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1、第第2 2章章 计算机控制系统的硬件设计技术计算机控制系统的硬件设计技术 2.1 2.1 总线技术总线技术2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类总线的定义、层次结构及种类 所所所所谓谓谓谓总总总总线线线线，就就就就是是是是计计计计算算算算机机机机各各各各模模模模块块块块之之之之间间间间互互互互联联联联和和和和传传传传送送送送信信信信息息息息（指指指指令令令令、地址和数据）的一组信号线。地址和数据）的一组信号线。地址和数据）的一组信号线。地址和数据）的一组信号线。 以以以以微微微微处处处处理理理理器器器器为为
2、为为核核核核心心心心，总总总总线线线线可可可可以以以以分分分分为为为为内内内内部部部部总总总总线线线线和和和和外外外外部部部部总总总总线线线线，而而而而内部总线又可分为片级总线和系统总线。内部总线又可分为片级总线和系统总线。内部总线又可分为片级总线和系统总线。内部总线又可分为片级总线和系统总线。 片片片片级级级级总总总总线线线线包包包包括括括括数数数数据据据据总总总总线线线线、地地地地址址址址总总总总线线线线、控控控控制制制制总总总总线线线线、I I I I2 2 2 2C C C C总总总总线线线线、SPISPISPISPI总线、总线、总线、总线、SCISCISCISCI总线等；总线等；总线
3、等；总线等； 系统总线包括系统总线包括系统总线包括系统总线包括ISAISAISAISA总线、总线、总线、总线、EISAEISAEISAEISA总线、总线、总线、总线、VESAVESAVESAVESA总线、总线、总线、总线、PCIPCIPCIPCI总线等；总线等；总线等；总线等； 外外外外部部部部总总总总线线线线包包包包括括括括RS-232CRS-232CRS-232CRS-232C、RS-485RS-485RS-485RS-485、IEEE-488IEEE-488IEEE-488IEEE-488、USBUSBUSBUSB等等等等总总总总线线线线。另另另另外外外外，在在在在工工工工业业业业控控控
4、控制制制制中中中中，还还还还定定定定义义义义了了了了其其其其它它它它总总总总线线线线，如如如如：VMEVMEVMEVME、STDSTDSTDSTD、PC-104PC-104PC-104PC-104、Compact PCICompact PCICompact PCICompact PCI等。等。等。等。2.1.2 PC/ISA/EISA2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介总线简介1.PC/ISA1.PC/ISA1.PC/ISA1.PC/ISA总线的发展总线的发展总线的发展总线的发展 (4.77MHz,8DB,20AB)(4.77MHz,8DB,20AB)(4.77MHz,8DB,20AB)
5、(4.77MHz,8DB,20AB)2.ISA2.ISA2.ISA2.ISA信号线定义信号线定义信号线定义信号线定义 (8MHz,16DB,20AB)(8MHz,16DB,20AB)(8MHz,16DB,20AB)(8MHz,16DB,20AB)3.EISA3.EISA3.EISA3.EISA（32323232位）位）位）位） (16MHz,32DB,32AB)(16MHz,32DB,32AB)(16MHz,32DB,32AB)(16MHz,32DB,32AB)2.1.3 PCI/Compact PCI2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介总线简介PCI 是美国SIG集团推出的64
6、位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)。 主控设备49条，目标设备47条，可选引脚 51条（主要用于64位扩展、中断请求、高速缓存支持等），总引脚数 188条（包含电源、地、保留引脚等）。2.1.4 2.1.4 其它总线简介其它总线简介 1.PC/104 1.PC/104总线总线 2.PC/104 plus 2.PC/104 plus总线总线 3.STD 3.STD总线总线 (1)STD (1)STD总线信号总线信号 (2)STD32 (2)STD32总线总线2.1.5 2.1.5 串行外部总线简介串行外部总线简介1.RS-232/
7、RS-422/RS-4851.RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线串行通信总线 （1 1 1 1）平衡和不平衡传输方式）平衡和不平衡传输方式）平衡和不平衡传输方式）平衡和不平衡传输方式 （2 2 2 2）RS-232CRS-232CRS-232CRS-232C （3 3 3 3）RS-422A/ RS-485RS-422A/ RS-485RS-422A/ RS-485RS-422A/ RS-485多点互连多点互连多点互连多点互连 平衡差分驱动。平衡差分驱动。平衡差分驱动。平衡差分驱动。2.1.5 2.1.5 串行外部总线简介串行外部总线简介2.USB2.USB总线总线 （1 1
