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文檔簡介
5.1概述5.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)5.3計(jì)算機(jī)接口技術(shù)5.4計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)5.5D/A轉(zhuǎn)換器5.6A/D轉(zhuǎn)換器思考題機(jī)電一體化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)軟、硬件占有相當(dāng)重要的地位,它代表著系統(tǒng)的先進(jìn)性和智能特性。計(jì)算機(jī)以其運(yùn)算速度快、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)勢,被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)用于機(jī)電一體化系統(tǒng)或工業(yè)控制領(lǐng)域是近年來發(fā)展非常迅速的技術(shù)。例如,衛(wèi)星跟蹤天線的控制,電氣傳動(dòng)裝置的控制,數(shù)控機(jī)床,工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、力控系統(tǒng),飛機(jī)、大型油輪的自動(dòng)駕駛儀等等。現(xiàn)在,當(dāng)你走進(jìn)一個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)車間時(shí),將會(huì)看到許多常規(guī)的控制儀表和調(diào)節(jié)器已經(jīng)被計(jì)算機(jī)所取代,計(jì)算機(jī)正在不斷監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程,對(duì)生產(chǎn)中的各種參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速和成分等進(jìn)行采樣,迅速進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,打印和顯示生產(chǎn)工藝過程的統(tǒng)計(jì)數(shù)字和參數(shù),并發(fā)出各種控制命令。5.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成
將模擬式自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn),就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),如圖5-1所示。因此,簡單地說,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的
工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。5.1概述圖5-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī),可以充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)。在系統(tǒng)中,由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào),因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,才能輸入計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收了給定量和反饋量后,依照偏差值,按某種控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算(如PID運(yùn)算),計(jì)算結(jié)果(數(shù)字信號(hào))再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器,將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu),便完成了對(duì)系統(tǒng)的控制作用。
典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用圖5-2來示意,它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計(jì)算機(jī)本身及其外圍設(shè)備,一般包括中央處理器,內(nèi)存儲(chǔ)器,磁盤驅(qū)動(dòng)器,各種接口電路,以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道,以及各種顯示、記錄設(shè)備,運(yùn)行操作臺(tái)等。圖5-2典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖
(1)由中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等功能,并
通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令,指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。
(2)操作臺(tái)是人—機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。操作人員可通過操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù),發(fā)出各種操作命令;計(jì)算機(jī)可向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況,發(fā)出報(bào)警信號(hào)。操作臺(tái)一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器等。
(3)通用外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。它們用來顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。常用的有打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器(CRT)、軟盤、硬盤及外存儲(chǔ)器等。
(4)I/O接口與I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口,I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中,模擬量I/O通道的作用是:一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī);另一方面將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。數(shù)字量通道的作用是,除完成編碼數(shù)字輸入/輸出外,還可將各種繼電器、限位開關(guān)等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計(jì)算機(jī),或?qū)⒂?jì)算機(jī)發(fā)出的開關(guān)動(dòng)作邏輯信號(hào)經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機(jī)械中的各個(gè)電子開關(guān)或電磁開關(guān)。
(5)傳感器的主要功能是將被檢測的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量,如熱電偶把溫度變成電壓信號(hào),壓力傳感器把壓力變成電信號(hào)等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號(hào)
轉(zhuǎn)變成適用于計(jì)算機(jī)接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(如0~10mADC)。
此外,為了控制生產(chǎn)過程,還需有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開關(guān),電液伺服閥,交、直流電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等等。
軟件是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中具有各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和,如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計(jì)算和自診斷等功能的程序。整個(gè)系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。以功能區(qū)分,軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。
系統(tǒng)軟件是由計(jì)算機(jī)的制造廠商提供的,用來管理計(jì)算機(jī)本身的資源和方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等,它們一般不需用戶自行設(shè)計(jì)編程,只需
掌握使用方法或根據(jù)實(shí)際需要加以適當(dāng)改造即可。
應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序,比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序,控制量計(jì)算程序,生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,軟件和硬件不是獨(dú)立存在的,在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩者相互間的有機(jī)配合和協(xié)調(diào),只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。5.1.2計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式
根據(jù)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用方式,可以把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)劃分為四類,它們是:操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)
如圖5-3所示,在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對(duì)象。計(jì)算機(jī)只是對(duì)生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行采集,然后根據(jù)一定的控制算法計(jì)算出供操作人員參考、選擇的操作方案和最佳設(shè)定值等,操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值,或者根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的控制量執(zhí)行相應(yīng)的操作。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,控制靈活安全,特別適用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng),常常被用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研制的初級(jí)階段,或用于試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序等。由于最終需人工操作,故它不適用于快速過程的控制。圖5-3計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖
2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)
直接數(shù)字控制DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式,其結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。計(jì)算機(jī)通過輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行巡回檢測,并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算,然后發(fā)出控制信號(hào),通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖5-4直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過程,它不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器,實(shí)現(xiàn)多回路的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié),而且不需改變硬件,只需通過改變程序就能實(shí)現(xiàn)多種較復(fù)雜的控制規(guī)律,如串級(jí)控制、前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制及最優(yōu)控制等。
