计算机控制技术及应用-第4章.ppt

1、1,第4章 控制系统中的计算机及其接口技术,4.1 工业控制计算机 4.2 控制系统中的接口技术 4.3 控制系统中的人机交互技术 4.4 工业控制计算机软件系统简介 本章小结 思考题与习题,2,4.1 工业控制计算机,4.1.1 工业控制计算机的特点和结构 4.1.2 嵌入式系统与单片机 4.1.3 典型工业控制计算机的产品,3,4.1.1 工业控制计算机的特点和结构,1. 工业控制计算机的特点 2. 工业控制计算机的结构,4,1. 工业控制计算机的特点,适应性 适应环境、方便操作。 有较好的防振、防尘措施，有精致体积，结实的结构。 可靠性 能连续工作、有较好的抗干扰能力、安全性 故障诊断与

2、恢复、便于维护、冗余结构 实时性 快速、有效 扩展性 性能、功能、互连 其他 低功耗、互操作性和互换性,5,2. 工业控制计算机的结构,工业控制计算机的结构也可分为两类： 一类是基于通用计算机（PC机）的结构； 硬件与PC机兼容， 能充分利用现有PC机的软件资源和外部设备资源； 并且在机械结构、元器件选用和电源配置等方面 比普通PC机的可靠性更高。 一类是基于嵌入式系统的结构。 硬件软件 可根据应用要求进行裁剪; 硬件规模和软件配置视不同的应用而确定， 没有统一的硬件结构和相兼容的软件平台。,6,4.1.2 嵌入式系统与单片机,1. 嵌入式系统 2. 单片机与微控制器,7,1. 嵌入式系统,嵌

3、入式系统（也即嵌入式计算机系统） 可看作是嵌入到某个应用对象内的专用计算机系统。 在可靠性、实时性、适应性、成本、体积、功耗等会有特殊的要求。 嵌入式系统仍是一个计算机系统，所以其组成及原理与普通计算机相同， 但通常其硬件软件可根据应用要求进行裁剪。,8,1. 嵌入式系统,嵌入式系统的应用领域非常广泛： 凡是能利用计算机来进行信息处理的场合都有嵌入式系统的应用： 在通信、家电等行业的产品 （如交换机、路由器、手机、数码相机、MP4播放器、数字电视机、投影仪等） 以及通用计算机的各种外设 （如键盘、显示器、打印机等）都含有嵌入式系统。,9,1. 嵌入式系统,嵌入式系统的应用领域非常广泛： 在控制

4、系统中，除了作为控制单元的工控机外， 如智能传感器、电动调节装置、智能化仪器仪表等也都含有嵌入式系统。 嵌入式系统的硬件软件容易融合但难以复制， 对工程人员要有专业知识的要求。,10,1. 嵌入式系统,嵌入式系统也可分为硬件系统和软件系统： 硬件系统包括 处理器、存储器、 接口总线及硬件及驱动； 软件系统包括 嵌入式OS或实时OS、中间件 编程语言、开发工具、应用程序等,11,嵌入式系统的知识层次关系,12,2. 单片机与微控制器,单片机 一片半导体芯片上集成的一个基本计算机系统。 单片机也是嵌入式系统的常见结构形式。 MCS-51 在8位单片机家族中 Intel公司的MCS-51是一个独特的

5、系列。 PHILIPS、Atmel等著名公司发展了MCS-51， 并迅速将单片微型计算机（SCMC:Single Chip Microcomputer）带入了微控制器（MCU: Micro Controller Unit）时代。,13,2. 单片机与微控制器,Silicon Laboratories公司推出的C8051F 已相当于一个能独立工作的SoC了。C8051F具有与8051兼容的高速CIP-51内核。 与MCS-51指令集完全兼容 集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件； 内置FLASH程序存储器、内部RAM、外部XRAM。 C8051F单片机具有片内调试电路。

6、通过JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。,14,典型产品C8051F120,基本性能 高速8051微控制器内核（速度可达100MIPS）； 存储器 256+8kB的RAM、128kBFLASH 程序存储器； ADC、DAC 带可编程放大器的8通道12位ADC（换速率最大100ksps）、8通道8位ADC（换速率最大500ksps）、两个12位DAC； 各种接口 64个I/O口线、带SMBus、IC、SPI接口、两个UART串口、 可编程的16位计数器/定时器阵列PCA、有6个捕捉/比较模块、5个通用16位计数器/定时器、看门狗定时器等，,15,典型产品C8051F120,16,32

