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文檔簡介
數(shù)字量輸入輸出與抗干擾設計技術第1頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
在計算機控制系統(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,包括開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現(xiàn)的。如開關觸點的閉合和斷開,指示燈的亮和滅,繼電器或接觸器的吸合和釋放,馬達的啟動和停止,晶閘管的通和斷,閥門的打開和關閉,以及脈沖信號的計數(shù)和定時等。引言第2頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8.1光電耦合隔離技術
主要知識點
8.1.1光電耦合隔離器
8.1.2光電耦合隔離電路
第3頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8.1.1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4頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五現(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構原理,如圖8-2所示。圖8-2光電耦合隔離器的結構原理第5頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五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轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送,都可用光耦的這種開關特性對數(shù)字信號進行隔離。
第6頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉換器或D/A轉換器與現(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)對模擬信號進行隔離。第7頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點。模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦,成本低;缺點是調(diào)試困難,如果光耦挑選得不合適,會影響A/D或D/A轉換的精度和線性度。數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點是調(diào)試簡單,不影響系統(tǒng)的精度和線性度;缺點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8頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
要注意的是,用于驅動發(fā)光管的電源與驅動光敏管的電源不應是共地的同一個電源,必須分開單獨供電,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。為了適應計算機控制系統(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9頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
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。當數(shù)據(jù)線為低電平“0”時,發(fā)光管導通且發(fā)光,使得光敏管導通,輸出c端接地而獲得低電平“0”;當數(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10頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖8-3光電耦合隔離電路第11頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
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12頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五第13頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五第14頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五2.光電隔離光電耦合隔離器是目前計算機控制系統(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)字信號通道中進行隔離。第15頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五其實在模擬量輸入輸出通道中也主要應用這種數(shù)字信號通道的隔離方法,即在A/D轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器的數(shù)字信號之間插入光耦隔離器,以進行數(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,而且實現(xiàn)了A/D轉換器及其模擬量輸入通道與計算機的完全電隔離;(b)是在CPU與D/A轉換器接口之間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,而且實現(xiàn)了計算機與D/A轉換器及其模擬量輸出通道的完全電隔離。第16頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖8-4光耦隔離器的數(shù)字信號隔離第17頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五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行隔離。例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉換器或D/A轉換器與現(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18頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖8-5光耦隔離器的模擬信號隔離第19頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五在圖8-5(a)輸入通道的現(xiàn)場傳感器與A/D轉換器之間,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轉換器的輸入端,另一方面又切斷了現(xiàn)場模擬地與計算機數(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算機數(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20頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8.2數(shù)字量輸入通道主要知識點
引言
8.2.1開關輸入電路
8.2.2
脈沖計數(shù)電路
第21頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
數(shù)字量輸入通道(DI通道)的任務--是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉換成計算機易于接受的形式。信號調(diào)理電路--雖然都是數(shù)字信號,不需進行A/D轉換,但對通道中可能引入的各種干擾必須采取相應的技術措施,即在外部信號與單片機之間要設置輸入信號調(diào)理電路。第22頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關,其端子引出均統(tǒng)稱為開關信號。在開關輸入電路中,主要是考慮信號調(diào)理技術,如電平轉換,RC濾波,過電壓保護,反電壓保護,光電隔離等。
(1)電平轉換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉換為電壓信號。
(2)RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。
(3)過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護;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現(xiàn)計算機與外部的完全電隔離。8.2.1開關輸入電路
第23頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
典型的開關量輸入信號調(diào)理電路如圖8-6所示。點劃線右邊是由開關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S的狀態(tài)經(jīng)RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護、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,主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關S的狀態(tài)。比如,當開關S閉合時,輸入回路有電流流過,光耦中的發(fā)光管發(fā)光,光敏管導通,數(shù)據(jù)線上為低電平,即輸入信號為“0”對應外電路開關S的閉合;反之,開關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”對應外電路開關S的斷開。第24頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-6開關量輸入信號調(diào)理電路第25頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
