第2章-工業(yè)控制計算機課件

工控機的主要特點及結(jié)構(gòu)PC總線標準規(guī)范

PC總線工控機主要類型、主板及擴展板卡第2章工業(yè)控制計算機教學重點

:工業(yè)控制計算機概述工業(yè)個人計算機IndustrialPersonalComputer（簡稱IPC）是一種加固的增強型個人計算機，是指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設(shè)備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。早在20世紀80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業(yè)個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，應用日趨廣泛。

用于工業(yè)控制的計算機稱為工業(yè)計算機（IndustrialPersonalComputer），簡稱工控機（IPC），主要用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。工控機的分類方式很多，按照所采用的總線標準可將工控機分為以下四類：（1）PC總線工控機有ISA總線、VESA局部總線（VL－BUS）、PCI總線、PC104總線等幾種類型工控機，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等。本章將詳細介紹此類工控機。（2）STD總線工控機它采用STD總線，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等，另外與STD總線相類似的還有STE總線工控機。（3）VME總線工控機它采用VME總線，主機CPU類型以Motorola公司的M68000、M68020和M68030為主。（4）多總線工控機它采用MULTIBUS總線，以Intel工控機為代表，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等。工控機示意圖西門子工控機研華工控機2.1工控機的主要特點及結(jié)構(gòu)

（1）可靠性高可內(nèi)裝電子盤以取代機械磁盤，使PC機在工業(yè)環(huán)境下的操作具有高速﹑高可靠性。（2）實時性好（3）環(huán)境適應性強機箱采用全鋼機構(gòu)，可防止電磁干擾；采用150W-350W帶除塵過濾器的工業(yè)開關(guān)電源，具有足夠地負載驅(qū)動能力。機箱內(nèi)裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。軟盤、硬盤驅(qū)動器安裝采用橡皮緩沖防震，并有防塵門。（4）過程輸入和輸出配套較好2.1.1工控機的特點（5）系統(tǒng)擴充性好支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板。模塊化﹑插板式，以便安裝﹑更換和升級換代。（6）系統(tǒng)開放性

開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應用軟件。（7）控制軟件包功能強（8）系統(tǒng)通信功能強（9）后備措施齊全（10）具有冗余性典型的工業(yè)控制計算機實物圖，結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2工控機的結(jié)構(gòu)工控機主要由以下幾個部分構(gòu)成：（1）加固型工業(yè)機箱（2）工業(yè)電源（3）主板（4）無源底板（5）軟盤（6）硬盤（7）各類輸入和輸出接口模（8）彩色顯示器（9）鍵盤（10）鼠標（11）打印機常用的工業(yè)控制機簡介當前國內(nèi)外工控機型號很多，下面簡要介紹主要常用的工控機：工控機的生產(chǎn)廠家很多，國外有美國IBM、ICS、德國西門子、日本康泰克等，這些產(chǎn)品可靠性好、市場定位高。我國臺灣地區(qū)是工控機的主要生產(chǎn)區(qū)，其品牌主要有研華、威達、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中，研華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺灣市場均有較高的市場占有率。國內(nèi)也有很多工控機品牌，如研祥、華控、康拓、艾雷斯、北京華北等。2.2PC總線標準規(guī)范目前市場上PC總線類型有：XT總線、ISA總線、EISA總線、VESA總線（VL－BUS）以及PCI總線。

ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線就是AT總線，它是在XT總線基礎(chǔ)上擴充設(shè)計的16位總線，其尋址空間最大16MB，操作速度8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率16Mbps。EISA（ExtendIndustrialStandardArchitecture）總線是一個32位總線，它支持總線主控，其數(shù)據(jù)傳輸率可達32Mbps。VL－BUS也稱VESA總線，它是局部總線（LocalBUS）標準，是ISA總線的簡單擴展，可以與ISA或EISA總線同時使用。

PCI總線（PeripheralComponentInterconnect）是1993年Intel公司主導推出的。它支持并發(fā)CPU和總線主控部件操作，支持64位奔騰（Pentium）處理器。這是目前普遍應用的總線，在工控機上已有CompactPCI產(chǎn)品。2.2.1概述