7、位MCU,32位MCU通常在高端嵌入式系统中得到应用。 在音频视频处理、网络通信、高速数据采样和运算、图形接口等场合，越来越多地需要使用32位MCU。 Freescale的32位MCU MCF5235 整合了常用的带有16-通道增强型时间处理单元的V2 ColdFire内核，速度可达144MIPS； 含有64 KB内部SRAM、8KB的可配置I/D-高速缓存、双列SDRAM控制器； 2个CAN 2.0 B（UART 3与CAN 2复用）、10/100 Mbps快速以太网控制器、3个UART、队列SPI、I2C总线接口、4通道32位DMA定时器、4通道DMA控制器、集成PLL、看门狗等。 适用于

8、网络和单片式复杂实时控制应用。,17,ARM架构,ARM架构 是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。 目前，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。 ARM公司 1991 年 ARM （ Advanced RISC Machines Limited ）公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。 ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它

9、只出售芯片技术授权。,18,4.1.3 典型工业控制计算机的产品,1. 研华ARK-3420嵌入式工控机 2. 研祥MEC-1001嵌入式计算机 3. 泓格WP-8441嵌入式PAC 4. 泓格I-7188EF-016控制器,19,1. 研华ARK-3420嵌入式工控机,ARK-3420为无风扇嵌入式PC机 支持Intel Core2 Duo处理器并拥有内置Intel GME965芯片组，具有功能强大的处理器和宽屏高分辨率双显示性能， 支持PCI/PCIe扩展和双SATA HDD配有2.2 W双输入音频放大器， 2个RS-232端口，2个RS-232/422/485端口， 6个USB 2.0接

10、口，16 位数字I/O接口，6个可编程功能键，2个10/100/1000 Mbps以太网接口， 支持Microsoft Windows Vista、XP Professional、XP Embedded和Linux操作系统， 输入电源9V/6.0A34V/1.6A 研华科技股份有限公司 是一家全球领先的工业控制计算机制造厂商，提供多种嵌入式工业电脑、可编程自动化控制器（PAC）和分布式数据采集控制系统，详见其网站(http:/ 研祥MEC-1001嵌入式计算机,研祥MEC-1001 板上集成AMD LX800 500MHz的CPU,256MB DDR DRAM存储器， 1个PS/2键盘接口，一

11、个IDE 接口和一个CF卡接口,支持PC/104-PLUS 扩展总线， 1个VGA显示接口, 3个RS-232接口，1个RS-232/422/RS485接口，1个10/100Base-T局域网接口，2个USB接口，板上提供一个标准的AC97 音效芯片。 研祥智能科技股份有限公司 也是著名的工业控制计算机制造商，提供多种工业计算机板卡、机箱、PC104单板计算机、嵌入式单板计算机、工业计算机整机和测控自动化产品，详见其网站(http:/ 泓格WP-8441嵌入式PAC,WP-8441为4槽嵌入式PAC(Programmable Automation Computer)。 PAC融合可编程控制器(

12、PLC)和基于PC(PC-Based)控制器的优点而成，它的结构可靠、扩展灵活、编程方便，在自动控制领域得到广泛应用。 4个I/O扩展槽，可插入多种输入输出模块，内置VGA(800600)接口， 支持Windows CE.Net操作系统和标准C编程。 内置128MB SDRAM，512KB双后备电池SRAM，支持扩展闪存(1GB的SD卡), 2个10/100Base-T局域网接口，支持冗余电源，1个USB接口,4个RS-232/RS485接口。 泓格科技是一家 研发各种嵌入式控制器、 远程I/O模块等产品的厂商， 详见其网站(http:/ 泓格I-7188EF-016控制器,I-7188EF是

13、一款 基于MiniOS7(DOS-like OS)的掌上型PAC产品。 它配置了80188-40CUP，内置512 KB SRAM、512 KB闪存，配有1个10/100Base-T局域网接口，1个RS232接口，1 个RS485，内置看门狗和RTC（实时时钟）。 支持MiniOS7操作系统, 可用C语言开发应用程序,创建运行于80188/80186 CPU上的16位可执行文件（*.exe）。 I-7188EF也是基于ISaGRAF的PAC，它全面支持5种IEC61131-3标准PLC编程语言，同时还支持离支持离线仿真、在线调试、监测与控制， 此外也提供近200个功能块与函数调用，用户可以用图

