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1、计算机控制系统的设计与工程实现2022/12/71现在学习的是第1页，共28页11.1 11.1 计算机控制系统设计的原则与步骤计算机控制系统设计的原则与步骤 1 1 系统设计的原则系统设计的原则 安全可靠安全可靠 实时性强实时性强 操作维护方便操作维护方便通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充 系统具有开放性系统具有开放性 经济效益高经济效益高 2022/12/72现在学习的是第2页，共28页2 2 系统设计的步骤系统设计的步骤 计算机控制系统的设计分为开发设计和应用设计。计算机控制系统的设计分为开发设计和应用设计。开发设计的任务是生产出满足用户所需的硬件和软开发设计的任务是生产出满足用户所需
2、的硬件和软件。首先要进行充分地市场调查，了解用户的需求；然件。首先要进行充分地市场调查，了解用户的需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；最后进行制造后进行系统设计，落实具体的技术指标；最后进行制造调试，检验合格，市场销售。调试，检验合格，市场销售。开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。化的原则。开发设计开发设计2022/12/73现在学习的是第3页，共28页应用设计应用设计 应用设计的任务是选择和开发满足控制对象所需应用设计的任务是选择和开发满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统性能指的硬件和软件，设计控制方案，并根
3、据系统性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统功能。标要求设计系统硬件和软件，以实现系统功能。应用设计或工程设计按顺序可分为应用设计或工程设计按顺序可分为5 5个阶段。个阶段。可行性研究可行性研究系统总体方案设计系统总体方案设计 硬件和软件的细化设计硬件和软件的细化设计 系统调试系统调试 现场安装、投运现场安装、投运 2022/12/74现在学习的是第4页，共28页图图11111 1 控制系统设计示意图控制系统设计示意图 2022/12/75现在学习的是第5页，共28页11112 2 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术 1 1 干扰的来源与种类干扰的来源与种类 外部干扰是指那些
4、与系统结构无关，由使用条外部干扰是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。它主要来自自然件和外界环境因素所决定的干扰。它主要来自自然界以及周围的电气设备。界以及周围的电气设备。外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰 内部干扰是指计算机控制系统内部的各种元器内部干扰是指计算机控制系统内部的各种元器件引起的各种干扰件引起的各种干扰 2022/12/76现在学习的是第6页，共28页2 2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 电源系统抗干扰方法电源系统抗干扰方法 采用低通滤波器采用低通滤波器 图图11112 2 双双型滤波器型滤波器 采用低通滤波器采用低通滤波器抑制电网侵入的抑制电网侵入的外部
5、高频干扰是外部高频干扰是常用的一种方案。常用的一种方案。低通滤波器可让低通滤波器可让50HZ50HZ的工频几的工频几乎无衰减地通过，乎无衰减地通过，而滤去高于而滤去高于50Hz50Hz的高次谐的高次谐波。波。2022/12/77现在学习的是第7页，共28页 采用隔离变压器采用隔离变压器 图图11113 3 三相隔离变压器抑制电源干扰三相隔离变压器抑制电源干扰变压器的一次变压器的一次侧按三角形接侧按三角形接法联结。二次法联结。二次侧按星型接法侧按星型接法联结。有利于联结。有利于抑制工频抑制工频3 3次次以上谐波对控以上谐波对控制系统的干扰。制系统的干扰。2022/12/78现在学习的是第8页，共
6、28页采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源 图图11115 5 计算机系统电源计算机系统电源 抑制交流电源线抑制交流电源线上引入的高频干上引入的高频干扰扰抑制进入交流电源线上抑制进入交流电源线上的瞬时干扰的瞬时干扰原、副边之间加原、副边之间加有静电屏蔽层有静电屏蔽层2022/12/79现在学习的是第9页，共28页电源分组供电电源分组供电 图116 电源分组供电 将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止设备间将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止设备间的干扰。的干扰。2022/12/710现在学习的是第10页，共28页直流电源的抗干扰措施直流电源的抗干扰
7、措施 u直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰，每块集成芯片直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰，每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电容。的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电容。u若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块板的电源和地若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块板的电源和地线的引入处并接一个线的引入处并接一个1010100100的电解电容和一个的无感瓷片电容，以防的电解电容和一个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。止板间的相互干扰。u最好是每块印刷电路板都装一片或几片最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块稳压块”（如（如7815
