《計算機控制技術(shù)》第2章總線接口與過程通道了解計算機控制系統(tǒng)的總線，各類I/O接口與I/O設(shè)備；了解計算機串口通信基本原理，熟悉各類過程通道；

學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)能力目標(biāo)會選擇不同類型的外部設(shè)備，設(shè)置相應(yīng)的接口電路，掛接到系統(tǒng)總線上，構(gòu)成不同用途、不同規(guī)模的計算機控制系統(tǒng)。思政育人目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生在計算機網(wǎng)絡(luò)綜合實訓(xùn)室訓(xùn)練時嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，較強的安全用電意識，預(yù)防各種突發(fā)事故，防患于未然2.1總線在計算機控制系統(tǒng)中，利用總線實現(xiàn)主機與外部設(shè)備之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接與通信。計算機控制系統(tǒng)的各類外部設(shè)備都通過各種接口電路連接到計算機系統(tǒng)的總線上。如圖所示，被監(jiān)控對象的狀態(tài)信息經(jīng)過輸入裝置轉(zhuǎn)換后通過總線與接口送入計算機；計算機將控制信號通過總線與接口送入輸出裝置，然后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作。也就是說，輸入/輸出裝置必須通過總線與接口和計算機主機進行信息交換。內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS總線的含義與類別1采用總線的優(yōu)點2總線標(biāo)準(zhǔn)32.1.1總線的含義與類別

1.總線的含義計算機作為控制設(shè)備在測試與控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用并形成了多種類型的應(yīng)用系統(tǒng)。在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部，有各種單元模塊，如I/O接口、A-D、D-A等。這些模塊之間必然要進行信息交換，而在各個獨立的應(yīng)用系統(tǒng)之間，也需要進行必要的信息交換。無論信息傳送的方式如何，都必須遵循某種原則，如內(nèi)部插件的幾何尺寸應(yīng)相同，插頭、插座的規(guī)格應(yīng)統(tǒng)一，針數(shù)應(yīng)相同，各個插針的定義應(yīng)統(tǒng)一，控制插件相同，信號定義和工作時序應(yīng)相同等，這就導(dǎo)致了“總線”的誕生。所謂總線就是在模塊和模塊之間或設(shè)備與設(shè)備之間的一組進行互連和傳輸信息的信號線，是一種在各模塊間傳送信息的公共通道?？偩€就是一組信號線的集合，用這個集合可以組成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信息通道，它定義了各引線的信號、電氣、機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同的計算機之間建立信號聯(lián)系，進行信息傳送。它可以把計算機或控制系統(tǒng)的模板或各種設(shè)備連成一個整體以便彼此間進行信息交換。總線是計算機控制系統(tǒng)的重要組成部分?？偩€的性能對計算機控制系統(tǒng)的性能具有舉足輕重的作用。采用總線技術(shù)，可大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)的開放性、兼容性、可靠性和可維護性。2.總線的類別總線的類別很多。按照功能和用途可分為內(nèi)部總線和外部總線；按應(yīng)用的場合可分為芯片總線、板內(nèi)總線、機箱總線、設(shè)備互連總線、現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)總線等；按總線的作用域可分為全局總線和本地總線；按標(biāo)準(zhǔn)化程度可分為標(biāo)準(zhǔn)總線和非標(biāo)準(zhǔn)（專用）總線等；按其傳送數(shù)據(jù)的方式可分為串行總線和并行總線。內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它按功能又可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線3部分，每種型號的計算機都有自身的內(nèi)部總線。外部總線是計算機與計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間進行通信的連線，又稱為通信總線。（1）數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于CPU與其它部件之間傳送信息（數(shù)據(jù)和指令代碼），是雙向傳輸?shù)模碈PU通過數(shù)據(jù)總線可以接收來自其它部件的信息，也可以通過數(shù)據(jù)總線向其它部件發(fā)送信息。數(shù)據(jù)線的寬度表示了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，反映了總線的性能。（2）地址總線地址總線用來傳送CPU要訪問的存儲單元或I/O接口地址信號。地址信號一般由CPU發(fā)往其它芯片，屬于單向總線。（3）控制總線控制總線用于傳輸控制命令和狀態(tài)信息。根據(jù)不同的使用條件，控制總線有的為單向，有的為雙向。2.1.2采用總線的優(yōu)點

