开关量输入输出通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计说明.docx
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开关量输入输出通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计说明
科技学院
课程设计报告
（2010--2011年度第2学期）
名称：
计算机控制系统A
题目：
开关量I/O通道中抗干扰措施
的分析与可实现方案设计
院系：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
成绩：
日期：
2011年月日
《计算机控制系统A》课程设计
任务书
一、目的与要求
1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；
2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；
3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；
4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；
5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要内容
1、数字控制算法分析设计；
2、现代控制理论算法分析设计
3、模糊控制理论算法分析设计
4、过程数字控制系统方案分析设计；
5、微机硬件应用接口电路设计；
6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；
7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；
8、PLC应用控制方案分析与设计；
9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；
10、现场总线控制技术应用方案设计；
11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；
12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计
13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计
14、计算机控制系统差错控制技术分析设计
15、计算机控制系统容错技术分析设计
16、工程过程建模方法分析
三、进度计划
序号
设计内容
完成时间
备注
1
选择课程设计题目，查阅相关文献资料
2
文献资料的学习根据所选题目进行方案设计
3
与指导老师讨论设计内容修改设计方案
4
撰写课程设计报告
5
课程设计答辩
四、设计成果要求
1．针对所选题目的国内外应用发展概述；
2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；
3．课程设计总结或结论以及参考文献；
4．要求设计报告规范完整。
五、考核方式
《计算机控制系统》课程设计成绩评定依据如下：
1．撰写的课程设计报告；
2．独立工作能力及设计过程的表现；
3．答辩时回答问题情况。
成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。
指导教师：
学生姓名：
一、目的与要求
1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；
2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；
3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；
4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；
5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、设计正文
1干扰源的分析
计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。
外部干扰的主要来源有：
电源电网的波动、大型用电设备（如天车、电炉、大电机、电焊机等）的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。
内部干扰主要有：
系统的软件不稳定、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等干扰是无时无处不存在的，并且可能导致系统不能正常运行，严重者造成不良后果。
大部分干扰都是从过程通道引入的，所以很有必要在设计过程通道时就考虑抗干扰和系统可靠性问题。
MCS-51系列及其它高挡单片芯的I/O口线都具有一定的驱动能力,一些开关量控制信号可以直接跨接到计算机芯片引脚或总线上（如键盘开关、限位开关或转速脉冲信号等）,作为条件和状态检测环节，典型接法如图1所示，K键闭合、U1高电平表示检测信号有效。
尽管开关量较模拟量信号要“干净”得多，但干扰依然存在，并以随机脉冲序列形式窜入电路，主要原因如下：
1.1电源系统的干扰
我国电源噪声干扰主要表现在过压、欠压、停电、浪涌以尖峰电压等方面，容易形成开关量电平信号的浮动，使逻辑可靠性变差；而尖峰电压窜入电路，耦合到输入开关量上，会引起计算机检测失误。
1.2信号传输线过长
任何电源及信号源电路都存在电阻和分布电容，是产生采样信号干扰噪声的主要因素，传输线越长，噪声越大；系统主振频率越高，传输噪声也越大。
按照经验公式计算，计算机主频为1MHz、传输远于0.5m,或主频为4MHz、传输远于0.3m时，都应做为长线传输入理。
1.3控制电路中存在继电器元件
继电器主要领先对电流吸收、释放为基本工作条件，工作电流比微机芯片工作电流要大得多。
因此，当继电器动作时，必然在电路中产生一些干扰脉冲。
这些干扰主要有二个特点：
一是脉冲为一串振幅不等的序列脉冲，二是脉冲序列宽度有限（一般小于10ms）。
如果在U1端脉冲耦合电压超过1V，就会作为错误的检测信号输入给计算机。
如印染厂中平网印花机的印花单元就是一种以开关量作为状态输入信号，以继电器做为控制输出信号的单片机控制系统，若不采取抑制干扰的措施，则很容易出现误动作。
另外，控制系统附近大型电气设备的启动使用，也会产生类似的干扰现象。
2．干扰传播的途径
2.1静电耦合
导线之间的静电耦合
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。
上图给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，Cl2是两个导线之间的分布电容，C1g、C2g是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。
如果导线1上有信号U1存在，那么它就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Un。
显然，干扰电压Un与干扰源U1、分布电容Cl2、C2g的大小有关。
2.2磁场耦合
空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。
在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。
如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰，还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰，如下图所示。
如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫伏。
如果导线2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。
导线之间的磁场耦合
2.3公共阻抗耦合
