6微型计算机测控技术

下载 下载 第2章 微型计算机测控技术 微型计算机是现代测量与控制系统必不可少的核心部件。通过微型计算机对生产加工装置 和生产加工过程实行自动测试和自动控制，使生产和操作过程连续化、自动化、高效化；对生 产和操作过程的计算机优化管理及合理调度，不仅可以大幅度地节省能耗、物耗，提高生产效 率及效益，而且也促进了测量和控制技术向更深层次的智能化方向发展。 2.1 实时处理基本概念 2.1.1 测试和控制 如图2 - 1所示为微型计算机组成的计算机测试和控制系统框图。测试和控制对象可能是飞 机、导弹、火车、汽车、轮船、程控交换机、机床、生产加工系统、通讯传输系统等等，即测 试和控制对象可能是一台设备、一个装置或一个系统。图中的传感器用于测量、测试与控制对 象有关的物理量和采集有关数据，如温度、压力、液位、流量、位移、速度、转角等，这些物 理量的测试方法、信号性质、数值变化范围以及变化速度等都是不一样的。通过传感器将各种 性质和各种形式不同的测试的物理量转化成电信号，再经过输入接口，将这些电信号转换成时 间和数值都离散的数字信息输入计算机系统。在这里，计算机系统通常是微型计算机系统。计 算机系统将测试得到的物理量进行计算，根据对测试和控制对象所 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的测试和控制策略，将 进行测试和控制的命令及数值通过输出接口由数字信息转换成控制和显示电信号，输出接口输 出的控制和显示电信号控制和驱动执行器进行所需要的操作、显示和控制。 上面介绍的是使用一台微型计算机构成的测控系统，系统的全部功能都由一台微型计算机 完成。这样的系统属于危险集中系统，因为只要微型计 算机发生故障，整个系统就会失去控制。这种微型计算 机组成的计算机测试和控制系统叫集中式测试和控制系 统。集中式测试和控制系统只适合于小型系统或单机构 成的设备或装置，对于需要功能强大、系统庞大复杂、 可靠性要求极高的测量和控制系统，需通过计算机网络 和通讯技术，将多个单机组成的计算机测试和控制系统 组成分布式计算机测试和控制系统。分布式计算机测试和控制系统也叫集散式测控系统或分散 式测控系统。 2.1.2 实时处理 具有实时性要求的计算机测试和控制系统称为实时计算机系统，即实时计算机系统是指在 限定的时间内能对外来事件作出反应的系统。实时计算机系统的实时性是指它对输入数据即时 作出反应或响应的能力，一般用响应时间对实时性作定量描述。响应时间也称为反应时间，指 的是一个系统对输入数据产生响应所需要的时间，即输入数据的一个变化所引起的计算机测试 和控制系统一次输出变化所需要的时间。 在不同的测量和控制场合或对不同的物理量f进行测试和控制，计算机测试和控制系统的 图2-1 计算机测控和控制系统框图 计 算 机 系 统 测 试 和 控 制 对 象 输入 接口 输出 接口 传 感 器 执 行 器 响应时间从毫秒级到小时级不等，差异悬殊。实时计算机系统的关键是系统具有实时性，因此， 对不同的测试和控制物理量或测控对象，可采用不同的操作响应优先级。响应时间要求短的具 有较高的优先级，由调度程序安排使它优先执行，即优先获得 C P U的处理服务。另外，有的实 时计算机系统具有抢占调度的功能，即在正常的工作情况下，若某一个优先级高的任务的激活 条件得到满足，系统将中断其他低级任务的正常运行，转去执行优先级高的任务，待其结束后， 再返回执行原来的任务。 实时计算机系统的实时处理主要体现在下述四个方面。 1. 实时数据采集 计算机测试和控制系统通过传感器和输入接口将模拟量(如温度、压力、液位、流量、成 分、转速、位移量等)在当前采样时刻的瞬时值经模拟/数字转换器转换后进行采样，并将采样 结果根据要求进行数字滤波及工程量换算等数据处理和加工，然后存入内存。采样周期根据有 关理论和工艺要求确定，一般流量数据的采样周期为 1～5 s，优先选用1～2 s；压力数据的采样 周期为 3～1 0 s，优先选用 6～8 s；液位数据的采样周期为 6～8 s；温度数据的采样周期为 1 5 ~ 2 0 s；成分数据的采样周期为1 5～2 0 s。 若测控对象为脉冲量或频率量，例如普通模拟传感器、测速发电机等模拟传感器输出的模 拟信号经V/F(电压/频率)转换后形成的数字脉冲信号、数字式传感器直接输出的信号、积累 式仪表(如电量计、流量计)的变送器输出信号等，均需通过数字量输入通道以数字电平信号送 入微型计算机测试和控制系统的计数器接口，以实现开关量的实时测量。 2. 实时决策 计算机测试和控控系统对采集到的采样数据(反映当前生产过程状态的信息)进行比较、分 析、判断、计算及加工处理后，便可实时决策哪些生产过程参数偏离了预定值或者超过安全极 限值，由此给出下一步的控制和测试运算。例如，进行越限报警或按预定的控制规律(如P I D控 制算法)进行运算后输出计算数据等。 3. 实时控制 计算机测试和控制系统将实时决策的计算数据转换为控制量，并通过输出接口输出的控制信号 驱动执行机构(如调节器、执行器、步进电机，电磁阀等)，用来控制和校正被控对象及其控制参数。 4. 实时报警及故障处理 实时报警及故障处理一般是在实时数据采集后紧接着进行的，也可以直接由故障设备主动 向C P U请求，进行故障中断处理后进行。在实时报警及故障处理时，计算机测试和控控系统将 发出声光报警信号，在必要时中断CPU正常运行转而执行故障中断服务程序进行故障紧急处理。 以上四个方面反复执行，就可以使计算机测试和控制系统按照所规定的最佳方式运行，并对 被控过程或装置的异常故障状态进行监督和处理。为使计算机测试与控制系统具有实时处理的能 力，系统一般需设置实时时钟。计算机测试和控制系统一般应满足某一个特定生产工艺或控制过 程所要求的数据测量、数据处理和实时控制的速度，并能实时地响应各种操作所需的多级中断。 