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自动化专业英语翻译
B计算机与网络基础
计算机系统的组成
在说明了什么是计算机之后,让我们在来看一下计算机的定义:
计算机是一种能接收、存储和处理数据,并能产生输出结果的快速、精确的符号加工系统,这一系统是在存储指令程序控制下工作的。
本文说明为什么计算机是一个系统以及计算机是如何组成的。
系统的主要部件包括输入设备、处理机和输出设备。
现在详细介绍每一部件。
输入设备计算机系统使用多种输入设备。
其中有些输入设备直接进行人-机通信,另一些则首先要求把数据记录在诸如磁性材料那样的输入介质上。
常用的是读取以磁化方式记录在专门涂敷的塑料带或软盘上的数据的输入设备。
直接输入设备有与计算机的工作站直接连接或在线连接的键盘,以及鼠标器、输入器、触摸式屏幕和话筒等。
不论使用哪种设备,所有这些都是人与计算机系统之间的解释和通信的部件。
中央处理机中央处理机(CPU)是计算机系统的核心。
一台典型计算机的CPU由三部分组成:
主存储器部分、算术逻辑部分和控制部分。
不仅个人计算机如此,各种规模的计算机的CPU都有这三部分。
输出设备与输入设备类似,输出设备也是人与计算机系统之间的解释和通信的设备。
输出设备从CPU中取出机器代码形式的结果,然后将其转换成(a)人们可读的形式(例如打印或显示报告)或(b)另一处理周期的机器输入。
在个人计算机系统中,常用的输出设备是显示屏和台式打印机。
比较大型的计算机系统通常要配备更大、更快的打印机,多台在线工作站和磁带机。
有时也将输入/输出设备和辅助存储器称为外围设备,这是因为这些设备不属于CPU,但又位于CPU附近。
操作系统
操作系统朝着两个主要目标已发展了三十多年。
第一,为程序的开发和执行提供了一个方便的环境。
第二,操作系统试图通过对计算任务的调度以确保计算系统的良好性能。
操作系统必须确保计算机系统的正确操作。
为避免用户程序影响系统的正常操作,对硬件进行修改以建立两种方式:
用户方式和监控方式。
各种指令(如I/O指令,HALT指令)被赋予特权,只能在监控方式中执行。
监控程序存放在内存,同样业应避免用户对其修改。
另外采用一个时钟避免无限循环。
这样,一旦基本的计算机系统发生了变动(两种方式,特权指令,存储器保护,时钟中断),仍有可能写出正确的操作系统。
正如我们前面所说,操作系统对于生产它们的厂家及其运行的硬件环境通常是唯一的。
一般,安装一台新计算机的同时购买了与该硬件相应的操作系统。
用户需要有效地支持其处理任务的可靠操作软件。
尽管各厂家的操作软件各不相同,但都具有类似的性能。
现代硬件系统,由于其复杂性,需要有操作系统来满足某些特定的标准。
例如,考虑到该领域的现状,操作系统应支持某种形式的联机处理。
通常,与操作软件相关的功能有:
(1)作业管理;
(2)资源管理;
(3)I/O操作控制;
(4)错误恢复;
(5)存储器管理。
A外部信号与设备的接口
概述
系统总线上的信号以非常有序的顺序发生。
每个信号以事件的特定顺序来启动并在一固定时间后或被另外时间的顺序而终止。
在仅有存储器和微处理器的系统中,由微处理器直接启动总线事件。
独立的外部设备和无总线兼容的信号以及与系统总线信号无时态关系的信号都不能直接连到系统总线上。
系统总线通信是通过输入/输出接口来完成的。
输入/输出接口的主要作用是协调处理器与外部设备之间的数据传输,以及转换为处理器可识别形式的数据。
接口的其他作用可提供电隔离、噪声抑制、临时数据存储或数据格式转换。
有几种类型的接口,例如并行输入/输出、数字-模拟转换、模拟-数字转换、实时时钟、直接存储器访问,都是常用的。
这里,我们仅限于讨论并行I/O和A/D及D/A。
并行输入接口
术语“输入”和“输出”通常指CPU和CPU的输出。
如图3-2A-1所示的一个简单接口的标准图。
输入接口仅受处理器控制。
无论何时处理器寻址输入口,外部数据总线上的数据被允许放到处理器数据总线上,并且当CPU把数据放到总线上时,这一数据是可用的。
在这种接口中,有一个三态缓冲器,它能迫使处理器总线与外部数据线有相同的二进制值。
