总线方式(共3篇)
总线方式 篇1
0 引 言
在工业生产、科学研究以及人们日常生活的多个领域, 经常需要对一些如温度、压力、流量等现场参数进行采集和处理, 数据采集和处理所使用的系统, 其结构与基本配制各不相同, 有时会相差甚远, 但对于每一种系统都各有特点、各具优势。其中, 单片机结合串行通信控制技术以其实现手段简单、使用方式灵活及数据传输可靠, 尤其具有数据实时处理和控制功能等优点, 目前在各类检测与控制系统中得到了很好的运用。
本文介绍一种基于单片机为基本内核, 利用串行通信技术实现数据采集与传输, 并且能对数据的采集和处理过程进行简单控制的最小智能化控制系统的实现方式。
1 系统的硬件组成
基于串行总线下最小控制系统主要由硬件和软件两部分组成, 其中硬件部分主要负责完成系统前端数据采集、控制方式的选择、控制参数的设定以及最终处理结果的显示[1], 其系统硬件组成如图1所示。
1.1 硬件系统的实现
为了保证和满足系统对数据采集的实时性要求, 系统的现场数据采集主要采用与8051单片机兼容的STC89C52RC/RD+单片机为内核, 实现对过程的简单控制, 现场参数的设置, 并在串行方式下与主机进行数据的交换, 完成控制命令的具体执行和现场控制过程的监控, 并与PC机通用串口进行通信。系统的数据交换均采用串行异步工作方式, 通过STC89C52的P3.0和P3.1 (RDX和TDX) 端口, 由电子开关4052完成状态的切换、通道的选择[2]。其具体的系统硬件连接方式如图2所示。
1.2 硬件系统的工作流程
在最小控制系统中, 前端采集的模拟信号经过传感器完成形式的转换和必要的前端处理后接入串行A/D转换器。如果采样的是多路模拟信号, 可以在外围电路中利用多路模拟开关进行通道选择, 串行A/D转换器的输出信号经光电隔离后传送到4芯插头J1, 由4052完成输入数据最终向处理器的传送。控制信号的输出, 系统采用由处理器STC89C52经电子开关4052完成通道的选择, 同样由图2中的4芯插头J1输出, 经过外围电路对信号进行隔离和数/摸转换后实现对检测对象的具体控制。在对采样数据的处理方式上, 系统采用串行口传输、上位机并行处理的方式进行。由于系统没有对存储容量进行扩展, 系统自身的存储空间较小, 使得系统对采样数据的现场处理能力受到一定影响。系统通过把现场采集的数据经过处理后采用串行工作方式, 通过P3.0和P3.1端口, 利用串行接口芯片MAX232实现与上位PC机之间的数据传输, 由上位PC机完成对数据的分析与处理。经过处理后的数据经过同一通道及时地传送给STC89C52, 由STC89C52完成数据的显示和控制信号的输出。
系统控制参数的设置、控制方式的选择以及运行状态的监控, 既可以由上位的PC机进行, 也可以在现场由最小系统自己独立完成, 为此系统对输入/输出端口了进行了必要的扩展, 通过对小建盘上功能的设定, 完成控制参数的设置和控制方式的选择。
2 系统软件结构
系统在控制方式的选择和软件的编制方面表现出极大的灵活性, 既可以根据需要在扩展一定存储空间的基础上, 利用在电路编程特性 (ICF) 使用编程器进行产品开发;同时系统还具有ISP在系统可编程功能, 用户可以在PC机上选用基于Windows的μVision 2集成开发环境下, 使用单片机C语言进行编程[3], 也可以在STC-ISP开发环境下利用MCS-51汇编语言编制控制程序, 并在此环境下控制程序下载到单片机上完成产品的开发, 从而提高硬件电路的通用性。
2.1 系统软件的实现
系统以单片机为核心, 由单片机完成数据的现场采集、过程的监控、最终结果的显示以及控制命令的输出。现场采集的数据系统采用通过串行总线传送到主控上位机, 由主控计算机完成对数据的处理。因此软件系统主要包括单片机系统和主控程序两个方面, 每一个方面根据所担负的不同任务, 依据分工划分为对应不同的标准模块。