總線是聯(lián)系計算機及控制設(shè)備的紐帶。由于總線中每一條線、每一個信號都有嚴格的定義，因此總線標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)法規(guī)。一旦選中某種總線，任何廠家和用戶都要嚴格遵守這個法規(guī)，這就使系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)、使用和維護上具有很多優(yōu)越性。概括起來采用總線有以下優(yōu)點：（1）簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）簡化硬件與軟件的設(shè)計（3）便于系統(tǒng)的擴充與更新（4）便于組織生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品造價（5）可維護性好2.1.3總線標(biāo)準(zhǔn)

總線是計算機系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)和重要資源，是聯(lián)系計算機內(nèi)部各部分資源的高速公路，是聯(lián)系計算機及控制設(shè)備的紐帶。因此，計算機系統(tǒng)中總線結(jié)構(gòu)性能的好壞、速度的高低和總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化合理程度將直接影響到計算機的性能?？偩€標(biāo)準(zhǔn)的建立對計算機應(yīng)用和普及是至關(guān)重要的?？偩€標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)法規(guī)?？偩€上的各個單元，如芯片之間、擴展卡之間以及系統(tǒng)之間，如果要進行正確的連接與傳輸信息，就應(yīng)遵守一定的協(xié)議與規(guī)范，即總線標(biāo)準(zhǔn)。為了可靠有效地進行各種信息交換而對總線信號傳送規(guī)則及傳送信號的物理介質(zhì)所做的一系列物理規(guī)定稱為總線規(guī)約，某一標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)或推薦的總線規(guī)約稱為某種總線標(biāo)準(zhǔn)。總線標(biāo)準(zhǔn)包括：總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各個信號線（接口引腳）的功能定義、總線工作的時鐘頻率、傳輸速率的設(shè)定、信息格式的約定、信號的邏輯電平規(guī)定、時序的安排和要求、電路驅(qū)動能力、抗干擾能力、機械規(guī)范（包括接插件的幾何形狀與尺寸）和實施總線協(xié)議的驅(qū)動與管理程序等。常用的外部總線標(biāo)準(zhǔn)有IEEE-481并行總線和RS-232C串行總線。對于遠距離通信、多站點互聯(lián)通信，還有RS-422和RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。最典型的內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA總線、PCI總線等。下圖所示是某型號計算機主板上的PCI和ISA插槽示意圖。其中有5個短白色的PCI擴展槽，2個長黑色的ISA擴展槽。在系統(tǒng)設(shè)計中，具體選擇哪一種總線標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)通信距離、速率、系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等要求來綜合分析確定。2.2I/O接口內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECISI/O接口與I/O設(shè)備1接口的分類2接口信息與接口地址32.2.1I/O接口與I/O設(shè)備

1.I/O接口微機接口技術(shù)是采用硬件與軟件相結(jié)合的方法，使微處理器與外部設(shè)備進行最佳的匹配，實現(xiàn)CPU與外部設(shè)備之間的高效、可靠的信息交換的一門技術(shù)。接口技術(shù)是工業(yè)實時控制、數(shù)據(jù)采集中非常重要的微機應(yīng)用技術(shù)，它可實現(xiàn)CPU與存儲器、I/O設(shè)備、控制設(shè)備、測量設(shè)備、通信設(shè)備、A-D、D-A轉(zhuǎn)換器等的信息交換。所謂接口，就是微處理器與外部連接的部件，是CPU與外部設(shè)備進行消息交換的中轉(zhuǎn)站。如源程序或數(shù)據(jù)要通過接口從輸入設(shè)備送入計算機，運算結(jié)果要通過接口向輸出設(shè)備送出；控制命令通過接口發(fā)出，現(xiàn)場狀態(tài)通過接口取進來等。

