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1、第第8 8章章 微型计算机控制系统的设计微型计算机控制系统的设计n引言：本章主要介绍微型计算机控制系统设计的原则、方法和步骤，然后介绍微型计算机控制系统的可靠性设计和调试方法。9.19.1 微型计算机控制系统设计的原则、微型计算机控制系统设计的原则、步骤和方法步骤和方法设计原则设计原则：操作性好操作性好实时性强实时性强通用性好通用性好经济效益高经济效益高可靠性高可靠性高 系统总体控制方案确定系统总体控制方案确定 系统硬件和软件的细化设计系统硬件和软件的细化设计 离线仿真和调试离线仿真和调试 在线调试和运行在线调试和运行 控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤设计方法：设计方法：一控制系统
2、总体方案的确定 1可行性研究 2系统总体方案设计 3.设计方案细化，确定软、硬件功能 选择各参数检测元件及变送器、执行机构是影响控制系统精度的重要因素之一。执行机构选择要与控制算法匹配，还要根据被控对象决定。二、计算机及接口的选择二、计算机及接口的选择所选计算机应满足以下要求：所选计算机应满足以下要求：完善的中断系统完善的中断系统 足够的存储容量足够的存储容量 完备的完备的I/O通道和实时时钟通道和实时时钟三、确定控制算法n（1）确定算法能否满足控制速度、精度和）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。系统稳定性的要求。n（2）确定某些情况下要进行修改与补充。）确定某些情况下要进行修
3、改与补充。n（3）确定为设计、调试方便，可将控制算）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。直到获得最好的控制效果。四、系统的硬件设计四、系统的硬件设计3、通道设计通道设计系统系统I/O通道：通道：数字量数字量I/O通道通道 开关量开关量I/O通道通道 模拟量模拟量I/O通道通道 脉冲量脉冲量I/O通道通道 在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。由几部分组成，各部分选用什么器件等。4、操作员控制台设计操
4、作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。示灯等。任务：任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。图，再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：包括：接口电路和接口电路和I/OI/O通道的扩充通道的扩充 组合逻辑或时序逻辑电路组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源供电电源 光电隔离光电隔离 电平转换电平转换 驱动放大电路等驱动放大电路等 原则：n尽尽可可能能选选择择标标准准化化、模模块块化化的的典典型型电电路路，提高设计的成
5、功率和结构的灵活性。提高设计的成功率和结构的灵活性。n在在条条件件允允许许的的情情况况下下，尽尽可可能能选选用用功功能能强强、集成度高的电路或芯片。集成度高的电路或芯片。n尽量选择通用性强、市场货源充足的器件。尽量选择通用性强、市场货源充足的器件。n对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。连接方式可选用通用总线接通用性的问题。连接方式可选用通用总线接口方式，如口方式，如STD总线、总线、PC总线。总线。n系统应适当留有余地，以备系统应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。将来修改、扩展之需。n尽可能采用最新技术。尽可能采用最新技术。n充分考虑应用系
6、统各部分的充分考虑应用系统各部分的驱动能力。驱动能力。n工艺设计。工艺设计。n系统抗干扰设计。系统抗干扰设计。六、系统软件设计 包括管理、监控程序以及应用程序的设计。组织应用软件的内容及步骤：组织应用软件的内容及步骤：确定具体要求确定具体要求 软件规划软件规划 程序编制程序编制 软件调试软件调试 善后工作善后工作 确定具体要求确定具体要求 管理要求管理要求 输入输出要求输入输出要求 语言加工要求语言加工要求 功能处理要求功能处理要求 软件规划软件规划 模式选择模式选择 语言选择语言选择 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 确定数据结构确定数据结构 划分程序块划分程序块 确定程序编制顺序确定程序
7、编制顺序 内存安排内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。用符号来代替某部分程序的首址。粗略估算各部分容量粗略估算各部分容量 根据具体情况对内存作精确安排根据具体情况对内存作精确安排 程序编排和分配程序编排和分配 软件装配和总调软件装配和总调 软件设计的善后工作软件设计的善后工作 微型计算机控制系统的软件微型计算机控制系统的软件 一、软件的分类一、软件的分类软件软件系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统语言加工系统语言加工系统诊断系统诊断系统控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程
8、序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序AD转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处理程序线性化处理程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 二、应用程序的语言选择及设计步骤二、应用程序的语言选择及设计步骤 1、语言选择、语言选择 机器语言机器语言 汇编语言汇编语言 高高级语级语言言 2、应应用程序的用程序的设计设计步步骤骤和方法和方法 应应用程序用程序设计设计的的五个步五个步骤骤：问题问题定定义义 程序程序设计设计 编码编码 调试调试 改改进进和再和再设计设