实时计算机系统可以由一台计算机来实现，也可以采用双机冗余、多机冗余系统的结构或分布式 测控系统的结构来实现。在软件上，要求系统软件能实时地调度和响应，故软件中应具有完备的 实时管理程序和中断管理程序。在比较复杂和实时性要求较高的测试及控制应用场合，微型计算 机测试和控制系统还应配备实时多任务管理软件或配备实时操作系统，以允许多道任务并行运行。 2.1.3 接口与总线 一般来说，计算机测试和控制系统以计算机系统总线为骨架，在系统总线上挂接C P U模板、 第2章 微型计算机测控技术 121 下载 122 最新计算机等级考试教程 下载 存储器模板、人机接口或人机通道模板、系统支持功能模板、 D I(Data Input)模板、D O ( D a t a O u t p u t )模板、 A / D(A n a l o g / D i g i t a l)模板、 D / A ( D i g i t a l / A n a l o g )模板以及通讯模板等，由此 构成所需要的计算机测试和控制系统。如图 2 - 2 所示。 D I模板、D O模板、A / D模板和D / A模板即是 计算机的输入输出接口。这些模板完成控制对象 的各种被测试物理量与计算机内部的数字信号间 的相互转换，并起电气隔离作用。这些输入输出 接口可进一步分成接口板和调理板，如图 2 - 3所 示。D O接口电路将数字输出控制信号转换成电 磁继电器或固体继电器的驱动信号，由继电器驱动电机或电磁铁使执行器进行所需要的操作。 电磁继电器或固体继电器不仅起功率放大驱动作用，而且起强电与弱电的隔离作用。测控对象 的开关脉冲输入信号经过光电隔离电路后，通过 D I接口电路输入计算机系统。光电隔离电路一 般由光电耦合器组成，它不仅起电气隔离作用，而且起滤波和整形调理作用。 D / A接口电路将 数字量转换成模拟量，并经输出调理板滤波放 大后，驱动模拟执行器进行所需要的控制操作。 输入调理板将输入的模拟量调理到 A / D接口电 路所允许的电压范围，并经过 A / D接口电路将 模拟量转换成数字量。输入调理板和输出调理 板不仅起调理作用，而且也有电气隔离作用。 所要注意的是接口电路与调理、隔离、放大、 整形、滤波等电路有时是一个整体，有时分别 制造，有的已在计算机系统中预先配置，有的 是专门配置的接口模板，有的电路可能在执行器或传感器上已经具备，视具体系统和接口而 定。 微型计算机中的P C机是一种典型的采用计算机系统总线和模块化结构的计算机系统。 P C 机机箱的箱底安装有主板。在由主板引出的 I/O扩展糟的插槽里可插接各种软磁盘、硬磁盘控 制器接口模板(有的带有两个串行接口和一个打印机接口)和显示器接口模板(显示卡)。软磁盘 和硬磁盘驱动器通过扁平电缆连接到接口板上， C RT显示器、键盘的连接电缆和打印机也各自 连接到相对应的接口上。 P C机系统的 I / O扩展槽实际上是 P C机的系统总线，即 P C总线。把一台普通的 P C机改造成 微型计算机测控系统非常简便，只需在P C机的I / O扩展槽中插上所需用的 I / O功能模板(例如A / D、 D / A、D O和D I模板等)即可。现代大多数计算机测控系统都采用总线式结构设计。本章主要介 绍构成计算机测控系统的S T D总线和I S A总线。 一般商用P C机的使用环境和测控系统计算机的使用环境是不一样的，测控系统计算机的 使用环境要恶劣得多。因此，测控系统要求使用具有高抗干扰、高稳定性和高可靠性的经过特 殊设计和制造的工业计算机(I P S)或军用计算机，这些计算机一般都是S T D总线和I S A总线的。 采用总线结构的微型计算机测控系统具有以下优点： (1) 软件和硬件设计简捷、明快 采用总线式结构设计，可使测控系统的系统结构非常简明。系统按照总体性能的要求，可 图2-2 计算机测试和控制系统及其模块 CPU 存储器 人机接口 系统支持功能 总 线 D/A DO A/D DI 执行器 传感器 测 控 对 象 图 2-3 计算机测试和控制系统接口 计 算 机 总 线 D O 接口 电路 D I接口 电路 D / A 接 口电路 D / A 接 口电路 电磁或固 体继电器 光电隔 离电路 输出 调理板 输入 调理板 测 控 对 象 第2章 微型计算机测控技术 123 下载 以被划分成若干功能子系统或功能模块，然后应用计算机系统总线把这些子系统或子功能模块 互相连接而构成一个完整的测控系统。由于 P C计算机的系统软件、开发软件和应用软件数量 众多，使用成熟，故上述结构化设计方法非常适合微型计算机测控系统应用软件的开发。 (2) 简化系统结构 采用总线式结构，测控系统的结构非常简单，只要把所需用的功能模板(插件电路板)插到 总线插槽内即可。对于可靠性和实时性要求很高的测控系统，需要采用紧耦合的多处理器系统， 这时也可以采用总线式结构的测控系统，例如 S T D总线测控系统中的多主 C P U系统便能简便、 快捷地实现多处理器测控系统。 (3) 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 总线使用户受益 各计算机厂商和计算机配件厂商采用同一种总线标准生产的同类功能模板在硬件上相互兼 容，使用户可以在各厂商生产的同一种功能的产品中进行优选，并分别采用最好的产品构成所 需的最好的系统。同时，用户也易于从其他厂商获得同类产品，便于替换并使备品备件降低到 最低程度。另外，由于各生产厂商采用同一种标准分别进行生产，利于竞争，有利于提高产品 的性能价格比。 (4) 系统有较好的可扩展性 当采用总线结构的微型计算机测控系统需要增加功能时，只要选择所要求的功能模板，插 入扩展槽中即可。各种功能模板的生产厂商都提供其功能模板驱动程序，因此系统扩展后软件 的修改也非常方便。当主机箱内的扩展槽不够或在要求有较高的搞干扰性工业测量和控制的场 合，可以选用扩展机箱。