接口可以抽象地定義為一個部件（Unit）或一臺設(shè)備（Device）與周圍環(huán)境的理想分界面。這個假設(shè)的分界面切斷該部件或設(shè)備與周圍環(huán)境的一切聯(lián)系，當(dāng)一個組件或設(shè)備與外界環(huán)境進行任何信息交換和傳輸時，必須通過這個假想的分界面，通常稱這個分界面為接口（Interface）。所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是指明確定義了幾何尺寸、信號功能、信號電平等的接口。有了標(biāo)準(zhǔn)接口，可以使不同類型、不同生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)終端和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間方便地進行通信。圖2-4中給出了幾種常用接口。其中接口1為程序存儲器ROM接口，接口2為數(shù)據(jù)存儲器RAM接口；接口3為打印機接口，接口4為顯示器接口；接口5為鍵盤接口；接口6為系統(tǒng)間接口（如RS-232C串行接口）。2.I/O設(shè)備為了將計算機應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、參數(shù)檢測和實時控制等領(lǐng)域，必須向計算機輸入反映控制對象的狀態(tài)和變化的信息，經(jīng)過中央處理器處理后，再向控制對象輸出控制信息。這些輸入信息和輸出信息的表現(xiàn)形式是千差萬別的，可能是開關(guān)量或數(shù)字量，更可能是各種不同性質(zhì)的模擬量，如溫度、濕度、壓力、流量和濃度等，因此需要把各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)與微處理器或微機連接起來。所有這些設(shè)備統(tǒng)稱為外部設(shè)備或輸入/輸出設(shè)備，即I/O設(shè)備。I/O設(shè)備一般不和微機內(nèi)部直接相連，而是必須通過I／O接口與微機內(nèi)部進行信息交換。3.接口電路由于I/O設(shè)備和CPU之間可能存在工作上邏輯時序的不一致，處理的數(shù)據(jù)類型（包括數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量）比CPU處理的數(shù)據(jù)類型（只有數(shù)字量）要復(fù)雜和廣泛，并且工作速度比CPU慢，因此計算機和I/O設(shè)備之間需要一個接口電路來做橋梁，以實現(xiàn)信息的交換。處理器通過總線與接口電路連接，接口電路再與外部設(shè)備連接，因此CPU總是通過接口與外部設(shè)備發(fā)生聯(lián)系。為了使組件與組件之間以及設(shè)備之間進行有效和可靠的信息交換及傳輸，必須選用和設(shè)計合適的接口電路。在計算機系統(tǒng)內(nèi)各部件之間或計算機與外設(shè)之間，或更一般的智能設(shè)備與智能設(shè)備之間的聯(lián)系實際上都是部件與總線的聯(lián)系，這樣，接口又可定義為部件（此處部件所指小至單一元件，大至一個智能系統(tǒng)）與某一具體總線之間的一切聯(lián)系，介于該部件與總線之間為實現(xiàn)這種聯(lián)系所必需的全部電路稱為接口電路。2.2.2接口的分類

1.按接口的功能劃分1）人機對話接口。這類接口主要為操作者與計算機之間的信息交換服務(wù)，如鍵盤接口、顯示器接口、圖形設(shè)備接口和語音輸入輸出接口等。2）過程控制接口。這類接口是對生產(chǎn)過程進行檢測與控制的接口。它一般包括傳感器接口和控制接口兩部分，前者輸入各種外界信息，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的檢測，后者輸出經(jīng)計算機處理后的控制信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。所以過程控制接口是計算機應(yīng)用于控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。3）通用外設(shè)接口（標(biāo)準(zhǔn)接口）。這類接口是通用外設(shè)（如打印機、磁盤機、繪圖儀等）與計算機之間的接口。個人計算機的外設(shè)接口示意圖2.按接口與總線的關(guān)系劃分

接口是某一部件與總線的聯(lián)系，它與總線密切相關(guān)。1）元件級接口。元件級接口是計算機系統(tǒng)內(nèi)部某一具體元件，如存儲器、定時器、中斷控制器等，與內(nèi)部總線之間的聯(lián)系。2）插板級接口。插板級接口又稱為系統(tǒng)內(nèi)接口，它是系統(tǒng)某一部分與系統(tǒng)內(nèi)總線之間的一切聯(lián)系，如鍵盤接口、顯示器接口、打印機接口、磁盤驅(qū)動器接口等，這種接口都比較復(fù)雜。3）系統(tǒng)間接口。系統(tǒng)間接口又稱為通信接口，是計算機系統(tǒng)與另外一系統(tǒng)或智能設(shè)備之間的聯(lián)系，因這種聯(lián)系就是數(shù)據(jù)的通信聯(lián)系，故常稱之為通信接口。數(shù)據(jù)信息都是通過總線傳輸?shù)?，因此通信接口是一種總線與另一種總線之間的接口，即計算機系統(tǒng)總線與通信總線之間的接口。如RS-232C接口、IEEE-488接口、USB接口等。2.2.3接口信息與接口地址

