第3章硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)ppt課件.ppt

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1、第3章硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.1總線技術(shù)3.2數(shù)字量輸入輸出通道3.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用主控制器模擬量輸入輸出通道3.4輸入輸出板卡舉例3.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)主要包括主控機(jī)、人機(jī)接口、模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、測(cè)量變送環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入電氣開(kāi)關(guān)、輸出電氣開(kāi)關(guān)、被控制對(duì)象，以及其他特殊功能擴(kuò)展板卡等。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：主控機(jī)的選型；輸入/輸出過(guò)程通道的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)各類(lèi)總線形式的選擇；特殊功能板卡的設(shè)計(jì)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇；測(cè)量變送環(huán)節(jié)的選擇；接口電路的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)

2、的抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)等。圖3.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)3.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用主控制器在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，常用主控制器包括：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、可編程序控制器（PLC）、智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、單片機(jī)（MCU）、ARM處理器等。3.1.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)即工控機(jī)（IPC：IndustryPersonalComputer），就是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行，如圖3.2所示，也叫產(chǎn)業(yè)電腦或工業(yè)電腦。3.1.2可

3、編程序控制器PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。a.整體式b.組合式3.1.3智能工業(yè)調(diào)節(jié)器智能工業(yè)調(diào)節(jié)器是一種基于數(shù)字集成技術(shù)的過(guò)程控制智能型儀表，采用專(zhuān)用微處理器或單片機(jī)作為調(diào)節(jié)器的核心，硬件采用電擦除存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)電源、高速A/D轉(zhuǎn)換器等設(shè)計(jì)而成，常嵌入有成熟的PID算法及PID自整定技術(shù)，從而保證智能型工業(yè)調(diào)節(jié)器具有

4、測(cè)控精度高，抗干擾性能強(qiáng)，功能完備，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有廣泛的適用性。硬件多采用模塊方式設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要進(jìn)行靈活配置；軟件采用組態(tài)方式，可通過(guò)按鍵操作對(duì)儀表功能進(jìn)行組態(tài)編程，以實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)類(lèi)型輸入和多種調(diào)節(jié)、控制輸出。3.1.4數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器（DSP：DigitalSignalProcessor）是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理的微處理器，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的器件，如圖3.5所示。它可以快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信

5、號(hào)形式。DSP處理器的品種繁多，四大DSP生產(chǎn)商主要有：TexasInstruments（德州儀器）公司、LucentTechnologies（朗訊技術(shù)）公司、AnalogDevies（模擬設(shè)備）公司和Motorola（摩托羅拉）公司，其中TI占有最大的市場(chǎng)份額。在工程應(yīng)用中，DSP的選型主要考慮處理速度、功耗、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量、片內(nèi)的資源，如定時(shí)器的數(shù)量、I/O口數(shù)量、中斷數(shù)量、DMA通道數(shù)等。3.1.5單片機(jī)單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器（MCU：MicrocontrollerUnit），是采用超大規(guī)模

6、集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。有些型號(hào)的單片機(jī)甚至還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等功能電路等。單片機(jī)的種類(lèi)非常多，常用單片機(jī)有幾下幾種：1）STC單片機(jī)5）PHLIPIS51LPC系列單片機(jī)2）PIC單片機(jī)6）TI公司單片機(jī)3）EMC單片機(jī)4）ATMEL單片機(jī)3.1.6ARM處理器ARM（AdvancedRISCMachines）處理器由A

7、RM公司設(shè)計(jì)，采用發(fā)放許可方式，由其它公司生產(chǎn)。它是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）處理器架構(gòu)，具有性能高、成本低和耗能省的特點(diǎn)，適用于多種領(lǐng)域，如嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、消費(fèi)或教育類(lèi)多媒體、移動(dòng)式應(yīng)用設(shè)備等。ARM內(nèi)核分為ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等幾類(lèi)。每一類(lèi)又根據(jù)各自包含的功能模塊而具有多種構(gòu)成。各類(lèi)ARM處理器流水線如圖3.7所示。圖3.7ARM處理器流水線3.2總線技術(shù)所謂總線就是計(jì)算機(jī)各功能部件之間互聯(lián)和傳送

8、信息的一組信號(hào)線，按照所傳輸?shù)男畔⒎N類(lèi)，總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)?？偩€按功能和規(guī)范可分為三大類(lèi)型：片總線、內(nèi)總線和外總線。(1)片總線又稱(chēng)元件級(jí)總線，是把各種不同的芯片連接在一起構(gòu)成特定功能模塊的信息傳輸通路。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、I2C（Inter-IntegratedCir