扩展机箱与 P C机的主机通过通讯接口连接，扩展机箱可放在远离主 机的工作现场，从而使系统具有较强的抗干扰性能。 (5) 可维修性好 在工业计算机中，其 C P U模板、存储器模板等也和其他功能模板一样，可做成相同尺寸， 并直接插在布有P C总线、P C / AT总线或P C I局部总线的无源底板的插槽内，有利于故障诊断和 维修。在有故障时，先运行诊断软件，根据诊断结果拔下有故障的模板，再插入一块功能相同 的模板，使维修和故障诊断非常方便。 (6) 易于升级换代提高测控系统性能 采用总线系统结构，计算机测控系统的升级换代非常简便，只需选购新的系统模板或功能 模板，拔下旧的插件模板，装入新的系统模板或功能模板以及相应的操作系统和应用软件后稍 加调试就可实现系统的升级换代。 2.2 微型计算机测控系统 早期的实时工业测控系统通常采用常规的模拟自动化仪表器数字逻辑器件来构成。随着计 算机技术应用的普及测控技术的提高，近十几年来基于微处理器的常规自动化仪表和测控系统 的发展十分迅速，采用多总线(M u l i i b u s)、S T D总线、P C总线、P C—1 0 4总线等的工业测控微 型计算机系统大量使用。这些微型计算机测控系统属于总线－功能模板式测控系统，其硬件和 软件都采用模块化设计和制造。这些测控系统已逐步取代大部分过去由常规自动化仪表及数字 逻辑器件构成的测控系统，已成为实时测控系统的主流。 2.2.1 微型计算机测控系统的构成 微型计算机测控系统的基本构成如图 2-4 所示。测试控制对象上的传感器与执行器通过输 入接口和输出接口与微处理器相连，输入接口与输出接口是与具体测试控制对象相对应的，视 不同的测试控制对象不同而选用不同的输入接 口和输出接口。 输入设备、输出设备、存储设备和监视设 备可采用微型计算机系统的常规配置，如鼠标、 键盘、磁盘存储器、光驱、显示器和打印机等 等，有的场合监视设备可另选电视机(T V)、液 晶显示器(L C D)或数码显示器(L E D)等。报警设 备一般选用声光报警器。操作控制台是微型计 算机测控系统的一个重要组成部分，这是微型 计算机测控系统与一般商用和办公用微型计算 机的主要区别。微型计算机测控系统的操作一 般是在操作控制台上由操作人员进行的。控制台是操作人员与微型计算机测控系统之间进行信 息交换的装置，它把操作人员对被测控对象的管理、控制经验以及能力同计算机的信息处理功 能完美地结合起来，实现高水平的监测和控制。一般来说，控制台在系统运行时提供当前被测 试控制对象的各种生产加工过程的信息，供操作人员监督和参考。在运行异常时发出报警信号， 由计算机自动按照特定的异常处理程序处理，也可由操作人员通过控制台上的按键或键盘进行 干预。在严重故障时，系统可转入自动保护或手动操作方式，这时操作人员在控制台上以人工 方式控制系统的运行。此外，有时操作人员需改变控制方式或控制参数，也都需要用控制台上 的键盘进行操作。 2.2.2 微型计算机测控系统的结构形式 微型计算机测控系统的结构形式一般可分为两类，即非模块化结构形式(积木结构形式)和 模块化结构形式(总线结构形式)。 1. 非模块化结构形式 非模块化(即非结构化)系统结构的测控系统一般是专用小型测控系统，其功能固定，硬件 及软件开发按需要进行，一般不考虑功能扩展和系统冗余，性能价格比比较高。微型计算机及 其外围芯片以及测试和控制专用芯片的体积越来越小、功能越来越强、功耗越来越低、可靠性 越来越高、价格越来越便宜等，设计工程师在实现专用小型的实时测控装置或系统(例如智能 化的数字式测量装置、仪表或家用电器的微电脑控制系统等)时，只需按照所要求的系统功能 选择一片、几片芯片或元器件进行逻辑组合及软件编程便可构成所需的系统。一般来说，随着 系统复杂程度的增加和系统规模的扩大，其设计和制造的工作量都将按指数函数迅速上升。 在实际测控系统中，非模块化系统结构的测控系统通常用单片机实现。 2. 模块化结构 (总线式结构 ) 对于较复杂的实时微型计算机测控系统，为简化设计和制造，一般采用分级构成的方法进行 硬、软件的设计及制作，即采用模块化结构技术。模块化结构实际上就是总线式结构形式。 P C机是一种典型的采用模块化结构总线或结构形式的微型计算机。基于 P C机的总线式结 构或加固扩充的 I S A / P C I总线、C P C I(C o m p a c t P C I)总线、AT 9 6总线、S T D总线、S T D 3 2总线以 及P C / 1 0 4总线等构成的微型计算机测控系统，均是以 IBM PC总线为物理框架进行改造和扩充 的微型计算机测控系统，其特点是插槽中的各功能模板在逻辑上共享总线，即只需在总线的 I / O扩展槽中插上所需用的 I / O功能模板、例如A / D、D / A、D O、D I模板，可编程放大器及多路 器模板等，就构成了一个实用的测控系统。实质上，这种结构是当今大多数计算机测控系统都 124 最新计算机等级考试教程 下载 图2-4 微型计算机测试控制系统组成 测试控制对象 微 处 理 器 输入 接口 输入 设备 输出 接口 输出 设备 存储 设备 监视 设备 报警 设备 操 作 控制台 采用的结构设计。 在总线式结构的微型计算机测控系统中，各个功能模板部件是通过系统总线连接成为一个 整体的，即系统总线是系统中各模板的公共信号线，是构成系统的物理框架及概念的基础，是 微型计算机测控系统的重要组成部分和关键性的系统资源。 2.2.3 微型计算机测控系统的软件组成 对于微型计算机测控系统即实时微型计算机测控系统，不管是采用模块化结构形式还是非 模块化结构形式，其软件的设计、编制或选购都必须与配套的硬件系统一起统筹考虑。 一般来说，非模块化结构微型计算机测控系统的监控软件和应用软件都需要自行设计，大 多数外围设备及接口都有例行子程序可参照。非模块化结构微型计算机测控系统的监控软件和 应用软件都用汇编语言编程和 C语言编写，其软件设计和编程一般采用模块结构形式，每个模 块子程序分别调试无误后再进行链接、统一调试。