1、計算機控制技術 電子與電氣工程學院 第第2 2章章 計算機控制系統的硬件設計技術計算機控制系統的硬件設計技術 第2章 計算機控制系統的硬件設計技術 2.1 2.1 總線技術總線技術2.2 2.2 總線擴展技術總線擴展技術2.3 2.3 數字量輸入輸出接口與過程通道數字量輸入輸出接口與過程通道2.4 2.4 模擬量輸入接口與過程通道模擬量輸入接口與過程通道 2.5 2.5 模擬量輸出接口與過程通道模擬量輸出接口與過程通道2.6 2.6 基于串行總線的計算機控制系統硬件技術基于串行總線的計算機控制系統硬件技術2.7 2.7 硬件抗干擾技術硬件抗干擾技術在計算機控制系統中，工業控制機必須經過輸入輸出

2、接口在計算機控制系統中，工業控制機必須經過輸入輸出接口和過程通道與生產過程相連，和過程通道與生產過程相連，輸入輸出接口和過程通道輸入輸出接口和過程通道是是計算機控制系統的計算機控制系統的重要組成部分重要組成部分。接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，它包括接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，它包括輸入接輸入接口和輸出接口口和輸出接口。外部設備的各種信息通過輸入接口送到計。外部設備的各種信息通過輸入接口送到計算機，而計算機的各種信息通過輸出接口送到外部設備。算機，而計算機的各種信息通過輸出接口送到外部設備。過程通道是在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉過程通道是在計算機和生產過程之間設置的

3、信息傳送和轉換通道，它包括換通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字量輸入通道、數字量輸出通道量輸入通道、數字量輸出通道。 生產過程的各種參數通過模擬量輸入通道或數字量輸生產過程的各種參數通過模擬量輸入通道或數字量輸入通道送到計算機，計算機經過計算和處理后的結果通過入通道送到計算機，計算機經過計算和處理后的結果通過模擬量輸出通道或數字量輸出通道送到生產過程，從而實模擬量輸出通道或數字量輸出通道送到生產過程，從而實現對生產過程的控制。現對生產過程的控制。計算機控制系統的組成框圖計算機控制系統的組成框圖接口A/D接口D/A接口2.1 總線技術2.1.1

4、2.1.1 總線的定義、層次結構及種類總線的定義、層次結構及種類 所謂總線，就是計算機各模塊之間互聯和傳送信息（指令、所謂總線，就是計算機各模塊之間互聯和傳送信息（指令、地址和數據）的一組信號線。地址和數據）的一組信號線。 以微處理器為核心，總線可以分為以微處理器為核心，總線可以分為內部總線和外部總線內部總線和外部總線，而，而內部總線又可分為片級總線和系統總線內部總線又可分為片級總線和系統總線。 片級總線片級總線包括數據總線、地址總線、控制總線、包括數據總線、地址總線、控制總線、I I2 2C C總線、總線、SPISPI總線、總線、SCISCI總線等；總線等； 系統總線系統總線包括包括ISAI

5、SA總線、總線、EISAEISA總線、總線、VESAVESA總線、總線、PCIPCI總線等；總線等； 外部總線外部總線包括包括RS-232CRS-232C、RS-485RS-485、IEEE-488IEEE-488、USBUSB等總線。另等總線。另外，在工業控制中，還定義了其它總線，如：外，在工業控制中，還定義了其它總線，如：VMEVME、STDSTD、PC-104PC-104、Compact PCICompact PCI等。等。2.1.2 數據通信技術 計算機測控系統中，很多情況下是由多臺計算機測控系統中，很多情況下是由多臺PCPC工工控機或單片機控制系統構成所謂的多機系統。控機或單片機控制

