第五章工业控制计算机及其接口技术 51概述 511工业控制计算机的概念特点 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位,它往往代表着系统的先进性和 智能特征。因而,把杋电一体化系统中的微杋软、硬件称之为智能组成要素。一般微型机往往 在实验室、办公室或在家庭中使用,而机电一体化系统中的微型机则必须为工业控制机或按工 业环境要求设计的微型机、其要求是可靠性髙、抗干扰能力强、环境适应能力好。 一般的把食于工业环境使用的微型计篡机系统称之为工业控制计篡机。一般也叫JPC 格说来,所谓工业控制计算机,是指那些满足下述条件的计算机系统 ·能够提供各种数据采集和控制功能。 ·能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 ·能够在苛刻的工业环境下可靠运行。 工业控制计算机与信息处理机(商业计算机或家用计算机)相比较,具有以下主要特点: (1)丰富的过程输入/输出(/O)功能工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合,主要 面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求,与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有 机组成部分。它必须与调节控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器,以及联锁保护系统联用, 才能完成对各种设备和工艺装置的控制。因此,除了计算机的基本部分如CPU、存储器外, 还必须有丰富的过程输入/输出设备(相对于数据处理机)和完善的外部设备(相对于PLC等), 这些是工业控制机能否投入运行的重要条件 ,(2)实时性高工业控制机应具有时间驱动和事件驱动的能力,要能对生产过程工况变化 时地进行监视和控制。当过程参数出现偏差甚至故障时,能迅速响应,予以判断,及时处理, 为此,需配有实时操作系统,完善的中断系统等,没有这些就无法很好地执行工业控制任务 所谓的“实时”,是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间内完成,亦即“及时”,超出这个时 限,就失去了控制的时机,控制也就失去了意义。 (3)高可靠性工业生产过程通常是昼夜连续的,一般的生产装置要几个月甚至一年才大 修一次,这就要求工业控制机可靠性尽可能的高。它要求 大万纸故障案一般来说,要求工业控制机的平均故障间隔时间MBF)不应低于数千甚至 小时 短的故障絛复时阆M~、采用冗余技术,更换模板容易,能够热拔插 行效率高一定时间内(例如一年),运行时间占整个时间的比率一般要求99%以上。 (4)很高的环境适应性工业环境恶劣,必须采取必要的措施,适应高温、高湿、腐蚀、 振动冲击、灰尘等环境。工业环境电、磁干扰严重,供电条件不良,工业控制机必须有极高的 电磁兼容性,有髙抗干扰能力和共模抑制能力 (5)丰富的应用软件工业控制软件正向结构化、组态化发展。建立模型,为寻找生产过
- 1 - 第五章 工业控制计算机及其接口技术 5.1 概述 5.1.1 工业控制计算机的概念特点 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它往往代表着系统的先进性和 智能特征。因而，把机电一体化系统中的微机软、硬件称之为智能组成要素。一般微型机往往 在实验室、办公室或在家庭中使用，而机电一体化系统中的微型机则必须为工业控制机或按工 业环境要求设计的微型机、其要求是可靠性高、抗干扰能力强、环境适应能力好。 一般的把适合于工业环境使用的微型计算机系统称之为工业控制计算机。一般也叫 IPC。 严格说来，所谓工业控制计算机，是指那些满足下述条件的计算机系统： ·能够提供各种数据采集和控制功能。 ·能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口。 ·能够在苛刻的工业环境下可靠运行。 工业控制计算机与信息处理机(商业计算机或家用计算机)相比较，具有以下主要特点： (1) 丰富的过程输入／输出(I/O)功能 工业控制机是与工业生产控制系统紧密结合，主要 面向机电一体化产品和成套装置控制应用的要求，与生产工艺过程和机械设备相匹配的一个有 机组成部分。它必须与调节控制仪表、显示仪表、检测仪表、执行器，以及联锁保护系统联用， 才能完成对各种设备和工艺装置的控制。因此，除了计算机的基本部分如 CPU、存储器外， 还必须有丰富的过程输入／输出设备(相对于数据处理机)和完善的外部设备(相对于 PLC 等)， 这些是工业控制机能否投入运行的重要条件。 (2) 实时性高 工业控制机应具有时间驱动和事件驱动的能力，要能对生产过程工况变化 实时地进行监视和控制。当过程参数出现偏差甚至故障时，能迅速响应，予以判断，及时处理。 为此，需配有实时操作系统，完善的中断系统等，没有这些就无法很好地执行工业控制任务。 所谓的“实时”，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间内完成，亦即“及时”，超出这个时 限，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 (3) 高可靠性 工业生产过程通常是昼夜连续的，一般的生产装置要几个月甚至一年才大 修一次，这就要求工业控制机可靠性尽可能的高。它要求： ·低故障率。一般来说，要求工业控制机的平均故障间隔时间(MTBF)不应低于数千甚至 上万小时。 ·短的故障修复时间(MTTR)。 采用冗余技术，更换模板容易，能够热拔插。 ·运行效率高。一定时间内(例如一年)，运行时间占整个时间的比率一般要求 99％以上。 (4) 很高的环境适应性 工业环境恶劣，必须采取必要的措施，适应高温、高湿、腐蚀、 振动冲击、灰尘等环境。工业环境电、磁干扰严重，供电条件不良，工业控制机必须有极高的 电磁兼容性，有高抗干扰能力和共模抑制能力。 (5) 丰富的应用软件 工业控制软件正向结构化、组态化发展。建立模型，为寻找生产过
程的最佳工况,在进行控制时要注意建立生产过程规律的数学模型,建立标准控制算法并加以 固化。 (6)技术综合性要求高工业控制是系统工程问题。除了要解决计算机的基本部分以外, 还需要解决它如何与被测控对象的接口,如何适应复杂的工业环境,如何与工艺过程与企业管 理相结合等一系列问题 512计算机系统总线 何谓总线?这是一组合信号线的集合,是一种传送规定信息的公共通道,有时亦称数据公 路,通过它可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。 在计算机领域,总线是通信的工具和手段,包括不同计算机之间,或一台计算机内部各组 成部分之间的信息传递。 下图为微处理器总线的组成示意图,它的三个组成部分是:数据总线、地址总线和控制 总线。所有微处理器均有这三种形式的总线。 地址总线 微处理器 数据总线 控制总线 图4-1微处理器总线 数据总线上传送的是数据信息。通常8位微处理器有8位数据总线,16位微处理器有16 位数据总线,32位的微处理器则有32位数据总线。当然,也有例外,如采用复用等办法。数 据总线在其两个端点都有箭头,这意味着数据可以向不同方向传输,可以输入到处理器,也可 以从处理器输出。但在任何给定时刻,数据流只能往一个方向传送,这里数据的走向是由地址 总线和控制总线控制的。 地址总线是单向的。微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每一个存储单元 有一个地址,每一个接口也有一个地址。微处理器无论与哪一个所希望的外部线路通信,这 些地址均要连接到地址线上。8位微处理器通常有16位地址线,具有64K个地址;16位微处 理器有16至24位地址线,它可访问64K至16M个地址。 控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。当微处理器要输出一个数据时,它要 告诉外部硬件数据总线上的信息何时是有效的;当微处理器要输入一个信息时,控制总线要使 外部硬件告诉微处理器数据业已有效。 综上所述,数据总线是“What”总线一一它所携带的信息是“什么”;地址总线是“ Where” 总线一一它确定信息在“哪里”;控制总线是“When”总线一一它指定数据的传送发生在“何 时
- 2 - 程的最佳工况，在进行控制时要注意建立生产过程规律的数学模型，建立标准控制算法并加以 固化。 (6) 技术综合性要求高 工业控制是系统工程问题。除了要解决计算机的基本部分以外， 还需要解决它如何与被测控对象的接口，如何适应复杂的工业环境，如何与工艺过程与企业管 理相结合等一系列问题。 5.1.2 计算机系统总线 何谓总线？这是一组合信号线的集合，是一种传送规定信息的公共通道，有时亦称数据公 路，通过它可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。 在计算机领域，总线是通信的工具和手段，包括不同计算机之间，或一台计算机内部各组 成部分之间的信息传递。 下图为微处理器总线的组成示意图，它的三个组成部分是：数据总线、地址总线和控制 总线。