计算机控制系统 第六章 计算机控制系统的硬件设计.ppt

第六章计算机控制系统的硬件设计
第一节常用计算机控制系统主机模式
第二节过程通道设计与人-机接口
第三节常用执行器
第一节常用计算机控制系统主机模式
一、工业控制计算机
工业控制计算机充分利用了计算机系统的硬件和操作环境,配以模块化的硬件板卡,如处理器模板、开关量模板、模拟量I/O模板、定时/计数模板、通信模板等基本模板,就可以组成中、小规模的控制系统。
工业控制计算机在许多方面优于普通计算机,它具备抗电磁干扰、防振、防潮、耐高温等性能,可实现各种恶劣环境下控制系统的可靠运行。

(1)主机板。主机板是工控机的核心部件,目前有80486、80586、Pentium系列等各类主机板,板上所有元件性能都达到了工业级标准,并且是一体化主板。工控机采用标准总线,内部总线主要包括:ISA总线、PCI总线等,外部总线主要包括RS-232C、RS-485、IEEE-488和USB总线等。
(2)各类输入/输出接口模板。输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信息传递和交换的通道。目前,各类输入/输出模板种类齐全,包括:模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、数字量输入(DI)、数字量输出(DO)等。
(3)人-机接口。人-机接口包括显示器、键盘、鼠标、打印机以及专用操作显示台等。
(4)硬盘。目前工控机的硬盘容量有20G、40G或更大。
(5)工业电源。工业控制计算机电源部分具有防浪涌冲击、过压过流保护功能,并且抗干扰能力强。
(6)加固型工业机箱。由于工控机应用于较恶劣的工业现场环境,因此对机箱采取了一系列加固措施,以达到防振、防冲击、防尘、通风散热性能良好,并具有较强的电磁屏蔽能力。

(1)具有较完善的过程通道。
(2)具有比较完善的中断系统和高速数据通道。
(3)具有高可靠性。
(4)具有人机联系功能。
(5)能够实现复杂的控制算法。
(6)具有适于控制用的软件系统。
二、可编程序逻辑控制器

可编程序逻辑控制器,简称PLC,是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。

(1)可靠性高,抗干扰能力强。
(2)配套齐全,功能完善,适用性强。
(3)易学易用,深受工程技术人员欢迎。
(4)系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造。
(5)体积小,重量轻,能耗低。

从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些单元组合成一个不可拆分的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
三、单片机与嵌入式控制器

单片微型计算机简称单片机,它是在一块芯片上集成了中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、定时器/计数器和输入/输出(I/O)接口(并行I/O口、串行I/O口)等。它们之间互相连接构成了一个有机的整体,可见单片机就是一类计算机。
以单片机为核心,扩展一些必要的外围电路就可方便的构成单片机控制系统。这样设计的控制系统,是针对控制要求的专用最小系统。

嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统,适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。

(1)对实时和多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。
(2)具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能。同时,存储区强大的保护功能也有利于软件诊断。
(3)可扩展的处理器结构。能迅速地扩展出满足应用的高性能嵌入式微处理器。
(4)嵌入式微处理器的功耗很低。低功耗是有些应用系统必须的,尤其是用于便携式的无线及移动控制和通信设备中的靠电池供电的嵌入式系统更是如此。

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,简称MCU)一般以某种微处理器内核为核心,根据某些典型的应用,在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A