工控机1.ppt
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第一章、工业控制计算机第一章、工业控制计算机简介简介COMPUTERINTERFACETECGNOLOGY工控机的组成与特点1-1工控机的概念工控机的概念：
工业控制计算机：
工业控制计算机,简称工控机简称工控机,也称为工业计算也称为工业计算机机IPCIPC。
（IndustrialPersonalComputerIndustrialPersonalComputer）是计算机的一种，）是计算机的一种，它主要应用于工业现场的过程测量、控制、数据采集等工作。
它主要应用于工业现场的过程测量、控制、数据采集等工作。
在现代工业系统中，控制系统以工控机为核心，处理来自工业在现代工业系统中，控制系统以工控机为核心，处理来自工业系统的各种输入信号，并根据控制系统的要求将处理结果输出系统的各种输入信号，并根据控制系统的要求将处理结果输出到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。
到执行机构，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。
典型的工控机由典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入各类输入/输出接口模块输出接口模块、显示器、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。
键盘、鼠标、打印机等组成。
工控机硬件组成工控机硬件组成11-1工控机的组成与特点图图1.1工控机外部结构工控机外部结构1-1工控机的组成与特点图2.2工控机的硬件组成1-1工控机的组成与特点底板主机板工业控制计算机的主板工业控制计算机的主板全长主板（PCI）鼠标+键盘显示器网口CPU座内存卡座AdvantechPCE-5124：
LGA775/IntelCore2FSB1333/1066/800MHzDDR2667/800SDRAMPCIExpressx162GigabitEthernet6COMPorts6SATA2硬盘（SATA2）模拟量输入模拟量输入/输出输出（AI/AO）模拟量输入（AdvantechPCI-1713）AdvantechPCI-1713：
32单端/16差分模拟量输入12位A/D分辨率采样速率可达100KS/s板载4096FIFO缓冲器2,500VDC隔离保护每个输入通道的增益可编程支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式PCI-1713+PCL-10137+ADAM-3937计数计数/定时定时（Counter/Timer）计数/定时（AdvantechPCI-1780）AdvantechPCI-1780：
8位可编程时钟源8路DI和8路DO（TTL）最大20MHz输入频率可选多个计数器时钟源计数器输出可编程计数器门控功能PCI-1780+PCL-10168+ADAM-3968多功能多功能（AI、AO、DI、DO、Counter、Timer）多功能数据采集卡（AdvantechPCI-1716）AdvantechPCI-1716：
16单端/8差分AD，16位AD分辨率2路模拟量输出，12位分辨率16DI/16DO（TTL）3Counter/Timer板载1KFIFO250KS/s采样率PCI总线数据传输自动校准功能运动控制运动控制（Motion）运动控制卡（AdvantechPCI-1240）AdvantechPCI-1240：
2/3轴线性插补功能2轴圆弧插补功能手轮和慢进功能独立4轴伺服/步进电机控制连续插补功能通信通信（Communication）CAN通信接口卡（AdvantechPCI-1680）AdvantechPCI-1680：
符合PCI总线2.2规格2个独立的CAN网络高传输速率可达1Mbps每端口设有转输/接收状态LED指示灯直接内存映射功能实现对CAN控制器的快速访问其他其他USB多功能模块（AdvantechUSB-4716）AdvantechUSB-4716：
支持USB2.0便携设计/总线供电16路模拟输入通道16位分辨率模拟输入采样速率高达200kS/s8路DI,8路DO,2路AO和1路32位计数器带有接线端子/适合DIN导轨安装锁紧式USB电缆用于紧固式连接1-1工控机的组成与特点系统总线工控机的系统总线可分为内部总线和外部总线。
内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，常用的内部总线有IBMPC、STD、PCI、VXI总线。
外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS485和IEEE-488、USB、CAN等现场总线、快速以太网、WIFI总线等。