所有微处理器均有这三种形式的总线。 图 4-1 微处理器总线 数据总线上传送的是数据信息。通常 8 位微处理器有 8 位数据总线，16 位微处理器有 16 位数据总线，32 位的微处理器则有 32 位数据总线。当然，也有例外，如采用复用等办法。数 据总线在其两个端点都有箭头，这意味着数据可以向不同方向传输，可以输入到处理器，也可 以从处理器输出。但在任何给定时刻，数据流只能往一个方向传送，这里数据的走向是由地址 总线和控制总线控制的。 地址总线是单向的。微处理器要用地址确切指定与之通信的外部硬件。每一个存储单元 有一个地址，每一个接口也有一个地址。微处理器无论与哪一个所希望的外部线路通信，这 些地址均要连接到地址线上。8 位微处理器通常有 16 位地址线，具有 64K 个地址；16 位微处 理器有 16 至 24 位地址线，它可访问 64K 至 16M 个地址。 控制总线是用来确定数据总线上信息流时间序列的。当微处理器要输出一个数据时,它要 告诉外部硬件数据总线上的信息何时是有效的；当微处理器要输入一个信息时，控制总线要使 外部硬件告诉微处理器数据业已有效。 综上所述，数据总线是“What”总线——它所携带的信息是“什么”；地址总线是“Where” 总线——它确定信息在“哪里”；控制总线是“When”总线——它指定数据的传送发生在“何 时
5.13常用的工业控制计算机总线 IIBM PO总线和AT总线 IBM PC总线是 IBM PC/XT个人计算机采用的微型机总线,它是针对 Intel8088微处理 器设计的,它有62条信号线,以适应8088的8位数据线和20位地址线。这种总线是用户在 IBMPC/XT机的大母板上扩展I/O模板的I/O总线 IBM PC机由于价格低、简便可靠、使用灵活等特点,在办公室自动化、工业控制等领域 得到广泛应用。同时, IBM PC总线是一开放系统,这就为许多 IBM PC兼容产品创造了良好 的条件。由于 IBM PC个人计算机的成功以及广泛的普及和推广应用, IBM PC成为事实上 的标准总线。 IBM PC机箱插上基本配置以后,一般只剩下3~5个IAO插槽,因此它的I/O扩展能力 较差 PC总线模块通常定高不定宽,没有模板导轨,抗冲击和抗震动能力差。此外,它对温度、 湿度要求高,无法保证在工业现场可靠运行。 然而, IBM PO机有极为丰富的软件资源,这是人们乐于使用它的重要原因。工业控制 机若能和PC机在软件上完全兼容,将是一种好的选择。 为了和 Intel80286等高性能16位微处理器兼容,IBM公司在PC总线基础上增加了 个36个引脚的AT扩展插座而形成AT总线,IBM/AT及其兼容机机箱中,通常在母板上分 别设置几个AT插槽和PC插槽,这种结构也称之为IBM公司的ISA结构,即工业标准结构 如下图所示 协处理器 CPU AT扩展 IBM PC Bu 1中断控制器 16位 16位 8位 母板 模板 模板 模板 22PC104总线 PC/104是 于嵌入式应用领域的标准规格。PC/104模块本质上就是尺寸缩小 为3.8"X39"的IS 烛蠢 卡。它的总线与IA(在 IEEEP996中定义)总线基本相同,其中只 有很小的改动。例如: *自堆叠总线( (self stacking bus)省掉了昂贵的底板 *针孔总线联结器,提高了可靠性 *减小总线驱动电流(4mA),降低了功耗和电路驱动要求 PC/104模块种类繁多,功能丰富。包括: *与PC完全兼容的CPU主板 *模拟,数字IO
- 3 - 5.1.3 常用的工业控制计算机总线 1 IBM PC 总线和 AT 总线 IBM PC 总线是 IBM PC／XT 个人计算机采用的微型机总线，它是针对 Intel 8088 微处理 器设计的，它有 62 条信号线，以适应 8088 的 8 位数据线和 20 位地址线。这种总线是用户在 IBM PC／XT 机的大母板上扩展 I／O 模板的 I／O 总线。 IBM PC 机由于价格低、简便可靠、使用灵活等特点，在办公室自动化、工业控制等领域 得到广泛应用。同时，IBM PC 总线是一开放系统，这就为许多 IBM PC 兼容产品创造了良好 的条件。由于 IBM PC 个人计算机的成功以及广泛的普及和推广应用， IBM PC 成为事实上 的标准总线。 IBM PC 机箱插上基本配置以后，一般只剩下 3～5 个 I/O 插槽，因此它的 I／O 扩展能力 较差。 PC 总线模块通常定高不定宽，没有模板导轨，抗冲击和抗震动能力差。此外，它对温度、 湿度要求高，无法保证在工业现场可靠运行。 然而， IBM PC 机有极为丰富的软件资源，这是人们乐于使用它的重要原因。工业控制 机若能和 PC 机在软件上完全兼容，将是一种好的选择。 