《計算機控制技術(shù)》李江全-第3版 習(xí)題及答案 第1-5章 計算機控制系統(tǒng)概述- 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

第1章計算機控制系統(tǒng)概述

習(xí)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(wù)？

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(shù)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)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(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)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(dāng)前計算機控制技術(shù)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(shù)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(shè)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(shù)的了。在當(dāng)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(shù)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?jù)測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(shù)進行快速測量和控制。

4）數(shù)字濾波功能。利用計算機軟件對測量數(shù)據(jù)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(shù)變化的影響比較嚴(yán)重，從

而給儀器帶來誤差。采用計算機技術(shù)，可以依靠軟件進行在線或離線修正。

6）數(shù)據(jù)處理功能“利用計算機技術(shù)可以實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無法實現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和運算功能，比如

統(tǒng)計分析、檢索排序、函數(shù)變換、差值近似和頻譜分析等。

7）復(fù)雜控制規(guī)律。利用計算機技術(shù)不僅可以實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律,

例如，自適應(yīng)控制、模糊控制等；同時也能夠?qū)崿F(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(yīng)性。

8）多媒體功能。利用計算機的多媒體技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)功能。利用計算機的數(shù)據(jù)通信功能，可以大大增強測控系統(tǒng)的外部接口功能和數(shù)據(jù)傳

輸功能。采用網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(yīng)用計算機測控技術(shù)，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源和原材料消耗，降低

生產(chǎn)成本；更為重要的是通過應(yīng)用計算機測控技術(shù)還可以降低勞動者的生產(chǎn)強度，提高領(lǐng)導(dǎo)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(shù)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(wù)？

答：下面以生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)為例來說明計算機控制系統(tǒng)的任務(wù)，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(chǎn)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(chǎn)裝置的調(diào)節(jié)量，并驅(qū)動執(zhí)行機

構(gòu)動作來完成自動控制，或者為生產(chǎn)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(guān)量輸入通道

通信接口一?其它微機或設(shè)備

執(zhí)行器——開關(guān)量輸出通道4

圖1某生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)框圖

由此可以看出，計算機控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)完成下列任務(wù)：

1）檢測

生產(chǎn)過程的參數(shù)大小是由傳感器進行檢測的。傳感器產(chǎn)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(zhuǎn)換成一種標(biāo)準(zhǔn)形式，通常是把傳感器的輸出信號

轉(zhuǎn)換成4?20mA電流或1?5V電壓。

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

些信息是以開關(guān)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(shù)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(shù)字量信息。

2）控制

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

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

平的跳變?nèi)踊蛲Ｖ鼓硞€電動機，也可通過D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個正比于某設(shè)定值的電壓或電流去驅(qū)動執(zhí)行

機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)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(shù)字控制、順序控制和監(jiān)督控制。大多數(shù)生

產(chǎn)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(guān)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(shè)定值、手動調(diào)節(jié)各種執(zhí)行機構(gòu)、在發(fā)生報警的情況下進行處理等。

因此，它應(yīng)當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)過程的狀況和做出改進生產(chǎn)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(jié)構(gòu)，即日多臺計算機組成計算機網(wǎng)絡(luò)，共同完成上

述的各種任務(wù)。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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)集成和系統(tǒng)復(fù)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(shù)的集成，是理論方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。

由于信息量大、速度快和精度高，因此能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，從而達到較高的控制質(zhì)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(shù)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(jù)采集到的數(shù)據(jù)，立即采取相應(yīng)的動作。例如，檢測到化學(xué)

反應(yīng)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(guān)健特點，也是衡量計算機控制系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。

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(shù)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(fù)。

4.環(huán)境適應(yīng)性強

工業(yè)環(huán)境惡劣，要求工業(yè)控制機能適應(yīng)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(chǎn)管理等多種功能。

6.應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計上的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(shù)更新快，信息綜合性強，內(nèi)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(chǎn)過程，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高生產(chǎn)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(yīng)綜合考慮自動化、計算機、檢測及網(wǎng)絡(luò)通訊

等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和系統(tǒng)之間的互連技術(shù)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(shù)，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(yīng)性

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

故障將導(dǎo)致生產(chǎn)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(fù),

有的測控對象或生產(chǎn)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(gòu)等），這就要求系統(tǒng)能較強的適應(yīng)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)化部件，便于擴充、升級和維護

計算機測控系統(tǒng)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化部件，以免受到部件供應(yīng)商的制約，同時便于對系統(tǒng)進行輸入/輸出

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

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

作習(xí)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(chǎn)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(jù)不同的控制對象或生產(chǎn)過程，配置輸入