9、计程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：顺序结构顺序结构 选择结构选择结构 循环结构循环结构六、系统联调 系系统统联联调调是是要要把把已已调调好好的的各各程程序序功功能能块块按按照照总总体体设设计计要要求求连连成成一一个个完完整整的的程程序序。程程序序调调试试完完成成后后，还还要要进进行行在在线线仿仿真真，然然后后进进行行试试运运行行。经经过过一一段段考考机机和和试试运运行行后后，即即可可投投入入正正式式运运行。行。8.2 抗干扰技术抗干扰技术 计算机控制系
10、统的被控变量分布在生产现计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。故。但干扰是客观存在的，所以人们必须研究但干扰是客观存在的，所以人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本节主要讨干扰，以采取相应的抗干扰措施。本节主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。论干扰的来源、传播途经
11、及抗干扰的措施。一、干扰的种类、传播途径及抑制的基本原则一、干扰的种类、传播途径及抑制的基本原则n干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自干扰有的来自外部外部，有的来自，有的来自内部内部。n外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图干扰环境如图8-1所示，有天电干扰，如雷电或大所示，有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰，如
12、广播电台或通讯发射台发出的电磁备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。n内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境内部干扰环境如图如图8-2所示所示，有分布电容、分布电感引，有分布电容、分布电
13、感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。干扰的传播途径干扰的传播途径 干扰传播的途径主要有三种：干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。共阻抗耦合。静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它
14、线路的。两根并排的导线之间会构成分它线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。变压器绕线之间都会构成分布电容。图图8-38-3给出两根平行导线之间静电耦合的示给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，意电路，ClCl 2 2是两个导线之间的分布电容，是两个导线之间的分布电容，C1gC1g、C2gC2g是导线对地的电容，是导线对地的电容，R R是导线是导线2 2对地对地电阻。如果导线电阻。如果导线1 1上有信号上有信号U1U1存在，那么它存在，那么它就会成为导线就会成为导线2 2的干扰源，在导线的干扰源
15、，在导线2 2上产生干上产生干扰电压扰电压Un Un。显然，干扰电压。显然，干扰电压UnUn与干扰源与干扰源U1U1、分布电容分布电容Cl2Cl2、C2gC2g的大小有关。的大小有关。2磁场耦合磁场耦合空空间间的的磁磁场场耦耦合合是是通通过过导导体体间间的的互互感感耦耦合合进进来来的的。在在任任何何载载流流导导体体周周围围空空间间中中都都会会产产生生磁磁场场，而而交交变变磁磁场场则则对对其其周周围围闭闭合合电电路路产产生生感感应应电电势势。如如设设备备内内部部的的线线圈圈或或变变压压器器的的漏漏磁磁会会引引起起干干扰扰，还还有有普普通通的的两两根根导导线线平行架设时，也会产生磁场干扰，平行架设
16、时，也会产生磁场干扰，如图如图8-48-4所示所示。n 如果导线如果导线1 1为承载着为承载着10kVA10kVA、220V220V的交流输电线，的交流输电线，导线导线2 2为与之相距为与之相距1 1米并平行走线米并平行走线1010米的信号线，米的信号线，两线之间的互感两线之间的互感M M会使信号线上感应到的干扰电压会使信号线上感应到的干扰电压UnUn高达几十毫伏。如果导线高达几十毫伏。如果导线2 2是连接热电偶的信号是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。传感器的有用信号。3公共阻抗耦合公共阻抗耦合n公共阻抗耦合
17、发生在两个电路的电流流经公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。扰噪声的影响。图图8-58-5给出一个公共电源线给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。的阻抗耦合示意图。在一块印制电路板上，运算放大器在一块印制电路板上，运算放大器A1和和A2是两个独立的回路，是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、R2是两是两个回路的公共阻抗。当回路电流个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化时，在
18、变化时，在R1和和R2上产生上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。反之，也如此。反之，也如此。抑制干扰的基本原则n消除干扰源n远离干扰源n防止干扰窜入四、硬件抗干扰措施四、硬件抗干扰措施n电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。实践表明，电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。1交流电源系统交流电源系统n理想的交流电应该是理想的交流电应该是50HZ的正弦波。但事实上，的正弦波。但事实上，由于负载的变动如电动机、电焊机、鼓风
