第七章 工业控制微型计算机 第七章 工业控制微型计算机 7.1 工业控制计算机的特点工业控制计算机的特点 7.2 总线式工控机的组成结构总线式工控机的组成结构 7.3 常用工控总线常用工控总线( (STDSTD／／VMEVME／／IPCIPC工控机工控机) ) 7.4 IPC的主要外部结构形式的主要外部结构形式 7.5 IPC总线工控机内部典型构成形式总线工控机内部典型构成形式 7.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍总线工业控制计算机常用板卡介绍习题习题 第七章 工业控制微型计算机 7.1 工业控制计算机的特点工业控制计算机的特点 1. 1. 适应工业环境，适应工业环境， 抗干扰能力强，抗干扰能力强， 可靠性高可靠性高 工业环境条件恶劣，情况复杂，存在着高温、高湿、震动、粉尘等情况，电磁干扰源多且复杂，这些都会给控制系统造成极大的危害 工业生产要求所使用的系统可靠性高，否则， 会造成巨大的损失因此，IPC必须具有良好的抗干扰能力和很高的可靠性 第七章 工业控制微型计算机 2. 2. 模块化板卡结构模块化板卡结构 IPC充分利用了PC的硬件和操作环境，采用了模块化的硬件板卡结构。
如取消了PC中的母板，将原来的大母板上的总线插槽部分分成了通用的底板总线插座系统和变成PC插卡式主板， 如各种无源底板和多种CPU卡把各种工业控制功能都做成各种硬件板卡，如开关量I/O卡、模拟量I/O卡、 计数器/定时器卡、通信板卡、数据采集卡、信号调理卡等基本模板，利用这些板卡就可以很方便地组成各种规模的控制系统目前，工业控制计算机的厂商已开发出上千种的专业化板卡这些板卡结构紧凑，现场功能丰富， 使用方便， 用户可以利用厂商提供的板卡，方便地组成自己需要的控制系统硬件， 还可以利用厂商提供的驱动程序，开发满足自己需要的控制程序，大大缩短了控制系统硬件的开发周期 第七章 工业控制微型计算机 3. 3. 各种工业控制计算机机箱各种工业控制计算机机箱 为了适应工业现场的安装要求，IPC机箱有各种尺寸的立式、卧式、壁挂式机箱可供选择IPC机箱采用全钢密封结构， 采取了很多措施以适合工业环境，具有防电磁干扰能力；还采用内部正压送风，具有良好的散热和防尘效果机箱内还配备了抗干扰、具有自动保护功能的工业电源 第七章 工业控制微型计算机 4. 4. 丰富的工业应用软件丰富的工业应用软件 为了实现工业控制，IPC在继承了PC丰富的软件资源外， 有许多专业软件公司开发了很多工业控制软件，这些软件由专业人员开发并经过实际运行考验，可靠性高，用户可以直接根据自己的需要进行选用。
为了使控制效果更直观生动， 这些控制软件都采用了组态技术和多媒体技术用户也可以利用厂商提供的驱动程序， 开发满足自己需要的控制程序 第七章 工业控制微型计算机 5. 5. 应用广泛应用广泛 近年来，工控机又推出了嵌入式单板计算机， 有3.5 in(1 in=25.4 mm)和5 in两种规格3.5 in的尺寸是146 mm×102 mm，5 in的尺寸是203 mm×146 mm 嵌入式单板计算机集成了CPU、 CRT/LCD控制、10/100 Mbit/s网络接口、 电子盘接口、串行口、并行口、USB、键盘和鼠标等接口， 嵌入式单板计算机以其超小的体积、超强的功能，可广泛应用于信息家电、 仪器仪表、 智能产品等各种嵌入式领域 第七章 工业控制微型计算机 图7-1 总线型工控机系统的硬件结构 第七章 工业控制微型计算机 7.2 总线式工控机的组成结构总线式工控机的组成结构 工控机系统由工控机系统硬件和工控机系统软件两部分组成工控机系统硬件由工控机和执行机构、 测量环节(传感器)组成工控机由工业微机(如WC)和工业过程通道组成 图7－1是总线型工控机系统的硬件结构图。
工业控制微机和商用微机的组成原理十分相似工控机系统硬件是在工业控制微机的基础上增加了过程通道板卡，以实现工业过程信号的输入和输出 第七章 工业控制微型计算机 主机板和其他各板卡之间又是怎样连接和实现信息传输的呢? 它们是通过总线实现互连，并通过总线实现数据信息的传输和交换功能所谓总线，就是指板卡(模块)与板卡(模块)之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用共享信号线 过程通道包括输入通道和输出通道两部分输入通道可以将现场的过程信号经过变换或调理后输入到计算机，输出通道可以将计算机输出的控制信号经过变换或调理后输出给执行机构 第七章 工业控制微型计算机 总线型工控机系统的优势在于，一个完整的硬件系统可以从一个OEM厂家购买到,也可以从不同的OEM厂家购买不同的部分，然后自己集成以适应特定的性能和功能需求构成总线型工控机系统的硬件都是模块化的，便于维护和升级扩充， 也便于用户开发自己所需要的功能板卡 第七章 工业控制微型计算机 7.3 常用工控总线常用工控总线(STD／／VME／／IPC工控机工控机) 7.3.1 7.3.1 STDSTD总线工控机总线工控机 STD工控机基于STD总线，该总线由PRO-LOG公司于1978年推出，其正式标准为IEEE961。