8、7815、LM317LM317、78057805）形成独立的供电系统，这样能较好防止板间的）形成独立的供电系统，这样能较好防止板间的相互干扰。相互干扰。u逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理布线，不要使逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理布线，不要使电源形成环路。电源形成环路。2022/12/711现在学习的是第11页，共28页 过程通道抗干扰方法过程通道抗干扰方法 串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 被测信号指有用的直流被测信号指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号或缓慢变化的交变信号信号干扰噪声指无用的干扰噪声指无用的变化较快的杂乱交变化较快的杂乱交变信号变信号
9、串模干扰是指叠加在串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪被测信号上的干扰噪声。声。图图11117 7 串模干扰示意图串模干扰示意图（a a）干扰情况）干扰情况 (b)(b)干扰的一种形式干扰的一种形式 (c)(c)干扰的另一种形式干扰的另一种形式 2022/12/712现在学习的是第12页，共28页串模干扰的抑制串模干扰的抑制 a.a.如果串模干扰频率比被测信号频率高，采用输入低如果串模干扰频率比被测信号频率高，采用输入低通滤波器；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则通滤波器；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器；如果串模干扰频率落在被测信号频采用高通滤波器；如果串模干扰频率落在被
10、测信号频谱的两侧，则采用带通滤波器。谱的两侧，则采用带通滤波器。图图11118 8 二级阻容滤波网络二级阻容滤波网络 采用二级阻容滤采用二级阻容滤波网络可使波网络可使50Hz50Hz的串模干扰信号的串模干扰信号衰减衰减600600倍左右。倍左右。2022/12/713现在学习的是第13页，共28页 b.b.当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双 积分式积分式A AD D转换器可以削弱串模干扰的影响。转换器可以削弱串模干扰的影响。c.c.对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对 被测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽
11、被测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽 可能早的完成模可能早的完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等数转换或采取隔离和屏蔽等 措施。措施。d.d.对于主要由元器件内部的热扰动产生的随机噪对于主要由元器件内部的热扰动产生的随机噪 声所形成的串模干扰，或在数字信号的传送过声所形成的串模干扰，或在数字信号的传送过 程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，可采用高程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，可采用高 抗扰度逻辑器件；抗扰度逻辑器件；e.e.采用双绞线作信号引线减少电磁感应，并且使采用双绞线作信号引线减少电磁感应，并且使 各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。2022/12/7
12、14现在学习的是第14页，共28页共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 共模干扰是指模数共模干扰是指模数转换器两个输入端上转换器两个输入端上公有的干扰电压。公有的干扰电压。图图11119 9 共模干扰示意图共模干扰示意图这种干扰可能是直这种干扰可能是直流电压，也可能是流电压，也可能是交流电压，其幅值交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，可达几伏甚至更高，取决于现场产生干取决于现场产生干扰的环境条件和计扰的环境条件和计算机等设备的接地算机等设备的接地情况。情况。2022/12/715现在学习的是第15页，共28页 在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入
13、和双端不对地输入两种输入方式，如图。对于存入和双端不对地输入两种输入方式，如图。对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，必须采用双端不对地输入方式。必须采用双端不对地输入方式。图图11111010被测信号的输入方式被测信号的输入方式(a)(a)单端对地单端对地 （b b）双端不对地双端不对地2022/12/716现在学习的是第16页，共28页 共模干扰的抑制共模干扰的抑制 a.a.变压器隔离变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制共模干开来，以使
14、共模干扰电压不成回路，从而抑制共模干扰。扰。图图11111111变压器隔离变压器隔离 2022/12/717现在学习的是第17页，共28页b.b.光电隔离光电隔离 发光二极管和光敏三极管之间的信号是靠发光二极管在发光二极管和光敏三极管之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。传给光敏三极管来完成的。图图111112 12 光电隔离光电隔离 容易实现，成本低，容易实现，成本低，体积小。广泛的应用。体积小。广泛的应用。2022/12/718现在学习的是第18页，共28页 c.c.浮地屏蔽浮地屏蔽 利用屏蔽方法使输入信号的利用屏蔽方法使输入信号的“
15、模拟地模拟地”浮空，从浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。而达到抑制共模干扰的目的。图图111113 13 浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器 2022/12/719现在学习的是第19页，共28页 长线传输的干扰及其抑制方法长线传输的干扰及其抑制方法 计算机控制系统中，当所传输的信号波长可与传输计算机控制系统中，当所传输的信号波长可与传输线的长度相比拟时，或当传输线长度远远超过传输信号线的长度相比拟时，或当传输线长度远远超过传输信号波长时，就构成长线传输。波长时，就构成长线传输。传输线路对于有用信号的不利作用：传输线路对于有用信号的不利作用：信号滞后作用；信号滞后作用；波形畸变衰减作用