8、 1 1）具有热插拔功能）具有热插拔功能）具有热插拔功能）具有热插拔功能 （2 2 2 2）USBUSBUSBUSB采用采用采用采用“级联级联级联级联”方式连接各个外部设备方式连接各个外部设备方式连接各个外部设备方式连接各个外部设备 （3 3 3 3）适用于高）适用于高）适用于高）适用于高/ / / /低速各种外设连接低速各种外设连接低速各种外设连接低速各种外设连接2.2 2.2 总线扩展技术总线扩展技术2.2.1 2.2.1 微型计算机系统微型计算机系统I/OI/O端口与地址分配端口与地址分配 1.I/O 1.I/O 1.I/O 1.I/O端口及端口及端口及端口及I/OI/OI/OI/O操作
9、操作操作操作 （1 1 1 1）数据端口）数据端口）数据端口）数据端口 （2 2 2 2）状态端口）状态端口）状态端口）状态端口 （3 3 3 3）命令端口）命令端口）命令端口）命令端口 2. I/O 2. I/O 2. I/O 2. I/O端口编址方式端口编址方式端口编址方式端口编址方式 （1 1 1 1）统一编址）统一编址）统一编址）统一编址 （2 2 2 2）独立编址）独立编址）独立编址）独立编址 3.I/O 3.I/O 3.I/O 3.I/O端口地址分配端口地址分配端口地址分配端口地址分配 （1 1 1 1）系统板上的）系统板上的）系统板上的）系统板上的I/OI/OI/OI/O接口接口
10、接口接口 （2 2 2 2）扩展卡上的）扩展卡上的）扩展卡上的）扩展卡上的I/OI/OI/OI/O接口接口接口接口 4.I/O 4.I/O 4.I/O 4.I/O端口地址选用原则端口地址选用原则端口地址选用原则端口地址选用原则2.2.2 I/O2.2.2 I/O端口地址译码技术端口地址译码技术1.1.三种译码方式三种译码方式 （1 1）线选法）线选法 （2 2）全译码法）全译码法 （3 3）部分译码）部分译码2.I/O2.I/O2.I/O2.I/O端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号端口地址译码电路信号3.I/O3.I/O3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端
11、口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （1 1 1 1）固定地址译码）固定地址译码）固定地址译码）固定地址译码3.I/O3.I/O3.I/O3.I/O端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式端口地址译码方法及电路形式 （2 2 2 2）开关选择译码）开关选择译码）开关选择译码）开关选择译码2.2.3 2.2.3 基于基于ISAISA总线端口扩展总线端口扩展1.1.1.1.板选译码与板选译码与板选译码与板选译码与板内译码板内译码板内译码板内译码2.2.2.2.总线驱动及总线驱动及总线驱动及总线驱动及逻辑控制逻辑控制逻辑
12、控制逻辑控制3.3.3.3.端口及其读端口及其读端口及其读端口及其读写控制写控制写控制写控制2.3 2.3 数字量输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口与过程通道2.3.1 2.3.1 数字量输入输出接口技术数字量输入输出接口技术 1. 1. 1. 1.数字量输入接口数字量输入接口数字量输入接口数字量输入接口 2. 2. 2. 2.数字量输出接口数字量输出接口数字量输出接口数字量输出接口2.3.2 2.3.2 数字量输入通道数字量输入通道1.1.1.1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构2.2.2.2.输入调理电路输入调理电路输入调理电路输入调理
13、电路 (1) (1)小功率输入调理电路（直接接入）小功率输入调理电路（直接接入） (2) (2)大功率输入调理电路大功率输入调理电路( (光电耦合器光电耦合器) )2.3.32.3.3数字量输出通道数字量输出通道1.1.1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构2.2.2.2.输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (1) (1) (1) (1)小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵
14、列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路达林顿阵列输出驱动继电器电路2.3.32.3.3数字量输出通道数字量输出通道2.2.2.2.输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路输出驱动电路 (2) (2) (2) (2)大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路大功率交流驱动电路2.3.4 2.3.4 数字（开关）量输入数字（开关）量输入/ /输出通道模板举例输出通道模板举例图图2-19 PCL-7302-19 PCL-730板卡组成框图板卡组成框图2.3.4 2.3.4 数字（开关）量输入数字（开关）量输入/ /输出通道模板举例输出通道模板举例程序设计
