第3章工業(yè)控制計算機3.1概述3.2工控機的特點、組成及總線3.3工控機的主板3.4工控機的接口卡3.5工業(yè)組態(tài)軟件3.6工控機與組態(tài)軟件的應(yīng)用 3.1概述

3.1.1機電一體化對控制系統(tǒng)的基本要求

機電一體化系統(tǒng)具有信息采集與信息處理的功能，如何利用系統(tǒng)所獲得的信息實現(xiàn)系統(tǒng)的工作目標(biāo)，需要借助自動控制技術(shù)。工業(yè)控制計算機、各類微處理器、PLC、數(shù)控裝置等是機電一體化系統(tǒng)中的核心和智能要素，用于對來自檢測傳感部分的電信號和外部輸入命令進行處理、分析、存儲，做出控制決策，指揮系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)的控制目標(biāo)。為了使控制量（一般是機電一體化系統(tǒng)中的各種被控制機械參量）按預(yù)定的規(guī)律變化，機電一體化對控制系統(tǒng)的基本要求有：

（1）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界輸入或干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后達到新的或者恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定是控制系統(tǒng)正常工作的前提。

（2）快速性。在實際的控制系統(tǒng)中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控制量能迅速按照輸入（或指令）信號所規(guī)定的形式變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度。

（3）精確性。精確性是指要求控制系統(tǒng)的控制精度高?？刂凭仁嵌攘肯到y(tǒng)輸出量能否控制在目標(biāo)值所允許的誤差范圍內(nèi)的一個標(biāo)準(zhǔn)，它反映了動態(tài)過程后期的穩(wěn)態(tài)性能，指的是輸出量跟蹤輸入量的能力。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計中，被控對象不作為設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計任務(wù)只是采用控制器來調(diào)節(jié)給定的被控制對象的狀態(tài)。而在機電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計中，控制系統(tǒng)與被控制對象同在設(shè)計范疇之內(nèi)，兩者應(yīng)有機結(jié)合，使設(shè)計具有更廣的選擇余地，更大的靈活性，從而設(shè)計出性能更好的機電一體化系統(tǒng)。3.1.2機電一體化控制系統(tǒng)的類型、特點與選用

1.機電一體化控制系統(tǒng)的類型與特點

機電一體化系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)根據(jù)所選用的控制器的不同，一般可分為基于PC的控制系統(tǒng)、基于微處理器的控制系統(tǒng)、基于PLC的控制系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)。

1）基于PC的控制系統(tǒng)

基于PC的控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機（也可以是普通計算機）和工業(yè)過程接口兩大部分組成，包括硬件與軟件?；赑C的控制系統(tǒng)具有以下特點：（1）具有完善的輸入/輸出通道，包括模擬量輸入/輸出通道、數(shù)字或開關(guān)量輸入/輸出通道，這是計算機有效發(fā)揮其控制功能的重要特性。

（2）可靠性高，對環(huán)境適應(yīng)性強，以滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的要求。

（3）人機交互方便，畫面豐富，可實時在線檢測與控制。

（4）運算速度快，運算能力強，能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。這是計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢之一，現(xiàn)有的多種智能控制算法大多可以在計算機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。（5）與普通PC的軟、硬件的兼容性好，可充分利用普通PC系統(tǒng)的軟、硬件資源，支持各種操作系統(tǒng)、多種編程語言、多任務(wù)操作系統(tǒng)。軟件資源豐富，控制系統(tǒng)的軟件部分不僅能自行開發(fā)，更有功能強大的工業(yè)控制軟件包（工業(yè)組態(tài)軟件）可供選用，從而減少了開發(fā)周期，提高了可靠性。這也是計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢之一。

基于PC的控制系統(tǒng)在機電一體化系統(tǒng)中的使用較為廣泛。它是一種開放式、通用性較強的控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于規(guī)模復(fù)雜、計算量大且較困難、實時性要求高的環(huán)境中。

2）基于微處理器的控制系統(tǒng)

微處理器（Microprocessor）簡稱MP，是指一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算器和控制器功能的中央處理器部件。微處理器不能單獨構(gòu)成控制器或控制系統(tǒng)，只有配以存儲器、輸入/輸出接口、系統(tǒng)總線等外圍器件，構(gòu)成微型計算機系統(tǒng)（MicrocomputerSystem），才能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能?；谖⑻幚砥鞯目刂葡到y(tǒng)具有以下特點：

（1）成本低，性價比高?；谖⑻幚砥鞯目刂葡到y(tǒng)可以量身定作，成本低，性價比較高。這是基于微處理器的控制系統(tǒng)的優(yōu)勢之一。

（2）實時性好。

（3）體積小，功耗低，可嵌入系統(tǒng)中。

（4）通用性和適應(yīng)性好?；谖⑻幚砥鞯目刂葡到y(tǒng)具有性價比高和易于嵌入的優(yōu)勢，但其交互性較差、運算能力不強，通常應(yīng)用于功能要求不太復(fù)雜、成本要求較高或要求嵌入的場合。它也可以與計算機控制系統(tǒng)一起構(gòu)成更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，作為計算機控制系統(tǒng)的下級或前端處理部分。

隨著微處理器的快速發(fā)展，除了傳統(tǒng)的單片機（例如MCS－51系列）外，陸續(xù)出現(xiàn)了嵌入式微處理器系統(tǒng)（例如ARM系列微處理器）和數(shù)字信號處理系統(tǒng)（例如TI系列DSP微處理器）。

3）基于PLC的控制系統(tǒng)

可編程序控制器（ProgrammableLogicalController）簡稱PLC，是一種基于計算機技術(shù)模仿繼電器邏輯控制原理而發(fā)展起來的工業(yè)環(huán)境下的數(shù)字運算電子控制系統(tǒng)。

基于PLC的控制系統(tǒng)具有以下特點：

（1）成本低，性價比高。

（2）穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，適用于惡劣的工作環(huán)境。

（3）模塊化結(jié)構(gòu)，功能完善，適應(yīng)性強。

（4）簡單易用，使用、維護方便，編程簡單，對使用、維護人員要求較低。基于PLC的控制系統(tǒng)具有簡單易用、可靠性高、特別適合于工作環(huán)境惡劣的場合和邏輯控制的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于功能要求不高，工作環(huán)境惡劣的場合，特別是順序過程控制。將它與觸摸屏配合使用，可克服其交互性差的缺點。

目前，在計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動下，PLC的功能不斷得以完善，它已不再局限于邏輯控制，在連續(xù)閉環(huán)控制和復(fù)雜的分布式控制領(lǐng)域也得到了很好的應(yīng)用，在機電一體化系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。

4）其他控制系統(tǒng)

除了上述幾類控制系統(tǒng)之外，還有諸如NCS（NumericalControlSystem，數(shù)控系統(tǒng)）、DCS（DistributedControlSystem，集散控制系統(tǒng)）、FCS（FieldbusControlSystem，現(xiàn)場總線系統(tǒng)）等多種控制系統(tǒng)在機電一體化系統(tǒng)中的使用也極為廣泛。

2.機電一體化控制系統(tǒng)的選用

在進行機電一體化系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)設(shè)計時，要根據(jù)專用與通用、成本、開發(fā)周期等實際情況來選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)。表3－1給出了各種控制系統(tǒng)的性能比較及選用參考。表3－1各種控制系統(tǒng)的性能比較及選用參考 3.2工控機的特點、組成及總線

3.2.1工控機及其特點

工控機應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，而工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，具有強振、多塵、高電磁干擾等特點，且須連續(xù)作業(yè)。因此，工控機與普通計算機相比，具有如下特點：

（1）采用全鋼結(jié)構(gòu)專用機箱，輔助以CPU卡壓條、過濾網(wǎng)、雙正壓風(fēng)扇、EMI彈片等，解決工業(yè)現(xiàn)場存在的重壓、振動、灰塵、散熱、溫度、電磁干擾等問題，具有較高的防磁、防塵、防沖擊的能力。（2）采用多插槽無源底板結(jié)構(gòu)，可插入各種功能模板（如CPU主板、CRT顯示器接口板等），以總線結(jié)構(gòu)形式（如ISA、PCI總線等）實現(xiàn)部件連接，系統(tǒng)擴充性好，具有很強的輸入/輸出功能，最多可擴充幾十塊板卡，能與工業(yè)現(xiàn)場的各種外設(shè)相連，以完成各種任務(wù)。

