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1、第2章 总线接口与过程通道第1页，共83页，编辑于2022年，星期一 一套计算机系统除中央处理器件外，还有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。途、不同
2、规模的计算机应用系统。第2页，共83页，编辑于2022年，星期一1.1.常规外围设备，如键盘、常规外围设备，如键盘、CRTCRT显示器、打印机、磁盘机等。显示器、打印机、磁盘机等。2.2.被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等。外外设设通通过过输输入入输输出出(I(IO)O)接接口口和和输输入入输输出出(I(IO)O)通道与通道与 CPUCPU的的总线总线相连。相连。一个实际的微型计算机控制系统的硬件，一个实际的微型计算机控制系统的硬件，除主机外，通常还包括两类除主机外，通常还包括两类外设外设：为为什什么么外外围围设设备备不不能能像像存存储储器器那那样样
3、直直接接挂挂到到主主机机 CPUCPU的总线上呢？的总线上呢？第3页，共83页，编辑于2022年，星期一因此，因此，I IO O接口和接口和 I IO O通道是计算机控制系统不可缺通道是计算机控制系统不可缺少的组成部分。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。这是由存储器和外围设备各自不同的性质、特点决定的。(1)(1)由于存储器功能单一由于存储器功能单一(保存信息保存信息)、品种有限、品种有限(ROM(ROM、RAM)RAM)、存取速度与、存取速度与 CPUCPU的的工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到工作速度基本匹配，因此，存储器可以直接挂到 CPUCPU总线
4、上，很方便。总线上，很方便。(2)(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；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工作速度不一，外围设备的工作速度通常比 CPUCPU的速度低得多，且不同外围的速度低得多，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，有的要求并行传送信
5、息，有的要求串行传送信息。如量，有的使用模拟量，有的要求并行传送信息，有的要求串行传送信息。如此复杂的功能，仅靠此复杂的功能，仅靠 CPUCPU及其总线是无法承担的，必须增加及其总线是无法承担的，必须增加 I IO O接口电路和接口电路和 I IO O通道才能完成。通道才能完成。第4页，共83页，编辑于2022年，星期一2.1.12.1.1总线的概念总线的概念 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。址。总线可以把计算机或控制系统的
6、模板或各种设备连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。成一个整体以便彼此间进行信息交换。第5页，共83页，编辑于2022年，星期一总线就是一组信号线的集合，用这个集合可以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，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。进行信息传送和通信。第6页，共83页，编辑于2022年，星期一总线结构连接示意图总线结
7、构连接示意图总线总线1#总线接口总线接口2#3#4#5#6#总线与总线接总线与总线接口一起便称之口一起便称之为总线结构为总线结构第7页，共83页，编辑于2022年，星期一微型计算机广泛采用总线技术，用以简化硬件、软件的系统微型计算机广泛采用总线技术，用以简化硬件、软件的系统设计。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。的性能及系列产品的开发。从从软软件件角角度度看看，接接插插件件的的硬硬件件
8、结结构构带带来来了了软软件件设设计计的的模块化。模块化。第8页，共83页，编辑于2022年，星期一2.1.22.1.2采用总线的优点采用总线的优点1简化了系统结构简化了系统结构 2简化了硬件与软件的设计简化了硬件与软件的设计 3便于系统的扩充与更新便于系统的扩充与更新 4便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价便于组织生产，提高产品质量，降低产品造价 5可维护性好可维护性好 第9页，共83页，编辑于2022年，星期一2.1.3总线类别总线类别 第10页，共83页，编辑于2022年，星期一片内总线片内总线(On-Chip BUS)集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路 内部总线内部总线（In