19、机等电由于负载的变动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲，峰脉冲，如图如图8-18所示所示。这种尖峰脉冲，幅值可。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，持续时间也可达几毫秒之久，达几十甚至几千伏，持续时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的容易造成计算机的“死机死机”，甚至会损坏硬件，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。在硬件上可以用以下方法加以对系统威胁极大。在硬件上可以用以下方法加以解决。解决。(1)选用供电比较稳定的进线电源选用供
20、电比较稳定的进线电源 计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者线，至少不要将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。有高频设备的电源上。（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰）利用干扰抑制器消除尖峰干扰 干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰的电路干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰的电路如图如图8-19示示。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品出售。出售。（3）采用交流稳压器稳定电网电压）采用交
21、流稳压器稳定电网电压计算机控制的交流供电系统一般计算机控制的交流供电系统一般如图如图8-20所示所示。图中交流稳压器。图中交流稳压器是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交流稳压器能把输出波形畸变控制在流稳压器能把输出波形畸变控制在5以内，还可以对负载短路以内，还可以对负载短路起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证信号，保证50HZ基波通过。基波通过。（4）利用）利用UPS保证不中断供电保证不中断供电电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使
22、计算机系电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使计算机系统陷入混乱状态，是可能产生严重事故的恶性干扰。对统陷入混乱状态，是可能产生严重事故的恶性干扰。对于要求更高的计算机控制系统，可以采用不间断电源即于要求更高的计算机控制系统，可以采用不间断电源即UPS向系统供电，向系统供电，如图如图8-21所示所示。正常情况下由交流电。正常情况下由交流电网通过交流稳压器、切换开关、直流稳压器供电至计算网通过交流稳压器、切换开关、直流稳压器供电至计算机系统；同时交流电网也给电池组充电。所有的机系统；同时交流电网也给电池组充电。所有的UPS设设备都装有一个或一组电池和传感器，并且也包括交流稳备都装有一个或一组电
23、池和传感器，并且也包括交流稳压设备。如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测压设备。如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测到断电后就会将供电通路在极短的时间内（到断电后就会将供电通路在极短的时间内（3ms）切换）切换到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停电而中断。这里，逆变器能把电池直流电压逆变到正常电而中断。这里，逆变器能把电池直流电压逆变到正常电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功能，提高了供电质量。能，提高了供电质量。（5）掉电保护电路）掉电保护电路对于没有使用对于没有使
24、用UPS的计算机控制系统，为了防的计算机控制系统，为了防止掉电后止掉电后RAM中的信息丢失，可以采用镍电中的信息丢失，可以采用镍电池对池对RAM数据进行掉电保护。数据进行掉电保护。图图8-22是一种是一种某计算机系统某计算机系统64KB存储板所使用的掉电保护存储板所使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电源电路。系统电源正常工作时，由外部电源+5V供电，供电，A点电平高于备用电池（点电平高于备用电池（3V）电压，）电压，VD2截止，存储器由主电源（截止，存储器由主电源（5V）供电。系）供电。系统掉电时，统掉电时，A点电位低于备用电池电压，点电位低于备用电池电压，VD1截止，截止，VD2
25、导通，由备用电池向导通，由备用电池向RAM供电。供电。当系统恢复供电时，当系统恢复供电时，VD1重新导通，重新导通，VD2截止，截止，又恢复主电源供电。又恢复主电源供电。2直流电源系统直流电源系统n在自行研制的计算机控制系统中，无论是模拟电路在自行研制的计算机控制系统中，无论是模拟电路还是数字电路，都需要低压直流供电。为了进一还是数字电路，都需要低压直流供电。为了进一步抑制来自于电源方面的干扰，一般在直流电源步抑制来自于电源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰措施。侧也要采用相应的抗干扰措施。n（1）交流电源变压器的屏蔽）交流电源变压器的屏蔽n把高压交流变成低压直流的简单方法是用交
26、流电源把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏变压器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏蔽和电磁屏蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，蔽和电磁屏蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，通常将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，通常将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层与铁心同时接地，一次绕组屏蔽层与铁心同时接地，如图如图8-23（a）所示所示。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构，的结构，如图如图8-23（b）所示）所示。（2）采用直流开关电源）采用直流开关电源n直流开关电源是一种脉宽调制型电源