在工控機的市場上，還是以ISA（AT）總線和PCI總線為主，下圖這是一塊13槽PICMGPCI/ISA底板，產(chǎn)品型號：IM247。PCI插槽ISA插槽2.2.2ISA總線標準1.概述ISA總線是在XT總線基礎(chǔ)上擴充的，即它把XT總線的62線信號擴充為98線。ISA所擴充的36線信號主要用于尋址范圍、數(shù)據(jù)位數(shù)、中斷資源以及DMA傳輸資源的擴充。2.主要性能指標ISA總線的主要性能指標如下：①I/O地址空間0100H－03FFH②24位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB③8/16位數(shù)據(jù)線④62+36引腳⑤最大位寬16位(bit)⑥最高時鐘頻率8MHz⑦最大穩(wěn)態(tài)傳輸率16MB/s⑧中斷功能⑨DMA通道功能⑩開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源3.ISA總線信號定義

ISA總線的引腳定義如圖2-4所示。

ISA總線各引腳的功能見表2-1、表2-24.ISA總線的電氣規(guī)范

（1）總線驅(qū)動能力（2）容性總線負載（3）系統(tǒng)電源5.ISA總線的機械規(guī)范2.2.3PCI總線標準1.概述

PCI總線（PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup）簡稱PCISIG，是先進的高性能局部總線，可同時支持多組外圍設(shè)備。PCI總線不受制于處理器，為中央處理器及高速外圍設(shè)備提供一座橋梁，提高數(shù)據(jù)吞吐量。PCI局部總線的擴展槽口短，最大可支持l0多個外設(shè)，易于插拔，現(xiàn)有的PCI2.0標準雖然是32位的，但它可以向64位擴展.PCI在CPU和外設(shè)間插入了一個復雜的管理層，用以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，提供一個一致的總線接口，這個管理層提供信號的緩沖，透過緩沖線路將驅(qū)動力放大，因此PCI能支持l0多個外設(shè)。

PCI還支持總線主控技術(shù)（BusMaster），允許智能設(shè)備在適當?shù)臅r候取得總線控制權(quán)以加速數(shù)據(jù)傳送，即數(shù)據(jù)會以猝發(fā)形式輸送到各外圍卡。

PCI具有自適配特點，使外設(shè)適配器在和系統(tǒng)連接時，能自動配置并決定中斷設(shè)置和軟件默認的中斷，而不需要用戶去調(diào)跳線來設(shè)置IRQ，PCI總線在技術(shù)上完全克服了VL－BUS（VESALocalBus）的各種缺點，使PCI能與ISA，EISA，MCA等總線連接，還可支持奔騰64位系統(tǒng)。2.PCI局部總線的主要特點（1）高性能

PCI總線以33MHz的時鐘頻率操作。采用32位數(shù)據(jù)總線，可支持多組外圍部件及附加卡，數(shù)據(jù)傳輸速率高達132Mbps。（2）線性突發(fā)傳輸

PCI能支持一種稱為線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，可確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)。

（3）極小的存取延遲支持PCI的設(shè)備，存取延遲很小，能夠大幅度減少外圍設(shè)備取得總線控制權(quán)所需的時間。

（4）采用總線主控和同步操作

PCI的總線主控和同步操作功能有利于PCI性能的改善

（5）不受處理器限制

PCI獨立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨特的中間緩沖器設(shè)計方式，將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。

（6）適合于各種機型

PCI總線適合于桌面（臺式）計算機、便攜式計算機、服務(wù)器。它可為便攜式計算機及筆記本計算機提供臺式計算機的圖形性能，又可支持3.3V的電源環(huán)境，延長電池壽命，為計算機的小型化創(chuàng)造了良好的實現(xiàn)條件。

（7）兼容性強

由于PCI的設(shè)計要輔助現(xiàn)有的擴展總線標準，因此它與ISA，EISA以及MCA總線完全兼容。

（8）低成本和高效益

PCI芯片將大量系統(tǒng)功能高度集成，節(jié)省了邏輯電路，使用較小的線路板空間，成本降低。

（9）預留發(fā)展空間

PCI總線既兼顧了當今技術(shù)要求，又能滿足未來的需要，預留了充足的發(fā)展空間。

3.PCI總線信號定義

PCI總線的引腳定義如圖2-6所示。由于不同的微機生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中可能對總線信號略有改動（主要是使用未定義引腳），因此表2-3所示信號可能與其他資料中提供的信號略有差異，請讀者使用時予以注意。