3.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
在監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值,并按照所設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出最佳設(shè)定值后直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計(jì)算機(jī),最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型,一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器,另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖5-5所示。圖5-5監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖
(a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng);(b)SCC+DDC系統(tǒng)
(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。
在這種類型的系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)對(duì)各過程參量進(jìn)行巡回檢測,并按一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計(jì)算后得出被控對(duì)象各參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定值送給調(diào)節(jié)器,使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。
當(dāng)SCC計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí),可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立執(zhí)行控制任務(wù)。
(2)SCC+DDC的控制系統(tǒng)。
這是一種二級(jí)控制系統(tǒng),SCC可采用較高檔的計(jì)算機(jī),它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息交換。SCC計(jì)算機(jī)完成工段、車間等高一級(jí)的最優(yōu)化分析和計(jì)算,然后給出最優(yōu)設(shè)定值,
送給DDC計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制。通常在SCC系統(tǒng)中,選用具有較強(qiáng)計(jì)算能力的計(jì)算機(jī),其主要任務(wù)是輸入采樣和計(jì)算設(shè)定值。由于它不參與頻繁的輸出控制,可以有時(shí)間進(jìn)行具有復(fù)雜規(guī)律的控制算式的計(jì)算,因此,SCC能進(jìn)行最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等,并能完成某些管理工作。SCC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不僅可進(jìn)行具有復(fù)雜控制規(guī)律的控制,而且其工作可靠性較高;當(dāng)SCC出現(xiàn)故障時(shí),下級(jí)仍可繼續(xù)執(zhí)行控制任務(wù)。
4.分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
生產(chǎn)過程中既存在控制問題,也存在大量的管理問題。同時(shí),設(shè)備一般分布在不同的區(qū)域,其中各工序、各設(shè)備同時(shí)并行地工作,基本上是相互獨(dú)立的,故全系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是功能分散,用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能,既能進(jìn)行控制又能實(shí)現(xiàn)管理。
圖5-6是一個(gè)四級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其中,過程控制級(jí)為最底層,對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)字控制;車間管理級(jí)負(fù)責(zé)本車間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理;工廠管理級(jí)負(fù)責(zé)全廠各車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào),包括安排生產(chǎn)計(jì)劃、備品備件等;企業(yè)(公司)管理級(jí)負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào),安排總生產(chǎn)計(jì)劃,進(jìn)行企業(yè)(公司)經(jīng)營方向的決策等。
圖5-6計(jì)算機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng)5.1.3典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)
1.計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)
用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度、壓力、流量、液面、速度等過程參數(shù)進(jìn)行測量與控制的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)。圖5-7介紹了工業(yè)爐計(jì)算機(jī)控制的典型情況,其燃料為燃料油或者煤氣,為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒,必須保持燃料和空氣的比值恒定。圖中描述了燃料和空氣的比值控制過程,它可以防止空氣太多時(shí),過??諝鈳ё叽罅繜崃浚灰部煞乐巩?dāng)空氣太少時(shí),由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生過多的一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫,將測得的爐溫送入計(jì)算機(jī)計(jì)算,進(jìn)而控制燃料和空氣閥門的開度。為了保持爐膛壓力恒定,避免在壓力過低時(shí)從爐墻的縫隙處吸入大量過剩空氣,或在壓力過高時(shí)大量燃料通過縫隙逸出爐外,同時(shí)還采用了壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī),進(jìn)而控制煙道出口擋板的開度。此外,為了提高爐子的熱效率,還需對(duì)爐子排出的廢氣進(jìn)行分析,一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧,通過計(jì)算而得出其熱效率,用以指導(dǎo)燃燒調(diào)節(jié)。圖5-7工業(yè)爐的計(jì)算機(jī)控制
2.微型計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
由于微型計(jì)算機(jī)具有極好的快速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理能力,因此電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的許多控制要求很容易在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。例如,變流裝置的非線性補(bǔ)償,啟動(dòng)和調(diào)速時(shí)選用不同的控制方式或不同的控制參數(shù),四象限運(yùn)行時(shí)的邏輯切換,在PWM型逆變器、交—交變頻或某些生產(chǎn)機(jī)械傳動(dòng)控制中要求的電壓、電流基準(zhǔn)曲線等,經(jīng)采用了計(jì)算機(jī)控制后,大大提高了系統(tǒng)的性能。
圖5-8是計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其中,晶閘管觸發(fā)器、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖5-8計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)
3.計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)
采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)順序控制和數(shù)字程序控制是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)重要方面。它廣泛地應(yīng)用于機(jī)床控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制、運(yùn)輸機(jī)械控制等許多工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。
所謂順序控制系統(tǒng),是指使生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī)定的時(shí)序(或現(xiàn)場輸入條件等)順序動(dòng)作的自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前這類系統(tǒng)中多采用微處理器構(gòu)成的可編程序控制器(PC或PLC)??删幊绦蚩刂破魇褂梅奖?,可靠性高,應(yīng)用廣泛。所謂數(shù)字程序控制系統(tǒng),是指能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù),控制生產(chǎn)機(jī)械按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)完成工作的自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)字程序控制系統(tǒng)(通常簡稱數(shù)控)一般用于機(jī)床控制系統(tǒng)中,這類機(jī)床被稱為數(shù)控機(jī)床。
目前數(shù)控系統(tǒng)多采用16位或32位工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)或多微處理機(jī)系統(tǒng)控制。它按運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)和輪廓(軌跡)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)中,被控機(jī)構(gòu)(如刀具
)在移動(dòng)中不進(jìn)行加工,對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒有具體要求,只要能準(zhǔn)確定位即可,它適用于數(shù)控鉆床、沖床等類機(jī)床的控制。輪廓控制系統(tǒng)中,被控機(jī)構(gòu)按加工件的設(shè)計(jì)輪廓曲線連續(xù)地移
動(dòng),并在移動(dòng)中進(jìn)行加工,最終將加工件加工成所需的形狀,它適用于數(shù)控銑床、車床、線切割機(jī)、繡花機(jī)等機(jī)床和生產(chǎn)機(jī)械的控制。在圖5-9中表示出一個(gè)在線、開環(huán)、實(shí)時(shí)的簡單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。
根據(jù)所使用的軟件,該系統(tǒng)既可以設(shè)計(jì)成平面點(diǎn)位控制系統(tǒng),又可設(shè)計(jì)成平面輪廓控制系統(tǒng)。圖中的微型計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心部件,它完成程序和數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、加工軌跡計(jì)算和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序、顯示程序、故障診斷程序等控制程序的執(zhí)行等。圖5-9簡單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖圖5-10智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu)
4.工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的可替代人進(jìn)行工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng),它主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、夾持器、手臂和各種傳感器組成。工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)ατX