为了和 Intel 80286 等高性能 16 位微处理器兼容，IBM 公司在 PC 总线基础上增加了一 个 36 个引脚的 AT 扩展插座而形成 AT 总线，IBM／AT 及其兼容机机箱中，通常在母板上分 别设置几个 AT 插槽和 PC 插槽，这种结构也称之为 IBM 公司的 ISA 结构，即工业标准结构， 如下图所示。 2 2 PC 104 总线 PC/104 是一种存在于嵌入式应用领域的标准规格。PC/104 模块本质上就是尺寸缩小 为 3.8"X3.9"的 ISA 总线板卡。它的总线与 ISA(在 IEEE P996 中定义)总线基本相同，其中只 有很小的改动。例如： *自堆叠总线(self_stacking bus),省掉了昂贵的底板 *针孔总线联结器，提高了可靠性 *减小总线驱动电流(4mA)，降低了功耗和电路驱动要求 PC/104 模块种类繁多，功能丰富。包括： *与 PC 完全兼容的 CPU 主板 *模拟，数字 I/O
*视频:VGA,LCD,EL, Frame grabbers *网络: Ethernet can bus, APCNET 驱动控制器:FDD,IDE,HDD,SCSI 标准结构的PC机也有许多局限性,主要问题是体积和功耗太大,在许多嵌入式应用中(例 如航空航天产品,智能仪器仪表,医疗设备,通信设备,机电一体化产品等)无法胜任,因而 产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业PC系统。PC/104总线模块系统已成为嵌入式 PC机的标准。而大量应用于工业设备,仪器,医疗设备,通信设备等嵌入式应用场合,而这 些应用场合,既需要PC机的软硬件环境,又需要模块化。标准化,小型化,低功耗的设计, 这就需要建立嵌入式PC机的标准,以便缩短产品的开发周期,降低开发成本,减少设备投资, 从而降低产品或系统的价格。 3STD总线 STD总线是一种面向工业控制的总线,1987年,STD总线已被批准为IEE961标准。 STD总线是56条信号线的并行底板总线,它实际上是由四条小总线组成的,这些小总线 是:8根双向数据线,16根地址线,22根控制总线和10根电源及地线。 特点: (1)小板结构(165X114),高度的模块化“轻、薄、短、小”。这是80年代以来国际上的技 术发展趋势:对于工业控制机,小型化是发展潮流 STD总线采用功能模板概念,即按功能划分模板。一台工业控制计算机按功能划分成CPU 板、存储器板、A/D板、D/A板,以及开关输入/输出等等功能模板,不同用户根据各自 应用系统的功能要求选择不同的功能模板组装各自的应用系统。 STD总线采取这种开放式的系统结构,系统的组成没有固定的模式和标准机型,而是提供 大量的功能模板。用户可根据自己的需要购置各种功能模板和软件,像搭积木一样拼装自己的 控制系统。另外,这种开放式的系统结构提高了系统的维修性,目前可以做到平均维修时间小 于5 (2)严格的标准化,广泛的兼容性SID总线模板设计有严格的标准化。这是STD总线与 众不同的特点。传统的微机总线都有几条信号线是未定义的。例如,Q总线, Multibus i、S 100总线分别有15、7、16条信号线未定义,这种未定义信号线常常带来不兼容性问题。STD 总线则不同,它的所有信号线均有严格定义,用户均不得更改它,否则,它就不是“标准”的 了。这种严格的标准化带来的好处是广泛的兼容性。因此,不同厂家的产品通常是兼容的,丰 富的产品供货来源给用户带来了方便。这也是STD总线迅速发展的原因之 (3)面向IO的设计,非常适合工业控制应用,许多高性能的总线(如Ⅴ ME bus、 Multibus 等)其总线设计是面向系统性能的提高,即提高系统的吞吐量或处理能力,而STD总线是面向 I/O。许多总线只有很少的IO扩展能力, IBM PC/XT/AT也只有几个IO扩展槽。例如, 个底板上甚至可以有20块IO模板扩展能力,且有众多的IO模板可供用户选择和组合, 以满足各种领域的要求。特别是它采用简便的I/O接口设计,使得I/0接口设计成为一件简 单易行的事情,所以,许多从市场上买不到的专用接口都可以由最终用户自行设计。拥有众多 I/O功能的支持,这是STD总线的优势之 (4)高可靠性STD总线作为工业标准的微机总线具有很高的可靠性。为了适应工业控制 的恶劣环境,产品的印制布线、元器件老化筛选、模板的花钱测试检査、科学的质量保证体系、 电源的高抗干扰性能等方面都做了大量研究工作,采取了许多保证措施。 4PCI总线 PCI总线是在微处理器和高性能外部设备高度发展的前提下,在PCAT为广大用户广泛 使用的基础上,为PC/AT在板局部总线增强I/O能力的一系列改良中的成功者。PCI总线由 INTEL公司在1991年首先提出,并在同年联合世界上多家公司成立了 PCISIG( Special Interest
