第1章計算機控制系統(tǒng)概述

習題與思考題

14測控系統(tǒng)計算機化的重要意義是什么？

1-2計算機控制系統(tǒng)能完成哪些任務？

1-3計算機控制系統(tǒng)有哪些特點？

1-4對計算機控制系統(tǒng)有哪些基本要求？

1-5為什么大多數控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)？

1-6如何理解計算機控制系統(tǒng)的實時性？

1-7按應用領域和設備形式，計算機控制系統(tǒng)可分為哪幾種？

1-8什么是智能控制？有哪幾種典型的智能控制方法？

1-9通過查閱文獻，了解當前計算機控制技術中的現(xiàn)代控制理論。

參考答案

1-1測控系統(tǒng)計算機化的重要意義是什么？

答：傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)主要由“測控電路”組成，所具備的功能較少，也比較弱。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)發(fā)生了根本性變革，即采用微型計算機作為測控系

統(tǒng)的主體和核心，替代傳統(tǒng)測控系統(tǒng)的常規(guī)電子線路，從而成為新一代的微機化測控系統(tǒng)。

由于微型計算機的速度快、精度高、存儲容量大、功能強及可編程等特點，將微型計算機引入測控系

統(tǒng)中，不僅可以解決傳統(tǒng)測控系統(tǒng)不能解決的問題，而且還能簡化電路、增加或增強功能、提高測控精度

和可靠性，顯著增強測控系統(tǒng)的自動化、智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級

換代等。

因此，現(xiàn)代測控系統(tǒng)設計，特別是高精度、高性能、多功能的測控系統(tǒng)，目前已很少有不采用計算機

技術的了。在當今，完全可以這樣說，沒有微處理器的儀器就不能稱為儀器，沒有微型計算機的測控系統(tǒng)

就更不能稱其為現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)。

計算機技術的引入，為測控系統(tǒng)帶來以下一些新特點和新功能：

1）自動清零功能。在每次采樣前對傳感器的輸布值自動清零，從而大大降低因測控系統(tǒng)漂移變化造

成的誤差。

2）量程自動切換功能?？筛鶕y量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制

范圍的同時提高分辨率。

3）多點快速測控?？蓪Χ喾N不同參數進行快速測量和控制。

4）數字濾波功能。利用計算機軟件對測量數據進行處理，可抑制各種干擾和脈沖信號。

5）自動修正誤差。許多傳感器和控制器的特性是非線性的，且受環(huán)境參數變化的影響比較嚴重，從

而給儀器帶來誤差。采用計算機技術，可以依靠軟件進行在線或離線修正。

6）數據處理功能“利用計算機技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實現(xiàn)的各種復雜的處理和運算功能，比如

統(tǒng)計分析、檢索排序、函數變換、差值近似和頻譜分析等。

7）復雜控制規(guī)律。利用計算機技術不僅可以實現(xiàn)經典的PID控制，還可以實現(xiàn)各種復雜的控制規(guī)律,

例如，自適應控制、模糊控制等；同時也能夠實現(xiàn)控制方案和控制規(guī)律的在線修改，使整個系統(tǒng)具有很大

的靈活性與適應性。

8）多媒體功能。利用計算機的多媒體技術，可以使儀器具有聲光、語音、圖像、動畫等功能，增強

測控系統(tǒng)的個性或特色。

9）通信或網絡功能。利用計算機的數據通信功能，可以大大增強測控系統(tǒng)的外部接口功能和數據傳

輸功能。采用網絡功能的測控系統(tǒng)則將拓展一系列新穎的功能。

10）自我診斷功能。采用計算機技術后，可對控制系統(tǒng)進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即進行報警，并

可顯示故障部位或可能的故障原因，對排除故障的方法進行提示。

通過應用計算機測控技術，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產工藝，提高產品質量，降低能源和原材料消耗，降低

生產成本；更為重要的是通過應用計算機測控技術還可以降低勞動者的生產強度，提高領導者的管理水平,

從而帶來極大的社會效益。正因為如此，計算機測控技術得到了迅速的發(fā)展。

1-2計算機控制系統(tǒng)能完成哪些任務？

答：下面以生產過程控制系統(tǒng)為例來說明計算機控制系統(tǒng)的任務，因為它比較集中地體現(xiàn)了計算機

控制系統(tǒng)的各種功能。如圖I所示，計算機控制系統(tǒng)借助傳感器從生產過程中收集信息，對被控對象進行

監(jiān)視并提供控制信號。被收集的信息在不同層次上進行分析計算，得出生產裝置的調節(jié)量，并驅動執(zhí)行機

構動作來完成自動控制，或者為生產管理人員、工程師和操作員提供所需要的信息。

傳感器——A模擬量輸入通道

微

被

型

控人一機接口一操作員

執(zhí)行器——模擬量輸出通道,計

對

算

象

機

?傳感器開關量輸入通道

通信接口一?其它微機或設備

執(zhí)行器——開關量輸出通道4

圖1某生產過程控制系統(tǒng)框圖

由此可以看出，計算機控制系統(tǒng)應當完成下列任務：

1）檢測

生產過程的參數大小是由傳感器進行檢測的。傳感器產生與被測物理量（如溫度、壓力、流量、液位

等）成比例（一般為正比）的電信號。

傳感器信號在進入計算機系統(tǒng)的接口之前，首先要轉換成一種標準形式，通常是把傳感器的輸出信號

轉換成4?20mA電流或1?5V電壓。

另一類測最值是關于被控過程的狀態(tài)信息。例如，閥門是否關閉，容器是否注滿，泵是否打開等。這

些信息是以開關量的形式提供給計算機的，通過繼電器觸點的開閉或TTL電平的變化來表示.

計算機也可通過串行或并行通信口直接接收數字最信息。目前，很多傳感器都帶有微處理器（例如智

能儀表），可以直接給出數字量信息。

2）控制

對生產裝置的控制通常是通過對閥門或伺服機構等執(zhí)行機構進行調節(jié)，對泵和馬達進行控制來達到

的，計算機可以產生一串脈沖去驅動執(zhí)行機構達到所需要的位置，可以通過繼電器接點閉合或產生某個電

平的跳變去啟動或停止某個電動機，也可通過D/A轉換產生一個正比于某設定值的電壓或電流去驅動執(zhí)行

機構。執(zhí)行機構在收到控制信號之后，通常還要反饋一個測量信號給計算機，以便檢查控制命令是否被執(zhí)

行,

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中常用的控制方案有3種類型：直接數字控制、順序控制和監(jiān)督控制。大多數生