（3）采用抗干擾專用電源，具有防浪涌、過壓過流保護功能和良好的電磁兼容性，電源的平均無故障時間可達250000小時。

（4）工控機主板設(shè)計獨特，無故障運行時間長，具有看門狗功能，能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時迅速報警，并在無人干預(yù)的情況下使系統(tǒng)自動恢復(fù)運行。（5）工控機支持19英寸上架標(biāo)準(zhǔn)，機箱平面尺寸統(tǒng)一，可集中安裝在一個立式標(biāo)準(zhǔn)機柜中，設(shè)備占用空間小，便于與其它設(shè)備的連接和管理。

（6）具有控制軟件功能強大，人機交互方便、畫面豐富、能實時在線檢測與控制，對工作狀況變化給予快速響應(yīng)等性能；具有系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)生成功能；具有歷史趨勢記錄和顯示功能；具有豐富的控制算法；具有遠程通信功能，通信網(wǎng)絡(luò)速度快，并符合國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

（7）工控機的軟、硬件兼容性和冗余性好，能同時利用ISA與PCI等資源，支持各種操作系統(tǒng)、多種編程語言、多任務(wù)操作系統(tǒng)，可充分利用商用PC所積累的軟、硬件資源。3.2.2工控機的組成

1.工控機的硬件

工控機的硬件由計算機基本系統(tǒng)和過程I/O系統(tǒng)組成。計算機基本系統(tǒng)由系統(tǒng)總線、主機模板、存儲器板、人機接口板與CRT、磁盤機、打印機等通用外設(shè)組成。過程I/O系統(tǒng)由輸入信號調(diào)理板、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和輸出信號調(diào)理板等組成。工業(yè)控制計算機的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3－1所示。圖3－1工業(yè)控制計算機的硬件組成結(jié)構(gòu)

1）主機板

主機板由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）和I/O接口等部件組成，其作用是將采集到的實時信息按照預(yù)定程序進行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理，及時選擇控制策略并將結(jié)果輸出到工業(yè)過程。芯片采用工業(yè)級芯片，并且是一體化（ALL－IN－ONE）主板，易于更換。2）系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線可分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是工控機內(nèi)部各組成部分之間進行信息傳送的公共通道，常用的內(nèi)部總線有PC總線、PCI總線等。外部總線是工控機與其他計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道。

3）輸入/輸出接口

輸入/輸出接口是工控機和外部設(shè)備或生產(chǎn)過程之間進行信號傳遞和變換的連接通道。輸入/輸出接口包括模擬量輸入通道（AI）、模擬量輸出通道（AO）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸入通道（DI）、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出通道（DO）。輸入通道的作用是將生產(chǎn)過程中的信號變換成主機能夠接收和識別的代碼；輸出通道的作用是將主機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)進行變換，作為執(zhí)行機構(gòu)或電氣開關(guān)的控制信號。

4）人機接口

人機接口包括顯示器、鍵盤、打印機以及專用操作顯示臺等，用于操作員與計算機之間進行信息交換。人機接口既可用于顯示工業(yè)生產(chǎn)過程的狀況，也可用于修改運行參數(shù)。

5）通信接口

通信接口是工控機與其他計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的通道。常用的通信接口有RS－232C、RS－485和CAN總線等。為方便主機系統(tǒng)集成，USB總線接口技術(shù)日益受到重視。

6）系統(tǒng)支持

系統(tǒng)支持功能主要包括：

（1）監(jiān)控定時器，俗稱“看門狗”（Watchdog）。當(dāng)系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常時，能夠使系統(tǒng)自動恢復(fù)運行，提高了系統(tǒng)的可靠性。（2）電源掉電監(jiān)測。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)電源掉電故障時，可及時發(fā)現(xiàn)并保護當(dāng)時的重要數(shù)據(jù)和計算機各寄存器的狀態(tài)。一旦上電，工控機能從斷電處繼續(xù)運行。

（3）后備存儲器。Watchdog和掉電監(jiān)測功能均需要后備存儲器來保存重要數(shù)據(jù)。為保護數(shù)據(jù)不丟失，系統(tǒng)存儲器工作期間，后備存儲器應(yīng)處于上鎖狀態(tài)，以備在系統(tǒng)掉電后保證所存數(shù)據(jù)不丟失。

（4）實時日歷時鐘。實際控制系統(tǒng)中通常有事件驅(qū)動和時間驅(qū)動能力。工控機可在某時刻自動設(shè)置某些控制功能，可自動記錄某個動作的發(fā)生時間，而且實時時鐘在掉電后仍能正常工作。

7）磁盤系統(tǒng)

可以用半導(dǎo)體虛擬磁盤，也可以配通用的軟磁盤和硬磁盤或采用USB磁盤。

2.工控機軟件

工控機軟件按其功用可分為系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件三部分。

1）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件管理工控機的資源，并以簡便的形式向用戶提供服務(wù)，包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序。其中操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件最基本的部分，如Windows等。

2）工具軟件

工具軟件是技術(shù)人員從事軟件開發(fā)工作的輔助軟件，包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序和診斷程序等，以提高軟件生產(chǎn)效率和改善軟件產(chǎn)品質(zhì)量。

3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序，通常包括過程輸入/輸出程序、過程控制程序、人機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。

隨著硬件技術(shù)的高速發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)對軟件也提出了更高的要求。只有軟件和硬件相互配合，充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，才能研制出具有更高性價比的計算機控制系統(tǒng)。目前，工業(yè)控制軟件正向著組態(tài)化、結(jié)構(gòu)化的方向發(fā)展。3.2.3工控機的ISA總線和PCI總線

1.ISA總線

1981年IBM公司推出了基于準(zhǔn)16位機PC/XT的總線，稱為PC總線。1984年，IBM公司又推出了16位PC機PC/AT，其總線稱為AT總線。由于IBM公司未公布AT總線規(guī)格，因此，盡管各兼容機廠商模仿出了AT總線，但還是存在某些模糊不清的解釋。

為了更好地開發(fā)外接插板，由Intel公司、IEEE和EISA集團聯(lián)合開發(fā)出了與IBM/AT[JP]原裝機總線意義相近的ISA（IndustryStandardArchitecture）總線。通常把8位和8位/16位兼容的AT總線稱為ISA總線。

ISA總線插槽有兩種類型（在主板上表現(xiàn)為兩段），即8位和16位。8位I/O插槽由62個引腳組成（A1~A31，B1~B31），用于8位的插接板；8/16位的擴展槽是在62引腳插槽的基礎(chǔ)上再擴展一個36線連接器，這種擴展I/O插槽既可以支持8位的插接板，也可以支持16位的插接板。

ISA總線的主要性能指標(biāo)如下：

（1）I/O地址空間為0100H～03FFH，24位地址線可直接尋址的內(nèi)容為16MB；

（2）8/16位數(shù)據(jù)線；

（3）62+36引腳；

（4）數(shù)據(jù)傳輸速率為8MB/s，最大傳輸速率為16MB/s；

（5）DMA通道功能；

（6）開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源；

（7）基于ISA總線的外插模板種類齊全，性能穩(wěn)定，價格便宜，可滿足大多數(shù)測控領(lǐng)域的需求。圖3－2

ISA總線插槽與PCI總線插槽表3－2

ISA插槽引腳的定義

2.PCI總線

隨著微處理器的飛速發(fā)展，微處理器的高速和總線的低速不同步，造成硬盤、圖形卡和其他外設(shè)只能通過一個慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使CPU的高性能受到了嚴重的影響，為此，1993年后又提出了LocalBUS，即局部總線。標(biāo)準(zhǔn)局部總線目前有兩種。一種是VESA推出VL－BUS（VESALocalBUS）。VL－BUS作為32位高速總線，具有132MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。其優(yōu)點是采用了開放性結(jié)構(gòu)，協(xié)議簡單，傳輸率高，價格低廉，能支持多種硬器件。但VL－BUS的規(guī)范性、兼容性和擴展性均較差，結(jié)構(gòu)偏簡單，無緩沖器，只能支持3個外設(shè)插接板，而且有時還隨所用的CPU和其工作頻率而變。另一種是1993年Intel公司發(fā)布和推出的PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線，該總線可分為PCI1.0和PCI2.0兩種。PCI1.0為32位總線，時鐘頻率為33MHz，總線最大傳輸率為132MB/s。PCI2.0則為64位總線，時鐘頻率為66MHz，最大傳輸率為264MB/s，目前比較新的版本是PCI2.2。

