兼容,使用戶的先前投資得到保證。PCI總線是一種高性能32/64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線。在高度集成的外圍控制器件、外圍插件板和處理器/

13、存儲(chǔ)器之間作為互連機(jī)構(gòu)應(yīng)用。在一個(gè)PCI系統(tǒng)中,可做到高速和低速外圍設(shè)備共存,PCI總線與ISA/EISA總線共存。3.8 PCI總線信號(hào)分哪兩類?答:在PCI應(yīng)用系統(tǒng)中,取得總線控制權(quán)的設(shè)備稱為“主設(shè)備”,而被主設(shè)備選中進(jìn)行通信的設(shè)備稱為“從設(shè)備”或“目標(biāo)設(shè)備”。相應(yīng)的接口信號(hào)線通常分為必備的和可選的兩大類。若只作為目標(biāo)設(shè)備,至少需47條接口信號(hào)線,若作為主設(shè)備,則需要49條。利用這些信號(hào)線可處理數(shù)據(jù)、地址,實(shí)現(xiàn)接口控制、仲裁以及系統(tǒng)功能。3.9 PCI總線定義了哪3種物理地址空間?其中配置空間有何作用?答:PCI總線定義了3種物理地址空間:內(nèi)存地址空間、I/O地址空間和配置空間。前兩者為通

14、常意義的地址空間。PCI總線配置空間的目的是提供一個(gè)合適的配置設(shè)備集合,使其滿足當(dāng)前和未來(lái)系統(tǒng)配置特性的需要。配置空間是一個(gè)容量為256B并具有特定紀(jì)錄結(jié)構(gòu)的地址空間,該空間分為頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備相關(guān)區(qū)兩部分。軟件必須使用I/O,通過(guò)內(nèi)存的存取來(lái)訪問(wèn)設(shè)備配置空間。其結(jié)構(gòu)如圖3.10 簡(jiǎn)要介紹PCI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕静僮饕?guī)則(協(xié)議)。答:PCI總線的基本操作規(guī)定(協(xié)議):基本的總線傳輸機(jī)制:一次突發(fā)傳輸包括一個(gè)地址期和一個(gè)或若干個(gè)數(shù)據(jù)期。除RST#、INTA#INTD#之外的所有信號(hào)都是在時(shí)鐘的上升沿被采樣。PCI總線上數(shù)據(jù)傳輸基本上都由FRAME#,IRDY#,TRDY#三條信號(hào)線控制。 當(dāng)FRAM

15、E#和IRDY#都無(wú)效時(shí),接口處于空閑狀態(tài)。FRAME#信號(hào)建立后的第一個(gè)時(shí)鐘前沿是地址期,在這個(gè)時(shí)鐘前沿上傳送地址和總線命令。下一個(gè)時(shí)鐘前沿開(kāi)始一個(gè)或若干個(gè)數(shù)據(jù)期,IRDY#,TRDY#同時(shí)有效時(shí),所有時(shí)鐘前沿進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸。 無(wú)論是主設(shè)備還是目標(biāo)設(shè)備,一旦承諾了數(shù)據(jù)傳輸,就要進(jìn)行到本次傳輸完成。FRAME#撤銷而IRDY#建立,表示主設(shè)備準(zhǔn)備好了最后一次數(shù)據(jù)傳輸,等到目標(biāo)設(shè)備發(fā)出TRDY#信號(hào),就標(biāo)志著最后一次傳輸完成。 3.11 Compact PCI總線與PCI總線有何共同點(diǎn)與不同點(diǎn)?答:3.12 RS-232C和RS-485是什么總線?試對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。答:RS-232C和RS-4

16、85是外部總線。主要用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信。 RS-232C串行總線是國(guó)際電子工業(yè)學(xué)會(huì)正式公布的串行總線標(biāo)準(zhǔn),也是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn),用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的同步或異步通信。采用RS-232C作為串行通信時(shí),通信距離可達(dá)12m,傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整,最大可達(dá)20kbps。 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)一般至少有兩個(gè)RS232串行口COM1和COM2,通常COM1使用的是9針D形連接器,而COM2使用的是老式的DB25針連接器RS-232C的電氣線路連接方式如圖。接口為非平衡型,每個(gè)信號(hào)用一根導(dǎo)線,所有信號(hào)回路公用一根地線。信號(hào)速率限于

17、20Kbit/s內(nèi),電纜長(zhǎng)度限于15m之內(nèi)。由于是單線,線間干擾較大。其電性能用±12V。注意:RS-232C采用負(fù)邏輯 在數(shù)據(jù)線TXD和RXD上:邏輯高電平為-3V-15V,邏輯低電平為+3V+15V;在控制線和狀態(tài)線RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上:信號(hào)有效電平為3V15V,信號(hào)無(wú)效電平為-3V-15V。 RS232C邏輯狀態(tài)定義的正負(fù)電壓范圍與TTL高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此,為了能夠使計(jì)算機(jī)接口與終端的TTL器件連接,必須在RS232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。RS-232C既是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)又是電氣標(biāo)準(zhǔn),它描述了在終端和通信設(shè)備之間信息交換的方式和

18、功能。然而,RS-232C有一系列不足: (1)數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20kbps; (2)傳輸距離較短; (3)該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定連接器,因而設(shè)計(jì)方案不盡相同,這些方案有時(shí)互不兼容; (4)每個(gè)信號(hào)只有一根導(dǎo)線,兩個(gè)傳輸方向共用一個(gè)信號(hào)地線; (5)接口使用不平衡的發(fā)送器和接收器,可能在各信號(hào)成分間產(chǎn)生干擾。針對(duì)RS-232C串口標(biāo)準(zhǔn)的局限性,又提出了RS-485、RS-422接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信:發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào),通過(guò)兩路輸出,經(jīng)過(guò)線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。由于傳輸線通常使用雙絞線,又是差分傳輸,所以

19、有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力,總線收發(fā)器靈敏度很高,可以檢測(cè)200mV電壓。RS-485接口采用二線差分平衡傳輸。差分電路的最大優(yōu)點(diǎn)是抑制噪聲。由于在它的兩根信號(hào)線上傳遞著大小相同、方向相反的電流,而噪聲電壓往往在兩根導(dǎo)線上同時(shí)出現(xiàn),一根導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓會(huì)被另一根導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓抵消,因而可以極大地削弱噪聲對(duì)信號(hào)的影響。RS-485/422最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mbps,傳輸速率與傳輸距離成反比,在100kbps的傳輸速率下,才可以達(dá)到最大的通信距離, RS-485采用半雙工工作方式,支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。RS-485總線網(wǎng)絡(luò)一般采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu),即采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái),不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。利用RS-485接口可以使一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)送器與接收器互聯(lián),在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或帶微處理器的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信,形成分布式測(cè)控系統(tǒng)。大多數(shù)應(yīng)用中,RS-485的端口連接采用半雙工通信方式,多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共享一條信號(hào)通路。兩個(gè)120的電阻為總線終端電阻,當(dāng)終端電阻等于電纜的特征阻抗時(shí),可以削弱甚至消除信號(hào)的反射。RS-485的驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)32個(gè)單位負(fù)載。在半雙工連接時(shí),

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