產過程的控制需要其中一種或幾種控制方案的組合。

3）人一機交互

計算機控制系統(tǒng)必須為操作員提供關于被控過程和控制系統(tǒng)本身運行情況的全部信息，為操作員直觀

地進行操作提供各種手段，例如改變設定值、手動調節(jié)各種執(zhí)行機構、在發(fā)生報警的情況下進行處理等。

因此，它應當能顯示各種信息和畫面，打印各種記錄，通過專用鍵盤對被控過程進行操作等。

此外，計算機控制系統(tǒng)還必須為管理人員和工程師提供各種信息。例如，生產裝置每天的工作記錄以

及歷史情況的記錄，各種分析報表等，以便掌握生產過程的狀況和做出改進生產狀況的各種決策。

4）通信

現(xiàn)今的工業(yè)過程控制系統(tǒng)?般都采用分級分散式結構，即日多臺計算機組成計算機網絡，共同完成上

述的各種任務。因此，各級計算機之間必須能及時地交換信息。此外，有時生產過程控制系統(tǒng)還需要與其

它計算機系統(tǒng)（例如，全廠的綜合信息管理系統(tǒng)）進行數據通信。

1-3計算機控制系統(tǒng)有哪些特點？

答：計算機控制系統(tǒng)和一般常規(guī)控制系統(tǒng)相比，有如下突出特點：

1.技術集成和系統(tǒng)復雜程度高

計算機控制系統(tǒng)是計算機、控制、通信、電子等多種高新技術的集成，是理論方法和應用技術的結合。

由于信息量大、速度快和精度高，因此能實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，從而達到較高的控制質量。計算機控制系

統(tǒng)實現(xiàn)了常規(guī)系統(tǒng)難以實現(xiàn)的多變量控制、智能控制、參數自整定等功能。

2.實時性強

計算機控制系統(tǒng)是?個實時系統(tǒng)，可以根據采集到的數據，立即采取相應的動作。例如，檢測到化學

反應罐的壓力超限，可以“.即打開減壓閥，這樣就避免了爆炸的危險。實時性是區(qū)別于普通計算機系統(tǒng)的

關健特點，也是衡量計算機控制系統(tǒng)性能的一個重要指標。

3.可靠性高和可維護性好

這兩個因素決定系統(tǒng)的可用程度。由于采取有效的抗干擾、冗余、可靠性技術和系統(tǒng)的自診斷功能，

計算機控制系統(tǒng)的可靠性高且可維護性好。如有的工控機一旦出現(xiàn)故障，能迅速指出故障點和處理辦法，

便于立即修復。

4.環(huán)境適應性強

工業(yè)環(huán)境惡劣，要求工業(yè)控制機能適應高溫、高濕、腐蝕、振動、沖擊、灰塵等工業(yè)環(huán)境。一般的工

業(yè)控制機有較高的電磁兼容性。

5.控制的多功能性

計算機控制系統(tǒng)具有集中操作、實時控制、控制管理、生產管理等多種功能。

6.應用的靈活性

由于軟件功能豐富、編程方便和硬件體積小、重量輕以及結構設計上的模塊化、標準化，使系統(tǒng)配置

上有很強的靈活性。如一些工控機有操作簡易的結構化、組態(tài)化控制軟件，硬件的可裝配性、可擴充性也

很好。

另外，技術更新快，信息綜合性強，內涵豐富，操作便利等也都是計算機控制系統(tǒng)的一些特點。

1-4對計算機控制系統(tǒng)有哪些基本要求？

答：計算機測控系統(tǒng)的測控對象是生產過程，其最終目標是實現(xiàn)生產過程自動化，提高生產效率，

降低能耗，減輕工人的勞動強度，同時，計算機測控系統(tǒng)還應綜合考慮自動化、計算機、檢測及網絡通訊

等技術領域的發(fā)展趨勢和系統(tǒng)之間的互連技術需求。

一般說來，對計算機測控系統(tǒng)的基本要求如下：

1）具有良好的實時性

實時性是控制對象按規(guī)定工藝運行的必要條件之一。對于不同的控制對象、不同的控制參數，其對系

統(tǒng)的實時件具有不同的要求。例加,流量、壓力的捽制周期小干溫度的控制周期，也就是說，流量和壓力

控制對系統(tǒng)的實時性要求高于溫度控制對系統(tǒng)實時性的要求。

2）具有高可靠性和較強的環(huán)境適應性

可靠性是控制對象或生產過程連續(xù)運行的根本保證，許多生產過程是連續(xù)運行的，計算機測控系統(tǒng)的

故障將導致生產過程的中斷。要求計算機系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，能迅速指出故障點和處理辦法，便于立即修

復,

有的測控對象或生產過程所處的環(huán)境是非常惡劣的，計算機測控系統(tǒng)往往安裝在控制對象的附近（如

各種變送器、執(zhí)行機構等），這就要求系統(tǒng)能較強的適應高溫、腐蝕、振動、沖擊、灰塵等環(huán)境；工業(yè)環(huán)

境電磁干擾嚴重，供電條件不良，要求計算機有較高的電磁兼容性，以確保系統(tǒng)的可靠性不會因環(huán)境的變

化而受影響。

3）采用標準化部件，便于擴充、升級和維護

計算機測控系統(tǒng)應盡量采用標準化部件，以免受到部件供應商的制約，同時便于對系統(tǒng)進行輸入/輸出

點數的擴充和系統(tǒng)的功能性擴充,

4）具有良好的人機界面和豐富的監(jiān)視畫面

根據目前的計算機技術，一個良好的計算機測控系統(tǒng)的測控軟件應基于WinNT/Win98/WinXP操作系

統(tǒng)平臺或具有圖形界面的多任務操作系統(tǒng)平臺。測控軟件應提供豐富的操作畫面，既要滿足操作人員的操

作習慣和較高的操作成功率，又要保證操作人員能夠迅速處理生產過程的突發(fā)事件。

5）具有良好的系統(tǒng)組態(tài)和可選的各種控制策略

計算機測控系統(tǒng)分為專用和通用兩種類型。一個通用的工業(yè)測控計算機系統(tǒng)往往具有靈活的系統(tǒng)組態(tài)

功能和豐富的控制策略。所謂系統(tǒng)組態(tài)，是指系統(tǒng)工程師可以根據不同的控制對象或生產過程，配置輸入

/輸出點數、過程板卡類型及設備地址、畫面種類形式和畫面數最以及網絡通訊協(xié)議等?？刂撇呗杂址Q為控

制算法，一個產品化的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)具有數十種控制算法，包括常規(guī)控制算法、模糊控制算法和專

家系統(tǒng)等。

6）具有網絡通訊功能.便于實現(xiàn)工廠自動化和信息化

工廠信息化是信息技術發(fā)展和國民經濟信息化的必然要求。工業(yè)控制計算機系統(tǒng)往往采用分層體系結

構，其低層網絡使用實時性較高的工業(yè)控制網絡協(xié)議，保證控制任務的實時性；其高層網絡使用計算機通

用網絡協(xié)議，便于信息的互通、互聯(lián)和共享。

1-5為什么大多數控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)？

答：計算機控制系統(tǒng)由控制計算機本體（包括硬件、軟件和網絡結構）和受控對象兩大部分組成。工

業(yè)生產中的自動控制系統(tǒng)隨控制對象、控制算法和采用的控制器結構的不同而有所差別。從常規(guī)來看，控

制系統(tǒng)為了獲得控制信號，要將被控量y和給定值w相比較，得到偏差信號e-w-y.然后直接利用e來進

行控制，使系統(tǒng)的偏差減小直到消除偏差使被控量等于給定值。這種控制，由尸控制量是控制系統(tǒng)的輸出，

被控制量的變化值又反饋到控制系統(tǒng)的輸入端，與作為系統(tǒng)輸入量的給定值相減，信號傳遞形成了閉合回

路，所以稱為閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，其結構如習題圖O-la所示。

b）

習題圖0-1控制系統(tǒng)的一般形式

a）閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖；b）開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

