第2章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

實(shí)驗(yàn)課：s2073班三組周二1-2，周四5-6，周五1-24班三組周三1-2,周三5-6，周五5-6第2章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)2.1總線技術(shù)2.2總線擴(kuò)展技術(shù)2.3數(shù)字量輸入輸出接口與過程通道2.4模擬量輸入接口與過程通道2.5模擬量輸出接口與過程通道2.6基于串行總線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件技術(shù)2.7硬件抗干擾技術(shù)2.1總線技術(shù)2.1.1總線的定義、層次結(jié)構(gòu)及種類所謂總線，就是計(jì)算機(jī)各模塊之間互聯(lián)和傳送信息（指令、地址和數(shù)據(jù)）的一組信號(hào)線。以微處理器為核心，總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，而內(nèi)部總線又可分為片級(jí)總線和系統(tǒng)總線。片級(jí)總線包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、I2C總線、SPI總線、SCI總線等；系統(tǒng)總線包括ISA總線、EISA總線、VESA總線、PCI總線等；外部總線包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等總線。另外，在工業(yè)控制中，還定義了其它總線，如：VME、STD、PC-104、CompactPCI等。2.1.2數(shù)據(jù)通信技術(shù)

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，很多情況下是由多臺(tái)PC工控機(jī)或單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成所謂的多機(jī)系統(tǒng)。在多機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間或計(jì)算機(jī)之間需要相互通信，數(shù)據(jù)共享，而大的測(cè)控系統(tǒng)的相互通信，距離往往有遠(yuǎn)有近，機(jī)型互有區(qū)別，不同類型計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換依賴于標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)。1.數(shù)據(jù)通信的基本概念我們把PC機(jī)、單片機(jī)和外圍設(shè)備之間的相互數(shù)據(jù)交換稱為數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信方式有兩種，即并行數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信。具體的通信方式的選擇，取決于通信距離的長(zhǎng)短，以及對(duì)通信通道的資源要求。距離短可考慮采用并行通信，距離長(zhǎng)則要考慮采用串行方式。

并行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)各位同時(shí)進(jìn)行傳送（發(fā)送和接受）的通信方式。優(yōu)點(diǎn)是傳遞速度快；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，在硬件上就需要多少根通信線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)傳輸位數(shù)多，距離長(zhǎng)的時(shí)候不適宜用并行方式傳輸。理論上講，并行傳輸N位數(shù)據(jù)的時(shí)間為t，那么串行傳送的時(shí)間至少為Nt，實(shí)際上總是大于Nt，右圖所示為并行和串行通信的連接示意圖。串行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序進(jìn)行傳送的通信方式。其突出優(yōu)點(diǎn)是使用的傳輸線少，只需要一對(duì)傳輸線就可以滿足要求，這樣大大降低了傳送的成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，當(dāng)然其傳輸速度比并行通信要慢。2.串行通信數(shù)據(jù)傳送方式根據(jù)通信雙方的分工和信號(hào)傳輸方向可將通信分為三種方式：?jiǎn)喂?、半雙工與全雙工。

（1）單工方式。通信雙方設(shè)備中發(fā)送器與接收器分工明確，只能由發(fā)送器向接收器的單一固定方向上傳送數(shù)據(jù)。（2）半雙工方式。通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺(tái)設(shè)備可以相互傳送數(shù)據(jù)，但某一時(shí)刻只能向一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)。

（3）全雙工方式。通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送數(shù)據(jù)。如下圖所示為串行通信數(shù)據(jù)傳送方式的示意圖。

串行數(shù)據(jù)通信的方式分為異步通信和同步通信兩種，它們的主要區(qū)別在于信息格式上的不同。

3.異步通信異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀的傳送，所謂數(shù)據(jù)的幀是指包含一個(gè)字符代碼或一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，每一個(gè)串行幀的數(shù)據(jù)格式如下圖所示。4.同步通信（1）同步通信方式的特點(diǎn)在傳送大量數(shù)據(jù)時(shí)，為了提高傳送信息的效率，采用一個(gè)數(shù)據(jù)塊共用一個(gè)同步字作為起始位的格式，叫同步通信方式，如下圖所示。