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

制算法，一個產(chǎn)品化的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)具有數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)發(fā)展和國民經(jīng)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(jié)

構(gòu)，其低層網(wǎng)絡(luò)使用實時性較高的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證控制任務(wù)的實時性；其高層網(wǎng)絡(luò)使用計算機通

用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便于信息的互通、互聯(lián)和共享。

1-5為什么大多數(shù)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和受控對象兩大部分組成。工

業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)反饋系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如習(xí)題圖O-la所示。

b）

習(xí)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(shù)（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?yīng)的工

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

構(gòu)進行工作，執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生的操縱變量使被控參數(shù)的值與給定值保持一致。此類負(fù)反饋控制是自動控制的

基本形式，也是大多數(shù)控制系統(tǒng)具備的結(jié)構(gòu)。

圖O-lb是另一種控制結(jié)構(gòu)，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(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)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(chǎn)生影響。

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

數(shù)上。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，控制結(jié)構(gòu)簡單，但性能較差，常用在一些特殊的控制場合。

因此，大多數(shù)控制系統(tǒng)均采用帶有負(fù)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(nèi)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(nèi)作出反應(yīng)或產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(nèi)能夠?qū)ν鈦硎录龀龇磻?yīng)的系統(tǒng)。因此，若一個計算機系統(tǒng)

需要在確切的時間內(nèi)從外部環(huán)境輸入數(shù)據(jù)并向它輸出數(shù)據(jù)，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(nèi)從外部環(huán)境輸入/輸出數(shù)據(jù)，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(fù)雜的操作畫面，打印多么復(fù)雜的報表，都要保證在規(guī)定的時間內(nèi)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(shù)據(jù)即時作出反應(yīng)（響應(yīng)）的能力，可以用反應(yīng)（響應(yīng)）時間這

個術(shù)語對實時性作定量描述。所謂反應(yīng)時間是指一個系統(tǒng)對輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生反應(yīng)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(shù)控機床的坐標(biāo)等,

因比，在不同的作業(yè)過程中，計算機系統(tǒng)的反應(yīng)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(nèi)對之進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、即時地改變其控制參數(shù)并導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)速、位移量等，在當(dāng)前采樣時刻的瞬時值經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后進行掃描采樣，將采樣

結(jié)果存入內(nèi)存，并依據(jù)需要對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波及工程量換算等數(shù)據(jù)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(jīng)V/F（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號以及數(shù)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(shù)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(shù)器接口，以實現(xiàn)開關(guān)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(shù)據(jù)（即反映當(dāng)前生產(chǎn)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(chǎn)過程參數(shù)偏離了預(yù)定值或者超過安全極限值，據(jù)此給出下一步的處理指令。例如，進行

越限報警或按預(yù)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(zhuǎn)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(gòu)，例如調(diào)

節(jié)器、執(zhí)行器、步進電機等，用來校正被控參數(shù)。

4）實時報警及故障處理

通常這一步驟是在實時數(shù)據(jù)采集后緊接著進行的，也可以是由故障設(shè)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(wù)程序進行故

障處理。

通常情況下，以上四項操作反復(fù)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(shù)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(yīng)設(shè)有實時時鐘，具有滿足某一特

定生產(chǎn)工藝或控制過程所要求的數(shù)據(jù)測量、處理和即時控制的速度，并有能夠及時地響應(yīng)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(jié)構(gòu)或分布式測

控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從軟件的角度出發(fā)，要求系統(tǒng)軟件能實時調(diào)度、響應(yīng)。因此，一般地，應(yīng)有完備的實時管

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

有時則需配備實時操作系統(tǒng)，以允許多道任務(wù)并行運行。

1-7按應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)備形式，計算機控制系統(tǒng)可分為哪幾種？

答：按應(yīng)用領(lǐng)域分類：

1）專用計算機控制系統(tǒng)

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

數(shù)控機床控制器等。帶有智能控制功能的家電產(chǎn)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(chǎn)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?qū)Ｓ玫目刂菩酒瑏韺崿F(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(yīng)用領(lǐng)域及目的相當(dāng)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(gòu)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(yīng)用于功能較全的數(shù)據(jù)采集和過程控制。例如，實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)過程控制計算

機系統(tǒng)等。絕大多數(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)成用戶自己的應(yīng)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(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集/過程控制軟件包，功能較好的軟

件包一般都可根據(jù)用戶需求進行相應(yīng)的組態(tài)和系統(tǒng)生成：利用通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)千個測控點，可用于大型企業(yè)的數(shù)據(jù)

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(shè)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(jù)其系統(tǒng)控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式或設(shè)備形式，均可將其

分解成儀表調(diào)節(jié)器、可編程序控制器、微型計算機等幾種基本的控制設(shè)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(shè)備中的某幾種組成。隨著技術(shù)的發(fā)展，幾種基本控制設(shè)備之間已經(jīng)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(diào)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(shè)備類型往往勝過了解設(shè)備的技術(shù)

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

1）基于儀表調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)

儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)由調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)儀表）組成，如圖2所示，適用于輸入點數(shù)和控制回路較少的生產(chǎn)過程.