当在不允许状态时,缓冲器输出进入高阻“第三态”,它能从总线上有效地移开数据线,允许其他数据利用系统总线。
图3-2A-1简单的并行输入接口图3-2A-2带有寄存器的并行输入接口
在某些情况下,同步交换信号的使用是必要的,如图3-2A-2。
当数据可用时,外设使可用数据线求反,且数据存在接口内。
同时,在状态寄存器中设定“准备好”标志以指示给CPU数据可使用。
为了了解这一点,CPU必须连续查询接口(读状态寄存器),最终锁存数据。
输入任务也可由DMA(直接存储器寻址)I/O来实现。
并行输出接口
输入与输出接口的一个区别是输出接口必须有个数据寄存器,因为在CPU数据总线上,处理器数据仅在很短的时间内是一个常数。
图3-2A-3所示为一简单接口形式,无论何时CPU发布接口数据寄存器的正确地址并完成一个“写”操作,便可接收数据。
锁存后,数据可用于外部世界。
数-模转换接口
图3-2A-4所示的数字-模拟转换器是用于产生一个模拟电压和电流,在给定的“满标度”范围内,与二进制数字成比例。
图3-2A-4数模转换器
模拟电压的数字表示直接二进制表示,任何一个数字值的输出电压可从下式得到:
Vout=VFS(b72-1+…+b02-8)
对于偏移二进制,例如在-1和+1V电压之间可获得一个双极型输出。
双补码表示极性输出的另一种方法是用双补码数。
如果最高有效位表示一个符号,那么最高正数为01111111,最高负数为10000000。
其他可能的表示是二进制码十进制和加号大小。
也有几种可生产的可选跨接模拟电压范围。
最常用的电压为5/10,5/12或10/24V。
根据数字表示和可用的满标度电压,D/A转换器的说明书应至少给出它的1.分辨率;2.转换速率;3.稳定时间;4.线性化;5.增益和偏移的温度系数。
模拟-数字转换接口
图3-2A-5为一个模拟信号采集系统。
它的作用是在特定的瞬时时间,即采样时间对N个模拟输入信道其中之一的电压产生一个数字表示。
象在D/A转换器中,希望的数字表示是一个设计参数,其可能根据不同的A/D接口而有所不同(二进制、偏移二进制、双补码)。
图3-2A-5模拟信号采集系统
A/D转换器可分为模拟边和数字边。
在数字边,设计者必须考虑:
1.集成电路技术;2.逻辑电平和三态能力;3.分辨率;4.转换速度;5.CPU信息交换;6.外部控制。
在接口的模拟处,设计者必须关注:
1.输入电压范围(产生最大、最小数字值的的模拟电压的差值);
2.各种不同的误差源;
3.在A/D模拟部分产生的等效输入噪声。
就如同D/A转换器,有一个可能出现的增益和偏移误差及线性误差。
这些误差的温度系数也很重要,它们对于总误差的作用应在温度范围内计算出来。
逐次逼近型A/D应用在A/D转换器结构上有很广泛的技术。
最普通的是逐次逼近型转换器。
它具有适度速度和适度分辨率的优点。
它的作用:
第一次将输入电压与设为满量程A/D参考电压一半的测试电压相比较。
利用标准的D/A转换器来得到测试电压。
如果第一次比较后,输入电压大于满量程的一半,那么设定最高有效输出位。
如果输入电压小于满量程的一半,那么从测试电压中删掉满量程电压的一半,否则电压保持同一值。
下一次,四分之一的满量程参考电压加到测试电压上,将输入电压与测试电压再一次比较,如果输入电压超过测试电压,那么下一个最高有效位被设定,测试电压,第二位设为0,四分之一满量程参考电压被删除。
这一过程逐次以更小的加权二进制电压重复,直到测试完最低有效位。
UNIT3
APLC概述
许多不同的过程控制系统的自动化,如控制生产机械或工厂生产线,由被称为可编程逻辑控制器(PLC)的小型计算机完成。
1968年,通用汽车公司首创PLC并应用于汽车工业,并开发第一个PLC工程,用电子控制器替代硬接线的继电器系统。
随着PLC的出现,工厂过程控制的集中化,尤其在汽车工业中,得到了大幅提高。
PLC的架构
PLC是一个无盘的紧凑计算机,包含所有过程控制必需的软硬件。
他们通常用于自动化控制应用(如闭环控制),可以独立存在,也可以连到分布I/O,其他PLC或者监控计算机。
这些连接通过现场总线建立,如WorldFIP,PROFIBUS或者Ethernet.