负责现场数据采集和过程管理的单片机程序主要划分为以下几个模块:
数据采集模块 通过传感器实现对外部被测物理量的采集, 输入通道的选择, 采集数据的离散化处理。
数据处理模块 完成对采集数据状态的转换与分发, 并进行简单的现场处理。
硬件接口模块 以串行总线规定的协议为基础, 完成对采集数据的分发, 对系统控制方式及参数配置信息的设置、接收与反馈, 控制命令的输出以及最终结果的现场显示。
输入与输出管理模块 实现参数的设置, 状态的选择, 最终结果以及过程的显示。
主控上位机除了完成对由下位机传送的数据进行处理外, 还担负着对整个控制过程的管理, 在控制系统中起着主导作用。因此主控程序依据功能可以划分为以下几个模块:
过程控制管理模块 实现对各控制系统的各个单元模块的总体控制, 包括启动、暂停、结束等。
系统通信参数配置模块 实现对传送数据的有效位、倍率、串口等参数进行设定。
硬件接口模块 以串行总线规定的协议为基础。
数据处理模块 完成对接收的数据进行分析、运算。
2.2 单片机系统软件设计
系统在接收到主控程序的各种参数或者通过自身键盘设置的现场参数后, 单片机控制系统要完成对系统的初始化配置、数据的采集与收发、现场的简单处理以及控制状态和最终结果的显示。其过程的程序框图如图3所示。
2.3 主控程序软件的实现
由于系统的前端控制装置仅仅能实现对数据的简单处理, 无法满足系统进行多点实时处理这一基本要求, 系统可以在上位机的主控软件中创建主/辅线程两级管理方式来解决[4]。主线程主要用于对数据采集与传送程序的统一管理, 实现串口的初始化, 定义通信事件消息, 控制和管理辅助线程。辅助线程主要完成串口线程的监控与读写, 是数据处理系统的核心, 并且与主线程实行并行工作方式, 主要负责完成上位机的数据自动接收和实时处理, 同时向主线程发送相应的状态信息, 数据的处理结果, 在传送完毕后继续执行对串口线程状态的监控。这种并行设计不仅提高了资源的利用率, 同时也保证数据处理的实时性[5]。其主线程的程序框图如图4所示。
3 系统的扩展与改进
最小系统与PC机的通信接口在系统中采用的是标准的MAX232接口, 此种设计模式主要满足对数据处理和传输速度要求不高、数据采集点较近的场合。如果要求数据传输的速度较高, 传输的距离较远, 可以对系统进行必要的改进, 通过采用USB总线的转接芯片CH341与RS 485相结合的方式[5,6], 其连接框图如图5所示。
经过改进不仅使系统满足了数据传输的速度与距离的要求, 同时可以实现多种设备在总线的外挂, 实现大数据量远距离的高速传输。
4 结 语
基于串行总线下的数据采集与实时处理最小控制系统, 依据其自身的独特设计, 为控制过程的智能化提供良好的前端平台, 同时通过利用PC机的高速数据处理与多线程管理能力, 采用串行通信技术, 经过对相关接口的简单转换, 很好地解决了数据采集与控制过程中所遇到的数据量大、传输速度快、传输距离远等诸多问题, 目前被广泛地应用于压力与流量的采集和控制系统中, 并取得了良好的效果。
参考文献
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总线方式 篇2
在港口煤炭专业化码头中, 运输系统主要由皮带机、堆取料机和装船机组成, 皮带机在数量上较多。然而皮带机的运行环境恶劣, 空间粉尘污染大、潮湿, 用电设备功率大, 多采用强电控制, 电磁场对设备干扰大, 设备间工艺连锁关系比较复杂。因此, 皮带机电控系统的设计研究一直受到关注。现场总线技术的发展很好地解决了皮带机系统的控制问题[1]。
2 现场总线技术的特点
第一、现场总线技术对皮带机沿线的各类保护装置、张紧装置、测温装置、高压变频器系统的各种信息统一传输, 统一控制, 使各个分立部件整合为一个系统, 使整套系统安全可靠运行。
第二、现场总线技术对皮带机系统进行监控, 减少了人员巡查次数, 降低了成本, 通过对监控信息的共享,便于检修和维护设备。