PCI總線各引腳的功能如表2-4所示

PCI總線的信號線共有100根,這里按功能分組進行說明:（1）系統(tǒng)信號定義CLK（IN）：系統(tǒng)時鐘信號，對所有的PCI設(shè)備都是輸人信號。RST#（IN）：復位信號。

（2）地址和數(shù)據(jù)信號AD[31]～AD[00]（T／S）：它們是地址、數(shù)據(jù)多路復用的輸入/輸出信號。C/BE[3]＃～C/BE[0]＃（T／S）：它們是總線命令和字節(jié)使能多路復用信號線。

（3）接口控制信號FRAME#（S／T／S）：幀周期信號。由當前主設(shè)備驅(qū)動，表示一次訪問的開始和持續(xù)時間。IRDY＃（S／T／S）：主設(shè)備準備好信號。該信號有效表示發(fā)起本次傳輸?shù)脑O(shè)備能夠完成—個數(shù)據(jù)期。

TRDY＃（S／T／S）：從設(shè)備準備好信號。該信號有效表示從設(shè)備已做好完成當前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蕚涔ぷ鳎纯梢赃M行相應的數(shù)據(jù)傳輸。STOP#（S／T／S）：停止數(shù)據(jù)傳送信號。該信號應由從設(shè)備發(fā)出，它有效時表示從設(shè)備要求主設(shè)備終止當前的數(shù)據(jù)傳送。LOCK＃（S／T／S）：鎖定信號。它有效時表示驅(qū)動它的設(shè)備所進行的操作可能需要多個傳輸才能完成。IDSEL（IN）：初始化設(shè)備選擇信號。在參數(shù)配置讀寫傳輸期間，用做片選信號。DEVSEL＃（S／T／S）：設(shè)備選擇信號。它有效時表示驅(qū)動它的設(shè)備已成為當前訪問的從設(shè)備，即總線上某處的某設(shè)備已被選中。（4）仲裁信號REQ＃（T／S）：總線占用請求信號。它有效表明驅(qū)動它的設(shè)備要求使用總線。它是一個點到點的信號線，任何主設(shè)備都有其REQ#信號。GNT＃（T／S）：總線占用允許信號。用于向申請占用總線的設(shè)備表示其請求已獲得批準。它是—個點到點的信號線，任何主設(shè)備都應有自己的GNT＃信號。（5）錯誤報告信號PERR＃（S／T／S）：數(shù)據(jù)奇偶校驗錯誤報告信號。但該信號不報告特殊周期中的數(shù)據(jù)奇偶錯。SERR＃（O／D）：系統(tǒng)錯誤報告信號，報告地址奇偶錯，特殊命令序列中的數(shù)據(jù)奇偶錯，以及其他可能引起災難性后果的系統(tǒng)錯誤。

（6）中斷信號中斷信號屬電平敏感性，低電平有效，使用漏板開路方式驅(qū)動，且該類信號的建立和撤消與時鐘不同步。PCI總線中共有4條中斷線：INTA#、INTB#、INTC#、INTD#，均為O／D（漏級開路）。其作用是：用以請求一個中斷。后3個只能用于多功能設(shè)備。一個多功能設(shè)備上的任何功能都可以連接到4條中斷線的任意一條，即各功能與中斷線之間的連接是任意的，無附加限制。若一個設(shè)備要實現(xiàn)一個中斷，就定義為INTA#；要實現(xiàn)二個中斷，就定義為INTA#和INTB＃，依此類推。