9、ternal Bus)用于计算机内部模块（板）之间通信。用于计算机内部模块（板）之间通信。外部总线外部总线（通讯总线）（通讯总线）用于计算机之间或计算机与设备之间通信用于计算机之间或计算机与设备之间通信 1、按总线在系统结构中的层次位置：、按总线在系统结构中的层次位置：第11页，共83页，编辑于2022年，星期一计算机总线层次结构图第12页，共83页，编辑于2022年，星期一 内部总线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数据总线、地址总线、控制总线和电源总线四部分，每种型号
10、的四部分，每种型号的计算机都有自身的内部总线。计算机都有自身的内部总线。第13页，共83页，编辑于2022年，星期一数据、地址、控制、电源总线数据、地址、控制、电源总线数据总线数据总线D：地址总线地址总线A：控制总线控制总线C：电源总线电源总线P：用于传递数据信息用于传递数据信息用于传递地址信息用于传递地址信息向总线提供电源向总线提供电源包括控制、时序和中包括控制、时序和中断信号线，用于传递断信号线，用于传递各种控制信息各种控制信息第14页，共83页，编辑于2022年，星期一外部总线外部总线 外外总总线线又又称称通通信信总总线线。用用于于微微型型计计算算机机系系统统与与微微型型计计算算机机系系
11、统统之之间间或或微微型计算机系统与外部设备之间的通信。型计算机系统与外部设备之间的通信。如：如：IEEE-488、RS-232C、RS-485、USB等等第15页，共83页，编辑于2022年，星期一按总线数据传输方式按总线数据传输方式按总线数据传输方式按总线数据传输方式 分分：并行总线并行总线(Parallel BUS)每个信号都有自己的信号线 传输速度快、接口简单 使用电缆线数多串行总线（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 所有信号复用一所有信号复用一对信号线对信号线每个信号都有自每个信号都有自己的信号线己的信号线第16页
12、，共83页，编辑于2022年，星期一2.1.4总线标准总线标准 第17页，共83页，编辑于2022年，星期一总线标准的含义总线标准的含义 对对于于总总线线上上的的各各个个单单元元如如芯芯片片之之间间、扩扩展展卡卡之之间间以以及及系系统统之之间间，如如果果要要进进行行正正确确的的连连接接与与传传输输信信息息，就就应应遵遵守守一一些些协协议议与与规规范范，这这些些协协议议与与规规定就被称定就被称为总线标为总线标准。准。第18页，共83页，编辑于2022年，星期一总线标准总线标准 1、规定了各引线的信号、时序、电气和机、规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性械特性 2、为计算机系统内部各部件、各模
13、块之间或计、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、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备具有很强的兼容性第19页，共83页，编辑于2022年，星期一常见总线标准常见总线标准 总总线线是是微微机机中中各各模模块块之之间间传传送送信信息息的的通通道道，各各模模块块分分时时共共享享总总线线。为为了了方方便便微微机机系系统统的的扩扩展展及及各各厂厂家家产产品品的的互互换换或或互互连连，国国际际上上根据微机的发展制定了许多总线标准。根据微机的发展制定了许多总线标准
14、。如如PCPC总总线线标标准准、ISAISA总总线线标标准准、EISAEISA总总线线标标准准、PCIPCI总总线线标标准准、USBUSB总线标准等。总线标准等。第20页，共83页，编辑于2022年，星期一ISA总线总线 PC总总线线仅仅适适用用于于8位位数数据据的的传传送送，所所以以，从从IBM PC/XT微微机机开开始始采采用用ISA总总线线，也也称称为为AT总总线线，以以便便进进行行16位位数数据据传传送送。ISA总总线线的的数数据据传传送送速速率率最最快快为为8 MB/s，地地址址总总线线宽宽度度为为24位位，可可以以支支持持16 MB的内存。的内存。为为了了和和PC总总线线兼兼容容，
15、在在PC总总线线的的基基础础上上，ISA总总线线延延伸伸出出一一段段插插槽槽，如如图图所所示示。这这一一小小段段插插槽槽上上的的引引线线主主要要是是扩扩展展的的地地址址线线和和高高8位位数数据据线线及增加的中断申请线等。及增加的中断申请线等。第21页，共83页，编辑于2022年，星期一 PC总线总线 PC总总线线是是PC机机和和XT机机中中采采用用的的系系统统总总线线标标准准，适适用用于于8位位的的数数据据传传送送，最最大大通通信信速速率率为为5 MB/s。它它有有62根根引引脚脚，引引脚脚如如图图所所示示。可可插插入入符符合合PC总线的各种扩展板，以扩展微机的功能。总线的各种扩展板，以扩展微
