计算机控制技术教案.doc

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1、计算机控制系统教案任课教师： 职业技术学校教案（理论教学用） 第1次课 2学时章 节第1章 绪论讲授主要内 容1 计算机控制系统概述2 计算机控制系统的组成及分类3 计算机控制研究的课题与发展方向重 点难 点1计算机控制系统的组成及分类要求掌握知识点和分析方法1. 掌握计算机控制系统的基本概念2. 掌握计算机控制系统的组成与分类3. 了解计算机控制研究的课题与发展方向授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：讲授为主，对开环系统，闭环控制系统进行实例介绍，与现实生活中的控制系统紧密联系起来。水温控制，锅炉控制板书设计：在进行多媒体教学，可适当

2、在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：上课开始指出本次课的学习要求和任务，然后讲授相关的知识点，让学生联想日常生活中常见的控制系统，下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师生互动：教师列举生活中的典型的计算机控制系统作业布置1. 计算机控制系统的硬件。2. 过程通道的含义及分类。主 要参考资料1. 见相关书籍或者报刊2. 网络3. 杂志和教学参考书备注本章教案1.1 计算机控制系统概述计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。 计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪

3、表为基础的综合学科。 计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。计算机控制系统产生的原因随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。1. 开环控制系统如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制

4、方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。控制器被控对象被控参数设定值图1. 1 开环控制系统框图2 闭环控制系统闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。被控参数控制器被控对象设定值图1.2 闭环控制系统框图+-本章教案3 计算机控制系统在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（

5、D/A），如图1.3所示。控制器对象D/AA/D计算机图 1.3 计算机控制系统基本框图（闭环）+-本章教案计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。（2）信息的处理计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理。（3）信息的输出计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。 计算机控制系统的组成在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分。硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础。

6、软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。1.2.2计算机控制系统的硬件组成典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。主机过程控制通道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM 图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图1. 主机主机是指我们用于控制的计算机，它主要

7、由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。2 过程控制通道过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通道完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。（2）模拟量输出通道目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，

8、而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。（3）数字量输入通道数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。（4）数字量输出通道数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。3. 操作控制台操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可

9、以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括：（1）信息的显示（2）信息的记录（3）工作方式状态的选择（4）信息输入4. 通讯设备随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。1.2.3 计算机控制系统的软件组成对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低.所谓软件是指完

10、成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。1 系统软件系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。2 应用软件应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、C# 、C+、VB、V

11、C 等。 目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。1.2.4计算机控制系统的分类在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。 计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为：操作指导控制系统、直

12、接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类1. 操作指导系统（Operation Guide Control）操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线的闭环控制系统，如图1-6所示：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。计

13、算机数据采集输出设备人控制器生产过程 （1）操作指导系统（Operation Guide Control）计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计算机离线最优控制的一种形式。该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。2. 直接数字控制系统（Direct Digital Control） 直接数字系统是计算机控制系统的最基本形式，也是应用最多的

14、一类计算机控制系统。其一般结构如图1-7所示： 操作台级处理设备 计算机 过程控制通道 生产过程图1-7直接数字控制系统 SCC计算机输入通道输出通道数字（或模拟）控制器 生产过程3. 计算机监督控制系统（Supervisory Computer Control） 计算机监督控制系统是一种两级的计算机控制系统。如图1-8所示 ： SCC计算机输入通道输出通道数字（或模拟）控制器 生产过程图1-8 计算机监督控制系统该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生产过程的控制。SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产

15、过程控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。4. 集散控制系统（Distributed Control）集散控制系统又称为分布控制系统。该系统采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级，如：过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。过程控制级是集散控制的基础，用于直接控制生产过程，在这级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用的数字控制器，完成对现场设备的直接监测和控制，由于生产过程的控制分

16、别由独立的控制器进行控制，使控制器故障引起分散，局部的故障不会影响整个系统的工作，提高了系统工作的可靠性。5. 现场总线控制系统（Field Bus Control System）现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的迅速得以应用的新型计算机控制系统，已广泛的应用在工业生产过程自动化领域，现场总线控制系统是利用现场总线将各智能现场设备，各级计算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至Internet。可构成

