第2章計算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)2.1微處理器與微控制器計算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及到許多專門知識，包括計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論、過程控制技術(shù)、自動化儀表、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。因此，計算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展與這些相關(guān)學(xué)科的發(fā)展息息相關(guān)，相輔相成。眾所周知，美國在1946年生產(chǎn)出了世界上第一臺電子計算機(jī)，50年代中期便有人開始研究將計算機(jī)用于工業(yè)控制。1959年，世界上第一套工業(yè)過程控制系統(tǒng)在美國德克薩斯州的一個煉油廠正式投運(yùn)。該系統(tǒng)控制了26個流量、72個溫度、3個壓力、3個成份。控制的主要目的是使反應(yīng)器的壓力最小，確定反應(yīng)器進(jìn)料量的最優(yōu)分配，并根據(jù)催化作用控制熱水流量以及確定最優(yōu)循環(huán)。在工業(yè)過程計算機(jī)控制方面所進(jìn)行的這些開創(chuàng)性的工作引起了人們的廣泛注意。工業(yè)界看到了計算機(jī)將成為提高自動化程度的強(qiáng)有力工具，制造計算機(jī)的廠商看到了一個潛在的市場，而控制界則看到了一個新興的研究領(lǐng)域。目前，可以選擇的微處理器與微控制器有單片機(jī)、DSP、ARM和PowerPC等，制造公司主要有INTEL、Freescale、Renesas、NEC、ATMEL、NXP、TI、Microchip、TOSHIBA、Samsung、ST、ADI和STC等。其中ARM的性價比是非常高的，也是現(xiàn)在最常用的微控制器。目前微處理器與微控制器的同步總線結(jié)構(gòu)分為兩種：一種是源于MOTOROLA公司的微處理器M6800的，另一種是源于Intel公司的微處理器8085的。這兩種同步總線結(jié)構(gòu)的地址總線、數(shù)據(jù)總線是沒有區(qū)別的，但其控制總線與外圍芯片或存儲器芯片的接口是不同的。一些外圍芯片制造商為了使自己的產(chǎn)品既能與MOTOROLA總線結(jié)構(gòu)接口，又能與Intel總線結(jié)構(gòu)接口，在其產(chǎn)品中定義了一個引腳，通常用MOTEL表示，意為MOTOROLA和Intel總線兼容之意，在某些產(chǎn)品中也常用MODE表示。通常，MOTEL接地，表示與Intel總線兼容；MOTEL接+5V，表示與MOTOROLA總線兼容。兩總線的對應(yīng)關(guān)系為：在我國，常用的總線結(jié)構(gòu)為Intel總線結(jié)構(gòu)。既使為Intel總線結(jié)構(gòu)，不同公司生產(chǎn)的微處理器和微控制器其存儲空間配置也不盡相同，不同的領(lǐng)域、不同的需要，選擇的微處理器和微控制器也各不相同。微處理器和微控制器的三種存儲空間配置結(jié)構(gòu)如下。（1）馮?諾伊曼（Von.Noreaman）存儲空間的配置結(jié)構(gòu)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，有專門輸入輸出指令。類似于X86系列微處理器的這種存儲空間配置結(jié)構(gòu)稱為馮?諾伊曼存儲空間的配置結(jié)構(gòu)。（2）哈弗（Harward）存儲空間的配置結(jié)構(gòu)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分別編址，沒有專門輸入輸出指令，輸入輸出地址作為數(shù)據(jù)存儲器地址的映射，類似于MCS-51系列及其兼容單片微控制器的這種存儲空間配置結(jié)構(gòu)稱為哈佛（Harward）結(jié)構(gòu)。（3）普林斯頓（Preston）存儲空間的配置結(jié)構(gòu)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，沒有專門輸入輸出指令，，輸入輸出地址作為數(shù)據(jù)存儲器地址的映射，類似于MCS-96系列單片微控制器的這種存儲空間配置結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓（Preston）結(jié)構(gòu)。2.2內(nèi)部總線在計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，除選擇一種微處理器、微控制器自行設(shè)計硬件系統(tǒng)或選用現(xiàn)有的智能儀表、DCS等系統(tǒng)外，設(shè)計者還可以根據(jù)不同的需要，選擇微型計算機(jī)系統(tǒng)（如PC機(jī)或工控PC機(jī)），再配以I/O擴(kuò)展板卡，即可構(gòu)成硬件系統(tǒng)。I/O擴(kuò)展板卡是插在微型計算機(jī)系統(tǒng)中總線上的滿足控制系統(tǒng)需要的電路板。工控PC機(jī)采用的結(jié)構(gòu)是無源底板，在無源底板上具有多個ISA或PCI總線插槽，CPU板卡為ALL-IN-ONE結(jié)構(gòu)，采用工業(yè)級電源及特制的機(jī)箱，可靠性高，可連續(xù)24小時運(yùn)行，又與一般PC機(jī)兼容。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般將總線分為內(nèi)部總線和外部總線兩部分。2.2內(nèi)部總線在計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，除選擇一種微處理器、微控制器自行設(shè)計硬件系統(tǒng)或選用現(xiàn)有的智能儀表、DCS等系統(tǒng)外，設(shè)計者還可以根據(jù)不同的需要，選擇微型計算機(jī)系統(tǒng)（如PC機(jī)或工控PC機(jī)），再配以I/O擴(kuò)展板卡，即可構(gòu)成硬件系統(tǒng)。I/O擴(kuò)展板卡是插在微型計算機(jī)系統(tǒng)中總線上的滿足控制系統(tǒng)需要的電路板。工控PC機(jī)采用的結(jié)構(gòu)是無源底板，在無源底板上具有多個ISA或PCI總線插槽，CPU板卡為ALL-IN-ONE結(jié)構(gòu)，采用工業(yè)級電源及特制的機(jī)箱，可靠性高，可連續(xù)24小時運(yùn)行，又與一般PC機(jī)兼容。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般將總線分為內(nèi)部總線和外部總線兩部分。內(nèi)部總線是計算機(jī)內(nèi)部各功能模板之間進(jìn)行通信的通道，又稱為系統(tǒng)總線，它是構(gòu)成完整計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。