第三、现场总线技术可传输开关量和模拟量控制信号, 使所控设备能按要求的最佳曲线进行启动和运行。在带载启动中应用效果特别明显。
第四、现场总线技术不受电磁干扰,可准确传输信号。
第五、减少电缆的敷设量, 用一根通讯电缆代替多根多芯控制电缆。
第六、大量信息通过总线技术汇总到控制系统画面上, 各种状态显示一目了然, 便于了解整个系统的工作和维修状况。监控系统画面如图1 所示。
3 现场总线控制系统的组成
现场总线控制系统有软件和硬件两大部分组成。
硬件包括PLC模块、扩展模块、Profibus总线、UPS等设备。
软件包括以下几个部分:
⑴ 态工具软件——为进行设备配置、网络组态所应用的工具软件(In Touch 10.5)。
⑵ 态通信软件——将设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件。
注 :S3、S4、S5 表示堆料机 ,R3、R4、R5 表示取料机 ,SL1、SL2 表示装船机
⑶ 程软件——为用户提供编辑程序的软件平台(Unity Pro XL V6.0)。如图2:
⑷ 备接口通信软件——根据现场总线协议而编写的, 用于总线设备之间通信的软件。
⑸ 监控组态软件——运行于监控计算机上。具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息并进行数据记录, 趋势图分析及报表打印等功(Window Viewer)。
⑹管理系统——对于运行中产生的电量、运行时间、皮带秤数据、电流、温度曲线图和各种报表,进行统一查询和报表管理。如图3:
4 皮带机电控系统
皮带机电控系统主要由总线电控箱、操作箱、各种传感器、皮带保护开关和高压接触器柜内控制信号、作业广播等组成。
4.1 总线电控箱
总线电控箱的总电源取自变电所, 如果一条皮带机总线箱数量超过1 个时, 其余总线箱的电源并联取自第一个总线箱, 每一个电控箱内都有一个Profibus总线模块, 此模块有可调地址, 还有具备通信功能。总线耦合器为菲尼克斯品牌的IL PB BK DI8 DO4/EFPAC。根据现场需要箱内还会增加模拟量输入模块( 菲尼克斯IB IL AI2/SF-ME和IB IL TEMP 2 RTDPAC)、数字量输入模块(IB IL 24 DI 4-ME)、数字量输出模块(IB IL 24 DO 4-ME)。总线模块之间是使用Profibus通信电缆通信连接。
4.2 操作箱
操作箱一般都处于各皮带机头部, 主要由皮带机集中( 远程) 或者本地转换开关、皮带机启动按钮、皮带机停止按钮、制动器点动按钮和急停按钮等组成。当操作开关或按钮时, 开关或按钮的状态信号会通过线路传递给总线电控箱内的开关量输入模块上, 从而来控制和保护皮带机。
4.3 传感器
传感器主要用于皮带系统中驱动电机、减速机测温部件的模拟量信号的采集、转换工作( 即D/A转换),并将数字信号通过Profibus-DP总线传到控制系统中(PLC)[2]。
4.4 皮带保护开关
皮带保护开关主要是为了防止一些意外事故的发生, 对皮带机安全运行进行保护, 如拉绳、跑偏、撕裂、失速、堵塞等。保护开关都为硬线控制方式, 正常状态都利用开关的常闭点。当开关动作后由线路将相反的电信号传递到总线箱数字量输入模块中, 然后传输到控制系统中, 控制系统发出停止设备运行或发出安全警报指令。
4.5 高压接触器柜内控制信号
高压接触器柜内的熔断器状态信号、手车位置信号、中压柜选择开关信号、皮带机电机综保就绪信号、中压柜急停按钮信号、电机启动中继输出信号、接触器合闸信号等信号经过总线控制设备远程传输到皮带机控制系统内。
4.6 作业广播
作业广播除了作为对讲通信外, 还作为系统起车预警信号的输出设备。
5 皮带机电控系统的工作原理
5.1 基本原理