4.2.2脈沖計數(shù)電路
有些用于檢測流量、轉速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號,對于大量程可以設計一種定時計數(shù)輸入接口電路,即在一定的采樣時間內(nèi)統(tǒng)計輸入的脈沖個數(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26頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-7
脈沖計數(shù)輸入電路第27頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
圖8-7為一種定時計數(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芯片的計數(shù)通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計數(shù)器通道的可編程計數(shù)器/定時器。圖中,計數(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的計數(shù)初值)的連續(xù)方波脈沖,其高、低電平時段是計數(shù)通道1的采樣時間和采樣間隔時間,分別記為TS、TW;計數(shù)通道1和2均選為工作模式2,且OUT1串接到CLK2,使兩者構成一個計數(shù)長度為232的脈沖計數(shù)器,以對TS內(nèi)的輸入脈沖計數(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)的流量或電機的轉速值。比如,發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器,它們的脈沖當量(即一個脈沖相當?shù)牧髁炕蜣D數(shù))為K,則介質(zhì)的流量或電機的轉數(shù)就為n/TS·K。第28頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8.3數(shù)字量輸出通道主要知識點
引言
8.3.1三極管驅動電路
8.3.2繼電器驅動電路
8.3.3晶閘管驅動電路
8.3.4固態(tài)繼電器驅動電路
第29頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五數(shù)字量輸出通道簡稱
DO通道,它的任務是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅動信號。根據(jù)現(xiàn)場負荷的不同,如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等,可以選用不同的功率放大器件構成不同的開關量驅動輸出通道。常用的有三極管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路、晶閘管輸出驅動電路、固態(tài)繼電器輸出驅動電路等。第30頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
對于低壓情況下的小電流開關量,用功率三極管就可作開關驅動組件,其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。4.3.1三極管驅動電路第31頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五1.普通三極管驅動電路
當驅動電流只有十幾mA或幾十mA時,只要采用一個普通的功率三極管就能構成驅動電路,如圖8-8所示。8-8
小功率三極管輸出電路第32頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五2.達林頓驅動電路
當驅動電流需要達到幾百毫安時,如驅動中功率繼電器、電磁開關等裝置,輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構成,它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點,同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。
第33頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
圖8-9給出達林頓陣列驅動器MC1416的結構圖與每對復合管的內(nèi)部結構,MC1416內(nèi)含7對達林頓復合管,每個復合管的集電極電流可達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向過沖。第34頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-9MC1416達林頓陣列驅動器第35頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
圖8-10為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路,當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?,使達林頓復合管導通,產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅動負載線圈,而且利用復合管內(nèi)的保護二極管構成了負荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。第36頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-10達林頓陣列驅動電路第37頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.3.2繼電器驅動電路
電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成,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、大電流設備。第38頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖8-11繼電器原理第39頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
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動。
繼電器的驅動電路
驅動電路的設計要根據(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40頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
圖8-12為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路,當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時,經(jīng)7406反相驅動器變?yōu)榈碗娖剑怦罡綦x器的發(fā)光二極管導通且發(fā)光,使光敏三極管導通,繼電器線圈KA得電,動合觸點閉合,從而驅動大型負荷設備。
由于繼電器線圈是電感性負載,當電路突然關斷時,會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓,為了保護驅動器件,應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41頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-12繼電器輸出驅動電路第42頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.3.4固態(tài)繼電器驅動電路
固態(tài)繼電器SSR(SolidStateRelay)是一種新型的無觸點開關的電子繼電器,它利用電子技術實現(xiàn)了控制回路與負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,卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能,故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點,在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用,大有取代電磁繼電器之勢。第43頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
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)部結構類似于圖8-12中的晶閘管輸出驅動電路。圖8-13所示為其結構原理圖,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(三極管或晶閘管)能可靠地導通;電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源;吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關電路產(chǎn)生干擾造成開關的誤動作或損害,一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡和壓敏電阻組成;零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設置的。第44頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-13SSR結構原理及符號第45頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容,輸出端利用器件內(nèi)的電子開關來接通和斷開負載。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)部的開關組件為功率三極管,交流型SSR內(nèi)部的開關組件為雙向晶閘管。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,其中應用最廣泛的是過零型。第46頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