非模块化结构微型计算机测控系统的规模一 般不大，程序编制的复杂程度也不太高。尽管如此，非模块化结构微型计算机测控系统的软件 和硬件系统的设计也需要边设计、边调试、边修改，反复进行多次才能最后定型。 模块化结构的测控系统在设计选型时，主要是选择厂商定型生产的成套的功能模板产品， 这种成套生产的功能模板产品提供的软件，包括系统软件(例如实时管理程序或实时操作系统) 以及各功能模板的驱动程序，比较流行，性能优良，易于掌握，易于得到技术支持和帮助。 模块化结构的测控系统，其软件组成主要是系统软件和应用软件。在系统软件和应用软件 的选择、配置与编写时应注意如下几个问题： (1) 系统软件的选择 系统软件是专供使用和管理计算机本身的程序，是计算机系统中最靠近硬件的一层软件，其 他软件一般都通过系统软件发挥作用，是应用程序与系统硬件之间的接口软件。它与具体的应用 领域无关，一般由软件厂商生产和销售。高级语言的编译程序或解释程序、汇编程序、计算机系 统内的监控管理程序、操作系统、故障诊断程序、调试程序、开发系统等均属于系统软件。 操作系统负责管理计算机系统中的各项软件和硬件资源并控制程序的执行，是用户程序与 系统硬件之间的接口软件，它允许系统中的各种程序互相进行信息交换。操作系统与微型计算 机测控系统制造厂商所提供的硬件系统所使用的微处理器密切相关。模块化结构的测控系统的 微处理器一般采用80x86 (含8 0 8 8)系列的C P U，因此系统通常配备MS DOS操作系统或Wi n d o w s 操作系统等。对实时性要求很强的较复杂的微型计算机测控系统，一般需要采用实时操作系统。 实时操作系统除上述普通操作系统的功能以外，还要有简单的人机接口方式、初始化、资源管 理功能和若干满足实时操作、多程序、多道任务、有效调度、优先级等实时有效的功能。模块 化结构的测控系统的操作系统应有很高的可靠性和安全性。为保障系统的可靠性和安全性，对 大型复杂的模块化结构的测控系统一般不自行设计实时操作系统或实时多任务管理程序，而是 选用微型计算机测控系统生产厂商或软件公司提供的成熟的、经过标准化测试和众多用户长期 运行考核的实时操作系统。 在选择模块化结构的测控系统的实时操作系统时，应考虑如下几个方面： ① 测控系统对实时多任务软件的需求 若模块化结构的测控系统中已配备有普通操作系统，同时用户又需要利用外存储器来存放 大量数据，则宜选用实时多任务操作系统。 若测控系统是一个专用的小系统，则选用固化在EPROM 、E E P R O M或Flash EPROM中的 实时操作执行内核。 第2章 微型计算机测控技术 125 下载 126 最新计算机等级考试教程 下载 ② 所选定的操作系统的功能是否够用 所选定的实时多任务操作系统的功能应包括多任务调度、优先级调度、任务间的通信与同 步、内存管理及中断功能，应具有标准的 I/O设备驱动程序，并且可以挂接上用户专用设备的 驱动程序。 ③ 使用便利 选择所需的实时多任务操作系统时，选用文件齐全、便于使用、易学易懂的实时操作系统， 便于用户理解和掌握，避免由于理解和掌握的错误而导致使用不当，带来应用和调试的额外负 担。因此，所选择的实时多任务操作系统应该配置清晰，系统生成简单容易，常用的系统功能 调用命令清楚等。 ④ 应提供方便的软件调试工具并支持高级语言和汉字处理 实时操作系统软件应提供方便的软件调试工具并支持高级语言(如C语言、Q B A S I C等)和汉 字处理系统，支持应用软件的可移植性、支持硬件微处理器的升级等。 (2) 应用软件的选择或编程 模块化结构的测控系统的应用软件主要包括人机接口软件、数据库管理软件、实时监测和 控制软件、信息处理软件、通信软件和系统维护软件等。实时测控系统的应用软件主要有如下 要求。 ① 实时性 要求在生产过程中，在允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。因此，除了在硬 件系统配置时要考虑系统的实时性要求外，在软件方面还要求应用软件中实时性强的模块用汇 编语言编写，并运用编程技巧来提升处理速度；对多个处理任务使用中断嵌套或多重中断，在 达到系统要求的条件下降低采样频率，以减轻整个系统的负担。 ② 可靠性 应用软件的可靠性和硬件系统的可靠性一样，也是模块化结构的测控系统的关键性技术指 标。应用软件的设计一般采用模块化结构，便于程序的编写、分析和调试。应用程序通常存放 在E P R O M或E E P R O M中防止被修改，在软件中设置了诊断程序和自检程序，以便对系统自身 的可靠程度进行检查。在硬件上设置监控定时器，即“看门狗”时钟，预先安排好监控定时器 超时动作后应用程序的返回入口，以保证在应用程序飞跑时，能正常返回其入口，从而确保系 统控制的安全性。 ③ 通用性及可扩性 模块化结构的测控系统的应用软件应具有较好的通用性及可扩性，而且软件功能还应易于 扩充和修改，便于系统功能的完善、扩充和修改。 ④ 可维护性 模块化结构的测控系统的应用软件应具有较好的可维护性，使应用软件易于被用户读懂、 理解及掌握。 2.2.4 分布式测控系统 分布式测控系统即分布式计算机测试和控制系统，也叫集散式测控系统或分散式测控系统， 主要应用于大型复杂的测控任务，并可克服单机系统带来的集中控制的缺点。分布式测控系统的 实质是利用计算机技术、计算机网络技术和通讯技术对生产过程进行集中监视、操作、管理、分 散测量和控制，是计算机技术、测试测量技术、信息处理技术、自动控制技术、计算机网络技术 和通讯技术相互发展、相互渗透而产生的，具有通用性强、系统组态灵活、测控功能完善、数据 第2章 微型计算机测控技术 127 下载 处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简便规范、调试方便和运行安全可靠等特点。 