1.RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)及接口串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表RS-232的最新一次修改（1969）。目前在PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。2.1.3串行外部總線簡(jiǎn)介★RS232的信號(hào)傳輸模式如圖所示。由上圖可知，RS232的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電位是參考地線而來的，傳輸端參考接地端1來傳送數(shù)據(jù)；接收端則參考接地端2來還原出傳輸端的信號(hào)；在兩個(gè)接地端同電位的前提下，傳輸端與接收端的信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出相同的結(jié)果。如果有噪聲進(jìn)入到傳輸線路中，可能會(huì)產(chǎn)生干擾?！锔蓴_信號(hào)在地線和信號(hào)上均會(huì)產(chǎn)生影響，原始信號(hào)在加上干擾信號(hào)后依然傳送到接收端；而地線部分的信號(hào)則被地電位給抵消掉了，因此信號(hào)發(fā)生了扭曲，當(dāng)然整個(gè)信號(hào)就不對(duì)了。如下圖所示。單端驅(qū)動(dòng)單端接收不平衡驅(qū)動(dòng)非差分接收電路,數(shù)據(jù)傳輸速率低，傳輸距離短。2.RS-485串行通信

RS-485的信號(hào)在傳送出去之前會(huì)先分解成正負(fù)的兩條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收端后，再將信號(hào)相減還原成原來的信號(hào)。如果將原始的信號(hào)標(biāo)注為（DT）,而被分解后的信號(hào)分別標(biāo)注為（D+）和（D-），則原始信號(hào)與分解后的信號(hào)在由傳輸端傳送出去時(shí)的運(yùn)算關(guān)系為：（DT）=（D+）-（D-）同樣地，接收端在接收到信號(hào)后，也按上式的關(guān)系還原成原來的樣子。其信號(hào)的傳輸方式如下圖所示。平衡驅(qū)動(dòng)（雙絞線）和差分接收方法，半雙工工作方式

如果傳輸線路受到干擾，如下圖所示。這時(shí)，在兩條傳輸線上的信號(hào)會(huì)分別成為（D+）+Noise和（D-）+Noise，如果接收端接收此信號(hào)，它必須按照一定的方式將其合成，如下（DT）=[（D+）+Noise]-[（D-）+Noise]=（D+）-（D-）所以，使用RS485串口通信可以有效地防止噪聲干擾，也正因?yàn)檫@種特性，工業(yè)上使用這種串行傳輸方式較多。3.USB通用串行總線通用串行總線USB（UniversalSerialBus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接。（1）具有熱插拔功能，設(shè)備可以在計(jì)算機(jī)打開狀態(tài)下連接到USB端口。（2）采用“級(jí)聯(lián)”方式連接各個(gè)外部設(shè)備，（3）適用于低速外設(shè)連接，也可以連接數(shù)字相機(jī)一類的較高速外設(shè)。

●

RS-232/RS-422/RS-485串行通信總線

（1）平衡和不平衡傳輸方式

（2）RS-232C（3）RS-422A/RS-485（4）RS-485多點(diǎn)互連采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制，需要采集生產(chǎn)過程中的各種必要信息（參數(shù)），并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)據(jù)形式。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制機(jī)必須經(jīng)過輸入輸出接口和過程通道與生產(chǎn)過程相連，輸入輸出接口和過程通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分。輸入輸出過程通道是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間進(jìn)行信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，簡(jiǎn)稱過程通道。過程通道按變換傳遞信號(hào)的種類分為模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。

2.2過程通道和輸入輸出接口輸入輸出接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道和橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。外部設(shè)備的各種信息通過輸入接口送到計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)的各種信息通過輸出接口送到外部設(shè)備。

生產(chǎn)過程的各種參數(shù)通過模擬量輸入通道或數(shù)字量輸入通道送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算和處理后的結(jié)果通過模擬量輸出通道或數(shù)字量輸出通道送到生產(chǎn)過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。2.2.1過程通道的一般結(jié)構(gòu)（1）過程通道的一般結(jié)構(gòu)，如圖所示。

（2）輸入過程通道的結(jié)構(gòu)類型輸入通道的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種。①

單信號(hào)通道類型高電壓、大電流模擬信號(hào)，低電壓、小電流模擬信號(hào)，脈沖信號(hào)，開關(guān)信號(hào)等，它們對(duì)應(yīng)的輸入通道結(jié)構(gòu)如下圖所示。

V/F轉(zhuǎn)換器是把測(cè)量的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成與這些參數(shù)成比例的TTL電平的頻率信號(hào)，若用作A/D轉(zhuǎn)換，具有良好的精度、線性和積分輸入特性，但轉(zhuǎn)換速度要比A/D要慢很多。②多信號(hào)輸入通道類型多路模擬信號(hào)的采集采用多路模擬開關(guān)分時(shí)進(jìn)行，在多路模擬信號(hào)輸入通道中，一般共享一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。如圖所示。

當(dāng)傳感器或變送器輸出信號(hào)電壓較大時(shí)，多路開關(guān)可直接和傳感器（或變送器）輸出相連，并在多路開關(guān)后設(shè)置放大電路，如圖所示。