- 4 - *视频：VGA，LCD，EL，Frame Grabbers *网络：Ethernet,CAN bus,APCNET *驱动控制器：FDD，IDE，HDD，SCSI 标准结构的 PC 机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式应用中(例 如航空航天产品，智能仪器仪表，医疗设备，通信设备，机电一体化产品等)无法胜任，因而 产生了采用基于模块化设计方法的嵌入式工业 PC 系统。PC/104 总线模块系统已成为嵌入式 PC 机的标准。而大量应用于工业设备，仪器，医疗设备，通信设备等嵌入式应用场合，而这 些应用场合，既需要 PC 机的软硬件环境，又需要模块化。标准化，小型化，低功耗的设计， 这就需要建立嵌入式 PC 机的标准，以便缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少设备投资， 从而降低产品或系统的价格。 3 STD 总线 STD 总线是一种面向工业控制的总线, 1987 年，STD 总线已被批准为 IEEE961 标准。 STD 总线是 56 条信号线的并行底板总线，它实际上是由四条小总线组成的，这些小总线 是：8 根双向数据线，16 根地址线，22 根控制总线和 10 根电源及地线。 特点： (1) 小板结构(165X114)，高度的模块化“轻、薄、短、小”。这是 80 年代以来国际上的技 术发展趋势；对于工业控制机，小型化是发展潮流。 STD 总线采用功能模板概念，即按功能划分模板。一台工业控制计算机按功能划分成 CPU 板、存储器板、A／ D 板、D／A 板，以及开关输入／输出等等功能模板，不同用户根据各自 应用系统的功能要求选择不同的功能模板组装各自的应用系统。 STD 总线采取这种开放式的系统结构，系统的组成没有固定的模式和标准机型，而是提供 大量的功能模板。用户可根据自己的需要购置各种功能模板和软件，像搭积木一样拼装自己的 控制系统。另外，这种开放式的系统结构提高了系统的维修性，目前可以做到平均维修时间小 于 5min。 (2) 严格的标准化，广泛的兼容性 STD 总线模板设计有严格的标准化。这是 STD 总线与 众不同的特点。传统的微机总线都有几条信号线是未定义的。例如，Q 总线，Multibus I、S－ 100 总线分别有 15、7、16 条信号线未定义，这种未定义信号线常常带来不兼容性问题。STD 总线则不同，它的所有信号线均有严格定义，用户均不得更改它，否则，它就不是“标准”的 了。这种严格的标准化带来的好处是广泛的兼容性。因此，不同厂家的产品通常是兼容的，丰 富的产品供货来源给用户带来了方便。这也是 STD 总线迅速发展的原因之一。 (3) 面向 I/O 的设计，非常适合工业控制应用，许多高性能的总线(如 VME bus、Multibus 等)其总线设计是面向系统性能的提高，即提高系统的吞吐量或处理能力，而 STD 总线是面向 I／O。许多总线只有很少的 I/O 扩展能力， IBM PC／XT／AT 也只有几个 I/O 扩展槽。例如， 一个底板上甚至可以有 20 块 I/O 模板扩展能力，且有众多的 I/O 模板可供用户选择和组合， 以满足各种领域的要求。特别是它采用简便的 I／O 接口设计，使得 I／0 接口设计成为一件简 单易行的事情，所以，许多从市场上买不到的专用接口都可以由最终用户自行设计。拥有众多 I/O 功能的支持，这是 STD 总线的优势之一。 (4)高可靠性 STD 总线作为工业标准的微机总线具有很高的可靠性。为了适应工业控制 的恶劣环境，产品的印制布线、元器件老化筛选、模板的花钱测试检查、科学的质量保证体系、 电源的高抗干扰性能等方面都做了大量研究工作，采取了许多保证措施。 4 PCI 总线 PCI 总线是在微处理器和高性能外部设备高度发展的前提下，在 PC/AT 为广大用户广泛 使用的基础上，为 PC／AT 在板局部总线增强 I/O 能力的一系列改良中的成功者。PCI 总线由 INTEL 公司在 1991 年首先提出，并在同年联合世界上多家公司成立了 PCISIG(Special Interest