PCI總線在ISA總線和CPU總線之間增加了一級總線，由PCI局部總線控制器（或稱為“橋”，Bridge）相連接，由于獨立于CPU的結(jié)構(gòu)，使總線形成了一種中間緩沖器，從而與CPU及時鐘頻率無關(guān)，使高性能CPU的功能得以充分發(fā)揮。一些高速外設(shè)，如網(wǎng)絡(luò)適配卡、圖形卡、硬盤控制器等可以通過局部總線直接掛接到CPU總線上，使之與高速的CPU總線相匹配，而不必擔(dān)心在不同時鐘頻率下會引起性能的下降。PCI總線可與市場上各種CPU完全兼容，允許用戶隨意增設(shè)多種外設(shè)，并在高時鐘頻率下保持最高傳輸速率。橋也稱為橋連器，是一個總線轉(zhuǎn)換部件。其功能是連接兩條計算機總線，使總線間相互通信。它可以把一條總線的地址空間映照到另一條總線的地址空間，可以使系統(tǒng)中每一臺總線主設(shè)備都能看到同樣的一份地址表。從整個存儲系統(tǒng)來看，有了整體性統(tǒng)一的直接地址表，可以大大簡化編程模型。在PCI規(guī)范中，提出了三種橋的設(shè)計：

（1）主橋，就是CPU至PCI的橋；

（2）標(biāo)準(zhǔn)總線橋，即PCI至標(biāo)準(zhǔn)總線如ISA、EISA、微通道之間的橋；

（3）PCI橋，在PCI與PCI之間的橋。其中，主橋稱為北橋（NorthBridge），其它的橋稱為南橋（SouthBridge）。

PCI總線在開發(fā)時預(yù)留了充足的發(fā)展空間，支持64位數(shù)據(jù)和地址總線，數(shù)據(jù)傳輸率可達264MB/s。由于PCI插槽能同時接納32位和64位插卡，因此32位外設(shè)和64位外設(shè)之間的通信對用戶來說是透明的。

PCI具有明確而嚴格的規(guī)范，保證了其具有良好的兼容性和擴展性（通過PCI－PCI橋接，可允許無限的擴展），并且PCI的嚴格時序及靈活的自動配置能力，使之成為通用的I/O部件標(biāo)準(zhǔn)，廣泛地應(yīng)用于多種平臺和體系結(jié)構(gòu)中。表3－3

PCI總線引腳的定義（5V板卡）

PCI總線信號的定義說明如下：

1）系統(tǒng)信號

CLK：輸入信號，系統(tǒng)時鐘，對于所有的PCI設(shè)備是輸入信號。系統(tǒng)時鐘頻率也稱為PCI總線的工作頻率。

RST：輸入信號，復(fù)位信號，用來使PCI特性寄存器和定時器相關(guān)的信號恢復(fù)初始狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備請求引導(dǎo)系統(tǒng)時，將響應(yīng)“RESET”，復(fù)位后將響應(yīng)系統(tǒng)引導(dǎo)。

2）地址和數(shù)據(jù)信號

AD［31:00］：雙向三態(tài)信號，地址和數(shù)據(jù)共用相同的PCI引腳。在FRAME有效（低電平）時，表示地址相位開始，該組信號線上傳送的是32位物理地址；對于I／O端口，這是一個字節(jié)地址；對于配置空間或存儲器空間，是雙字地址。在數(shù)據(jù)傳送相位時，該組信號線上傳送數(shù)據(jù)信號，AD［7:0］為最低字節(jié)數(shù)據(jù)，而AD［31:24］為最高字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)IRDY有效時，表示寫數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效，而TRDY有效時，則表示讀數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效。在IRDY和TRDY都有效期間傳送數(shù)據(jù)。

C/BE［3:0］：雙向三態(tài)信號，總線命令和字節(jié)允許復(fù)用信號。在地址相位中，這四條線上傳輸?shù)氖强偩€命令；在數(shù)據(jù)相位內(nèi)，它們傳輸?shù)氖亲止?jié)允許信號，表明整個數(shù)據(jù)相位中AD［31:00］上哪些字節(jié)為有效數(shù)據(jù)。C/BE0～C/BE3分別對應(yīng)字節(jié)0~3。

PAR：雙向三態(tài)信號，奇偶校驗信號。該信號用于對AD［31:00］和C/BE［3:0］上的信號進行奇偶校驗，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3）接口控制信號

FRAME：雙向三態(tài)信號，S/T/S，幀周期信號，是當(dāng)前主設(shè)備的一個訪問開始和持續(xù)的時間。FRAME預(yù)示總線傳輸?shù)拈_始，F(xiàn)RAME失效后，是傳輸?shù)淖詈笠粋€數(shù)據(jù)期。

IRDY：雙向三態(tài)信號，S/T/S，主設(shè)備準(zhǔn)備就緒信號，由主設(shè)備驅(qū)動。該信號有效時，表明引起本次傳輸?shù)脑O(shè)備為當(dāng)前數(shù)據(jù)相位做好了準(zhǔn)備，但要與TRDY配合，它們同時有效才能完成數(shù)據(jù)的傳輸。在寫周期，IRDY表示AD［31:00］上數(shù)據(jù)有效；在讀周期，該信號表示主控設(shè)備已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。如果IRDY和TRDY沒有同時有效，則插入等待周期。

TRDY：雙向三態(tài)信號，S/T/S，從設(shè)備準(zhǔn)備就緒信號，由從設(shè)備驅(qū)動。該信號有效時，表示從設(shè)備已做好當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備工作，可以進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。同樣，該信號要與IRDY配合使用，二者同時有效才能傳輸數(shù)據(jù)。在寫周期內(nèi)，該信號有效表示從設(shè)備已做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；在讀周期內(nèi)，該信號有效表示有效數(shù)據(jù)已提交到AD［31:00］上。如果TRDY和RDY沒有同時有效，則插入等待周期。

STOP：雙向三態(tài)信號，S/T/S，從設(shè)備要求主設(shè)備停止當(dāng)前數(shù)據(jù)的傳送。

LOCK：雙向三態(tài)信號，S/T/S，鎖定信號。當(dāng)該信號有效時，一個動態(tài)操作可能需要多個傳輸來完成。

IDSEL：輸入信號，初始化設(shè)備選擇。在參數(shù)配置讀寫傳輸期間，用作芯片選擇。

DEVSEL：雙向三態(tài)信號，S/T/S，設(shè)備選擇信號。該信號有效時，指出有地址譯碼器的設(shè)備作為當(dāng)前訪問的從設(shè)備。作為一個輸入信號，DEVSEL[TX-]顯示出總線上某處、某設(shè)備被選擇。

4）仲裁信號（主設(shè)備使用）

REQ：雙向三態(tài)信號，S/T/S，總線占用請求信號。這是一個點對點信號，任何主控器都有它自己的REQ信號。

GNT：雙向三態(tài)信號，總線占用允許信號。當(dāng)該信號有效時，表示總線占用請求被響應(yīng)。這也是點對點信號，每個總線主控設(shè)備都有自己的GNT。

5）錯誤報告信號

PERR：S/T/S，只報告數(shù)據(jù)奇偶校驗錯。一個主設(shè)備只有在響應(yīng)DEVSEL信號和完成數(shù)據(jù)周期之后，才報告一個PERR。當(dāng)發(fā)現(xiàn)奇偶校驗錯時，必須驅(qū)動設(shè)備，使其在該數(shù)據(jù)后接收兩個數(shù)據(jù)周期的數(shù)據(jù)。

SERR：雙向三態(tài)信號，S/T/S，系統(tǒng)錯誤信號。該信號專門用作報告地址奇偶錯、特殊命令序列中的數(shù)據(jù)奇偶錯或能引起大的災(zāi)難性的系統(tǒng)錯。

