數(shù)字量輸入輸出與抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字量輸入輸出與抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量信號以外，還要處理另一類數(shù)字信號，包括開關(guān)信號、脈沖信號。它們是以二進(jìn)制的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸點(diǎn)的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，馬達(dá)的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉，以及脈沖信號的計(jì)數(shù)和定時等。引言第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8.1光電耦合隔離技術(shù)

主要知識點(diǎn)

8.1.1光電耦合隔離器

8.1.2光電耦合隔離電路

第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8.1.1光電耦合隔離器光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖8-1所示。它們的原理是相同的，即都是通過電—光—電這種信號轉(zhuǎn)換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。圖8-1光電耦合隔離器的幾種類型第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一現(xiàn)以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖8-2所示。圖8-2光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數(shù)字信號進(jìn)行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進(jìn)行隔離。

第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送，可用光耦的這種線性區(qū)對模擬信號進(jìn)行隔離。第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。模擬信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選得不合適，會影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡單，不影響系統(tǒng)的精度和線性度；缺點(diǎn)是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦越來越價廉，數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現(xiàn)出來，因而在工程中使用的最多。

第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個電源，必須分開單獨(dú)供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；另外，發(fā)光二極管的動態(tài)電阻很小，也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾。為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的需求，目前已生產(chǎn)出各種集成的多路光耦隔離器，如TLP系列就是常用的一種。第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一下面以控制系統(tǒng)中常用的數(shù)字信號的隔離方法為例說明光電耦合隔離電路。典型的光電耦合隔離電路有數(shù)字量同相傳遞與數(shù)字量反相傳遞兩種，如圖8-3所示。

數(shù)字量同相傳遞如圖8-3（a）所示，光耦的輸入正端接正電源，輸入負(fù)端接到與數(shù)據(jù)總線相連的數(shù)據(jù)緩沖器上，光耦的集電極c端通過電阻接另一個正電源，發(fā)射極e端直接接地，光耦輸出端即從集電極c端引出。當(dāng)數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，發(fā)光管導(dǎo)通且發(fā)光，使得光敏管導(dǎo)通，輸出c端接地而獲得低電平“0”；當(dāng)數(shù)據(jù)線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管也截止使輸出c端從電源處獲得高電平“1”。如此，完成了數(shù)字信號的同相傳遞。8.1.2光電耦合隔離電路

第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖8-3光電耦合隔離電路第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

數(shù)字量反相傳遞如圖8-3（b）所示，與（a）不同的是光耦的集電極c端直接接另一個正電源，而發(fā)射極e端通過電阻接地，則光耦輸出端從發(fā)射極e端引出。從而完成了數(shù)字信號的反相傳遞。第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一2．光電隔離光電耦合隔離器是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號通道中進(jìn)行隔離。第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一其實(shí)在模擬量輸入輸出通道中也主要應(yīng)用這種數(shù)字信號通道的隔離方法，即在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號和控制信號的耦合傳送，如圖8-4所示。（a）是在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU接口之間8根數(shù)據(jù)線之間都各插接一個光耦隔離器(圖中只畫出了一個)，不僅照樣無誤地傳送數(shù)字信號，而且實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換器及其模擬量輸入通道與計(jì)算機(jī)的完全電隔離；（b）是在CPU與D/A轉(zhuǎn)換器接口之間8根數(shù)據(jù)線之間都各插接一個光耦隔離器(圖中也只畫出了一個)，不僅照樣無誤地傳送數(shù)字信號，而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器及其模擬量輸出通道的完全電隔離。第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖8-4光耦隔離器的數(shù)字信號隔離第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一利用光耦隔離器的線性放大區(qū)，也可傳送模擬信號而隔離電磁干擾，即在模擬信號通道中進(jìn)行隔離。例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送，如圖8-5所示。第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖8-5光耦隔離器的模擬信號隔離第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一在圖8-5（a）輸入通道的現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間，光電耦合器一方面把放大器輸出的模擬信號線性地光耦(或放大)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，另一方面又切斷了現(xiàn)場模擬地與計(jì)算機(jī)數(shù)字地之間的聯(lián)系，起到了很好的抗共模干擾作用。在圖8-5（b）輸出通道的D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器之間，光電耦合器一方面把放大器輸出的模擬信號線性地光耦(或放大)輸出到現(xiàn)場執(zhí)行器，另一方面又切斷了計(jì)算機(jī)數(shù)字地與現(xiàn)場模擬地之間的聯(lián)系，起到了很好的抗共模干擾作用。第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8.2數(shù)字量輸入通道主要知識點(diǎn)