1.接口信息（1）數(shù)據(jù)信息在計算機中，數(shù)據(jù)一般有8位、16位、32位、64位等。計算機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送主要有并行傳送（如打印機等）和串行傳送（如鍵盤、異步通信口等）兩種傳送方式。（2）狀態(tài)信息狀態(tài)信息反映了當(dāng)前外設(shè)或接口本身所處的工作狀態(tài)。計算機在輸入與輸出過程中，外部設(shè)備的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，外部設(shè)備是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)等，都要通過一定的數(shù)據(jù)量來表示，才能實現(xiàn)計算機與外部設(shè)備之間的正確“握手”。（3）控制信息控制信息主要是指啟動、停止外部設(shè)備之類的接口信息。CPU通過發(fā)送控制信息控制外設(shè)的工作。2.接口地址為了區(qū)分不同的接口電路，也必須像存儲器一樣給它們編號，這就是接口電路的地址，這樣CPU就可以象訪問存儲單元一樣按地址訪問這些接口電路，從而與外設(shè)發(fā)生聯(lián)系。一個接口電路中根據(jù)需要可能有多個存儲器，如數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和命令寄存器等，為了區(qū)別它們，也給予不同的地址，以便CPU能正確找到它們。為了將這些地址和存儲器地址區(qū)別開，稱它們?yōu)榻涌诘刂?。CPU通過這些地址向接口電路中的寄存器發(fā)送命令，讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。有時也將上述接口中可被CPU直接訪問的一些寄存器稱為端口。一個接口常有幾個端口，如數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口、命令端口等，每個端口的地址叫做端口地址。2.3串口通信目前計算機的串口通信應(yīng)用十分廣泛，串口已成為計算機的必需部件和接口之一。串行接口技術(shù)簡單成熟，性能可靠，價格低廉，所要求的軟、硬件環(huán)境或條件都很低，廣泛應(yīng)用于計算機控制相關(guān)領(lǐng)域，遍及調(diào)制解調(diào)器（Modem）、串行打印機、各種監(jiān)控模塊、PLC、攝像頭云臺、數(shù)控機床、單片機及相關(guān)智能設(shè)備等。內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS串口通信的基本概念1串口通信標(biāo)準(zhǔn)2串口通信線路連接32.3.1串口通信基本概念

1.通信與通信方式什么是通信?

簡單地說，通信就是兩個人之間的溝通，也可以說是兩個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。人類之間的通信使用了諸如電話、書信等工具進行；而設(shè)備之間的通信則是使用電信號。最常見的信號傳遞就是使用電壓的改變來達到表示不同狀態(tài)的目的。以計算機為例，高電位代表了一種狀態(tài)，而低電位則代表了另一種狀態(tài)，在組合了很多電位狀態(tài)后就形成了兩種設(shè)備之間的通信。最簡單的信息傳送方式，就是使用一條信號線路來傳送電壓的變化而達到傳送信息的目的，只要準(zhǔn)備溝通的雙方事先定義好何種狀態(tài)代表何種意思，那么通過這一條線就可以讓雙方進行數(shù)據(jù)交換。在計算機內(nèi)部，所有的數(shù)據(jù)都是使用“位”來存儲的，每一位都是電位的一個狀態(tài)（計算機中以0、1表示）；計算機內(nèi)部使用組合在一起的8位數(shù)據(jù)代表一般所使用的字符、數(shù)字及一些符號，例如01000001就表示一個字符。數(shù)據(jù)傳輸可以通過兩種方式進行：并行通信和串行通信。（1）并行通信如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳送，則這種傳輸稱為并行通信，如圖2-6所示，使用了8條信號線一次將一個字符11001101全部傳送完畢。并行數(shù)據(jù)傳送的特點是：各數(shù)據(jù)位同時傳送，傳送速度快、效率高，多用在實時、快速的場合，打印機端口就是一個典型的并行傳送的例子。并行數(shù)據(jù)傳送只適用于近距離的通信，通常小于30m。（2）串行通信串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在一根數(shù)據(jù)線上進行，以每次一個二進制的0、1為最小單位逐位進行傳輸，如圖2-7所示。串行數(shù)據(jù)傳送的特點是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進行，最少只需要一根傳輸線即可完成，節(jié)省傳輸線。與并行通信相比，串行通信還有較為顯著的優(yōu)點：傳輸距離長，可以從幾米到幾千米；在長距離時，串行數(shù)據(jù)傳送的速率會比并行數(shù)據(jù)傳送速率快；串行通信的通信時鐘頻率容易提高；串行通信的抗干擾能力十分強，其信號間的互相干擾完全可以忽略。但是串行通信傳送速度比并行通信慢得多。正是由于串行通信的接線少、成本低，因此它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品也多種多樣。2.串口通信參數(shù)串行端口的通信方式是將字節(jié)拆分成一個接著一個的位再傳送出去。接到此電位信號的一方再將此一個一個的位組合成原來的字節(jié)，如此形成一個字節(jié)的完整傳送，在數(shù)據(jù)傳送時，應(yīng)在通信端口初始化時設(shè)置幾個通信參數(shù)。（1）波特率串行通信的傳輸受到通信雙方設(shè)備性能及通信線路特性的影響，收、發(fā)雙方必須按照同樣的速率進行串行通信，即收、發(fā)雙方采用同樣的波特率。通常將傳輸速度稱為波特率，指的是串行通信中每一秒所傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，單位是bit/s。例如,在某異步串行通信中，每傳送一個字符需要8位。（2）數(shù)據(jù)位當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會收到數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5、6、7或8位數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送的過程中，數(shù)據(jù)位從最低有效位開始傳送。（3）起始位在通信線上，沒有數(shù)據(jù)傳送時處于邏輯“1”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)出一個邏輯“0”信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位通過通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測到這個邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送的開始。（4）停止位在奇偶校驗位或者數(shù)據(jù)位（無奇偶校驗位時）之后是停止位。它可以是1位、1