圖中采用了共用放大電路的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)各種放大信號(hào)相差比較大的時(shí)候，宜采用可編程增益放大器，根據(jù)不同信號(hào)選擇不同增益，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。（3）輸出過程通道的結(jié)構(gòu)類型輸出過程通道根據(jù)輸出信號(hào)形式和控制對(duì)象的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式如圖所示。①輸出的數(shù)字量要經(jīng)過光電隔離。②需要利用D/A進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.2.2輸入輸出接口

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，外部設(shè)備是不能直接與中央處理單元（CPU）相連的，因?yàn)樗鼈兊乃俣?、?shù)據(jù)格式不一定相同，信號(hào)形式也不一定相匹配。為便于兩者交換信息，需要通過一個(gè)中間環(huán)節(jié)將CPU和外部通道連接起來，該中間環(huán)節(jié)就是接口電路。其可分為并行和串行接口，具有以下功能。

①數(shù)據(jù)緩沖計(jì)算機(jī)的工作速度很快，過程通道和外部設(shè)備的工作速度相比則是比較慢的，利用接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，協(xié)調(diào)兩者的工作等。②信號(hào)轉(zhuǎn)換過程通道和外部設(shè)備提供的狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)與計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信號(hào)一般是不相同的，利用接口電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，如電平變換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

③驅(qū)動(dòng)功能由于計(jì)算機(jī)總線的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力有限，當(dāng)需要連接多臺(tái)外部設(shè)備時(shí)，總線資源可能不夠。利用接口電路可以提高總線的負(fù)載能力，使一個(gè)接口與多個(gè)外部設(shè)備相連接，充分利用計(jì)算機(jī)的硬件資源。④中斷管理外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)的溝通，一個(gè)重要的手段就是采用中斷處理技術(shù)。采用具有中斷控制管理功能的接口，便于計(jì)算機(jī)處理有關(guān)中斷事物，包括提出中斷請(qǐng)求、中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)等。

1.I/O端口在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU與外設(shè)所交換的信息有數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，為了CPU對(duì)外設(shè)的尋址，還要有地址信息。為保證信息的正確傳送，I/O接口中有三種端口，即數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口，負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)信息的傳送。接口內(nèi)部一般設(shè)置若干寄存器，用于暫存CPU和外設(shè)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息，相應(yīng)的寄存器分別成為數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器。這些能夠被CPU直接訪問的寄存器統(tǒng)稱為端口（1）數(shù)據(jù)端口：用于存放外設(shè)送往CPU的數(shù)據(jù)以及CPU輸出到外設(shè)去的數(shù)據(jù)。緩沖作用（2）狀態(tài)端口：主要用來指示外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。準(zhǔn)備就緒位（Ready），外設(shè)忙位（Busy），錯(cuò)誤位（Error）。（3）命令端口：控制端口，用來存放CPU向接口發(fā)出的各種命令和控制字，以便控制接口和設(shè)備的動(dòng)作。

2.輸入輸出通道接口實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由于規(guī)模、開發(fā)目的不同，采用不同的芯片以及測(cè)控對(duì)象的多樣化，結(jié)構(gòu)形式多種多樣，相應(yīng)的過程通道的接口也有所不同。若用硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好，速度快；若用軟件實(shí)現(xiàn)，可以方便系統(tǒng)功能的改變。1).采用I/O接口芯片實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用通用I/O接口芯片實(shí)現(xiàn)，也可選用現(xiàn)成的I/O接口模板實(shí)現(xiàn)。采用通用I/O接口芯片自行開發(fā)設(shè)計(jì)，針對(duì)性強(qiáng)、成本低，但周期長(zhǎng)；選用現(xiàn)場(chǎng)的I/O接口模板開發(fā)周期短。

●常見的接口集成芯片有地址和數(shù)據(jù)鎖存器74LS273、74LS373，8位并行I/O接口8212，8位雙向三態(tài)輸出數(shù)據(jù)緩沖器8266、8287，8位三態(tài)雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245，外部地址譯碼器74LS138、74LS139等。

●另一類功能極強(qiáng)的接口芯片為可編程接口芯片。芯片內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，CPU通過向控制寄存器寫入控制命令來決定接口的功能?？删幊探涌诰哂杏布目焖傩?，又具有軟件編程的靈活性，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。常用的可編程接口芯片有并行接口8255A/8155/8156、串行接口8251A、中斷控制器8259A、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253/8254、DMA控制器8237A以及鍵盤和顯示器接口8279等。

2).單板式整體結(jié)構(gòu)將測(cè)控系統(tǒng)制作成一個(gè)獨(dú)立的裝置，接口設(shè)備與CPU制作成一體，就形成了單板式結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行軟件開