引言

8.2.1開關(guān)輸入電路

8.2.2脈沖計(jì)數(shù)電路

第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

數(shù)字量輸入通道（DI通道）的任務(wù)--是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)易于接受的形式。信號調(diào)理電路--雖然都是數(shù)字信號，不需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但對通道中可能引入的各種干擾必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，即在外部信號與單片機(jī)之間要設(shè)置輸入信號調(diào)理電路。第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點(diǎn)、開關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱為開關(guān)信號。在開關(guān)輸入電路中，主要是考慮信號調(diào)理技術(shù)，如電平轉(zhuǎn)換，RC濾波，過電壓保護(hù)，反電壓保護(hù)，光電隔離等。

（1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

（2）RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。

（3）過電壓保護(hù)是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護(hù)；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。

（4）反電壓保護(hù)是串聯(lián)一個二極管防止反極性電壓輸入。

（5）光電隔離用光耦隔離器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離。8.2.1開關(guān)輸入電路

第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖8-6所示。點(diǎn)劃線右邊是由開關(guān)S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流(如380VAC)變換為低壓直流(如5VDC)。開關(guān)S的狀態(tài)經(jīng)RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護(hù)、電阻R2限流、二極管D2防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器，主機(jī)通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的狀態(tài)。比如,當(dāng)開關(guān)S閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“0”對應(yīng)外電路開關(guān)S的閉合；反之，開關(guān)S斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數(shù)據(jù)線上為高電平，即輸入信號為“1”對應(yīng)外電路開關(guān)S的斷開。第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-6開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

4.2.2脈沖計(jì)數(shù)電路有些用于檢測流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設(shè)計(jì)一種定時計(jì)數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣時間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入的脈沖個數(shù)，然后根據(jù)傳感器的比例系數(shù)可換算出所檢測的物理量。第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-7

脈沖計(jì)數(shù)輸入電路第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

圖8-7為一種定時計(jì)數(shù)輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理，引到8254芯片的計(jì)數(shù)通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計(jì)數(shù)器通道的可編程計(jì)數(shù)器/定時器。圖中，計(jì)數(shù)通道0工作于模式3，CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖，OUT0輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖N倍（N為通道0的計(jì)數(shù)初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計(jì)數(shù)通道1的采樣時間和采樣間隔時間，分別記為TS、TW；計(jì)數(shù)通道1和2均選為工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使兩者構(gòu)成一個計(jì)數(shù)長度為232的脈沖計(jì)數(shù)器，以對TS內(nèi)的輸入脈沖計(jì)數(shù)。如果獲得TS時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質(zhì)的流量或電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計(jì)或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當(dāng)量(即一個脈沖相當(dāng)?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù))為K，則介質(zhì)的流量或電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)就為n/TS·K。第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8.3數(shù)字量輸出通道主要知識點(diǎn)引言

8.3.1三極管驅(qū)動電路

8.3.2繼電器驅(qū)動電路

8.3.3晶閘管驅(qū)動電路

8.3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路

第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一數(shù)字量輸出通道簡稱

DO通道，它的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

對于低壓情況下的小電流開關(guān)量，用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。4.3.1三極管驅(qū)動電路第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一1.普通三極管驅(qū)動電路

當(dāng)驅(qū)動電流只有十幾mA或幾十mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖8-8所示。8-8小功率三極管輸出電路第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一2.達(dá)林頓驅(qū)動電路

當(dāng)驅(qū)動電流需要達(dá)到幾百毫安時，如驅(qū)動中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護(hù)措施完善的特點(diǎn)，同時多對復(fù)合管也非常適用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。

第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖8-9給出達(dá)林頓陣列驅(qū)動器MC1416的結(jié)構(gòu)圖與每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對達(dá)林頓復(fù)合管，每個復(fù)合管的集電極電流可達(dá)500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負(fù)向過沖。第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-9MC1416達(dá)林頓陣列驅(qū)動器第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

圖8-10為達(dá)林頓陣列驅(qū)動中的一路驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”即低電平時，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖剑惯_(dá)林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅(qū)動負(fù)載線圈，而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護(hù)二極管構(gòu)成了負(fù)荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-10達(dá)林頓陣列驅(qū)動電路第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.3.2繼電器驅(qū)動電路電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點(diǎn)等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖8-11繼電器原理第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅(qū)動。