目前所使用的分布式测控系统有环型、总线型和分级型等几种形式。分布式测控系统的主 要功能有以下几个方面： 1) 测试控制功能 主要有数据采集功能、反馈控制功能、顺序控制功能和信号报警功能 等。 2) 显示功能 显示功能主要指显示器画面显示，包括直接数字控制(D D C)标准三画面、顺 序标准三画面、流程图显示画面、趋势曲线显示画面、报警状态显示画面和快速调用画面等。 3) 操作功能 主要有供操作员操作的功能和工程师站操作功能。操作员操作主要有 D D C显 示操作、顺序控制操作、运行管理操作和应用功能操作，工程师站操作主要有系统的组态生成、 系统测试和系统维护等。 4) 数据通讯功能 主要采用计算机系统的网络通讯技术实现数据的通讯，经常采用的有局 域网技术、现场总线技术和网络互连技术。 分布式微型计算机测控系统的结构组成如图 2-5 所示，是一种高层次结构。由图2-5 可知， 用计算机网络连接起来的计算机机群被划分成 4个层次，即直接过程控制层、车间或加工中心 监控层、生产调度和控制层以及公司级管理和调度层。 图2-5 分布式测控系统层次结构 (1) 直接过程控制层 直接过程控制层是整个分布式测控系统的最底层，直接与测控对象即生产过程连接，计算 机直接测试和控制生产过程，是属于现场级的测控子系统。直接过程控制层的功能是进行实时 数据采集、实时监测及诊断、现场直接控制等。 直接过程控制层把被测控对象的现场数据和状态通过网络通信向上传送给其他各级控制 层，上级控制层根据这些信息决定对直接过程控制层实施在线直接数字控制和顺序控制。通常 把常用的标准控制算法固化在直接过程控制层计算机系统的只读存储器里，从而在直接过程控 制层可进行四则运算、位置式P I D调节、速度式P I D调节、防积分饱和式P I D调节、高限幅限制、 低限幅限制、开方运算、自动或手动控制操作及顺序逻辑控制算法等。 (2) 车间或加工中心监控层 公司企业管理和调度用中央计算机 工 厂 生 产 过 程 (测控 对 象) 公司企业管理和调度层 生产调度和控制层 车间或加工中心监控层 直接过程控制层 现场层 协调计算机 监控计算机 直接控制计算机 直接控制计算机 监控计算机 协调计算机 车间或加工中心监控层主要是对生产加工现场进行监督和控制，主要用来实施优化控制的 选择和生产过程的协调操作，其主要功能有优化控制、自适应回路控制、优化厂内的协调、厂 级性能监视和对其下层的支持等。 ① 优化控制 根据生产加工的目标函数或数学模型，运用数学方法进行优化运算，求出一系列优化控制 的条件，并将控制要求以给定值的形式通过网络传送到直接过程控制器。 ② 自适应回路控制 估算过程的模型参数，由此计算出优化控制条件并传送到直接控制层。 ③ 优化协调 根据车间、加工中心及工厂的生产、原材料、库存、能源消耗和优化目标判据等进行优化 运算，以协调生产加工各个部门的工作。 ④ 车间或加工中心及工厂级的性能监督、故障检测 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 、状态报告等 ⑤ 支持其下层即直接过程控制层 (3) 生产调度和控制层 对于较小规模的生产过程，生产调度和控制层已经是其分布式测控系统的最高控制层。生 产调度和控制层的计算机系统负责使用运筹学的方法，依据每个下层车间或加工中心及工厂的 用户订单信息、库存、能耗限制、能耗需求等直接进行调度、管理和控制，并同时实现下层车 间或加工中心及工厂级的监督和记录，也可作为系统中最高层的备份。 以上三层可由计算机局域网、现场总线或各种计算机测控系统的专用网络连接，并进行通 讯和数据信息以及控制信息的交换。 (4) 公司级管理和调度层 公司级管理和调度层一般可通过计算机局域网或互连网技术与低三层相连，公司级管理和 调度层是一个工厂自动化测控分布式系统的最高层，负责广泛的工程、工艺、财务、营销、人 事以及其他方面的综合信息事务的处理。该层配备大型的文件服务器、网络服务器以及大型的 软件系统，负责对各种变化状态和约束条件下的复杂生产计划问题进行最佳的处理。公司级管 理和调度层处于整个系统的最高层，在此层，必须将公司的管理、销售、财务、采购、仓储、 人事等部门进行综合协调地管理，使之实现企业的最优化生产的最终目标。 公司级管理和调度层的主要功能是进行市场分析、用户信息的调查、订单统计、产销计划、 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 处理、生产车间的协调，生产能力估算、产品定价、订货分派、生产及送货管理及生产效 率、产值利润、报损等财务报告等。 分布式微型计算机测控系统的优点如下： 1) 系统的处理能力得到提升 计算机网的数据传送迅速可达 1～1 0 0 M b p s，因此，采用计 算机的局域网把各种性能的处理器系统连接成分布式系统，各结点上的计算机可以同时操作， 系统的综合处理能力获得更大的提升。 2) 系统分散化 系统分散化带来负载分散、危险分散、地域分散和功能分散，降低了风险 和成本。 3) 可靠性增大 分布式系统中各个控制功能分散，使每台微型计算机承担的任务减轻，因 此，功能更明确、组成更简单、系统更可靠。尤其是在分布式系统中包含有多台同样功能的微 型机时，微型计算机之间互为备份机，可大大提高系统的可靠性。 4) 系统模块化 由于系统的分散性及功能的重复性，在分布式微型机系统中，普遍使用模 块化结构，即将任务相同的部分做成一个模块，使之便于组装、调度及操作，也便于互为备用。 128 最新计算机等级考试教程 下载 2.3 总线系统 微型计算机测控系统主机的组成一般分为三类：以单片机组成的多用于智能仪表的小型和 简易测控系统及装置；以商业级微型计算机或 P C总线工业级微型计算机为基础，在其的主板 上插接上各种输入模板和输出模板组成的主要应用于实验室的中小规模的测控系统；以 S T D总 线为代表，在工业自动化领域中广泛使用的微型计算机测控系统。 