從圖O-la可知，該系統(tǒng)通過測量傳感器對被控對象的被控參數（如溫度、壓力、流量、速度等物理量）

進行測量，再由變送單元將這些最變換成一定形式的電信號，反饋給控制器?？刂破鲗⒎答佇盘枌墓?/p>

程量與系統(tǒng)給定的設定值工程量比較，形成偏差輸入，控制器就產生控制信號按一定控制規(guī)律驅動執(zhí)行機

構進行工作，執(zhí)行機構產生的操縱變量使被控參數的值與給定值保持一致。此類負反饋控制是自動控制的

基本形式，也是大多數控制系統(tǒng)具備的結構。

圖O-lb是另一種控制結構，即開環(huán)控制系統(tǒng)。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于它不需要控制對象的反饋

信號.它的控制是直接根據給定值驅動執(zhí)行機構去控制被控對象工作的.這種信號的傳遞是單方向的.被

控制量在整個控制過程中對控制量不產生影響。

開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動消除被控參數與給定值之間的偏差，控制系統(tǒng)中產生的誤差全部反映在被控參

數上。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，控制結構簡單，但性能較差，常用在一些特殊的控制場合。

因此，大多數控制系統(tǒng)均采用帶有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1-6如何理解計算機控制系統(tǒng)的實時性？

答：所謂“實時”是指信號的輸入、運算處理和輸出都要在一定的時間間隔內完成，即要求計算機

對輸入信號能以足夠快的速度進仃測量與處理，并在一定時間內作出反應或產生相應的控制。超出了這個

時間，就會失去控制的時機，控制也就失去了意義。

“實時”是一個相對的概念，如大型水池的液位控制，由于時間慣性大，延時幾秒乃至幾十秒仍然是

“實時”的；而套色印刷機的拖動電機控制，“實時”一般是指幾亳秒或更短時間。

“實時”的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統(tǒng)不一定是實時系統(tǒng)，但一個實時系統(tǒng)必定是在線

系統(tǒng)。所謂在線是指在計算機控制系統(tǒng)中，生產過程與計算機直接連接并受計算機的控制，有時也稱為聯(lián)

機方式；如果生產過程不和計算機連接，不受計算機直接控制，而是依靠人工聯(lián)系并作相應操作控制的方

式稱為離線方式或脫機方式。

所謂實時計算機系統(tǒng)，是指在規(guī)定時間內能夠對外來事件做出反應的系統(tǒng)。因此，若一個計算機系統(tǒng)

需要在確切的時間內從外部環(huán)境輸入數據并向它輸出數據，或執(zhí)行一些其他的處理，則這個系統(tǒng)就是實時

計算機系統(tǒng)。也就是說，如果一個計算機系統(tǒng)需要在確切的時間內從外部環(huán)境輸入/輸出數據，或者進行一

些必要的處理，那么該系統(tǒng)就稱為一個實時計算機系統(tǒng)。例如，在一個鍋爐計算機控制系統(tǒng)中，無論計算

機要顯示多么復雜的操作畫面，打印多么復雜的報表，都要保證在規(guī)定的時間內巡回采集各個過程信號和

輸出控制信號，確保系統(tǒng)的控制效果滿足工藝需求。同時，如果有重要的信號超過報警極限，例如鍋爐的

主蒸汽壓力越限，則計算機要及時將報警信息顯示在屏幕上，進行聯(lián)鎖保護和聲光報警，提醒操作人員進

行必要的處理，避免惡性事故的發(fā)生。

實時計算機系統(tǒng)的實時性是指它對輸入數據即時作出反應（響應）的能力，可以用反應（響應）時間這

個術語對實時性作定量描述。所謂反應時間是指一個系統(tǒng)對輸入數據產生反應所需要的時間。實時計算機

系統(tǒng)中的測控對象，可以是溫度、壓力、液位、流量，也可是飛行器的速度及仰角，或數控機床的坐標等,

因比，在不同的作業(yè)過程中，計算機系統(tǒng)的反應時間差異懸殊，從亳秒級到小時級不等。

一般而言，實時計算機系統(tǒng)是指在某一環(huán)境下對現(xiàn)場監(jiān)測、控制對象的量值變化、狀態(tài)變化等，能夠

在整個系統(tǒng)運作所允許的時間間隔內對之進行監(jiān)測、數據處理、即時地改變其控制參數并導致影響上述環(huán)

境的計算機系統(tǒng)。實時計算機系統(tǒng)的例子很多，例如導彈飛行測量控制系統(tǒng)，程控交換機的計算機控制系

統(tǒng)，化工生產過程監(jiān)控系統(tǒng)，數控機床的控制系統(tǒng)，高速公路的監(jiān)控系統(tǒng)，各種家用電器的電腦控制系統(tǒng)