繼電器的驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

圖8-12為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時，經(jīng)7406反相驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動合觸點(diǎn)閉合，從而驅(qū)動大型負(fù)荷設(shè)備。

由于繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護(hù)驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-12繼電器輸出驅(qū)動電路第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路

固態(tài)繼電器SSR（SolidStateRelay）是一種新型的無觸點(diǎn)開關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點(diǎn)，卻能實(shí)現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機(jī)械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于圖8-12中的晶閘管輸出驅(qū)動電路。圖8-13所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，共由五部分組成。光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離；控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子開關(guān)（三極管或晶閘管）能可靠地導(dǎo)通；電子開關(guān)電路用來接通或關(guān)斷直流或交流負(fù)載電源；吸收保護(hù)電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關(guān)電路產(chǎn)生干擾造成開關(guān)的誤動作或損害，一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和壓敏電阻組成；零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設(shè)置的。第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-13SSR結(jié)構(gòu)原理及符號第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負(fù)載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出端大電流負(fù)載的通斷。

SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管。而交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型兩種，其中應(yīng)用最廣泛的是過零型。第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

過零型交流SSR是指當(dāng)輸入端加入控制信號后，需等待負(fù)載電源電壓過零時，SSR才為導(dǎo)通狀態(tài)；而斷開控制信號后，也要等待交流電壓過零時，SSR才為斷開狀態(tài)。移相型交流SSR的斷開條件同過零型交流SSR，但其導(dǎo)通條件簡單，只要加入控制信號，不管負(fù)載電流相位如何，立即導(dǎo)通。直流型SSR的輸入控制信號與輸出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取輸入電壓為4-32V，輸入電流5-10mA。它的輸出端為晶體管輸出，輸出工作電壓為30-180V。第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一

交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般取輸入電壓為4.32V，輸入電流小于500mA。它的輸出端為雙向晶閘管，一般額定電流在1AA范圍內(nèi)，電壓多為380V或220V。圖8-14為一種常用的固態(tài)繼電器驅(qū)動電路，當(dāng)數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導(dǎo)通,SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。

第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一8-14固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.2.6接地系統(tǒng)的抗干擾

廣義的接地包含兩方面的意思，即接實(shí)地和接虛地。接實(shí)地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，當(dāng)這個基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。正確合理的接地技術(shù)對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)極為重要，接地的目的有兩個：一是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，常稱為工作接地；二是為了避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險和保證設(shè)備的安全，這稱為保護(hù)接地。本節(jié)主要討論工作接地技術(shù)。第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、信號地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。模擬信號有精度要求，它的信號比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場連接。有時為區(qū)別遠(yuǎn)距離傳感器的弱信號地與主機(jī)的模擬地關(guān)系，把傳感器的地又叫信號地。數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾。系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連作為基準(zhǔn)零電位。第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一交流地是計(jì)算機(jī)交流供電的動力線地或稱零線，它的零電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點(diǎn)之間往往就有幾伏乃至幾十伏的電位差存在。另外，交流地也容易帶來各種干擾。因此，交流地絕不允許與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對避免漏電現(xiàn)象。保護(hù)地也叫安全地、機(jī)殼地或屏蔽地，目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身及設(shè)備安全。以上這些地線如何處理，是接地還是浮地？是一點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地？這些是實(shí)時控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中的重要問題。第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4．印制線路板的地線分布設(shè)計(jì)印制線路板應(yīng)遵守下列原則，以免系統(tǒng)內(nèi)部地線產(chǎn)生干擾。（1）TTL，CMOS器件的地線要呈輻射狀，不能形成環(huán)形。（2）印制線路板上的地線要根據(jù)通過的電流大小決定其寬度，不要小于3mm，在可能的情況下，地線越寬越好。（3）旁路電容的地線不能長，應(yīng)盡量縮短。（4）大電流的零電位地線應(yīng)盡量寬，而且必須和小信號的地分開。