8位STD工控机支持绝大多数的8位微处理器 16位STD工控机基于采用总线周期窃取和复用技术改进后的16位STD总线32位STD工控机只是作为一种技术推出过， 但作为一种产品，还未真正进入市场，就已被迫退出市场我国于20世纪80年代中后期引入STD工控机技术，国内曾经有数十个STD工控机厂家 第七章 工业控制微型计算机 20世纪90年代初期，是STD工控机的鼎盛时期，也是STD和IPC工控机的共同繁荣时期STD工控机曾为我国工业自动化改造做出过重要贡献，但由于STD工控机本身的技术局限性和IPC工控机市场的不断壮大，使得STD工控机于20世纪90年代末基本上退出了工控领域 第七章 工业控制微型计算机 7.3.2 7.3.2 MC6800MC6800／／MC68000MC68000工控机工控机 1. 1. MC6800MC6800系列工控机系列工控机 我国于20世纪70年代末期和80年代初期引进MC6800系列工控机及其过程通道MC6800工控机系统在20世纪80年代初期得到应用 由于MC6800工控机是8位微机，随着计算机技术的发展， 该系列工控机于20世纪90年代初期已基本上退出工控领域。
第七章 工业控制微型计算机 2. 2. MC68000MC68000系列工控机系列工控机 MC68000系列工控机采用的是VME总线，通常又称为VME工控机 VME工控机主要提供了MC68000系列CPU的主机、外设和过程通道VME工控机的主机系统都是32位的微机，相应的微处理器主要有MC68000、 MC68010、MC68020、MC68040等 我国于20世纪80年代末期引进了VME工控机， 并实现了部分主机板卡和过程板卡的国产化VME工控机采用的VME总线是当今工业界最好的微机数字总线之一， 只是由于推出VME工控机的Motorola公司工作重心的转移和工控机的PC化潮流，导致了VME工控机逐渐退出工控领域, 但是，VME工控机所采用的规范和体系结构，逐步被高档次IPC采用，这就充分说明VME工控机作为技术本身是比较优秀的 第七章 工业控制微型计算机 7.3.3 7.3.3 IPCIPC总线工控机总线工控机 工业个人计算机简称IPC(Industrial Personal Computer)，它和IBM PC保持了硬件和软件上的兼容IPC拥有丰富的硬件资源、软件资源和PC用户资源， 使得IPC已经成为工控机的主流。
由IPC组成的各类工业控制微机系统在我国的各行各业得到了广泛的应用，因此提高了我国的生产自动化水平从PC到今天的IPC，有一个相对长的发展历程在发展期间，众多IPC商家克服了PC机无法直接应用于工业控制领域的诸多缺陷， 主要表现在以下各方面： 第七章 工业控制微型计算机 (1) 采用总线式结构取代PC机的大母板结构， 便于维修和维护 (2) 采用工业级元器件进行板卡设计 (3) 采用全钢结构工业标准台式机箱或插箱式机箱， 箱体密封， 并设有一大一小两个风扇， 以形成机箱内的正压， 防止粉尘进入 (4) 开发和设计了适用于工业控制的系列过程板卡 (5) 主板增设了看门狗、 RS-485通信口等工业控制所必须的功能 第七章 工业控制微型计算机 总之，在标准的工业总线基础上发展起来的IPC机不仅克服了原来的PC机的一些弱点，而且充分发挥了原PC机软硬件产品的资源优势，使它在工业控制领域中已牢牢地占据了应有的地位如今，它不仅能出色地完成工厂企业中的数据采集、 过程控制、能源管理、质量控制、机电一体化等一般化的任务，而且在大型控制系统中大显身手，促使传统分散型控制系统的体系结构发生了深刻的变化。
