開關量輸入輸出通道中抗干擾措施的分析與可實現方案設計說明

1、課程設計報告名稱：電腦控制系統(tǒng)A題目：交換機I/O通道的抗干擾措施分析和設計可實現的解決方案計算機控制系統(tǒng)A課程設計任務書一、目的和要求1、通過本課程的設計和教學，加深學生對課程內容的理解和掌握；2.結合工程問題，培養(yǎng)和提高學生查閱文獻、相關資料和整理資料的能力；3. 結合工程問題培養(yǎng)和鍛煉學生獨立分析、思考和解決問題的能力；4.要求學生能夠根據工程問題和實際應用方案的要求，運用所學課程的基本理論和設計方法，對方案進行總體設計和分析評價；5、報告原則上要求按照相應的工程技術規(guī)定進行設計、繪圖、分析和撰寫。二、主要內容1、數字控制算法分析與設計；2. 現代控制理論算法分析與設計3. 模糊控制理論

2、算法分析與設計4、過程數字控制系統(tǒng)分析與設計；5、微機硬件應用接口電路設計；6、微機應用裝置的硬件電路及軟件方案設計；7、數字控制系統(tǒng)I/O通道方案設計與實現；8、PLC應用控制方案分析與設計；9、數據通信接口電路軟硬件方案設計及性能分析；10、現場總線控制技術應用方案設計；11、數控系統(tǒng)中模擬工藝參數的檢測及數字化處理方法；12、基于嵌入式處理器技術的應用方案設計13、計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術及安全可靠性措施分析與設計14、計算機控制系統(tǒng)誤差控制技術分析與設計15.計算機控制系統(tǒng)容錯技術分析與設計16.工程過程建模方法分析3. 進度計劃序列號設計內容完成時間評論1選擇課程設計主題并查閱相關文

3、獻2根據所選主題設計文獻資料的研究3討論設計并修改設計方案4撰寫課程設計報告5課程設計防御4、對設計結果的要求1. 選題國外申請發(fā)展概況；2、課程設計的主要內容，包括設計方案、硬件電路和軟件流程，以及復習、分析等；3. 課程設計總結或結論與參考資料；4、設計報告規(guī)范要求完整。五、考試方式計算機控制系統(tǒng)課程設計的評價標準如下：1.撰寫課程設計報告；2、設計過程中的獨立工作能力和表現；3.答辯時回答問題。成績分為優(yōu)、良、中、及格、不及格五個等級。一、目的和要求1、通過本課程的設計和教學，加深學生對課程內容的理解和掌握；2.結合工程問題，培養(yǎng)和提高學生查閱文獻、相關資料和整理資料的能力；3. 結合工

4、程問題培養(yǎng)和鍛煉學生獨立分析、思考和解決問題的能力；4.要求學生能夠根據工程問題和實際應用方案的要求，運用所學課程的基本理論和設計方法，對方案進行總體設計和分析評價；5、報告原則上要求按照相應的工程技術規(guī)定進行設計、繪圖、分析和撰寫。2.設計文字1 干擾源分析計算機控制系統(tǒng)接收到的干擾源分為外部干擾和外部干擾。外部干擾的主要來源有：電網波動、大型電氣設備（如起重機、電爐、大型電機、電焊機等）的啟停、高壓設備和電磁開關的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。外部干擾主要包括：系統(tǒng)軟件不穩(wěn)定、分布電容或分布電感引起的干擾、多點接地引起的電位差對系統(tǒng)的影響。操作，不良后果嚴重。大部分干擾是從工藝通道引入的

5、，因此在設計工藝通道時需要考慮抗干擾和系統(tǒng)可靠性問題。MCS-51系列等高端單片芯片的I/O口具有一定的驅動能力，部分開關控制信號可以直接連接到計算機芯片的引腳或總線上（如鍵盤開關、限位開關等）或轉速脈沖信號等），作為條件和狀態(tài)檢測環(huán)節(jié)，典型接法如圖1所示，K鍵閉合， U 1高電平表示檢測信號有效。雖然數字信號比模擬信號“干凈”得多，但干擾仍然存在，并以隨機脈沖序列的形式進入電路。主要原因如下：1.1 電力系統(tǒng)的干擾我國電源噪聲干擾主要表現在過壓、欠壓、斷電、浪涌和峰值電壓等，容易形成開關電平信號的浮動，使邏輯可靠性變差；峰值電壓進入電路并耦合到輸入端。在交換機上，會導致計算機檢測錯誤。1.2