圖2儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)

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

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

信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器技術(shù)也在不斷地發(fā)展，目前仍在生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域占有一定的市場。調(diào)

節(jié)器或調(diào)節(jié)儀表的發(fā)展為現(xiàn)場總線設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為調(diào)節(jié)器或調(diào)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(shè)計的計算機。PLC的發(fā)展十分迅速,當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境；采用模塊化結(jié)構(gòu)，

系統(tǒng)組成靈活方便：主要采用梯形邏輯圖，編程簡單，易學(xué)、易懂；安裝簡便、調(diào)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(shè)計的，其人機界面主要是開關(guān)、按鈕、

指示燈等。為此，20世紀(jì)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(jié)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(wǎng)絡(luò)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(shù)設(shè)定和修改、數(shù)據(jù)采集所用。因此，即使是上位

機出了故障，也不會影響生產(chǎn)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(shù)量最多、應(yīng)用最廣泛的機型，因而將個人計算機應(yīng)用F控制也是很自然的

事情。特別是個人計算機結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，技術(shù)開放，并且擁有極為豐富的應(yīng)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(biāo)淮由第三方批量生產(chǎn)，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(dǎo)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(gòu)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(shù)（指測控信號的數(shù)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(jīng)典的反饋控制、現(xiàn)代控制和大系統(tǒng)理論在應(yīng)用中遇到不少難題。首先，這些控制系統(tǒng)的設(shè)計

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

了提高控制性能，整個控制系統(tǒng)變得極其復(fù)雜，增加了設(shè)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(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的過程，也是用機器模擬人類智能的乂一重要領(lǐng)域。

1）模糊控制

模糊控制是一種應(yīng)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(xué)習(xí)

模糊控制器、專家系統(tǒng)模糊控制器以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)的。工程控制論與專家系

統(tǒng)的結(jié)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(jīng)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(xué)習(xí)控制

學(xué)習(xí)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(xué)

習(xí)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(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗，并在一定的

評價標(biāo)準(zhǔn)下進行估值、分類、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動控制系統(tǒng)。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

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

控制系統(tǒng)，必將大大推動科學(xué)技術(shù)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(dāng)前計算機控制技術(shù)中的現(xiàn)代控制理論。

答：自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、預(yù)測控制等。

第2章總線接口與過程通道

習(xí)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(biāo)？

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(biāo)準(zhǔn)及其特點。

2-8查閱文獻，了解RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)及其特點。

2-9查閱文獻，了解RS?485總線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備都可以發(fā)出信息傳輸命令,

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

以成為總線主設(shè)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?shù)恼_性，某一時刻只允許一個主設(shè)備發(fā)布命令，這就需要一個仲裁機構(gòu)解決某時刻總線的占有權(quán)問

題，當(dāng)仲裁機構(gòu)決定某設(shè)備作為總線主設(shè)備占有總線時，其它掛在總線上的設(shè)備此刻為從設(shè)備。主設(shè)備將

其地址信息放在總線上，以選擇與其通信的從設(shè)備。從設(shè)備應(yīng)具備識別地址的功能，當(dāng)主設(shè)備地址被某一

從設(shè)備認(rèn)可，該從設(shè)備即可與主設(shè)備進行信息交換，被讀或被寫。任何設(shè)備都不能長期占用總線，當(dāng)進行

一次或幾次信息交換之后，必須放棄總線占有權(quán)。

為了解決總線的占有權(quán)，就需要有一套總線規(guī)約以管理總線。多數(shù)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(shù)據(jù)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(gòu)，以處理總

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

線信號的數(shù)目，有些總線系統(tǒng)采用復(fù)用技術(shù)，如地址線與數(shù)據(jù)線分階段在同樣的數(shù)據(jù)一地址線上傳輸。顯

然，復(fù)用技術(shù)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(shè)備都設(shè)有專用的總線請求及總線允許線作為應(yīng)答信號，用以決策總線占

有權(quán)?？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(shè)備長期占用總線；另一種方案則可按時