6）中斷信號

INTX：O/D，其中X=A、B、C、D，被用在需要一個中斷請求時，且只對一個多功能設(shè)備有意義。

7）設(shè)備測試信號

TCK：輸入信號，測試時鐘。在TAP操作期間，該信號用來測試時鐘狀態(tài)信息和設(shè)備的輸入／輸出信息。

TDI：輸入信號，測試數(shù)據(jù)輸入。在TAP操作期間，該信號用來把測試數(shù)據(jù)和測試命令串行輸入到設(shè)備。

TDO：輸出信號，測試數(shù)據(jù)輸出。在TAP操作期間，該信號用來串行輸出設(shè)備中的測試數(shù)據(jù)和測試命令。

TMS：輸入信號，測試模式選擇。該信號用來控制在設(shè)備中的TAP控制器的狀態(tài)。

TRST：輸入信號，測試復(fù)位。該信號可用來對TAP控制器進行異步復(fù)位，為可選信號。

8）高速緩沖支持信號

為了使具有緩存功能的PCI存儲器能夠和通寫式（Writethrough）或回寫式（Writeback）的Cache操作相配合，PCI總線設(shè)置了兩個高速緩沖支持信號。

SBO：輸入/輸出信號，監(jiān)視返回信號。當(dāng)該信號有效時，表示命中了一個修改行。

SDONE：輸入/輸出信號，查詢完成信號。當(dāng)該信號有效時，表示查詢已經(jīng)完成，反之，查詢?nèi)栽谶M行中。

9）其他可選信號

AD［63：32］：64位擴展信號，地址/數(shù)據(jù)復(fù)用同一引線，提供32位附加位。

C/BE：雙向三態(tài)信號，擴展高32位的總線命令和字節(jié)使能信號。

REQ64：雙向三態(tài)信號，S/T/S，64位傳輸請求。REQ與FRAME有相同時序。

ACK64：雙向三態(tài)信號，S/T/S，告知64位傳輸。該信號表明從設(shè)備將用64位傳輸。ACK64和DEVSEL具有相同時序。

PAR64：雙向三態(tài)信號，奇偶雙字節(jié)校驗，是AD［63：32］和C/BE［7：4］的校驗位。在上述信號中，符號S/T/S表示一次只有一個信號驅(qū)動的低電平三態(tài)信號；符號O/D表示打開負載，允許多個設(shè)備來分擔(dān)共享一個“WrieOR”。

PCI總線上所有的數(shù)據(jù)傳輸基本上是由以下三條信號線控制的：

（1）FRAME：由主設(shè)備驅(qū)動，表示一次數(shù)據(jù)傳輸周期的開始和結(jié)束。

（2）IRDY：由主設(shè)備驅(qū)動，表示主設(shè)備已經(jīng)做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

（3）TRDY：由從設(shè)備驅(qū)動，表示從設(shè)備已經(jīng)做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)數(shù)據(jù)有效時，數(shù)據(jù)源設(shè)備需要無條件設(shè)置xRDY，接收方可以在適當(dāng)?shù)臅r間發(fā)出xRDY信號。FRAME信號有效后的第一個時鐘前沿是地址相位的開始，此時，開始傳送地址信息和總線命令，下一個時鐘前沿進入一個或多個數(shù)據(jù)相位。每當(dāng)IRDY和TRDY同時有效時，所對應(yīng)的時鐘前沿就使數(shù)據(jù)在主、從設(shè)備之間傳送。

一旦主設(shè)備設(shè)置了IRDY，就不能再改變IRDY和FRAME，直到當(dāng)前的數(shù)據(jù)相位完成為止，而此期間不管TRDY的狀態(tài)是否發(fā)生變化。一旦從設(shè)備設(shè)置了TRDY，就不能改變DEVSEL、TRDY或STOP，直到當(dāng)前的數(shù)據(jù)相位完成為止。也就是說，只要數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)開始，那么在當(dāng)前數(shù)據(jù)相位結(jié)束之前，不管是主設(shè)備還是從設(shè)備都不能撤消命令，必須完成數(shù)據(jù)傳輸。最后一次數(shù)據(jù)傳輸時（可能緊接地址相位之后），主設(shè)備應(yīng)撤消FRAME信號而建立IRDY，表明主設(shè)備已做好了最后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備。當(dāng)從設(shè)備發(fā)出TRDY信號時，表明最后一次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成，接口轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，此時FRAME和IRDY均被撤消。

PCI總線定義了三種物理地址空間：內(nèi)存地址空間、I/O地址空間及配置地址空間（配置地址空間用以支持PCI的硬件配置）。使用PCI總線的每個設(shè)備都有自己的地址譯碼邏輯，PCI支持對地址的正向譯碼和負向譯碼。所謂正向譯碼，是指總線上每個設(shè)備都監(jiān)視地址總線上的訪問地址，并判斷是否落在自己的地址范圍內(nèi)，譯碼速度較快。所謂負向譯碼，是指要接收未被其他設(shè)備在正向譯碼中接收的所有訪問，因此，此種譯碼方式只能由總線上的一個設(shè)備來實現(xiàn)(一般是連接標(biāo)準(zhǔn)擴展總線的橋)。由于它要等到總線上其他所有設(shè)備都拒絕之后才能動作，因而速度較慢。負向譯碼對于標(biāo)準(zhǔn)擴展總線上地址空間零散的設(shè)備是很有用的。在I/O地址空間，所有的32位地址都用來表示一個完整的字節(jié)地址。啟動I/O傳輸?shù)闹髟O(shè)備應(yīng)確保AD［1～0］正確指示本次傳輸?shù)淖畹陀行ё止?jié)（即起始字節(jié)）。字節(jié)允許信號和AD［1～0］一起指明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度和雙字中被選中的字節(jié)。

在存儲器地址空間，AD［31:2］提供一個雙字邊界地址，而AD［1:0］不參與地址譯碼，用來指明主設(shè)備要求的數(shù)據(jù)傳輸順序。

在配置地址空間，由AD［7:2］尋址64個雙字寄存器。當(dāng)一條配置命令的地址被譯碼，IDSEL有效且AD［1:0］=00時，設(shè)備判斷是否尋址自己的配置寄存器，如果不是，則不理會當(dāng)前操作。為了避免多個設(shè)備同時驅(qū)動一個信號到PCI總線上而產(chǎn)生競爭，在一個設(shè)備驅(qū)動到另一個設(shè)備驅(qū)動之間要設(shè)置一個過渡期，又稱為交換周期。對于IRDY、TRDY、STOP、DEVSEL等信號，都利用地址相位作為它們的交換周期；而對于FRAME、C/BE［3:0］、AD［31:00］等信號，則是利用數(shù)據(jù)傳輸之間的空閑期作為交換周期。

總線操作結(jié)束有多種方式，在大多數(shù)情況下，由從設(shè)備和主設(shè)備共同撤消準(zhǔn)備就緒信號TRDY和IRDY。如果從設(shè)備不能繼續(xù)傳送，則可以設(shè)置STOP信號，表示從設(shè)備撤消與總線的連接。所尋址的從設(shè)備不存在或者DEVSEL信號一直為無效狀態(tài)都可能導(dǎo)致主設(shè)備結(jié)束當(dāng)前總線操作，使FRAME和IRDY變?yōu)闊o效，回到總線空閑狀態(tài)。

3.3工控機的主板

工控機的主板有很多種型號，根據(jù)尺寸可分為長卡和半長卡，例如研華公司出品的PCA系列CUP板和研祥公司出品的IPC系列CUP板。使用時，可將其插入工控機機箱底板上的ISA總線槽或PCI總線槽中。工控機主板的主要特點是工作溫度范圍較大，一般為0~60℃，裝有“看門狗”定時器，功耗低。研華PCA6190支持LGA775奔騰4/賽揚D處理器板卡，集成VGA/雙千兆網(wǎng)絡(luò)端口DVI，Intel915GV芯片組533/800MHzFSB，支持雙通道DDR2400/533SDRAM，可支持4個SATA設(shè)備，8個USB2.0接口埠，2個PCIExpressx1支持千兆以太網(wǎng)，支持DVI接口，14Pin的GPIO提供，可作為8bit的可編程數(shù)字接口，CMOS支持自動備份和恢復(fù)，以防止BIOS設(shè)置數(shù)據(jù)丟失。其外形如圖3－3所示。圖3－3