、觸覺、視覺等外部反饋信息進(jìn)行感知、理解、決策,并及時(shí)按要求驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置和語音系統(tǒng)完成相應(yīng)的任務(wù)。圖5-10給出了智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu),它是一個(gè)多級(jí)的計(jì)算機(jī)控制
系統(tǒng)??梢赃@樣說:沒有計(jì)算機(jī),就沒有現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的計(jì)算機(jī),它是處理來自檢測傳感器的輸入信息,并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程,同時(shí)可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
應(yīng)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)主要有單片微型計(jì)算機(jī)、可編程序控制器(PLC)、總線工控機(jī)等類型。
根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的大小和控制參數(shù)的復(fù)雜程度,我們可以采用不同的微型計(jì)算機(jī)。對(duì)于小系統(tǒng),一般監(jiān)視控制量為開關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量,這類系統(tǒng)采用單片機(jī)或可編程序控制器就能滿足控制要求。5.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng),則往往采用基于各類總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī),如STD總線工控機(jī)、IBM-PC總線工控機(jī)、Multibus工控機(jī)等。對(duì)于多層次、復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),則要采用分級(jí)分步式控制系統(tǒng),在這種控制系統(tǒng)中,根據(jù)各級(jí)及控制對(duì)象的特點(diǎn),可分別采用單片機(jī)、可編程序控制器、總線工控機(jī)和微型機(jī)來分別完成不同的功能。5.2.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求
由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)用對(duì)象及使用環(huán)境的特殊性,決定了工業(yè)控制機(jī)主要有以下一些特點(diǎn)和要求。
1.實(shí)時(shí)性
實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì)外來事件作出反應(yīng)的能力。為滿足實(shí)時(shí)控制要求,通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時(shí)間盡可能短,又要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)視現(xiàn)場的各種工藝參數(shù),并進(jìn)行在線修正,對(duì)緊急事故能及時(shí)處理。因此,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號(hào)通道。
2.高可靠性
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通??刂浦I(yè)過程的運(yùn)行,如果其質(zhì)量不高,運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障,又沒有相應(yīng)的冗余措施,則輕者使生產(chǎn)停頓,重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。很多生產(chǎn)過程是日夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),因此要求與這些過程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無故障地連續(xù)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的正確控制。另外,許多工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣,震動(dòng)、沖擊、噪聲、高
頻輻射及電磁波干擾往往十分嚴(yán)重,以上這一切都要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有高質(zhì)量和很強(qiáng)的抗干擾能力,并且具有較長的平均無故障間隔時(shí)間。
3.硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場合千差萬別,系統(tǒng)性能、容量要求、處理速度等都不一樣,特別是與現(xiàn)場相連接的外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量等差別更大,因此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法。
4.可維護(hù)性
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性,這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,便于維修,系統(tǒng)使用的板級(jí)產(chǎn)品一致性好,更換模板后,系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度不受影響;軟件和硬件的診斷功能強(qiáng),在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),能快速準(zhǔn)確地定位。另外,模塊化模板上的信號(hào)應(yīng)加上隔離措施,保證發(fā)生故障時(shí)故障不會(huì)擴(kuò)散,這也可使故障定位變得容易。
作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者,應(yīng)根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中的信息處理量、應(yīng)用環(huán)境、市場狀況及操作者的特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)合理地優(yōu)選工業(yè)控制機(jī)產(chǎn)品。
5.2.2單片微型計(jì)算機(jī)
單片微型計(jì)算機(jī)簡稱為單片機(jī),它是將CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一塊芯片上,同時(shí)還具有定時(shí)/計(jì)數(shù)、通信和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī)。自1976年Intel公司首片單片機(jī)問世以來,隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機(jī)型,并使運(yùn)行速度、存儲(chǔ)器容量和集成度不斷提高?,F(xiàn)在比較常用的單片機(jī)一般具有數(shù)十KB的閃存、16位的A/D及看門狗等功能,而各種滿足專門需要的單片機(jī)也可由生產(chǎn)廠家定做。單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),越來越被廣泛地應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。特別是在數(shù)字通信產(chǎn)品、智能化家用電器和智能儀器領(lǐng)域,單片機(jī)以其幾元到幾十元人民幣的價(jià)格優(yōu)勢獨(dú)霸天下。由于單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和接口限制,在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中,它一般只能輔助中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測試一些信號(hào)的數(shù)據(jù)信息和完成單一量控制。單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和種類很多,如美國Intel公司的MCS系列、Zilog公司的SUPER系列、Motorola公司的6801和6805系列,日本National公司的MN6800系列、HITACHI公司的HD63
01系列等。其中,Intel公司的MCS單片機(jī)產(chǎn)品在國際市場上占有最大的份額,在我國也獲得最廣泛的應(yīng)用。下面以MCS系列單片機(jī)為例,來介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及使用上的特點(diǎn)。
1.MCS-48單片機(jī)系列
MCS-48系列是8位的單片機(jī),根據(jù)存儲(chǔ)器的配置不同,該系列包括有8048、8049、8021、8035等多種機(jī)型,由于價(jià)格低廉,目前仍有簡單的控制場合在使用。其主要特點(diǎn)是:
(1)8位CPU,工作頻率為1~6MHz。
(2)64BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,1KB程序存儲(chǔ)器。
(3)5V電源,40引腳雙列直插式封裝。
(4)6MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為2.5μs,所有指令的執(zhí)行為1~2個(gè)機(jī)器周期。
(5)有96條指令,其中大部分為單字節(jié)指令。
(6)8字節(jié)堆棧,單級(jí)中斷,兩個(gè)中斷源。
(7)兩個(gè)工作寄存器區(qū)。
(8)一個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
2.MCS-51單片機(jī)系列
MCS-51系列比48系列要先進(jìn)得多,也是市場上應(yīng)用最普遍的機(jī)型。它具有更大的存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力、更豐富的指令系統(tǒng)和更多的實(shí)用功能。MCS-51單片機(jī)也是8位的單片機(jī),
該系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多種機(jī)型。其主要特點(diǎn)是:
(1)8位CPU,工作頻率為1~12MHz。
(2)128BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,4KBROM程序存儲(chǔ)器。
(3)5V電源,40引腳雙列直插式封裝。
(4)12MHz工作頻率時(shí)機(jī)器周期為1μs,所有指令的執(zhí)行為1~4個(gè)機(jī)器周期。
(5)外部可分別擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。
(6)2級(jí)中斷,5個(gè)中斷源。
(7)21個(gè)專用寄存器,有位尋址功能。
(8)兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,1個(gè)全雙工串行通信口。
(9)4組8位I/O口。
3.MCS-96單片機(jī)系列
MCS-96系列是16位單片機(jī),適用于高速的控制和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,其在硬件和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上較8位機(jī)有很多不同之處。MCS-96單片機(jī)系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多種機(jī)型。其主要特點(diǎn)是:
(1)16位CPU,工作頻率為6~12MHz。
(2)232BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,8KBROM程序存儲(chǔ)器。
(3)有48和68兩種引腳,多種封裝形式。
(4)高速I/O接口,能測量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖(12MHz時(shí)是2μs),6條專用I/O,兩條可編程I/O。
(5)外部可分別擴(kuò)展64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。
(6)可編程8級(jí)優(yōu)先中斷,21個(gè)中斷源。
(7)脈寬調(diào)制輸出,提供一組能改變脈寬的可編程脈寬信號(hào)。
(8)兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,4個(gè)16位軟件定時(shí)器。
(9)5組8位I/O口。
(10)10位A/D轉(zhuǎn)換器,可接收4路或8路的模擬量輸入。
(11)6.25μs的16位乘16位和32位除16位指令。
(12)運(yùn)行時(shí)可對(duì)EPROM編程,ROM/EPROM的內(nèi)容可加密。
(13)全雙工串行通信口及專門的波特率發(fā)生器。