皮带机在作业时并不是单独使用, 往往是多部皮带机一起工作, 因此启动顺序必须是前一级设备启动后,下一级设备方可启动。皮带电控系统对本系统的各种状态先进行检测判断, 具备启车条件后, 才能启动。启车时, 皮带电控首先对保护开关输入信号如拉绳、跑偏、皮带机耦合器过温、皮带过松过紧、撕裂、失速、堵塞等进行判断, 若各信号正常才能进入下一程序; 其次,根据皮带机各反馈的信号检测制动器及各种机构状态是否正常; 当皮带机各机构都处于正常状态, 具备起车条件, 才会发出启动信号。当发出起车指令后, 高压电机真空接触器得电闭合, 给PLC送工作信号。与此同时,PLC发出指令使抱闸打开, 并检测抱闸是否完全打开。若抱闸未打开或未完全打开, 将关闭启动信号, 使电动机停止运行, 同时在监控画面上给出故障信号, 显示开闸故障。当皮带达到额定速度, 电控系统实时检测皮带速度与滚筒速度, 当二者速度差值超过规定值, 紧急停车, 并发出打滑或失速报警信号。同时, 系统实时检测电机温度、减速器温度、轴承温度、皮带张力、电机电流、抱闸状态、变频状态、保护开关状态等, 当某一项指标或状态不正常时, 系统紧急停车并报警。皮带机电控系统的上述参数及状态能通过组态画面显示出来。如图4:
5.2 皮带机工艺流程说明
皮带机启动分三种形式: 本地操作箱启动; 电脑远程画面启动; 流程启动。
⑴ 地操作箱启动:
将转换开关打到“本地”位置, 皮带机无报警。输出启动信号, 程序进入自锁, 制动器先启动,2 秒后电机启动。
⑵ 远程画面启动:
将转换开关打到“远程”位置, 皮带机无报警, 中央控制室值机员在计算机屏幕上选中皮带机, 启动本条皮带机。输出启动信号, 程序进入自锁, 制动器先启动,2秒后电机启动。
在皮带机运行时, 如果发生报警、点击停止按钮,则皮带机立即停机。
⑶ 流程启动:
流程选择: 选择流程( 如图5 来选择流程) 首先判断流程上各个设备的转换开关打到是否“远程”位置,每个设备是否准备就绪, 是否有故障报警信号, 堆取料机是否准备就绪, 漏斗是否准确对位。
流程启动顺序:
流程上有BX1-1 皮带、BX1-2 皮带、BX1-3 皮带、BX1-4 皮带、BD4 皮带和S4 堆料机, 5 条皮带。当堆料机运行后, 流程开始启动, 启动时从第五条皮带BD4 开始向前启动, 当给出流程启动信号时,BD4 皮带开始启动, 启动完毕后给出一个运行信号,BX1-4 皮带在得到这个运行信号后开始启动, 以此类推,BX1-3,BX1-2,BX1-1。直到BX1-1 皮带启动, 整条流程启动完毕。
在流程启动过程中, 如果点击流程暂停, 则当前启动的皮带停止启动, 已启动皮带继续运行。
皮带机流程启动全部运行后, 点击停止按钮, 皮带机从BX1-1 皮带开始向后停止, 当停止完毕后给出一个信号,BX1-2 皮带在得到这个信号后开始停止, 以此类推,BX1-3,BX1-4,BD4。直到BD4 皮带停止, 整条流程停止完毕。点击急停按钮, 所有皮带机同时停止启动。如图6 所示。
现场各个信号与中控信号连接是通过硬线连接到各个总线箱, 然后通过DP通讯与变电所PLC上的DP通讯模块通讯。变电所所使用的PLC模块为施耐德品牌的140CPU65150; 通讯模块为施耐德品牌的140PTQ PDP MV1。变电所内中压电机柜的信号点则直接把信号传递给所在变电所的PLC上。(PLC输入模块为施耐德品牌的140DDI35300;PLC输出模块为施耐德品牌的140DDO35300)。
5.3 皮带机系统中变电所通信方式
⑴ 信息网络
流程监控计算机的通信协议采用TCP / IP方式[4]。
以太网网络由第一个变电所开始将场地各个变电所串联起来。如:1# 变电所—2# 变电所—3# 变电所—4# 变电所—1# 变电所最后形成一个圆形, 形成一个环网, 使通讯得到保障。
⑵ 控制网络
根据自控系统PLC系统的硬件和软件要求, 选用法国施耐德公司的PLC, 采用MB+ 通信协议。
