第二章 计算机控制系统的组成
第一节  计算机控制系统组成概述
一、计算机控制系统的组成
图2－1(a)  计算机控制系统的组成框图

如图2－1（a）所示，计算机控制系统主要由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分；生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置，这些装置有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时根据需要进行合理选型。
二、工业控制机
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
1、工业控制机的硬件组成
图2－1（b） 工业控制机的硬件组成原理图
工业控制机的硬件包括主机板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。
（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。
作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。
（2）内部总线和外部总线
内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有IBM PC、PCI总线和STD总线 。
外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。RS—232C、USB和IEEE—488通信总线。
（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。
（4）磁盘系统：软盘和硬盘。
（5）通信接口: 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用RS—232C、USB和IEEE—488接口。
(6)系统支持功能
①监控定时器(看门狗-Watchdog)    ②电源掉电检测
③保护重要数据的后备存贮器体     ④实时日历时钟
(7) 输入输出通道
工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。它的作用有两个：
其一、是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；
其二、是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。
2、工业控制机的软件组成
计算机控制系统的硬件提供了物质基础，但只能构成裸机。必须为裸机提供或者研制软件，才能把人的思维和知识用于对生产过程的控制。
(1)系统软件
    系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作系统，美国Ready System 公司推出的嵌入式实时多任务操作系统VRTX／OS。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MS—DOS和Windows等系统软件。
(2)支持软件
    支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。
(3)应用软件
    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。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。
3、常用的计算机控制系统主机
在计算机控制系统中，可编程控制器 （Programmable Logic Controller—PLC)、工控机 （Industrial Personal Computer—IPC ）、单片机、数字信号处理器、（Digit Signal Processor— DSP）、智能调节器等，都是常用的控制器，适应不同的应用要求。在工程实际中，选择何种控制器，应该根据控制规模、工业要求、控制特点和所完成的工作来确定。
第二节  接口与过程通道概述
一、接口与接口技术
1、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。
2、 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。
3、 接口的作用
计算机系统除了CPU为核心的主板之外，还有各种外部设备。CPU与外设之间存在信息类型和格式、传输速度不匹配。为了使CPU与外设相互连接、协调工作，必须在它们之间设置转换、连接的逻辑电路，即“I/O接口”。I/O接口的功能主要有以下几个方面：
(1) 使CPU与外设交换数据时，在格式、类型、幅值上达到匹配；
(2) 使CPU与外设进行数据处理时速度匹配；——如数据缓冲/锁存器
(3) CPU向外设发送命令，外设向CPU提供自己的状态信息；
(4) CPU通过地址译码，选择正确的外设端口；
(5) 提供内部控制电路，实现系统总线与内部控制信号之间的转换；
——如时钟发生器，满足外设与CPU的时序要求
(6) 有些接口电路具有可编程能力，可以用软件来选择工作方式和功能；
二、过程通道
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  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，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道(即AI/AO、DI/DO)
三、过程通道与计算机交换的信息类型
过程通道与计算机交换的信息类型可分为三种：
(1) 数据信息：反映生产现场的参数及状态的信息。
(2) 状态信息：又叫应答信息、握手信息，反映过程通道的状态，如准备就 绪信号等。
(3) 控制信息：用来控制通道的启动和停止等信息。
四、计算机与过程通道的数据传送方式
1、 程序查询方式——自己打电话
传送数据前，CPU查询过程通道的状态。若准备就绪则传送，否则等待。
2、 中断方式——由别人回电话
过程通道准备就绪后，主动向CPU发出信号申请中断，CPU响应中断，就进行数据传送。
3、 直接存储器存取（DMA）方式——把事务交待给别人办理
在过程通道和存储器之间，开辟直接的数据传输通路。CPU仅负责传输前的准备工作，如传输数据的起始地址、字节数等，数据传输时由硬件电路实现，期间不需要CPU介入。
效率比较：  程序查询方式 < 中断方式 < DMA方式
第三节  模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务，是把被控对象的模拟信号，转换成二进制的数字信号送入计算机。模拟量输入通道的核心部分，是 模/数转换器（A/D转换器）。
一、信号的采样、保持、量化和编码
将模拟量转化为数字量的过程中，先由检测部件测量得到模拟电信号，经A/D转换器进行编码，变成数字信号。

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