在新一代DCS系统的体系结构中普遍采用了IPC作为系统的操作站和系统内的节点机， 并由此组合成大型系统 第七章 工业控制微型计算机 如Honeywell公司的TPS(Total Plant Solution)系统采用了IPC作为GUS(Global User Station)操作站， 其操作系统为Windows NT Workstation； YOKOGAWA公司的CENTUMCSl000也采用了IPC作为操作站和Windows NT作为操作系统大型控制系统公司采用IPC技术后，不断降低DCS系统的成本， 而且促使DCS向标准化和PC化方向发展，同时也推动了IPC向纵深发展 即将进入市场的FCS也将采用IPC作为操作站，因此IPC的前景十分看好美国的《CONTROL ENGINEERING》早在20世纪80年代末就曾经指出：“20世纪90年代是工业IPC的时代，全世界15％的工业计算机使用的是IPC，并继续以每年21％的速度增长 ”十几年来的事实证明这种评论和预测是正确的 第七章 工业控制微型计算机 IPC的技术进步，一方面取决于技术本身的进步， 另一方面则取决于市场的需求。
进入21世纪后， 随着计算机技术的发展以及自动化技术的普及和推广，IPC的性能进一步增强和逼近商用PC的发展速度随着标准化工控组态软件的不断推出和完善、现场总线标准的统一和现场总线产品正式进入市场， IPC将以全新的角色发挥更大的作用 第七章 工业控制微型计算机 7.4 IPC的主要外部结构形式的主要外部结构形式 工业PC简称IPC，是用得最广泛的一种工业微机，也是工控机系统的核心组成部分之一 目前，市场上的IPC多种多样，主要包括台式IPC、盘装式IPC、插箱式IPC、IPC工作站及嵌入式IPC等 不同类型的IPC， 其性能、 价格和适用场合是不同的 第七章 工业控制微型计算机 7.4.1 7.4.1 台式台式IPCIPC 台式IPC的结构如图7-2所示 其主要特点如下： (1) 类似于台式个人电脑的结构，但机箱为19英寸工业标准的全钢结构； (2) 机箱不带显示器， 需外接CRT或液晶显示器； (3) 总线型结构，主板和ISA／PCI总线型底板分离，底板一般有多个PCMCIA、ISA、PCI插槽； 第七章 工业控制微型计算机 (4) 机箱内安装的吹风机的容量大于抽风机的容量，机箱内为正压， 且风口有过滤网，避免粉尘进入机箱； (5) 使用工业级电源； (6) 电源开关配有保护仓，防止没有授权的人员开关电源。
键盘设置有硬件锁，可防止外人进行操作 第七章 工业控制微型计算机 图7-2 台式IPC的外观结构 第七章 工业控制微型计算机 7.4.2 7.4.2 盘装式盘装式IPCIPC 盘装式IPC的结构如图7-3所示 其主要特点如下： (1) 内部是全钢结构，外壳是防火塑料； (2) 质量轻、体积小、可以直接安装在控制屏上； (3) 采用TFT型LCD显示器，和主机构成一体化结构； (4) 使用触摸屏作为信息输入工具； (5) 完善的接口功能：串口、并口、USB接口，配有少量PCMCIA、ISA、 PCI插槽； (6) 集成网卡功能 第七章 工业控制微型计算机 图7-3 盘装式IPC的外观结构 第七章 工业控制微型计算机 7.4.3 7.4.3 IPCIPC工作站工作站 IPC工作站的结构如图7-4所示 其主要特点如下： (1) 全钢盘装式结构(19英寸)， 可以安装在控制屏或机柜上； (2) 主机箱、 TFTLCD显示屏和触摸屏做成一体化结构； (3) 面板上嵌入有专用键盘； (4) 内部结构和功能与台式IPC完全类似。
第七章 工业控制微型计算机 图7-4 IPC工作站的外观结构 第七章 工业控制微型计算机 7.4.4 7.4.4 插箱式插箱式IPCIPC 插箱式IPC有ISA总线和PCI总线两种类型基于不同的总线，其底板、总线、板卡尺寸则不同 两种插箱式IPC的板卡在结构上不能互换 图7-5为基于ISA总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-2000系列IPC) 第七章 工业控制微型计算机 图7-5 基于ISA总线的插箱式IPC及板卡 第七章 工业控制微型计算机 基于ISA总线插箱式IPC的主要特点如下： (1) 采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构； (2) 机箱上下侧都有风机(抽风、吹风各一)，机箱内为正压，空气对流畅通； (3) 8～11槽无源ISA总线底板； (4) 模块化设计， 便于维护， 缩短MITR； (5) 现场信号直接进入前面板的接线端子； (6) 板卡前面板上下两端有把手， 容易插拔 第七章 工业控制微型计算机 图7-6为基于PCI总线的插箱式IPC(如研华公司推出的MIC-3000系列) 第七章 工业控制微型计算机 基于PCI总线的插箱式IPC的主要特点如下： (1) 采用19英寸标准插箱式机箱，全钢结构； (2) 机箱上下侧都安装有风机，一个抽风，一个吹风，机箱内为正压，空气对流畅通； (3) 8槽Compact PCI总线底板， 可以扩展； (4) 板卡的机械规范符合IEEE1101.1／1101.10标准， 类似VME规范； (5) 使用气密式连接器(针座式)， 接触效果好， 符合IEC-1076国际标准。