等,

在計算機控制系統(tǒng)中實時性主要體現(xiàn)在下述四個方面：

1）實時數據采集

微型計算機測控系統(tǒng)通過其過程模擬最輸入通道，將系統(tǒng)的模擬測控對象，例如溫度、壓力、液

位、流量、成分、轉速、位移量等，在當前采樣時刻的瞬時值經模擬/數字轉換后進行掃描采樣，將采樣

結果存入內存，并依據需要對采樣數據進行數字濾波及工程量換算等數據處理及加工。

若測控對象為脈沖量及頻率量信號，例如普通模擬傳感器、測速發(fā)電機等模擬傳感器輸出的模擬信號

經V/F（電壓/頻率）轉換后形成的數字信號以及數字式傳感器直接輸出的信號，例如積累式儀表（如電量

計、流量計）的變送器輸出信號等均需通過數字量輸入通道以TTL電平信號送入微型計算機測控系統(tǒng)的計

數器接口，以實現(xiàn)開關量的實時測量。

2）實時決策

微型計算機測控系統(tǒng)對采集到的樣本數據（即反映當前生產過程狀態(tài)的信息）進行比較、分析、判斷后,

即可確定哪些生產過程參數偏離了預定值或者超過安全極限值，據此給出下一步的處理指令。例如，進行

越限報警或按預定的控制規(guī)律（ggPID控制算法）進行運算后給出控制決策。

3）實時控制

測控系統(tǒng)及時地將控制決策轉化為控制最，并通過過程輸巴接口作用于受控對象的控制機構，例如調

節(jié)器、執(zhí)行器、步進電機等，用來校正被控參數。

4）實時報警及故障處理

通常這一步驟是在實時數據采集后緊接著進行的，也可以是由故障設備主動向CPU請求中斷處理后

進行的。在這種情況下，微型計算機及時給出聲光報警信號，在需要時由CPU執(zhí)行中斷服務程序進行故

障處理。

通常情況下，以上四項操作反復執(zhí)行就可以使系統(tǒng)按照所期望的最佳方式運行并對被控過程或裝置的

異常狀態(tài)進行監(jiān)督、處理，這是實時處理這一術語的主要含義。

因此，一般來說，為使計算機測控系統(tǒng)具有實時處理的能刀，系統(tǒng)應設有實時時鐘，具有滿足某一特

定生產工藝或控制過程所要求的數據測量、處理和即時控制的速度，并有能夠及時地響應各和操作所需的

多級中斷系統(tǒng).控個系統(tǒng)可以由一個計算機完成，也可以采用雙機冗余、多機冗余系統(tǒng)的結構或分布式測

控系統(tǒng)的結構。從軟件的角度出發(fā)，要求系統(tǒng)軟件能實時調度、響應。因此，一般地，應有完備的實時管

理程序、中斷管理程序。在較為復雜的應用場合中，微型計算機測控系統(tǒng)還需要配備實時多任務管理軟件,

有時則需配備實時操作系統(tǒng)，以允許多道任務并行運行。

1-7按應用領域和設備形式，計算機控制系統(tǒng)可分為哪幾種？

答：按應用領域分類：

1）專用計算機控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)的特點是應用領域比較專??，或者是專門為某項應用而設計、開發(fā)的，如各種智能儀器儀表、

數控機床控制器等。帶有智能控制功能的家電產品也可屬這類系統(tǒng)。這些系統(tǒng)偏重于某幾項特定的功能，

系統(tǒng)的軟硬件比較簡單和緊湊，常用于批量的定型產品中。硬件完全按系統(tǒng)的要求進行配置，軟件固化于

芯片中，一般可采用單片機系統(tǒng)或專用的控制芯片來實現(xiàn)，開發(fā)完成后一般不做較大的改動。

對于功能要求較高，但應用領域及目的相當明確的系統(tǒng)，一般也可配置檔次較高的硬件和專用軟件，

構成高性能專用計算機控制系統(tǒng),

2）通用計算機控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)較多應用于功能較全的數據采集和過程控制。例如，實時數據采集系統(tǒng)、工業(yè)過程控制計算

機系統(tǒng)等。絕大多數的工業(yè)部門都會遇到這類系統(tǒng)。盡管隨行業(yè)的不同對系統(tǒng)會有不同的具體要求，但在

實時數據采集和過程控制方面都有很多共性要求。為了降低開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期，一般是選用通用的

軟硬件資源來構成用戶自己的應用系統(tǒng)。為此，一般采用如下的途徑來實現(xiàn)：計算機一般選用工業(yè)級總線

式計算機，其具體配置可選；I/O通道多選用工業(yè)化生產的標準板卡或模塊；軟件平臺一般采用較為流行

的操作系統(tǒng)，如WindowsNT、WindowsXP等；也可購置通用的數據采集/過程控制軟件包，功能較好的軟

件包一般都可根據用戶需求進行相應的組態(tài)和系統(tǒng)生成：利用通信網絡將單個的計算機系統(tǒng)組成規(guī)模更

大、功能更全的集散型控制系統(tǒng)c大型的系統(tǒng)可有上千個回路，有數千個測控點，可用于大型企業(yè)的數據

采集、監(jiān)控管理、閉環(huán)控制、分級優(yōu)化管理等多種場合。

按設備形式分類：

無論是簡單的控制系統(tǒng)還是發(fā)雜的控制系統(tǒng)，根據其系統(tǒng)控制設備的結構形式或設備形式，均可將其

分解成儀表調節(jié)器、可編程序控制器、微型計算機等幾種基本的控制設備。一個大型的工業(yè)控制計算機系

統(tǒng)可能由這曲基本控制設備中的某幾種組成。隨著技術的發(fā)展，幾種基本控制設備之間已經互相滲透，如

大型PLC系統(tǒng)具有集散型系統(tǒng)的某些功能，集散型系統(tǒng)具有PLC的功能，儀表調節(jié)器可以和微型計算機

組成中小型DCS等。對于最終用戶來說，了解工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的設備類型往往勝過了解設備的技術

規(guī)格。因此，對工業(yè)控制計算機系統(tǒng)進行設備分類具有更重要的現(xiàn)實意義。

1）基于儀表調節(jié)器的控制系統(tǒng)

儀表調節(jié)系統(tǒng)由調節(jié)器（調節(jié)儀表）組成，如圖2所示，適用于輸入點數和控制回路較少的生產過程.

圖2儀表調節(jié)系統(tǒng)

調節(jié)器分為單回路調節(jié)器和多回路調節(jié)器。單回路調節(jié)器只有一個控制回路。多回路調節(jié)器提供兩個以上

的控制回路，常用的多回路調節(jié)器有雙回路調節(jié)器、四回路調節(jié)器和八回路調節(jié)器。隨著單片機技術、通

信技術和控制技術的發(fā)展，調節(jié)器技術也在不斷地發(fā)展，目前仍在生產過程控制領域占有一定的市場。調

節(jié)器或調節(jié)儀表的發(fā)展為現(xiàn)場總線設備的發(fā)展奠定了基礎，同時，現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為調節(jié)器或調節(jié)儀

表的發(fā)展提供了更廣闊的發(fā)展空間。

2）基于可編程序邏輯控制器的控制系統(tǒng)

可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicController,簡稱PLC）,是由繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，

最初是專門為工業(yè)控制而設計的計算機。PLC的發(fā)展十分迅速,當今的PLC除了執(zhí)行傳統(tǒng)的順序控制和

邏輯控制外，也具有過程控制功能，大中型PLC還具有網絡通訊功能和DCS系統(tǒng)的某些功能。目前，三

菱、歐姆龍、西門子以及羅克韋爾等兒大公司的PLC在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的使用。

PLC具有以下優(yōu)點：可靠性特別高、抗干擾能力強，能適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境；采用模塊化結構，

系統(tǒng)組成靈活方便：主要采用梯形邏輯圖，編程簡單，易學、易懂；安裝簡便、調試方便、維護工作量小

等，

盡管PLC具有上述的一些優(yōu)點，但PLC主要是為現(xiàn)場控制而設計的，其人機界面主要是開關、按鈕、

指示燈等。為此，20世紀90年代后，許多的PLC都配備有計算機通信接LI,通過總線將一臺或多臺PLC

相連接，將PLC的高控制性能與個人計算機的友好人機界面相結合，這種類型的計算機監(jiān)控系統(tǒng)稱為

PLCsoPLCs的組成示意圖如圖3所示。

圖3PLCs的組成原理怪

計算機作為上位機可以提供變好的人機界面，進行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理：而PLC作為下位機，執(zhí)行

