1、1,计算机联锁系统技术,第二章 现代工业控制计算机技术,2,本章主要内容,计算机技术的现状简述 工业控制计算机技术的特点 计算机的主要总线标准 过程控制的标准接口,3,2.1现代计算机技术,核心处理器CPU 存储器RAM 驱动器硬盘驱动器和光盘驱动器 显示卡与显示器监控作用 声卡提示作用,4,2.1.1核心处理器CPU,浮点数运算 协处理器FPU内置浮点运算（Pentium系列） 超标量结构 解码/执行管线至少要有两条提高效率的设计 内置高速缓冲存储器Cache Ram 解决存储器与高速运行的处理器的搭配问题 Pentium系列加入多媒体扩展MMX 相当于数字信号处理器,5,2.1.2存储器R
2、AM,Flash Memory 32位传输、72Pin设计的FPM DRAM EDO DRAM 64位传输、168Pin设计的SDRAM 当前的DDRD与DDR2,6,Flash Memory,定义一种固态 ，不易挥发，可复写的内存，其运作方式就像随机存取内存与硬碟的混合体。具有持久，能够在低电压状态下运作，以及能够在 电源关闭后保存资料。 特点： 断电情况下仍能保持所存储的数据信息。 数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位。（区块大小一般 由256K到20MB） FLASH这个词最初由东芝因为该芯片的瞬间清除能力而提出，源于EPROM。正在成为EPROM的替代品。被广泛用于PC
3、MCIA卡，PCMCIA闪存盘，其它形式硬盘，嵌入式控制器。,7,DDR,DDR DDR (Double Data Rate)是一种继SDRAM后产生的内存技术，顾名思义，就是双数据传输模式。之所以称其为“双”，也就意味着有“单”，我们日常所使用的SDRAM都是“单数据传输模式”，这种内存的特性是在一个内存时钟周期中，在一个方波上升沿时进行一次操作(读或写)，而DDR则引用了一种新的设计，其在一个内存时钟周期中，在方波上升沿时进行一次操作，在方波的下降沿时也做一次操作，之所以在一个时钟周期中，DDR则可以完成SDRAM两个周期才能完成的任务，所以理论上同速率的DDR内存与SDR内存相比，性能要
4、超出一倍，可以简单理解为100MHZ DDR=200MHZ SDR。,8,DDR,DDR 与DDR相比，DDR2最主要的改进是在内存模块速度相同的情况下，可以提供相当于DDR内存两倍的带宽。这主要是通过在每个设备上高效率使用两个 DRAM核心来实现的。作为对比，在每个设备上DDR内存只能够使用一个DRAM核心。技术上讲，DDR2内存上仍然只有一个DRAM核心，但是它可以并行存取，在每次存取中处理4个数据而不是两个数据。,9,2.1.3硬盘驱动器与光盘驱动器,硬盘接口规格 IDE集成解码电路接口 SCSI小型计算机系统接口（容量大、速度快） 硬盘的工作模式 Normal正常模式 Large扩充的
5、C/H/S方式 LBA逻辑块寻址模式 光盘驱动器 类似于硬盘驱动器,10,SCSI与SATA,性能 SCSI硬盘目前的最高转速可达15000rpm，SATA硬盘则是10000rpm，更高的转速可以获得更高的寻址速度，这永远是高转速硬盘的优势。SCSI的接口速度其最高的水平是320MB/s，SATA是150MB/s 容量与成本 SATA硬盘容量要大于SCSI硬盘，而且SATA硬盘的价格更加便宜 ，同时SATA硬盘还具备热插拔能力,11,2.1.4显示卡与显示器监控作用,显示卡 AGP（Accelerated Graphics Port） PCI-PCI E 显示器 分辨率与点距 模拟调整与数字调