第七章 工业控制微型计算机 7.4.5 7.4.5 嵌入式嵌入式IPCIPC 在众多嵌入式IPC中， 较有代表性的当数PC／104嵌入式IPC(尺寸为96 mm×90 mm)、3.5英寸嵌入式IPC(尺寸为146 mm×102 mm)和5.25英寸嵌入式IPC(尺寸为203 mm×146 mm)图7-7分别表示PC／104和3.5英寸嵌入式IPC的外形结构 嵌入式IPC不用插板滑道和总线底板，模块之间采用层叠式封装PC／104与ISA的电气规范兼容，厂商能用与台式PC机同样的ISA芯片和外设芯片系列开发出各类PC／104产品 目前， 绝大多数的工业标准总线产品都在以不同的方式向嵌入式PC技术靠拢，有的厂家采用总线转换技术，推出了非ISA总线的产品， 也有的厂家推出了基于VME总线规范的嵌入式PC 第七章 工业控制微型计算机 图7-7 嵌入式IPC(a) PC/104嵌入式IPC； (b) 3.5英寸嵌入式IPC 第七章 工业控制微型计算机 7.5 IPC总线工控机内部典型构成形式总线工控机内部典型构成形式 7.5.1 7.5.1 工业控制计算机的组成工业控制计算机的组成 (1) 加固型工业机箱：由于工控机应用于较恶劣的工业现场环境，因此对机箱采取了一系列的加固措施，以达到防振、 防冲击的效果。
机箱一般都采用全钢结构，具有良好的电磁屏蔽能力 第七章 工业控制微型计算机 工控机的机箱为了达到防尘目的，采用了全密封方式， 还采用了进风量大于排风量的正压送风方式，使工业环境的灰尘不能进入机内， 保证了工控机的清洁运行，提高了运行的可靠性机箱内一般安装有多个风扇，通风散热性能良好 工控机的机箱有卧式、壁挂式之分，机箱的外形如图7-8所示机箱的高度一般按U(1 U=1.75 in)计算 在实际选用时， 可根据工业现场选择合适的机箱 第七章 工业控制微型计算机 图7-8 工控机机箱 (a) 外形； (b) 内部结构 第七章 工业控制微型计算机 (2) 工业电源：工控机的电源要求具有防浪涌冲击、 过压过流保护功能，抗干扰能力强工控机的电源有多种型号可供选择为了适应工业现场电压波动大的特点， 工控机电源都具有比较宽的调整范围， 输出电压、电流的偏差也比较小， 平均无故障时间(MTBF)长， 一般为6~10万小时 第七章 工业控制微型计算机 图7-9 14槽的无源底板 第七章 工业控制微型计算机 (3) 无源底板：无源底板是用来安装各种板卡的基板采用4层PCB板，带有电源层和接地层，用以抗干扰和减少阻抗。
板上有用于电源指示的LED，分别指示不同的电压，根据LED的亮或暗就能反映电压的正常与否无源底板上有多个总线插槽， 可安装ISA、EISA、PCI总线的各种板卡 无源底板上的插槽数最多可以达到20个一个14槽的无源底板如图7－9所示， 其尺寸为： 315 mm×260 mm 工控机的机箱、电源、无源底板必须配套使用， 即机箱、 电源、无源底板的结构尺寸必须按照机箱的结构尺寸来进行选择 这方面的内容可参考工控机厂商的产品选型目录 第七章 工业控制微型计算机 (4) 主机板(CPU卡)：CPU卡是工控机的核心部件， 目前有80486、 80586、 Pentium／Celeron系列等各类CPU板卡 板上所有元件性能都达到了工业级标准， 并且是一体化主板 板上有CPU插座，各种接口插座， 如显示器接口、 串行通信接口、软盘驱动器接口、 硬盘接口、网络接口等， 板上还有内存条插槽等CPU卡有全长卡和半长卡之分， 全长卡的外形尺寸是338 mm×122 mm， 半长卡的外形尺寸是185 mm×122 mm 图7-10是一个全长CPU卡 第七章 工业控制微型计算机 图7-10 全长CPU卡 第七章 工业控制微型计算机 下面给出一个全长CPU卡的技术参数：400 MHz系统总线， Socket478 Pentium4 CPU； Intel 845芯片组， 两条200／266DDR DIMM插槽； AGP 1X／2X／4X带2D、 3D图形加速控制器, 32 MB独立显存； 一个10 Mb/s或100 Mb／s以太网控制器， RJ-45接口； 两个ATA66／100接口， 四个USB接口； 支持AT／ATX电源。