（7）高速緩存支持信號可緩存的PCI存儲器應能實現(xiàn)兩條高速緩存（Cache）支持信號的輸入。SBO＃（I/O）：試探返回信號。它有效時表示命中了一個修改過的行；它無效而SDONE信號有效時，表示一個“干凈”的試探結(jié)果。SDONE（I/O）：監(jiān)聽完成信號。它表示當前的監(jiān)聽狀態(tài)。它無效時，表示監(jiān)聽仍在進行；否則，表示監(jiān)聽已經(jīng)完成。（8）64位總線擴展信號AD[63]～AD[32]（T／S）：擴展的32位地址和數(shù)據(jù)多路復用線。C/BE[7]?！獵/BE[4]＃（T／S）：總線命令和字節(jié)使能多路復用信號線。REQ64＃（S／T／S）：64位傳輸請求。它由當前主設(shè)備驅(qū)動，并表示本設(shè)備要求采用64位通路傳輸數(shù)據(jù)，它與FRAME#有相同的時序。

ACK64＃（S／T／S）：64位傳輸認可。PAR64（T／S）：奇偶雙字節(jié)校驗。它是AD[63]～AD[32]和C/BE[7]～C/BE[4]的校驗位。

4.PCI總線的電氣規(guī)范

PCI總線規(guī)范中提供了5V和3.3V兩種信號環(huán)境,信號環(huán)境不能混合使用.PCI總線是一個CMOS總線，也就是說其靜態(tài)電流非常小。

PCI總線的信號驅(qū)動采用反射波方式而不是入射波方式。

PCI總線驅(qū)動器在瞬變開關(guān)上花費了較多的時間，并且直流電流很小，從而使按直流驅(qū)動源的能力定義緩沖區(qū)的傳統(tǒng)方法不能使用。

5.PCI總線的機械規(guī)范

PCI總線的底板連接器及機械規(guī)范如圖2-9所示，PCI總線板卡連接器及其機械規(guī)范如圖2-10所示。2.3PC總線工控機主要類型、主板及擴展2.3.1PC總線工業(yè)控制機主要類型相應于不同的應用場合，PC總線工控機具有多種類型的結(jié)構(gòu)，主要有下列幾種類型：（1）BOX-PC（盒式工業(yè)PC機）（2）PANEL-PC（盤式工業(yè)PC）（3）ISA總線工業(yè)PC（4）VESA總線工業(yè)PC（5）PCI總線工業(yè)PC（6）新型工業(yè)PC（7）工業(yè)工作站（IndustrialWorkstation）（8）PC-104總線工控機2.3.2PC總線工業(yè)控制機主板工業(yè)PC的核心部件是ALL-IN-ONE一體化主板，CPU具有80486、Pentium（包括：PentiumⅢ、PentiumⅣ）等機型。一體化主板就是將CPU、協(xié)處理器、主存儲器、軟盤及硬盤驅(qū)動器接口、鍵盤接口、串行通信口（RS-232C）、打印并行口（Centronics標準）、喇叭驅(qū)動、WatchDogTimer（監(jiān)視定時器）等安裝在一塊模板上，有的一體化模板上還帶有ROMDISK（電子盤）或Cache（高速緩沖存儲器）等。一體化主板采用ISA總線或者PCI總線，插入無源總線地板上的一個總線槽。一體化主板按主機結(jié)構(gòu)尺寸來劃分，主要有半長板（half-size）和全長板（full-size）兩種形式。2.3.3PC總線工業(yè)控制機I/O板卡由于工控機整機性能提高的幅度遠大于工程實際的需求，因此在組建系統(tǒng)時，重點應當放在與工控機配套的外部設(shè)備上，特別是各種高性能I/O模板產(chǎn)品的選擇上。應用工控機對工業(yè)現(xiàn)場進行測控，首先要采集各種被測量。計算機對這些被測量進行一系列處理后，將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。計算機輸出的數(shù)字量還必須轉(zhuǎn)換成可對生產(chǎn)過程進行控制的量。因此，構(gòu)成一個工業(yè)測控系統(tǒng)，除了工控機主機之外，還需要配備各種用途的I/O接口產(chǎn)品。這類產(chǎn)品的性能優(yōu)劣對整個系統(tǒng)舉足輕重。選購時不僅要考慮其價格，更要綜合考慮、比較其質(zhì)量、軟件支持能力、后繼開發(fā)和服務(wù)能力。基于PC總線的板卡是指計算機廠商為了滿足用戶需要，利用總線模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用功能模板。基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等，其中多功能板卡可以集成多個功能，。下面以研華PCI系列測控板卡為例介紹一下不同種類的典型板卡的性能和特點。