6、整 环保功能 防电辐射,12,PCI-E接口,PCI Express 采用了目前业内流行的点对点串行连接，每个设备都有自己的专用连接，可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。 PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16,PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。 PCI Express规格从1条通道连接到32条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。,13,2.1.5声卡提示
7、作用,发声原理 实现数字/模拟转换 工业计算机控制中，声音主要是提示作用,14,2.2工业控制计算机技术的特点,实时性强 具有充分的过程输入与输出能力 标准化与系列化 高可靠性 系统结构模块化 系统开发环境 通信与联网能力 质量与服务保障体系,15,2.2.1实时性强,实时性 系统应具备的能在限定时间内对外来事件作出反应的特性 要求系统在周期内对所有事件巡检的同时，仍能随时响应中断请求。,25m,20m,t1（2520）/（1601000）36001.08s t2 （2520）/（2501000）36000.648s,16,2.2.2具有充分的过程输入与输出能力,工业计算机能否投入运行的重要条
8、件：是否具有丰富的输入设备与输出设备以及完善的外部设备。 例如：一个中等规模的计算机联锁系统，包括30组道岔、40架信号机、40个轨道电路区段，则其主要状态变量和控制变量的数量如下表：,表中仅统计了开关型变量，不包括模拟型变量，也没有冗余技术。,17,2.2.3标准化与系列化,尽量采用国家推荐的标准总线及优选工业控制机机型，这样可以增加成功的概率，同时能够共享采用规模化生产所带来的低价格、高性能，避免在低层次上的重复性开发，缩短系统设计、制造、调试、开通的周期。 在软件系统的标准化方面主要是MS-DOS与Windows操作系统，软件的应用大都基于此。,18,2.2.4高可靠性,系统需具备很高的
9、MTBF MTBF平均无故障时间或者平均故障间隔时间 通常MTBF104h(1.16年) 增加冗余需要更多的经济与技术投入 强抗干扰能力 系统总线的强驱动能力 定时自启动能力 硬件自检能力,19,2.2.5系统结构模块化,模块化的优点 简化设计工作、缩短设计周期 成批生产，质量稳定，成本较低 结构灵活，适应性强，便于更新与扩充 维修方便 模块化可大大减少二次开发的工作量，可更集中的进行整体设计。,20,2.2.6系统开发环境,自主式开发方式 使系统构成具有自主开发能力的系统 主从式开发方式 使个人计算机与工业控制计算机系统联接起来，充分利用个人计算机的物质资源和人力资源。,21,2.2.7通信
10、与联网能力,支持标注化通信网络与局部区域通信网，甚至无线网络等。 通信方式：串行通信和并行通信 并行通信数据各位同时传送，传送速度块，但距离短（通常1km) 单工方式：一端发送，一端接收，数据只能沿一个固定方向传送 半双工方式：两端都能发送、接收数据，但在同一时刻数据只能向一个方向传送 全双工方式：传输线为两根，一根负责一个方向的传送，同一时刻即可发送也可接收,22,2.2.7通信与联网能力,信号传输方式 基带传输：数字通信信号的信道上直接传输数据的基带信号，不包含任何调制，数据传输速率为010Mbit/s，且只能为半双工或单工方式。 载波传输：采用数字信号对载波进行调制后传输，基本调制方式有
11、幅度调制（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。 宽带网：计算机网络传输，可划分为多条基带信道，数据传输速率范围为0400Mbit/s 异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）:传输与交换数字信息技术，支持多媒体信息，具有低延迟特性，速率达155Mbit/s2.4Gbit/s。,23,2.2.8质量与服务保障体系,质量保障体系 选用先进成熟的总线标准与优选机型 元器件选用工业级产品 系统运行前要仔细调试检查 现场施工要按照标准 服务保障体系 有完整的备件、工具和文件资料 维护用备件的供应有保障 对系统技术要讲解，对人员要培训,24,2.3主要的计算