PCA6190全長CPU卡

3.4工控機的接口卡

3.4.1模擬量輸入/輸出卡

1.模擬量輸入卡的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）輸入信號量程：所能轉(zhuǎn)換的電壓（電流）范圍，有0～200mV，0～5V，0～10V，±2.5V，±5V，0～10mA，4～20mA等。

（2）分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量，通常用能轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。位數(shù)越高，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號變化的反應(yīng)也就越靈敏。如8位分辨率表示可對滿量程的1/255的增量作出反應(yīng)。若滿量程是5V，則能分辨的最小電壓為5V/255≈20mV。（3）精度：指A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出電壓與理論值之間的誤差，也即數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。精度有絕對精度和相對精度兩種表示法。通常采用數(shù)字量的最低有效位作為度量精度的單位，如（±1/2）LSB。例如，如果分辨率是8位，則它的精度為±1/512。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換器的精度為（1/4～2）LSB。

（4）輸入信號類型：電壓或電流型，單端輸入或差分輸入。

（5）輸入通道數(shù)：單端/差分通道數(shù)，與擴充板連接后可擴充通道數(shù)。（6）轉(zhuǎn)換速率：30000采樣點/s、50000采樣點/s或更高。

（7）可編程增益：1～1000增益系數(shù)編程選擇。

（8）支持軟件：性能良好的模板可支持多種應(yīng)用軟件并帶有多種語言的接口及驅(qū)動程序。

2.模擬量輸出卡的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）分辨率：反映了D/A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力，即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時對應(yīng)輸出模擬量的變化量，定義為基準(zhǔn)電壓與2n的比值，其中n為D/A轉(zhuǎn)換的位數(shù)，如8位、10位、12位、16位等。數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高，即轉(zhuǎn)換時對輸入量變化的敏感度也就越高。實際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)分辨率的要求來選定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。（2）穩(wěn)定時間：又稱轉(zhuǎn)換速率，是指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿度值的變化時，輸出達到穩(wěn)定（一般穩(wěn)定到與±1/2最低位值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)，即±1/2LSB）所需的時間，一般為幾十毫微秒到幾個毫微秒。

（3）輸出電平：不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出電平相差較大，一般為5～10V，也有一些高壓輸出型為24～30V；電流輸出型為4～20mA，有的高達3A級。

（4）輸入編碼：如二進制BCD碼、雙極性時的符號數(shù)值碼、補碼、偏移二進制碼等。

（5）編程接口和支持軟件：與A/D轉(zhuǎn)換器相同。

3.典型的模擬量輸入/輸出卡產(chǎn)品

工控機使用的模擬量輸入/輸出接口卡有很多種型號，例如研華公司出品的基于ISA總線的PCL系列模擬量輸入/輸出卡和基于PCI總線的PCI系列模擬量輸入/輸出卡。

基于ISA總線的PCL系列模擬量輸入輸出卡主要有PCL－711、PCL－812PG和PCL－816等。

PCL－711是25kHz的12位模擬量輸入/輸出卡，其A/D和D/A變換器具有12位分辨率，采樣速率為25kHz。PCL－711具有8路單端模擬量輸入接口，A/D變換器可編程設(shè)定輸入范圍，具有1路模擬量輸出，其A/D和D/A帶有定時器觸發(fā)功能。

PCL－812PG具有16路單端12位模擬量輸入接口，2路12位模擬量輸出，采樣速率可編程，最快可達30kHz，并帶有16路數(shù)字量輸出和16路數(shù)字量輸入。

PCL－816是16位高分辨率的模擬量輸入/輸出卡，配置16位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速的100kHz采樣性能，支持16路差分模擬量輸入，增益可單獨編程（×1，×2，×4或×8），具有可編程DMA通道。

基于PCI總線的PCI系列模擬量輸入/輸出卡主要有PCI－1710HG、PCI－1712和PCI－1716等。

PCI－1710HG具有16路單端或8路差分模擬量輸入或組合輸入方式，使用12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100kHz，每個輸入通道的增益可編程。

PCI－1712是一款高速多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集接口卡。它有1MHz速度的12位A/D轉(zhuǎn)換器，卡上帶有FIFO緩沖器（可存儲1KBA/D采樣值和32KBD/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）。PCI－1712提供16單端或8路差分的模擬量輸入（也可以單端差分混合使用），2路12位D/A模擬量輸出通道，16路數(shù)字量輸出通道，以及3個10MHz時鐘的16位多功能計數(shù)器通道。PCI－1712支持PCI總線DMA功能,用于高速數(shù)據(jù)傳輸和無間隔的模擬量輸入與模擬量輸出。通過設(shè)置PC的內(nèi)存，PCI－1712可執(zhí)行總線數(shù)據(jù)傳輸，而不需要CPU的干預(yù)，可使CPU去執(zhí)行其它更重要的工作（比如，數(shù)據(jù)分析和圖形操作）。這種功能允許用戶全速使用所有I/O功能且不丟失數(shù)據(jù)。PCI－1712還具有自動通道/SD*/BU*掃描功能，卡上帶有用于A/D采樣的1KBFIFO和用于D/A輸出的32KBFIFO，可以實現(xiàn)模擬量輸入/輸出通道的自動校準(zhǔn)，具有16路數(shù)字量輸入/輸出通道。

PCI－1716/1716L是一款高分辨率、多功能的PCI數(shù)據(jù)采集接口卡，其中，PCI－1716與PCI－1716L的區(qū)別是，PCI－1716帶有模擬量輸出功能，而PCI－1716L沒有模擬量輸出功能，其余兩者相同。

由于各類模擬量輸入/輸出卡的模擬量輸入和輸出端的工作原理非常類似，因此下面僅選擇PCI－1716模擬量輸入/輸出卡作為典型例子進行詳細介紹。

PCI－1716帶有一個250kHz的16位A/D轉(zhuǎn)換器，1KB用于A/D的采樣FIFO緩沖器。PCI－1716可以提供16路單端模擬量輸入和8路差分模擬量輸入，也可以組合輸入。它帶有2個16位D/A輸出通道、16路數(shù)字量輸入/輸出通道和1個14MHz16位計數(shù)器通道。

PCI－1716符合PCI規(guī)格Ver2.1標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用，在安裝插卡時，用戶不需要設(shè)置任何跳線和DIP撥碼開關(guān)。

PCI－1716具有一個自動通道/增益/SD/BU掃描電路，控制采樣中的多路選通器，卡上的SRAM存儲有不同的通道增益、SD和BU值。這種設(shè)計方法使用戶可以執(zhí)行多通道的高速采樣，并且每個通道可以設(shè)定為不同的增益、SD和BU值。這里，SD指單端/差分，BU指雙極/單極。

先進先出FIFO緩沖器可以實現(xiàn)連續(xù)高速下的數(shù)據(jù)傳輸及Windows下更可靠的性能。

PCI－1716通過使用校準(zhǔn)程序可以提供自動校準(zhǔn)功能。其內(nèi)建的校準(zhǔn)電路對模擬量輸入和輸出通道中的增益與偏移誤差進行修正，無須調(diào)整外部設(shè)備和用戶設(shè)置。

PCI－1716帶有一個DIP撥碼開關(guān)，當(dāng)PC機箱中安裝了多塊PCI－1716采集卡時，可使用此開關(guān)來定義每塊卡的ID。

PCI－1716具有PCI總線插腳，可以插入工控機的PCI總線插槽中使用，其與外界信號的聯(lián)系則通過SCSHI孔型接口接入。PCI－1716的外形如圖3－4所示。SCSHI孔形接口如圖3－5所示。SCSHI孔形接口的引腳說明見表3－4。圖3－4