14、形化的方式进行程序编辑，这对控制软件的开发带来了许多方便。 泓格科技 是一家研发各种嵌入式控制器、远程I/O模块等产品的厂商，详见其网站(http:/ 控制系统中的接口技术,4.2.1 接口与总线 4.2.2 并行接口 4.2.3 串行接口 4.2.4 现场总线,24,4.2.1 接口与总线,1. 接口与总线的概念 2. 寻址方式 3. 数据传输方式 4. 基本功能 5. 接口与总线的分类,25,1. 接口与总线的概念,接口(Interface) 通常指系统的核心部件CPU与其他外围电路的连接。 泛指两个功能部件之间的连接。 强调信号和数据形式的转换 总线(Bus) 通常是指多个功能部件之间的

15、连接导线的集合。 注重于多个部件的互连； 注重可扩展性、灵活性、规范化；许多总线都有相应的规范和标准。 接口与总线 有时也不加区分，合称为总线接口或接口总线等。,26,1. 接口与总线的概念,计算机接口技术要解决两类基本问题： 一是要将在数据格式、信号类型、传输速度、处理方式等方面都各有自身特点的外部数据转换为计算机CPU更容易处理的数据形式； 二是将计算机CPU处理后的数据以易接受的形式提供给外围电路。 计算机接口技术 包括输入输出端口的寻址方式、数据传输方式、实现功能等内容。,27,2. 寻址方式,“按址访问” “存储程序和程序控制”的基本工作原理的体现。 端口 CPU与外部输入输出数据所

16、对应的访问单元。 端口种类 数据端口 有用于数据传输 命令端口 用于存放控制参数和命令 状态端口 用于设置和检测接口的状态,28,2. 寻址方式,两种寻址方式 统一编址方式 端口的地址与程序存储器和数据存储器地址统一安排， 指令 与访问存储器的指令相同. 控制信号线 与扩展存储器所用的控制信号线一样。 独立编址方式 端口的地址与存储器地址相互独立， 指令 不同于访问程序与数据存储器的指令 控制信号线 有别于扩展存储器所用的控制信号线。 两种寻址方式的选用主要取决于CPU,29,两种寻址方式图示,30,3. 数据传输方式,基本要素：定时与协调 定时 作用：传输双方在时间上保持同步 实现： 由CP

17、U发出读（Read）或写（Write）信号 由专用控制器（如DMA）发出读写信号 协调 作用：传输双方能相互配合和等待 实现： 握手信号：请求(REQuest)/应答(ACKnowledge)； 或选通(Strobe)和就绪(Ready)；,31,利用握手信号进行协调,32,3. 数据传输方式,(1). 直接传输方式 这种方式也称无条件传输方式、无协调传输方式。 要求外设一直处于就绪状态，如LED灯、状态设置开关等。 (2). 程序查询方式 通过程序查询实现协调； 这种方式的传输效率较低，要求的协调电路简单。 (3). 定时中断查询方式 利用定时中断实现协调； 这种方式的传输效率比程序查询稍高

18、，但响应速度不快。,33,3. 数据传输方式,(4). 中断传输方式 利用中断机制实现协调； 这种方式效率高，但需要有相应中断控制电路的支持，中断服务程序设计也要有全面的考虑。 (5). DMA方式 利用专用的DMA控制器实现内存与外设的直接数据传输，CPU不参与数据传输； 这种方式效率很高，但要有专用的硬件电路支持； 这种方式适用于高速的外设。,34,3. 数据传输方式,35,4. 基本功能,1). 地址译码和设备选择 2). 进行定时和协调，选择数据传输方式 3). 设置中断控制逻辑。 4). 设置DMA控制逻辑。 5). 提供数据的寄存、缓冲，驱动。 7). CPU和外设的信号类型转换