16、机的功能。第22页，共83页，编辑于2022年，星期一 PCI局部总线局部总线 PCI(外外部部设设备备互互连连)是是高高速速外外设设与与CPU间间的的桥桥梁梁。它它在在CPU 与与外外设设间间插插入入了了一一个个复复杂杂的的管管理理层层，以以协协调调数数据据传传输输，并并提提供供了了一一个个标标准准的的总总线线接接口口。该该管管理理层层提提供供信信号号的的缓缓冲冲，使使PCI能能支支持持10种种外外设设，并并在在高时钟频率下保持高性能。高时钟频率下保持高性能。第23页，共83页，编辑于2022年，星期一PCI插槽插槽ISA插槽插槽第24页，共83页，编辑于2022年，星期一第25页，共83页
17、，编辑于2022年，星期一 USB通用串行总线通用串行总线 USB（Universal Serial Bus）是是 由由 DEC、IBM、Intel、Microsoft以以及及NEC等等七七家家高高技技术术企企业业制制定定的的串串行行接接口口总总线线标标准准。由由于于目目前前微微机机系系统统的的外外设设接接口口没没有有统统一一的的标标准准，如如键键盘盘的的插插口口是是圆圆的的，打打印印插插口口是是长长方方形形等等等等，而而利利用用USB则则可可把把这这些些不不同同的的接接口口统统一一起起来来。它它使使用用一一个个4针针的的插插头头作作为为标标准准插插头头，可可连连接接的的外外围围设设备备数数目
18、目最最多多达达127个个，支支持持热热插插入入（Hot Plug In）和和即即插插即即用用（PlugPlay），最最高高传传送送速速度度可可达达480 Mbs，既既可可用用于于低低速速的的外外围围设设备备，如如键键盘盘、鼠鼠标标等等，也也可可用用于于中中速速装装置置，如如打打印印机机、数数码码照照相相机机、调调制制解解调调器器、扫描仪等。扫描仪等。第26页，共83页，编辑于2022年，星期一USB接口接口第27页，共83页，编辑于2022年，星期一 某型号个人计算机的外设接口示意图某型号个人计算机的外设接口示意图 第28页，共83页，编辑于2022年，星期一计算机控制技术计算机控制技术 2.
19、2 I/O接口接口 第29页，共83页，编辑于2022年，星期一I/O接口定义接口定义 第30页，共83页，编辑于2022年，星期一计算机接口技术是采用硬件与软件相结合的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匹方法，使微处理器与外部设备进行最佳的匹配，实现配，实现CPU与外部设备之间的高效、可靠与外部设备之间的高效、可靠的信息交换的一门技术。的信息交换的一门技术。第31页，共83页，编辑于2022年，星期一所谓接口就是微处理器所谓接口就是微处理器CPU与外部连接的部与外部连接的部件，是件，是CPU与外部设备进行消息交换的中转与外部设备进行消息交换的中转站。站
20、。如：源程序或数据要通过接口从输入设备送入如：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；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。进来，实现现场的实时控制等。第32页，共83页，编辑于2022年，星期一所谓标准接口，就是指明确定义了几何所谓标准接口，就是指明确定义了几何尺寸、信号功能、信号电平等的接口。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生产厂家的数据终
21、端和数据通信设备之间方便地进行通信。间方便地进行通信。第33页，共83页，编辑于2022年，星期一由由于于计计算算机机的的外外围围设设备备品品种种繁繁多多，几几乎乎都都采采用用了了机机电电传传动动设设备备，因因此此，CPUCPU在在与与I/OI/O设设备备进进行行数数据据交交换换时时存存在在以下问题：以下问题：1 1）速速度度不不匹匹配配。I/OI/O设设备备的的工工作作速速度度一一般般要要比比CPUCPU慢慢许许多多，而而且且由由于于种种类类不不同同，它它们们之之间间的的速速度度差差异异也也很很大大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。例如硬盘的传输速度就要比打印机快很多。2 2）时时序序
22、不不匹匹配配。各各个个I/OI/O设设备备都都有有自自己己的的定定时时控控制制电电路路，以自己的速度传输数据，无法与以自己的速度传输数据，无法与CPUCPU的时序取得统一。的时序取得统一。第34页，共83页，编辑于2022年，星期一3 3）信信息息格格式式不不匹匹配配。不不同同的的I/OI/O设设备备存存储储和和处处理理信信息息的的格格式式不不同同，例例如如可可以以分分为为串串行行和和并并行行两两种种；也也可可以以分分为为二二进进制格式、制格式、ASCIIASCII编码和编码和BCDBCD编码等。编码等。4 4）信信息息类类型型不不匹匹配配。不不同同I/OI/O设设备备采采用用的的信信号号类类