第七章 工业控制微型计算机 (5) 外部存储器: 外存储器有软盘驱动器、硬盘和CD-ROM，可根据需要配置 (6) 显示器: 显示器有普通显示器和液晶(LCD)显示器， 其尺寸和分辨率可根据需要选择 (7) 键盘: 一般采用101标准键盘或触摸式功能键盘 (8) 鼠标: 有机械式或光电式之分 (9) 打印机: 有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机， 用于数据报表、工艺流程画面等的打印 第七章 工业控制微型计算机 7.5.2 7.5.2 工业控制计算机系统的组成工业控制计算机系统的组成 (1) 工控机主机：包括机箱、电源、无源底板、CPU卡、 显示器、磁盘驱动器、键盘、鼠标等； (2) 输入接口板卡：包括模拟量输入、开关量输入板卡等； (3) 输出接口板卡：包括模拟量输出板卡、开关量输出板卡等； (4) 通信接口模块：包括串行通信接口模块(RS-232、 RS-422、RS-485等)、网络通信模块(如以太网模块、光纤模块、 无线调制解调器模块等)等； 第七章 工业控制微型计算机 (5) 信号调理模块：完成对工业现场各种输入信号的预处理，对输入输出信号进行隔离、驱动，还能完成信号的转换等； (6) 远程数据采集模块：可以直接安装在工业现场，能够通过多通道I／O模块进行数据采集和过程监控，可以将现场信号通过现场总线与工控机进行通信； (7) 工控软件包：支持数据采集、监视、控制、报警、 画面显示、通信等功能。
目前大部分控制软件以Windows操作系统为平台，也有以实时多任务操作系统为平台的，可根据实际需要选择 第七章 工业控制微型计算机 图7-11 工业控制计算机系统组成框图 第七章 工业控制微型计算机 7.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍总线工业控制计算机常用板卡介绍 7.6.1 7.6.1 IPCIPC总线工业控制计算机的概念总线工业控制计算机的概念 1. 1. 总线总线 计算机总线是CPU与计算机其他部分进行信息传递的公共通道， 通常传递三种信号：地址、数据和控制信号工控机早期使用的总线是STD总线，目前常用的总线有ISA总线、 EISA总线、 PCI总线等 第七章 工业控制微型计算机 2. 2. 总线指标总线指标 (1) 总线宽度: 总线宽度是指总线一次操作可以传输的数据位数，STD总线是8位，ISA总线是16位， PCI总线是32位或64位 (2) 总线频率: 总线频率是指总线工作时的最高时钟频率 时钟频率越高，单位时间内可传送的数据量越大ISA总线频率都是8.33 MHz，PCI总线频率是33.3 MHz或66 MHz (3) 总线数据传输率: 表示单位时间内传送数据量的大小(数据传输率=总线宽度的字节数×总线频率，单位是MB／s)。
第七章 工业控制微型计算机 3. 3. ISAISA总线总线 ISA(Industrial Standard Architecture)总线是IBM公司1984年推出的系统总线标准，它同时具有8位和16位扩展槽结构， 1993年后在很多地方被PCI总线取代 第七章 工业控制微型计算机 4. 4. PCIPCI总线总线 PCI(Peripheral Component Interconnect，外围部件互连)总线以其64位处理能力和即插即用的特性，取得了在新型微机系统中的应用地位，是目前微机系统常用的总线它有两种数据宽度：32位和64位，总线频率最高可达66 MHz， 数据处理能力32位时是264 MB／s，64位时是528 MB／s，非常适合在高速计算机和高速数据通信中应用 目前工业控制计算机ISA总线、PCI总线都在使用，但以PCI总线为主，用户可根据实际需要选择 第七章 工业控制微型计算机 7.6.2 7.6.2 工业控制计算机工业控制计算机I I／／O O接口信号板卡接口信号板卡 I／O接口是计算机与外界交换信息的桥梁， 通过I／O接口， 完成外部信息输入计算机和计算机控制功能。