主机板是工业控制机的核心，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）和I/O接口等部件组成。
主机板的作用是将采集到的实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业过程。
1-1工控机的组成与特点人-机接口人-机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作台等。
通过人-机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。
通信接口通信接口是工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传送的通道，即工控机外部总线，常用IEEE-488、RS-232C和RS485接口、USB、CAN等现场总线、快速以太网总线等。
1-1工控机的组成与特点输入/输出接口模板是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。
包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。
系统支持系统支持功能主要包括：
电源掉电监测、后备存储器、实时日历时钟等磁盘系统:
硬盘系统、USB磁盘、光盘1-1工控机的组成与特点工控机的软件组成工控机的软件组成2系统软件系统软件用来管理IPC的资源，并以简便的形式向用户提供服务。
包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如Intel公司的iRMX86实时多任务操作系统、MS-DOS，LINUX,特别是Windows软件。
工具软件工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、调试程序、诊断程序、各种组态软件等。
应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。
1-1工控机的组成与特点工控机的特点工控机的特点3可靠性高；可靠性高；实时性好；实时性好；环境适应性强；环境适应性强；丰富的输入输出模板；丰富的输入输出模板；系统扩充性和开放性好；系统扩充性和开放性好；控制软件包功能强；控制软件包功能强；系统通信功能强；系统通信功能强；冗余性。
冗余性。
1-1工控机的组成与特点本课程学习的关键技术本课程学习的关键技术4工控计算机的接口技术，含：
工控计算机的接口技术，含：
（1）工控计算机的总线技术；（现场总线、）工控计算机的总线技术；（现场总线、WIFI、USB）
（2）工控计算机及各个子系统的硬件工作时序技术；）工控计算机及各个子系统的硬件工作时序技术；（3）工控计算机的软件编程技术；）工控计算机的软件编程技术；1-2工控工控计算机计算机的的接口技术接口技术简介：
简介：
工控工控计算机主机计算机主机外设外设（I/O设备、外存）设备、外存）工控工控机对外设的访问就是机对外设的访问就是工控工控机对外设的机对外设的I/O接口中的接口中的I/O端口进行访问。
端口进行访问。
控制口（CB）状态（地址）口（AB）数据口（DB）1-2工控工控计算机计算机的的接口技术接口技术简介简介接口技术接口技术：
即不同电路或设备之间的连接技术即不同电路或设备之间的连接技术工控机接口系统的定义：
工控机接口系统的定义：
工控机接口系统的定义：
工控机接口系统的定义：
连接工控机主控（板）连接工控机主控（板）CPUCPU系统与外设之间的部系统与外设之间的部件，它完成主控件，它完成主控CPUCPU系统与各个外设系统的信息系统与各个外设系统的信息传送。
传送。
为什么要使用接口？
为什么要使用接口？
为什么要使用接口？
为什么要使用接口？
1.1.外设品种繁多外设品种繁多2.2.外设工作速度不同，多数较慢外设工作速度不同，多数较慢3.3.信号类型、数据格式、通讯协议不同信号类型、数据格式、通讯协议不同1-2工控工控计算机计算机的的接口技术接口技术简介简介工控工控计算机计算机I/O接口接口：
这种介于这种介于工控工控计算机计算机主控板主控板CPU系统和外设之间系统和外设之间的缓冲电路称为的缓冲电路称为工控工控计算机接口电路。
计算机接口电路。
工控工控计算机接口技术：
计算机接口技术：
计算机计算机主控板主控板CPU系统和外设之间的缓冲电路的系统和外设之间的缓冲电路的设计与连接技术。
设计与连接技术。
1-2工控工控计算机计算机的的接口技术接口技术简介简介在在工控工控计算机中，接口直接连接到计算机中，接口直接连接到工控机底板工控机底板总总线线。
工控计算机使用工控机工控机底板底板总线总线作为同其它组件的主要连接点。
总线总线用来在系统的三个重要部件间传送信号：
处理器、内存、和输入输出设备（分控制总线分控制总线CB、数据总线、数据总线DB、地址总线、地址总线AB）。
总线总线：
是工业计算机各种功能部件之间传送信息：
是工业计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，是由导线组成的传输线束。