27、，由于脉冲直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达频率高达20kHZ，所以甩掉了传统的工频变压器，所以甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（具有体积小、重量轻、效率高（70）、电网）、电网电压范围大电压范围大（2010）220V、电网电、电网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。强的隔离能力。n现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个现在已有
28、许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电源，如独立的电源，如5V，12V，24V等。等。（3）采用DC-DC变换器n如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，就可以采用精度要求较高，就可以采用DC-DC变换器，它们变换器，它们可以将一种电压的直流电源，变换成另一种电压可以将一种电压的直流电源，变换成另一种电压的直流电源。它们有升压型或降压型，或升压的直流电源。它们有升压型或降压型，或升压/降降压型。压型。DC-DC变换器具有体积小、性能价格比高、变换器具有体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、输入电压范围大、
29、输出电压稳定（有的还可调）、环境温度范围广等一系列优点。环境温度范围广等一系列优点。n显然，采用显然，采用DC-DC变换器可以方便地实现电池供变换器可以方便地实现电池供电，从而制造便携式或手持式计算机测控装置。电，从而制造便携式或手持式计算机测控装置。（4）每块电路板的直流电源）每块电路板的直流电源n当一台计算机测控系统有几块功能电路板时，为了防止板与板之间的相互干扰，可以对每块板的直流电源采取分散独立供电环境。在每块板上装一块或几块三端稳压集成块（7805、7805、7812，7812等）组成稳压电源，每个功能板单独对电压过载进行保护，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破坏，而且也减
30、少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供电的可靠性，也有利于电源散热（5）集成电路块的VCC加旁路电容n集成电路的开关高速动作时会产生噪声，因此无集成电路的开关高速动作时会产生噪声，因此无论电源装置提供的电压多么稳定，论电源装置提供的电压多么稳定，VCC和和GND端端也会产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，也会产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，在印制线路板上的每一块在印制线路板上的每一块IC上都接入高频特性好上都接入高频特性好的旁路电容，将开关电流经过的线路局限在板内的旁路电容，将开关电流经过的线路局限在板内一个极小的范围内。旁路电容可用一个极小的范围内。旁路电容可用0.010.1F的的陶瓷电
31、容器，旁路电容器的引线要短而且紧靠需陶瓷电容器，旁路电容器的引线要短而且紧靠需要旁路的集成器件的要旁路的集成器件的VCC或或GND端，否则会毫无端，否则会毫无意义。意义。nI/O通道的抗干扰技术1双绞线做信号引线双绞线做信号引线n双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织物或护套形成屏蔽双绞线，编织物或护套形成屏蔽双绞线，图图8-7给出了带有给出了带有屏蔽护套的多股双绞线实物图。屏蔽护套的多股双绞线实物图。2引入滤波电路引入滤波电路n采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种
32、常用的方法。采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。其中，可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。其中，如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。一般采用电阻两侧时，则需用带通滤波器。一般采用电阻R、电、电容容C、电感、电感L等无源元件构成
33、滤波器，等无源元件构成滤波器，图图8-8（a）所示为在模拟量输入通道中引入的一个无源二级所示为在模拟量输入通道中引入的一个无源二级阻容低通滤波器，但它的缺点是对有用信号也会阻容低通滤波器，但它的缺点是对有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来，有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来，对于小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源对于小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提滤波器，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益，高信号的增益，如图如图8-8(b)所示。所示。3、长线传输干扰的抑制、长线传输干扰的抑制由生产现场到计算机的连线往往