1. 1. 接口信号的分类接口信号的分类 工业控制需要处理和控制的信号可分为模拟量、数字量和开关量 第七章 工业控制微型计算机 1) 模拟量信号 模拟量是指在时间和数值上连续的量在工业现场， 温度、流量、压力、位移等都是模拟量，而这些非电量的模拟量需要经过传感器将非电量转换成电量，经过放大、线性化补偿等处理，得到模拟电压或电流，再经过A／D转换成数字量， 送入IPC处理，IPC根据事先确定的控制策略进行计算， 并把输出结果经D／A转换成模拟量信号，去控制执行机构(如电动机、 电磁阀等) 第七章 工业控制微型计算机 2) 2) 开关量信号开关量信号 开关量是指具有两个状态的量， 每个开关量可以用一位二进制数表示(“1”或“0”)开关量信号有信号电平幅值和开关时变化的频率两个特征开关信号通常有继电器触点信号、 TTL电平等为了让计算机有效识别开关信号， 必须对开关信号进行调理(变换)，包括将非TTL电平转换成TTL电平和隔离等 输出的开关信号则需要根据控制对象加隔离电路、驱动电路等 第七章 工业控制微型计算机 3) 数字量信号 数字量是指用多位二进制形式表示的数或用ASCII码表示的字符。
对数字量信号的处理方法与开关量类似， 其区别是数字量是多位二进制而开关量是一位二进制 第七章 工业控制微型计算机 2. 2. I I／／O O接口信号板卡接口信号板卡 工控机的接口板卡一般由三部分组成： PC总线接口部分、 板卡功能实现部分和信号调理部分模拟量板卡功能实现部分主要包括信号的采样、隔离、放大、A／D和D／A电路及接口控制逻辑 开关量板卡功能实现部分主要包括数据的输入缓冲和输出锁存以及隔离电路等它们的PC总线接口部分是相同的 现在工控机生产厂商已把模拟量、 数字量的控制功能在一块板卡上实现， 这就是数据采集控制卡 第七章 工业控制微型计算机 1) 数据采集控制卡 数据采集控制一般完成以下一个或多个功能： 模拟量输入、 模拟量输出、数字量输入、 数字量输出及计数定时功能 此类板卡有各种型号和类型， 用户可根据需要选择 第七章 工业控制微型计算机 图7-12 PCI-1710／1710HG结构图 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1710／1710HG是一款研华科技公司生产的基于PCI总线的多功能数据采集卡, 如图7-12所示它包含五种最常用的测量和控制功能：12位A／D转换、D／A转换、数字量输入、 数字量输出及计数器／定时器功能。
卡上有一个自动通道增益扫描电路，该电路能代替软件控制采样期间多路开关的切换 卡上的SRAM存储了每个通道不同的增益值及配置，可以让不同的通道使用不同的增益，并自由组合单端和差分输入来完成多通道的高速采样(可达100 kHz)卡上还有一个4 KB的FIFO(先进先出)存储器，能存储4 KB的A／D采样值当FIFO满时，板卡会产生一个中断该特性提供了连续高速的数据传输及Windows下更可靠的性能卡上还提供了可编程的计数器／定时器可以为A／D变换提供触发脉冲和用作脉冲触发的定时器 第七章 工业控制微型计算机 为了降低模拟信号线上的噪声，还专门为PCI-1710／1710HG设计了屏蔽电缆PCL－10168，该电缆采用双绞线， 并且模拟信号线和数字信号线是分开屏蔽的这样能使信号间的交叉干扰降到最小 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1710／1710HG的特点如下： 16路单端或8路差分模拟量输入， 或组合输入方式； 12位A／D转换器， 采样速率可达100 kHz； 每个输入通道的增益可编程； 单端或差分输入自由组合； 卡上4 KB采样FIFO缓冲器； 2路12位模拟量输出； 16路数字量输入及16路数字量输出； 可编程计数器／定时器。
第七章 工业控制微型计算机 2) 模拟量输入输出板卡 (1) PCI-1713(32路隔离模拟量输入卡)：PCI-1713是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡,如图7-13所示它提供了32个模拟量输入通道，采样频率可达100 kHz，12位分辨率及2500 V直流隔离保护 第七章 工业控制微型计算机 图7-13 PCI-1713结构图 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1713有一个自动通道／增益扫描电路在采样时， 该电路可以自己完成对多路选通开关的控制卡上的SRAM存储了每个通道不同的增益值及配置这种设计可以对不同的通道使用不同的增益，并采用单端和差分输入的不同组合方式来完成多通道采样卡上具有高速数据采集功能 对于A／D转换，支持三种触发模式： 软件触发、内部触发和外部触发软件触发允许用户在需要的时候可以获得一个采样值； 内部定时器触发用于连续、高速的数据采集；外部触发允许与外部设备进行同步采样 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1713的特点如下： 2500 V直流隔离保护；32路单端或16路差分模拟量输入， 或组合输入方式；12位A／D转换分辨率；A／D转换器的采样速率可达100 kHz；每个输入通道的增益可编程；卡上4 KB采样FIFO缓冲器；支持软件、内部定时器触发或外部触发。