5位或2位，停止位是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。（5）奇偶校驗位數(shù)據(jù)位發(fā)送完之后，就可以發(fā)送奇偶校驗位。奇偶校驗位用于有限差錯檢驗，通信雙方在通信時約定一致的奇偶校驗方式。就數(shù)據(jù)傳送而言，奇偶校驗位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)雖然只用于檢錯，但很容易實現(xiàn)。2.3.2串口通信標(biāo)準(zhǔn)

1.RS-232C串口通信標(biāo)準(zhǔn)目前RS-232C是PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，在PC上的COM1、COM2接口，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(shè)（如打印機、邏輯分析儀、智能調(diào)節(jié)儀、PLC等）近距離串行連接；連接調(diào)制解調(diào)器可遠距離地與其它計算機通信；將其轉(zhuǎn)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(shè)備之間的通信。由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同?，F(xiàn)在計算機上一般只提供DB-9連接器，都為公頭。相應(yīng)的連接線上的串口連接器也有公頭和母頭之分，如圖2-8所示。作為多功能I/O卡或主板上提供的COM1和COM2兩個串行接口的DB-9連接器，它只提供異步通信的9個信號引腳，如圖2-9所示，各引腳的信號功能描述見表2-1。針腳符號通信方向功能1DCD計算機→調(diào)制解調(diào)器載波信號檢測。用來表示DCE已經(jīng)接收到滿足要求的載波信號，已經(jīng)接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。2RXD計算機←調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)。接收DCE發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。3TXD計算機→調(diào)制解調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到DCE。在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，TXD保持邏輯“1”。4DTR計算機→調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好。當(dāng)該信號有效時，表示DTE準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)至DCE，可以使用。5GND計算機=調(diào)制解調(diào)器信號地線。為其它信號線提供參考電位。6DSR計算機←調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好。當(dāng)該信號有效時，表示DCE已經(jīng)與通信的信道接通，可以使用。7RTS計算機→調(diào)制解調(diào)器請求發(fā)送。該信號用來表示DTE請求向DCE發(fā)送信號。當(dāng)DTE欲發(fā)送數(shù)據(jù)時，將該信號置為有效，向DCE提出發(fā)送請求。8CTS計算機←調(diào)制解調(diào)器清除發(fā)送。該信號是DCE對RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)DCE已經(jīng)準(zhǔn)備好接收DTE發(fā)送的數(shù)據(jù)時，將該信號置為有效，通知DTE可以通過TXD發(fā)送數(shù)據(jù)。9RI計算機←調(diào)制解調(diào)器振鈴信號指示。當(dāng)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對方已經(jīng)被呼叫。表2-19針串行口的針腳功能從功能來看，全部信號線分為3類，即數(shù)據(jù)線（TXD、RXD）、地線（GND）和聯(lián)絡(luò)控制線（DSR、DTR、RI、DCD、RTS、CTS）。RS-232C的每一支引腳都有它的作用，也有它信號流動的方向。如果從計算機的角度來看這些引腳的通信狀況的話，流進計算機端的，可以看成數(shù)字輸入；而流出計算機端的，則可以看成數(shù)字輸出。數(shù)字輸入與數(shù)字輸出的關(guān)系是什么呢？從工業(yè)應(yīng)用的角度來看，所謂的輸入就是用來“監(jiān)測”，而輸出就是用來“控制”的。2.RS-485串口通信標(biāo)準(zhǔn)RS-485可實現(xiàn)真正的多點雙向通信，其主要特點如下：