6、系統構成所謂的多機系統。 在多機系統中，計算機與設備之間或計算機之在多機系統中，計算機與設備之間或計算機之間需要相互通信，數據共享，而大的測控系統的相間需要相互通信，數據共享，而大的測控系統的相互通信，距離往往有遠有近，機型互有區別，不同互通信，距離往往有遠有近，機型互有區別，不同類型計算機之間的數據交換依賴于標準的計算機通類型計算機之間的數據交換依賴于標準的計算機通信技術。信技術。1.1.數據通信的基本概念數據通信的基本概念 我們把我們把PCPC機、單片機和外圍設備之間的相互數機、單片機和外圍設備之間的相互數據交換稱為數據通信。據交換稱為數據通信。數據通信方式有兩種，即并數據通信方式有兩種，

7、即并行數據通信和串行數據通信。行數據通信和串行數據通信。 具體的通信方式的選擇，取決于通信距離的長具體的通信方式的選擇，取決于通信距離的長短，以及對通信通道的資源要求。短，以及對通信通道的資源要求。距離短可考慮采距離短可考慮采用并行通信，距離長則要考慮采用串行方式。用并行通信，距離長則要考慮采用串行方式。 并行數據通信并行數據通信是指數據各位同時進行傳送（發送和是指數據各位同時進行傳送（發送和接受）的通信方式。接受）的通信方式。 優點是傳遞速度快；缺點是數據有多少位，在優點是傳遞速度快；缺點是數據有多少位，在硬件上就需要多少根通信線進行數據傳輸。當傳輸硬件上就需要多少根通信線進行數據傳輸。當傳

8、輸位數多，距離長的時候不適宜用并行方式傳輸。位數多，距離長的時候不適宜用并行方式傳輸。 串行數據通信串行數據通信是指數據是一位一位地按順序進行是指數據是一位一位地按順序進行傳送的通信方式。傳送的通信方式。 其突出優點是使用的傳輸線少，只需要一對傳其突出優點是使用的傳輸線少，只需要一對傳輸線就可以滿足要求，這樣大大降低了傳送的成本，輸線就可以滿足要求，這樣大大降低了傳送的成本，特別適用于遠距離通信，當然其傳輸速度比并行通特別適用于遠距離通信，當然其傳輸速度比并行通信要慢。信要慢。理論上講，并行傳輸理論上講，并行傳輸N N位數據的時間為位數據的時間為t t，那么串行，那么串行傳送的時間至少為傳送的

9、時間至少為NtNt，實際上總是大于，實際上總是大于NtNt。2.2.串行通信數據傳送方式串行通信數據傳送方式 根據通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信根據通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信分為三種方式：分為三種方式：單工、半雙工與全雙工。單工、半雙工與全雙工。 （1 1）單工方式。通信雙方設備中發送器與接收）單工方式。通信雙方設備中發送器與接收器器分工明確分工明確，只能由發送器向接收器的，只能由發送器向接收器的單一固定方單一固定方向向上傳送數據。上傳送數據。 （2 2）半雙工方式。通信雙方設備既是發送器，）半雙工方式。通信雙方設備既是發送器，也是接收器，兩臺設備可以相互傳送數據，也是接收器，

10、兩臺設備可以相互傳送數據，但某一但某一時刻則只能向一個方向傳送數據。時刻則只能向一個方向傳送數據。 （3 3）全雙工方式。通信雙方設備既是發送器，）全雙工方式。通信雙方設備既是發送器，也是接收器，也是接收器，兩臺設備可以同時在兩個方向上傳送兩臺設備可以同時在兩個方向上傳送數據。數據。 1).1).異步通信異步通信 異步通信中，數據是一幀一幀的傳送，所謂數異步通信中，數據是一幀一幀的傳送，所謂數據的幀是指包含據的幀是指包含一個字符代碼或一個字節一個字符代碼或一個字節的數據，的數據，每一個串行幀的數據格式如下圖所示。每一個串行幀的數據格式如下圖所示。串行數據通信的方式分為串行數據通信的方式分為異步

11、通信和同步通信異步通信和同步通信兩兩種，它們的種，它們的主要區別主要區別在于在于信息格式上的不同。信息格式上的不同。 從圖中可看出，這種格式是靠起始位和停止位從圖中可看出，這種格式是靠起始位和停止位來實現字符的界定或同步的，故稱為來實現字符的界定或同步的，故稱為起止式協議起止式協議。 起止式異步通信的起止式異步通信的特點特點是：一個字符一個字是：一個字符一個字符地傳輸，每個字符一位一位地傳輸，并且傳輸一符地傳輸，每個字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個字符時，總是以個字符時，總是以“起始位起始位”開始，以開始，以“停止位停止位”結束，結束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。字符之間沒有固定的時間間隔