15、举例程序设计举例( (基地址设为基地址设为220H)220H)：PCL-730PCL-730板卡的开关量输入板卡的开关量输入/ / 输出都只需要二条指令就可以完成。输出都只需要二条指令就可以完成。C C语言程序如下：语言程序如下：outportb(0x220outportb(0x220，Ox55) Ox55) outportb(Ox221outportb(Ox221，0x55)0x55)inportb(Ox220) inportb(Ox220) inportb(Ox221)inportb(Ox221)汇编语言程序如下：汇编语言程序如下：MOV DXMOV DX， 220H 220HMOV AL
16、MOV AL， 55H 55HOUT DXOUT DX， AL ALMOV DXMOV DX， 221H 221HOUT DXOUT DX， AL ALMOV DXMOV DX， 220H 220HIN ALIN AL， DX DX MOV AHMOV AH， AL ALMOV DXMOV DX， 221H 221HIN ALIN AL， DX DX2.42.4模拟量输入接口与过程通道模拟量输入接口与过程通道2.4.1 2.4.1 2.4.1 2.4.1 模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成模拟量输入通道的组成2.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换
17、变换1.1.1.1.信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路主要通过非电量的转换、信号信号调理电路主要通过非电量的转换、信号信号调理电路主要通过非电量的转换、信号信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和的电信号。信
18、号调理电路是传感器和的电信号。信号调理电路是传感器和的电信号。信号调理电路是传感器和A/DA/DA/DA/D之间以之间以之间以之间以及及及及D/AD/AD/AD/A和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中和执行机构之间的桥梁，也是测控系统中重要的组成部分。重要的组成部分。重要的组成部分。重要的组成部分。（1 1 1 1）不平衡电桥）不平衡电桥）不平衡电桥）不平衡电桥 热电阻调理：热电阻调理：热电阻调理：热电阻调理：2.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换（2 2 2 2）AD526AD526AD526A
19、D526可编程仪用放大器：可编程仪用放大器：可编程仪用放大器：可编程仪用放大器：AD526AD526AD526AD526是可通过软件对增益进行是可通过软件对增益进行是可通过软件对增益进行是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是x lx lx lx l、x 2x 2x 2x 2、x 4x 4x 4x 4、x 8x 8x 8x 8、x16x16x16x16等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和等五挡。它是一个完整
20、的包括放大器、电阻网络和等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和等五挡。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTLTTLTTLTTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。 2.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换2. I/V2. I/V2. I/V2. I/V变换变换变换变换（1 1 1 1）无源）无源）无源）无源I/VI/VI/VI/V变换变换变换变换 （2 2 2 2）有源）有源）有源）有源I/
21、VI/VI/VI/V变换变换变换变换2.4.3 2.4.3 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。 图2-27 CD4051原理图2.4.4 2.4.4 采样、量化及采样保持器采样、量化及采样保持器1.1.信号的采样信号的采样2.2.量化量化 所谓量化，就是采用一组数码所谓量化，就是采用一组数码所谓量化，就是采用一组数码所谓量化，就是采用一组数码( ( ( (如二进制码如二进制码如二进制码如二进制码) ) ) )来逼来逼来逼来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采近离散模拟信号的幅值，将其
22、转换为数字信号。将采近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是化动作的装置是化动作的装置是化动作的装置是A/DA/DA/DA/D转换器。转换器。转换器。转换器。 LSB LSB3.3.采样保持器采样保持器(1)(1)(1)(1)孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除孔径时间和孔径误差的消除 (2)(2)(2)(2)采样保持原理采样保持原理采样保持原理采样保持原理