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电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。
下图给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。
公共电源线的阻抗耦合
在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2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R1、R2是两个回路的公共阻抗。
当回路电流i1变化时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。
反之，也如此。
3.抗干扰的措施和方案
干扰沿I/O通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线，并且首当其冲的是A/D和各种输入装置。
因此，除了要求I/O装置具有很强的抗干扰能力外，还要设法削弱和斩断来自公共地线的干扰，同时要保证信号回路畅通。
3.1I/O通道的信号传输线路设计和接线施工中应该采取以下措施：
3.1.1高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件，不得已时可以将高电平线和低电平线分立两边，中间留出备用线或地线。
3.1.2模拟信号与数字信号最好不要走同一根电缆。
3.1.3信号线与电源线要分开，并尽量避免平行敷设。
有条件的地方应尽量使两者正交。
这种正交的接线可使线路间的杂散电容降至0，也可将电场耦合及磁场耦合形成的干扰电压降至最小。
3.1.4采用双绞线（或带屏蔽的双线）或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。
尤其是长距离信号传输时，必须选用屏蔽线或屏蔽电缆，其屏蔽层都要接地，以抑制静电感应干扰。
有条件的话，还可以采用不受电磁干扰的光导纤维。
3.1.5不同类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽里，并尽量使其有最大可能的空间；信号线应尽量靠近地线或者用地线包围它。
3.1.6采用信号隔离措施，如用光电耦合装置或变压器耦合装置进行隔离。
光电耦合装置用于数字信号或模拟信号的隔离，它的传输信号是单方向的，具有寄生反馈小、传传输信号频带宽、体积小、耐冲击、绝缘电压高、抗干扰能力强等优点，可有效地切断计算机与信号通道的电气联系，从而切断干扰引入传输线的通道。
变压器耦合装置又称隔离放大器，通常由滤波、放大、增益调节、调制、隔离变压器、解调、输出级等部分组成，具有精度高、输入失调电压漂移低、宽频带、功耗低、隔离电源输出，增益范围可调等优点。
（注意：
在使用光电隔离技术时，应特别注意各隔离部分要独立供电，既要有独立的地线和电源线，否则起不到隔离作用。
）
3.1.6.1变压器隔离
隔离变压器是最常用的隔离元件之一，用来阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。
是利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。
原理图如下：
3.1.6.2光电隔离
光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离，如下图所示。
根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器可以实现模拟信号的隔离，也可以实现数字量的隔离。
注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。
光耦合器具有强抗干扰能力的原因：
光耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻很大，所以能分压到光耦合器输入端的噪声很小。
发光二极管在电流状态下工作，而干扰虽有较高的电压，但能量小，不能提供足够的电流而被抑制掉。
密封条件下工作，不受外界光的干扰。
分布电容小而绝缘电阻大，回路一边的干扰很难通过光耦合器馈送到另一边去。
原理图如下：
当用于模拟信号的隔离时，对光电耦合器的线性特性要求较高，而且一般要配以相应的校正电路来保证信号的线性传送。
现已有专门用于传递模拟信号的线性光电耦合器，例如B-B公司的ISO100。
由于光电耦合器具有可靠的开关特性，所以用它来实现数字信号的隔离是目前光电隔离的主要形式。
对模拟信号的隔离也可以通过V/F变换器将其变成不同频率的数字信号，然后由光电耦合器传送。
3.1.7采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。
如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。
反之，则采用高通滤波器。
如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。
一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用
采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。
如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。
反之，则采用高通滤波器。
如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。
一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用二级阻容低通滤波网络作为A/D的输入滤波器。
如下图所示。
3.1.8当干扰主要来自电磁感应时，应对被测信号尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路信噪比的目的。
3.1.9能早地完成A/D转换，例如将A/D转换放在智能变送器上完成，变送器与计算机剑客采用数字通信，以利用数字信号抗干扰性能强的特点。
3.1.10浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如下图所示。
所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。
3.2I/O通道软件抗干扰措施
3.2.1开关量（数字量）输入抗干扰措施
对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上可采取多次读取的方法（至少读两次），认为无误后再行输入，如下图所示。
3.2.2开关量（数字量）输出抗干扰措施
当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。
对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开启闸门。
这样，就可以较好地消除由于扰动而引起的误动作（开或关）。
三、课程设计总结
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我们这个方案设计了开关量通道的几个抗干扰措施。
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
四、参考文献
[1]汤楠，穆向阳.计算机控制技术.西安：
西安电子科技大学出版社，2009.8
[2]李大中，周黎辉，焦嵩鸣.计算机控制技术与系统.北京：
中国电力出版社，2009.
[3]潘新民.微型计算机控制技术.北京：
电子工业出版社，2003.
[4]李正军.计算机控制系统.北京：
机械工业出版社，2005.
[5]何立民.MCS51系列单片机应用系用设计系统配置与接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，1991.
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