19、如电平转换、串/并转换、数/模或模/数转换等。,36,5. 接口与总线的分类,按接口所连接的功能部件来分： 过程通道接口 人机交互接口 存储设备接口 通信接口,37,计算机通过接口与外部的连接,38,接口与总线的分类,按接口的数据传输特征进行分类 并行接口 Centronics和IEEE 1284并行接口标准 STD、PC/104、PCI、Compact PCI 串行接口 RS-232C、RS-485 I2C、SPI、1-Wire、USB、IEEE1394 按接口和总线连接部件的技术特征可分为 芯片级总线 I2C、SPI和1-Wire 板级总线（也称系统总线） PC/104、Compact P

20、CI 通信总线（也称外部总线）。 RS-232C、RS-485; USB、IEEE1394; 100BaseT,39,4.2.2 并行接口,1. PC/104 2. PC/104plus总线 3. PCI/104 Express 4. Compact PCI总线,40,1. PC/104,PC/104是在PC总线基础上专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线 IEEE-P996是PC/XT和PC/AT工业总线ISA规范，而PC/104被定义为IEEE-P996.1。 PC/104有8位和16位两个版本 分别与PC/XT和PC/AT相对应。 PC/104有两个连接件: P1为64针，P2为40针，合

21、计104个总线信号; PC/104因此得名。,41,1. PC/104,PC/104与PC主板的不同处： (1). 小尺寸结构 PC/104标准模块的机械尺寸为:3.8x3.6英寸(96x90mm)，这有利于抗干扰性能和减小安装空间。 (2). 堆栈式结构 采用堆栈式“针-孔”连接，即PC/104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连接，无须母板，有较好的抗震性，这有利于提高系统的可靠性。,42,2. PC/104plus总线,PC/104plus(也称为PC/104+)， 与PC机的PC/AT及PCI总线兼容 也被称为PC/104的PCI总线。 PC/104plus总线 包含I

22、SA和PCI两个总线，其中PCI部分称为PCI-104。 PCI-104连接件为单列三排120个总线管脚， 其有效信号线和控制线和PCI总线完全兼容。 PCI（Peripheral Component Interconnect ）总线 由Intel在1992年发布，是目前商业PC机总线标准。 大多数计算机和操作系统都支持PCI。 非常适合在高速计算和高速数据通讯领域中应用。,43,3. PCI/104 Express,PCI/104 Express 包含PCI和PCI-Express两个总线， 其中PCI-Express部分称为PCIe/104。 PCIe/104实际上已是高速串行总线， 有2

23、0个PCI Express内部总线通道(Lane)， 采用150芯高密堆栈式总线连接器将各个带有Express总线的PC/104相连。,44,3. PCI/104 Express,PCI- Express标准 将全面取代现行的PCI和AGP(Accelerated Graphics Port)。 它的主要优势就是数据传输速率高， 目前最高可达到10GB/s以上。 还能支持热拔插， 这也是个不小的飞跃。,45,PC/104总线结构的演变,IASPCIPCIe,46,4. Compact PCI总线,Compact PCI 是一种基于标准PCI总线的 小巧而坚固的高性能总线技术 它的主要特点有：

24、PCI局部总线的电气信号 标准的Eurocard尺寸 高密度气密式针孔连接器 支持“即插即用”功能。,47,并行接口向串行接口发展的趋势,从理论上看： 并行接口数据传输率会高于串行接口， 但随着传输率提高、并行导线的增多， 相互之间干扰和接口成本也会增大； 除了在组成高速高性能计算机系统中， 会保留部分的并行接口； 而更多场合的会采用串行接口。,48,4.2.3 串行接口,1. 串行传输基本概念 2. RS-232C 3. RS-485 4. I2C总线 5. SPI总线 6. 其他串行接口,49,1. 串行传输基本概念,(1). 异步传输和同步传输 异步传输简单、低效 每一字符的起始时刻是任

25、意的； 每个字符的前后都有起始和终止信号以实现同步。 同步传输高效、复杂 无时钟信号线的同步传输 通过特殊的数字信号编码方法实现同步 有时钟信号线的同步传输 通过增加的时钟信号线来实现同步,50,异步传输和同步传输的时序,51,1. 串行传输基本概念,(2). 数据传输速率 数据传输速率 通常以每秒传输的二进制位数来含衡量，单位为比特/秒，常写为bps（bit per second）。 波特率 每秒钟传输码元的个数，其单位为波特（Baud）。 对一个码元只能取两种值的二进制数来说，1 Baud就等于1bps。 由于在数据通信中，采用二进制传输的情况比较普遍，故常用波特率来表示数据传输速率了。