2.3.1 微型计算机测控系统 微型计算机测控系统通常由控制柜和操作控制台组成，包括显示器、计算机主机系统、输 入调理模块、输出驱动模块、电源设 备、接线端子、开关按钮和指示以及 键盘和鼠标等，如图2-6 所示。 1. 控制柜和操作控制台 控制柜和操作控制台的主要功能 是为工业测控系统提供整体机架结构， 用来固定工业级微型机的机架、键盘、 显示器机架、输入模块和输出模块的 机架、电源及接线端子排等。一般可 将显示器 、打印机、键盘、按钮开关等 外围设备放在控制操作台上，也可将显示器、键盘、按钮开关等安装在控制柜上。 控制柜和操作控制台采用金属结构框架和金属板来构成机柜，机柜内设有风扇及通风系统， 确保测控系统在正常的环境之中运行。控制柜和操作控制台按电气系统的有关标准制造，其防 尘网罩可防止粉尘的侵入，机柜的接地措施可确保设备和操作人员的人身安全，金属柜壁能有 效地屏蔽外界的电磁干扰。 在有些应用场合，人工操作控制比较简单，此时可将操作控制台的按钮开关和有关指示灯 做在控制柜的开关指示上而省去操作控制台。 2. 电源设备和接线端子 控制柜柜内的接线端子(即接线端子排)，是连接各种电源线和各种输入输出信号线的接线 端子。电源线和信号线通过端子排连入微型计算机测控系统。接线端子排将各种导线固定，接 线端子的布局应将强电和弱电分开、交流和直流分开、信号线和动力或驱动线分开，这样不但 能减少导线之间的干扰并使布线整齐美观，而且便于进行测量及检查，给调试及维修测控系统 带来方便，有利于微型计算机测控系统的抗振能力及抗冲击能力。 电源设备包括交流电源(2 2 0 VA C、11 0 VA C和3 6 VA C等)、直流电源(5 V D C、+ 1 2 V D C、-1 2 V D C、 2 4 V D C以及变压器、稳压电源、电源滤波器和U P S电源等)。测控系统的计算机电源一般使用开关 电源。开关电源内耗小，具有极低的内阻、较宽的电压调整率及频率范围和良好的抗干扰性能。在 一些可靠性要求较高的系统中，可设置双冗余电源，互为备份，以保证电源的可靠供电。 3. 微型计算机主机系统及输入调理和输出驱动 微型计算机主机的C P U模板及各种输入输出模板都放在标准机箱中，机箱上有导轨及支架， 可以方便地推入机柜的分层格中。由于微型计算机测控系统采用总线式结构，各功能模块，如 C P U模板、存储器模板、电子盘模板、人机接口模板、数字量(脉冲量)输入模板、开关量输入 及输出模板、模拟量输入及输出模板等均可挂在系统的底板总线上。在工业控制的恶劣环境， 第2章 微型计算机测控技术 129 下载 显示器 (CRT) 显示器 (CRT)开关指示 计算机 输入调理 输出驱动 电源设备 接线端子 控制柜 L C D、L E D或指示灯 按键、键盘和鼠标 操作控制台 图2-6 微型计算机测控系统 磁盘驱动器容易损坏，故在测控系统中使用的工业级微型计算机一般都使用电子盘模板替代磁 盘驱动器和软盘。电子盘模板也称为半导体盘模板，一般用 Flash RAM制造。 输入调理安装所有的输入调理模板及配套的有关器件，其中有光电隔离模板、信号放大器 或信号衰减器以及滤波器等。输出驱动安装各种功率放大驱动模板，如功率放大器、继电器、 固体继电器、接触器等。 4. 显示器、开关按钮，键盘及鼠标 显示器、指示灯、开关按钮、键盘及鼠标等构成了人机接口及操作部分。微型计算机测控 系统的操作一般由键盘和开关按钮实现，键盘和开关按钮有非编码的专用键盘、开关按钮和 P C机标准键盘，在鼠标不方便使用时可配置轨迹球。控制柜机柜中安装的键盘一般是带有支 架的P C键盘，对键盘和电源开关等可加锁保护。 显示器有C RT显示器、L C D显示器、L E D显示器和触摸屏等，L E D显示器一般为数码显示， 主要用于小型测控系统，在大型系统中也可作为辅助显示。触摸屏既可进行显示，也可进行按 钮开关操作。 2.3.2 ISA总线 工业P C机主机(即I P C)目前大多采用I S A总线，采用在无源底板上插上一块一体化主板和显 示卡，连上软盘和硬盘，再接上键盘、显示器、鼠标等，然后装在工业级 P C机机箱中的方式 构成。本小节主要介绍工业级P C机机箱和工业级主板(即C P U模板)。 1. 工业级P C机机箱 工业级P C机的机箱按E I A R S—310C l9 in(4 8 . 2 6 c m)支架安装标准制造，并可安装于控制柜 的机柜中。机箱中一般安装一个 P C/X T无源总线底板、一个 P C/AT无源总线底板或一个 I S A / P C I无源总线底板，一个开关电源(其标称功率为2 0 0 ~ 2 5 0 W，2 2 0 VA C、5 V D C，+ 1 2 V D C 和－1 2 V D C等输出)及一对散热推拉式风扇。 无源底板上一般有3～2 0个P C/X T、P C/AT或I S A / P C I总线插槽，每个总线插槽可在垂直 方向上插入C P U模板及其他I/O接口模板。可根据不同的规格型号进行选择。 工业级P C机箱一般按工业级防电磁干扰设计，在恶劣的工业测控环境中具有防振、防冲 击、防粉尘和可在高温下工作等性能。机箱内也允许安装软盘驱动器和硬盘驱动器。 2. 工业级主板 工业级主板即工业C P U卡，与其他商用级主板比较，具有以下优点 : 1) 工业级C P U卡在设计、制造和测试等环节对元件和系统都考虑了在极端的温度、振动等 苛刻环境下应具有的高可靠性。为了确保系统的稳定性和提供最好的抗干扰能力，工业级 C P U 卡一般采用6层结构印刷电路板(P C B)并进行2 4h6 0℃的动态和静态老化测试。 2) 即插即用的工业级C P U卡提供了比商用级C P U卡更灵活和更高级的特性，最适合工业现 场的数据采集和控制。 3) 工业级C P U卡上的R A M / R O M磁盘提供了自动导入功能，并具有无盘操作和存储扩充等 性能。 