新第2章计算机控制系统的硬件设计技术.ppt
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1、硬件设计:输入输出接口与过程通道设计 接口是计算机与外部设备(部件与部件之间)交换信息的桥梁,它包括输入接口和输出接口。它在主机和外围设备之间的信息交换中起着桥梁和纽带作用。为什么要设置接口电路?其必要性可归纳成如下几点。1.解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题I/O接口电路为完成时序配合和通信联络功能,通常都没有数据锁存器、缓冲器、状态寄存器以及中断控制电路等。2.解决CUP和外围设备之间的数据格式装换和匹配问题 3.解决CUP的负载能力和外围设备端口选这问题 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道
2、,包括:AI、AO、DI、DO.,第2章 计算机控制系统的硬件设计技术,2.1 总线技术,2.1.1 总线的定义、层次结构及种类(1)总线:就是计算机各模块之间互联和传送信息(指令、地址和数据)的一组信号线。总线可以分为内部总线和外部总线。(2)内部总线:分为片级总线和系统总线。.片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、I2C总线、SPI总线、SCI总线等;.系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等。(3)外部总线:包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。另外,在工业控制中,还定义了其它总线,如:VME、STD、PC-104、Compact
3、PCI等。,2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介,1.PC/ISA总线的发展 1981年,PC/XT PC总线62线;1984年,PC/AT PC总线98线;1987年,IEEE ISA总线98线;2.ISA信号线定义(Industry Standard Architecture)3.EISA(Extended ISA),ISA信号线,ISA总线,2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介,PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国SIG 集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz,数据传输率为80Mb/s(峰值传输率为133M
4、b/s)。,PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看,PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,具体由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲,使之能支持10种外设,并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术,允许智能设备在需要时取得总线控制权,以加速数据传送。,1.PCI总线的主要性能,支持10台外设总线时钟频率33.3Mhz/66Mhz最大数据传输速率133/s时钟同步方式与CPU及时钟频率无关总线宽度32位(5v)/64位(3.3v)能自动识别外设特别适合与Intel的CPU协同工作,2.其它
5、性能具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力采用多路复用减少了引脚数支持64位寻址提供地址和奇偶校验可以转换5v和3.3v的信号环境等,即插即用:是指当板卡插入系统时,系统会自动对板卡所需资源进行分配,如基地址、中断号等,并自动寻找相应的驱动程序。,3.PCI总线信号定义 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 120条(包含电源、地、保留引脚等)。,4.Compact PCI总线PCI总线技术和欧式卡组装技术结合,具有热插拔特点,PCI总线,2.1.4 其它总线简介,1.PC/104总线,PC104是一种专门为嵌入式控制
6、而定义的工业控制总线,其信号定义和PC/AT基本一致,但电气和机械规范却完全不同,是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。,PC104与普通PC总线控制系统的主要不同是:1、小尺寸结构:标准模块的机械尺寸是3.6X3.8英寸,即96X90mm 2、堆栈式连接:去掉总线背板和插板滑道,总线以“针”和“孔”形式层叠连接,即PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连,这种层叠封装有极好的抗震性。3、轻松总线驱动:减少元件数量和电源消耗,4mA总线驱动即可使模块正常工作,每个模块1-2瓦能耗。,2.PC/104 plus总线 PC104PLUS 是专为PCI总线设计的