由于ISA總線已淘汰，下面介紹比較流行的PCI總線、PCIe和PC104總線。制訂PCI總線的目標(biāo)是建立一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、低成本的、允許靈活配置的、高性能局部總線結(jié)構(gòu)；它既為今天的系統(tǒng)建立一個新的性能/價格比，又能適應(yīng)將來CPU的特性，能在多種平臺和結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。PCI局部總線是一種高性能、32位或64位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用的總線。其用途是在高度集成的外設(shè)控制器器件、擴(kuò)展板和處理器系統(tǒng)之間提供一種內(nèi)部聯(lián)接機(jī)制。PCI總線被應(yīng)用于多種平臺和體系結(jié)構(gòu)中，PCI局部總線的多種應(yīng)用如圖2-1所示。2.2.1PCI總線圖2-1PCI局部總線應(yīng)用PCI總線板卡的外形如圖2-2所示。圖2-2PCI總線板卡的外形圖PCIExpress（簡稱PCIe）是Intel公司提出的新一代總線接口，旨在替代舊的PCI，PCI-X和AGP總線標(biāo)準(zhǔn)，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)。PCIe在軟件層面上兼容PCI技術(shù)和設(shè)備，支持PCI設(shè)備和內(nèi)存模組的初始化，過去的驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)可以支持PCIe設(shè)備。PCIe與PCI總線相比主要有以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）PCIe是串行總線，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，每個傳輸通道獨(dú)享帶寬。（2）PCIe總線支持雙向傳輸模式和數(shù)據(jù)分通道傳輸模式。其數(shù)據(jù)分通道傳輸模式，即PCIe總線的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道連接，x1單向傳輸帶寬即可達(dá)到250MB/s，雙向傳輸帶寬更能夠達(dá)到500MB/s。2.2.2PCIe總線（3）PCIe總線充分利用先進(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連、基于交換的技術(shù)和基于包的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)新的總線性能和特征。電源管理、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、熱插拔支持、數(shù)據(jù)完整性和錯誤處理機(jī)制等也是PCIe總線所支持的高級特征。（4）PCIe與PCI總線良好的繼承性可以保持軟件的繼承和可靠性。PCIe總線關(guān)鍵的PCI特征，比如應(yīng)用模型、存儲結(jié)構(gòu)和軟件接口等與傳統(tǒng)PCI總線保持一致，但是并行的PCI總線被一種具有高度擴(kuò)展性的、完全串行的總線所替代。（5）PCIe總線充分利用先進(jìn)的點(diǎn)到點(diǎn)互連，降低了系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計的復(fù)雜性和難度，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)制造設(shè)計成本，極大地提高系統(tǒng)的性價比和健壯性。PCIe接口模式通常用于顯卡、網(wǎng)卡等主板類接口卡。PCIe總線網(wǎng)卡如圖2-3所示。圖2-3PCIe總線網(wǎng)卡PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，是ISA（IEEE996）標(biāo)準(zhǔn)的延伸。PC104有兩個版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT總線相對應(yīng)。IEEE協(xié)會將PC104定義為IEEE-P996.1，其實(shí)際上就是一種緊湊型的IEEE-P996。它的信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范完全不同，是一種優(yōu)化的、小型的、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。它與普通PC總線控制系統(tǒng)的主要不同是：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.6×3.8英尺，即96×90mm。（2）堆棧式連接：PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，有極好的抗震性。（3）低功耗：一般4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，典型模塊的功耗為1~2W。2.2.3PC104總線PC104的模塊通常有CPU模塊、數(shù)字I/O模塊、模擬量采集模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等功能模塊，這些模塊可以連接在一起，各模塊之間連接緊固，不易松動，更適合在強(qiáng)烈振動的惡劣環(huán)境下工作。PC104模塊一般支持嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、WindowsCE等嵌入式操作系統(tǒng)。目前生產(chǎn)PC104卡或模塊的公司有研華、研祥、磐儀等公司，其中，研華PC104主板PCM-3343如圖2-4所示。研華PCM-3343主板包含4個USB2.0接口，2個音頻接口，4個串口，1個PC104接口，1個百兆網(wǎng)口，1個24bitLVDS接口，1個TTLLCD接口，支持的操作系統(tǒng)：WindowsXP，Linux等。另外還有PC104plus總線，它為單列三排120個總線引腳，有效信號和控制線與PCI總線完全兼容圖2-4研華PC104主板PCM-33432.3外部總線外部總線主要用于計算機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或計算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信。外部總線又分為兩類：一類是各位之間并行傳輸?shù)牟⑿锌偩€，如IEEE-488；另一類是各位之間串行傳輸?shù)拇锌偩€，如USB、RS-232C、RS-485等。1.RS-232C端子RS-232C的連接插頭早期用25針EIA連接插頭座，現(xiàn)在用9針的EIA連接插頭座，其主要端子分配如表2-1所示。2.3.1RS-232C串行通信接口表2-1RS-232C主要端子端