Group),致力于促进PCI局部总线工业标准的建立和发展.1992年, PCISIG发布了PCI局 部总线规范10,经修改后,于93年发布了规范2.0,95年发布了规范2.1,并于95年6月1 日开始生效 PCI总线的英文全称为: Peripheral Component Interconnect Special Interest Group,简称 PCISIG。即外设部件互连。 PC总线产生的景 A总线在微处理器和高速外设技术高度发展的今天,已越来越成为计算机系统中高速数 据传输的瓶颈(8MHZ时钟频率,16位数据宽度).对基于上百兆时钟频率的32位64位CPU 来讲,通过一条即慢且窄的通道来与高速外设通信是那样的不协调.因此提供一条高速且宽广 的通道就成为了势在必行的事情.PCI总线标准就是在这种情况下,在众多改良方案中脱影而 出的一种总线标准,目前它已为业界全面接受。 RCL局部总线是RC机上处理罨储器cPU总线户外周控制部供、外围败加卡之间的 联机枃,定规定了瓦联机枃的协议 机械及配置间的规范在电气方面还专门定义 和33的信景环境特别是C局部总线规范2J版定义了4位总线扩展和6M总 线的技术规范·应当讲尽管该总线规范已被业界微机系统及产品普遍采风满足了当前高 低档台式机的应用需要,适应于从移动计算到服务器整个领域的需要,并已被广泛使用在工控 计算机系统中,但它实际上并没有对工控计算机系统的特殊性提出任何东西,所以PCI局部 总线规范仅是为现代台式个人计算机提出的一剂良药,仅是为后来的工投计算机系统规范奠定 了基础.标准低具有开放特性的PCI局部总线的主要特点为 (1)总线引脚少 PCI局部总线是具有地址,数据多路复用的高性能32/64位同步总线。因此具有总线引脚 少,对于总线目标设备只有47条信号线,主设备最多只有49条信号线。 (2)PCI适应现代计算机技术的需要高性能 PCI的诞生是随着电子计算机技术的发展和应用的需要而出现的.现代操作系统,如 WINDOWS,OS/2,对图形应用是极为敏感,极为普遍的.传统的PC/AT总线的IO结 构已经严重制约高速的微处理器与高性能的外部设备,成为处理器与高速外围设备,如现代视 频显示设备,100M以至1000M网络设备,SCSI互设备,多媒体之间的瓶颈.对高带宽总线 的需要变得刻不容缓.PCI总线在33MhZ主频下,32位总线数据通路时可达峰值132MB /s;在33Mhz主频,64位数据通路时可达峰值264MB/S的带宽F在66Mhz主频对于33 位或别位数据通路时可分别达到264MBls或为528MB/s.远远超过标准ISA总线5MB /s的速率。 a)线性猝发传送 线性猝发传送能更有效地运用总线的频带来传输数据,减少无谓的地址信号,使PCI总 线总能满载数据。 b)存取延误极小 从PCI总线获取总线的等待延误只有60us,从而能大幅度减少PCI总线上的高速外设卡 获取总线控制权所需的时间。例如网络控制器通常是作为总线主设备存在于系统之中,由于它 在传输数据前需要等待获取总线,从而使网卡往往无法及时地在其缓冲器满滥之前将数据传送 给主机.由于PCI总线具有存取延误极小的特点,所以这种为申请总线而延误的现象在CPI 总线结构中得到了充分的缓解 c)总线主控及同步操作 类似传统的工业计算机总线,PCI支持系统多主设备,提供任何一个具有总线控制能力的 总线主设备获取总线,以加速数据的传输,PCI支持同布操作方式。确保了传输不受局部总线 传输率的影响
- 5 - Group)，致力于促进 PCI 局部总线工业标准的建立和发展． 1992 年，PCISIG 发布了 PCI 局 部总线规范 1.0，经修改后，于 93 年发布了规范 2.0，95 年发布了规范 2.1，并于 95 年 6 月 1 日开始生效． PCI 总线的英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, 简称 PCISlG。即外设部件互连。 PCI 总线产生的背景 ISA 总线在微处理器和高速外设技术高度发展的今天，已越来越成为计算机系统中高速数 据传输的瓶颈(8MHZ 时钟频率，16 位数据宽度)．对基于上百兆时钟频率的 32 位 64 位 CPU 来讲，通过一条即慢且窄的通道来与高速外设通信是那样的不协调．因此提供一条高速且宽广 的通道就成为了势在必行的事情．PCI 总线标准就是在这种情况下，在众多改良方案中脱影而 出的一种总线标准，目前它已为业界全面接受。 PCI 局部总线是 PC 机上处理器/存储器(CPU 总线户外围控制部件，外围附加卡之间的互 联机构，它规定了互联机构的协议电气，机械及配置空间的规范．在电气方面还专门定义了 5V 和 3.3V 的信号环境．特别是 PCI 局部总线规范 2.1 版定义了 64 位总线扩展和 66MHz 总 线的技术规范．应当讲尽管该总线规范已被业界微机系统及产品普遍采风满足了当前高，中、 低档台式机的应用需要，适应于从移动计算到服务器整个领域的需要，并已被广泛使用在工控 计算机系统中，但它实际上并没有对工控计算机系统的特殊性提出任何东西，所以 PCI 局部 总线规范仅是为现代台式个人计算机提出的一剂良药，仅是为后来的工投计算机系统规范奠定 了基础．