4) CMOS器件功耗低，平均故障间隔时间(M T B F)比商用级C P U卡高，发热少。 5) 内置诊断L E D容易安装和维护，并能开机自检。 6) 即插即用的工业级C P U卡能减少停机时间和损失，能在短短的几分钟内很容易地改变和 加强用户的系统，使系统适应更苛刻的工业和操作环境。 7) 板上配置的“看门狗”时钟可防止由于 E M P(电磁)干扰所引起的系统无限循环、系统停 130 最新计算机等级考试教程 下载 止接收数据和系统崩溃等程序“跑飞”的故障情况。“看门狗”时钟在C P U处于停顿时自动进 行初始化，在自动或无人操作系统中是一种有效的保护装置。 为了对即插即用的工业级 C P U卡有一个比较具体的认识，在此对其目前最先进的工业级 C P U卡—全尺寸C P U卡I P C—6 8 I I作简单介绍。 全尺寸C P U卡I P C—6 8 I I工业级主板的主要性能如下： • 芯片组 Intel 440BX AGPset。 • 在66MHz FSB上支持Intel 的2 3 3～333MHz Pentiumll，在100MHz FSB上支持Intel 的3 0 0 ～500MHz Pentiumll。 • 插槽1设计成包边形式，便于C P U的安装和访问。 • 双1 6 8针DIMM 插槽支持高达256MB 无缓存的S D R A M或有缓存的5 1 2 M B的S D R A M，并 具有ECC 功能。 • 板上装有A G P—2X Trident 9520 VGA 芯片组C RT / L C D(D S T N / T F T)，并支持Side Band。 • 板上装有以太网(E t h e r n e t)的10/100Mbps 自动交换器。 • 板上装有为P C 9 7适应性设计的板上6针AT X电源连接器。 • 板上存储系统的闪存电子盘能装入2 ~ 7 2 M B存储空间的系统引导程序。 • 装有1 6级“看门狗”时钟，并配有P C / 1 0 4总线接口。 • 具有PICMG 适应性标准 • 具有Ultra DMA/33、Modem 启动 、Windows 95 关闭、LAN 激活等功能。 • BIOS为Licensed BIOS，DMI 即插即用。 • 电源管理为A C P I。 • L2 Cache集成在C P U中。 • 板上装有Winbond W83977芯片组的多I / O口。 • 有两个串行口：C O M 1为R S - 2 3 2，COM2 可选择R S - 2 3 2、R S - 4 2 2和RS-485 。 • 一个并行口支持S P P / E P P / E C P。 • 一个F D D接口支持两个软盘驱动器(3 6 0 K / 7 2 0 K / 1，2 M B / 4 4 M B / 2，8 8 M B / L S - 1 2 0 )。 • 硬件监视器的Winbond W83781D IC监视C P U温度、系统温度、系统电压和C P U风扇速度。 T M C S M(系统监视器)工具捆绑在可选择的L A N D e s k客户机管理器上。 • 键盘为P S / 2型连接器。 • 鼠标为P S / 2型连接器。 • 采用6层P C B设计。 • PCB尺寸为3 3 8 m m×1 2 4 m m。 • 工作温度为0 ~ 6 0℃。 • 湿度为5 % ~ 9 5 %。 • 振动为2 . 5 G加速度的5 ~ 2 0 0 0 H z的正弦波,1 oct/min 正弦扫描。 振动为3 0 G , 11ms 持续时间,半正弦振动脉冲。 工业级C P U板的主要特点在于：为了提高系统的可靠性，用内存来替代软、硬磁盘；设置 了监控定时器，这是通用 C P U模板不能提供的一项功能；为降低平均维护时间(M T T R)，不采 用通用机平躺式大主板的形式，而采用与 I / O模板一致的插卡式主板，并提高了散热性能；主 板采用6～8层印制板设计和制造，使工控机能更好地分布地线，有利于提高抗干扰性能。 但是P C/X T、P C/AT(1 s A)不能提供多处理器系统所需的总线仲裁信号，因此只能支持 D M A操作而不能像多总线、S T D总线及E I S A总线那样支持多主处理器系统。 第2章 微型计算机测控技术 131 下载 132 最新计算机等级考试教程 下载 2.3.3 STD总线 S T D总线即Standard Bus，是一种面向工业控制并且规模较小的 8位系统总线。1 9 7 8年由美 国P r o l o g公司作为工业标准发表；1 9 8 7年被批准为国际 I E E 9 6 1标准；1 9 8 5年公布了S T D 1．3版 本，允许1 6位数据传送，1 9 8 9年公布了S T D 3 2，可在同一块底板上实现 8位、1 6位及3 2位数据 传送，使S T D总线适用于8 0 3 8 6及8 0 4 8 6和P e n t i u m等C P U。 S T D总线的性能特点如下： 1. 支持多种微处理器 S T D总线支持8位微处理器，如M O TO R O L A公司、I n t e l公司、Z i 1 o g公司等的各型8位微处 理器。在使用数据总线/地址总线复用技术及周期挪用技术后， S T D总线支持1 6位微处理器， 如I n t e l的8 0 8 6、8 0 2 8 6及M O TO R O L A的6 8 0 0 0等。S T D 3 2总线是有11 4条信号线的3 2位总线，支 持3 2位处理器，如8 0 3 8 6、8 0 4 8 6和P e n t i u m等。 2. 总线的基本组成 S T D总线是一种面向工业控制及测量的小型标准总线，总线总共 5 6根，分为电源总线、数 据总线、地址总线、控制总线四组。总线分布数为：逻辑电源总线 6条、辅助电源总线4条，双 向数据总线8条、地址总线1 6条、控制总线2 2条。 