1）RS-485的接口信號電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。2）RS-485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。3）RS-485接口抗噪聲干擾性好，抗干擾性能大大高于RS-232接口,因而通信距離遠，RS-485接口的最大傳輸距離大約為1200m。RS-485協(xié)議可以看做是RS-232協(xié)議的替代標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的RS-232協(xié)議相比，其在通信速率、傳輸距離、多機連接等方面均有了非常大的提高，這也是工業(yè)系統(tǒng)中使用RS-485總線的主要原因。3.認識PC上的串行接口在PC主機箱后面板上，有各種各樣的接口，其中有兩個9針的接頭區(qū)，如圖所示，這就是RS-232C串行通信端口。PC上的串行接口有多個名稱：232口、串口、通信口、COM口、異步口等。2.3.3串口通信線路連接

1.近距離通信線路連接當(dāng)2臺RS-232串口設(shè)備通信距離較近時（<15m），可以用電纜線直接將2臺設(shè)備的RS-232端口連接，若通信距離較遠（>15m）時，則需附加調(diào)制解調(diào)器。當(dāng)通信距離較近時，通信雙方不需要調(diào)制解調(diào)器，可以直接連接。最簡單的情況是，在通信中只需3根線（發(fā)送線TXD、接收線RXD、信號地線GND）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。圖a是兩臺串口通信設(shè)備之間的最簡單連接（即三線連接），圖中的2號接收腳與3號發(fā)送腳交叉連接是因為直連方式時，把通信雙方都當(dāng)做數(shù)據(jù)終端設(shè)備看待，雙方都可發(fā)也可收。如果只有一臺計算機，而且也沒有兩個串行通信端口可以使用，那么將第2腳與第3引腳外部短路，如圖b所示，那么由第3腳的輸出信號就會被傳送到第2腳，從而送到同一串行端口的輸入緩沖區(qū)，程序只要再由相同的串行端口上做讀取的操作，即可將數(shù)據(jù)讀入，一樣可以形成一個測試環(huán)境。2.遠距離通信線路連接

一般PC采用RS-232通信接口，當(dāng)PC與串口設(shè)備通信距離較遠時，二者不能用電纜直接連接，可采用RS-485總線。當(dāng)PC與多個具有RS-232接口的設(shè)備遠距離通信時，可使用RS-232/RS-485通信接口轉(zhuǎn)換器將計算機上的RS-232通信口轉(zhuǎn)為RS-485通信口，在信號進入設(shè)備前再使用RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器將RS-485通信口轉(zhuǎn)為RS-232通信口，再與設(shè)備相連，圖2-12所示為具有RS-232接口的PC與n個帶有RS-232通信接口的設(shè)備相連。圖2-12PC與多個RS-232串口設(shè)備遠距離連接當(dāng)PC與多個具有RS-485接口的設(shè)備通信時，由于兩端設(shè)備接口電氣特性不一，不能直接相連，因此，也采用RS-232/RS-485通信接口轉(zhuǎn)換器將RS-232接口轉(zhuǎn)換為RS-485信號電平，再與串口設(shè)備相連。圖2-13所示為具有RS-232接口的PC與n個帶有RS-485通信接口的設(shè)備相連。圖2-13PC與多個RS-485串口設(shè)備遠距離連接工業(yè)PC（IPC）一般直接提供RS-485接口，與多臺具有RS-485接口的設(shè)備通信時不用轉(zhuǎn)換器可直接相連。RS-485接口只有兩根線要連接，有+、-端（或稱A、B端）區(qū)分，用雙絞線將所有串口設(shè)備的接口并聯(lián)在一起即可。圖2-14所示為具有RS-485接口的IPC與n個帶有RS-485通信接口的設(shè)備相連。圖2-14

IPC與多個RS-485串口設(shè)備遠距離連接2.4過程通道在計算機控制系統(tǒng)中，計算機需要從生產(chǎn)過程中得到現(xiàn)場情況的信息，接受操作人員的控制，向操作人員報告現(xiàn)場情況和操作結(jié)果，還要把相應(yīng)的控制信息傳送給生產(chǎn)過程，有時還需要從其它外部設(shè)備輸入相關(guān)的信息，從而實現(xiàn)對過程的控制。以上任務(wù)的實現(xiàn)，都需要通過過程通道來完成。內(nèi)容提要內(nèi)容提要PRECIS過程通道的含義和作用1控制系統(tǒng)的信號類型2過程通道的種類32.4.1過程通道的含義和作用