間仲裁，不允許某設(shè)備長期“霸占”總線，這種方案的總線仲裁及數(shù)據(jù)傳送操作并行工作，互不影響，但

拄在總線上的設(shè)備越多，那么，總線請求，允許線數(shù)目也越多，結(jié)構(gòu)越更雜。鏈路方式中總線請求，允許

線是公用的，主設(shè)備占用總線的優(yōu)先級按其在鏈路中的位置決定。某一設(shè)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(yuǎn)的設(shè)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(shè)備中完成，當(dāng)某一主設(shè)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(jié)束，只有最高優(yōu)先級仍放置在總線上，當(dāng)某一主

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

2）總線定時

主設(shè)備獲得總線控制權(quán)以后，即進入總線操作周期，進行主設(shè)備間的信息交換（包括地址信息和數(shù)據(jù)

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(yīng)者之間有一對選通/應(yīng)答定時信號進行握手，以表示信息的有效和接收。在大多數(shù)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(jù)掛在總線上最慢的設(shè)備速率決定。為了保證總線的通信速率，在總線標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定「插入等待周期，

以為慢速設(shè)備信息傳送提供方便＜

3）尋址

尋址是主設(shè)備與從設(shè)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(shè)備。大多數(shù)從設(shè)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(shè)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(guān)的設(shè)備。

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

應(yīng)設(shè)這種操作的定時機構(gòu)。

4）數(shù)據(jù)傳輸

通過尋址，一個主設(shè)備可以和一個或多個從設(shè)備通過總線溝通，然后進行數(shù)據(jù)的讀/寫操作。這個過

程根據(jù)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(yīng)配置一定的應(yīng)答信號，所傳信息除有效信息外，還應(yīng)有起始和結(jié)束的標(biāo)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?dāng)_而出錯。并行傳送由于距離短、出錯率低，不少總線沒

設(shè)置檢錯糾錯機構(gòu)。但在串行傳送時，一般距離都較遠(yuǎn)，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(chǎn)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(yīng)采用其它抗干擾措施，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

6）中斷

當(dāng)掛在總線上的某設(shè)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?？偩€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(shè)備置起此信號，準(zhǔn)備響應(yīng)的某設(shè)備

則監(jiān)測此信號，當(dāng)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(gòu)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(shè)備。另一種方法是把請求中斷的設(shè)備變成總線命令者，然后把中斷信息發(fā)給想知道的設(shè)備。這種處

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

都應(yīng)具有主設(shè)備的能力，在高性能的總線標(biāo)準(zhǔn)中采用這種方法。

7）容錯技術(shù)

當(dāng)拄在總線上的設(shè)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(shù)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(yīng)受到總線支持。有些總線標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)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(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)字段的寬度和字節(jié)的選擇等；第三類用來指明地址和數(shù)據(jù)

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(biāo)？

答：由于用戶往往存在選擇總線標(biāo)準(zhǔn)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(shù)可以作為衡量總線的指標(biāo)：

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(wù)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(biāo)?？偩€時鐘頻率用MHz來表示。

2）總線寬度

總線寬度用總線中數(shù)據(jù)總線的位數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇臁?/p>

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?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)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(yán)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(shè)備都是高速的，總線的傳輸速率就會很高，當(dāng)然，前提

是總線上的模塊或設(shè)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(yīng)答方式來傳輸

數(shù)據(jù)，允許從模塊根據(jù)自己的工作速度來調(diào)整響應(yīng)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(biāo)

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

模板的數(shù)目就越多。

信號線數(shù)目：總線的信號線數(shù)目反映了總線的技術(shù)復(fù)雜程度。信號線數(shù)目越大，總線就越復(fù)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(fù)載能力也就越高。

使用的普及程度：一種總線標(biāo)準(zhǔn)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(jù)CPU的要求對外設(shè)進行管理與控制，實現(xiàn)信號邏輯及工作時序的轉(zhuǎn)

換，保證CPU與外設(shè)之間能進行可靠有效的信息交換。

具體來說，接口部件應(yīng)該具有以下功能：

1.數(shù)據(jù)緩沖功能

計算機的工作速度很快，過程通道和外部設(shè)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(shù)據(jù)，利用接口電路進行數(shù)據(jù)緩沖，協(xié)調(diào)兩者的工作。接口電路設(shè)置有數(shù)據(jù)寄存器或者鎖存器，以

解決高速的主機與低速的外設(shè)之間的速度匹配問題。計算機工作時從寄存器取數(shù)據(jù)，而寄存器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和外部電路影響。