16、；波形畸变衰减作用；外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线的外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线的干扰作用；干扰作用；由于分布电容和分布电感的影响，可能会产生由于分布电容和分布电感的影响，可能会产生 “长线效应长线效应”。2022/12/720现在学习的是第20页，共28页长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场干扰较长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场干扰较强时可采用屏蔽双绞线。强时可采用屏蔽双绞线。采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。传输中的波反射或者把它抑
17、制到最低限度。图图111114 14 测量传输线波阻抗测量传输线波阻抗 传输线波阻抗的测量传输线波阻抗的测量 时，门时，门A输出的波形输出的波形不畸变，反射波完全消失，不畸变，反射波完全消失，这时的这时的R值就是该传输线值就是该传输线的波阻抗。的波阻抗。无损耗导线的波阻抗无损耗导线的波阻抗 、分别为单位长度的电感和电容。分别为单位长度的电感和电容。2022/12/721现在学习的是第21页，共28页图图111115 15 终端匹配终端匹配(b)(b)改进后的终端匹配改进后的终端匹配(a)(a)简单的终端匹配简单的终端匹配（a)a)当当 时，消除时，消除了波反射。降低了高电了波反射。降低了高电平
18、的抗干扰能力平的抗干扰能力 。（b)b)适当调整适当调整 和和 的阻值，可使的阻值，可使 终端匹配终端匹配 2022/12/722现在学习的是第22页，共28页在传输线始端串入电阻，也能消除反射。在传输线始端串入电阻，也能消除反射。始端匹配始端匹配选选图图111116 16 始端匹配始端匹配为门为门A A输出低电平时的输出阻抗。输出低电平时的输出阻抗。这种匹配方法这种匹配方法的优点是波形的优点是波形的高电平不变，的高电平不变，缺点是波形低缺点是波形低电平会抬高。电平会抬高。2022/12/723现在学习的是第23页，共28页 接地技术接地技术 模拟地作为传感器、模拟地作为传感器、变送器、放大器
19、、变送器、放大器、AD和和DA转换器转换器中模拟电路的零电位。中模拟电路的零电位。数字地作为数字地作为计算机中各计算机中各种数字电路种数字电路的零电位，的零电位，应该与模拟应该与模拟地分开。地分开。安全地使设备机安全地使设备机壳与大地等电位，壳与大地等电位，以避免机壳带电以避免机壳带电而影响人身及设而影响人身及设备安全。备安全。系统地是上述几种地的最系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相终回流点，直接与大地相连连。2022/12/724现在学习的是第24页，共28页图图111118 SGP18 SGP接地系统示意图接地系统示意图 计算机控制系统计算机控制系统中采用公共接地中采用公共接地点
20、点(SGP)(SGP)系统。选系统。选中一点作为系统中一点作为系统接地点，系统中接地点，系统中各个参考接地点各个参考接地点均与均与SGPSGP点连接，点连接，防止接地回路的防止接地回路的形成。通常把铜形成。通常把铜网埋入地面深处，网埋入地面深处，然后用铜排接到然后用铜排接到SGPSGP点上。点上。2022/12/725现在学习的是第25页，共28页3 3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 数字滤波数字滤波 设立软件陷阱设立软件陷阱 数字滤波技术是在干扰通过输入通道进入计算机后的一数字滤波技术是在干扰通过输入通道进入计算机后的一种软件抗干扰的补救办法。种软件抗干扰的补救办法。为防止为防止“程序失控程
21、序失控”现象，在软件中设立陷阱。在现象，在软件中设立陷阱。在ROMROM或或RAMRAM中，每隔一些指令，把连续的几个单元中，每隔一些指令，把连续的几个单元置成置成“空操作空操作”。当出现程序失控时，只要失控的微。当出现程序失控时，只要失控的微机进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都会被捕获。机进入这众多的软件陷阱中的任何一个，都会被捕获。执行空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的执行空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序。程序。2022/12/726现在学习的是第26页，共28页 时间监视器时间监视器 图图111119 19 看门狗及软件复位电路看门狗及软件复位电路 如图看门狗电路
22、。有如图看门狗电路。有看门狗、软件复位、看门狗、软件复位、上电复位和开关复位上电复位和开关复位等功，等功，、决定上电决定上电复位时间常数，复位时间常数，、决定看门狗电路的检决定看门狗电路的检测时间，测时间，、决定决定复位脉冲的宽度，复位脉冲的宽度，P1.1P1.1为软件复位输入为软件复位输入端，端，P1.4P1.4为看门狗电为看门狗电路监测输入端。路监测输入端。2022/12/727现在学习的是第27页，共28页 故障自诊断技术故障自诊断技术 计算机控制系统从元件到部件、到整机，从主机到计算机控制系统从元件到部件、到整机，从主机到外设，在运行的过程中均可能发生故障。为了迅速准外设，在运行的过程
23、中均可能发生故障。为了迅速准确的确定系统内部是否发生故障，以及故障发生的部确的确定系统内部是否发生故障，以及故障发生的部位，一个高性能的计算机控制系统必须具有故障自诊位，一个高性能的计算机控制系统必须具有故障自诊断功能。断功能。自诊断功能主要具备：检查自诊断功能主要具备：检查CPUCPU、RAMRAM、输入、输入输出通道、控制软件及寄存器等数据的有效性输出通道、控制软件及寄存器等数据的有效性 ；设定软件模块出入口标志设定软件模块出入口标志 和和 程序存储区的写保护；程序存储区的写保护；对于对于DCSDCS系统，给每个直接控制器设置一个监视定时系统，给每个直接控制器设置一个监视定时器等功能。器等功能。2022/12/728现在学习的是第28页，共28页