23、型型不不同同，有有些些是是数数字字信信号号，有有些些是是模模拟拟信信号号，因因此此所所采采用用的的处处理理方式也不同。方式也不同。基基于于以以上上原原因因，I/OI/O设设备备一一般般不不和和微微机机内内部部直直接接相相连连，而而是必须通过是必须通过I/OI/O接口与微机内部进行信息交换。接口与微机内部进行信息交换。接接口口的的作作用用主主要要就就是是为为了了解解决决计计算算机机与与外外部部设设备备连连接接时时存存在的各种矛盾。在的各种矛盾。第35页，共83页，编辑于2022年，星期一接口的分类接口的分类 第36页，共83页，编辑于2022年，星期一1 1按接口的功能划分按接口的功能划分1 1
24、）人人机机对对话话接接口口。这这类类接接口口主主要要为为操操作作者者与与计计算算机机之之间间的的信信息息交交换换服服务务，如如键键盘盘接接口口、显显示示器接口、图形设备接口和语音输入输出接口等。器接口、图形设备接口和语音输入输出接口等。第37页，共83页，编辑于2022年，星期一2 2）过过程程控控制制接接口口（I/OI/O接接口口）。这这类类接接口口是是为为实实现现对对生生产产过过程程进进行行检检测测与与控控制制的的接接口口。它它一一般般包包括括传传感感器器接接口口和和控控制制接接口口两两部部分分，前前者者输输入入各各种种外外界界信信息息，以以实实现现对对生生产产过过程程的的检检测测，后后者
25、者输输出出经经计计算算机机处处理理后后的的控控制制信信号号，以以实实现现对对生生产产过过程程的的控控制制。所所以以过过程程接口是计算机应用于控制系统的关键部分。接口是计算机应用于控制系统的关键部分。3 3）通通用用外外设设接接口口（标标准准接接口口）。这这类类接接口口是是通通用用外外设设（如如打打印机、磁盘机、绘图仪等）与计算机之间的接口。印机、磁盘机、绘图仪等）与计算机之间的接口。第38页，共83页，编辑于2022年，星期一 某型号个人计算机的外设接口示意图某型号个人计算机的外设接口示意图 第39页，共83页，编辑于2022年，星期一接口的实现方式：1.整体方式2.板卡方式3.模块方式第40
26、页，共83页，编辑于2022年，星期一计算机控制技术计算机控制技术 2.3 2.3 过程通道过程通道第41页，共83页，编辑于2022年，星期一输入与输出信号输入与输出信号 第42页，共83页，编辑于2022年，星期一工工业业生生产产过过程程实实现现计计算算机机控控制制的的前前提提是是，必必须须将将工工业业生生产产过过程程的的工工艺艺参参数数、工工况况逻逻辑辑和和设设备备运运行行状状况况等等物物理理量量经经过过传传感感器器或或变变送送器器转转变变为为计计算算机机可可以以识识别别的的电电信信号号（电压或电流）或逻辑量。（电压或电流）或逻辑量。第43页，共83页，编辑于2022年，星期一传传感感器
27、器和和变变送送器器输输出出的的信信号号有有多多种种规规格格，其其中中毫毫伏伏（mVmV）信信号号、0 05V5V电电压压信信号号、1 15V5V电电压压信信号号、0 010mA10mA电电流流信信号号、4 420mA20mA电电流流信信号号、电电阻阻信信号号是是计计算算机机控控制制系系统统经经常常用用到到的的信信号号规规格格。在在实实际际工工程程中中，通通常常将将这这些些信信号号分分为为模模拟拟量量信信号号、开开关关量量信信号和脉冲量信号三大类。号和脉冲量信号三大类。第44页，共83页，编辑于2022年，星期一针针对对某某个个生生产产过过程程设设计计一一套套计计算算机机控控制制系系统统，必必须
28、须了了解解输输入入输输出出信信号号的的规规格格、接接线线方方式式、精精度度等等级级、量量程程范范围围、线线性性关关系系、工工程程量量换换算等诸多要素。算等诸多要素。第45页，共83页，编辑于2022年，星期一1.1.模拟量信号模拟量信号 许许多多来来自自现现场场的的检检测测信信号号都都是是模模拟拟信信号号，如如液液位位、压压力力、温温度度、位位置置、pHpH值值、电电压压、电电流流等等，通通常常都都是是将将现现场场待待检检测测的的物物理理量量通通过过传传感感器器转转换换为为电电压压或或电电流流信信号号；许许多多执执行行装装置置所所需需的的控控制制信信号号也也是是模模拟拟量量，如如调调节节阀阀、
29、电电动动机机、电电力力电电子子的的功功率率器器件件等等的控制信号。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。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。第46页，共83页，编辑于2022年，星期一模模拟拟信信号号有有两两种种类类型型：一一种种是是由由各各种种传传感感器器获获得得的的低低电电平平信信号号；另另一一种种是是由由仪仪器器、变变送送器器输输出出的的4 420mA20mA的的电电流流信信号号或或1 15V5V的的电电压压信信