PCI－1716的外形圖3－5

PCI－1716的SCSHI孔形接口表3－4

PCI－1716的SCSHI孔形接口引腳信號說明圖3-6測量單端模擬信號輸入的連接方法

PCI－1716的16個模擬輸入通道可以設(shè)置成8對差分式輸入通道。差分輸入需要兩根線分別接到兩個輸入通道上，測量的是兩個輸入端的電壓差。如果信號源連有參考地，則PCI－1716的地端和信號源的地端之間會存在電壓差，這個電壓差會隨信號源輸入到輸入端，這個電壓差就是共模干擾。為了避免共模干擾，可以將信號地連到低電壓輸入端，這種地參考信號源的連接方式如圖3－7（a）所示。如果是一個浮動信號源連接到差分輸入端，則信號源可能會超過程控放大器PGIA的共模輸入范圍，PGIA過飽和將不能正確讀出輸入電壓值。因此，必須將浮動信號源的兩端分別通過一個電阻連接到AIGND，這樣可以消除信號源同板卡地之間的共模電壓。這種浮動信號源的連接方法如圖3－7（b）所示。圖3－7差動模擬信號輸入的連接方法

PCI－1716有兩個D/A轉(zhuǎn)換通道：AO0－OUT和AO1－OUT，可以使用內(nèi)部提供的-5V/-10V的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生0~+5V/+10V的模擬量輸出，也可以使用外部基準(zhǔn)電壓AO0－REF和AO1－REF，外部基準(zhǔn)電壓范圍是-10V/+10V。比如，外部參考電壓是-7V，則輸出0~+7V的輸出電壓。連接方法如圖3－8所示。圖3－8模擬信號輸出的連接方法3.4.2數(shù)字量輸入/輸出卡

在工業(yè)控制現(xiàn)場，除隨時間而連續(xù)變化的模擬量外，還有各種開關(guān)信號可視為數(shù)字量（開關(guān)量）信號。數(shù)字量輸入/輸出（DI/DO）接口卡實現(xiàn)各類開關(guān)信號的輸入/輸出控制。數(shù)字量輸入、輸出模板分為非隔離型和隔離型兩種，隔離型一般采用光電耦合器實現(xiàn)隔離。

數(shù)字量輸入接口卡將被控對象的數(shù)字信號或開關(guān)狀態(tài)信號送給計算機，或把雙值邏輯的開關(guān)量變換為計算機可接收的數(shù)字量。數(shù)字量輸出接口卡把計算機輸出的數(shù)字信號傳送給開關(guān)型的執(zhí)行機構(gòu)，控制它們的通、斷或指示燈的亮、滅等。一般來說，在使用數(shù)字量輸入接口卡時，要求將信號源的一端與光隔離的某一點相連，另一端接電源的負極；對于數(shù)字量輸出接口卡，則要求將輸出的一端與電源的正極相連，即所謂“輸入共陰，輸出共陽”的接線方式，否則會造成輸入時采不到信號，輸出時測不到信號的現(xiàn)象。3.4.3運動控制卡

運動控制（MotionControl）是指使用伺服機構(gòu)（例如液壓泵或電機等）來控制機器的位置和速度。運動控制在機器人和數(shù)控機床領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用比在一些專用機器中的應(yīng)用更為復(fù)雜，后者的運動形式一般比較簡單，通常被稱為通用運動控制（GeneralMotionControl）。通用運動控制被廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織和裝配工業(yè)中。運動控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)組成包括：（1）運動控制器，用以生成軌跡點（期望輸出）和構(gòu)成位置反饋閉環(huán)，許多控制器還可以在內(nèi)部構(gòu)成一個速度閉環(huán)。（2）驅(qū)動或放大器，用以將來自運動控制器的控制信號（通常是速度或扭矩信號）轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。智能化驅(qū)動器可以自身閉合位置環(huán)和速度環(huán)，以獲得更精確的控制。（3）執(zhí)行器，如液壓泵、氣缸、線性執(zhí)行機或電機，用以輸出運動。（4）反饋傳感器，如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)傳感器等，用以反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。（5）機械部件，用以將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為期望的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。通常，運動控制系統(tǒng)具有如下功能：

（1）速度控制；

（2）點位控制，實現(xiàn)點到點的運動軌跡和運動過程中的速度控制；

（3）電子齒輪（或電子凸輪），即從動軸位置在機械上跟隨主動軸位置的變化。電子凸輪較電子齒輪更復(fù)雜一些，它使得主動軸和從動軸之間的隨動關(guān)系曲線是一個函數(shù)。運動控制卡是一種基于工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元（運動控制器），它有基于PCI總線、ISA總線或USB總線等多種類型。運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，通過控制步進電機或伺服電機，可以同時實現(xiàn)對1~8個軸的運動控制。運動控制卡可以完成運動控制過程中的所有細節(jié)工作，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等。高性能的多軸運動控制卡支持插補功能，如線性、圓形和弧形的2D和3D插補。插補功能對于數(shù)控機床的控制十分重要。一個零件的輪廓往往是復(fù)雜多樣的，有直線、圓弧，也可能是任意曲線、樣條線等，數(shù)控機床的刀具一般是不能以曲線的實際輪廓去走刀的，而是近似地以若干條很小的直線去走刀，走刀的方向一般是x和y方向。插補方法是指以微小的直線段逼近實際輪廓曲線（即如果不是直線，也用逼近的方式把曲線分解為一段段直線去逼近）。決定質(zhì)點空間位置需要三個坐標(biāo)，而決定剛體在空間的位置則需要六個坐標(biāo)。一個運動控制系統(tǒng)可以控制的坐標(biāo)個數(shù)，稱為該運動控制系統(tǒng)的軸數(shù)。一個運動控制系統(tǒng)可以同時控制運動的坐標(biāo)個數(shù)稱為該運動控制系統(tǒng)可聯(lián)動的軸數(shù)。實現(xiàn)插補功能時，需要多軸聯(lián)動，各軸的運動軌跡需要保持一定的函數(shù)關(guān)系，例如直線、圓弧、拋物線、正弦曲線等。數(shù)控機床中會涉及2軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動直至5軸聯(lián)動。

群組軸控制功能可以以其中一個運動控制卡的軸為基準(zhǔn)，然后支持2個帶有2D線性或圓形插補的組。直接計算得出運動軌跡的坐標(biāo)值往往要用到乘除法、高次方、無理函數(shù)、超越函數(shù)等，會占用很多的CPU時間。為了實時、快速地控制運動軌跡，需要預(yù)先對運動軌跡進行直線和圓弧擬合，擬合后的運動軌跡僅由直線段和圓弧段所組成，而計算運動軌跡時，每一點的運動軌跡可根據(jù)前一個坐標(biāo)點的數(shù)據(jù)通過插補運算得到，這樣就把計算簡化為增量減量移位和加減法。研華公司出品的PCI－1240是一款典型的多軸運動控制卡。該控制卡基于PCI總線，實現(xiàn)高速4軸步進電機/伺服電機運動控制，由于其在設(shè)計上簡化了步進和脈沖伺服運動控制策略，因而可以顯著提高電機的運動性能。它采用了智能NOVA－MCX314運動ASIC芯片，可提供各種運動控制功能，如2/3軸線性插補，2軸圓弧插補，T/S曲線加速/加速控制等，并提供Windows

DDL驅(qū)動程序。

PCI－1240具有可編程T/S曲線加/減速控制功能。X、Y、Z和U等4軸中的每個軸都可以單獨預(yù)設(shè)S曲線或梯形加/減速度控制模式?？梢赃x擇任何2個軸或3個軸執(zhí)行線性插補驅(qū)動，選擇任何兩個軸執(zhí)行圓弧插補控制，插補速度為1pps到4Mpps。每個軸都帶有1個32位邏輯位置計數(shù)器和1個32位實際位置計數(shù)器，邏輯位置計數(shù)器用來對軸的脈沖輸出進行計數(shù)，實際位置計數(shù)器用來記錄來自外部編碼器或線性量尺的反饋。表3－5

PCI－1240引腳說明

表3－5

PCI－1240引腳說明圖3－9三種形式的電機運動控制脈沖電機驅(qū)動器接收來自運動控制卡發(fā)出的電機運動控制脈沖信號，實現(xiàn)對步進電機或伺服電機的控制。電機運動控制脈沖信號具有三種模式（如圖3－9所示）：（1）方向信號+脈沖序列；（2）CW脈沖序列+CCW脈沖序列；（3）正交兩相脈沖序列。這里CW（clockwise）指順時針旋轉(zhuǎn)，CCW（counterclockwise）指逆時針旋轉(zhuǎn)。一般來說，方向信號+脈沖序列模式?jīng)]有CW/CCW模式抗干擾能力強，但是支持方向信號+脈沖序列模式的驅(qū)動器多且接線簡便。PCI－1240支持方向信號+脈沖序列模式和CW脈沖序列+CCW脈沖序列模式。PCI－1240與步進電機驅(qū)動器的連接方法如圖3－10所示。圖3－10