另外一種16位的單片機(jī)是8098單片機(jī),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能與8096完全一樣,但其外部數(shù)據(jù)總線卻只有8位,因此是準(zhǔn)16位單片機(jī)。由于8098減少了I/O線,其外形結(jié)構(gòu)簡化,芯片的制造成本降低,因此應(yīng)用非常廣泛。MCS-98單片機(jī)系列主要有8398、8798等幾種機(jī)型。5.2.3可編程序控制器(PC)
在制造業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線上,各道工序都是按預(yù)定的時(shí)間和條件順序執(zhí)行的,對(duì)這種自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行控制的裝置稱為順序控制器。以往順序控制器主要是由繼電器組成的,改變生產(chǎn)線的工序、執(zhí)行次序或條件時(shí)需改變硬件連線。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用,順序控制器開始采用類似微型計(jì)算機(jī)的通用結(jié)構(gòu),把程序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中,用軟件實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運(yùn)算、延時(shí)等過去用繼電器完成的功能,形成了可編程序邏輯控制器PLC(ProgramableLogicController)。現(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成除了具有順序控制功能外,還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運(yùn)算、聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器。因此,現(xiàn)已把它們統(tǒng)稱為可編程序控制器PC(ProgramableController)。圖5-11PLC的邏輯控制電路圖5-11是PLC應(yīng)用于邏輯控制的簡單事例。輸入信號(hào)是由按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等提供的各種開關(guān)信號(hào),通過接口進(jìn)入PC,經(jīng)PC處理后產(chǎn)生控制信號(hào),通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動(dòng)機(jī)等輸出裝置。
目前,世界上生產(chǎn)PC的工廠有上百家,總產(chǎn)量已達(dá)千萬臺(tái)的數(shù)量級(jí),其中以通用電氣、德克薩斯儀器、Honeywell、西門子、三菱、富士、東芝等公司的產(chǎn)品最為著名,這些公
司為開拓市場,競爭十分激烈,競相發(fā)展新的機(jī)型系列。而我國的PC技術(shù),不論是PC的制造水平,還是使用PC的廣度與深度,與發(fā)達(dá)國家相比差距仍比較大。
1.PC的組成原理
PC實(shí)際上是一個(gè)專用計(jì)算機(jī),它的結(jié)構(gòu)和組成與通用微機(jī)的基本相同,主要包括CPU、存儲(chǔ)器、接口模塊、外部設(shè)備、編程器等。下面介紹PC的各主要部分。
(1)CPU。與通用微機(jī)的CPU一樣,PC的CPU按PC的系統(tǒng)程序的要求,接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);用掃描的方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)寄存器中;診斷電源、內(nèi)部電路的故障和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。
PC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后,從存儲(chǔ)器逐條讀入用戶程序,經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出,去啟動(dòng)有關(guān)的控制門電路,分時(shí)、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等工作;完成用戶程序規(guī)定的邏輯和算術(shù)運(yùn)算等任務(wù);根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容,再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印和數(shù)據(jù)通信等功能。
PC的運(yùn)行方式采取掃描工作機(jī)制,這是和微處理器的本質(zhì)區(qū)別。掃描工作機(jī)制就是按照定義和設(shè)計(jì)的要求連續(xù)和重復(fù)地檢測系統(tǒng)輸入,求解目前的控制邏輯,并修正系統(tǒng)輸出。
在PC的典型掃描機(jī)制中,I/O服務(wù)處于掃描周期的末尾,并且為掃描計(jì)時(shí)的組成部分。圖5-12PC的掃描工作機(jī)制典型的掃描稱為同步掃描。掃描循環(huán)一周所花費(fèi)的時(shí)間為掃描周期。PC的掃描周期一般為10~100ms。在多數(shù)PC中,都設(shè)有一個(gè)“看門狗”計(jì)時(shí)器,測量每一次掃描循環(huán)的長度,如果掃描時(shí)間超過預(yù)設(shè)的長度(例如150~200ms),系統(tǒng)將激發(fā)臨界警報(bào)。圖5-12中,在同步掃描周期內(nèi),除I/O掃描之外,還有服務(wù)程序、通信窗口、內(nèi)部執(zhí)行程序等。
(2)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。
系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的作用是存放監(jiān)控程序、命令解釋、功能子程序、調(diào)用管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。系統(tǒng)程序是由PC生產(chǎn)廠家提供的,固化在存儲(chǔ)器中。
用戶存儲(chǔ)器的作用是存儲(chǔ)用戶編寫的梯形邏輯圖等程序。用戶程序是使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。PC產(chǎn)品說明中提供的存儲(chǔ)器型號(hào)和容量一般指的是用戶程序存儲(chǔ)器。
(3)接口模塊。它是CPU與現(xiàn)場I/O裝置和其他外部設(shè)備之間的連接部件。PC是通過接口模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的檢測、控制和聯(lián)網(wǎng)通信的。各個(gè)生產(chǎn)廠家都有各自的模塊系列供用戶選用。PLC模塊包括如下幾種類型:
①數(shù)字量I/O模塊。數(shù)字量I/O模塊完成數(shù)字量信號(hào)的輸入/輸出,一般可替代繼電器邏輯控制。數(shù)字量輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)有:輸入點(diǎn)數(shù)、公共端極性、隔離方式、電源電壓、輸入電壓和輸出電流等。數(shù)字量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)有:輸出形式、輸出點(diǎn)數(shù)、公共端極性、隔離方式、電源電壓、輸出電流、響應(yīng)時(shí)間和開路端電流等。②模擬量I/O模塊??刂葡到y(tǒng)中,經(jīng)常要對(duì)電流、電壓、溫度、壓力、流量、位移和速度等模擬量進(jìn)行信號(hào)采集并輸入給CPU進(jìn)行判斷和控制,模擬量輸入模塊就是用來將這些模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)的模塊。模擬量輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)包括:輸入點(diǎn)數(shù)、隔離方式、轉(zhuǎn)換方式、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸入范圍、輸入阻抗和分辨率等。模擬量輸出模塊就是將CPU輸出的數(shù)字信息變換成電壓或電流以對(duì)電磁閥、電磁鐵和其他模擬量執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的模塊。它的技術(shù)指標(biāo)包括:輸出點(diǎn)數(shù)、隔離方式、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸出范圍、負(fù)載電阻和分辨率等③專用和智能接口模塊。上述的接口模塊都是在PC的掃描方式下工作的,能滿足一般的繼電器邏輯控制和回路調(diào)節(jié)控制,然而對(duì)于同上位機(jī)通信、控制CRT和其他顯示器、連接各種傳感器和其他驅(qū)動(dòng)裝置等工作,則需要專門的接口模塊完成。專用和智能接口模塊主要有:擴(kuò)展接口模塊、通信模塊、CRT/LCD控制模塊、PID控制模塊、高速計(jì)算模塊、快速響應(yīng)模塊和定位模塊等。④編程器。編程器是為用戶提供程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)控的專用工具,還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通信端口與CPU聯(lián)系,完成人機(jī)對(duì)話功能。各個(gè)廠家為自己的PC提供專用的編程器,不同品牌的PC的編程器一般不能互換使用。
⑤外部設(shè)備。一般PC都可以配置打印機(jī)、EPROM寫入器、高分辨率大屏幕顯示器等外圍設(shè)備。
2.PC的性能特點(diǎn)
(1)存儲(chǔ)器:可以是帶有電源保護(hù)的RAM、EPROM或EEPROM。
(2)數(shù)字量輸入/輸出端子:具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能,端子點(diǎn)數(shù)的多少是決定PC的控制規(guī)模的主要參數(shù)。
(3)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器:在PC的邏輯順序控制中,可替代繼電器邏輯控制中的時(shí)間繼電器和計(jì)數(shù)繼電器。
(4)標(biāo)志(軟繼電器):在PC的邏輯順序控制中用作中間繼電器,其中部分標(biāo)志具有保持作用。
(5)平均掃描時(shí)間:指掃描用戶程序的時(shí)間,決定了PC的控制響應(yīng)速度。
(6)診斷:由通電檢查和故障指示的軟件完成。
(7)通信接口:一般采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn),可以連接打印機(jī)和上位機(jī)等設(shè)備。
(8)編程語言:一般采用繼電器控制方式的梯形圖語言和語句表,并在此基礎(chǔ)上建立控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語言。除上述一般特性外,高性能的PC還具有下列特性:
(1)數(shù)據(jù)傳送和矩陣處理功能:可以滿足工廠管理的需要。
(2)PID調(diào)節(jié)功能:備有模擬量的輸入/輸出模塊和PID調(diào)節(jié)控制軟件包,以滿足閉環(huán)控制的要求。
(3)遠(yuǎn)程I/O功能:使輸入/輸出通道可分散安裝在被控設(shè)備的附近,以減少現(xiàn)場電纜布線和系統(tǒng)成本。
(4)圖形顯示功能:借助圖形顯示軟件包(組態(tài)軟件等),可顯示被控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。方便操作者監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。
(5)冗余控制:控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中備有一臺(tái)同樣的PC系統(tǒng),并處于待機(jī)狀態(tài),當(dāng)原系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換,使待機(jī)的PC投入運(yùn)行,從而提高控制的可靠性。
(6)網(wǎng)絡(luò)功能:通過數(shù)據(jù)通道與其他數(shù)臺(tái)PC連接或與管理計(jì)算機(jī)連接,以構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。
3.PC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
PC的結(jié)構(gòu)分成單元式和模塊式兩種。
(1)單元式。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便。它將所有的電路都裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi),構(gòu)成一個(gè)整體。為了實(shí)現(xiàn)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的靈活配置和易于擴(kuò)展,通常都有不
同點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元,其中某些單元為全輸入和全輸出型。