腳方

向符

號功

能25針9針23輸出TXD發(fā)送數(shù)據(jù)32輸入RXD接收數(shù)據(jù)47輸出RTS請求發(fā)送58輸入CTS為發(fā)送清零66輸入DSR數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好75

GND信號地81輸入DCD數(shù)據(jù)信號檢測204輸出DTR229輸入RI（1）信號含義1）從計算機(jī)到MODEM的信號DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好：告訴MODEM計算機(jī)已接通電源，并準(zhǔn)備好。RTS——請求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。2）從MODEM到計算機(jī)的信號DSR——數(shù)據(jù)設(shè)備（DCE）準(zhǔn)備好：告訴計算機(jī)MODEM已接通電源，并準(zhǔn)備好了。CTS——為發(fā)送清零：告訴計算機(jī)MODEM已作好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。DCD——數(shù)據(jù)信號檢測：告訴計算機(jī)MODEM已與對端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計算機(jī)對端電話已在振鈴了。3）數(shù)據(jù)信號TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。（2）電氣特性RS-232C的電氣線路連接方式如圖2-5所示。圖2-5RS-232C的電氣連接接口為非平衡型，每個信號用一根導(dǎo)線，所有信號回路共用一根地線。信號速率限于20kbps內(nèi)，電纜長度限于15m之內(nèi)。由于是單線，線間干擾較大。其電性能用±12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖。值得注意的是RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號Space=+5~+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通On=+5~+15V，邏輯“0”電平斷Off=－5~－15V，邏輯“1”電平RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件相連必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

由于RS-232C采用電平傳輸，在通信速率為19.2kbps時，其通信距離只有15m。若要延長通信距離，必須以降低通信速率為代價。2.通信接口的連接當(dāng)兩臺計算機(jī)經(jīng)RS-232C口直接通信時，兩臺計算機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)線可用圖2-6和圖2-7表示。雖然不接MODEM，圖中仍連接著有關(guān)的MODEM信號線，這是由于INT14H中斷使用這些信號，假如程序中沒有調(diào)用INT14H，在自編程序中也沒有用到MODEM的有關(guān)信號，兩臺計算機(jī)直接通信時，只連接2、3、7（25針EIA）或3、2、5（9針EIA）就可以了。圖2-6使用MODEM信號的RS-232C接口圖2-7不使用MODEM信號的RS-232C接口3.RS-232C電平轉(zhuǎn)換器為了實(shí)現(xiàn)采用+5V供電的TTL和CMOS通信接口電路能與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口連接，必須進(jìn)行串行口的輸入/輸出信號的電平轉(zhuǎn)換。目前常用的電平轉(zhuǎn)換器有MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC1488驅(qū)動器、MC1489接收器，TI公司的SN75188驅(qū)動器、SN75189接收器及美國MAXIM公司生產(chǎn)的單一+5V電源供電、多路RS-232驅(qū)動器/接收器，如MAX232A等。MAX232A內(nèi)部具有雙充電泵電壓變換器，把+5V變換成±10V，作為驅(qū)動器的電源，具有兩路發(fā)送器及兩路接收器，使用相當(dāng)方便。典型應(yīng)用如圖2-8所示。圖2-8MAX232A典型應(yīng)用單一+5V電源供電的RS-232C電平轉(zhuǎn)換器還有TL232、ICL232等。由于RS-232C通信距離較近，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，可采用RS-485串行通信接口。1.RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號定義如下。當(dāng)采用+5V電源供電時：若差分電壓信號為－2500~－200mV時，為邏輯“0”；若差分電壓信號為+2500~+200mV時，為邏輯“1”；若差分電壓信號為－200~+200mV時，為高阻狀態(tài)。RS-485的差分平衡電路如圖2-9所示。其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導(dǎo)線電壓的差值。2.3.2RS-485串行通信接口圖2-9差分平衡電路2.RS-485收發(fā)器RS-485收發(fā)器種類較多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速應(yīng)用場合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線