PCI－1240與步進電機驅(qū)動器的連接圖3－11

PCI－1240在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用3.4.4

RS－232/RS－485模塊

RS－232接口標(biāo)準(zhǔn)是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。經(jīng)過修改后，最終推出的是RS－232C接口標(biāo)準(zhǔn)，這里RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。

RS－232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，采用一個25腳的DB25連接器，連接器每個引腳的信號內(nèi)容和信號電平均加以具體規(guī)定。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。因此，DB25連接器一般只使用2（RxD，信號接收）、3（TxD，信號發(fā)送）、7（GND，地線）三個引腳。隨著設(shè)備的不斷改進，目前較多地使用DB9替代DB25接口，DB9所使用的引腳是2（RxD）、3（TxD）和5（GND）。一般情況下計算機上會有兩組RS－232C接口，分別稱為COM1和COM2。在RS－232C的TxD和RxD引腳上，邏輯1（MARK，傳號）=-3～-15V，邏輯0（SPACE，空號）=+3～+15V。顯然，RS－232C是用正、負電壓來表示邏輯狀態(tài)的，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，需要在RS－232C與TTL電路之間建立電平和邏輯的轉(zhuǎn)換關(guān)系。一般使用集成電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到RS－232C電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可完成RS－232C電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，MAX232芯片則可完成TTL到RS－232C的雙向電平轉(zhuǎn)換。

RS－232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特/秒。RS－232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，則通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS－232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

RS－422是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）規(guī)定的另一種計算機的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。RS－422使用差分信號，采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。

RS－485是對RS－422的改進，它較RS－422增加了連接設(shè)備的個數(shù)，從10個增加到32個，同時定義了在最大設(shè)備個數(shù)情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。RS－485是RS－422的超集，因此所有的RS－422設(shè)備可以被RS－485控制。

RS－422和RS－485的電路原理基本相同。RS－422通過兩對雙絞線可以全雙工工作，收發(fā)互不影響。RS－485采用半雙工工作方式，僅使用一個雙絞線，任何時候只有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS－485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS－485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。RS－422和RS－485以差動方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線，在19kp/s下能傳輸1200m。與RS－232C相比，RS－422和RS－485大大增強了長距離通信能力。在工業(yè)控制計算機應(yīng)用中，建立連向計算機的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、其他數(shù)據(jù)收集控制器、HMI或者其他操作時，串行連接一般選擇RS－485接口。

RS－485和RS－422的引腳功能在采用DB9連接器的情況下有如下形式：8（TxD+，數(shù)據(jù)發(fā)送），9（TxD-，數(shù)據(jù)發(fā)送），4（RxD+，數(shù)據(jù)接收），5（RxD-，數(shù)據(jù)接收），3（RTS+，握手信號），7（RTS-，握手信號，發(fā)送數(shù)據(jù)請求），2（CTS+，清除發(fā)送信號），6（CTS-，清除發(fā)送信號），1（GND，地線）。工業(yè)計算機一般配置有標(biāo)準(zhǔn)的RS－232C接口，但是為了提高傳輸速率和傳輸距離，需要將RS－232C接口轉(zhuǎn)換為RS－422和RS－485接口。

ADAM－4520是一款由研華公司出產(chǎn)的隔離型RS－232到RS－422/485轉(zhuǎn)換器（采用光耦技術(shù)，具有3000VDC的隔離能力，以保護主計算機）；ADAM－4522則是一款非隔離型RS－232到RS－422/485轉(zhuǎn)換器。它們能夠?qū)S－232信號透明地轉(zhuǎn)換為RS－422和RS－485信號，無需改動PC上的任何硬件及軟件。ADAM－4510是隔離型RS－422/RS－485中繼器，它能夠?qū)⑼ㄐ啪嚯x再延長1200m，或再增加32個連接節(jié)點。

ADAM－4521是一款智能型RS－422/485到RS－232轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)置的微處理器，能為每個RS－232設(shè)備分配一個地址。ADAM－4521使用了2個UART，能夠在數(shù)據(jù)被傳送到RS－232設(shè)備之前對其進行自動處理，可以適應(yīng)RS－232設(shè)備與RS－485網(wǎng)絡(luò)之間的不同波特率。ADAM－4521可以利用RS－232設(shè)備組建一個易于通信的RS－485網(wǎng)絡(luò)。ADAM－4000系列模塊（又稱亞當(dāng)模塊）是研華公司出產(chǎn)的應(yīng)用于RS－485通信協(xié)議的工業(yè)控制模塊，可用于工業(yè)場合遠距離高速傳輸和接收數(shù)據(jù)，其外形如圖3－12所示。圖3－12

ADAM－4000系列模塊

ADAM－4000系列模塊主要包括8路16位模擬量輸入模塊ADAM－4017、8路熱電偶16位輸入模塊ADAM－4018、8路16位模擬量輸入數(shù)據(jù)記錄器（mV、V、mA或熱電偶）ADAM－4018M、12位模擬量輸出模塊（V或mA）ADAM－4021、7路數(shù)字量輸入/8路數(shù)字量輸出模塊ADAM－4050、4路繼電器輸出模塊ADAM－4060和串行雙回路PID控制器ADAM－4022T等?；贏DAM的計算機遠程控制系統(tǒng)的示意圖如圖3－13所示。圖3－13應(yīng)用ADAM模塊構(gòu)成的計算機遠程控制系統(tǒng)示意圖3.4.5

CAN總線接口卡

當(dāng)兩個或更多的計算機在協(xié)議控制下通過一個通信網(wǎng)相互連接時，它們的集合稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。

計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)、總線型網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)和分布式網(wǎng)絡(luò)。其中，總線型網(wǎng)將所有的入網(wǎng)計算機通過分接頭接入一條載波傳輸線上，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)就是一條傳輸線。

計算機網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸方式分為電路交換、報文交換和分組交換。由于電路交換和報文交換都有很強的局限性，因此大型計算機網(wǎng)絡(luò)主要使用分組交換。分組交換需要一整套稱為“協(xié)議”的軟、硬件規(guī)范來管理和控制網(wǎng)絡(luò)運行。隨著計算機硬件價格的下跌和性能的不斷提高，以微處理器為核心的各類智能設(shè)備的應(yīng)用得到普及，使得一個區(qū)域內(nèi)（如辦公大樓、工廠、車間等）有大量的智能設(shè)備需要互連以進行信息交換。局域網(wǎng)就是為適應(yīng)這種需求而誕生的應(yīng)用于小區(qū)域計算機通信的網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)分為一般局域網(wǎng)（LAN）、高速局域網(wǎng)（HSLN）和計算機化分組交換機（CBX），其中，LAN的應(yīng)用范圍最為廣泛，傳輸速率可以達到1~20Mb/s。在工業(yè)現(xiàn)場和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域，目前已經(jīng)有大量的復(fù)雜或大規(guī)模的控制系統(tǒng)得到應(yīng)用，這些系統(tǒng)需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器，并且通常分布在很廣的范圍內(nèi)。若采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，則介質(zhì)造價和安裝成本高昂；若采用LAN組件及環(huán)型或總線型拓撲結(jié)構(gòu)，則造價也十分昂貴。所以，需要設(shè)計一種造價低廉且又能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境考驗的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場總線（FieldBus）就是在這種背景下誕生的?，F(xiàn)場總線的最大優(yōu)點是可以大大節(jié)約連接導(dǎo)線、維護和安裝的費用。

CAN總線是一種典型的現(xiàn)場總線，其全稱為控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNet）。CAN總線系統(tǒng)最初在汽車上使用，由于其具有多主控協(xié)議、實時能力、糾錯功能和強抑噪能力，同時隨著與其相關(guān)的電子設(shè)備使用量的大幅增長，因而它也在工業(yè)自動化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，特別適用于網(wǎng)絡(luò)化智能“I/O”設(shè)備，如工廠或機器中的傳感器及執(zhí)行器。