在1 6位S T D系统中，8条高位地址线A 8～A 1 5复用为数据线高8位，而原来的低8位数据线 复用为地址线，与原1 6条地址线合并复用为2 4条地址线，实现对1 6 M B内存空间的寻址。控制 总线被划分成5组，即存储器及 I / O控制、外设定时控制、中断及总线控制、复位及时钟以及串 行优先链控制。 3. 支持多处理器系统 S T D总线支持多处理器系统，可实现分布式、主从式及多主 S T D总线多处理器系统。 4. 总线数据传输的控制方式 S T D总线是同步总线，采用同步方式传输数据。 5. 中断功能 S T D总线最初只定义了两条中断控制线，系统的中断功能不强。但在很多实际销售的 S T D总线系统中，采取了兼容P C / X T的中断功能，中断功能显著提高，有的具有8级中断功能。 6. C M O S化 C M O S集成电路器件的噪声容限是 T T L电路的3倍以上，C M O S器件的工作温度范围(－4 0 ～8 5℃)比T T L器件的(0～7 0℃)温度范围更大。C M O S器件功耗极低，并且要求供电电源的容 差范围比T T L器件更宽松，即对供电电压的稳定性的要求不太严格。由于这些因素， C M O S化 的S T D模板产品更适于工业现场应用。 7. 局部总线扩展能力 S T D总线模板(即C P U板)，可采用局部总线技术，从而可提高其数据传输性能，这种I / O扩 展局部总线技术使大部分高速 I / O操作不再通过S T D系统总线，从而使 S T D总线的带宽得到节 省，可为其他系统操作服务(例如支持多处理器系统等)。 8. 网络支持功能 S T D总线采用 I n t e l公司1 9 8 4年推出的位总线高速串行通信技术，用于实现 S T D总线测控系 统的局域网，从而可方便地构成分布式测控系统。 9. 小模板尺寸 S T D模板的尺寸为4 . 5 i n×6.5 i n(即11 . 4 c m×16.5 cm)，是总线-模板式测控系统中最小的， C M O S化，使S T D模板功耗 低、散热快、机柜尺寸小、成本低。 10. 可靠性高 S T D总线具有较强的抗干扰措施。 S T D总线信号是通过底板总线的形式提供给 S T D总线模 板的，因此底板阻抗小，总线上传输的数字脉冲信号失真小。 S T D总线的4层印制电路板底板 的信号线特征阻抗约为6 0 W，接近总线驱动器的输出阻抗，因此能向信号线提供足够的信号驱 动功率，并且也提高了抗干扰能力，降低了总线终端反射。 S T D的每一条总线信号线接入的 R C滤波网络用来降低终端反射和尖峰干扰，并吸收底板总线上的高频干扰信号，在信号线末 端接上一个上拉电阻，使稳态时信号线的电位被拉到＋ 5 V,从而防止暂态干扰信号串入信号线 引发误动作，并改善了信号波形的前沿。为了增强 S T D总线的抗干扰能力，可选用S T D的系统 支持模板，用总线终端网络来克服总线终端反射及其他干扰脉冲。 2.3.4 多主STD总线测控系统 对于复杂的工业实时测控系统，有的应用系统在预定的时间内所需完成的操作可能超过单 个微处理器的极限处理能力。在这种场合可采用多微处理器系统。多微处理器系统把整个任务 分解为若干个子任务，分别由各个微处理器并行操作来完成，从而提高了系统的处理速度，提 高了系统整体的处理能力。多微处理器系统中的各个微处理器通过共享系统的硬资源可节约硬 件投资，通过对各个微处理器进行合理地分配数据处理任务和外设的使用时间可提高系统的响 应能力及吞吐量。 多微处理器系统的主要特点如下： 1. 较高的系统运算速度及性能价格比 在工业实时控制、人工智能、图像处理等应用领域中，一般都要求计算机系统具有较高的 处理速度，在短时间内处理大量的信息。采用多微处理器系统并采用并行处理技术来完成这些 复杂的任务，比单独采用一台高性能的大型计算机具有更高的性能价格比。 2. 具有模块化的系统结构 由S T D总线系统组成的多主微处理器系统，采用模块化系统结构，插上所需数量的多主微 处理器模板、存储器模板及 I / O模板等便可实现，系统最多可支持 1 6个多主设备且具有直接寻 址 1 M B存储器的能力。这种高度模块化的系统结构使系统具有更好的灵活性、可扩展性、更 高的可靠性及可维修性。 3. 信息吞吐量大 在一般单总线结构的系统总线上实现的多微处理器系统，访问通路及共享资源竞争现象不 可能降到极低，同时随着微处理器数目的增加，整个系统的内部开销也必然上升，即出现饱和 现象，系统的信息吞吐量与微处理器数目不成正比增加关系。但在 S T D总线结构中，由于增设 了S B X局部I / O扩展总线，此局部 I / O扩展总线可分担一部分原先需要通过系统总线进行的数据 处理操作，故采用S T D + S B X总线的多微处理器系统与一般单总线上的同类系统相比，系统吞 吐量更大。 4. 高可靠性 在多微处理器系统中有若干个同类型的微处理器，系统的冗余度较高。在正常工作时，各 个微处理器执行各自的任务。而当有一台微处理器出现故障时，则重组系统结构，使余下的微 处理器承担起故障处理器的工作，从而能适应容错的需要，提高了系统的可靠性。 多主STD 工业控制微型计算机系统移植了M u l t i b u s上的多主8 0 8 8系统的设计思想，使用了 第2章 微型计算机测控技术 133 下载 I n t e l公司的总线仲裁器8 2 8 9总线仲裁 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。M u l t i b u s的总线仲裁协议方式被运用到S T D总线上， 并提供了5个信号实现总线仲裁，即总线请求(B U S R Q)、总线应答(B U S A K)、优先级链路输入 (P C I)、优先级链路输出(P C O)及总线同步时钟(C N T R L)、与之对应的M