(2)模塊。在機(jī)架上按需要插上CPU、電源、I/O模塊及各種特殊功能模塊,構(gòu)成一個(gè)綜合控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是CPU與各種接口模塊都是獨(dú)立的模塊,因此配置很靈活,可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模選用不同檔次的CPU及各種模塊。由于不同檔次模塊的結(jié)構(gòu)尺寸和連接方式相同,因此對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)很多的系統(tǒng)的選型、安裝、調(diào)試、擴(kuò)展、維護(hù)都非
常方便。目前大的PC控制系統(tǒng)均采用該種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的PC除了各種模塊外,還需要用主基板、擴(kuò)展基板及基板間連接電纜將各模塊連成整體。5.2.4總線工控機(jī)
總線工控機(jī)是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計(jì)算機(jī),它具有豐富的過程輸入/輸出接口功能、迅速響應(yīng)的實(shí)時(shí)功能和環(huán)境適應(yīng)能力??偩€工控機(jī)的可靠性較高,如STD總線工控機(jī)的使用壽命達(dá)到數(shù)十年,平均故障間隔時(shí)間(MTBF)超過上萬小時(shí),且故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)較短??偩€工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化、模板式設(shè)計(jì)大大簡化了設(shè)計(jì)和維修難度,且系統(tǒng)配置的豐富的應(yīng)用軟件多以結(jié)構(gòu)化和組態(tài)軟件形式提供給用戶,使用戶能夠在較短的時(shí)間內(nèi)掌握并熟練應(yīng)用。
1.STD總線工業(yè)控制機(jī)
STD總線最早是由美國的Prolog公司在1978年推出的,是目前國際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一,也是我國優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)總線之一,它的正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE-961標(biāo)準(zhǔn)。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的模塊式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),稱為STD總線工業(yè)控制機(jī)。
開發(fā)STD總線的最初目的是為了推廣一個(gè)面向工業(yè)控制的8位機(jī)總線系統(tǒng)。STD標(biāo)準(zhǔn)可以支持幾乎所有的8位處理機(jī),如Intel的8080、Motorola的6800、Zilog公司的Z80、National公司的NSC800等。在16位機(jī)大量生產(chǎn)之后,改進(jìn)型的STD總線可支持16位處理機(jī),如8086,68000、80286等。為了進(jìn)一步提高STD總線系統(tǒng)的性能,新近已推出了STD32位總線。
STD總線工業(yè)控制機(jī)采用了開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),模塊化是STD總線工業(yè)控制機(jī)設(shè)計(jì)思想中最突出的特點(diǎn),其系統(tǒng)組成沒有固定的模式和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型,而是提供了大量的功能模板,用戶根據(jù)需要,通過對(duì)模板的品種和數(shù)量的選擇與組合,即可配置成適用于不同工業(yè)對(duì)象、不同生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)過程的工業(yè)控制機(jī)?,F(xiàn)在,STD工業(yè)控制機(jī)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、鋼鐵冶金、石油化工等各個(gè)領(lǐng)域,成為我國中小型企業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造方面主要的機(jī)型之一。圖5-13用STD總線工業(yè)控制機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型的STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-13所示,其突出特點(diǎn)是:模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)組成、修改和擴(kuò)展方便;各模塊間相對(duì)獨(dú)立,使檢測、調(diào)試、故障查找簡便迅速;有多種功能模板可供選用,大大減少了硬件設(shè)計(jì)工作量;系統(tǒng)中可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件,使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。因此,在用STD總線進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件設(shè)計(jì)工作是選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)化功能模板,并將這些模板通過STD總線連接成所需的控制裝置。下面分別介紹各種模板的特點(diǎn)。
(1)數(shù)字量I/O模板。數(shù)字量I/O模板用于處理開關(guān)信號(hào)的輸入和輸出,其主要功能是濾波、電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離和功率驅(qū)動(dòng)等。工業(yè)上常用的開關(guān)信號(hào)有BCD碼、計(jì)數(shù)和定時(shí)信
號(hào)、各種開關(guān)的狀態(tài)、指示燈的亮和滅、晶閘管的導(dǎo)通和截止、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止等等。這些開關(guān)信號(hào)可通過數(shù)字量I/O模板經(jīng)總線與CPU模板相連。針對(duì)不同的開關(guān)信號(hào),有各種各樣的數(shù)字量I/O模板可供選用。圖5-14是一種典型的數(shù)字量I/O模板的電路原理框圖。
圖5-14數(shù)字量I/O模板的原理框圖
(2)模擬量I/O模板。模擬量I/O模板用于處理模擬信號(hào)的輸入和輸出,其主要功能是對(duì)微處理機(jī)和被控對(duì)象之間的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。STD總線工控機(jī)也有多種多樣的模擬量I/O模板可供選用。圖5-15所示是一種光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖,D/A模板的結(jié)構(gòu)與之類似。在模板選用時(shí)主要需考慮系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率、電平范圍、信號(hào)數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率等要求,以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過大的浪費(fèi)為原則。圖5-15光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖
(3)信號(hào)調(diào)理模板。信號(hào)調(diào)理模板用于在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間、D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行元件之間對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,其主要功能有非電量轉(zhuǎn)換、信號(hào)形式變換、信號(hào)放大、濾波、
線性化、共模抑制及隔離等。典型的信號(hào)調(diào)理模板產(chǎn)品有熱電偶、熱電阻、I/U(電流/電壓)轉(zhuǎn)換、前置放大板、隔離放大板等。圖5-16是信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例。信號(hào)調(diào)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求來匹配,并應(yīng)充分考慮信號(hào)的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點(diǎn)的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)。圖5-16信號(hào)調(diào)理模板的應(yīng)用實(shí)例
(4)CPU模板。STD總線所支持的微處理器有Z80、8080、8086、80286、80386、80486以及MCS-51/96系列單片機(jī)等。選用時(shí)應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方法的復(fù)雜程度、計(jì)算工作量
、采樣周期等情況來選擇合適字長和執(zhí)行速度的CPU模板,或選擇帶有專門算法或DMA(直接存儲(chǔ)器存取)通道的CPU模板。
(5)存儲(chǔ)器模板。CPU板上一般都有一定容量的工作存儲(chǔ)器,但有些控制系統(tǒng)往往還需要選用專用的存儲(chǔ)器擴(kuò)展插件,如有電池支持的RAM插件、EPROM插件、EEPROM插件等。存儲(chǔ)器的擴(kuò)展應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的程序量、需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量以及程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)行方式來合理選擇。
(6)其他特殊功能模板。STD總線工控機(jī)還可提供多種具有特殊功能的模板,如步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制模板、機(jī)內(nèi)儀表和遠(yuǎn)程儀表接口模板等。當(dāng)系統(tǒng)中有該類控制時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用特殊功能模板,以減少硬件設(shè)計(jì)工作量和獲得較高的性價(jià)比。
STD總線工控機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除簡單的硬件設(shè)計(jì)外,主要是軟件設(shè)計(jì)。STD總線工控機(jī)上可以運(yùn)行多種豐富的支持軟件,如STD-DOS(一種與MS-DOS兼容,專用于STD總線工控機(jī)的操作系統(tǒng))、ROM-DOS(一種與MS-DOS兼容,并把DOSAA代碼固化在EPROM中運(yùn)行的操作系統(tǒng))、VRTX嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)等,并提供豐富的標(biāo)準(zhǔn)算法程序庫,因此其軟件的開發(fā)也是相對(duì)比較容易的,通常只需開發(fā)適用于所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件即可。應(yīng)用軟件開發(fā)的主要工作是:借助于支持軟件提供的各種開發(fā)工具,利用程序庫中所提供的各種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算和控制算法程序,針對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求,開發(fā)專用的接口軟件,將選用的各種標(biāo)準(zhǔn)模塊和算法程序連接和拼裝成所需的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件。
2.PC總線工業(yè)控制機(jī)
IBM公司的PC總線微機(jī)最初是為個(gè)人或辦公室使用而設(shè)計(jì)的,早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu),加上幾個(gè)I/O擴(kuò)充槽。
大底板上具有8088處理器和一些存儲(chǔ)器及控制邏輯電路等。加入I/O擴(kuò)充槽的目的是為了外接打印機(jī)、顯示器、內(nèi)存擴(kuò)充和軟盤驅(qū)動(dòng)器接口卡等。隨著微處理器的更新?lián)Q代,為了充分利用16位機(jī)(如Intel80286等)的性能,通過在原PC總線的基礎(chǔ)上增加一個(gè)36引腳的擴(kuò)展插座,形成了AT總線。這種結(jié)構(gòu)也稱為ISA(IndustryStandardArchitecture)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