的公共通信干线，是由导线组成的传输线束。
总线总线是一种内部结构，工控机的各个子系统通过是一种内部结构，工控机的各个子系统通过总线相连接，外部设备通过相应的接口系统再与总线相连接，外部设备通过相应的接口系统再与总线相连接，从而形成了工控计算机的硬件系统总线相连接，从而形成了工控计算机的硬件系统1-2工控工控计算机计算机的的接口技术接口技术简介简介CPU内存接口内存智能仪器接口通讯接口（wangluo过程控制接口数字量输入输出接口数据总线地址总线控制总线数字仪表：
如：
数字式波器数字万用表终端：
如：
传真机Modem传感器驱动器：
如：
测力仪电机驱动电源数字外设：
如：
打印机、磁盘记录仪、显示器等1-3工控机工控机I/O接口的接口的基本结构、功能与组成基本结构、功能与组成1、工控机、工控机I/O接口系统接口系统基本结构基本结构主板人机接口系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道内部总线外部总线1、工控机、工控机I/O接口系统接口系统基本结构基本结构工控工控计算机计算机I/O接口接口的基本结构的基本结构：
计算机计算机I/O接口系统的结构主要分单通道、双通接口系统的结构主要分单通道、双通道、总线型三种结构。
我们前面已介绍过工控计道、总线型三种结构。
我们前面已介绍过工控计算机的组成结构，很显然，工控计算机算机的组成结构，很显然，工控计算机I/O接口接口的基本结构是总线型结构。
的基本结构是总线型结构。
2、工控机工控机I/O设备的种类及接口的主要功能设备的种类及接口的主要功能：
（一）一）:
I/O设备的种类设备的种类：
电子式、电磁式、机械电子式、电磁式、机械式式。
I/O设备的工作速度一般比CPU的工作速度低得多，且处理的数据种类也与CPU不完全相同，因此，CPU与外设不能直接相连，必须通过I/O接口进行协调和转换。
I/O接口从某方面看是一个很小的存在于外设上的外内存
（二）
（二）:
I/O接口的主要功能接口的主要功能：
（1）计算机与外围设备传递计算机与外围设备传递数据数据的中转站，缓冲，的中转站，缓冲，负责负责数据数据的格式转换，解决匹配问题。
的格式转换，解决匹配问题。
（2）提供外设工作所需的控制逻辑与信号（包括）提供外设工作所需的控制逻辑与信号（包括控制端口和外设之间的控制端口和外设之间的数据数据传送，如设备的选择、传送，如设备的选择、同步等时序控制、中断与同步等时序控制、中断与DMA的请求与批准）的请求与批准）2、工控机工控机I/O设备的种类及接口的主要功能设备的种类及接口的主要功能：
具体来说，具体来说，I/OI/O接口的主要功能接口的主要功能是：
是：
1、寻址功能、寻址功能2、输入输出功能、输入输出功能3、可编程功能、可编程功能4、数据转换功能数据转换功能5、通讯功能通讯功能6、数据缓冲功能数据缓冲功能7、中断管理功能、中断管理功能8、错误检测功能、错误检测功能9、复位功能、复位功能10、时序控制功能、时序控制功能3、工控机工控机I/O接口接口系统系统设计的基本方法设计的基本方法
（1）I/O接口系统硬件设计接口系统硬件设计基本方法与步基本方法与步骤：
骤：
分析接口两侧的状况分析实现总线与外设间的信号转换合理选择接口芯片合理选择端口地址绘制原理电路图制版、组装、调试3、I/O接口设计的基本方法接口设计的基本方法（22）I/O接口系统软件设计与接口系统软件设计与编编程程硬件电路只提供了接口工作的基础，只有在驱硬件电路只提供了接口工作的基础，只有在驱硬件电路只提供了接口工作的基础，只有在驱硬件电路只提供了接口工作的基础，只有在驱动程序的控制下，接口才能发挥其作用动程序的控制下，接口才能发挥其作用动程序的控制下，接口才能发挥其作用动程序的控制下，接口才能发挥其作用。
对于微机系统中的标准设备（如对于微机系统中的标准设备（如CRTCRT、KeyboardKeyboard、HDHD、FDFD、串口、并口等），在、串口、并口等），在ROMBIOSROMBIOS中都有相应的功能块子程序供用户中都有相应的功能块子程序供用户调用。
调用。
对于购买的工控机上的板卡，厂商已提供各种对于购买的工控机上的板卡，厂商已提供各种驱动程序驱动程序对自行设计的特殊性能的接口系统，需要自己对自行设计的特殊性能的接口系统，需要自己动手编制专用的接口驱动程序，这需要了解外动手编制专用的接口驱动程序，这需要了解外设的工作原理和接口电路的硬件结构，才能正设的工作原理和接口电路的硬件结构，才能正确编写相应的接口驱动程序。
确编写相应的接口驱动程序。
4、I/O接口的编址方式：
接口的编址方式：
计算机计算机I/O接口的编址方式接口的编址方式主要有两种：
主要有两种：
隔离隔离I/O与与“存储映象存储映象I/O”。
工控计算机采用的是。
工控计算机采用的是隔离隔离I/O法法隔离隔离I/O法法：
CPU对共享线上的接口对共享线上的接口系统系统做不同做不同的处理，用控制信号来区别这二者的不同：