30、号号。这这些些模模拟拟信信号号经经过过采采样样和和A/DA/D转转换换输输入入计计算算机机后后，常常常常要要进进行行数数据据正正确确性性判判断断、标标度度变变换换、线线性化等处理。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，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，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。有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。第47页，共83页，编辑于2022年，星期一模拟信号的常用规格：模拟信号的常用规格：1 1）1 15V5V电压信号电压信号 此信号规格有
31、时称为此信号规格有时称为DDZ-型仪表电压信号规格。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。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，工程量上限值对应的电压信号为的电压信号为5V，整个工程量的变化范围与，整个工程量的变化范围与4V的电压变化范围的电压变化范围相对应。过程通道也可输出相对应。过程通道也可输出15V电压信号，用于控制执行机构。电压信号，用于控制执行机构。第48页，共83页，编辑于2022年，星期一2 2）4 420mA20mA电流信号电流信号 420mA电
32、流信号通常用于过程通道和变送器之间的传电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为输信号。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，量程上限对应的电流信号为20mA，整个工程量的，整个工程量的变化范围与变化范围与16mA的电流变化范围相对应。过程通道也可输出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。电流信号，用于控制执行机构。第49页，共83页，编辑于2022年，星期一2.2.数字（开关）量信号数字（开关）量信号 有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例有许多的现场设备往往只对应于
33、两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、马达的起动和如，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、仪器仪表的停止、指示灯的亮和灭、仪器仪表的BCDBCD码、继电码、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀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。或者对开关输入信号进行检测。第50页，共83页，编辑于2022年，星期一 开关信号是指在有限的离散瞬时上取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，数字信值间断的信号。在二进制系统中，数字信号
34、是由有限字长的数字组成，其中每位数号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是字不是0就是就是1。数字信号的特点是，它只代。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。信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。第51页，共83页，编辑于2022年，星期一 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。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，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
35、行程开关接通，并向工控机系统输入如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入1个开个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出1个个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。如果开关量信号的幅值为如果开关量信号的幅值为TTL/CMOS电平，有时又将一组电平，有时又将一组开关量信号称之为数字量信号。开关量信号称之为数字量信号。第52页，共83页，编辑于2022年，星期一 开关量输入信号有触点输入和电平输入两种方式。触开关量输入信号有触点输入和电平输入两种方式。