MB+ 网络为:1# 变电所—2# 变电所—3# 变电所—4# 变电所—1# 变电所最后形成一个圆形, 形成一个环网。
⑶ 设备网络
各PLC站与其就近设备信息链接采用ProfibusDP现场总线通信方式。PLC与变频器柜通信也是采用Profibus-DP现场总线通信方式。各PLC站与变电所中压综合保护单元、低压保护、测量单元、皮带秤、采用RS-485 总线,Modbus协议。
6 皮带机系统采用现场总线控制方式较传统控制系统有以下几方面优势
⑴ 保证了皮带机系统的可靠运行
采用现场总线控制方式减少了通信故障, 降低故障率从而有效地提高了控制系统的稳定性。
⑵ 准确地传递测量信号
各类开关量和模拟量就近转换为数字量, 现场总线设备之间采用数字通信, 减少了信号传送误差, 避免信号损失和干扰, 从而提高了测量与控制的精度[5]。
⑶ 省硬件数量与投资
在现场总线控制系统中, 智能化的现场设备能直接执行测量、变换、补偿计算、处理和控制功能, 大大减少现场设备的数量。电缆使用数量的减少, 使得电量、电损大大减少了。
⑷ 节省安装和材料费用
控制电缆用量的减少, 使得现场接线工作量大为减少。端子排、桥架等电缆附属设备的材料也相对应减少。
⑸ 低了维护开销
现场总线控制方式有准确的诊断能力, 并将相关的诊断维护信息送往中控室画面中。用户可以直观了解设备的运行状况, 读取信息, 诊断故障, 并快速排除, 减少维护费用。
7 结束语
皮带机系统采用总线控制方式不仅解决了大量信号的采集、传递和处理, 也使各个设备之间形成网络系统, 提高了系统的智能化[6]。现场总线技术功能强大,实现了复杂的系统控制功能, 大大提高了生产效率,保证了设备的稳定运行。又由于可扩展性能强, 现场总线控制方式给皮带机电气控制系统的升级改造提供了良好基础。
参考文献
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总线方式 篇3
ISA总线是工业标准总线架构,在工控领域中历史悠久,是最早的系统级总线。ISA总线有时也称作I/O设备总线,可用来连接低速I/O设备。ISA总线作为工业总线的标准架构虽然如今在商业机中被后来的PCI总线挤出了历史舞台,但是由于利用ISA总线可以很方便地扩展中低速的I/O端口,因此在工业控制计算机中都保留了ISA总线。
USB总线协议从1995年11月由Intel和Microsoft公司倡导发起后,得到了迅速的发展,从最初的0.7到现在普遍使用的2.0版本,USB以其优越的热插拔特性得到了广泛的应用,USB总线取代传统的老式接口必将成为一种趋势。
市场上虽然出现了很多USB总线到其它总线转接的转换板,但是还没有出现USB总线到ISA总线转接的转接板,这正是本文研究的重点。
2. USB总线介绍
一个基于计算机的USB系统可以在系统层次上分为三个部分:USB主机、USB设备、USB互联。通用串行总线通常被称作USB总线,USB是Universal Serial Bus的简称。USB总线是连接外部设备的一个串口总线标准,它可以同时处理计算机与具有USB接口的多种外设之间的通信。
USB总线是通过总线枚举来识别设备的接入和移除的。一般而言总线枚举是指对总线上接入的USB设备进行识别和寻址操作。对许多总线而言,这一工作都是在启动时完成的,并且所搜集的信息都是静态的,而USB技术则允许在任何时候从USB总线上接入或拔除USB设备,因此USB总线的总线枚举操作是一种持续执行的工作。而且,USB总线枚举还包括发现和处理设备的移出。这是USB与以往一些总线技术的区别。
USB外设普及之后,将会使得PC机箱后面的各式各样繁杂的连接线变得简单,大多数老式的接口将被淘汰,如ISA接口、PS/2接口、串并行接口等,取而代之的是各种USB接口的外设。
3. I SA总线介绍
