第8章 微型计算机控制系统设计

第8章微型计算机控制系统的设计引言：本章主要介绍微型计算机控制系统设计的原则、方法和步骤，然后介绍微型计算机控制系统的可靠性设计和调试方法。9.1微型计算机控制系统设计的原则、步骤和方法设计原则：☻操作性好☻实时性强☻通用性好☻经济效益高☻可靠性高►系统总体控制方案确定►系统硬件和软件的细化设计►离线仿真和调试►在线调试和运行控制系统设计的一般步骤设计方法：一．控制系统总体方案的确定1．可行性研究2．系统总体方案设计3.设计方案细化，确定软、硬件功能选择各参数检测元件及变送器、执行机构是影响控制系统精度的重要因素之一。执行机构选择要与控制算法匹配，还要根据被控对象决定。二、计算机及接口的选择所选计算机应满足以下要求：►完善的中断系统►足够的存储容量►完备的I/O通道和实时时钟三、确定控制算法（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）确定某些情况下要进行修改与补充。（3）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。四、系统的硬件设计3、通道设计系统I/O通道：►数字量I/O通道►开关量I/O通道►模拟量I/O通道►脉冲量I/O通道在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。4、操作员控制台设计包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括：►接口电路和I/O通道的扩充►组合逻辑或时序逻辑电路►供电电源►光电隔离►电平转换►驱动放大电路等原则：①尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。②在条件允许的情况下，尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。③尽量选择通用性强、市场货源充足的器件。④对硬件系统总体结构考虑时，同样要注意通用性的问题。连接方式可选用通用总线接口方式，如STD总线、PC总线。⑤系统应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。⑥尽可能采用最新技术。⑦充分考虑应用系统各部分的驱动能力。⑧工艺设计。⑨系统抗干扰设计。六、系统软件设计包括管理、监控程序以及应用程序的设计。★组织应用软件的内容及步骤：►确定具体要求►软件规划►程序编制►软件调试►善后工作★确定具体要求►管理要求►输入输出要求►语言加工要求►功能处理要求★软件规划►模式选择►语言选择►汇编语言►高级语言►确定数据结构►划分程序块►确定程序编制顺序►内存安排►用符号来代替某部分程序的首址。►粗略估算各部分容量►根据具体情况对内存作精确安排★程序编排和分配★软件装配和总调★软件设计的善后工作微型计算机控制系统的软件一、软件的分类软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序二、应用程序的语言选择及设计步骤1、语言选择►机器语言►汇编语言►高级语言2、应用程序的设计步骤和方法应用程序设计的五个步骤：►问题定义►程序设计►编码►调试►改进和再设计程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：顺序结构选择结构循环结构六、系统联调系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。8.2抗干扰技术计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。但干扰是客观存在的，所以人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本节主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。一、干扰的种类、传播途径及抑制的基本原则干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自外部，有的来自内部。外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图8-1所示，有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。高压电缆闪电雷达、电台等天线发射微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交流动力线图8-1外部干扰环境内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境如图8-2所示，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。干扰的传播途径干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。图8-3导线之间的静电耦合导线1导线2C12C1gU1C2gRUn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。图8-3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．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，如图8-4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。1线导2线导图8-4导线之间的磁场耦合R2R3R1I1U1UnM3．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。图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。R3R1i2i1R4R2图8-5公共电源线的阻抗耦合A1A2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。抑制干扰的基本原则消除干扰源远离干扰源防止干扰窜入四、硬件抗干扰措施电源系统的抗干扰计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。实践表明，电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。1．交流电源系统理想的交流电应该是50HZ的正弦波。但事实上，由于负载的变动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲，如图8-18所示。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，持续时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的“死机”，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。在硬件上可以用以下方法加以解决。uot图8-18交流电源正弦波上的尖峰脉冲(1)选用供电比较稳定的进线电源计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰的电路如图8-19示。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品出售。～220V图9-19利用干扰抑制器的电源系统干扰抑制器计算机控制系统（3）采用交流稳压器稳定电网电压计算机控制的交流供电系统一般如图8-20所示。图中交流稳压器是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交流稳压器能把输出波形畸变控制在5％以内，还可以对负载短路起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50HZ基波通过。～220V图9-20一般交流供电系统交流稳压器低通滤波器计算机控制系统直流稳压器（4）利用UPS保证不中断供电电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使计算机系统陷入混乱状态，是可能产生严重事故的恶性干扰。对于要求更高的计算机控制系统，可以采用不间断电源即UPS向系统供电，如图8-21所示。正常情况下由交流电网通过交流稳压器、切换开关、直流稳压器供电至计算机系统；同时交流电网也给电池组充电。所有的UPS设备都装有一个或一组电池和传感器，并且也包括交流稳压设备。如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测到断电后就会将供电通路在极短的时间内（3ms）切换到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停电而中断。这里，逆变器能把电池直流电压逆变到正常电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功能，提高了供电质量。～220V电池充电器电池组逆变器控制器交流稳压器计算机切换直流稳压器图9-21不间断电源UPS供电系统（5）掉电保护电路对于没有使用UPS的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM中的信息丢失，可以采用镍电池对RAM数据进行掉电保护。图8-22是一种某计算机系统64KB存储板所使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电源+5V供电，A点电平高于备用电池（3V）电压，VD2截止，存储器由主电源（＋5V）供电。系统掉电时，A点电位低于备用电池电压，VD1截止，VD2导通，由备用电池向RAM供电。当系统恢复供电时，VD1重新导通，VD2截止，又恢复主电源供电。+5VAVD1VD23.6V220μFVCCRAM(8K×8)GNDVCCRAM(8K×8)GND62646264图8-22掉电保护电路0.1μF0.1μF2．直流电源系统在自行研制的计算机控制系统中，无论是模拟电路还是数字电路，都需要低压直流供电。为了进一步抑制来自于电源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰措施。（1）交流电源变压器的屏蔽把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏蔽和电磁屏蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，通常将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层与铁心同时接地，如图8-23（a）所示。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构，如图8-23（b）所示。一次绕组二次绕组二次绕组一次绕组图8-23电源变压器的屏蔽（a）（b）（2）采用直流开关电源直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达20kHZ，所以甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（＞70％）、电网电压范围大[（－20％～10％）×220V]、电网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电源，如±5V，±12V，±24V等。（3）采用DC-DC变换器如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，就可以采用DC-DC变换器，它们可以将一种电压的直流电源，变换成另一种电压的直流电源。它们有升压型或降压型，或升压/降压型。DC-DC变换器具有体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、