基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線標準設(shè)計的，板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對采樣數(shù)據(jù)進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實現(xiàn)信號的隔離。板卡的模擬信號采集精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。1.模擬量輸入板卡（A/D卡）

例如研華PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，如圖8.2所示。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入或組合方式輸入等三種輸入方式，它帶有2500VDC隔離保護；采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣數(shù)率可達100kHZ；板載4K采樣FIFO緩沖器；每個輸入通道的增益可編程。

研華PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡2.模擬量輸出板卡（D/A卡）

模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標有很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、轉(zhuǎn)換精度等性能指標外，還有建立時間、溫度系數(shù)等指標約束。模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負載能力。

模擬量輸出板卡完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，其轉(zhuǎn)換性能指標有很大的差別。D/A轉(zhuǎn)換除了具有分辨率、轉(zhuǎn)換精度等性能指標外，還有建立時間、溫度系數(shù)等指標約束。模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負載能力。研華PCI-1720模擬量輸出卡3.數(shù)字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）數(shù)字量輸入輸出接口相對簡單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動器。

數(shù)字量輸入輸出接口相對簡單，一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入通道需要輸入緩沖器和輸入調(diào)理電路，輸出通道需要有輸出鎖存器和輸出驅(qū)動器。

PCI-1760數(shù)字量輸入輸出卡4.脈沖量輸入板卡工業(yè)控制現(xiàn)場有許多高速的脈沖信號，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測信號等，這些都要脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入板卡可以實現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數(shù)、定時、測頻等不同工作方式?？紤]到現(xiàn)場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計算機與現(xiàn)場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。

例如研華PCI-1780計數(shù)/定時卡，如圖8.5所示，是基于PCI總線設(shè)計的接口卡，該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現(xiàn)計數(shù)器/定時器功能，此外，該卡還提供8個16位計數(shù)器通道，該卡具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，多種時鐘可以選擇，可編程計數(shù)器輸出，計數(shù)器門選通功能。

PCI-17808通道定時/計數(shù)卡2.4習題1.工業(yè)控制計算機與普通個人計算機相比較，有何不同。2.對于惡劣的現(xiàn)場工作環(huán)境，工控機應具有什么要求。3.試簡要說明工業(yè)控制計算機的發(fā)展趨勢。4.目前工業(yè)控制計算機常用的總線標準有哪些。類型信號名稱I/O引腳功能說明時鐘與定時OSCOB30周期為70ns的振蕩信號，占空比1:2CLKOB20周期為167ns的系統(tǒng)時鐘，占空比1:2RESDRVOB2上電復位或初始化系統(tǒng)邏輯OWSIB8零等待狀態(tài)，無需插入等待周期即可完成總線周期數(shù)據(jù)總線SD0～SD7I/OA2～A9雙向數(shù)據(jù)位0～7位，為處理器、存儲器、I/O設(shè)備提供數(shù)據(jù)地址總線SA0～SA19OA12～A31地址0～19位，提供對存儲器和I/O設(shè)備尋址，SA0為最低有效位ALEOB28由8288總線控制器提供，允許縮存來自處理器的有效地址AENOA11允許DMA控制器控制地址總線，數(shù)據(jù)總線以及讀/寫命令線進行DMA傳輸控制總線IRQ3~7,2IB21~25,B4I/O設(shè)備的中斷請求線DRQ1~3IB18,B6,B16I/O設(shè)備的DMA請求線OB17,B26,B15DMA應答線，分別對應于DRQ1~3T/COB27當在一通道的計數(shù)終結(jié)時，由DMA控制器送出I/OB14對指定的I/O設(shè)備讀命令I(lǐng)/OB13對指定的I/O設(shè)備寫命令OB12對讀寫和只讀存儲器讀命令（小于1MB空間）OB11對讀寫存儲器寫命令（小于1MB空間）IA1向CPU提供I/O設(shè)備或擴充存儲器奇偶錯IA0I/O通道就緒，若是低速的I/O設(shè)備或存儲器，則在檢測到一個有效地址和一個讀寫命令時，使信號變低，總線周期用時鐘周期的整