34、长达几十米，甚至数百米。即使在中央控制室内，各种连线也有几米到十几米。对于采用高速集成电路的计算机来说，长线的“长”是一个相对的概念，是否“长线”取决于集成电路的运算速度。例如，对于纳秒级的数字电路来说，l 米左右的连线就应当作长钱来看待；而对于10微妙级的电路，几米长的连线才需要当作长线处理。信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能会产生波反射现象。当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波。4、信号线的选择与敷设、信号线的选择与敷设n在计算机控制系统中，信号线的选择与敷在计算机控制系统中，信号线的
35、选择与敷设也是个不容忽视的问题。如果能合理地设也是个不容忽视的问题。如果能合理地选择信号线，并在实际施工中又能正确地选择信号线，并在实际施工中又能正确地敷设信号线，那么可以抑制干扰；反之，敷设信号线，那么可以抑制干扰；反之，将会给系统引入干扰，造成不良影响。将会给系统引入干扰，造成不良影响。n接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 广义的接地包含两方面的意思，即接实地和接虚地。接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接。正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的目的有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工
36、作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。本节主要讨论工作接地技术。在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。模拟地作为传感器、变送器、放大器、模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和和D/A转换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，转换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区它的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地
37、关系，别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫信号地。把传感器的地又叫信号地。数字地作为计算机各种数字电路的零电位，应该与数字地作为计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为基准零电位。连作为基准零电位。交流地是计算机交流供电的动力线地或称零线，交流地是计算机交流供电的动力线地或称零线，它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另间
38、往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全。响人身及设备安全。以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接地还是多点接地？这些是实时控制系统一点接
39、地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试中的重要问题。设计、安装、调试中的重要问题。1、分别回流法单点接地、分别回流法单点接地n在计算机控制系统中，各种地一般应采用分别回在计算机控制系统中，各种地一般应采用分别回流法单点接地。模拟地、数字地、安全地的分别流法单点接地。模拟地、数字地、安全地的分别回流法回流法如图如图8-25所示所示。汇流条由多层铜导体构成，。汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。在稍考条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。在稍考究的系统中，分别使用横向汇流条及纵向汇
40、流条，究的系统中，分别使用横向汇流条及纵向汇流条，机柜内各层机架之间分别设置汇流条，以最大限机柜内各层机架之间分别设置汇流条，以最大限度减小公共阻抗的影响。在空间将数字地汇流条度减小公共阻抗的影响。在空间将数字地汇流条与模拟地汇流条间隔开，以避免通过汇流条间电与模拟地汇流条间隔开，以避免通过汇流条间电容产生耦合。安全地（机壳地）始终与模拟地和容产生耦合。安全地（机壳地）始终与模拟地和数字地隔离开。这些地之间只是在最后才汇聚一数字地隔离开。这些地之间只是在最后才汇聚一点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于小于30mm2的多股软铜线焊接在接地板上深
41、埋地的多股软铜线焊接在接地板上深埋地下。下。2 2、主机系统的接地、主机系统的接地n计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。下面介绍三种主机接地方式。n（l）全机一点接地n计算机控制系统的主机架内采用图8-25所示的分别回流法接地方式。主机地与外部设备地的连接采用一点接地，如图8-28所示。为了避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力，一般接地电阻选为410左右。接地电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越困难（2）主机外壳接地，机芯浮空n为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即
42、机内信号地浮空，如图8-29所示。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。（3）多机系统的接地n在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用类似图8-28那样的多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如，采用变压器隔离技术、光电隔离技术或无线通信技术。n其他抗干扰措施光电隔离n光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法。一种抗干扰方法。n利用光耦隔
