計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/31111.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則與步驟

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

安全可靠實(shí)時(shí)性強(qiáng)操作維護(hù)方便通用性好、便于擴(kuò)充系統(tǒng)具有開放性經(jīng)濟(jì)效益高第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3122系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為開發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用設(shè)計(jì)。開發(fā)設(shè)計(jì)的任務(wù)是生產(chǎn)出滿足用戶所需的硬件和軟件。首先要進(jìn)行充分地市場(chǎng)調(diào)查，了解用戶的需求；然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，落實(shí)具體的技術(shù)指標(biāo)；最后進(jìn)行制造調(diào)試，檢驗(yàn)合格，市場(chǎng)銷售。

開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模板化、模塊化和系列化的原則。

開發(fā)設(shè)計(jì)第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/313應(yīng)用設(shè)計(jì)

應(yīng)用設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇和開發(fā)滿足控制對(duì)象所需的硬件和軟件，設(shè)計(jì)控制方案，并根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。應(yīng)用設(shè)計(jì)或工程設(shè)計(jì)按順序可分為5個(gè)階段?？尚行匝芯肯到y(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)硬件和軟件的細(xì)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)安裝、投運(yùn)第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/314圖11－1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/31511．2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1干擾的來源與種類

外部干擾是指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，由使用條件和外界環(huán)境因素所決定的干擾。它主要來自自然界以及周圍的電氣設(shè)備。外部干擾內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部的各種元器件引起的各種干擾第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3162硬件抗干擾技術(shù)①電源系統(tǒng)抗干擾方法采用低通濾波器

圖11－2雙π型濾波器采用低通濾波器抑制電網(wǎng)侵入的外部高頻干擾是常用的一種方案。低通濾波器可讓50HZ的工頻幾乎無衰減地通過，而濾去高于50Hz的高次諧波。第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/317

采用隔離變壓器圖11－3三相隔離變壓器抑制電源干擾變壓器的一次側(cè)按三角形接法聯(lián)結(jié)。二次側(cè)按星型接法聯(lián)結(jié)。有利于抑制工頻3次以上諧波對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/318采用能抑制交流電源干擾的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源

圖11－5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源抑制交流電源線上引入的高頻干擾抑制進(jìn)入交流電源線上的瞬時(shí)干擾原、副邊之間加有靜電屏蔽層第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/319電源分組供電圖11－6電源分組供電將輸入通道電源和其他設(shè)備電源分開，以防止設(shè)備間的干擾。第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3110直流電源的抗干擾措施直流電源一般帶有各種頻率的信號(hào)。為消除這種干擾，每塊集成芯片的電源與地線引入端應(yīng)接一片的無感瓷片電容。若一個(gè)裝置中有多塊邏輯印刷線路板時(shí)，一般應(yīng)在每塊板的電源和地線的引入處并接一個(gè)10～100的電解電容和一個(gè)的無感瓷片電容，以防止板間的相互干擾。最好是每塊印刷電路板都裝一片或幾片“穩(wěn)壓塊”（如7815、LM317、7805）形成獨(dú)立的供電系統(tǒng)，這樣能較好防止板間的相互干擾。邏輯電路板上的直流電源線與地線的布線也要注意合理布線，不要使電源形成環(huán)路。第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3111②過程通道抗干擾方法串模干擾及其抑制方法

被測(cè)信號(hào)指有用的直流信號(hào)或緩慢變化的交變信號(hào)干擾噪聲指無用的變化較快的雜亂交變信號(hào)串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。圖11－7串模干擾示意圖

（a）干擾情況(b)干擾的一種形式(c)干擾的另一種形式第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3112串模干擾的抑制

a.如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，采用輸入低通濾波器；如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器；如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則采用帶通濾波器。圖11－8二級(jí)阻容濾波網(wǎng)絡(luò)

采用二級(jí)阻容濾波網(wǎng)絡(luò)可使50Hz的串模干擾信號(hào)衰減600倍左右。第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3113

b.當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時(shí)，用雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。

c.對(duì)于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對(duì)被測(cè)信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，或者盡可能早的完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。d.對(duì)于主要由元器件內(nèi)部的熱擾動(dòng)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲所形成的串模干擾，或在數(shù)字信號(hào)的傳送過程中夾帶的低噪聲或窄脈沖干擾時(shí)，可采用高抗擾度邏輯器件；

e.采用雙絞線作信號(hào)引線減少電磁感應(yīng)，并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互相呈反向抵消。第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3114共模干擾及其抑制方法

