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1、第8章 微型计算机控制系统设计本讲稿第一页，共七十页9.1 9.1 微型计算机控制系统设计的原则、步微型计算机控制系统设计的原则、步骤和方法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本讲稿第二页，共七十页设计方法：设计方法：一控制系统总体方案的确定 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
2、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。本讲稿第三页，共七十页二、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本讲稿第四页，共七十页三、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改与补充。n（3）确定为设计、调试方便，可将控制算）确定
3、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。本讲稿第五页，共七十页四、系统的硬件设计四、系统的硬件设计本讲稿第六页，共七十页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、每个通道由几在总体设计中，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。部分组成，各部分选用什么器件等。4、操作员控制台设计操作员控制台设
4、计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。等。本讲稿第七页，共七十页 任务：任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，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。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 本讲稿第八页，共七十页原则：n尽尽可可能能选选择择标标准准化化、模模块块化化
5、的的典典型型电电路路，提高设计的成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。本讲稿第九页，共七十页n系统应适当留有余地，以备将系统应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。来修改、扩展之需。n
6、尽可能采用最新技术。尽可能采用最新技术。n充分考虑应用系统各部分的驱动充分考虑应用系统各部分的驱动能力。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。本讲稿第十页，共七十页六、系统软件设计 包括管理、监控程序以及应用程序的设计。本讲稿第十一页，共七十页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 本讲稿第十二页，共七十页 软件规划软件规划 模式选择模式选择
7、 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 本讲稿第十三页，共七十页 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 本讲稿第十四页，共七十页 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
8、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 本讲稿第十五页，共七十页二、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
9、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计本讲稿第十六页，共七十页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 循环结构循环结构本讲稿第十七页，共七十页六、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
10、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，即可投入正式运行。即可投入正式运行。本讲稿第十八页，共七十页 8.2 抗干扰技术抗干扰技术 计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的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恶劣环境各个角落，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，这些干扰会影响中，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，降低系统的可靠性，甚至导致系系统的测控精度，降低系统的可靠性，
11、甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。统的运行混乱，造成生产事故。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、传播途经及抗干扰的措施。本讲稿第十九页，共七十页一、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。外部干扰环
12、境外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图如图8-1所示，有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及所示，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；天体干扰，如太阳或其他星球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；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射辐射的电磁波；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生台发出的电磁波，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、干扰；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扰；来自
13、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。电源的工频干扰也可视为外部干扰。本讲稿第二十页，共七十页本讲稿第二十一页，共七十页n内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内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、分布电感引起的，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；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；装置及设备中各种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
14、噪声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。等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。图图8-28-2内部干扰环境内部干扰环境本讲稿第二十二页，共七十页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，公共阻静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。抗耦合。本讲稿第二十三页，共七十页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
15、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意电给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，路，Cl 2Cl 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对地电阻。如果导对地电阻。如果导线线1 1上有信号上有信号U1U1存在，那么它就会成为导线存在，那么它就会成为导线2 2的干的干扰源，在导线扰源，在导线2 2上产生干扰电压上产生干扰电压Un Un。显然，干扰。显然，干扰电压电压UnUn与干扰源与干扰源U1U1、分布电容、分布电容Cl2Cl2、C2g
16、C2g的大小有的大小有关。关。本讲稿第二十四页，共七十页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平行行架架设设时，也会产生磁场干扰，时，也会产生磁场干扰，如图如图8-48-4所示所示。如果导线如果导线1 1为承载着为承载着10kVA10kVA、220V220V
17、的交流输电线，导线的交流输电线，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，两线之间的互米的信号线，两线之间的互感感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。如高达几十毫伏。如果导线果导线2 2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰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传感器的有用信号。噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。本讲稿第二十五页，共七十页本讲稿第二十六页，共七十页3公共阻抗耦合公共阻抗耦合n公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一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
18、个电路在该阻抗上的电个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。噪声的影响。图图8-58-5给出一个公共电源线的给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。阻抗耦合示意图。本讲稿第二十七页，共七十页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，但都接入是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。是两个回路的公共阻抗。当回路电流当回路电流i1变化时，在变化时，在R1和和R2上产生的电压降变化就会影响到另一
19、上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流个回路电流i2。反之，也如此。反之，也如此。本讲稿第二十八页，共七十页抑制干扰的基本原则n消除干扰源n远离干扰源n防止干扰窜入本讲稿第二十九页，共七十页四、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。本讲稿第三十页，共七十页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，由的正弦波。但事实上，由于负载的变