26、但在多电平值传输和调制情况下，1 Baud就要大于1bps了。,52,1. 串行传输基本概念,(3). 单工、双工方式 单工(Simplex) 只能单向进行发送或接收的工作方式 双工（Duplex） 半双工(HDX) 发送和接收只能分时进行，不能同时进行。 全双工(FDX) 发送和接收能同时进行。,53,1. 串行传输基本概念,(4). 数据的校验方法 作用保证数据传输的正确性 常用的校验方法 奇偶校验 循环冗余码（CRC）校验 海明码校验和纠错,54,2. RS-232C,主要特征 异步传输、可实现全双工通信； 接口简单、历史长； 许多PC机和智能仪器设备都配备 性能指标低下； 传输距离不大

27、于15m 传输速率小于20Kbps 正在逐步退出历史舞台 但仍有一段漫长的过程。,55,2. RS-232C,背景 最初为DTE(Data Terminal Equipment)与DCE（Data Communication Equipment)而制定的。 通常计算机属于DTE，而调制解调器属于DCE； RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，是站在DTE立场上来定义的。 PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。 RS-232C标准它规定了 连接电缆和机械(连接器) 、信号功能、 电气特性及传输过程。,56,2. RS-232C,(1). RS-232C的连接器 DB

28、25和DB9,57,2. RS-232C,(2). 信号线定义（主要为:RXD、TXD、SG）,58,2. RS-232C,(3). RS-232C的逻辑信号电平 采用负逻辑,59,2. RS-232C,通信接口电路,60,2. RS-232C,(4). RS-232C的连接,61,RS-232C的数据传输格式,RS-232C的数据传输属于异步传输 TXD： DTEDCE RXD： DCEDTE,62,3. RS-485,背景： EIA在1977年制定了新标准RS-449。 新标准除了与RS-232C兼容外，在提高传输速率、增加传输距离、改进电气性能方面作了很大努力。 RS-449标准有多个子

29、集 分别为RS-422A、RS-423A和RS-485。 其中RS-485在控制系统中得到了广泛的应用。 RS-485 一种多发送器的电路标准，是RS-422A改进。 性能指标： 最大传输距离可达1200m， 传输速率可达100kbps(1200m)10Mbps(12m)。,63,3. RS-485,1). 半双工通信 2). 全双工通信 3). 通信网络 半双工通信网 全双工通信网 (4). 传输线的选择和阻抗匹配,64,3. RS-485,1). 半双工通信,65,3. RS-485,2). 全双工通信,66,3. RS-485,3). 通信网络 半双工通信网,67,3. RS-485,3

30、). 通信网络 全双工通信网,68,3. RS-485,(4). 传输线的选择和阻抗匹配 选择双绞线以抑制共模干扰 由于双绞线在长度、方向上完全对称，因而它们所受的外界干扰程度完全相同，干扰信号以共模方式出现。 采用阻抗匹配的方法来消除反射 信号在传输线上传输，若遇到阻抗不匹配的情况会出现反射现象，从而影响信号的远距离传输。 因此必须在传输线终端加接匹配电阻来消除反射现象 。,69,4. I2C总线,背景 I2C总线（Inter Integrated Circuit Bus，也简称为IIC）是Philips公司首先推出的芯片间同步串行传输总线。 在I2C总线上可以挂接各种类型的外围器件，例如R

31、AM、EEPROM、I/O扩展、A/D、D/A、日历/时钟和许多彩电芯片等。 主要性能 传输速率可达100kbps（Standard-mode）、400kbps（Fast-mode）、3.4Mbps（High-speed mode）； 但I2C属于芯片级总线，不适宜远距离和系统级之间的连接。,70,4. I2C总线,主要优点 只用2根连线，大大简化了系统硬件设计。 便于扩展，容易实现按模块设计，易更换、升级和维修。 功耗低，电源电压范围宽，抗干扰性能较好。 I2C总线已整合在许多接口芯片和单片机内，无需设计额外的接口电路和译码电路。,71,4. I2C总线,(1). 结构 两根信号线： 一根是