過程通道是計算機控制系統(tǒng)中計算機與被監(jiān)控過程的現(xiàn)場設(shè)備之間進行信息傳遞和變換的連接裝置。這種連接裝置就稱為輸入、輸出過程通道，即從現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、信號調(diào)理電路、輸入裝置等）到計算機（主要指CPU）或從計算機到現(xiàn)場設(shè)備（輸出裝置、驅(qū)動電路、執(zhí)行機構(gòu)等）的物理信息通道。根據(jù)信息傳送方向，分為輸入通道和輸出通道，如圖2-15所示。圖2-15計算機控制系統(tǒng)中的過程通道

如果將計算機控制系統(tǒng)視為一個人體系統(tǒng)，計算機就類似于人體的大腦，它接收外部信息，并對接收到的信息進行加工處理。輸入通道就類似于人體的五官，其作用是將傳感器或信號調(diào)理器的電流/電壓信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號并傳輸給計算機處理。輸出通道就類似于人體的四肢，其作用則是將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為可直接推動執(zhí)行機構(gòu)的電氣信號。過程通道由各種硬件設(shè)備組成，它們起著信息轉(zhuǎn)換和傳遞的作用，配合相應(yīng)的輸入、輸出控制程序，使計算機和被控對象間能進行信息交換，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)、過程的控制。2.4.2控制系統(tǒng)的信號類型

工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)控制的前提是，必須將工業(yè)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、工況邏輯和設(shè)備運行狀況等物理量經(jīng)過傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可以識別的電信號（電壓或電流）或邏輯量。針對某個生產(chǎn)過程設(shè)計一套計算機控制系統(tǒng)，必須了解輸入、輸出信號的規(guī)格、接線方式、精度等級、量程范圍、線性關(guān)系、工程量換算等諸多要素。在實際工程中，通常將計算機控制系統(tǒng)的輸入輸出信號分為模擬量信號、開關(guān)量信號和脈沖量信號三大類。1.模擬量信號在工業(yè)生產(chǎn)控制過程中，特別是在連續(xù)型的生產(chǎn)過程(如化工生產(chǎn)過程)中，經(jīng)常會要求對一些物理量如溫度、壓力、流量等進行控制。這些物理量都是隨時間而連續(xù)變化的。在控制領(lǐng)域，把這些隨時間連續(xù)變化的物理量稱為模擬量。模擬信號是指隨時間連續(xù)變化的信號，這些信號在規(guī)定的一段連續(xù)時間內(nèi)，其幅值為連續(xù)值，即從一個量變到下一個量時中間沒有間斷。模擬信號有兩種類型：一種是由各種傳感器獲得的低電平信號；另一種是由儀器、變送器輸出的4～20mA的電流信號或1～5V的電壓信號。這些模擬信號經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機后，常常要進行數(shù)據(jù)正確性判斷、標(biāo)度變換、線性化等處理。模擬信號非常便于傳送，但它對干擾信號很敏感，容易使傳送中的信號的幅值或相位發(fā)生畸變。因此，有時還要對模擬信號做零漂修正、數(shù)字濾波等處理。模擬信號的常用規(guī)格：1）1～5V電壓信號此信號規(guī)格有時稱為DDZ-Ⅲ型儀表電壓信號規(guī)格。1～5V電壓信號規(guī)格通常用于計算機控制系統(tǒng)的過程通道。工程量的量程下限值對應(yīng)的電壓信號為lV，工程量上限值對應(yīng)的電壓信號為5V，整個工程量的變化范圍與4V的電壓變化范圍相對應(yīng)。過程通道也可輸出1～5V電壓信號，用于控制執(zhí)行機構(gòu)。2）4～20mA電流信號4～20mA電流信號通常用于過程通道和變送器之間的傳輸信號。工程量或變送器的量程下限值對應(yīng)的電流信號為4mA，量程上限對應(yīng)的電流信號為20mA，整個工程量的變化范圍與16mA的電流變化范圍相對應(yīng)。過程通道也可輸出4～20mA電流信號，用于控制執(zhí)行機構(gòu)。有的傳感器的輸出信號是毫伏級的電壓信號，如K型熱電偶在l000℃時輸出信號為41.296mV。這些信號要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mA）再送給過程通道。熱電阻傳感器的輸出信號是電阻值，一般要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mA），再送到過程通道。對于采用4～20mA電流信號的系統(tǒng)，只需采用250Ω電阻就可將其變換為1～5V直流電壓信號。當(dāng)控制系統(tǒng)輸出模擬信號需要傳輸較遠的距離時，一般采用電流信號而不是電壓信號，因為電流信號在一個回路中不會衰減，因而抗干擾能力比電壓信號好；當(dāng)控制系統(tǒng)輸出模擬信號需要傳輸給多個其它儀器儀表或控制對象時，一般采用直流電壓信號而不是直流電流信號。2.數(shù)字量信號