如的处理，用控制信号来区别这二者的不同：
如MEMORY/PORT线。
线。
它的基本原理是把I/O端口看作是独立与存储器空间的I/O空间，每个端口被分配一个地址与之对应，在访问端口时，必须有专用的I/O指令（IN、OUT）。
优点优点：
存取周期短，效率较高，寻址范围大，控制功能强程序编制清晰，容易理解程序编制清晰，容易理解缺点缺点：
需专用的指令。
占用内存空间。
占用内存空间。
4、I/O接口的编址方式：
接口的编址方式：
隔离隔离I/O法编址法编址4、I/O接口的编址方式：
接口的编址方式：
存储映象存储映象I/O法编址法编址5、一般、一般I/O接口的组成接口的组成：
1、各种寄存器的集合、各种寄存器的集合，如地址、资料、控制、命令、状态等（解决快与慢的问题）2、各种控制电路、各种控制电路，如设备选中、端口选中（CPU准确地访问外设）、同步异步控制（保证准确通讯）、设备监测及控制电路（保证设备接受CPU指令并工作及将工作状态返还CPU）、信息转换电路、中断及DMA控制部件等。
3、接口与主机、接口与外设两个方向的信号定义、接口与主机、接口与外设两个方向的信号定义与连接与连接接口体现：
接口体现：
IOIO接口芯片，接口芯片，IOIO接口卡接口卡6、微型机中IO端口的地址分配系统用端口系统用端口系统用端口系统用端口DMADMA，定时器，定时器，82558255并行口，打印口，串口，软盘、硬盘、并行口，打印口，串口，软盘、硬盘、键盘、显卡。
键盘、显卡。
我们设计的插卡不要占用这部分地址我们设计的插卡不要占用这部分地址缺省端口缺省端口网卡、声卡等网卡、声卡等尽量不要占用这些端口地址尽量不要占用这些端口地址保留端口保留端口自己可以设计的插卡用地址自己可以设计的插卡用地址在在WINDOWSWINDOWS下怎么看？
下怎么看？
开始开始-控制面板控制面板-性能和维护性能和维护-系统系统-硬件硬件-设设备管理器备管理器6、微型机中IO端口的地址分配看某一看某一IOIO接口的端口地址接口的端口地址6、微型机中IO端口的地址分配看所有的端口地址分配情况看所有的端口地址分配情况1-4工控机工控机I/O接口的数据接口的数据传送方式传送方式1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式工控机工控机I/O接口的数据传送方式分接口的数据传送方式分查询式接口查询式接口、中中断式接口断式接口和和DMA式接口式接口
（1）程序查询式程序查询式：
CPU使用程序程序传送方式与使用程序程序传送方式与I/O设备交换资料，分设备交换资料，分B:
无条件程序传送接口无条件程序传送接口A:
程序查询方式接口程序查询方式接口1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式图图1341程序查询方式流程图程序查询方式流程图1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式A:
查询式传送的程序：
查询式传送的程序：
MOVDX，231HNEXT；INAL，DXANDAL，1JENEXTMOVDX，230HINAL，DXMOVDX，231HOUTDX，AL1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式B:
同步式传送方式：
（无条件式程序查询式传送同步式传送方式：
（无条件式程序查询式传送方式）方式）计算机与外设完全同步操作计算机与外设完全同步操作,外设随时处于外设随时处于准备好状态。
准备好状态。
输入：
MOVDX，300INAL，DX输出：
MOVAL，80HMOVDX，320HOUTDX，AL成批资料：
LEASI，BUFFERMOVCX，COUNTERMOVDX，300HNEXT：
MOVAL，SIINCSIOUTDX，ALCALLDELAYLOOPNEXT1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式2、中断方式接口中断方式接口：
当I/O设备需要CPU为其服务时，可以发出中断请求信号INT，CPU在接到信号后，中断正在执行的程序，转为某设备服务，服务完毕后，再返回原来被中断的程序，中断服务由I/O端口发出申请。
1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式图图1342中断处理方式中断处理方式1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式3、DMA方式方式：
在DMA控制器的管理下，I/O设备和内存直接交换信息，不需要不需要CPU介入，效率介入，效率较高。
较高。
1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式DMA控制方式控制方式1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式DMA式接式接口口1-4工控机工控机I/O接口的数据传送方式接口的数据传送方式此外，随着计算机技术的发展，现代计算机的数据传输技术也在不断地发展扩充，如并行执行技术，推测执行与超顺序执行技术等。