PCI-1713主要应用在信号隔离、工业过程监测和控制、 变送器／传感器接口、多路直流电压测量等方面 第七章 工业控制微型计算机 图7-14 PCI-1720结构图 第七章 工业控制微型计算机 (2) PCI-1720(4路隔离D／A输出卡)：PCI-1720是一款PCI总线的4路12位隔离数字量／模拟量的输出卡, 如图7-14所示 它能够在输出和PCI总线之间提供2500 V直流隔离保护， 非常适合需要有高电压保护的工业现场 用户可以单独将四个通道的输出设为不同的范围： 0~5 V、 0~10 V、±5 V、±10 V、0～20 mA或4～20 mA 该板卡还使用了PCI控制器来完成卡与PCI总线的接口，使其具有即插即用功能 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1720的特点如下： 4路12位D／A输出； 多种输出范围； PCI总线和输出之间2500 V直流隔离； 系统重启动后保持输出设置和输出值； 便于接线DB-37接口 PCI-1720主要应用在过程控制、 可编程电压源、 可编程电流环、 伺服控制等方面 第七章 工业控制微型计算机 (3) 数字量输入输出板卡： 在工业现场，除了模拟量信号以外，还有大量的开关量信号。
开关量信号的电气接口形式较多，如继电器触点信号和开关信号、TTL电平或非TTL电平等对某些开关量输出信号， 还需要大功率驱动器来实现对工业设备的驱动控制 为了方便用户，工控机厂商生产了多种规格和信号的数字量输入输出板卡，既有输入输出功能在一块板卡上，也有输入输出功能分别做成单独的板卡用户可根据实际需要进行选择 下面仅介绍具有输入输出功能的板卡 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1750是一款PCI总线的半长卡，如图7-15所示 它能提供16个数字量输入通道，16个隔离数字量输出通道及一个带输入信号的隔离计数器／定时器由于带有2500 V直流隔离保护及支持干接点，因此非常适合需要高电压保护的工业应用场所 第七章 工业控制微型计算机 图7-15 PCI-1750结构图 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1750的每个I／O通道对应PC I／O端口的每一位， 使得编程非常方便该卡还提供了一个计数器或定时器中断， 以及两个数字量输入中断，用户可以方便地用软件对它们进行配置 第七章 工业控制微型计算机 PCI-1750的特点如下： 16路隔离DI和16路隔离DO通道； 所有隔离通道均可以承受2500 V高电压； 隔离输出通道可以承受200 mA通道的汇电流； 支持干接点输入或5~50 V直流隔离输入。
中断处理； 具有定时器／计数器中断处理功能 PCI-1750主要应用在工业开关控制、触点闭合监控、开关状态检测、BCD接口、数字量I／O控制、工业和实验室自动化等方面 第七章 工业控制微型计算机 (4) 信号调理模块：在工业现场，有各种各样的输入输出信号，它们是不能直接与计算机连接的，需要进行预先处理， 以满足计算机和控制的要求，信号调理模块就是完成这些功能的它可以实现将输入信号转变成适合计算机要求的信号， 如将电流信号转变成电压信号，对输入输出信号进行隔离、 驱动等信号调理模块的主要类型有： 全隔离直流输入输出模块、交流电压、电流输入调整模块、 放大及多通道转换板等 第七章 工业控制微型计算机 研华公司生产的ADAM-3000系列模块是目前市场上较经济、 可现场进行配置的隔离信号调理模块 这些模块易于安装， 并且可以避免大的环流、马达噪声和其他电气干扰对仪器及过程信号的影响和破坏 ADAM-3000模块使用了光电耦合隔离技术，提供三路(输入／输出／电源)1000 V直流隔离保护光电耦合技术能够提供更高的精确性和稳定性， 具有宽工作范围和低功耗的优点。