PC/AT總線的IBM兼容計(jì)算機(jī)由于價(jià)格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富,因而用戶眾多,在國內(nèi)更是主要流行機(jī)種之一。一些公司研制了與PC/AT總線兼容的諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字量、模擬量I/O等模板,在實(shí)驗(yàn)室或一些過程閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用。但是未經(jīng)改進(jìn)的PC/AT總線微機(jī),其設(shè)計(jì)組裝形式不適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下長期運(yùn)行。比如,C/AT總線模板的尺寸不統(tǒng)一,沒有嚴(yán)格規(guī)定的模板導(dǎo)軌和其他固定措施,抗振動(dòng)能力差;大底板結(jié)構(gòu)功耗大,沒有強(qiáng)有力的散熱措施,不利于長期連續(xù)運(yùn)行;I/O擴(kuò)充槽少(5~8個(gè)),不能滿足許多工業(yè)現(xiàn)場的需要。為克服上述缺點(diǎn),使PC/AT總線微機(jī)適用于工業(yè)現(xiàn)場控制,近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機(jī),一般對(duì)原有微機(jī)作了以下幾方面的改進(jìn):
(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)加固,使微機(jī)的抗震性好。
(2)采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)整機(jī)結(jié)構(gòu),用CPU模板取代原有的大底板,使硬件構(gòu)成積木化,便于維修更換,也便于用戶組織硬件系統(tǒng)。
(3)加上帶過濾器的強(qiáng)力通風(fēng)系統(tǒng),加強(qiáng)散熱,增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。
(4)采用電子軟盤取代普通的軟磁盤,使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。
(5)根據(jù)工業(yè)控制的特點(diǎn),常采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用PC總線工業(yè)控制機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn),尤其是它的支持軟件特別豐富,各種軟件包不計(jì)其數(shù),這可大大減少軟件開發(fā)的工作量,而且PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)方便,容易構(gòu)成多微機(jī)控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。表5-1給出了三種常用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較關(guān)系。表5-1三種常用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的性能比較除主機(jī)外,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件通常還包括兩類外圍設(shè)備:一類是常規(guī)外圍設(shè)備,如鍵盤、CRT顯示器、打印機(jī)、磁盤機(jī)等;另一類是被控設(shè)備和檢測儀表、顯示裝置、操作臺(tái)等。由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的功能單一(保存信息)、品種有限(ROM、RAM)、存取速度與CPU的工作速度基本匹配,因此,存儲(chǔ)器可以直接連接到CPU總線上。5.3計(jì)算機(jī)接口技術(shù)而外圍設(shè)備種類繁多,有機(jī)械式、機(jī)電式和電子式;有的可作為輸入設(shè)備,有的可作為輸出設(shè)備;工作速度不一,通常比CPU的速度低得多,且不同外圍設(shè)備的工作速度往往又差別很大;信息類型和傳送方式不同,有的使用數(shù)字量,有的使用模擬量,有的要求并行傳送信息,有的要求串行傳送信息。因此,僅靠CPU及其總線是無法承擔(dān)上述工作的,必須增加I/O接口電路和I/O通道才能完成外圍設(shè)備與CPU的總線相連。I/O接口是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。5.3.1接口、通道及其功能
1.I/O接口電路
I/O接口電路簡稱接口電路,它是主機(jī)和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件(電路)。它在主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下:
(1)解決主機(jī)CPU和外圍設(shè)備之間的時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。
主機(jī)的CPU是高速處理器件,比如8086-1的主頻為10MHz,1個(gè)時(shí)鐘周期僅為100ns,一個(gè)最基本的總線周期為400ns。而外圍設(shè)備的工作速度比CPU的速度慢得多。如常規(guī)外圍設(shè)備中的電傳打字機(jī)傳送信息的速度是毫秒級(jí);工業(yè)控制設(shè)備中的爐溫控制采樣周期是秒級(jí)。為保證CPU的工作效率并適應(yīng)各種外圍設(shè)備的速度配合要求,應(yīng)在CPU和外圍設(shè)備間增設(shè)一個(gè)I/O接口電路,以滿足兩個(gè)不同速度系統(tǒng)的異步通信聯(lián)絡(luò)。
I/O接口電路為完成時(shí)序配合和通信聯(lián)絡(luò)功能,通常都設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。通過接口電路,CPU通常采用查詢或中斷控制方式為慢速外
圍設(shè)備提供服務(wù),就可保證CPU和外圍設(shè)備間異步而協(xié)調(diào)地工作,既滿足了外圍設(shè)備的要求,又提高了CPU的利用率。
(2)解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。
CPU是按并行處理設(shè)計(jì)的高速處理器件,即CPU只能讀入和輸出并行數(shù)據(jù)。但是,實(shí)際上要求其發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式卻不僅僅是并行的,在許多情況下是串行的。例如,為了節(jié)省傳輸導(dǎo)線,降低成本,提高可靠性,機(jī)間距離較長的通信都采用串行通信。又如,由光電脈沖編碼器輸出的反饋信號(hào)是串行的脈沖列,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求提供串行脈沖等等。這就要求將外部送往計(jì)算機(jī)的串行格式的信息轉(zhuǎn)換成CPU所能接收的并行格式,也要將CPU送往外部的并行格式的信息轉(zhuǎn)換成與外圍設(shè)備相容的串行格式,并且要以雙方相匹配的速率和電平實(shí)現(xiàn)信息的傳送。這些功能在CPU控制下主要由相應(yīng)的接口芯片來完成。
(3)解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題
即使是CPU和某些外圍設(shè)備之間僅僅進(jìn)行并行格式的信息交換,一般也不能將各種外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線、地址線直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線和地址總線上。這里主要存在兩個(gè)問題,一是CPU總線的負(fù)載能力的問題,二是外圍設(shè)備端口的選擇問題。因?yàn)檫^多的信號(hào)線直接接到CPU總線上,必將超過CPU總線的負(fù)載能力。采用接口電路可以分擔(dān)CPU總線的負(fù)載,使CPU總線不致于超負(fù)荷運(yùn)行,造成工作不可靠。
CPU和所有外圍設(shè)備交換信息時(shí)都是通過雙向數(shù)據(jù)總線進(jìn)行的,如果所有外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線都直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上,數(shù)據(jù)總線上的信號(hào)將是混亂的,無法區(qū)分是送往哪一個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)還是來自哪一個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。只有
通過接口電路中具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器,再將外圍設(shè)備數(shù)據(jù)線接到CPU數(shù)據(jù)總線上,通過控制三態(tài)門的使能(選通)信號(hào),才能使CPU的數(shù)據(jù)總線在某一時(shí)刻只接到被選通的那一個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線上,這就是外圍設(shè)備端口的選址問題。使用可編程并行接口電路或鎖存器、緩沖器,就能方便地解決上述問題。此外,接口電路可實(shí)現(xiàn)端口的可編程功能以及錯(cuò)誤檢測功能。一個(gè)端口通過軟件設(shè)置既可作為輸入口又可作為輸出口,或者作為位控口,使用非常靈活方便。同時(shí),多數(shù)用于
串行通信的可編程接口芯片都具有傳輸錯(cuò)誤檢測功能,如可進(jìn)行奇/偶校驗(yàn)、冗余校驗(yàn)等。
2.I/O通道
I/O通道也稱為過程通道。它是計(jì)算機(jī)和控制對(duì)象之間信息傳送和變換的連接通道。計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)過程的控制,就必須采集現(xiàn)場控制對(duì)象的各種參量,這些參量分兩類:一類是模擬量,即時(shí)間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量,如溫度、壓力、流量、速度、位移等;另一類是數(shù)字量(或開關(guān)量),即時(shí)間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量,如表示開關(guān)閉合或斷開兩個(gè)狀態(tài)的開關(guān)量和按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖列等。同樣,被控對(duì)象也要求得到模擬量(如電壓、電流)或數(shù)字量兩類控制量。但是如前所述,計(jì)算機(jī)只能接收和發(fā)
送并行的數(shù)字量,因此,為使計(jì)算機(jī)和被控對(duì)象之間能夠連通起來,除了需要I/O接口電路外,還需要I/O通道,由它將從被控對(duì)象采集的參量變換成計(jì)算機(jī)所要求的數(shù)字量(或開關(guān)量)的形式,送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按某一數(shù)學(xué)公式計(jì)算后,又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控制對(duì)象,這就是I/O通道所要完成的功能。應(yīng)當(dāng)指出,I/O接口和I/O通道都是為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備(包括被控對(duì)象)之間信息交換而設(shè)的器件,其功能都是保證主機(jī)和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此,接口和通道緊密相連,在電路上往往結(jié)合在一起了。例如,目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片,除了完成A/D轉(zhuǎn)換,起模擬量輸入通道的作用外,其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中;同時(shí),具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號(hào)端,可以直接掛到主機(jī)的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去,這樣,A/D轉(zhuǎn)換器也就同時(shí)起到了輸入接口的作用。有的書中把A/D轉(zhuǎn)換器統(tǒng)稱為接口電路。大多數(shù)集成D/A轉(zhuǎn)換器也一樣,都可以直接掛到系統(tǒng)總線上,同時(shí)起到輸出接口和D/A轉(zhuǎn)換的作用。但是在概念上應(yīng)當(dāng)注意到兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別。
5.3.2I/O信號(hào)的種類
在微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)系統(tǒng)中,主機(jī)和外圍設(shè)備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。
1.數(shù)據(jù)信息
數(shù)據(jù)信息是主機(jī)和外圍設(shè)備交換的基本信息,通常是8位或16位的數(shù)據(jù),它可以用并行格式傳送,也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量和脈沖量。