36、触点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数点又有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。字电路中的正逻辑和负逻辑。工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平输入。触点输入转换为电平输入。开关量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。开关量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。输出触点也有常开和常闭之分。输出触点也有常开和常闭之分。第53页，共83页，编辑于2022年，星期一 对于开关量输出信号，可以分为两种形式
37、：一种对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有相应的电压幅值可
38、以有5V、12V、24V和和48V等。等。第54页，共83页，编辑于2022年，星期一3.3.脉冲量信号脉冲量信号 当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲量，也就是说脉冲量具有周期性。量，也就是说脉冲量具有周期性。测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，也是式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，也是以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，
39、可以获得电动机角位号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可以获得电动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步进电机转角或速度。进电机转角或速度。第55页，共83页，编辑于2022年，星期一脉脉冲冲量量信信号号的的幅幅值值通通常常有有TTLTTL电电平平、CMOSCMOS电电平平、24VDC24VDC电电平平和和任任意意电电平平等等几几种种规规格格。实实际际上上，数数据据采采集集卡卡的的逻逻辑辑部部件件都都是是TTL/CMOSTTL/CMOS规规格格，其其中中的的过过程程通通道道将将不不同同幅幅值值的的脉脉冲冲量量信信号号转转换换成成了
40、了TTL/CMOSTTL/CMOS电平。电平。脉冲量通道或脉冲输入脉冲量通道或脉冲输入/输出板卡对脉冲量的上输出板卡对脉冲量的上升时间和下降时间有一定的要求，对于上升时间升时间和下降时间有一定的要求，对于上升时间和下降时间较长的脉冲信号，必须增加整形电路，和下降时间较长的脉冲信号，必须增加整形电路，改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲量通道能有效改善脉冲信号的边沿，以确保脉冲量通道能有效识别所输入的脉冲量信号。识别所输入的脉冲量信号。第56页，共83页，编辑于2022年，星期一信号传输标准信号传输标准第57页，共83页，编辑于2022年，星期一电压制信号传输标准电压制信号传输标准：电压传输电压传输：
41、信号源内阻小（零）、负载电阻大，因而对外界扰动敏感，且受传输导线电阻的影响大。故不适合于信号的远距离传输。第58页，共83页，编辑于2022年，星期一电流制信号传输标准：电流制信号传输标准：电流传输电流传输：信号源内阻大（无限大）、负载电阻小，因而对外界扰动不敏感，且不受传输导线电阻的影响。故非常适合于信号的远距离传输。第59页，共83页，编辑于2022年，星期一信号传输标准 国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准：现场传输信号：直流 420mA；控制室内仪表间的联络信号：直流 15V.适用范围适用范围：DDZ-型、数字仪表、DCS系统等第60页，共83页，编辑于202
42、2年，星期一信号传输标准两种标准的比较：两种标准的比较：这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。第61页，共83页，编辑于2022年，星期一信号传输标准“活零点活零点”的优点：的优点：有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。第62页，共83页，编辑于2022年，星期一信号传输标准两线制变送器第63页，共83页，编辑于202
43、2年，星期一信号传输标准另外，采用直流信号传输的优点：传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。其它信号传输标准其它信号传输标准：RS485数字信号传输、Smart传输技术、现场总线技术等等。第64页，共83页，编辑于2022年，星期一1、采用活零点有什么优点？2、画出模拟量输入通道的结构,并说明每个器件的作用。第65页，共83页，编辑于2022年，星期一过程通道过程通道第66页，共83页，编辑于2022年，星期一过程通道的含义过程通道的含义 过过程程通通道道是是计计算算机机控控制制系系统统中中计计算算机机与与被被监监控控过过程程的现场设备