12、要求。 異步通信的信息格式如下表所示。異步通信的信息格式如下表所示。 異步通信是按字符傳輸的，每傳輸一個字符，異步通信是按字符傳輸的，每傳輸一個字符，就用起始位來通知收方，以此來重新核對收發雙方就用起始位來通知收方，以此來重新核對收發雙方同步。同步。 若接收設備和發送設備兩者的時鐘頻率略有偏若接收設備和發送設備兩者的時鐘頻率略有偏差，這也不會因偏差的累積而導致錯位，加之字符差，這也不會因偏差的累積而導致錯位，加之字符之間的空閑位也為這種偏差提供一種緩沖，所以異之間的空閑位也為這種偏差提供一種緩沖，所以異步串行通信的步串行通信的可靠性高。可靠性高。 但由于要在每個字符的前后加上起始位和停但由于要

13、在每個字符的前后加上起始位和停止位這樣一些附加位，使得傳輸效率變低了，只有止位這樣一些附加位，使得傳輸效率變低了，只有約約80%80%。因此，。因此，起止協議一般用在數據速率較慢的起止協議一般用在數據速率較慢的場合（小于場合（小于19.2Kbps19.2Kbps）。在高速傳送時，一般要采）。在高速傳送時，一般要采用同步協議。用同步協議。2).2).同步通信同步通信 （1 1）同步通信方式的特點）同步通信方式的特點 在傳送大量數據時，為了提高傳送信息的效率，在傳送大量數據時，為了提高傳送信息的效率，采用一個采用一個數據塊數據塊共用一個同步字符作為起始位的格共用一個同步字符作為起始位的格式，叫同步

14、通信方式，如下圖所示。式，叫同步通信方式，如下圖所示。 （2 2）同步問題的重要性）同步問題的重要性 采用同步通信時，將許多字符組成一個信息組，采用同步通信時，將許多字符組成一個信息組，這樣，字符可以一個接一個地傳輸，但是，在每幀這樣，字符可以一個接一個地傳輸，但是，在每幀信息的開始要加上同步字符。信息的開始要加上同步字符。 異步通信異步通信是是“起起- -止止”方式通信，即在以起始位方式通信，即在以起始位開始、停止位結束的一個字符內按約定的頻率進行開始、停止位結束的一個字符內按約定的頻率進行同步接收。各字符之間允許有間隙，而且兩個字符同步接收。各字符之間允許有間隙，而且兩個字符之間的間隔是不

15、固定的。之間的間隔是不固定的。 而在而在同步通信同步通信方式中，不僅同一字符中的相方式中，不僅同一字符中的相鄰兩位間的時間間隔要相等，而且字符間的間隔也鄰兩位間的時間間隔要相等，而且字符間的間隔也要求都相等，這是同步與異步通信方式的主要差別。要求都相等，這是同步與異步通信方式的主要差別。2.1.3 通信接口技術 1969 1969年，美國電子工業協會（年，美國電子工業協會（EIAEIA）公布了）公布了RS-RS-232C232C作為串行通信接口的電氣標準，該標準定義了作為串行通信接口的電氣標準，該標準定義了數據終端設備（數據終端設備（DTEDTE）和數據通信設備（）和數據通信設備（DCEDCE

16、）間按）間按位串行傳輸的接口信息，規定了接口的電氣信號和位串行傳輸的接口信息，規定了接口的電氣信號和機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。 由于采用由于采用單端單端驅動非差分接收電路，存在著傳驅動非差分接收電路，存在著傳輸距離不太遠（最大傳輸距離輸距離不太遠（最大傳輸距離15m15m）和傳送速率不）和傳送速率不太高（最大位速率為太高（最大位速率為20Kbps20Kbps）的問題）的問題，因而需要制，因而需要制定新的串行通信接口標準。定新的串行通信接口標準。1.RS-232C1.RS-232C總線標準及接口總線標準及接口 串行通信接口標準經過使用和發展，