(1)數(shù)字量。數(shù)字量是指由鍵盤、磁盤機(jī)、撥碼開關(guān)、編碼器等輸入的信息,或者是主機(jī)送給打印機(jī)、磁盤機(jī)、顯示器、被控對(duì)象等的輸出信息。它們是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或是以ASCII碼表示的數(shù)據(jù)或字符(通常為8位的)。
(2)模擬量。來自現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量也是一類數(shù)據(jù)信息。一般通過傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流,電壓和電流仍然是連續(xù)變化的模擬量,要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量,最后送入計(jì)算機(jī)。反之,從計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字量要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,變成模擬量,最后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以模擬量代表的數(shù)據(jù)信息都必須經(jīng)過變換才能實(shí)現(xiàn)交換。
(3)開關(guān)量。開關(guān)量表示兩個(gè)狀態(tài),如開關(guān)的閉合和斷開、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止、閥門的打開和關(guān)閉等。這樣的量只要用一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示。
(4)脈沖量。它是一個(gè)一個(gè)傳送的脈沖列。脈沖的頻率和脈沖的個(gè)數(shù)可以表示某種物理量。如通過檢測裝在電機(jī)軸上的脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的脈沖,可以獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移等數(shù)據(jù)信息。
2.狀態(tài)信息
狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息,可作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。輸入時(shí),CPU讀取準(zhǔn)備好(READY)狀態(tài)信息,檢查待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒,若準(zhǔn)備就緒,則讀入數(shù)據(jù),未準(zhǔn)備就緒就等待。輸出時(shí),CPU讀取忙(BUSY)信號(hào)狀態(tài)信息,檢查輸出設(shè)備是否已處于空閑狀態(tài),若為空閑狀態(tài),則可向外圍設(shè)備發(fā)送新的數(shù)據(jù),否則等待。
3.控制信息
控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的信息??刂菩畔㈦S外圍設(shè)備的不同而不同,有的控制外圍設(shè)備的啟動(dòng)和停止,有的控制數(shù)據(jù)流向,是輸入還是輸出,有的作為端口尋址信號(hào)。5.3.3計(jì)算機(jī)和外部的通信方式
計(jì)算機(jī)和外部交換信息又稱為通信(communication),按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行通信和串行通信兩種基本方式。
1.并行通信
并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時(shí)傳送。其優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快、信息率高,并且通常只需提供兩條控制和狀態(tài)線,就能完成CPU和接口及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和應(yīng)答,實(shí)現(xiàn)異步傳輸。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的通信方式。但是并行通信所需的傳輸線(通常為電纜線)多,增加了成本,接線也較麻煩,因此在長距離、多數(shù)位數(shù)據(jù)的傳送中較少采用。
為適應(yīng)并行通信的需要,目前已設(shè)計(jì)出許多種并行接口電路芯片。如Z80系列的PIO、M6800系列的PIA、Intel系列的8255A等,都是可編程的并行I/O接口芯片,其中的各個(gè)端口既可以設(shè)定為輸入口,又可以設(shè)定為輸出口,且具有必要的聯(lián)絡(luò)、控制信號(hào)端。因此在微機(jī)控制系統(tǒng)中選用這些接口芯片構(gòu)成并行通信通路十分方便。
2.串行通信
串行通信是指數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送。在傳輸過程中,每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長度,一位一位地串行傳送和接收。串行通信又分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。
(1)全雙工方式。CPU通過串行接口和外圍設(shè)備相接,串行接口和外圍設(shè)備間除公共地線外,還有兩根數(shù)據(jù)傳輸線,串行接口可以同時(shí)輸入和輸出數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),這種串行傳送方式就稱為全雙工方式,其信息傳輸效率較高。
(2)半雙工方式。CPU也通過串行接口和外圍設(shè)備相接,但是串行接口和外圍設(shè)備間除公共地線外,只有一根數(shù)據(jù)傳輸線,某一時(shí)刻數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向傳送,這稱為半雙工方式。該方式信息傳輸效率低些,但是對(duì)于像打印機(jī)這樣的單方向傳輸?shù)耐鈬O(shè)備,只用此半雙工方式就能滿132足要求了,可省一根傳輸線。
(3)同步通信。采用同步通信時(shí),將許多字符組成一個(gè)信息組,通常稱為信息幀。在每幀信息的開始加上同步字符,接著字符一個(gè)接一個(gè)地傳輸(在沒有信息要傳輸時(shí),要填上空字符,同步傳輸不允許有間隙)。接收端在接收到規(guī)定的同步字符后,按約定的傳輸速率,接收對(duì)方發(fā)來的一串信息。相對(duì)于異步通信來說,同步通信的傳輸速度略高些。
(4)異步通信。標(biāo)準(zhǔn)的異步通信格式如圖5-17所示。由圖可見,每個(gè)字符在傳輸時(shí),由一個(gè)“1”跳變到“0”的起始位開始,其后是5~8個(gè)信息位(也稱字符位),信息位由低到高排列,即第一位為字符的最低位,最后一位為字符的最高位,其后是可選擇的奇偶校驗(yàn)位,最后為“1”的停止位。停止位可以為1位、1位半或2位。如果傳輸完一個(gè)字符后立即傳輸下一個(gè)字符,那么后一個(gè)字符的起始位就緊挨著前一個(gè)字符的停止位了。字符傳輸前,輸出線為“1”狀態(tài),稱為標(biāo)識(shí)態(tài),傳輸一開始,輸出線狀態(tài)由“1”變?yōu)椤?”狀態(tài),作為起始位。
傳輸完一個(gè)字符之后的間隔時(shí)間輸出線又進(jìn)入標(biāo)識(shí)態(tài)。圖5-17標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式為適應(yīng)串行通信的需要,已設(shè)計(jì)出許多種串行通信接口芯片,如Z80系列的SIO、M6800系列的ACIA和Intel系列的8251A等,都是可編程的,既可以接成全雙工方式又可接成半雙工方式,既可實(shí)現(xiàn)同步通信又可實(shí)現(xiàn)異步通信。5.3.4I/O控制方式
我們知道,外圍設(shè)備種類繁多,它們的功能不同,工作速度不一,與主機(jī)配合的要求也不相同,CPU采用分時(shí)控制,每個(gè)外圍設(shè)備只在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)得到服務(wù)。為了使各個(gè)外圍設(shè)備在CPU控制下成為一個(gè)有機(jī)的整體,協(xié)調(diào)、高效率、可靠地工作,就要規(guī)定一個(gè)CPU控制(或稱調(diào)度)各個(gè)外圍設(shè)備的控制策略,或者叫控制方式。通常采用的有三種I/O控制方式:程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲(chǔ)器存取方式。
在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可按不同要求來選擇各外圍設(shè)備的控制方式。
1.程序控制方式
程序控制I/O方式是指CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送是在程序控制下進(jìn)行的。它又可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。
(1)無條件I/O方式。所謂無條件I/O方式,是指不必查詢外圍設(shè)備的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的I/O方式。在此種方式下,外圍設(shè)備總是處于就緒狀態(tài),如開關(guān)、LED顯示器等。
一般它僅適用于一些簡單外圍設(shè)備的操作。
無條件傳送方式的工作原理如圖5-18所示。CPU和外圍設(shè)備之間的接口電路通常采用輸入緩沖器和輸出鎖存器,由地址總線和M/信號(hào)端經(jīng)端口譯碼器譯出所選中的I/O端口,用、信號(hào)決定數(shù)據(jù)的流向。
圖5-18無條件傳送方式I/O接口的電路原理圖外圍設(shè)備提供的數(shù)據(jù)自輸入緩沖器接入。當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令時(shí),讀信號(hào)有效,選擇信號(hào)M/處于低電平,因而按端口地址譯碼器所選中的三態(tài)輸入緩沖器被選通,使已準(zhǔn)備好的輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)總線讀入CPU。CPU向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)時(shí),由于外設(shè)的速度通常比CPU的速度慢得多,因此輸出端口需要加鎖存器。CPU可快速地將數(shù)據(jù)送入鎖存器鎖存,即去處理別的任務(wù),在鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)可供較慢速的外圍設(shè)備使用,這樣既提高了CPU的工作效率,又能與較慢速外圍設(shè)備動(dòng)作相適應(yīng)。CPU執(zhí)行輸出指令時(shí),M/和
信號(hào)有效,CPU輸出的數(shù)據(jù)送入按端口譯碼器所選中的輸出鎖存器中保存,直到該數(shù)據(jù)被外圍設(shè)備取去,CPU又可送入新的一組數(shù)據(jù)。顯然第二次存入數(shù)據(jù)時(shí),需確定該輸出鎖存器是空的。
(2)查詢式I/O方式。
查詢式I/O方式也稱為條件傳送方式。按查詢式I/O方式傳送信息時(shí),CPU和外圍設(shè)備的I/O接口除需設(shè)置數(shù)據(jù)端口外,還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路的原理框圖如圖5-19所示。圖5-19查詢式I/O方式接口電路的原理框圖狀態(tài)端口的指定位表明外圍設(shè)備的狀態(tài),通常只是“0”或“1”兩個(gè)狀態(tài)開關(guān)量。交換信息時(shí),CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外圍設(shè)備的狀態(tài),如果外圍設(shè)備處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)(輸入時(shí))或者空閑狀態(tài)(輸出時(shí)),則CPU執(zhí)行輸入指令或輸出指令,與外圍設(shè)備交換信息;否則,CPU要等待。當(dāng)一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè)外圍設(shè)備采用查詢式I/O方式交換信息時(shí),CPU應(yīng)采用分時(shí)控制方式,逐一查詢,逐一服務(wù)。其工作原理如下:每個(gè)外圍設(shè)備提供一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)信息,CPU逐次讀入并測試各個(gè)外圍設(shè)備的狀態(tài)信息,若該外圍設(shè)備請(qǐng)求服務(wù)(請(qǐng)求交換信息),則為之服務(wù),然后清除該狀態(tài)信息;否則,跳過,查詢下一個(gè)外圍設(shè)備的狀態(tài)。各外圍設(shè)備查詢完一遍后,再返回從頭查詢起,直到發(fā)出停止命令為止。查詢式I/O方式是微機(jī)控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方式。假設(shè)某微機(jī)控制系統(tǒng)中采用查詢式對(duì)1#、2#、3#三個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行I/O管理,其查詢和I/O處理的簡化程序流程圖如圖5-20所示。圖5-20查詢式I/O處理簡化程序流程圖從原理上看,查詢式比無條件傳送方式可靠,接口電路簡單,不占用中斷輸入線,而且查詢程序也簡單,易于設(shè)計(jì)調(diào)試。由于查詢式I/O方式是通過CPU執(zhí)行程序來完成的,因