可靠有效的分散控制。計算機與PLCPLC與PLC之間通過通信網絡實現(xiàn)信息的傳送和交換。所有的現(xiàn)場

控制都是由PLC完成的，上位機只是作為程序編制、參數設定和修改、數據采集所用。因此，即使是上位

機出了故障，也不會影響生產過程的正常進行，這就大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

3）基于個人計算機的控制系統(tǒng)

個人計算機是目前世界上數量最多、應用最廣泛的機型，因而將個人計算機應用F控制也是很自然的

事情。特別是個人計算機結構簡單，操作簡便，技術開放，并且擁有極為豐富的應用軟件資源，從而深得

人們的青睞。

基于個人計算機的控制系統(tǒng)的基本特點是，輸入輸出裝置制作為板卡的形式，并將板卡直接與個人計

算機的系統(tǒng)總線相連，即直接插在計算機主機的擴展槽上，如圖4所示。這些輸入輸出板卡往往按照某種

標淮由第三方批量生產，開發(fā)者或用戶可以直接在市場上購買。早期使用比較多的是STD總線，近年來占

主導地位的是ISA總線和PCI總線，且PCI總線有取代ISA總線的趨勢。

構成基于個人計算機的控制系統(tǒng)的計算機可以用普通的商用機，也可以用DIY的計算機，還可以使用

專,1用于工業(yè)控制的計算機（簡稱工控機，IPC）。由第三方開發(fā)的輸入輸出板卡可以在市場上購買，也可

以由開發(fā)者自行制作。一塊板卡的點數（指測控信號的數量）少的有幾點，多的可達16點、24點甚至更

多，

1-8什么是智能控制？有哪幾種典型的智能控制方法？

答：經典的反饋控制、現(xiàn)代控制和大系統(tǒng)理論在應用中遇到不少難題。首先，這些控制系統(tǒng)的設計

和分析都是建立在精確的系統(tǒng)數學模型的基礎上的，而實際系統(tǒng)一般難以獲得精確的數學模型；其次，為

了提高控制性能，整個控制系統(tǒng)變得極其復雜，增加了設備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。

人工智能的出現(xiàn)和發(fā)展，促進自動控制向更高的層次發(fā)展，即智能控制“智能控制是一和無需人的干

預就能夠自主地驅動智能機器實現(xiàn)其目標的過程，也是用機器模擬人類智能的乂一重要領域。

1）模糊控制

模糊控制是一種應用模糊集合理論的控制方法。一方面模糊控制提供一種實現(xiàn)基廣知識（規(guī)則）的，甚

至語言描述的控制規(guī)律的新機理；另一方面，模糊控制提供了一種改進非線性控制器的替代方法，這種非

線性控制器一般用于控制含有不確定性和難以用傳統(tǒng)非線性控制理論處理的裝置。

模糊控制具有多種控制方案，包括PID模糊控制器、自組織模糊控制器、自矯正模糊控制器、自學習

模糊控制器、專家系統(tǒng)模糊控制器以及神經網絡模糊控制器等等。

2）專家控制

專家控制系統(tǒng)所研究的問題一般都具有不確定性，是以模仿人類智能為基礎的。工程控制論與專家系

統(tǒng)的結合，形成了專家控制系統(tǒng)c專家控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)至少有一點是共同的，即兩者都要建立人