17、不同层次的复杂控制网络，它已经成为今后工业控制体系结构发展的方向之一。6. 计算机集成制造系统（CIMS）计算机集成制造的概念是在70年代美国的一名叫哈灵顿提出的，随着计算机和信息技术的发展最终得以实施。计算机集成制造原本是将工业生产的全过程集成由计算机网络和系统在统一模式进行，包括从设计、工艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式。随着现代市场的需求和企业模式的现代化计算机集成制造已经将制造集成转换为信息集成，并融入了企业的全面管理和市场营销。CIMS是一项宠大的系统工程，它需要有许多基础的应用平台的支持，它实现的是企业物流、资金流和信息流的统一。由于其涉及面广，应用存在的困难较多，所以许多

18、CIMS工程在规划实话中都提出了整体规划分步实施的策略。尽管目前CIMS工程在企业的推广存在许多困难，但是它确实使企业真正走向现代化的方向。职业技术学校教案（理论教学用） 第2次课 4学时章 节第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构讲授主要内 容1. 传感器和变送器2. 过程控制中常用的执行器3. 运动控制中常用的执行机构重 点难 点1. 传感器和变送器原理；2. 步进电动机。要求掌握知识点和分析方法1. 传感器和变送器原理；2. 掌握传动机构的原理。授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：本章内容覆盖面广，涉及控制领域的前向通道和后向

19、通道，传感器及变送器原理，执行机构等多个学科。因此只要求学生掌握正确的分析方法。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：实例介绍师生互动：教师和学生共同举出在实际中的例子。作业布置1. 电动机，流量计，伺服系统等等。2. 举出在实际中利用上述元件设备的例子。主 要参考资料1. 见相关书籍或者报刊2. 网络3. 杂志和教学参考书备注本章教案 图1 锅炉水温控制系统2.1 传感器和变送器传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输

20、出信号的形式由传感器的原理确定。变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量(如温度、压力、流量、液位、成份等)和电、气信号(如电流、电压、频率、气压信号等)转换成该系统统一的标准信号。因此，变送器的性能、精度等指标对控制系统影响重大。 2.1 传感器和变送器2.1.1 信号传输及供电的四线制与两线制变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输电源和输出信号。 HART协议智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通讯电缆中同时传

21、输420mA电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通讯方式。智能式变送器的电源也由通信电缆传输。2.1.2压力检测及变送液注式压力检测 ：依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。U型管压力计、单管压力计、补偿微压计等。结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响。一般用于测量较低压力、真空度或压力差。弹性式压力检测 ：根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来实现压力测量。主要有弹簧管、膜片和波纹管等负荷式压力检测 ：利用静压平衡原理进行压力测量。典型仪表：活塞式、浮球式和钟罩式。普遍用作标准仪器对压力仪表进行标定。电气式压力检测 ：利

22、用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。具有较好的动态响应，特性量程范围大，线形好，便于进行压力的自动控制。其它压力检测方法 ：弹振式压力计、压磁式压力计。差动平板式电容传感器结构图测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压p成比例的转换成为差动电流信号Id。差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id，经放大后转换成420mA输出电流。测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压p成比例的转换成为差动电流信号Id。差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id，经放大后转换成420mA输

23、出电流。测温方法分类接触式测量：基于物体的热交换原理设计而成。优点：较直观、可靠，系统结构相对简单，测量准确度高。缺点：测温有较大滞后，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差，不能测量移动或太小的物体。测温上限受到温度计材料的限制，故所测温度不能太高。接触式测量主要仪表：基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度检测仪表；基于密闭容器内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻随温度变化而变化的热电阻温度检测仪表基于热电效应的热电偶温度检测仪表。基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触测量基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而设计的。优点:

24、测温范围广，测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测量运动物体；测温响应速度快。缺点：所测温度受物体发射率、中间介质和测温距离的影响。主要仪表：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。其他测量技术：光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等工业上常用的(已标准化)热电偶有：铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B)、铂铑10-铂热电偶(分度号为S)、镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(分度号为K)等。引言：先看一个实验热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） 热电极B热电偶测温原理热电偶温度

25、计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的 热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路当两个接触端T T0时，回路中会产生热电势 热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定接触电势k 玻耳兹曼常数；T 接触面的绝对温度；e 单位电荷量；NA金属电极A的自由电子密度NB金属电极B的自由电子密度温差电势（汤姆逊电势） 汤姆逊系数，它表示温度为1时所产生的电动势值， 它与材料的性质有关。 结论1）热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, A=B，则EAB(T, T0)=0。2）若热电偶两端处于同一温度下， T=T0 ，则EAB(T, T0)=0 。3）热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金