ISA总线最早是作为一种系统总线的,用在IBM-PC、IBM-PC/XT系列计算机当中,后来被标准化为工业总线标准,并且产生了深远的影响。由于技术的发展,ISA总线的传输速率跟不上处理器的速度,从而被其它总线所取代。然而由于ISA总线的低速使得其与现在的外设速率十分匹配,适合作为一种外围设备总线,用于扩展设备接口。并且ISA总线的地址线是非常多的,可以连接数量庞大的设备。综合这两点原因,ISA总线在工业控制领域仍然占有一席之地,并且ISA总线工业领域中的应用还会持续一段很长的时间。
ISA总线的引线分为:地址线、数据线、控制线、状态线和辅助与电源线五类。
(1)地址线:8位ISA的地址线是A0~A19,16位ISA在原来的基础上增加了LA17~LA23七根地址线。
(2)数据线:8位ISA的数据线是D0~D7,16位ISA在原来的基础上增加了D8~D15八根数据线,变成了16位的数据总线。
(3)控制线:包括中断请求线IRQ2~IRQ7;请求输入线DRQ1~DRQ3;DMA响应信号输出线;地址允许信号输出线AEN;地址锁存允许输出信号线ALE;I/O口读写输出信号线;存储器读写输出信号线;系统复位信号线等。
(4)状态线:I/O通道就绪输入信号线(I/O CH RDY),通道奇偶校验信号输入线。
(5)辅助与电源线:为总线设备提供电源。
ISA总线的这种结构使得其非常容易与单片机等控制器相连。
4. USB总线和I SA总线转接的实现
4.1 转接卡的设计原理
该转接卡利用CH375芯片完成USB设备端的设计,由CH375接收上位机传送过来的数据,再经过单片机处理后发送到ISA总线。单片机替代工控机总线控制器产生ISA总线的控制信号,并且CH375芯片屏蔽了Windows操作系统下的底层驱动;提供了上位机和下位机的接口函数以及与单片机等MCU的硬件接口。
4.2 CH375芯片介绍
CH375芯片是一个USB总线的通用接口芯片,支持USB-DEVICE/SLAVE设备方式和USB-HOST主机方式。CH375芯片在本地端提供了通用的被动并行接口和点对点的串行接口,可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。它内置了USB通讯中的底层协议,屏蔽了复杂的底层驱动。CH375芯片内置了电源上电复位电路,一般情况下不需要外部提供复位。
4.3 转接卡的硬件设计
该转接板卡通过USB接头和上位计算机连接,通过ISA接口插接在下位机的ISA插槽上。图1为其PCB图。
4.4 转接卡的软件设计
本设计中上位机用户界面程序是使用VB语言来编写的。VB语言是一种比较简单的面向对象的程序设计语言。图2是主程序界面,通过不同的按钮可以选择相应的程序进行操作。
上位机程序最主要的任务是将用户想要发送给I/O设备的数据准确地发送到设备,因此要解决的问题有:要发送到哪个设备、发送什么样的数据。这两个数据在实际应用中最终是要由主控制程序来决定的。例如音乐喷泉控制系统,哪个设备要喷水,哪个灯要亮,这些都是通过主控制程序发送数据给相应的设备来实现的。
为了便于以后的调试,本文调试程序设计成这两个数据均由用户手动输入。如图3和图4所示。
5. 转接卡的具体工程应用
以音乐喷泉控制系统为例,该系统从整体上说是由上位工控机、下位工控机和被控设备组成的。如图5所示,上位机和下位机通过专用的37针连接线连接,下位机和显示卡也是通过37针连接线连接的,显示卡通过控制柜再将控制信号接到被控设备,从而实现对实际被控设备的控制。
本转接卡在原来的控制系统中的应用,只要对上位机软件控制程序稍作修改就可以使用。并且提供了上位机的接口函数,这就使得本转接卡可以很方便地应用于音乐喷泉控制系统。
6. 结束语
本转接卡也可以很方便地应用于各种工控系统,但要注意,这块转接卡只接了读写控制信号,其它控制信号没做处理,因此只适用于简单的I/O口扩展。这是考虑到现在ISA总线的作用主要就是用来做I/O口扩展的。
参考文献
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