43、离器的开关特性，可传送数字信号而隔利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。4.2 4.2 数字量输入通道与数字量输入通道与4.3 4.3 数字量输出通道两节中给出数字量输出通道两节中给出了大量应用于数字量输入输出通道中的电路实例，了大量应用于数字量输入输出通道中的电路实例，如图如图4-44-4开关量输入信号调理电路中，光耦隔离器开关量输入信号调理电路中，光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离；又与计算机的完全电隔离；又如图如图 4-
44、114-11继电器输出继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把驱动电路中，光耦隔离器不仅把CPUCPU的控制数据信的控制数据信号输出到外部的继电器，而且实现了计算机与外部号输出到外部的继电器，而且实现了计算机与外部的完全电隔离。的完全电隔离。n其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信号通道的隔离方法，即在字信号通道的隔离方法，即在A/D转换器与转换器与CPU或或CPU与与D/A转换器的数字信号之间插入光耦隔转换器的数字信号之间插入光耦隔离器，以进行数据信号和控制信号的耦合传送，离器，以进行数据信号和控制信号的耦合传送，如图如图8-11所示所示。（。
45、（a）是在）是在A/D转换器与转换器与CPU接口接口之间之间8根数据线之间都各插接一个光耦隔离器根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图图中只画出了一个中只画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了而且实现了A/D转换器及其模拟量输入通道与计算转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离；（机的完全电隔离；（b）是在）是在CPU与与D/A转换器接转换器接口之间口之间8根数据线之间都各插接一个光耦隔离器根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中也只画出了一个图中也只画出了一个)，不仅照样无误地传送数，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了计算机与字信号，而且实现
46、了计算机与D/A转换器及其模拟转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。量输出通道的完全电隔离。n利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在现场传感器与如在现场传感器与A/D转换器或转换器或D/A转换器与现场执转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，行器之间的模拟信号的线性传送，如图如图8-12 所示所示。n在在图图8-12（a）输入通道的现场传感器与输入通道的现场传感器与A/D转换转换器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信器之间，光电耦合器一方面
47、把放大器输出的模拟信号线性地光耦号线性地光耦(或放大或放大)到到A/D转换器的输入端，转换器的输入端，另另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系，起到了很好的抗共模干扰作用。在联系，起到了很好的抗共模干扰作用。在图图8-12（b）输出通道的输出通道的D/A转换器与执行器之间，光电转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大或放大)输出到现场执行器，另一方面又切断了计输出到现场执行器，另一方面又切断了计算机数字地与现场模拟地之间的联系，起到了很好算机数字地与现场模拟地
48、之间的联系，起到了很好的抗共模干扰作用。的抗共模干扰作用。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响系统的精度。而数字信得不合适，会影响系统的精度。而数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度；缺点是使用较多的光耦器件，统的精度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦的价格越来越低廉，成本较高。但因光耦的价格越来越低廉，因此，目前在实际工程中主要使用光耦隔因
49、此，目前在实际工程中主要使用光耦隔离器的数字信号隔离方法。离器的数字信号隔离方法。软件抗干扰措施指令冗余技术指令冗余技术n当计算机系统受到外界干扰，破坏了当计算机系统受到外界干扰，破坏了CPU正常的工作时正常的工作时序，可能造成程序计数器序，可能造成程序计数器PC的值发生改变，跳转到随机的值发生改变，跳转到随机的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指令上，程序便的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指令上，程序便自动纳入正轨；自动纳入正轨；当程序跑飞到某一双字节指令上，有可当程序跑飞到某一双字节指令上，有可能落到其操作数上，则能落到其操作数上，则CPU会误将操作数当操作码执行；会误将操作数当操作码
50、执行；当程序跑飞到三字节指令上，因它有两个操作数，出错的当程序跑飞到三字节指令上，因它有两个操作数，出错的机率会更大。机率会更大。n为了解决这一问题，可采用在程序中人为地插入一些空操为了解决这一问题，可采用在程序中人为地插入一些空操作指令作指令NOP或将有效的单字节指令重复书写，此即指令冗或将有效的单字节指令重复书写，此即指令冗余技术。由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工余技术。由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的程序在遇到该指令作状态无任何影响，这样就会使失控的程序在遇到该指令后，能够调整其后，能够调整其PC 值至正确的轨道，使后续的指令得值至正