與模擬量相對的是數(shù)字量。數(shù)字量又稱為開關(guān)量。開關(guān)信號是指在有限的離散瞬時上取值間斷的信號。在二進制系統(tǒng)中，數(shù)字信號是由有限字長的數(shù)字組成，其中每位數(shù)字不是0就是1。圖2-18所示為模擬量和開關(guān)量隨時間而變化的圖示。有許多的現(xiàn)場設(shè)備往往只對應(yīng)于兩種狀態(tài)，例如，按鈕、行程開關(guān)的閉合和斷開、馬達的起動和停止、指示燈的亮和滅、繼電器或接觸器的釋放和吸合、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關(guān)閉等，可以用開關(guān)輸出信號去控制或者對開關(guān)輸入信號進行檢測。圖2-18

模擬量與開關(guān)量開關(guān)量信號反映了生產(chǎn)過程、設(shè)備運行的現(xiàn)行狀態(tài)、邏輯關(guān)系和動作順序。例如：行程開關(guān)可以指示出某個部件是否達到規(guī)定的位置，如果已經(jīng)到位，則行程開關(guān)接通，并向工控機系統(tǒng)輸入1個開關(guān)量信號；又如工控機系統(tǒng)欲輸出報警信號，則可以輸出1個開關(guān)量信號，通過繼電器或接觸器驅(qū)動報警設(shè)備，發(fā)出聲光報警。開關(guān)量輸入信號有觸點輸入和電平輸入兩種方式。觸點又有常開和常閉之分，其邏輯關(guān)系正好相反，猶如數(shù)字電路中的正邏輯和負邏輯。工控機系統(tǒng)實際上是按電平進行邏輯運算和處理的，因此工控機系統(tǒng)必須為輸入觸點提供電源，將觸點輸入轉(zhuǎn)換為電平輸入。開關(guān)量輸出信號也有觸點輸出和電平輸出兩種方式。輸出觸點也有常開和常閉之分。一般把觸點輸入/輸出信號稱為開關(guān)信號，把電平/輸出輸入信號稱為數(shù)字信號。它們的共同點是都可以用“0”和“1”表達。對于數(shù)字（開關(guān)）量輸出信號，可以分為兩種形式：一種是電壓輸出，另一種是繼電器輸出。電壓輸出一般是通過晶體管的通斷來直接對外部提供電壓信號，繼電器輸出則是通過繼電器觸點的通斷來提供信號。電壓輸出方式的速度比較快且外部接線簡單，但帶負載能力弱；繼電器輸出方式則與之相反。3.脈沖量信號脈沖量信號和電平形式的開關(guān)量類似，當(dāng)開關(guān)量按一定頻率變化時，則該開關(guān)量就可以視為脈沖量，也就是說脈沖量具有周期性。測量頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的傳感器都是以脈沖頻率的方式反映被測值的，有一些測流量的傳感器或變送器，也是以脈沖頻率為輸出信號。在運動控制中，編碼器送出的信號也是脈沖信號，根據(jù)脈沖的數(shù)目，可以獲得電動機角位移以及轉(zhuǎn)速的信息。另外，也可以通過輸出脈沖來控制步進電機轉(zhuǎn)角或速度。2.4.3過程通道的種類

1.模擬量輸入通道在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程、周圍環(huán)境或其它設(shè)備的檢測和控制，首先必須對各種模擬量參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、速度、距離等進行采集。為此，要用傳感器和信號調(diào)理電路（或變送器）將采集的物理量變成相應(yīng)的電信號（或標(biāo)準(zhǔn)電信號），通過經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算機能接收和處理的數(shù)字量信號，這就需要用到模擬量輸入通道。

圖2-19中，由傳感器、信號調(diào)理電路（或變送器）和模擬量輸入裝置構(gòu)成模擬量輸入通道，其中，模擬量輸入裝置主要由濾波放大、A-D轉(zhuǎn)換器以及與計算機的接口等組成。