6、 信號傳輸線過長電阻和分布電容存在于任何電源和信號源電路中，是產生采樣信號干擾噪聲的主要因素。傳輸線越長，噪聲越大；系統(tǒng)的主振動頻率越高，傳動噪聲越大。根據經驗公式計算，當計算機主頻為1MHz且傳輸遠超0.5 m，或主頻為4MHz且傳輸遠超0.3 m時，應視為長期傳輸。1.3 控制電路中繼電器元件的存在繼電器主要以電流吸收和釋放為基本工作狀態(tài)，工作電流遠大于微機芯片的工作電流。因此，繼電器動作時，電路中必然會產生一些干擾脈沖。這些擾動主要有兩個特點：一是脈沖是一系列幅值不同的脈沖，二是脈沖序列的寬度有限（一般小于10 ms ） 。如果U 1 端的脈沖耦合電壓超過1V，將作為錯誤檢測信號輸入計算

7、機。例如印染廠平網印花機的印花單元是一個以開關量為狀態(tài)輸入信號，繼電器為控制輸出信號的單片機控制系統(tǒng)。此外，控制系統(tǒng)附近大型電氣設備的啟動和使用也會產生類似的干擾現象。2. 干擾傳播方式2.1 靜電耦合電線之間的靜電耦合靜電耦合是電場通過電容耦合逃逸到其他線路中。分布電容將在兩條并排的導線之間形成。例如，在印刷電路板上的印刷電路之間和變壓器繞組之間會形成分布電容。上圖顯示了兩條平行線之間的靜電耦合示意圖。 Cl 2 是兩根導線之間的分布電容，C1g和C2g是導線對地的電容，R是導線2對地的電阻。如果導線1上有信號U1，就會成為導線2的干擾源，導線2上就會產生干擾電壓Un。顯然，干擾電壓Un與干

8、擾源的大小有關U1、分布電容Cl2和C2g。2.2 磁場耦合空間中的磁場耦合是通過導體之間的互感耦合的。在任何載流導體周圍的空間中都會產生磁場，并且交變磁場會在其周圍的閉合電路中感應出感應電勢。例如設備或變壓器的線圈漏磁會造成干擾，而當兩根普通電線并聯(lián)架設時，也會產生磁場干擾，如下圖所示。如果線1是承載10kVA和220V的交流輸電線路，線2是與其間隔1米平行的信號線，10米兩線之間的互感M會使信號線上感應的干擾電壓Un達到高達幾十毫秒伏。如果線導線間的磁場耦合2.3 共阻抗耦合公共阻抗耦合發(fā)生在兩個電路的電流流過一個公共阻抗時，一個電路的阻抗兩端的電壓降影響另一個電路，從而產生干擾噪聲的影響

9、。下圖為普通電源線的阻抗耦合示意圖。公共電源線的阻抗耦合在印刷電路板上，運算放大器A1和A2是兩個獨立的回路，但都連接到一個公共電源上，電源回線的等效電阻R1和R2是兩個回路的公共阻抗。當回路電流i 1 發(fā)生變化時，R1 和R2 兩端電壓降的變化會影響另一個回路電流i 2。反之亦然。三、抗干擾措施及方案干擾沿I/O通道進入計算機系統(tǒng)的主要原因是進程通道與上位機有共地，A/D和各種輸入設備首當其沖。因此，除了要求I/O設備有較強的抗干擾能力外，還要盡量削弱和切斷來自公共地線的干擾，同時保證信號回路暢通。暢通。3.1 I/O通道的信號傳輸線設計和布線施工應采取以下措施：3.1.1高電平線和低電平線

10、不要使用相同的電纜或相同的插件。如有必要，將兩側的高電平線和低電平線分開，中間留一條備用線或地線。3.1.2模擬信號和數字信號最好不要使用同一根電纜。3.1.3信號線和電源線要分開，盡量避免平行敷設。在可能的情況下，盡量使兩者正交。這種正交布線可以將線間的雜散電容降低到零，也可以將電場耦合和磁場耦合形成的干擾電壓降到最低。3.1.4使用雙絞線（或屏蔽線對）或同軸電纜可以大大降低電磁干擾。特別是長距離信號傳輸，必須選擇屏蔽線或屏蔽電纜，屏蔽層必須接地，以抑制靜電感應干擾。有條件的，也可以使用不受電磁干擾的光纖。3.1.5不同類型的電線應安裝在不同的電纜槽或電纜槽中，并盡量使它們有盡可能大的空間；