12、机总线标准,总线 一组公用信号线的集合，通过其将计算机或其监控设备连接成一个整体，彼此间进行信息交换。 总线规约 为有效地、可靠地利用总线进行信息交换，必须对总线作一系列的规定。 总线标准 得到某一标准化组织的批准或推荐后的总线规约。,25,2.3主要的计算机总线标准,总线的优越性 便于采用模块化结构设计，使设计简化 得到广泛的技术支持 便于组织大规模生产，降低成本 便于产品的更新，可维护性好 总线的标准化 IEEE总线标准 GBIP 、STD、 PC bus、 VME 与计算机联锁系统相关的总线 IBM PC/XT（AT）bus、VESA bus、PCI bus,26,IEEE总线标准,27
13、,与计算机联锁系统相关的总线标准,28,2.3.1总线的分类,系统总线 内总线，系统总线是各种模板插件之间信息传送的通路 STD、ISA/PCI、VME 通信总线 外总线，用于系统之间或系统与设备之间的通信 并行通信总线速度高，但距离短 串行通信总线速度低，但成本低，用于长距离 现场总线 开放式实时系统，一种串行数字通信链路，处于现场与自动控制装置之间 控制器局部网CAN,29,STD总线标准,STD总线 面向工业控制的8位微型计算机总线，后扩展为16/32位，如STD32 STD的逻辑规范，见后图 STD的技术特点 高度模块化； 严格的标准化，良好的兼容性； 面向I/O的设计，适用与测控系统
14、； 高可靠性,30,STD的逻辑规范,31,STD的逻辑规范,32,可构成的硬件结构,33,可构成的硬件结构,34,CMOS STD特点,抗干扰能力强 高低电平的门限大，噪声容量高 适应电源电压波动的能力强 工作温度范围宽 4085，降低调温设备的要求 功耗低 仅为TTL器件的1/31/10 缺点 品种不全 易受静电感应或脉冲冲击的破坏,35,ISA/PCI总线标准,ISA总线标准 ISA是IBM的工业标准体系结构 ISA的信号定义，见后图 PCI总线标准 通常是ISA总线的基础上增设4个左右的PCI总线插槽 PCI的信号定义，见后图 PCI的技术特点 针对PC，在其基础上进行改进，形成工业生
15、产现场测控系统专用的PC,36,ISA的信号定义,37,PCI的信号定义,38,VME总线标准,VME总线的主要性能与特点 寻址空间大（16位/32位），数据传输块 中断结构能保证多个处理器的相互通信 总线规约严格，内容全，便于组成开放式系统 VME总线的组成 功能模块与框图，见后图 总线底板接口逻辑、四组总线信号线、一组功能模板 VME总线连接器 DIN416型连接器,39,功能模块与框图,40,嵌入式PC及其栈接式总线标准,嵌入式PC机 将PC机的CPU和标准的PC机芯片组装在小型印刷电路板上，制造成嵌入式PC机的模块。 嵌入式PC机的优点 硬件成本低，经济效果好，可共享PC机规模经济市场
16、的大量芯片与器件 可利用现成的套装软件，方便调用各种库函数 可获得廉价的开发平台，需要熟悉嵌入式PC机的各项技术,41,PC机技术转换到工业测控计算机系统技术的途径,IPC途径 嵌入式PC机的途径 总线映射的途径,PC,总线映射,嵌入式PC,IPC,工业测控 计算机系统,42,PC/104的双栈接式总线标准,PC/104小型化的嵌入式PC机 DST双栈接方式 PC/104与ISA总线规范完全兼容，只增加了6条电源线 PC总线包括PC/XT和PC/AT,43,XT总线 AT总线,44,MULTBUS总线,1977年Inter公司作为工业标准，为单板机和扩展板之间进行通信而设计的一种通用总线，是一