32、双向的数据线SDA；另一根是时钟线SCL。 两类器件（或设备） 主器件 它发出启动信号启动数据的传输，发出停止信号结束传输，此外还发出时钟信号。 通常主器件是微处理器。 从器件 被主器件寻访的器件。,72,4. I2C总线,(1). 结构 器件地址 每个接到I2C总线上的器件都有一个唯一的地址，以便于主器件寻访。 发送器和接受器 凡是发送数据到总线的器件称为发送器，从总线上接收数据的器件被称为接受器。 主器件总能充当发送器，也能作为接受器。 从器件总能充当接受器，也能作为发送器。,73,4. I2C总线,(1). 结构 多器件共享总线 总线允许连接多个主器件和从器件。 也允许连接不同传输速率的

33、器件。 为了保证数据可靠地传输，任一时刻总线 只能有由某一台主器件控制； 为了妥善解决多台微处理器同时启动数据传输（总线控制权）的冲突， 可通过仲裁决定由哪一台微处理器控制总线。,74,4. I2C总线,(1). 结构 器件输出端必须是开漏输出或集电极开路输出,75,4. I2C总线,(2). 时序 “开始”条件(S)和“停止”条件(P),76,4. I2C总线,(2). 时序 I2C数据总线传输时序,77,4. I2C总线,(2). 时序 I2C总线上传输时的应答时序,78,4. I2C总线,(2). 时序 I2C总线的传输数据格式,79,4. I2C总线,(2). 时序 主器件对地址为11

34、00101的从器件写入2字节2AH和69H的时序,80,5. SPI总线,背景 SPI（Serial Peripheral Interface） Motorola公司早期推出的一种同步串行通信接口。 特点 SPI采用主从模式（Master Slave）架构， 通常SPI总线上有一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave） SPI硬件电路简单，但当有多个器件连接时，连线较多。 没有应答机制确认是否接收到数据。 历史较长，应用广泛；支持SPI总线的外围器件很多，如RAM、EEPROM、A/D和D/A转换器、实时时钟、LED/LCD驱动器以及无线电音响器件等。,81,5. SPI总线,

35、性能指标 SPI总线的传输速率取决于连接的芯片， 可以实现全双工传输； 传输速率比高，可达几百kbps至几Mbps。 但通常用于芯片间的数据传输， 不太适宜远距离和系统级之间的连接， 也不太适合用于多个主设备之间的通信。 虽然从名称上看， SPI总线是外设之间的接口。,82,5. SPI总线,(1). 结构信号线： MISO（Master In/Slave Out） MOSI（Master Out/Slave In） SCK（Serial Clock） SS（Slave Select） 低电平有效,83,SPI总线信号线,84,SPI信号线的其他命名,SPI也称3线串行同步传输。 许多情况下，

36、是一个主器件与一个从器件通信，主要利用MISO、MOSI、SCK三线进行同步数据传输。 信号线的其他命名： SCK CK MISO SDI, DI, SI Serial Data In MOSI SDO, DO, SO Serial Data Out SSCS, CE, STE Chip Select, Slave Transmit Enable,85,5. SPI总线,(2). 时序 SPI总线的时钟工作方式根据时钟极性(CKPOL)和时钟相位(CKPHA) 有四种方式。 使用较为广泛的是方式 SPI0(CKPOL=0， CKPHA =0) CK平时为低电平，CK前沿有效； SPI3(CKP

37、OL=1 ，CKPHA =1) CK平时为低电平，CK前沿有效； 主从设备要求采用相同的时钟工作方式。,86,SPI总线的四种时钟工作方式,87,5. SPI总线,(2). 时序 主器件向从器件先后写入08H、45H数据，而在后一字节读取从器件数据67H。,SPI0方式,88,5. SPI总线,(3)应用举例 X5045与单片机8051的连接,89,5. SPI总线,X5045的EEPROM读出时序,90,I2C与SPI比较,历史 Philips /Motorola；稍后/稍早 信号线 2线SDA、SCL /3线(MISO、MOSI、SCK)+SS 传输速度 100kbps、400kbps、3