标准低具有开放特性的 PCI 局部总线的主要特点为： (1) 总线引脚少 PCI 局部总线是具有地址，数据多路复用的高性能 32/64 位同步总线。因此具有总线引脚 少，对于总线目标设备只有 47 条信号线，主设备最多只有 49 条信号线。 (2) PCI 适应现代计算机技术的需要 高性能 PCI 的诞生是随着电子计算机技术的发展和应用的需要而出现的．现代操作系统，如 WINDOWS， OS／2，对图形应用是极为敏感，极为普遍的．传统的 PC／AT 总线的 I/O 结 构已经严重制约高速的微处理器与高性能的外部设备，成为处理器与高速外围设备，如现代视 频显示设备，100M 以至 1000M 网络设备，SCSI 互设备，多媒体之间的瓶颈．对高带宽总线 的需要变得刻不容缓． PCI 总线在 33MhZ 主频下，32 位总线数据通路时可达峰值 132MB ／s；在 33Mhz 主频， 64 位数据通路时可达峰值 264MB／S 的带宽 F 在 66Mhz 主频对于 33 位或别位数据通路时可分别达到 264MBls 或为 528MB／s． 远远超过标准 ISA 总线 5MB ／s 的速率。 a) 线性猝发传送 线性猝发传送能更有效地运用总线的频带来传输数据，减少无谓的地址信号，使 PCI 总 线总能满载数据。 b) 存取延误极小 从 PCI 总线获取总线的等待延误只有 60us，从而能大幅度减少 PCI 总线上的高速外设卡 获取总线控制权所需的时间。例如网络控制器通常是作为总线主设备存在于系统之中，由于它 在传输数据前需要等待获取总线，从而使网卡往往无法及时地在其缓冲器满滥之前将数据传送 给主机．由于 PCI 总线具有存取延误极小的特点，所以这种为申请总线而延误的现象在 CPI 总线结构中得到了充分的缓解． c) 总线主控及同步操作 类似传统的工业计算机总线，PCI 支持系统多主设备，提供任何一个具有总线控制能力的 总线主设备获取总线，以加速数据的传输，PCI 支持同布操作方式。确保了传输不受局部总线 传输率的影响．
(3)PCI局部总线与处理器无关 PCI局部总线的设计是独立于处理器的。虽然它是由 Intel公司提出的,但并不仅限于 Intel 系列的处理器.当今流行的几乎所有其他处理器系列,甚至 Alpha Axp系列, PowerPC系列, SPRAC系列以及未来各处理器结构的下一代处理器都可以使用PCI总连线 (4)PCI的开放性 PCⅠ是一种标准的,开放式总线标准,PCI互配置空间规范能保证全系统的自动配置,实 现即插即用PnP,这极大地增加了系统的易用性.PCI的向前和向后的兼容性又使得现存的各 种产品能平移地向新标准过渡,保护了用户的利益 PCI的自动配置功能使其应用更为方便,由于该总线标准为其元件及插件分配了相应的配 置寄存器,对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件,就可以在加电时自动配置Pct总线上的 设备,为用户提供了很大的方便 52工业控制计算机产品的种类及其选择 521工业控制计算机广泛应用的主要原因 (1)工业控制计算机与PC/AT软件兼容,使原PC机上的庞大软件资源,原则上不加修改就能移到工 业控制计算机上运行,节省了用户大量的开发时间,减少了培训费用,使工业控制计算机一上市后就拥有 大量的新老用户。 (2)由于开放性结构和软硬件标准公开,既使制造厂商乐于合作或向其靠拢、也便于用户自行开发,从 而使其应用范围不断地扩大,促使产品种类更加丰富。 (3)各类高性能Ⅰ/◎模板作为成熟的工业化产品与工业控制计算机配套使用,性能价格比不断提高 使用户可在短时间内很快构成所需的应用控制系统,投入实际运行,创造了很好的效益 (4)由于电子技术的不断进步,使工业控制计算机本身的性能指标不断得以提高,使工业控制计算机的 可靠性远远高于一般的PC机,现已能适应工业环境的基本要求。 (5)通信、网络技术的引入,特别是实时工业网络产品的面市,使采用工业控制计算机作为节点机,再 经联网组合,构成高性能分散控制系统(DCS)的方案成为可能。通过网络形式,将多台工业控制计算机相连 能完成较复杂的控制任务,同时通过网级连接,组成模块化的多级系统体系,具有可靠性高、灵活性强的 持点,更便于构成“管控一体化”的体系,具有很强的实用价值 由此可见,工业控制计算机产品广受欢迎,发展迅猛决非偶然 522工业控制计算机的种类 l加固型工业控制计算机 目前流行的一般工业控制计算机多采用全钢标准机架机箱,基本配置与一般PC机相同,芯片采用工业 级芯片,采用无源母板和ALL- IN-ONE主板,留有多个槽口供插入各类I/O模扳作扩展之用,选用工 业级抗干扰电源,机箱带防震夹,采用半导体虚拟存储器磁盘卡和加保护膜的键盘。