典型的PLC包含:
▪电源;
▪程序运行的CPU;
▪输入输出模块;
▪可选通信模块;
可用IO模块支持很多电气接口:
▪模拟模块(+/-10V,+/-1V,4-20ma,电阻,等.);
▪温度测量(pt100,Ni100,等.);
▪数字模块(+/-24V,220V,等.);
▪TTL模块(BeckhoffI/O模块,等.);
▪RS232模块;
▪
其他。
图3-3A-1一个典型的PLC系统
这些模块可以连接到PLC的内部总线上,也可以通过总线连接器和现场总线单元(如PROFIBUS,WorldFIPorCAN)连接,并于其他PLC共享总线。
用户的硬件很难和PLC内部总线直接连接。
解决的方案是使用特定接口卡(如HMS的AnyBus卡)作为标准现场总线接口(如PROFIBUS,CAN,andWorldFIP)集成用户硬件。
现在,PLC提供基于以太网的通信。
尽管基于TCP/IP和IEEE802.2,每个厂商的PLC协议都不同。
因此,默认情况下,不同厂商的PLC不能通过以太网交换数据。
但是,施耐德的的PLC拥有接口库,可以用西门子PLC实现RFC1000,也可以使用OPCDX服务器,SCADA应用,或者特定通信接口卡,如APPLICOMone,作为网关。
基于PLC的方案可以很好用于两层控制体系架构中,前端层独立于监控层。
过程控制(输入输出,读出,闭环控制等)既不依赖于网络,也不依赖于远程电脑,它更为安全。
PLC具有长期可用性,并得到支持:
通常情况下,老的软硬件可以得到各自制造商的至少10年的支持。
PLC操作
PLC使用制造商提供的特定操作系统。
操作系统处理:
▪CPU状态(开始,停止,初始化,等);
▪用户程序的调用;
▪中断;
▪内存;
▪和编程设备和其他通信设备通信。
PLC采用轮询的方式执行精确的循环。
循环包括连续执行的三部分(如图3-3A-2所示):
▪读输入状态,PLC内核读取所有输入模块,并把数值复制到内部输入内存区域;
▪执行用户程序状态,PLC内核访问所有PLC内存区域,执行用户程序。
并把执行结果存贮在内部输出内存中;
▪写输出状态,PLC内核复制内部输出内存内容到输出模块。
图3-3A-2西门子PLC扫描周期
除了循环,操作系统还管理中断(硬件中断、用户程序错误等)。
用户程序(控制程序)由供应商特定的开发环境生成,然后下载到目标CPU中。
它会保存在CPU的ROM中,即使掉电也不会丢失。
通常,所有的PLC都有两种运行状态:
运行和停止,由钥匙或者软件控制。
上电时,PLC会根据事先设定进入运行或者停止状态。
PLC编程
PLC程序的开发包括两个方面。
定义硬件组态和生成用户程序源代码。
硬件组态描述了模块(I∕O和通信)及其在PLC中安装顺序,I∕O的寻址也将根据这个顺序自动生成。
源代码由供应商特定的集成开发环境生成。
通常他们由一系列工具组成:
▪设置管理应用;
▪设置分配硬件参数;
▪设置总线和连接设备;
▪设置通信链路;
▪为PLC创建用户程序;
▪下载程序并测试。
用户程序可以用国际电工委员会的IEC1131-3推荐的五种语言中任何
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