此各外設(shè)的工作與程序的執(zhí)行保持同步關(guān)系,特別適用于對(duì)多個(gè)按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制,如組合機(jī)床、自動(dòng)線、溫度巡檢,定時(shí)采集數(shù)據(jù)等。
但是在查詢式I/O方式下,CPU要不斷地讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字,不管那個(gè)外圍設(shè)備是否有服務(wù)請(qǐng)求,都必須一一查詢,許多次的重復(fù)查詢可能都是用的,而又占去了CPU的
時(shí)間,效率較低。比如,用查詢式管理鍵盤輸入,若程序員在終端按每秒打入10個(gè)字符的速度計(jì)算,那么計(jì)算機(jī)平均用100ms的時(shí)間完成一個(gè)字符的輸入過程,而實(shí)際上真正用來從終端讀入一個(gè)字符并送去顯示的時(shí)間只需約50μs。如果CPU同時(shí)管理30臺(tái)終端,那么用于測試狀態(tài)和等待的時(shí)間為:100000μs-50×30μs=98500μs??梢?,98.5%的時(shí)間都在查詢等待中浪費(fèi)了。
I/O方式的選擇必須符合實(shí)時(shí)控制的要求。對(duì)于查詢式I/O方式,滿足實(shí)時(shí)控制要求的使用條件是:“所有外圍設(shè)備的服務(wù)時(shí)間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間”。
這里所說的服務(wù)時(shí)間,是指某臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間。最短響應(yīng)時(shí)間是指某臺(tái)設(shè)備相鄰兩次請(qǐng)求服務(wù)的最短間隔時(shí)間。某臺(tái)設(shè)備提出服務(wù)請(qǐng)求后,CPU必須在其最短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)它的請(qǐng)求,給予服務(wù),否則就要丟失信息,甚至造成控制失誤。最極端的情況是,在一個(gè)循環(huán)查詢周期內(nèi),所有外圍設(shè)備(指一個(gè)CPU管理的)都提出了服務(wù)請(qǐng)求,都得分別給予服務(wù),因此,就提出了上述必須滿足的使用條件。這種方式一般適用于各外圍設(shè)備服務(wù)時(shí)間不太長、最短響應(yīng)時(shí)間差別不大的情況。若各外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時(shí)間差別大且某些外圍設(shè)備服務(wù)時(shí)間長,則采用這種方式就不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求了,這時(shí)需要采用中斷控制方式。
2.中斷控制I/O方式
為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性,可以采用中斷控制I/O方式。采用中斷方式,CPU就不必花費(fèi)大量時(shí)間去查詢各外圍設(shè)備的狀態(tài)了,而是當(dāng)外圍設(shè)備需要請(qǐng)求服務(wù)時(shí),它向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求,CPU響應(yīng)外圍設(shè)備中斷,停止執(zhí)行當(dāng)前程序,轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個(gè)外圍設(shè)備服務(wù)的程序,此服務(wù)程序稱為中斷服務(wù)處理程序,或稱中斷服務(wù)子程序。中斷處理完畢,CPU又返回來執(zhí)行原來的程序。在中斷傳送時(shí)的接口電路如圖5-21所示。當(dāng)輸入裝置輸入一數(shù)據(jù),發(fā)出選通信號(hào),把數(shù)據(jù)存入鎖存器,又使D觸發(fā)器置“1”后,發(fā)出中斷請(qǐng)求。若中斷是開放的,則CPU接受了中斷請(qǐng)求信號(hào)并在現(xiàn)行指令執(zhí)行完后,暫停正在執(zhí)行的程序,發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA,于是外設(shè)把一個(gè)中斷矢量放到數(shù)據(jù)總線上,CPU就轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序,讀入或輸出數(shù)據(jù),同時(shí)清除中斷請(qǐng)求標(biāo)志。當(dāng)中斷處理完后,CPU返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。
圖5-21中斷傳送方式的接口電路微機(jī)控制系統(tǒng)中,可能設(shè)計(jì)有多個(gè)中斷源,且多個(gè)中斷源可能同時(shí)提出中斷請(qǐng)求。多重中斷處理必須注意如下四個(gè)問題:
(1)保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。為了不致造成計(jì)算和控制的混亂和失誤,進(jìn)入中斷服務(wù)程序前首先要保存通用寄存器的內(nèi)容,中斷返回前又要恢復(fù)通用寄存器的內(nèi)容。
(2)正確判斷中斷源。CPU要能正確判斷出是哪一個(gè)外圍設(shè)備提出中斷請(qǐng)求的,并轉(zhuǎn)去為該外圍設(shè)備服務(wù),即能正確地找到申請(qǐng)中斷的外圍設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址,并跳轉(zhuǎn)到該入口。
(3)實(shí)時(shí)響應(yīng)。就是要保證每個(gè)外圍設(shè)備的每次中斷請(qǐng)求CPU都能接受,并在其最短響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)給予服務(wù)。
(4)按優(yōu)先權(quán)順序處理。多個(gè)外圍設(shè)備同時(shí)或相繼提出中斷請(qǐng)求時(shí),應(yīng)能按設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序,即按輕重緩急逐個(gè)處理。必要時(shí)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的中斷源可中斷比它的優(yōu)先級(jí)低的中斷處理,從而實(shí)現(xiàn)中斷嵌套處理。
3.直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式
利用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,可以大大提高CPU的利用率。但在中斷方式下,仍必須通過CPU執(zhí)行程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送,就要執(zhí)行一次中斷過程,其中保護(hù)和恢復(fù)斷點(diǎn)、保護(hù)和恢復(fù)寄存器內(nèi)容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關(guān)系,但會(huì)花費(fèi)掉CPU的不少時(shí)間。例如對(duì)磁盤來說,數(shù)據(jù)傳輸率由磁頭的讀寫速度來決定,而磁頭的讀寫速度通常超過2×105B/s,這樣磁盤和內(nèi)存之間傳輸一個(gè)字節(jié)的時(shí)間不能超過5μs,采用中斷方式就很難達(dá)到這么高的處理速度。圖5-22DMA的工作流程圖因此,希望用硬件在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(DMA)而不通過CPU,這樣數(shù)據(jù)傳送的速度上限就取決于存儲(chǔ)器的工作速度。但是,通常系統(tǒng)的地址和數(shù)據(jù)總線以及一些控制信號(hào)線都是由CPU管理的。在DMA方式時(shí),就希望CPU把這些總線讓出來(即CPU連到這些總線上的線處于第三態(tài)——高阻狀態(tài)),而由DMA控制器接管,控制傳送的字節(jié)數(shù),判斷DMA是否結(jié)束,以及發(fā)出DMA結(jié)束等信號(hào)。通常,DMA的工作流程如圖5-22所示。能實(shí)現(xiàn)上述操作的DMA控制器的硬件框圖如圖5-23所示。當(dāng)外設(shè)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后,發(fā)出一個(gè)選通脈沖使DMA請(qǐng)求觸發(fā)器置1,它一方面向控制/狀態(tài)端口發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號(hào),另一方面向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求。于是DMA控制器向CPU發(fā)出HOLD信號(hào),當(dāng)CPU在現(xiàn)行的機(jī)器周期結(jié)束后發(fā)出HLDA響應(yīng)信號(hào)時(shí),DMA控制器就接管總線,向地址總線發(fā)出地址信號(hào),在數(shù)據(jù)總線上給出數(shù)據(jù),并給出存儲(chǔ)器寫的命令,就可把由外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。然后修改地址指針,修改計(jì)數(shù)器,檢查傳送是否結(jié)束,若未結(jié)束,則循環(huán),直至整個(gè)數(shù)據(jù)傳送完畢。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,DMA傳送已不局限于存儲(chǔ)器與外設(shè)間的信息交換,而可以
擴(kuò)展為在存儲(chǔ)器的兩個(gè)區(qū)域之間,或兩種高速的外設(shè)之間進(jìn)行DMA傳送。
圖5-23DMA控制器框圖圖5-248237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接在8086系統(tǒng)中,通常采用的是Intel系列高性能可編程DMA控制器8237A。它允許DMA傳輸速度高達(dá)1.6MB/s。8237A內(nèi)部包含4個(gè)獨(dú)立的通道,每個(gè)通道包含16位的地址寄存器和16位的字節(jié)計(jì)數(shù)器,還包含一個(gè)8位的模式寄存器等。4個(gè)通道公用控制寄存器和狀態(tài)寄存器。
圖5-24是8237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接。例如在IBMPC/XT系統(tǒng)中就使用了8237A,其中,8237A通道0用來對(duì)動(dòng)態(tài)RAM進(jìn)行刷新,通道2和通道3分別用來進(jìn)行軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。通道1用來提供其他傳輸功能,如網(wǎng)絡(luò)通信功能。系統(tǒng)中采用固定優(yōu)先級(jí),動(dòng)態(tài)RAM進(jìn)行刷新操作時(shí)的優(yōu)先級(jí)最高,硬盤和內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)最低。4個(gè)DMA請(qǐng)求信號(hào)中,DREQ0和系統(tǒng)板相連,其他三個(gè)請(qǐng)求信號(hào)DREQ1、DREQ2、DREQ3都接到總線擴(kuò)展槽的引腳上,由對(duì)應(yīng)的軟盤接口板、硬盤接口板和網(wǎng)絡(luò)接口板提供。同樣,DMA應(yīng)答信號(hào)DACK0送到系統(tǒng)板,而DACK1~DACK3送到擴(kuò)展槽。5.3.5I/O接口的編址方式
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,存儲(chǔ)器和I/O接口都接到CPU的同一數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)CPU與存儲(chǔ)器和I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí),就涉及到CPU與哪一個(gè)I/O接口芯片的哪一個(gè)端口聯(lián)系或是與存儲(chǔ)器的哪一個(gè)單元聯(lián)系的地址選擇問題,即尋址問題,這涉及I/O接口的編址方式。通常有兩種編址方式,一種是I/O接口與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址,另一種是I/O接口獨(dú)立編址。
1.I/O接口獨(dú)立編址方式
這種編址方式是將存儲(chǔ)器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置,互不影響,并設(shè)有專門的輸入指令(IN)和輸出指令(OUT)來完成I/
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