第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一5．主機(jī)系統(tǒng)的接地

計(jì)算機(jī)本身接地，同樣是為了防止干擾，提高可靠性。下面介紹三種主機(jī)接地方式。（1）全機(jī)一點(diǎn)接地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主機(jī)架內(nèi)采用圖4-25所示的分別回流法接地方式。主機(jī)地與外部設(shè)備地的連接采用一點(diǎn)接地，如圖4-28所示。為了避免多點(diǎn)接地，各機(jī)柜用絕緣板墊起來。這種接地方式安全可靠，有一定的抗干擾能力，一般接地電阻選為4~10Ω左右。接地電阻越小越好，但接地電阻越小，接地極的施工就越困難。第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖4-28全機(jī)一點(diǎn)接地雙絞線第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一（2）主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地，而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機(jī)內(nèi)信號地浮空，如圖4-29所示。這種方法安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜，一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一圖4-29外殼接地機(jī)芯浮空第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一（3）多機(jī)系統(tǒng)的接地在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺計(jì)算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常工作。近距離的幾臺計(jì)算機(jī)安裝在同一機(jī)房內(nèi)，可采用類似圖4-28那樣的多機(jī)一點(diǎn)接地方法。對于遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，多臺計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，通過隔離的辦法把地分開。例如，采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)或無線通信技術(shù)。第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一介紹了這么多的硬件電路抗干擾措施，再來看看軟件上又有哪些好的措施。首先是在控制系統(tǒng)的輸入輸出通道中，采用某種計(jì)算方法對通道的信號進(jìn)行數(shù)字處理，以削弱或?yàn)V除干擾噪聲，這就是前面討論過的數(shù)字濾波方法。這是一種廉價而有效的軟件程序?yàn)V波，在控制系統(tǒng)中被廣泛采用。而對于那些可能穿過通道而進(jìn)入CPU的干擾，可采取指令冗余、軟件陷阱以及程序運(yùn)行監(jiān)視等措施來使CPU恢復(fù)正常工作。第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.3.1指令冗余技術(shù)當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)受到外界干擾，破壞了CPU正常的工作時序，可能造成程序計(jì)數(shù)器PC的值發(fā)生改變，跳轉(zhuǎn)到隨機(jī)的程序存儲區(qū)。當(dāng)程序跑飛到某一單字節(jié)指令上，程序便自動納入正軌；當(dāng)程序跑飛到某一雙字節(jié)指令上，有可能落到其操作數(shù)上，則CPU會誤將操作數(shù)當(dāng)操作碼執(zhí)行；當(dāng)程序跑飛到三字節(jié)指令上，因它有兩個操作數(shù)，出錯的機(jī)率會更大。為了解決這一問題，可采用在程序中人為地插入一些空操作指令NOP或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重復(fù)書寫，此即指令冗余技術(shù)。由于空操作指令為單字節(jié)指令，且對計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)無任何影響，這樣就會使失控的程序在遇到該指令后，能夠調(diào)整其PC值至正確的軌道，使后續(xù)的指令得以正確地執(zhí)行。第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一但我們不能在程序中加入太多的冗余指令，以免降低程序正常運(yùn)行的效率。一般是在對程序流向起決定作用的指令之前以及影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指令之前都應(yīng)插入兩、三條NOP指令，還可以每隔一定數(shù)目的指令插入NOP指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確軌道。指令冗余技術(shù)可以減少程序出現(xiàn)錯誤跳轉(zhuǎn)的次數(shù)，但不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術(shù)，使系統(tǒng)的誤動作減少，并消滅重大誤動作。第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.3.2軟件陷阱技術(shù)指令冗余使跑飛的程序安定下來是有條件的，首先跑飛的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余指令。當(dāng)跑飛的程序落到非程序區(qū)(如EPROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū))時，對此情況采取的措施就是設(shè)立軟件陷阱。軟件陷阱，就是在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，即通過一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將跑飛的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標(biāo)號稱為ERROR的話，軟件陷阱即為一條JMPERROR指令。為加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加上兩條NOP指令，因此真正的軟件陷阱是由3條指令構(gòu)成：第六十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一NOPNOPJMPERROR軟件陷阱安排在以下四種地方：未使用的中斷向量區(qū)，未使用的大片ROM空間，程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)以及程序區(qū)中一些指令串中間的斷裂點(diǎn)處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序的執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM容量不成問題的條件下，還應(yīng)多多安插軟件陷阱指令。

第六十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一4.4程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)引言4.4.1WatchdogTimer工作原理

4.4.2WatchdogTimer實(shí)現(xiàn)方法第六十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期一工業(yè)現(xiàn)場難免會出現(xiàn)瞬間的尖峰高能脈沖干擾，可能會長驅(qū)直入作用到CPU芯片上，使正在執(zhí)行的程序跑飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，這時候的指令冗余和軟件陷阱技術(shù)也無能為力，系統(tǒng)將完全癱瘓。此