2.設(shè)備選擇功能

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

接口的地址譯碼對外設(shè)進行尋址,一般來說，通過高位地址產(chǎn)生外設(shè)的片選信號，低位地址作為芯片內(nèi)部

寄存器或鎖存器尋址，以選定所需的設(shè)備，只有被選中的設(shè)備才能與CPU交換數(shù)據(jù)信息。

3.信號轉(zhuǎn)換功能

由于外部設(shè)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(chǎn)的芯片時，進行信號之間的轉(zhuǎn)換是不可避免的。信號的轉(zhuǎn)換包括：時序的配合、電平的

轉(zhuǎn)換、信號類型的轉(zhuǎn)換（模擬量變數(shù)字量或數(shù)字量變模擬量）、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)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(shè)的各種命令和數(shù)據(jù)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(shè)。為了CPU與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)，接I」電路要提供寄存器或鎖存器“空”、“滿”、”準(zhǔn)

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(shù)據(jù)到外設(shè)或從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)。

5.驅(qū)動功能

由于計算機總線的信號驅(qū)動能力有限，當(dāng)要連接多臺外部設(shè)備時，總線資源可能不夠。利用接口電路

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

6.中斷管理功能

當(dāng)外部設(shè)備需要及時得到計算機的服務(wù)時，特別是一些隨機需要與CPU交換信息的外設(shè)，就要求接

口設(shè)備具有中斷控制管理功能。此時，接口為CPU處理有關(guān)中斷事務(wù)，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(yīng)速度，又使CPU與外部設(shè)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(shù)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(qū)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(yīng)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(shù)據(jù)、地址和控制三總線的轉(zhuǎn)換和連接任務(wù)。當(dāng)然并非所有接口電路

都司時具備以上功能，需根據(jù)完成的任務(wù)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(jié)陶形式多種多樣，相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，并根據(jù)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(gòu)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(nèi)，不適合遠(yuǎn)程和大范圍的監(jiān)控，而且，由于計算機插槽的數(shù)目也有限，因此輸入、輸出的點

數(shù)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(chǎn)廠家己經(jīng)生產(chǎn)了許多類型的I/O模塊，因此，系統(tǒng)的構(gòu)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(yuǎn)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(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)通常是在兩個站（點對點）之間進行傳送，按

照數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而沒有反方向的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。因此半雙工形式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)

據(jù)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(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個方向傳輸。因為有切換,

所以會產(chǎn)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?shù)耐鈬O(shè)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(shù)據(jù)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(yīng)用和遠(yuǎn)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(shè)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(shè)備管理器”按鈿出現(xiàn)“設(shè)備管理器”對話框。在列表中有端口COM和LPT設(shè)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(shè)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(shè)置，也可查看其資源。

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

改變，也可以在應(yīng)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(shè)置圖2-14杏看端口資源

2-7查閱文獻，了解PCI總線標(biāo)準(zhǔn)及其特點。

答：PCI(PeiiphcinlCuiiipuiiciilInlcicuiiiiecl)是?算機外圍設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。發(fā)展至今，PCI實際.1：已經(jīng)不是?個簡單的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是?類標(biāo)

準(zhǔn)，

PCI總線的提出極大地擴展了PC機的數(shù)據(jù)傳輸能力，使PC機對高速外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中定義最完善、性能價格比最高的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，除在PC機中

廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)據(jù)總線復(fù)用方式，使PCI總線上的接口引腳數(shù)減至50以下。

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

的局部總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線的高性能、高效率及與現(xiàn)有總線標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。它已經(jīng)成為國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。

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

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

的通信。這個標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)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(shù)據(jù)終端設(shè)備(DataTenninalEquipment,簡稱DTE,如計算機)和數(shù)據(jù)通信設(shè)

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

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(shè)計用來連接調(diào)制解

調(diào)器作傳輸之用的，因此它的腳位意義通常也和調(diào)制解調(diào)器傳輸有關(guān)。

從功能來看，全部信號線分為三類，即數(shù)據(jù)線（TXD、RXD）、地線（GND）和聯(lián)絡(luò)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(jīng)接收到滿足要求的載波信號，已經(jīng)接通通信鏈路，告知LH匕準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

RXD：作用是接收DCE發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。

TXD：作用是將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到DCE。在不發(fā)送數(shù)據(jù)時，TXD保持邏輯“1”。

DTR：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。

GND：作用是為其他信號線提供參考電位。

DSR：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。

RTS：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。

CTS：該信號是DCE對RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)DCE己經(jīng)準(zhǔn)冬好接收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)。

RI：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對方己經(jīng)

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(dāng)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(shù)據(jù)，則預(yù)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(shù)據(jù)。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(fù)電壓）為?3V??15V。

以上規(guī)定說明了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。

對于數(shù)據(jù)（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(dāng)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(rèn)為無意義，因此，實際工作時，應(yīng)保證電平在±（3?15）V之間。

RS-232c是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與