23、 3.3.采样保持器采样保持器（3 3 3 3）常用的采样保持器）常用的采样保持器）常用的采样保持器）常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有常用的集成采样保持器有LF398LF398LF398LF398、AD582AD582AD582AD582等，等，等，等，LF398LF398LF398LF398的采样的采样的采样的采样控制电平为控制电平为控制电平为控制电平为“1”“1”“1”“1”，保持电平为，保持电平为，保持电平为，保持电平为“0”“0”“0”“0”，AD582AD582AD582AD582相反。相反。相反。相反。2.4.5 A/D2.4.5
24、 A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术1. 81. 81. 81. 8位位位位A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器ADC0809ADC0809ADC0809ADC0809 (1) 8 (1) 8 (1) 8 (1) 8通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑通道模拟开关及通道选择逻辑 (2) 8 (2) 8 (2) 8 (2) 8位位位位A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器 (3) (3) (3) (3) 三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器2 2 2 212121212位位位位A/DA/D
25、A/DA/D转换器转换器转换器转换器AD574AAD574AAD574AAD574A (1)12 (1)12 (1)12 (1)12位位位位A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器 (2) (2) (2) (2)三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 (3) (3) (3) (3)控制逻辑控制逻辑控制逻辑控制逻辑3. AD574A/16743. AD574A/16743. AD574A/16743. AD574A/1674与与与与PCPCPCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口总线工业控制机接口总线工业控制机接口3. AD574A/16743. A
26、D574A/1674与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口2.4.6 2.4.6 模拟量输入通道模板举例模拟量输入通道模板举例图2-36 PCL-813B数据采集卡组成框图 2.4.6 2.4.6 模拟量输入通道模板举例模拟量输入通道模板举例1.PCL-813B 的寄存器地址2.程序设计举例 PCL-813B A/D 转换基于查询方式，由软件触发。A/D 转换器被触发后，利用程序检查A/D状态寄存器的数据准备位（DRDY ）。如果检测到该位为“1”，则A/D 转换正在进行。当A/D 转换完成后；该位变为低电平，此时转换数据可由程序读出。 2.5 2.5 模拟量输出接口与过程通道模拟量
27、输出接口与过程通道2.5.1 2.5.1 模拟量输出通道的结构型式模拟量输出通道的结构型式 1. 1. 1. 1.一个通道设置一个数一个通道设置一个数一个通道设置一个数一个通道设置一个数/ / / /模转换器的形式模转换器的形式模转换器的形式模转换器的形式 2. 2. 2. 2.多个通道共用一个数多个通道共用一个数多个通道共用一个数多个通道共用一个数/ / / /模转换器的形式模转换器的形式模转换器的形式模转换器的形式2.5.2 D/A2.5.2 D/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术1. 81. 8位位D/AD/A转换器接口转换器接口2. 122. 12位位D/AD/A转换器接口转换器接
28、口2.5.3 2.5.3 单极性与双极性电压输出电路单极性与双极性电压输出电路2.5.4 V/I2.5.4 V/I变换变换1.1.集成集成V/IV/I转换器转换器ZF2B20ZF2B202.2.集成集成V/IV/I转换器转换器AD694AD6942.5.5 2.5.5 模拟量输出通道模板举例模拟量输出通道模板举例图2-47 PCL-726板卡组成框图2. D/A 转换程序流程D/A 转换程序流程如下（以通道1为例）：（1）选择通道地址n=1（n=16）。（2）确定D/A高4位数据地址（基地址+00）。（3）置 D/A高4位数据(D3DO 有效 )。（4）确定D/A低8位数据地址（基地址+01）
29、。（5）置 D/A低8位数据并启动转换。3. 程序设计举例PCL-726 的D/A 输出、数字量输入等操作均不需要状态查询，分辨率为12位，000H0FFFH分别对应输出0%100%，若输出50%，则对应的输出数字量为7FFH，设基地址为220H，D/A通道l输出50%的程序如下：C语言参考程序段如下：outportb ( 0x220 , 0x07 ) / D/A 通道l 输出50% outportb ( 0x221 , 0xff ) 汇编语言参考程序如下：（基地址为220H ）：MOV AL， 07H ；D/A 通道l 输出50% MOV DX， 0220H OUT DX， ALMOV DX， 0221H MOV AL， 0FFH