38、.4Mbps/不定 传输距离 芯片级 适用 多主器件和多器件之间传输/单主器件和双器件之间传输,91,6. 其他串行接口1-wire,1-wire（也称单总线） Maxim 全资子公司Dallas的一项专有技术。 它只采用单根信号线，用它既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的；,92,6. 其他串行接口1-wire,1-wire（也称单总线） 在采用寄生供电模式（parasite power mode）时，该信号线还可提供电源。,93,6. 其他串行接口1-wire,1-wire（也称单总线） 独特的优点 节省连线资源 结构简单、成本低廉 便于扩展和维护方便等。 存在的不足 传输距离短 适

39、应面有限等不足。,94,6. 其他串行接口 USB,USB通用串行总线 是英文Universal Serial BUS的缩写 性能 USB 1.0/1.1的最大传输速率 为12Mbps。 USB 2.0的最大传输速率 可达480Mbps。 兼容USB 1.0/1.1 USB3.0 高达5Gbps,95,6. 其他串行接口 USB,USB性能（续） 供电能力 不需要外接电源， 总线还可向设备提供的电源（5V/500mA）； 如果外设的供电电流大于500mA时， 设备必须外接电源。 传输距离 连线长度一般不超过5米。 支持热插拔,96,6. 其他串行接口 USB,USB的特点 非对称式 它由一个主

40、机（host）控制器和若干通过hub设备以树形连接的设备组成。 一个控制器 最多可以有5级hub，包括Hub在内， 最多可以连接127个设备， 一台计算机 可以同时有多个控制器。 两个主机间不能直接连接。,97,6. 其他串行接口 USB,USB的连接器 USB的连接器分为A、B两种，分别用于主机和设备； 其各自的小型化的连接器是Mini-A和Mini-B,98,6. 其他串行接口 USB,在控制系统中 USB接口除了用于PC机连接通用外部的输入输出设备外， 还可用于PC机连接高速采样接口板和输出接口板， 可通过USB接口能转换为传统的RS-232C、RS-485和并行接口等。,99,6. 其

41、他串行接口IEEE 1394,IEEE 1394（也称火线FireWire） 也是一个高速串行接口， 它并不需要电脑来控制所有设备， 也不需要HUB， 用网桥可连接成多个IEEE1394网络。 IEEE 1394主要用于连接高速数码产品设备，没有USB应用广泛。,100,6. 其他串行接口,BASE-T以太网 目前广泛应用的计算机局域网 也是基于串行通信原理的； BASE-T以太网 传输速率可达 10Mbps、100Mbps、1000Mbps， 传输距离100m， 通过互连设备可使用传输距离更远， 因此，在控制系统中，远距离高速数据传输都是离不开计算机网络技术。 这方面的知识可参考数据通信和网

42、络技术。,101,4.2.4 现场总线,1. 现场总线定义 2. 现场总线的技术特征 3. 典型的几种现场总线,102,1. 现场总线定义,现场总线定义（国际电工委员会IEC1158） ： 安装在制造或过程区域的、现场装置与控制室内的、自动控制装置之间的 数字式、串行、多点通信的数据总线。 现场总线也可称为通用现场通信系统。,103,1. 现场总线定义,现场总线是 计算机技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的综合。 现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System） 以现场总线为基础的全数字控制系统，被称为新一代控制系统。,104,1. 现场总线定义,现场总线与其说是一

43、种技术，更不如说是一种思想， 因为，正如控制论创始人维纳（N.Wiener）所说 “控制工程的问题和通信工程的问题是不能分开的”， 一个计算机控制系统本质上也可看成是一个信息系统，而且是有一定空间范围的信息系统， 所以，数据通信在控制系统中的地位在不断提高。它们对计算机控制系统的影响也越来越大。,105,FCS的典型体系结构,106,2. 现场总线的技术特征,1. 数字计算和数字通信 提高了信号的测量、控制和传输精度 适用远程传输。 2. 互操作性和互换性 统一技术标准，采用开放式互连结构， 有条件实现设备的互操作性和互换性。 3. 传输介质的多样化 因地制宜，就地取材 ，节约成本 4. 适应

44、性和可靠性 对环境的适应性 对工作的可靠性,107,3. 典型的几种现场总线,108,3. 典型的几种现场总线（P168）,109,4.3 控制系统中的人机交互技术,4.3.1 人机交互及其要求 4.3.2 人机交互的设计技术,110,4.3.1 人机交互及其要求,1. 人机交互的概念 人机交互/人机接口/用户界面/ 图形化用户界面 HMI：Human Machine Interaction HCI：Human-Computer Interface UI：User Interface GUI：Graphical User Interface 含义 人机交互是人与机器之间传递、交换信息的媒介。