類經驗和人類決策行為的模型。比外，兩者都有知識庫和推理機。而且其中大部分至今仍為基于規(guī)則的系

統(tǒng)，因此，模糊邏輯控制器通常又稱為模糊專家控制器。

3）學習控制

學習是人類的主要智能之一,用機器來代替人類從事體力和腦力勞動，就是用機器代替人的思維。學

習控制系統(tǒng)是一個能在其運行過程中逐步獲得被控對象及環(huán)境的非預知信息，積累控制經驗，并在一定的

評價標準下進行估值、分類、決策和不斷改善系統(tǒng)品質的自動控制系統(tǒng)。

3）神經網絡控制

隨著多媒體計算機和人工智能計算機的發(fā)展，應用自動控制理論和智能控制技術來實現(xiàn)先進的計算機

控制系統(tǒng)，必將大大推動科學技術的進步和提高工業(yè)自動化系統(tǒng)的水平。

1-9通過查閱文獻，了解當前計算機控制技術中的現(xiàn)代控制理論。

答：自適應控制、變結構控制、魯棒控制、預測控制等。

第2章總線接口與過程通道

習題與思考題

2-1總線有哪些基本操作？

2-2總線有哪些性能指標？

2-3I/O接口的功能是什么？

2-4I/O接口有哪幾種實現(xiàn)方式？

2-5串口通信有哪幾種工作模式？

2-6如何查看計算機上的串口信息？

2-7查閱文獻，了解PCI總線標準及其特點。

2-8查閱文獻，了解RS-232總線標準及其特點。

2-9查閱文獻，了解RS?485總線標準及其特點。

參考答案

2-1總線有哪些基本操作？

答：廣義上說，總線就是傳輸信息的公共通路，掛在總線上的所有設備都可以發(fā)出信息傳輸命令,

進行信息傳送，此時這個設備稱為總線主設備，而其它則被稱為總線從設備。掛在總線上的每個設備都可

以成為總線主設備，都可以發(fā)出信息傳輸命令，這就有可能發(fā)生信息傳輸時的沖突。顯然，為了保證信息

傳輸的正確性，某一時刻只允許一個主設備發(fā)布命令，這就需要一個仲裁機構解決某時刻總線的占有權問

題，當仲裁機構決定某設備作為總線主設備占有總線時，其它掛在總線上的設備此刻為從設備。主設備將

其地址信息放在總線上，以選擇與其通信的從設備。從設備應具備識別地址的功能，當主設備地址被某一

從設備認可，該從設備即可與主設備進行信息交換，被讀或被寫。任何設備都不能長期占用總線，當進行

一次或幾次信息交換之后，必須放棄總線占有權。

為了解決總線的占有權，就需要有一套總線規(guī)約以管理總線。多數總線操作都采用定時信號進行同步,

定時信號用以指明總線上的數據和地址什么時候是有效的。幾乎所有的總線都有中斷處理機構，以處理總

線上某一設備向另一設備發(fā)出的請求信號，要求后者注意并進行某種服務。還需要提及的是，為了減少總

線信號的數目，有些總線系統(tǒng)采用復用技術，如地址線與數據線分階段在同樣的數據一地址線上傳輸。顯

然，復用技術降低r總線的傳輸速度及性能，但也同樣降低了總線的造價。以下就上述總線的基本操作加

以說明。

1）總線仲裁

一般掛在總線上的每一個主設備都設有專用的總線請求及總線允許線作為應答信號，用以決策總線占

有權?？偩€仲裁有三種方案：集中仲裁、鏈路方式及分布式仲裁方式。集中仲裁方式利用優(yōu)先級方案進行

仲裁，優(yōu)先級方案則有多種選擇，如有一種方案允許優(yōu)先級高的設備長期占用總線；另一種方案則可按時

間仲裁，不允許某設備長期“霸占”總線，這種方案的總線仲裁及數據傳送操作并行工作，互不影響，但

拄在總線上的設備越多，那么，總線請求，允許線數目也越多，結構越更雜。鏈路方式中總線請求，允許

線是公用的，主設備占用總線的優(yōu)先級按其在鏈路中的位置決定。某一設備占用總線，總線允許信號就不

下傳，從而避免了總線沖突，但最大的問題是無法滿足中斷請求優(yōu)先處理問題，離開仲裁電路越遠的設備,

總線占有率越低。分布式仲裁方案的特點是仲裁過程在每一個主設備中完成，當某一主設備在總線上置起

它的優(yōu)先級代碼時，即開始了一個仲裁周期。仲裁周期結束，只有最高優(yōu)先級仍放置在總線上，當某一主

設備檢測到總線上的優(yōu)先級與自己的級別一致，即認為自己為下一個總線主設備。

2）總線定時

主設備獲得總線控制權以后，即進入總線操作周期，進行主設備間的信息交換（包括地址信息和數據

信息的交換）。定時信號即用于指明這些信息何時有效。定時信號有異步與同步兩種。在異步總線系統(tǒng)中，

命令者與響應者之間有一對選通/應答定時信號進行握手，以表示信息的有效和接收。在大多數的同步總

線系統(tǒng)中，定時時鐘是由系統(tǒng)統(tǒng)一提供的，總線狀態(tài)的改變只出現(xiàn)在固定的時刻?？偩€周期的持續(xù)時間通

常根據掛在總線上最慢的設備速率決定。為了保證總線的通信速率，在總線標準中規(guī)定「插入等待周期，

以為慢速設備信息傳送提供方便＜

3）尋址

尋址是主設備與從設備建立聯(lián)系的一種總線操作，通常有以下方式。

（1）物理尋址。該尋址方式通常是用于選擇掛在總線某一特定位置的從設備。大多數從設備都包含

若干個寄存器，這種尋址方式常伴有輔助尋址，最終選擇的是某從設備的特定寄存器或某一功能。

（2）邏輯尋址。該尋址方式用于選擇指定存儲單元的某一通用區(qū)，而不考慮這些存儲單元的物理位

置，即邏輯尋址是選擇與位置無關的設備。

（3）廣播尋址。該尋址方式用于選擇多個從設備作為響應者。為了確保所選從設備都能響應，系統(tǒng)