17、目前已經串行通信接口標準經過使用和發展，目前已經有幾種。但都是在有幾種。但都是在RS-232RS-232標準的基礎上經過改進而標準的基礎上經過改進而形成的。由于通信設備廠商都生產與形成的。由于通信設備廠商都生產與RS-232CRS-232C制式制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。在微機通信接口中廣泛采用。 RS-232C RS-232C標準（協議）的全稱是標準（協議）的全稱是EIA-RS-232CEIA-RS-232C標標準，準，其中其中EIAEIA代表美國電子工業協會，代表美國電子工業協會，RSRS代表推薦代表

18、推薦標準，標準，232232是標識號，是標識號，C C代表代表RS-232RS-232的最新一次修改的最新一次修改（19691969）。目前在）。目前在PCPC機上的機上的COM1COM1、COM2COM2接口，就是接口，就是RS-232CRS-232C接口。接口。2021-9-24計算機控制技術20RS-232-C總線的接口連接器采用DB-25插頭和插座，其中陽性插頭（DB-25-P）與DTE相連，陰性插座（DB-25-S）與DCE相連。 RS-232-C總線的機械特性總線的機械特性RS-232-C 25個引腳只定義了個引腳只定義了22個。個。通常使用的通常使用的RS-232-C接口信號只有

19、接口信號只有9根引腳，其插頭根引腳，其插頭插座在插座在RS-232-C的機械特性中都有規定。的機械特性中都有規定。最基本的三根線是發送數據線最基本的三根線是發送數據線2、數據線、數據線3和信號地線和信號地線7（1 1）DB-9DB-9連接器連接器: :使用使用DB-9DB-9連接連接器，作為提供多功能器，作為提供多功能I/OI/O卡或主板卡或主板上上COM1COM1和和COM2COM2兩個串行接口的連兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的接器。它只提供異步通信的9 9個信個信號，其引腳及外形見右圖所示。號，其引腳及外形見右圖所示。 2)2)聯絡控制信號線聯絡控制信號線 數據終端準備好（數據終

20、端準備好（Data terminal ready-Data terminal ready-DTRDTR）-有效時有效時（ONON），表明數據終端可以使用。），表明數據終端可以使用。 數據通信設備準備好（數據通信設備準備好（Data set ready-Data set ready-DSRDSR）-有效時有效時（ONON）, ,表明數據通信設備處于可以使用的狀態。表明數據通信設備處于可以使用的狀態。這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設備狀這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設備狀態信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始態信號有效，只表示設備本身可用，

21、并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。 請求發送（請求發送（Request to send-Request to send-RTSRTS）- -用來表示請求發送數據，即當終端要用來表示請求發送數據，即當終端要接收數據時，使該信號有效（接收數據時，使該信號有效（ONON狀態）。狀態）。 允許發送（允許發送（Clear to send-Clear to send-CTSCTS）-用來表示準備好接收發來的數據，是對用來表示準備好接收發來的數據，是對請求發送信號請求發送信號RTSRTS的響應信號。的響應信號。接收

22、線信號檢出（接收線信號檢出（Received-line-detection-RLSDReceived-line-detection-RLSD）- -用來表示已接通通信鏈路，告知對方準備接收數據。此用來表示已接通通信鏈路，告知對方準備接收數據。此線也叫數據載波檢出線（線也叫數據載波檢出線（DCDDCD）。）。 振鈴指示（振鈴指示（Ringing-Ringing-RIRI）-呼叫信號。該信號有呼叫信號。該信號有效時，通知終端，已被呼叫。效時，通知終端，已被呼叫。2 2）數據線）數據線 發送數據（發送數據（Transmitted data-TxDTransmitted data-TxD）-通過通過T