CAN總線具有以下特點：

（1）通信介質(zhì)采用廉價的雙絞線，無特殊要求，用戶接口簡單，容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)。

（2）采用對等結(jié)構(gòu)，即多主機工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意一個節(jié)點可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時需要。

（4）采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點自動停止發(fā)送，在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。（5）可選用以點對點、點對多點、點對網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信距離最遠達10km(5kb/s)，節(jié)點數(shù)目可達110個。

（6）采用短幀結(jié)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，具有CRC校驗和其它檢測措施，數(shù)據(jù)出錯概率小。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉功能，不會影響總線上其它節(jié)點的操作。

CAN總線協(xié)議是參考ISO/OSI（國際標(biāo)準(zhǔn)/開放系統(tǒng)互聯(lián)）的7層協(xié)議模式而定義的，但因它主要用來傳送簡短信號，而且是一個封閉性的系統(tǒng)，并不需要負責(zé)系統(tǒng)的安全、產(chǎn)生用戶接口的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的登錄等動作，所以只涉及了實體層（物理層）和數(shù)據(jù)鏈接層的定義。

CAN總線的實體層負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點之間的連接，以及在銅線、同軸纜線、光纖中甚至是無線信號上的脈沖傳送。傳送器的實體層將從數(shù)據(jù)鏈接層來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信息，再傳送出去；在接收端，實體層將這些電子信息傳換為數(shù)據(jù)格式，再傳送到數(shù)據(jù)鏈接層。CAN的實體層規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的實體層必須保持一致的特性，包括位表示法、位時序及同步性，通常還包括腳位連接器和接線的型式。

CAN的實體層（物理層）從結(jié)構(gòu)上分為三層：物理層信令（PhysicalLayerSignaling，PLS）、物理介質(zhì)附件（PhysicalMediaAttachment，PMA）層和介質(zhì)從屬接口（MediaDependentInterface，MDI）層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層的功能由CAN控制器完成，PMA層的功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。

CAN由兩條序列總線CAN-H和CAN-L形成雙絞線實時傳輸數(shù)據(jù)，速率高達1Mb/s。理論上，每個CAN總線可連接2032個節(jié)點，但受限于收發(fā)器的功能，實際上最多可連接100余個節(jié)點，而在一般的運用上則大約連接3～10個節(jié)點。CAN實體層示意圖如圖3－14所示。圖3－14

CAN實體層示意圖

CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl，LLC）完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制（MediumAccessControl，MAC）子層完成數(shù)據(jù)打包／解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答及串并轉(zhuǎn)換等功能。

CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈接層的主要功能之一是當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個信號同時想使用網(wǎng)絡(luò)中的相同資源時，如何防止沖突的發(fā)生。媒體訪問控制MAC功能會讓具有最高優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先使用總線的網(wǎng)絡(luò)資源。CAN協(xié)議規(guī)定，在數(shù)據(jù)幀開始處設(shè)置仲裁域，仲裁域中有一個識別碼，識別碼的數(shù)值越小，表示其優(yōu)先權(quán)限越高。在CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)中，定義識別碼的長度為11位，后因市場需求，提出了延伸性的2.0B版本。2.0B稱為延伸性CAN，允許29位的識別碼，而且有主動及被動式兩種：2.0B主動，能收、發(fā)延伸數(shù)據(jù)幀的節(jié)點；2.0B被動，可放棄接收到的延伸數(shù)據(jù)幀。2.0B的29位識別碼能夠提供5億多個獨特的信號及優(yōu)先等級，足以滿足來自越來越多節(jié)點的大量存取要求。

MAC的幀是包含有傳送器送出的完整信號的數(shù)據(jù)封包。在CAN協(xié)議中有4種幀，即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。以下主要介紹數(shù)據(jù)幀的組成。

數(shù)據(jù)幀包含了識別碼和各種控制信息，以及最多8字節(jié)的數(shù)據(jù)。其基本組成包括幀開始（SOF）、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、檢驗域（CRC）、應(yīng)答域（ACK）及幀結(jié)束（EOF）等，如圖3－15所示。由于CAN總線具有通信速率高、可靠性好、連接方便和性價比高的特點，因此其應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)得以迅速發(fā)展，大量器件廠商不斷推出各種CAN總線產(chǎn)品，并逐步形成系列。以工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用模式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。圖3－15延伸性CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)幀示意圖以工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要使用基于ISA總線或PCI總線的CAN接口通信卡。研華公司出品的PCI－1680U是一款用于連接CAN總線和工控機PCI總線的帶隔離功能的2端口CAN接口通信卡。

PCI－1680U能夠兼容最新的3.3V信號系統(tǒng)和傳統(tǒng)的5V信號系統(tǒng)，采用CAN2.0A/B協(xié)議，以SJA－1000作為CAN控制器，82C250作為CAN收發(fā)器，具有1Mb/s傳輸速率和16MHzCAN控制器頻率，能夠提供總線仲裁及查錯功能，可在檢查到錯誤時自動重發(fā)數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)丟失的概率，可有效確保系統(tǒng)的可靠性?？ㄉ系腃AN控制器占用了內(nèi)存中不同的地址，可以同時使用這兩個CAN控制器，它們之間互不影響。圖3－16

PCI－1680U在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.5工業(yè)組態(tài)軟件

3.5.1工業(yè)組態(tài)軟件簡介

組態(tài)是指操作人員根據(jù)應(yīng)用對象及控制任務(wù)的要求，配置（包括對象的定義、制作和編輯，對象狀態(tài)特征參數(shù)的設(shè)定等）用戶應(yīng)用軟件的過程。

組態(tài)軟件是一種應(yīng)用程序生成器，其功能是在保持軟件平臺的執(zhí)行代碼不變的基礎(chǔ)上，通過改變軟件配置信息（包括圖形文件、硬件配置文件、實時數(shù)據(jù)庫等）實現(xiàn)對計算機硬件和軟件資源進行配置，快速生成面向具體任務(wù)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件。組態(tài)軟件是完成系統(tǒng)硬件與軟件溝通、建立現(xiàn)場與監(jiān)控層溝通的人機界面的軟件平臺。使用組態(tài)軟件，用戶無需了解復(fù)雜的計算機編程的知識，就可以在短時間內(nèi)完成一個穩(wěn)定、成熟并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。

組態(tài)軟件一般由兩部分組成（如圖3－17所示）：

（1）系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境（或稱組態(tài)環(huán)境）：用戶在組態(tài)環(huán)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制打印報表等全部組態(tài)工作，組態(tài)結(jié)果保存在實時數(shù)據(jù)庫中，一般在辦公室就可完成。

（2）系統(tǒng)運行環(huán)境：將目標(biāo)應(yīng)用程序（用戶的組態(tài)結(jié)果）裝入計算機內(nèi)存并投入實時運行，完成對生產(chǎn)設(shè)備及過程的控制，一般在現(xiàn)場使用。圖3－17工業(yè)組態(tài)軟件的組成組態(tài)軟件的主要功能有：

（1）實時數(shù)據(jù)采集（數(shù)字量、模擬量）；

（2）動態(tài)顯示數(shù)據(jù)（文本、曲線、圖、表等方式）；

（3）數(shù)據(jù)的實時運算處理（內(nèi)置數(shù)字處理+腳本支持）；

（4）過程控制（腳本實現(xiàn)控制策略，流程控制）；

（5）歷史數(shù)據(jù)記錄；

（6）報警功能；

（7）網(wǎng)絡(luò)通信功能（TCP/IP、Modem）；

（8）開放式結(jié)構(gòu)（可擴充性，允許二次開發(fā)）。組態(tài)軟件的主要特點與應(yīng)用如下所述：

（1）使用組態(tài)軟件，用戶無需具備計算機編程知識，就可以在短時間內(nèi)輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定、功能全面、維護量小并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。

（2）組態(tài)軟件具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。工業(yè)組態(tài)軟件MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Windows95/98/Me/NT/2000/XP等操作系統(tǒng)。

MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。

MCGS工作臺由5個功能窗口組成：主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫、運行策略。各窗口的功能如圖3－18所示。圖3－18

MCGS功能圖塊3.5.2工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計的基本步驟

應(yīng)用MCGS組態(tài)軟件完成一個工程的主要步驟如下：