20、动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备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源电压的波的启停，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峰脉冲，动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲，如图如图8-18所示所示。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，。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，容易造成计算机的持续时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的“死机死机”，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。在硬，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解决。件上可以用以下方法加以解决。本讲稿第三十一
21、页，共七十页本讲稿第三十二页，共七十页(1)选用供电比较稳定的进线电源选用供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线，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、晶闸管设备多或者有高频设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。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如图图8-19示示。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品出售。干扰抑制器是一
22、种无源四端网络，目前已有产品出售。本讲稿第三十三页，共七十页（3）采用交流稳压器稳定电网电压）采用交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。图中交流稳压器是为。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，交流稳压器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能把输出波形畸变控制在5以内，还可以对负载短路起限流保护作用。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信号，保证低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50HZ基波通基波
23、通过。过。本讲稿第三十四页，共七十页（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计算机系统陷入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。对于要求更高的混乱状态，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，如如图图8-21所示所示。正常情况下由交流电网通过交流稳压器、切换。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机系统；同时交流电网也给电池开关、直流稳压器供电至计算机系统；
24、同时交流电网也给电池组充电。所有的组充电。所有的UPS设备都装有一个或一组电池和传感器，并设备都装有一个或一组电池和传感器，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到断电后就会将供电通路在极短的时间内（感器检测到断电后就会将供电通路在极短的时间内（3ms）切）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电而换到电池组，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压频率和中断。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能，提
25、高了供电质幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功能，提高了供电质量。量。本讲稿第三十五页，共七十页本讲稿第三十六页，共七十页（5）掉电保护电路）掉电保护电路对于没有使用对于没有使用UPS的计算机控制系统，为了防止掉电的计算机控制系统，为了防止掉电后后RAM中的信息丢失，可以采用镍电池对中的信息丢失，可以采用镍电池对RAM数据数据进行掉电保护。进行掉电保护。图图8-22是一种某计算机系统是一种某计算机系统64KB存存储板所使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，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
26、，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导通，由备用电池向导通，由备用电池向RAM供电。当系统恢复供电供电。当系统恢复供电时，时，VD1重新导通，重新导通，VD2截止，又恢复主电源供电。截止，又恢复主电源供电。本讲稿第三十七页，共七十页本讲稿第三十八页，共七十页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，无论是模拟电路还是数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。为了进一步抑制来自于电字电路，都需要低压直流供
27、电。为了进一步抑制来自于电源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰措施。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蔽变压器。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，通和电磁屏蔽，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，一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，次绕组屏蔽层与铁心同时接地，如
28、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的结构，在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构，如图如图8-23（b）所示）所示。本讲稿第三十九页，共七十页本讲稿第四十页，共七十页（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，由于脉冲频率直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达高达20kHZ，所以甩掉了传统的工频变压器，具有体，所以甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（积小、重量轻、效率高（70）、电网电压范围大）、电网电压范围大（2010）220V、电网电压变化时不会输、电网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电
29、压保持时间长等优点。开出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离，对于交流电网关电源初、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强的隔离能力。上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。n现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电源，如源，如5V，12V，24V等。等。本讲稿第四十一页，共七十页（3）采用DC-DC变换器n如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精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，就可以采用度要求较高，就可以采用DC-DC变换器，它们可以变换器，它们可以将
30、一种电压的直流电源，变换成另一种电压的直流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，或升压电源。它们有升压型或降压型，或升压/降压型。降压型。DC-DC变换器具有体积小、性能价格比高、输入电变换器具有体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、环境温压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、环境温度范围广等一系列优点。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电，从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。而制造便携式或手持式计算机测控装置。本讲稿第四十二页，共七十页（4）每块电路板
31、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，也有利于电源散热本讲稿第四十三页，共七十页（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，因此无论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，电源装置提供的电压多么稳定，
32、VCC和和GND端也会端也会产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，在印制产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，在印制线路板上的每一块线路板上的每一块IC上都接入高频特性好的旁路电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一个极小的容，将开关电流经过的线路局限在板内一个极小的范围内。旁路电容可用范围内。旁路电容可用0.010.1F的陶瓷电容器，的陶瓷电容器，旁路电容器的引线要短而且紧靠需要旁路的集成器旁路电容器的引线要短而且紧靠需要旁路的集成器件的件的VCC或或GND端，否则会毫无意义。端，否则会毫无意义。本讲稿第四十四页，共七十页nI/O通道的抗干扰技术1双绞线做信号引线双绞
33、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，为了增强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编织物或护套形成抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织物或护套形成屏蔽双绞线，屏蔽双绞线，图图8-7给出了带有屏蔽护套的多股双绞给出了带有屏蔽护套的多股双绞线实物图。线实物图。本讲稿第四十五页，共七十页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常用的方法。根据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，可以选用具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