共模干擾是指模／數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。。圖11－9共模干擾示意圖這種干擾可能是直流電壓，也可能是交流電壓，其幅值可達(dá)幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的接地情況。第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3115在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被測(cè)信號(hào)有單端對(duì)地輸入和雙端不對(duì)地輸入兩種輸入方式，如圖。對(duì)于存在共模干擾的場(chǎng)合，不能采用單端對(duì)地輸入方式，必須采用雙端不對(duì)地輸入方式。圖11－10被測(cè)信號(hào)的輸入方式(a)單端對(duì)地（b）雙端不對(duì)地第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3116

共模干擾的抑制a.變壓器隔離利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制共模干擾。

圖11－11變壓器隔離

第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3117b.光電隔離發(fā)光二極管和光敏三極管之間的信號(hào)是靠發(fā)光二極管在信號(hào)電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來完成的。

圖11－12光電隔離

容易實(shí)現(xiàn)，成本低，體積小。廣泛的應(yīng)用。第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3118

c.浮地屏蔽利用屏蔽方法使輸入信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。圖11－13浮地輸入雙層屏蔽放大器第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3119③長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_及其抑制方法計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)所傳輸?shù)男盘?hào)波長(zhǎng)可與傳輸線的長(zhǎng)度相比擬時(shí)，或當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳輸信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，就構(gòu)成長(zhǎng)線傳輸。傳輸線路對(duì)于有用信號(hào)的不利作用：①信號(hào)滯后作用；②波形畸變衰減作用；③外界電磁波、電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)和其它傳輸線的干擾作用；④由于分布電容和分布電感的影響，可能會(huì)產(chǎn)生“長(zhǎng)線效應(yīng)”。

第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3120長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制

長(zhǎng)線傳輸一般選用同軸電纜或雙絞線，在電場(chǎng)干擾較強(qiáng)時(shí)可采用屏蔽雙絞線。采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長(zhǎng)線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。

圖11—14測(cè)量傳輸線波阻抗傳輸線波阻抗的測(cè)量時(shí)，門A輸出的波形不畸變，反射波完全消失，這時(shí)的R值就是該傳輸線的波阻抗。無損耗導(dǎo)線的波阻抗

、分別為單位長(zhǎng)度的電感和電容。第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3121圖11—15終端匹配

(b)改進(jìn)后的終端匹配

(a)簡(jiǎn)單的終端匹配（a)當(dāng)時(shí)，消除了波反射。降低了高電平的抗干擾能力。（b)適當(dāng)調(diào)整和的阻值，可使終端匹配

第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3122在傳輸線始端串入電阻，也能消除反射。始端匹配選圖11—16始端匹配為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。這種匹配方法的優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平不變，缺點(diǎn)是波形低電平會(huì)抬高。第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3123④接地技術(shù)

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。數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開。安全地使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安全。系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連。第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3124圖11－18SGP接地系統(tǒng)示意圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采用公共接地點(diǎn)(SGP)系統(tǒng)。選中一點(diǎn)作為系統(tǒng)接地點(diǎn)，系統(tǒng)中各個(gè)參考接地點(diǎn)均與SGP點(diǎn)連接，防止接地回路的形成。通常把銅網(wǎng)埋入地面深處，然后用銅排接到SGP點(diǎn)上。第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/31253軟件抗干擾技術(shù)①數(shù)字濾波

②設(shè)立軟件陷阱

數(shù)字濾波技術(shù)是在干擾通過輸入通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)后的一種軟件抗干擾的補(bǔ)救辦法。為防止“程序失控”現(xiàn)象，在軟件中設(shè)立陷阱。在ROM或RAM中，每隔一些指令，把連續(xù)的幾個(gè)單元置成“空操作”。當(dāng)出現(xiàn)程序失控時(shí)，只要失控的微機(jī)進(jìn)入這眾多的軟件陷阱中的任何一個(gè)，都會(huì)被捕獲。執(zhí)行空操作后，程序自動(dòng)恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。第二十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3126③時(shí)間監(jiān)視器

圖11—19看門狗及軟件復(fù)位電路

如圖看門狗電路。有看門狗、軟件復(fù)位、上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位等功，、決定上電復(fù)位時(shí)間常數(shù)，、決定看門狗電路的檢測(cè)時(shí)間，、決定復(fù)位脈沖的寬度，P1.1為軟件復(fù)位輸入端，P1.4為看門狗電路監(jiān)測(cè)輸入端。第二十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日2023/3/3127④故障自診斷技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)從