17、种异步的多重处理系统总线。 特点：广泛的适应性；系统的灵活性；可靠性搞、抗干扰能力强；容易升级,45,MULTBUS总线P1连接器的引脚及编号,46,2.4用于过程控制的标准接口,开关量输入/输出信号DI/DO信号共同特征以二进制的逻辑“0”“1”出现 DI/DO信号的标准接口 总线接口逻辑板选与口选地址可以调整 输入缓冲器对外部输入的信号起缓冲、加强和选通的作用 输出锁存器锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用 I/O电气接口（DI/DO的区别）进行滤波、电平转换、隔离、功率驱动 电气隔离光电耦合器,47,DI/DO信号的标准接口电路,48,2.4.1开关量输入通道,作用： 将二进制信息变
18、换成寄存器能够接收的TTL两种电平 抗干扰，以保证输入信号的正确性。 组成框图如下 特点是每个二进制位都可以代表开关量，每个开关量信号代表一个二值器件的状态，如继电器的吸起或落下状态，按钮被按下或在定位状态等等。,49,形成电路的主要功能,变换。对于有触点的开关，要把接点的“通”与“断”状态变换成计算机能识别的“0”或“1”。 隔离。防止现场强电磁干扰或工频电压通过输入通道反串到计算机系统，一般用光电隔离 去抖。有触点的开关元件，在接点刚刚接通或断开时，有机械抖动，对继电器来说不会有影响，但对计算机是敏感的。一般可以采用硬件或软件延时去抖。,50,实现方案,51,大功率器件的接点输入信号形成电
19、路,滤波电路在低压处时不需要大功率电阻和高压电容,52,开关量输入通道接口形式,直接输入式接口 用于开关量数量较少时，输出可直接送至具有I/O端口地址的输入寄存器，通过数据总线传送给CPU。 多组输入式接口 用于开关量数量很大时，采用分组输入方式共用一个接口，以节省接口电路。 矩阵式输入接口 多用作控制台按钮（接点）状态输入,53,直接输入式接口,54,多组输入式接口,55,矩阵式输入接口,56,2.4.2开关量输出通道,作用用来控制执行继电器、表示灯或音响报警装置。 组成框图,57,开关量输出通道,数字输出寄存器的每一位输出可控制一个开关量，即控制一个继电器的失磁或励磁，一个表示灯的点亮或熄
20、灭等等。 开关量输出通道的主要功能：一是提高驱动能力，将TTL电平信号转换成能驱动继电器等执行器件的动作；二是实现了计算机与外部设备之间的隔离，防止干扰信号。,58,不同器件的输出接口,继电器的输出接口 CPU指令为“1”，高电平加到光电耦合使其导通，继电器励磁，输出为“0”时相反；可用于高电压，也可低电压，但开关瞬间，触点容易产生火花引起干扰，为防止驱动线圈电感产生的较大电压，一般要反接一个保护二极管，用于反向放电。,59,不同器件的输出接口,表示灯的输出接口 发光二极管（LED）的点灯一般不必加驱动器，由输出TTL电平直接驱动，如下图： 音响报警输出接口,60,2.4.3故障安全输入/输出
21、接口,故障安全输入接口 须做到以下两点：一是采用光电隔离；二是采用静态输入或动态输入方式，以便有效的实现故障安全原则。 故障安全输出接口 计算机联锁系统的控制命令执行最终是用继电器来实现，它由二值逻辑电平控制，而微机输出的控制信息是代码形式，电平低，不足以驱动继电器工作，因此，输出接口的任务是将控制信息从代码形式转换成电平形式，并放大到足以驱动继电器工作,61,故障安全输入接口,静态故障安全输入接口 采用冗余编码来保证一个合法码错成危险侧码的概率极小，而错成非法码的可能性很大 GJ励磁吸起，四个光电耦合导通，为高电平，危险侧状态变化为111，并行输入，当失磁时，变为000，微机中时“与”运算，
22、若结果为0，则说明有故障或占用，其中采用了冗余码，是故障安全的。,62,故障安全输入接口,动态故障安全输入接口 实际上是一个闭环形式的动态脉冲电路，其故障安全是通过微机校验输入代码是否畸变来判断输入电路是否失效实现的。,去抖,1.将微机与其他电源隔离 2.提高抗干扰能力,63,故障安全输出接口,代码动/静态变换电路 联锁输出控制信息必须要有 软件变换计算机不断输出脉冲序列，故障是变为稳定输出，来达到安全导向，特点是节省硬件，但占用计算机处理时间。 硬件变换采用移位寄存器返送危险侧控制代码，启动时钟，输出脉冲，故障时，无脉冲输出。,64,故障安全输出接口,动/静态电平变换电路 只有当输入为规定脉