應設這種操作的定時機構。

4）數據傳輸

通過尋址，一個主設備可以和一個或多個從設備通過總線溝通，然后進行數據的讀/寫操作。這個過

程根據總線的形式不I司，傳輸方法也各異，通常有并行和串行兩種傳送方式。并行傳送速度較快，方法簡

單；串行傳送還應配置一定的應答信號，所傳信息除有效信息外，還應有起始和結束的標志位、校驗位等

用以保證信息傳送的正確性。

5）出錯檢測

在總線上進行信息傳送時常常會因噪聲及串擾而出錯。并行傳送由于距離短、出錯率低，不少總線沒

設置檢錯糾錯機構。但在串行傳送時，一般距離都較遠，發(fā)生錯誤的機會較多，在高性能的總線中都配有

奇偶校驗碼產生及校驗電路，以監(jiān)督傳送是否有錯，一般采用直發(fā)方式糾錯，但在要求較高的場合，除總

線監(jiān)督外，還應采用其它抗干擾措施，以保證數據的可靠傳輸。

6）中斷

當掛在總線上的某設備需要進行信息傳送或完成某種操作時，即向總線發(fā)出中斷請求。總線采用中斷

請求的方法是多樣的，最簡單的方法是采用菊花鏈方式。請求中斷的設備置起此信號，準備響應的某設備

則監(jiān)測此信號，當相符時即發(fā)出中斷回答信號并禁止此信號下傳，而把自己的識別碼放在總線上以使中斷

處理機構加以識別。這種方法連線簡單，但靈活性和可靠性均較差，不宜用于系統(tǒng)具有多個能進行中斷處

理的設備。另一種方法是把請求中斷的設備變成總線命令者，然后把中斷信息發(fā)給想知道的設備。這種處

理過程是分布式的，把設備指派為中斷處理的設備是動態(tài)進行的。這種方法的缺點是所有申請中斷的設備

都應具有主設備的能力，在高性能的總線標準中采用這種方法。

7）容錯技術

當拄在總線上的設備之間進行信息傳輸時，不可避免地會有差錯，因此如何減少故障對系統(tǒng)的影響，

提高系統(tǒng)的重新配置能力，提高總線的容錯技術是必須考慮的，如動態(tài)重配邏輯地址、隔離故障或更換故

障單元等軟件措施應受到總線支持。有些總線標準還規(guī)定了串行總線出故障時如何用備用路徑宋代替的條

文，這種備用總線在主串行總線工作時，可以傳送中斷信息、監(jiān)視主串行總線工作，隨時準備替代出故障

的主串行總線。

8）控制信號

總線上的控制信號一般有三種類型：第一類是設備的初始化操作，如清零、啟動、停止等，第二類用

「改變總線的操作方式，如改變數據流向、數據字段的寬度和字節(jié)的選擇等；第三類用來指明地址和數據

的含義，如地址可指定某一地址空間等。

2-2總線有哪些性能指標？

答：由于用戶往往存在選擇總線標準的問題，不同的總線之間如何進行比較有著現(xiàn)實的意義。以下

幾個參數可以作為衡量總線的指標：

1）總線時鐘頻率

總線的工作是在時鐘脈沖的作用下進行的，一個任務的完成一般需要一個到幾個時鐘脈沖的周期。因

此，總線時鐘頻率可以作為衡量總線工作速度的一個指標。總線時鐘頻率用MHz來表示。

2）總線寬度

總線寬度用總線中數據總線的位數來表示?？偩€的寬度有8位、16位、32位和64位等。顯然，在同

樣的總線時鐘頻率下，總線寬度越大，數據傳輸的速度就越快。

3）總線（最大）傳輸速率

總線（最大）傳輸速率用總線上每秒鐘所能傳輸的最大字節(jié)數來表示，單位為MB/S。若總線的時鐘

頻率為8MHz，總線的寬度為8位，則其總線傳輸速率為8MB/S。若總線的時鐘頻率為33.3MHz,總線的

寬度為32位，則其總線傳輸速率為133MB/s。

4）同步方式

總線上的主模塊與從模塊之間進行傳輸有同步和異步兩種方式。在同步方式下，總線上的主模塊與從

模塊之間進行一次傳輸所需要的時間（即傳輸周期或總線周期）是固定的，并嚴格按照系統(tǒng)的時鐘定時操

作主、從模塊之間的傳輸。只要總線上的模塊或設備都是高速的，總線的傳輸速率就會很高，當然，前提

是總線上的模塊或設備要以比較高的速度運行。在異步方式下，主模塊與從模塊之間采用應答方式來傳輸

數據，允許從模塊根據自己的工作速度來調整響應時間。顯然，在異步方式下，對從模塊的要求不是很高,

但總線的傳輸速率也會下降。

5）其它性能指標

負載能力：負載能力反映了一個總線允許掛接（插入）擴展模板的數目。負載能力越大，允許掛接的

模板的數目就越多。

信號線數目：總線的信號線數目反映了總線的技術復雜程度。信號線數目越大，總線就越復雜。

總線控制方式：總線控制方式包括：傳輸方式、并發(fā)方式、中斷分配與仲裁方式等。

電源電壓等級：一般來說，電源電壓越低，總線的負載能力也就越高。

使用的普及程度：一種總線標準使用得越普及，在市場上支持該總線的模板也就越多，用戶的選擇面

就越大。

2-3I/O接口的功能是什么？

答：接口的基本功能就是根據CPU的要求對外設進行管理與控制，實現(xiàn)信號邏輯及工作時序的轉

換，保證CPU與外設之間能進行可靠有效的信息交換。

具體來說，接口部件應該具有以下功能：

1.數據緩沖功能

計算機的工作速度很快，過程通道和外部設備的工作速度相比則是比較慢的，為了避免因速度不一致

而丟失數據，利用接口電路進行數據緩沖，協(xié)調兩者的工作。接口電路設置有數據寄存器或者鎖存器，以

解決高速的主機與低速的外設之間的速度匹配問題。計算機工作時從寄存器取數據，而寄存器數據是由外

部電路或計算機定時刷新，所以計算機的工作不受寄存器數據和外部電路影響。

2.設備選擇功能

一個接口往往會連接多個外部設備，而CPU在同一時間里只能與一臺外設交換信息，因此需要通過

接口的地址譯碼對外設進行尋址,一般來說，通過高位地址產生外設的片選信號，低位地址作為芯片內部

寄存器或鎖存器尋址，以選定所需的設備，只有被選中的設備才能與CPU交換數據信息。

3.信號轉換功能

由于外部設備所需的控制信號和所能提供的狀態(tài)信號與計算機能識別的信號往往是不一致的，特別是

連接不同公司生產的芯片時，進行信號之間的轉換是不可避免的。信號的轉換包括：時序的配合、電平的

轉換、信號類型的轉換（模擬量變數字量或數字量變模擬量）、數據格式的轉換（并行變串行或串行變并

行）等。

4.提供信息交換的握手信號

CPU對外設的各種命令和數據都是以代碼的形式發(fā)送到接口電路，再由接口電路解讀后，形成?系列

控制信號去控制外設。為了CPU與外設之間的聯(lián)絡，接I」電路要提供寄存器或鎖存器“空”、“滿”、”準

備好”、“忙”、“不忙”等狀態(tài)信息，以便程序能夠了解是否可以發(fā)送數據到外設或從外設讀取數據。

5.驅動功能

由于計算機總線的信號驅動能力有限，當要連接多臺外部設備時，總線資源可能不夠。利用接口電路

可以提高總線的負載能力，使一個接I」與多臺外部設備相連接，充分利用計算機的硬件資源。

6.中斷管理功能

當外部設備需要及時得到計算機的服務時，特別是一些隨機需要與CPU交換信息的外設，就要求接

口設備具有中斷控制管理功能。此時，接口為CPU處理有關中斷事務，如提出中斷請求，中斷優(yōu)先級排

隊，提供中斷向量等。這樣既加快了計算機對外部的響應速度，又使CPU與外部設備能并行工作，從而

提高了CPU的效率。

7.可編程功能

可編程是指用程序來改變接口的工作方式。目前大多數接口芯片是可編程的，這樣在不改動硬件電路

的情況下通過修改接口驅動程序就可以改變接口的工作方式，從而大大增強了接口的靈活性和適應性，使

接口向智能化方向發(fā)展。

總之，I/O接口的功能就是完成數據、地址和控制三總線的轉換和連接任務。當然并非所有接口電路

都司時具備以上功能，需根據完成的任務而定。

2-4I/O接口有哪幾種實現(xiàn)方式?

答：計算機控制系統(tǒng)的結陶形式多種多樣，相應的I/O接口裝置也各不相同，歸納起來基本上有以

下3種形式。

1.整體方式

將控制系統(tǒng)制作成一個獨立的裝置，在這種方式中，計算機（CPU）與I/O接口是安裝在同一塊印制

電路板上的，例如，用單片機開發(fā)的系統(tǒng)。這種方式的特點是體積小、重量輕，成本也比較低。由于接口

裝置與CPU是放在?起的，一旦系統(tǒng)開發(fā)完成，就不能輕易改變。這種方式一般用于小型的計算機控制

系統(tǒng)，特別是嵌入式系統(tǒng)中。

2.板卡方式

利用計算機的擴展功能，將1/0接口裝置按照計算機擴展槽的標準開發(fā)，并根據實際需要制成多種類

型的板卡，有的板卡同時包含了A-D和D-A功能。板卡直接插在個人計算機的擴展槽上，通過總線與計

算機互連和傳輸信息。

這種方式與前一種方式相比，系統(tǒng)的構成相對要靈活得多，可靠性適中。但是，由于所有的板卡都插

在一個機箱內，不適合遠程和大范圍的監(jiān)控，而且，由于計算機插槽的數目也有限，因此輸入、輸出的點

數也有限。這種方式一般用于中小型的計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

3.模塊方式

這種方式將各種I/O功能以模塊的形式來實現(xiàn)。I/O模塊與計算機之間以及I/O模塊與I/O模塊之間的

物理連接可以很靈活，例如，可以采用雙絞線或同軸電纜連接，也可以采用并行總線連接。

由于生產廠家己經生產了許多類型的I/O模塊，因此，系統(tǒng)的構成與擴充非常方便。這種方式非常適

合于大、中型的計算機監(jiān)控系統(tǒng)以及遠程監(jiān)控。目前，無論是臬散控制系統(tǒng)，還是可編程序控制器以及現(xiàn)

場總線都使用該方式。

2-5串口通信有哪幾種工作模式？

答：通過單線傳輸信息是奉行數據通信的基礎。數據通常是在兩個站（點對點）之間進行傳送，按

照數據流的方向可分成三種傳送模式：單工、半雙工、全雙工。

1）單工形式

單工形式的數據傳送是單向的。通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，另一方則固定為接收端。信息只能

沿一個方向傳送，使用一根傳輸線，如圖1所示。

圖1單工形式

單工形式一般用在只向一個方向傳送數據的場合。例如計算機與打印機之間的通信是單工形式，因為

只有計算機向打印機傳送數據，而沒有反方向的數據傳送。還有在某些通信信道中，如單工無線發(fā)送等也

是采用單工形式。

2）半雙工形式

半雙工通信使用同一根傳輸線，既可發(fā)送數據又可接收數據，但不能同時發(fā)送和接收。在任何時刻只

能由其中的一方發(fā)送數據，另一方接收數據。因此半雙工形式既可以使用一條數據線，也可以使用兩條數

據線，如圖2所示。

地線

半雙工通信中每端需有一個攻/發(fā)切換電子開關，通過切換來決定數據向哪個方向傳輸。因為有切換,

所以會產生時間延遲，信息傳輸效率低些。但是對于象打印機這樣單方向傳輸的外圍設備，用半雙工方式

就能滿足要求了，不必采用全雙工方式，可省一根傳輸線。

3）全雙工形式

全雙工數據通信分別由兩根可以在兩個不同的站點同時發(fā)送和接收的傳輸線進行傳送，通信雙方都能

在司一時刻進行發(fā)送和接收操作，如圖3所示。

在全雙工方式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳送線，可在交互式應用和遠程控制系統(tǒng)中使

