总线接口与过程通道

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1、计算机控制技术, 2.1总线及其标准,一套计算机系统除中央处理器件外，还有存储器、系统总线、接口电路、外部设备等多个部分。各类外部设备和存储器，都通过各种接口电路连接到计算机系统的总线上，用户可根据不同应用，选择不同类型的外部设备，设置相应的接口电路，把它挂接到系统总线上，构成不同用途、不同规模的计算机应用系统。,1.常规外围设备，如键盘、 CRT显示器、打印机、磁盘机等。 2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。,外设通过输入输出(IO)接口和输入输出(IO)通道与 CPU的总线相连。,一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类外设：,为什么外围设备不能像存储器那样直接

2、挂到主机 CPU的总线上呢？,因此， IO接口和 IO通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分。,这是由存储器和外围设备各自不同的性质、特点决定的。 (1) 由于存储器功能单一(保存信息)、品种有限(ROM、 RAM)、存取速度与 CPU的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到 CPU总线上，很方便。 (2)外围设备种类繁多，有机械式的、机电式的或电子式的；有的作为输入设备、有的作为输出设备；有的既可作为输入设备，又可作为输出设备；工作速度不一，外围设备的工作速度通常比 CPU的速度低得多，且不同外围设备的工作速度往往又差别很大；信息类型和传送方式不同，有的使用数字量，有的使用模拟量，有的要

3、求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠 CPU及其总线是无法承担的，必须增加 IO接口电路和 IO通道才能完成。,2.1.1总线的概念,所谓总线就是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。 总线可以把计算机或控制系统的模板或各种设备连成一个整体以便彼此间进行信息交换。,总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。,总线结构连接示意图,总线与总线接口一起便称之为总线结构,微型计算机广泛采用

4、总线技术，用以简化硬件、软件的系统设计。 从硬件角度看，接口设计者只需按总线规范设计插件板，保证它们具有互换性与通用性，以便大批量生产，支持计算机系统的性能及系列产品的开发。 从软件角度看，接插件的硬件结构带来了软件设计的模块化。,2.1.2采用总线的优点,1简化了系统结构 2简化了硬件与软件的设计 3便于系统的扩充与更新 4便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价 5可维护性好,2.1.3总线类别,片内总线 (On-Chip BUS)集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路 内部总线（Internal Bus)用于计算机内部模块（板）之间通信。 外部总线 （通讯总线） 用于计算机之间或计算

5、机与设备之间通信,1、按总线在系统结构中的层次位置：,计算机总线层次结构图,内部总线 是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它按功能又可分为数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。,数据、地址、控制、电源总线,数据总线D： 地址总线A： 控制总线C： 电源总线P：,外部总线 外总线又称通信总线。用于微型计算机系统与微型计算机系统之间或微型计算机系统与外部设备之间的通信。 如：IEEE-488、RS-232C、RS-485 、USB等,按总线数据传输方式 分： 并行总线 (Parallel BUS) 每个信号都有自己的信号线 传输速度快、接口简单 使用

6、电缆线数多 串行总线（Serial Bus) 多个信号复用少量信号线 电缆线数少，便于远距离传播 信号传输慢，接口复杂,所有信号复用一对信号线,每个信号都有自己的信号线,2.1.4总线标准,总线标准的含义,对于总线上的各个单元如芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，如果要进行正确的连接与传输信息，就应遵守一些协议与规范，这些协议与规定就被称为总线标准。,总线标准 1、规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性 2、为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路 3、采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性,常见总线标准,总线是微机中各模块之间传送信息的通

7、道，各模块分时共享总线。为了方便微机系统的扩展及各厂家产品的互换或互连，国际上根据微机的发展制定了许多总线标准。 如PC总线标准、ISA总线标准、EISA总线标准、PCI总线标准、 USB总线标准等。,ISA总线 PC总线仅适用于8位数据的传送，所以，从IBM PC/XT微机开始采用ISA总线，也称为AT总线，以便进行16位数据传送。 ISA总线的数据传送速率最快为8 MB/s，地址总线宽度为24位，可以支持16 MB的内存。 为了和PC总线兼容，在PC总线的基础上， ISA总线延伸出一段插槽，如图所示。 这一小段插槽上的引线主要是扩展的地址线和高8位数据线及增加的中断申请线等。,PC总线 P