7、,可以连接高速外接设备。PC104PLUS 在硬件上通过一个3X40即120孔插座,PC104PLUS包括了PCI规范2.1版要求的所有信号。为了向下兼容,PC104PLUS保持了PC104的所有特性。,3.STD总线 STD总线采用公共母版结构,即其总线布置在一块木板上,板上安装若干个插座,插座对应引脚都是连接到同一根总线信号线上。系统采用模块式结构,各种功能模块都按标准的插件尺寸制造。个功能模块可插入任意插座,只要模块的信号、引脚都符合STD规范,就可以在STD总线上运行。STD总线采用56线双列插座,插件尺寸为65.1mm114.3mm,是8/16位微处理器总线标准。(1)STD总线信号
8、 电源线、数据总线、地址总线、控制总线(2)STD32总线 扩展了STD总线性能又维持了STD总线模板的兼容性,模板物理尺寸不变,扩展了总线仲裁,附加的中断线,DMA及地址线和数据线,以适应32位高性能微处理器。,STD总线,2.1.5 串行外部总线简介,1.RS-232/422/485串行通信总线(1)平衡和不平衡传输方式,(2)RS-232C,EIA-RS-232C 标准 RS(recommended standard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS232的最新一次修改(1969)。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。,RS-232-C标准规定,驱动器允许有250
9、0pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信,最高速率19.2kbit/s。,RS-232C 电气接口是单端双极性电源供电电路,如图a所示,属于单端驱动单端接收。地线是公共的,不能区分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号。采用高电压供电,+-15v或+-12v。,(3)RS-422A/RS-485,(4)RS-485多点互连,2.USB总线(1)具有热插拔功能(2)USB采
10、用“级联”方式连接各个外部设备(3)适用于低速外设连接,2.2 总线扩展技术,2.2.1 微型计算机系统I/O端口与地址分配 1.I/O端口及I/O操作(1)数据端口(2)状态端口(3)命令端口,2.I/O端口编址方式(1)统一编址(存储器映象方式)(Motorola系列、Apple系列、部分小型机)原则:M与I/O共用整个地址空间;I/O端口与存储单元等同M与I/O地址不重叠 优点:I/O 可有较大编址空间,易扩展;I/O操作指令类型多、功能齐全;缺点:M的地址空间受限;I/O指令较长,执行速度较慢,(2)独立编址(I/O映象方式、专用I/O指令方式)原则:M与I/O分开编址、互不干扰M与I
11、/O地址不重叠优点:M空间不受I/O空间影响;有专用I/O指令(程序清晰);I/O指令短,执行速度快缺点:I/O指令种类有限,I/O空间不易扩展,3.I/O端口地址分配 PC系列微机主板应用了10位I/O端口地址线,端口数1024,地址空间(000H-3FFH)(1)系统板上的I/O接口,前256(000H-00FH)(2)扩展卡上的I/O接口,后768个(100H-3FFH)4.I/O端口地址选用原则(用户可用地址:300H-31FH)1)凡是系统配置占用了的地址一律不能使用 2)计算机厂家申明保留的地址最好不要使用 3)可用留作实验卡的地址:300H31FH;最好用地址开关,2.2.2 I
12、/O端口地址译码技术,1.三种译码方式(1)线选法:高位地址线不经过译码,直接分别接各存储器芯片或者端口的片选端来区别各芯片或端口地址。(2)全译码法:所以地址线都参加译码,唯一确定一个端口或寄存器地址。译码电路复杂(3)部分译码:片内寻址外的高位地址一部分译码产生片选信号。译码电路较简单,存在地址重叠区。,2.I/O端口地址译码电路信号,使用A0A9、IOW、IOR 等信号组合。不仅要选择地址范围,还要根据CPU与I/O端口交换数据的流向(读/写)、数据宽度、是否采用奇偶地址等要求引入相应的控制信号,形成端口地址译码电路。,3.I/O端口地址译码方法及电路形式(1)固定地址译码,(2)开关选
13、择译码,2.2.3 基于ISA总线端口扩展,1.板选译码与板内译码2.总线驱动及逻辑控制3.端口及其读写控制,第2章 计算机控制系统的硬件设计技术,2.1 总线技术,2.2 总线扩展技术,2.3 数字量输入输出接口与过程通道,2.3 数字量输入输出接口与过程通道,(一)数字量输入通道,这些输入信号分为编码数字(二进制数或十进制数)、开关量和脉冲列等三类,它们都属于数字信号,因此,微机控制系统中应设立数字量输入通道。,随输入数字信号的类型不同,数字量输入通道的结构也不同。,(二)数字量输出通道,数字量输出通道输出的数字信号有三类:编码数字(二进制或二一十进制)、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号