44、之间的物理信息通道。的现场设备之间的物理信息通道。输输入入通通道道的的作作用用是是将将传传感感器器或或变变送送器器的的电电流流/电电压压信号转换为计算机可以识别的数字信号。信号转换为计算机可以识别的数字信号。输输出出通通道道的的作作用用则则是是将将计计算算机机输输出出的的数数字字信信号号转转换换为可直接推动执行机构的电气信号。为可直接推动执行机构的电气信号。第67页，共83页，编辑于2022年，星期一过程通道的模式过程通道的模式 第68页，共83页，编辑于2022年，星期一第69页，共83页，编辑于2022年，星期一第70页，共83页，编辑于2022年，星期一过程通道的类型过程通道的类型第71
45、页，共83页，编辑于2022年，星期一1 1、模拟量输入通道、模拟量输入通道 模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。采集。它的核心部件是
46、它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接转换器及其微处理机的接口。口。第72页，共83页，编辑于2022年，星期一模拟量输入通道的基本结构模拟量输入通道的基本结构 模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放大模拟量输入通道一般应包括：传感器、多路转换开关、放大器、采样保持器、器、采样保持器、A/D转换器等几个组成部分，其组成如图转换器等几个组成部分，其组成如图2-15所示。所示。第73页，共83页，编辑于2022年，星期一2 2、模拟量输出通道、模拟量输出通道 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，被被采采样样的的过过程程参参数数经经运运算算处处理理后后输输出出控控制制量量，但但计计
47、算算机机输输出出的的是是数数字字信信号号，必必须须转转换换为为模模拟拟信信号号才才能能驱驱动动执执行行元元件件工工作作。众众所所周周知知，计计算算机机输输出出的的控控制制量量仅仅在在程程序序执执行行瞬瞬时时有有效效，无无法法被被利利用用，因因此此，如如何何把把瞬瞬时时输输出出的的数数字字信信号号保保持持，并并转转换换为为能能推推动动执执行行元元件件工工作作的的模模拟拟信信号号，以以便便可可靠靠地地完完成成对过程的控制作用，就是模拟量输出通道的任务。对过程的控制作用，就是模拟量输出通道的任务。模模拟拟量量输输出出通通道道的的作作用用就就是是将将计计算算机机输输出出的的数数字字量量转转换换为为执执
48、行行机机构构能能接接收收的的模模拟拟电电压压或或模模拟拟电电流流，去去驱驱动动相相应应的的执执行行机机构，以达到用构，以达到用计计算机算机实现实现控制的目的。控制的目的。第74页，共83页，编辑于2022年，星期一模拟量输出通道一般应包括：模拟量输出通道一般应包括：接口电路、接口电路、D/A转换器、多路开关、转换器、多路开关、保持电路、保持电路、V/I变换器等几个组成部分变换器等几个组成部分，如图，如图2-17所示。所示。第75页，共83页，编辑于2022年，星期一多个D/A转换器结构 模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象模拟量输出通道是将控制计算机的信号输出到被控对象的环节，主要
49、由的环节，主要由D/AD/A转换器及保持器组成，其结构形式有两种，转换器及保持器组成，其结构形式有两种，一种是多个一种是多个D/AD/A转换器的模拟量输出，另一种是共用一个转换器的模拟量输出，另一种是共用一个D/AD/A转换器转换器的模拟量输出结构形式。的模拟量输出结构形式。单个D/A转换器结构 第76页，共83页，编辑于2022年，星期一3 3、开关量输入通道、开关量输入通道 开开关关量量输输入入通通道道的的任任务务主主要要是是将将现现场场输输入入的的开开关关信信号号经经转转换换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。开关
50、量输入通道在控制系统中主要起以下作用：开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：1 1）定定时时记记录录生生产产过过程程中中某某些些设设备备的的状状态态，例例如如电电动动机机是是否否在在运运转、阀门是否开启等。转、阀门是否开启等。2 2）对对生生产产过过程程中中某某些些设设备备的的状状态态进进行行检检查查，以以便便发发现现问问题题进进行行处处理理。若若有有异异常常，及及时时向向主主机机发发出出中中断断请请求求信信号号，申申请请故故障障处处理理，保保证证生生产产过程的正常运转。过程的正常运转。第77页，共83页，编辑于2022年，星期一开关量输入通道主要由输入接口电路、接口地址译码器以及开关量输