23、冲序列时，输出才为高电平，其他情况为低电平，也称为动态鉴别电路，一般由光电耦合电路、驱动放大电路及继电器电路组成。 三种典型变换电路,65,动态驱动电路二,动/静态电平变换电路 只有当输入为规定脉冲序列时，输出才为高电平，其他情况为低电平，也称为动态鉴别电路，一般由光电耦合电路、驱动放大电路及继电器电路组成。,当微机无控制命令时，A端为低电平，G1截止，等效电路,当有控制命令时，A端为脉冲序列，等效电路,防止C1和D3都击穿时造成继电器错误吸起，必须采用偏极继电器以鉴别电流方向,66,等效电路2,当有控制命令时，A端为脉冲序列（如：10101010）。 当A端处于高电平时，G1导通，电容器C1
24、通过G1的集发极、R3和D3向电容器C2充电。 当A端由高电平变为低电平时，G1又重新截止，电容器C1恢复充电。 这样，在规定的脉冲序列作用下，随着A端电平的高低变化，G1就不断地导通和截止，C1和C2也就不断进行充电和放电。当C2两端电压达到继电器J的吸起值时，继电器励磁并保持吸起，直到A端无控制命令（脉冲序列）输入，G1截止，C2得不到能量补充，待其端电压降到继电器落下值时，才失磁落下。 该电路能保证不致因一两个脉冲的干扰而使继电器误动。,R3,C1,D3,C2,J,_,KF,67,等效电路1,当微机无控制命令时，A端为低电平，G1截止，电源KZ经由R2、D1和D2向电容器C1充电，当充电
25、电压接近电源电压时，充电过程结束，此刻电路处于稳态。 同时由于R3、C2没有电流通过，电容器C2两端没有电压，此时偏极继电器J处于释放状态。,R2,KZ,C1,D2,D1,KF,68,动态驱动电路三,分析电路原理与故障安全特性,R1,R2,R3,R4,KZ,KF,G1,T1,T2,C1,D2,D1,C2,J,A,69,2.4.4模拟量输入接口电路,通用型多路A/D转换模板 多路开关MUX 采样保持器S/H A/D转换器ADC 总线接口逻辑,总 线 接 口 逻 辑,ADC,S/H,MUX,CHN,S32,S1,S2,H,70,12位32路高速A/D转换模板,构成 多路模拟电子开关 采样保持器 仪
26、表放大器 12位逐次逼近式A/D转换器 通道译码电路 总线接口逻辑，见后图,71,总线接口逻辑,72,采集一个数据的时序,CHN,SMP,CONV,STS,RD,数据有效,73,多通道连续采样的程序,模拟量输入接口电路的结构与模拟量的读入过程,入口,置数据缓冲器首址,通道计算器清零,送通道号启动A/D,读工作状态,转换结束？,取结果送内存，CHN=CHN+1,CHN=16?,返回,Y,N,Y,N,74,小结,计算机联锁系统是微型计算机实时控制系统的一个分支，其硬件与一般的微型机控制系统具有共性。 为保障联锁控制用计算机的可靠性与可用性，联锁控制计算机通常选用工业级控制计算机，其依赖与某些标准总
27、线，按工业化标准设计。 通道与接口是联锁微机与外部设备进行信息交换和传送的中转站。 开关量输入通道由信号形成电路、信号寄存器和通用接口电路几部分组成，其作用：一是实现信号电平变换；二是抗干扰。 开关量输出通道的作用：一是对输出信号进行驱动放大；二是实现计算机与外部设备之间的隔离。 故障安全输入/输出接口用于实现数据采集和控制过程的故障安全，实现方式：静态输入通过编码方式实现信息采集过程的故障安全；动态输入采用闭环形式的动态脉冲方式实现信息的安全采集。 安全输出接口电路由代码动/静态和动/静态电平两级变换电路组成的。代码动/静态变换电路采用硬件或软件的方法实现；动/静态电平变换电路由控制命令输出光电隔离电路、驱动放大电路及偏极继电器电路三部分组成。,75,复习思考,工业控制计算机的特点是什么？ 计算机联锁系统的总线标准有哪些？各自的特点是什么？ 开关量输入/输出通道由哪几部分构成，及其信号形成电路的作用是什么？ 故障安全输入/输出接口的构成原理，基本电路图及其实现方式是什么？ 如何保证计算机联锁系统信息传输的可靠性与安全性？,