第七章 工业控制微型计算机 ADAM-3000模块的输入输出范围可以由内部的开关设定该系列模块可接受电压、电流、 热电偶或热电阻输入信号，并能输出电压或电流信号 输入的热电偶信号经过内置的热电偶线性化及冷端补偿电路进行处理， 使得温度测量更为精确， 并能准确地将这些温度信号转换为电压或电流输出该模块使用+24 V直流电源，所使用的电源线可以从旁边的模块中引出， 简化了接线和维护的工作量该模块可以方便地安装到DIN导轨上，信号线采用的是两根输入输出电缆，接线方便可靠， 可以通过螺丝端子连接，非常适合在恶劣的工业环境中使用 ADAM-3014隔离DC输入／输出模块 其结构如图7-16所示 第七章 工业控制微型计算机 图7-16 ADAM-3014结构图 第七章 工业控制微型计算机 ADAM-3014的特性参数如下： · 电压输入：双极性输入：±10 mV，±50 mV， ±100 mV， ±0.5 V， ±1 V， ±5 V， ±10 V； 单极性输入：0～10 mV， 0～50 mV， 0～100 mV， 0 ～ 0.5 V， 0 ～ 1 V， 0 ～ 5 V，0 ～ 10 V； 输入阻抗： 2 MΩ 输入带宽： 2.4 kHz(典型)。
第七章 工业控制微型计算机 · 电流输入： 双极性输入： ±20 mA; 单极性输入： 0～20 mA; 输入阻抗： 250 Ω· 电压输出： 双极性输出： ±5 V， ±10 V； 单极性输出： 0 ～ 10 V； 输出阻抗： <50 Ω； 驱动能力： 10 mA(最大) 第七章 工业控制微型计算机 · 电流输出： 0 ～ 20 mA；· 隔离电压(三端)： 1000 V；· 精度： 满量程的±0.1％；· 稳定性(温度漂移)： 150PPM(典型)；· 共模抑制： >100 dB(50／60 Hz);· 功耗： 0.85 W(电压输出)； 1.2 W(电流输出) 第七章 工业控制微型计算机 (5) 远程数据采集和控制模块：远程数据的采集和控制是控制系统中的一个重要组成部分远程数据的采集可通过通信来完成近几年推出了通信模块系列，可提供包括以太网、 串行总线、 光纤、 无线等网络连接 使用远程数据采集模块，可将模块安装在现场，把现场信号转换成数字信号后再进行通信， 其输出可以成组地连接在通信网络上， 大大减少了现场接线成本。
无线通信模块还可以组成无人值守的监控系统 研华公司的ADAM-4000系列中的通信模块系列产品见表7-1 第七章 工业控制微型计算机 表表7-1 通信模块通信模块 第七章 工业控制微型计算机 随着以太网到RS-232/422/485串行端口服务器及无线局域网产品的发布，标志着工业控制正进入一个开放的基于TCP/IP协议的以太网互连时代 以太网已经成为各种级别工业电脑网络的必然选择， 它可以使传感器到控制室的集成变得 非 常 容 易 完 成 使 用 通 信 系 列 产 品 ， 能 够 通 过Ethernet/Intranet把设备层和控制层完美地连接起来，实现管理、控制一体化 第七章 工业控制微型计算机 习习 题题 1. 工业控制计算机有哪些特点? 基本要求有哪些?2. 接口与总线有何异同之处? 接口与总线有哪些分类?3. 接口的数据传输方式有哪些? 各有什么特点?4. 接口电路有哪些基本功能?5. 工业控制计算机采用的总线类型有哪些? 各总线有何特点?6. STD总线有何技术特点? 第七章 工业控制微型计算机 7. STD总线工业控制计算机主要使用哪些型号的CPU? 不同的CPU模板能否兼容? 8. 利用工业控制计算机组成应用系统时， 一般应遵循哪些步骤? 9. PC总线的工业控制计算机一般采用哪些型号的CPU? 它和个人计算机在哪些方面不同? 能否用IBM PC个人计算机代替工业控制计算机? 10. 某容器通过电动调节阀供水， 画出利用IPC组成的容器水位微机控制系统的结构图。
已知水位传感器输出的信号是4～20 mA， 电动调节阀需要4～20 mA电流信号来控制 第七章 工业控制微型计算机 11. STD、 PC／104和Compact PCI总线各有什么特点? 12. RS-232C、 RS-422和RS-485各有什么特点? 13. 典型的工业控制计算机是由哪几部分组成的? 工控机系统有哪些设备类型? 14. 简述工业控制计算机系统的组成 15. 工业控制中常见的物理量有哪些?这些物理量使用什么传感器进行检测? 16. 参考相关书籍， 说明工业控制计算机系统的现状 17. 根据工控机系统的现状和相关技术的发展趋势，探讨工业控制计算机系统的发展趋势。