11、信號線應盡可能靠近地線或被地線包圍。3.1.6采取信號隔離措施，如用光耦或變壓器耦合器隔離。光電耦合裝置用于數字信號或模擬信號的隔離。其傳輸信號是單向的，具有寄生反饋小、傳輸信號傳輸頻率寬、體積小、耐沖擊、絕緣電壓高、抗干擾能力強等優(yōu)點。它可以有效地切斷計算機與信號通道之間的電氣連接，從而切斷將干擾引入傳輸線的通道。變壓器耦合裝置又稱隔離放大器，通常由濾波、放大、增益調節(jié)、調制、隔離變壓器、解調、輸出級等部分組成，具有精度高、輸入失調電壓漂移小、頻帶寬、功耗低等特點。 ，隔離電源輸出，增益范圍可調等。 （注意：使用光電隔離技術時，要特別注意各個隔離部分的獨立供電，以及獨立的地線和電源線，否則起

12、不到隔離效果。）3.1.6.1 隔離變壓器是最常用的隔離元件之一，用于阻斷干擾信號的傳導路徑，抑制干擾信號的強度。變壓器用于將模擬信號電路與數字信號電路隔離，即模擬地與數字地斷開，使共模干擾電壓不形成環(huán)路，從而抑制共模干擾。示意圖如下：3.1.6.2 光隔離光電隔離是利用光電耦合器完成信號傳輸，實現電路隔離，如下圖所示。根據所使用的器件和電路的不同，模擬信號的隔離和數字量的隔離也可以通過光耦合器來實現。注意光電隔離前后兩部分電路應分別使用兩個獨立電源。光耦抗干擾能力強的原因：光耦的輸入阻抗很小，干擾源電阻很大，所以光耦輸入端能分到的噪聲很小。發(fā)光二極管工作在電流狀態(tài)，干擾雖然電壓高，但能量小，

13、不能提供足夠的電流而被抑制。它在密封條件下工作，不受外界光線的干擾。分布電容小，絕緣電阻大，環(huán)路一側的干擾很難通過光耦饋送到另一側。示意圖如下：用于模擬信號的隔離時，對光耦的線性特性要求較高，一般需要相應的校正電路來保證信號的線性傳輸。有專門用于傳輸模擬信號的線性光耦，如BB公司的ISO100。由于光耦具有可靠的開關特性，實現數字信號的隔離是目前光電隔離的主要形式。模擬信號的隔離也可以通過V/F轉換器轉換成不同頻率的數字信號，再由光耦傳輸。3.1.7使用輸入濾波器，可以消除大部分干擾。如果干擾頻率高于有用頻率，則使用低通濾波器抑制高頻串模干擾。否則，使用高通濾波器。如果干擾頻率落在被測信號頻譜

14、附近，則使用帶通濾波器更為合適。一般來說，干擾信號的頻率高于被測信號的頻率，因此使用輸入濾波器，可以消除大部分干擾。如果干擾頻率高于有用頻率，則使用低通濾波器抑制高頻串模干擾。否則，使用高通濾波器。如果干擾頻率落在被測信號頻譜附近，則使用帶通濾波器更為合適。一般情況下，干擾信號的頻率高于被測信號的頻率，因此采用兩級阻容低通濾波網絡作為A/D的輸入濾波器。如下所示。3.1.8當干擾主要來自電磁感應時，應盡早對被測信號進行前置放大，以達到提高環(huán)路信噪比的目的。3.1.9A/D轉換可以提前完成，例如在智能發(fā)射機上完成A/D轉換，發(fā)射機與電腦劍客采用數字通信，利用數字信號的強抗干擾性能。3.1.10浮

15、盾采用浮動輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如下圖所示。所謂浮地，就是利用屏蔽的方法，使信號的“模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾的目的。3.2 I/O通道軟件抗干擾措施3.2.1開關量（數字量）輸入抗干擾措施對于開關量的輸入，為了保證信息的準確性，軟件可以采取多次（至少兩次）讀取的方法，認為正確后再輸入，如下圖.3.2.2開關量（數字量）輸出抗干擾措施當計算機輸出開關量控制閘門、料斗等執(zhí)行機構動作時，為防止這些執(zhí)行機構因外界干擾而誤動作，如關閉的閘門、料斗可半開；打開的門和料斗可能會在中間突然關閉。對于這些故障，可以在應用程序中定期發(fā)出輸出命令，以連續(xù)關閉或打開閘門。這樣，可以更好地消除干擾引起的故障（開或關）。三、課程設計總結通過本次課程設計，我們增強了動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我們針對本方案中的開關通道設計了幾種抗干擾措施。在設計過程中，經常會出現這樣的情況，就是我認為這種連接方式可以工作，但始終無法真正連接電路，所以在這方面花費了很多時間。我覺得做課程設計也是為了鞏固和加強課本知識。因為課本知識太多，在課間學習中不能很好的理解和使用各個組件的功能，而且測試能力有限，所以在課程設計過程中，我們了解了很多組件的功能組件。平時看課本的時候，有時看不懂問題。完成課程設計后，這些問題就迎刃而解了。還有很多要記住的。