45、人机交互系统是用户使用计算机系统或其他系统的综合操作环境。,111,4.3.1 人机交互及其要求,人机系统:Human-Machine System 人机环境,112,5.3.1. 人机交互界面及其要求,人机交互涉及的内容 认知心理学 电子、计算机科学与技术 信息学 人机工程学 艺术设计 人工智能,113,4.3.1 人机交互及其要求,2. 控制系统中人机交互的基本要求 可理解性 确定性 直观形象，一目了然 关联性 分类排列，展示相互联系 层次性 先后关系、轻重缓急 一致性 文字、符号，颜色，图形，声音能够保持一致,114,4.3.1 人机交互及其要求,2. 控制系统中人机交互的基本要求 易操

46、作性 方便性 力矩、角度、位置、形状等方面能够适应操作人员的正常操纵，力求有较好的舒适性，减少疲劳。 有序性 通过连贯、互锁、互联等装置，实现正常的有序操作 健壮性 允许有一定程度的误操作 通过提示、撤消、暂停、中止以及失效处理来避免误操作引起的不良后果 安全性 防止非法窃取和破坏数据、进行非法操作； 通过登录、恢复、锁定和审核等措施保证操作的安全。,115,4.3.2 人机交互的设计技术,1. 人机交互的基本要素 交互设备 数字、文字输入输出设备 图形、图像输入输出设备 声音、姿势、触觉设备 三维交互设备. 交互软件 交互软件是交互系统的核心。 人机界面是交互软件的主要组成部分。 人的因素

47、人的因素指的是用户操作模型，与用户的各种特征有关。 “任务”将用户和计算机系统的行为有机地结合起来。,116,人机比较和分工,117,人机比较和分工,用户的类型有： 开发者、管理者、操纵者。 人适应的工作有： 设计、规划、选择、判断、应变、 决策、探索、创造、娱乐、休闲。 机适应的工作有： 重复、单调、枯燥、笨重、危险、 高速、慢速、精确、运算、可靠。,118,4.3.2 人机交互的设计技术,2. 人机交互的操作模型 指令型（Instructing）操作模型 通常输入字符型指令或拨动开关按钮进行输入信息，系统的输出以显示字符、指示灯和声音为主。 对话型（Conversing）操作模型 需要有双

48、向互动、支持对话机制的输入输出设备，输入设备也可以是比较简单的选择按钮，但输出能提供选择菜单的显示设备。,119,4.3.2 人机交互的设计技术,2. 人机交互的操作模型（续） 操作导航型（Manipulating & Navigating）操作模型 可通过图形用户界面（GUI），如由“视窗”（Window）、“图标”（Icon）、“选单”（Menu）以及“指标”（Pointer）所组成的WIMP界面，引导操作者完成规定的任务。 搜寻浏览型（Exploring & Browsing）操作模型 也需要图形用户界面的支持，完成的任务是搜寻信息，寻求帮助，如Google的搜寻引擎、一些控制系统的联机

49、帮助手册是这种操作模型的实例。,120,4.4 工业控制计算机软件系统简介,4.4.1 系统软件 4.4.2 应用软件,121,4.4.1 系统软件,系统软件 操作系统 常见的操作系统有DOS、Windows 2000/XP、Windows CE、Linux和C/OS-II等， 在控制系统中，通常对实时性、可靠性、安全性和可伸缩性有特殊要求， 一般家庭用户版操作系统不太适合用于控制系统中。 数据库管理系统DBMS 常见的有Oracle、Microsoft SQL Server等。 软件开发环境和工具 控制系统中常见的程序设计语言为 C/C+、Java语言。,122,4.4.2 应用软件,应用软件 诸如参数输入程序和采样程序、数据处理和滤波程序、控制程序、过程输出程序和驱动程序、人机接口程序。 有一定规模的控制系统，越来越都地采用通用的组态软件来完成特定的控制任务。 组态(Configuration)软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，也有称为人机界面/监视控制和数据采集软件，记为HMI/SCADA(Human and Machine Interface/Supervisory 有关组态软件的使用将在后面章节详细介绍。,