14、。,编码数字可直接从Io接口电路的输出端口送出,一般输出数据需要锁存。,2.3 数字量输入输出接口与过程通道,2.3.1 数字量输入输出接口技术 1.数字量输入接口 2.数字量输出接口,汇编:MOV DX,220H MOV AL,8FH IN AL,DX MOV DX,221H OUT DX,ALC语言:a=inportb(0 x220)outportb(0 x221,0 x8f),2.3.2 数字量输入通道,1.数字量输入通道的结构,2.输入调理电路(1)小功率输入调理电路,将节的接通和断开动作,转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的震荡信号,加入有较长时间常数
15、的积分电路来消除振荡(a)。,图b所示为RS触发器消除开关两次反跳的方法。,2.输入调理电路,(2)大功率输入调理电路,大功率系统中,需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为了使接点工作可靠,接点两端至少要加24v以上的直流电压。高低压之间需用光耦合器进行隔离,2.3.3 数字量输出通道,1.数字量输出通道的结构,2.输出驱动电路(1)小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路,因负载呈电感性,输出必须加装克服反电动势的保护二极管VD,K为继电器的线圈。,达林顿阵列输出驱动继电器电路,MC1416,内含7个达林顿复合管,每个复合管的电流500mA以上,截止时承受100v电压。为了防止
16、MC1416组件反向击穿,可使用内部保护二极管。,2.输出驱动电路(2)大功率交流驱动电路 固态继电器(SSR),四端有源器件,输入输出之间采用光耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近时让电路接通,减少干扰。电路接通后,触发电路给出晶闸管器件的触发信号。,2.3.4 数字(开关)量输入/输出通道模板举例,研华PCL-730板卡组成框图,程序设计举例(基地址设为220H):PCL-730板卡的开关量输入/输出都只需要二条指令就可以完成。C语言程序如下:outportb(0 x220,Ox55);/奇数通道输出低电平,低8位。outportb(Ox221,0 x55);/奇数通道输出
17、低电平,高8位。inportb(Ox220);/输入通道07的电平状态。inportb(Ox221);/输入通道815的电平状态。汇编语言程序如下:MOV DX,220H 隔离开关量输出的奇数通道输出低电平MOV AL,55HOUT DX,ALMOV DX,221H OUT DX,ALMOV DX,220H 读入隔离开关量输入通道0-7的输入电平IN AL,DX MOV AH,ALMOV DX,221H 读入隔离开光量输入通道8-15的输入电平IN AL,DX 读入16路隔离开关量输入通道的输入电平存在AX中,2.4 模拟量输入接口与过程通道,2.4.1 模拟量输入通道的组成 由五部分组成,2
18、.4.2 信号调理和I/V变换,1.信号调理电路 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、共模抑制及隔离等方法,将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。,(1)非电信号的检测不平衡电桥,电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。,热敏电阻测温时,工业设备距离计算机很远,引线将很长,若采用两线制连接,由于导线电阻,容易产生误差,因此采用三线制与调理电路,(2)信号放大电路 1)基于ILC7650的前置放大电路,运算放大器选择主要考虑精度要求(失调及失调温漂)、速度要求(带宽、上升率)、幅度要求(工作电压范围及增益)及共模抑制要求。常用
19、于前置放大器的有,LF347(低精度);OP-07,OP-27(中等精度);ICL7650(高精度),2)AD526可编程仪用放大器,AD526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x l、x 2、x 4、x 8、x16等五挡。AD526可以在透明与锁存两种模式下工作。透明模式是13脚CLK端接地。锁存模式是CLK内逻辑信号提供。,2.I/V变换(1)无源I/V变换(2)有源I/V变换,2.4.3 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。多路开关将各个信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。,图2-27 CD4