第二章工控机第二章工控机总线技术简介总线技术简介COMPUTERINTERFACETECGNOLOGY一、总线简介为了产品设计的需要及用户需求的变化性为了产品设计的需要及用户需求的变化性的需要，急需一种公共使用的标准资料信的需要，急需一种公共使用的标准资料信息通路：
息通路：
总线总线。
总线总线：
一些互连信号标准规定的集合。
是：
一些互连信号标准规定的集合。
是在组成系统的各个插件之间或组成插件的在组成系统的各个插件之间或组成插件的各芯片之间相互通信的标准信息通路。
各芯片之间相互通信的标准信息通路。
一、总线简介一、总线简介总线结构总线结构：
基于总线而设计的计算机系统的结构：
基于总线而设计的计算机系统的结构为总线结构为总线结构。
计算机内各模块的通讯通过一种或计算机内各模块的通讯通过一种或几种总线实现。
几种总线实现。
总线结构的优点总线结构的优点：
简化了系统结构，简化了硬件：
简化了系统结构，简化了硬件和软件的设计，系统性能好，系统更新性好。
和软件的设计，系统性能好，系统更新性好。
I/O通道通道：
I/O信号传送的途径，即信号传送的途径，即I/O扩展槽，扩展槽，它是总线的延伸，是总线与外部设备连接的物理它是总线的延伸，是总线与外部设备连接的物理通道通道。
通过通过I/O通道，通道，CPU可对挂在总线上的所可对挂在总线上的所有的有的I/O接口芯片和接口芯片和I/O接口控制进行地址访问来接口控制进行地址访问来完成对指定设备的读写操作。
完成对指定设备的读写操作。
二、总线的分类微机总线的种类很多，不同微机系统或同一系统微机总线的种类很多，不同微机系统或同一系统不同层次上的总线是不同的。
总线的分类方法有不同层次上的总线是不同的。
总线的分类方法有很多种，如按工作方式的不同可分为串行总线与很多种，如按工作方式的不同可分为串行总线与并行总线。
一般可按总线的范围、功能来划分：
并行总线。
一般可按总线的范围、功能来划分：
（一）
（一）片内总线片内总线：
芯片内部的总线，用以连接芯：
芯片内部的总线，用以连接芯片内部各个逻辑单元。
片内部各个逻辑单元。
二、总线的分类
（二）
（二）片总线片总线：
指芯片间或器件间的标准信息接口，是微处：
指芯片间或器件间的标准信息接口，是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路。
（如理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路。
（如单片机系统，主机板内）单片机系统，主机板内）-主要有：
主要有：
1I2C总线总线I2C（Inter-IC）总线）总线10多年前由多年前由Philips公司推出，是近年来在微公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到总线器件同时接到I2C总线上，通总线上，通过地址来识别通信对象。
过地址来识别通信对象。
2SPI总线总线串行外围设备接口串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
公司推出的一种同步串行接口。
Motorola公司生产的绝大多数公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有（微控制器）都配有SPI硬件接口，如硬件接口，如68系列系列MCU。
SPI总线是一种总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，有关的软件就相当简单，使使CPU有更多的时间处理其他事务。
有更多的时间处理其他事务。
3SCI总线总线串行通信接口串行通信接口SCI（serialcommunicationinterface）也是由）也是由Motorola公司推出的。
它是一种通用异步通信接口公司推出的。
它是一种通用异步通信接口UART，与，与MCS-51的的异步通信功能基本相同。
异步通信功能基本相同。
二、总线的分类（三）（三）系统总线系统总线：
又称内总线，底板总线又称内总线，底板总线。
由于微处理器芯于微处理器芯片总线的驱动能力有限，故大量接口芯片直接接在微处理器片总线的驱动能力有限，故大量接口芯片直接接在微处理器芯片上是不行的，微处理器芯片加上驱动电路、各种插件板芯片上是不行的，微处理器芯片加上驱动电路、各种插件板形成了微机系统的系统总线。
形成了微机系统的系统总线。
系统总线为系统内的各功能插件板提供标准的连接。
它的重系统总线为系统内的各功能插件板提供标准的连接。
它的重要表现形式是总线插槽，要表现形式是总线插槽，通常所说的通常所说的工控机工控机总线一般指系统总线一般指系统总线这一级。
如总线这
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