这些结构上的改造提 高了工业控制计算机对工业现场环境的适应性。但就其本质而言还只是一般PC机的改良型,还必须在可靠 性,抗干扰能力及模板设计等方面采取新的措施 典型产品研华公司的6系列产品 IPC-610全钢结构的机箱满足 EIA RS31C19”架装标准。它能安装多款14槽ISA或PCI总线无源底板和多款 工业电源构成多款IPC系统。突出的特点是防尘、抗震、抗冲击,并能适应工业环境下很宽的温度变化要求。机箱前 面板上带防尘网的风扇向箱体内吹风,使箱体内产生正压用以防尘。机箱的前门带锁,可防止电源开关、复位开关等被 误操作,增加了安全性 外形
- 6 - (3) PCI 局部总线与处理器无关 PCI 局部总线的设计是独立于处理器的。虽然它是由 Intel 公司提出的，但并不仅限于 Intel 系列的处理器．当今流行的几乎所有其他处理器系列，甚至 Alpha Axp 系列，PowerPC 系列， SPRAC 系列以及未来各处理器结构的下一代处理器都可以使用 PCI 总连线。 (4) PCI 的开放性 PCI 是一种标准的，开放式总线标准，PCI 互配置空间规范能保证全系统的自动配置，实 现即插即用 PnP，这极大地增加了系统的易用性．PCI 的向前和向后的兼容性又使得现存的各 种产品能平移地向新标准过渡，保护了用户的利益． PCI 的自动配置功能使其应用更为方便，由于该总线标准为其元件及插件分配了相应的配 置寄存器，对于一个系统只要有嵌入的自动配置软件，就可以在加电时自动配置 Pct 总线上的 设备，为用户提供了很大的方便。 5.2 工业控制计算机产品的种类及其选择 5.2.1 工业控制计算机广泛应用的主要原因 (1) 工业控制计算机与 PC／AT 软件兼容，使原 PC 机上的庞大软件资源，原则上不加修改就能移到工 业控制计算机上运行，节省了用户大量的开发时间，减少了培训费用，使工业控制计算机一上市后就拥有 大量的新老用户。 (2) 由于开放性结构和软硬件标准公开，既使制造厂商乐于合作或向其靠拢、也便于用户自行开发，从 而使其应用范围不断地扩大，促使产品种类更加丰富。 (3) 各类高性能 I／O 模板作为成熟的工业化产品与工业控制计算机配套使用，性能价格比不断提高， 使用户可在短时间内很快构成所需的应用控制系统，投入实际运行，创造了很好的效益。 (4) 由于电子技术的不断进步，使工业控制计算机本身的性能指标不断得以提高，使工业控制计算机的 可靠性远远高于一般的 PC 机，现已能适应工业环境的基本要求。 (5) 通信、网络技术的引入，特别是实时工业网络产品的面市，使采用工业控制计算机作为节点机，再 经联网组合，构成高性能分散控制系统(DCS)的方案成为可能。通过网络形式，将多台工业控制计算机相连， 能完成较复杂的控制任务，同时通过网级连接，组成模块化的多级系统体系，具有可靠性高、灵活性强的 持点，更便于构成“管控一体化”的体系，具有很强的实用价值。 由此可见，工业控制计算机产品广受欢迎，发展迅猛决非偶然。 5.2.2 工业控制计算机的种类 1 加固型工业控制计算机 目前流行的一般工业控制计算机多采用全钢标准机架机箱，基本配置与一般 PC 机相同，芯片采用工业 级芯片，采用无源母板和 ALL—IN—ONE 主板，留有多个槽口供插入各类 I／O 模扳作扩展之用，选用工 业级抗干扰电源，机箱带防震夹，采用半导体虚拟存储器磁盘卡和加保护膜的键盘。这些结构上的改造提 高了工业控制计算机对工业现场环境的适应性。但就其本质而言还只是一般 PC 机的改良型，还必须在可靠 性，抗干扰能力及模板设计等方面采取新的措施。 典型产品 研华公司的 6 系列产品 IPC-610 全钢结构的机箱满足EIA RS-310C 19”架装标准。它能安装多款 14 槽ISA 或 PCI 总线无源底板和多款 工业电源,构成多款IPC 系统。突出的特点是防尘、抗震、抗冲击，并能适应工业环境下很宽的温度变化要求。机箱前 面板上带防尘网的风扇向箱体内吹风，使箱体内产生正压用以防尘。机箱的前门带锁,可防止电源开关、复位开关等被 误操作，增加了安全性。 外形
LDESTBLL CAPTAn 外形 ⊙ ER GUO 冷却系统
- 7 - 外形 冷却系统
内部结构
- 8 - 内部结构
外形尺寸 Dimension Diagram 〔19,9" 45已,0 Unit: mm(inch) 无源底板
- 9 - 外形尺寸 无源底板
无源底板ISA+PCI CPU卡
- 10 - 无源底板 ISA+PCI CPU 卡