20、051原理图,为保证测量精度,多路开关要求:切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠。常用多路开关:CD4051、AD7501、LF13508等,2.4.4 采样、量化及采样保持器,1.信号的采样,采样定理:通常取,2.量化 所谓量化,就是采用一组数码(如二进制码)来逼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,执行量化动作的装置是A/D转换器。,量化误差:(+-0.5q),3.采样保持器(1)孔径时间和孔径误差的消除 孔径时间:完成一次A/D转换所需的时间。孔径误差:对于随时间变化的模拟信号,孔径时间决定了每一个采样时刻的转换误差。孔径误差的消除,在坐标
21、原点,为确保A/D转换精度,不低于0.1%,不得不限制信号的频率范围,(2)采样保持原理,采样状态时,Ch上的电压快速跟随输入变化。控制开关K断开,由保持电容Ch维持该电路的输出不变。控制开关K:由接口电路控制。,3.采样保持器(3)常用的采样保持器 常用的集成采样保持器有LF398、AD582等,LF398的采样控制电平为“1”,保持电平为“0”,AD582相反。引脚排列如下图所示。,保持电容Ch通常是外接的,取值与采样频率和精度有关,常选5101000pf减小Ch可提高采样频率,但会降低精度。,选择采样保持的主要因素有获取时间、电压下降率等。当被测信号变化缓慢时,如果转换器转换时间足够短,
22、可以不加采样保持器,2.4.5 A/D转换器及其接口技术,(一)计数器式A/D转换器,计数器式A/D转换器由计数器、D/A转换器及比较器组成。其原理框图如图,(二)双积分式A/D转换器,一、A/D转化器原理,如图所示,双积分式A/D转换器的主要部件有积分器、比较器、计数器和标准电压源。,(三)逐次逼近式A/D转换器,逐次次逼近式A/D转换器电路原理框图如图下所示。它主要由N位逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分所组成。,二、A/D转换器的主要技术参数,1.分辨率,分辨率通常用转换后数字量的位数表示。分辨率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。,2.量程,量程
23、是指所能装换的电压范围。,3.转换精度,转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。有绝对精度和相对精度两种表示法。,4转换时间,转换时间是指启动A/D到转换结束所需的时间。不同型号、不同分辨率的器件,转换时间相差很大。,5工作温度范围,较好的A/D转换器的工作温度为一4085,较差的为070。,三、常用A/D转换器,(一)8位A/D转换器ADC0808/0809,ACD08080809是单片双列直插式集成电路芯片,是8通路8位AD转换器。,1电路组成及转换原理,ADC08080809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方
24、法为逐次逼近法。,ADC08080809无需调零和满量程调整,又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码,而且它的三态TTL输出也可以锁存,所以易于与微处理机进行接口,其原理框图如图,2.ADC0808/0809的引脚及功能,(二)12位AD转换器AD574,AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器,它可以直接与8位或6位微型机总线进行接口。AD574是由两个大规模集成电路组成的。,1AD574的电路组成,AD574的原理框图如下图所示。由图下可见,AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。,2AD574引脚功能说明,四、A/D转换器与系统的连接及举例,(一)与系统的连
25、接信号,A/D转换器对外的连接信号,有下列几类:模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号和转换结束信号及数据的读取。A/D转换器和系统连接时,就要考虑这些信号的连接问题。,1输入模拟电压的连接,2数据输出和系统总线的连接,3.A/D转换启动信号,A/D转换器是在CPU控制下工作的,即由CPU发出启动转换信号。启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。,CPU一般可以采用3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取。,第一种是程序查询方式。,第二种是中断方式。,第三种是固定的延迟程序方式。,(二)、A/D转换器与系统连接举例,1.8位A/D转换器ADC0808/0809和CPU的连接,2.1
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