8、C总线是PC机和XT机中采用的系统总线标准，适用于8位的数据传送，最大通信速率为5 MB/s。它有62根引脚，引脚如图所示。可插入符合PC总线的各种扩展板，以扩展微机的功能。 ,PCI局部总线 PCI(外部设备互连)是高速外设与CPU间的桥梁。它在CPU 与外设间插入了一个复杂的管理层，以协调数据传输，并提供了一个标准的总线接口。该管理层提供信号的缓冲，使PCI能支持10种外设，并在高时钟频率下保持高性能。,PCI插槽,ISA插槽,USB通用串行总线 USB（Universal Serial Bus）是由DEC、IBM、Intel、 Microsoft以及NEC等七家高技术企业制定的串行接口总

9、线标准。 由于目前微机系统的外设接口没有统一的标准， 如键盘的插口是圆的，打印插口是长方形等等，而利用USB则可把这些不同的接口统一起来。 它使用一个4针的插头作为标准插头，可连接的外围设备数目最多达127个，支持热插入（Hot Plug In）和即插即用（PlugPlay），最高传送速度可达480 Mbs， 既可用于低速的外围设备， 如键盘、 鼠标等，也可用于中速装置， 如打印机、 数码照相机、 调制解调器、扫描仪等。,USB接口,某型号个人计算机的外设接口示意图,计算机控制技术, 2.2 I/O接口,I/O接口定义,计算机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，使微处理器与外部设备进行最佳的

10、匹配，实现CPU与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的一门技术。,所谓接口就是微处理器CPU与外部连接的部件，是CPU与外部设备进行消息交换的中转站。 如：源程序或数据要通过接口从输入设备送入计算机，运算结果要通过接口向输出设备送出；控制命令通过接口发出，现场状态通过接口取进来，实现现场的实时控制等。,所谓标准接口，就是指明确定义了几何尺寸、信号功能、信号电平等的接口。 有了标准接口，可以使不同类型、不同生产厂家的数据终端和数据通信设备之间方便地进行通信。,由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题： 1）速度不匹配。I/O设备

11、的工作速度一般要比CPU慢许多，而且由于种类不同，它们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。 2）时序不匹配。各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。,3）信息格式不匹配。不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。 4）信息类型不匹配。不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。 基于以上原因，I/O设备一般不和微机内部直接相连，而是必须通过I/O接口与微机内部进行信息交换。 接口的作用主要就是为

12、了解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾。,接口的分类,1按接口的功能划分 1）人机对话接口。这类接口主要为操作者与计算机之间的信息交换服务，如键盘接口、显示器接口、图形设备接口和语音输入输出接口等。,2）过程控制接口（I/O接口）。这类接口是为实现对生产过程进行检测与控制的接口。它一般包括传感器接口和控制接口两部分，前者输入各种外界信息，以实现对生产过程的检测，后者输出经计算机处理后的控制信号，以实现对生产过程的控制。所以过程接口是计算机应用于控制系统的关键部分。 3）通用外设接口（标准接口）。这类接口是通用外设（如打印机、磁盘机、绘图仪等）与计算机之间的接口。,某型号个人计算机的外设接口

13、示意图,接口的实现方式： 1.整体方式 2.板卡方式 3. 模块方式,计算机控制技术, 2.3 过程通道,输入与输出信号,工业生产过程实现计算机控制的前提是，必须将工业生产过程的工艺参数、工况逻辑和设备运行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。,传感器和变送器输出的信号有多种规格，其中毫伏（mV）信号、05V电压信号、15V电压信号、010mA电流信号、420mA电流信号、电阻信号是计算机控制系统经常用到的信号规格。在实际工程中，通常将这些信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号三大类。,针对某个生产过程设计一套计算机控制系统，必须了解输入输出信号

14、的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、工程量换算等诸多要素。,1.模拟量信号,许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温度、位置、pH值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所需的控制信号也是模拟量，如调节阀、电动机、电力电子的功率器件等的控制信号。 模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。,模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的420mA的电流信号或15V的电压信号。这些模拟信号经过采样和A/D转换

15、输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。,模拟信号的常用规格： 1）15V电压信号 此信号规格有时称为DDZ-型仪表电压信号规格。 15V电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程通道。工程量的量程下限值对应的电压信号为lV，工程量上限值对应的电压信号为5V，整个工程量的变化范围与4V的电压变化范围相对应。过程通道也可输出15V电压信号，用于控制执行机构。,2）420mA电流信号 420mA电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号

16、。工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为4mA，量程上限对应的电流信号为20mA，整个工程量的变化范围与16mA的电流变化范围相对应。过程通道也可输出420mA电流信号，用于控制执行机构。,2.数字（开关）量信号,有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、马达的起动和停止、指示灯的亮和灭、仪器仪表的BCD码、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。,开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0就是1。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。,开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。 例如：行程开关可以指示出某个部件是否达到规定的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以