過零型交流SSR是指當輸入端加入控制信號后,需等待負載電源電壓過零時,SSR才為導通狀態(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,但其導通條件簡單,只要加入控制信號,不管負載電流相位如何,立即導通。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47頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五
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)繼電器驅動電路,當數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”時,經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?,使NPN型三極管導通,SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負荷設備RL。
第48頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五8-14固態(tài)繼電器輸出驅動電路第49頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.2.6接地系統(tǒng)的抗干擾
廣義的接地包含兩方面的意思,即接實地和接虛地。接實地指的是與大地連接;接虛地指的是與電位基準點連接,當這個基準點與大地電氣絕緣,則稱為浮地連接。正確合理的接地技術對計算機控制系統(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備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險和保證設備的安全,這稱為保護接地。本節(jié)主要討論工作接地技術。第50頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五在計算機控制系統(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、交流地和保護地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉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)別遠距離傳感器的弱信號地與主機的模擬地關系,把傳感器的地又叫信號地。數(shù)字地作為計算機各種數(shù)字電路的零電位,應該與模擬地分開,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,直接與大地相連作為基準零電位。第51頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五交流地是計算機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。保護地也叫安全地、機殼地或屏蔽地,目的是使設備機殼與大地等電位,以避免機殼帶電影響人身及設備安全。以上這些地線如何處理,是接地還是浮地?是一點接地還是多點接地?這些是實時控制系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試中的重要問題。第52頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.印制線路板的地線分布設計印制線路板應遵守下列原則,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,應盡量縮短。(4)大電流的零電位地線應盡量寬,而且必須和小信號的地分開。
第53頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五5.主機系統(tǒng)的接地
計算機本身接地,同樣是為了防止干擾,提高可靠性。下面介紹三種主機接地方式。(1)全機一點接地計算機控制系統(tǒng)的主機架內(nèi)采用圖4-25所示的分別回流法接地方式。主機地與外部設備地的連接采用一點接地,如圖4-28所示。為了避免多點接地,各機柜用絕緣板墊起來。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54頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖4-28全機一點接地雙絞線第55頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五(2)主機外殼接地,機芯浮空為了提高計算機系統(tǒng)的抗干擾能力,將主機外殼作為屏蔽罩接地,而把機內(nèi)器件架與外殼絕緣,絕緣電阻大于50MΩ,即機內(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,但制造工藝復雜,一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。第56頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五圖4-29外殼接地機芯浮空第57頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五(3)多機系統(tǒng)的接地在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中,多臺計算機之間相互通信,資源共享。如果接地不合理,將使整個網(wǎng)絡系統(tǒng)無法正常工作。近距離的幾臺計算機安裝在同一機房內(nèi),可采用類似圖4-28那樣的多機一點接地方法。對于遠距離的計算機網(wǎng)絡,多臺計算機之間的數(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、光電隔離技術或無線通信技術。第58頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五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,采用某種計算方法對通道的信號進行數(shù)字處理,以削弱或濾除干擾噪聲,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濾波,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入CPU的干擾,可采取指令冗余、軟件陷阱以及程序運行監(jiān)視等措施來使CPU恢復正常工作。第59頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.3.1指令冗余技術當計算機系統(tǒng)受到外界干擾,破壞了CPU正常的工作時序,可能造成程序計數(shù)器PC的值發(fā)生改變,跳轉到隨機的程序存儲區(qū)。當程序跑飛到某一單字節(jié)指令上,程序便自動納入正軌;當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)當操作碼執(zhí)行;當程序跑飛到三字節(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或將有效的單字節(jié)指令重復書寫,此即指令冗余技術。由于空操作指令為單字節(jié)指令,且對計算機的工作狀態(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60頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五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。指令冗余技術可以減少程序出現(xiàn)錯誤跳轉的次數(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,使系統(tǒng)的誤動作減少,并消滅重大誤動作。第61頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五4.3.2軟件陷阱技術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立軟件陷阱。軟件陷阱,就是在非程序區(qū)設置攔截措施,使程序進入陷阱,即通過一條引導指令,強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行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標號稱為ERROR的話,軟件陷阱即為一條JMPERROR指令。為加強其捕捉效果,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條指令構成:第62頁,共69頁,2023年,2月20日,星期五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處。由于軟件陷阱都安排在正
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