34、中，如果干扰频率比有低通、高通、带通等滤波器。其中，如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；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，则选用高通滤波器；如果干扰频率落被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。一般采在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。一般采用电阻用电阻R、电容、电容C、电感、电感L等无源元件构成滤波器，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有级阻容低通滤波器，
35、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，对于较大的衰减。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滤波器，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，而且能够提高信号的增益，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益，如图如图8-8(b)所示。所示。本讲稿第四十六页，共七十页本讲稿第四十七页，共七十页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
36、“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。本讲稿第四十八页，共七十页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，信号线的选择与敷设在计算机控制系统中，信号线的选择与敷设也是个不容忽视的问题。如果能合理地选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
37、正确地敷择信号线，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，将设信号线，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。会给系统引入干扰，造成不良影响。本讲稿第四十九页，共七十页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
38、保护接地。本节主要讨论工作接地技术。本讲稿第五十页，共七十页 在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模拟地、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。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。有时为区别远距离传感比较小，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关系，把传感器的地又叫器的弱信号地与主机的模拟地
39、关系，把传感器的地又叫信号地。信号地。数字地作为计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟地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。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。本讲稿第五十一页，共七十页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。另间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在
40、。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，目的是使保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人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。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地还是多点接地？这些是实时控制系统
41、设计、安装、调试中的重要问题。设计、安装、调试中的重要问题。本讲稿第五十二页，共七十页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流法单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、安全地的分别回流法点接地。模拟地、数字地、安全地的分别回流法如图如图8-25所示所示。汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层。汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。在稍考究的系统中，分别使用横向汇流条及的窜入途径。在稍考究的系统中，分
42、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，以最大限度减小公共阻抗的影响。在空间将数字地汇流条与模大限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容产生耦合。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）始终与模拟地和数字地隔离开。这些地安全地（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点，而且常常通过铜接地板交汇，之间只是在最后才汇聚一点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于然后用线径不小于30mm2的多股软铜线焊接在接地板上的多股软铜
43、线焊接在接地板上深埋地下。深埋地下。本讲稿第五十三页，共七十页本讲稿第五十四页，共七十页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本讲稿第五十五页，共七十页本讲稿第五十六页，共七十页（2）主机外壳接地，机芯浮空n为了提高计
44、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。本讲稿第五十七页，共七十页本讲稿第五十八页，共七十页（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。本讲稿第五
45、十九页，共七十页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一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。种抗干扰方法。n利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁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。干扰，即在数字信号通道中进行隔离。4.2 4.2 数字量输入通数字量输入通道与道与4.3 4.3 数字量输出通道两节中给出了大量应用于数字量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，输入输出通道中的电路实例，如图如图4-44-4开关量输入信号调开关量输入信号调理电路中，光耦隔
46、离器不仅把开关状态送至主机数据理电路中，光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离；又口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离；又如图如图 4-114-11继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把CPUCPU的控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的完全电隔离。部的完全电隔离。本讲稿第六十页，共七十页n其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信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，即在号通道的隔离方法，即在A/D转换器与转换器与C
47、PU或或CPU与与D/A转换器的数字信号之间插入光耦隔离器，以进行数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，据信号和控制信号的耦合传送，如图如图8-11所示所示。（。（a）是在是在A/D转换器与转换器与CPU接口之间接口之间8根数据线之间都各插接根数据线之间都各插接一个光耦隔离器一个光耦隔离器(图中只画出了一个图中只画出了一个)，不仅照样无误地传，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了送数字信号，而且实现了A/D转换器及其模拟量输入通道转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离；（与计算机的完全电隔离；（b）是在）是在CPU与与D/A转换器接转换器接口之间口之
48、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(图中也只图中也只画出了一个画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了计算机与了计算机与D/A转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。本讲稿第六十一页，共七十页本讲稿第六十二页，共七十页n利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔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。例如在现场离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在现场传感器与传感器与A/D转换器或转换器或D/A转换器与现场执行
49、器之间的模转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，拟信号的线性传送，如图如图8-12 所示所示。本讲稿第六十三页，共七十页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转换器转换器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线之间，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，另一方面另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。在到了很好的抗共模干扰作用。在图图8-12（b）输出通道输出通道的的D/A转换器与执行器
50、之间，光电耦合器一方面把放大器输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，起到了很好的抗共模干扰作用。了很好的抗共模干扰作用。本讲稿第六十四页，共七十页光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔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，成本低；缺点离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响系是调试困难，如果光耦挑选得不合