26、属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，f (T0)=0则有：E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关，与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。热电阻测温原理热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的 当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而

27、增加 热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种。 热电阻传感器是把由温度变化所引起导体电阻值的变化，通过测量电路转换成电压（毫伏）信号，然后再显示被记录的温度。热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种 热电阻两线测量桥路1电阻体 2引出线 3显示仪表为了消除和减小引线电阻的影响，采用三线制连接法 常用的热电阻 铂热电阻：铂材料的优点是：物理，化学性能稳定，抗氧化能力强，并且有较宽的测量范围。铂热电阻的阻值与温度间对应的特性曲线如下：铂热电阻 （120

28、0以下） 当-200t0时 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 当0t850时 Rt=R0(1+At+Bt2) Rt温度为t时铂热电阻的阻值； R0温度为0时铂热电阻的阻值；A、B、C温度系数，它们的数值分别为A=3.9080210-3（1/），B=-5.80210-7（1/2），C=-4.2735010-12（1/4）。铜热电阻 (-50150 )（1）在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎成线性关系，即可近似表示为 Rt=R0(1+t) 式中 电阻温度系数, =(4.254.28)/ （2）电阻温度系数比铂高，而电阻率比铂低。（3）容易提纯，加工性能好，价格便宜。（4）易

29、氧化，不宜在腐浊介质或高温下工作。3 多轴步进电机控制技术 数控机床的驱动元件常常是步进电机。步进电机是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。 靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数决定于指令脉冲的总数，而刀具移动的速度则取决于指令脉冲的频率。 步进电机不是连续的变化，而是跳跃的，离散的。 步进电机：脉冲电机，给一个脉冲电机转一下。它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模（DA）转换器。 3.1 步进电机的工作原理3.2 步进电机控制接口及输出字表3.3 步进电机控制程序3.4 数控系统设计举例三轴步进电机控制3.1 步进电机的工作原理（1）步进电机的结构：一句话，内转子

30、和定子构成。 定子：定子上有绕组，教材上这个电机是三相电机，有3对磁极，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等等。三对磁极分别为A、B、C，通过开关轮流通电。 转子：上面带齿。为了说明问题，这里只画了4个齿。（其实一般有几十个齿）（2）工作原理：对于三相步进电机的A、B、C这三个开关，每个开关闭合，就会产生一个脉冲，现在我们一块看一下工作过程。初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。这就相当于初始化。 当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，产生一个扭矩，使得转子的1、3号齿和B相磁极对齐，则转

31、子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。 开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。 当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。很明显，这时转子移动了一个齿距角。 如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那对A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍。对A、B、C三相轮组轮流通电一次称为一个周期。从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。由于按ABCA相轮流通

32、电，则磁场沿A、B、C方向转动了360空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。在图中，转子的齿数为4，故齿距角90，转动了一个齿距也即转动了90。同样的，如果转自由40个齿，则转完一个周期是9。齿踞角和步踞角：对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距角Z为 Z=2Z=360/Z 而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。步进电机的步距角可以表示如下 =ZN=360/(NZ)其中：N是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。对于三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是 =360/(34)=30对于转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步距角是 =360/(340)=

33、33.2 步进电机的工作方式1步进电机单三拍工作方式2步进电机的双三拍工作方式 3步进电机的三相六拍工作方式1. 单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电，其余的绕组断开。 绕组的通电顺序： ABCA 电压波形在这里，步进电机是由脉冲控制的。而脉冲的输出受计算机的控制。2步进电机的双三拍工作方式 绕组的通电顺序： AB BC CA 电压波形3步进电机的三相六拍工作方式 绕组的通电顺序： A AB B BC C CA A 电压波形职业技术学校教案（理论教学用） 第4次课 2学时章 节 第3章 计算机总线技术讲授主要内 容1. 总线的基本概念2. 内部总线重 点难 点1. 总线的概念和分类；