23、xDTxD終端終端將串行數據發送到將串行數據發送到DCEDCE。 接收數據（接收數據（Received data-RxDReceived data-RxD）-通過通過RxDRxD線終端線終端接收從接收從DCEDCE發來的串行數據。發來的串行數據。3 3）地線）地線 SG- SG-信號地和保護地信號線，無方向。信號地和保護地信號線，無方向。 上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，若示了接口信號的傳送過程。例如，若DTEDTE要發送數要發送數據，則預先將據，則預先將DTRDTR線置成有效（線置成有效（ONON）狀態，等）狀態，

24、等CTSCTS線線上收到有效（上收到有效（ONON）狀態的回答后，才能在）狀態的回答后，才能在TxDTxD線上線上發送串行數據。發送串行數據。 RS-232C RS-232C的電氣特性的電氣特性 EIA-RS-232C EIA-RS-232C對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規定。都作了規定。 在在TxDTxD和和RxDRxD上：邏輯上：邏輯1 1（MARKMARK）=-3V=-3V-15V-15V 邏輯邏輯0 0（SPACESPACE）=+3V=+3V+15V+15V 在在RTSRTS、CTSCTS、DSRDSR、DTRDTR和和DCDDCD等控制

25、線上：等控制線上： 信號有效（接通，信號有效（接通，ONON狀態，正電壓）狀態，正電壓）=+3V=+3V+15V+15V 信號無效（斷開，信號無效（斷開，OFFOFF狀態，負電壓）狀態，負電壓）=-3V=-3V-15V-15V 因此，實際工作時，應保證電平在因此，實際工作時，應保證電平在（3 31515）V V之間。之間。 RS232RS232的信號傳輸模式如圖所示。的信號傳輸模式如圖所示。由上圖可知，由上圖可知，RS232RS232的信號標準電位是參考地線而來的，傳的信號標準電位是參考地線而來的，傳輸端參考接地端輸端參考接地端1 1來傳送數據；接收端則參考接地端來傳送數據；接收端則參考接地端

26、2 2來還原來還原出傳輸端的信號；在兩個接地端同電位的前提下，傳輸端與出傳輸端的信號；在兩個接地端同電位的前提下，傳輸端與接收端的信號會呈現出相同的結果。如果有噪聲進入到傳輸接收端的信號會呈現出相同的結果。如果有噪聲進入到傳輸線路中，可能會產生干擾。線路中，可能會產生干擾。 干擾信號在地線和信號上均會產生影響，原始信號在加干擾信號在地線和信號上均會產生影響，原始信號在加上干擾信號后依然傳送到接收端；而地線部分的信號則被地上干擾信號后依然傳送到接收端；而地線部分的信號則被地電位給抵消掉了，因此信號發生了扭曲，當然整個信號就不電位給抵消掉了，因此信號發生了扭曲，當然整個信號就不對了。如下圖所示。對

27、了。如下圖所示。主要特點：主要特點：單端驅動單端接收單端驅動單端接收, 不平衡驅動非差分接收電路不平衡驅動非差分接收電路,數據傳輸速率低，傳輸距離短。數據傳輸速率低，傳輸距離短。2.RS-4852.RS-485串行通信串行通信 RS-485 RS-485的信號在傳送出去之前會先分解成的信號在傳送出去之前會先分解成正負正負的兩條線路，當到達接收端后，再將信號相減還原的兩條線路，當到達接收端后，再將信號相減還原成原來的信號。成原來的信號。如果將原始的信號標注為（如果將原始的信號標注為（DTDT）, ,而被分解后的信號分別標注為（而被分解后的信號分別標注為（D+D+）和（）和（D-D-），），則則原始信號與分解后的信號在由傳輸端傳送出去時的原始信號與分解后的信號在由傳輸端傳送出去時的運算關系為：運算關系為： （DTDT）= =（D+D+）- -（D-D-） 同樣地，接收端在接收到信號后，也按上式的同樣地，接收端在接收到信號后，也按上式的關系還原成原來的樣子。其信號的傳輸方式如下圖關系還原成原來的樣子。其信號的傳輸方式如下圖所示。所示。 如果傳輸線路受到干擾，如下圖所示。這時，在兩條傳如果傳輸線路受到干擾，如下圖所示。這