用，信息傳輸效率較高。

圖3全雙工形式

2-6如何查看計算機上的串口設備信息？

進入Windows操作系統(tǒng)，右鍵單擊“我的電腦"，如圖2-11所示。在“系統(tǒng)屬性”對話框中選擇“硬

件”項，單擊“設備管理器”按鈿出現(xiàn)“設備管理器”對話框。在列表中有端口COM和LPT設備信息,

如圖2-12所示。

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圖2-11“我的電腦”屬性圖2-12查看串口設備

選擇“通訊端口（C0M1）”,單擊右鍵，選擇“屬性”，進入“通信端口（COMI）屬性”對話框,

在這里可以查看端口的低級設置，也可查看其資源。

在“端口設置”選項卡中，可以看到缺省的波特率和其它設置，如圖2-13所示，這些設置可以在這里

改變，也可以在應用程序中很方便地修改。

在“資源”選項卡中，可以看至I」，C0M1口的輸入/輸出范Bl(03F8-03FF)和中斷請求號(04),如圖

2-14所示。

圖2-13查看端口設置圖2-14杏看端口資源

2-7查閱文獻，了解PCI總線標準及其特點。

答：PCI(PeiiphcinlCuiiipuiiciilInlcicuiiiiecl)是?算機外圍設備互連的意思。1992年由Inlcl發(fā)布,

很快就成為了商用計算機的總線標準。發(fā)展至今，PCI實際.1：已經不是?個簡單的總線標準，而是?類標

準，

PCI總線的提出極大地擴展了PC機的數據傳輸能力，使PC機對高速外設如圖形顯示器、硬盤等的支

持能力極大提高，它是目前各種總線標準中定義最完善、性能價格比最高的一種總線標準，除在PC機中

廣泛應用和普及外，在小型工作站等高檔計算機中也得到日益推廣。

歸納起來，PCI總線具有以下特點：總線傳輸速率高，可達528MB/S,不受處理器限制，兼容性強，

自動配置功能，支持即插即用，高性能價格比，是立足現(xiàn)在放眼未來的標準。

PCI總線的接口芯片將大量系統(tǒng)功能高度集成，節(jié)省了邏輯電路，耗用較小的電路板空間，使成本降

低，PCI總線采用地址/數據總線復用方式，使PCI總線上的接口引腳數減至50以下。

PCI局部總線既迎合了當今的技術要求，又能滿足未來的發(fā)展需要，是計算機界公認的最具發(fā)展前景

的局部總線標準。PCI總線的高性能、高效率及與現(xiàn)有總線標準的兼容性和充裕的發(fā)展?jié)摿?，是其它總線

不可及的。

電氣特性：

2-8查閱文獻，了解RS?232總線標準及其特點。

答：

RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(ElectronicIndustryAssociation)于1962年公布，并于1969年修訂

的串行接口標準。它已經成為國際上通用的標準。

RS-232c標準(協(xié)議)的全稱是EIA-RS-232c標準，其中RS(recommendedstandard)代表推薦標準,

232是標識號，C代表RS-232的最新一次修改(1969),它適合于數據傳輸速率在。?20000bit/s范圍內

的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號電平、信號線功能、電氣特性、機械特性等都作了

明確規(guī)定。

目前RS-232c已成為數據終端設備(DataTenninalEquipment,簡稱DTE,如計算機)和數據通信設

(DataCommunicationEquipment,簡稱DCE,如Modem)的接LI標準。

目前RS-232c是PC與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口，在IBMPC上的COM1、COM2接I」，

就是RS-232c接口。

利用RS-232c串行通信接口可實現(xiàn)兩臺個人計算機的點對點的通信；可與其它外設（如打印機、邏輯

分析儀、智能調節(jié)儀、PLC等）近距離串行連接；連接調制解調器可遠距離地與其它計算機通信；將其轉

換為RS-422或RS-485接口，可實現(xiàn)一臺個人計算機與多臺現(xiàn)場設備之間的通信。

RS-232c的每一支腳都有它的作用，也有它信號流動的方向。原來的RS-232c是設計用來連接調制解

調器作傳輸之用的，因此它的腳位意義通常也和調制解調器傳輸有關。

從功能來看，全部信號線分為三類，即數據線（TXD、RXD）、地線（GND）和聯(lián)絡控制線（DSR、

DTR、RkDCD、RTS>CTS）,各信號線的作用描述如下:

DCD：用米表示DCE已經接收到滿足要求的載波信號，已經接通通信鏈路，告知LH匕準備接收數據。

RXD：作用是接收DCE發(fā)送的串行數據。

TXD：作用是將串行數據發(fā)送到DCE。在不發(fā)送數據時，TXD保持邏輯“1”。

DTR：當該信號有效時，表示DTE準備發(fā)送數據至DCE,可以使用。

GND：作用是為其他信號線提供參考電位。

DSR：當該信號有效時，表示DCE已經與通信的信道接通，可以使用。

RTS：該信號用來表示DTE請求向DCE發(fā)送信號。當DTE欲發(fā)送數據時，將該信號置為有效，向

DCE提出發(fā)送請求。

CTS：該信號是DCE對RTS的響應信號。當DCE己經準冬好接收DTE發(fā)送的數據時，將該信號置

為有效，通知DTE可以通過TXD發(fā)送數據。

RI：當Modem（DCE）收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，該信號被置為有效，通知DTE對方己經

被呼叫。

控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，只有當DSR和DTR都處

于有效（ON）狀態(tài)時，才能在DTE和DCE之間進行傳送操作,若DTE要發(fā)送數據，則預先將DTR線置

成有效（ON）狀態(tài)，等CTS線上收到有效（ON）狀態(tài)的問答后，才能在TXD線上發(fā)送串行數據。這種順序的

規(guī)定對半雙工的通信線路特別有用，因為半雙工的通信才能確定DCE—由接收方向改為發(fā)送方向，這時

線路才能開始發(fā)送。

EIA-RS-232C對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。

在TXD和RXD上：邏輯1為-3V?-15V；邏輯0為+3?+15V。

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為-3V?+15V；

信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）為?3V??15V。

以上規(guī)定說明了RS-232C標準對邏輯電平的定義。

對于數據（信息碼）：邏輯“1”的電平低于-3V,邏輯“0”的電平高于+3V。

對于控制信號：接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V,斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的電平低

于-3V,也就是當傳輸電平的絕定值大于+3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3?+3V之間的電壓無

意義，低于-I5V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±（3?15）V之間。

RS-232c是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與