34、要求掌握知识点和分析方法1. 总线的基本概念；2. 常用的计算机总线。授课思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等教学思路：总线是一组线的集合，它定义了引线的电气，机械，时序等性能，用于实现计算机内部各个部件之间的相互通信，由于是集成在芯片内部，比较抽象，所以我们将总线按照各类定义进行了分类。教学辅助手段：多媒体教学，视频动画播放等板书设计：在进行多媒体教学，可适当在黑板对重点内容进行强调和分析重点突出及难点解决：本节的重点在理解总线的定义和作用，并能列举常用的计算机总线。下课前再次总结本次课的学习内容及重点难点，通过布置课后作业来进一步巩固学习效果。师

35、生互动：教师和学生共同对相关问题讨论计算。作业布置1. 什么是总线，计总线的分类。2. 简述PCI总线的性能和特点。主 要参考资料1. 见相关书籍或者报刊2. 网络3. 杂志和教学参考书备注计算机总线技术 随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。 芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、Core Connect 、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。 工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达5

36、28MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。 总线的基本概念 内部总线 外部总线3.1 总线的基本概念总线的定义：总线就是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信。总线的特点 规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性 为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路 采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性 3.1.1 总线的分类按照总线内部信息传输的

37、性质 ，总线可分为 数据总线:DB 用于传送数据信息 地址总线:AB 是专门用来传送地址的 控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线电源总线:PB 用于向系统提供电源总线的分类按照总线在系统结构中的层次位置 ，总线可分为 片内总线 (On-Chip BUS) 在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路 内部总线（Internal Bus) 用于计算机内部模块（板）之间通信 外部总线（External Bus)：又称通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信根据总线的数据传输方式 ，总线可分为并行总线：每个信号都有自己的信号线串行总线：所有信号复用一对信号线总线的分类片内总线在

38、集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。l 受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，而对于内部数据传送速度要求较高的，也可采用双总线或三总线结构。ASIC技术的出现，用户也可以按照自己的要求，借助于适当的EDA工具，设计自己的芯片。内部总线：系统总线或板级总线 内部总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如STD总线、PC总线、ISA总线、PCI总线等 按功能可分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB、和电源总线PB数据总线D：用于传递数据信息总线宽度：数据信号线的根数。 决定设备获得最大性能 影响计算机

39、系统性能地址总线A：用于传递地址信息地址总线宽度： 地址线的根数决定直接寻址能力避免IO地址与内存地址的重叠控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，决定了总线的性能好坏电源总线P：提供电源3.1.2 总线主要性能指标 总线频率即总线工作时钟频率，单位为MHz，它是影响总线传输速率的重要因素之一。总线宽度又称总线位宽，是总线可同时传输的数据位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数据。 总线带宽 又称总线传输率，表示在总线上每秒传输字节的多少，单位是MB/S。影响总线传输率的因素有总线宽度、总线频率等。一般的，总

40、线带宽（MB/S）= 1/8总线宽度总线频率同步方式可分为同步方式和异步方式。在同步方式下，总线上主模块与从模块进行一次数据传输的时间是固定的，并严格按照系统时钟来统一定时主模块、从模块之间的传输操作，只要总线上的设备都是高速的，就可达到很高的总线带宽。总线复用采用多路复用技术，可以减少总线的数目。信号线数表明总线拥有多少信号线，是数据总线、地址总线、控制总线和电源总线的总和。信号线数与总线性能不成正比，但一般与复杂度成正比总线控制方式包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。几种微型计算机总线性能参数 3.1.4 总线控制与总线传输 集中式：将控制逻辑集中在一处(如在CPU中)

41、 。集中控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，常见的集中控制方式主要有链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方式。分布式：将总线控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。总线传输 总线上的数据在主模块的控制下进行传送。一般的，总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：结束阶段由需要使用总线的主模块(或主设备)提出申请，经总线仲裁机构决定在下一传输周期是否能获得总线使用权；取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块(或从设备)的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块；主模

42、块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。 申请分配阶段寻址阶段数据传输阶段3.2 内部总线 STD总线 PC系列总线3.2.1 STD总线 STD总线起初设计为可用于64K存储空间的8位总线，后发展成可用于寻址16M空间的16位总线STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构, 尺寸为165114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构l 兼容式总线结构，拥有丰富的I/O功能，广泛适用于工业控制小模板结构，模板尺寸小,可减少冲击和震动的影响STD总线的信号分配56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(1)逻辑电源线6根(引线16)(2)数据总线8根(引线714)(3)地址总线16根(引线1530)(4)控制总线22根(引线3152)(5)辅助电源线4根(引线5356)3.2.2