计算机控制技术及工程应用第8章

第八章抗干扰技术本章要点：1、干扰的来源与传播途径。2、硬件抗干扰措施。3、程序运行监视系统。返回总目录本章主要内容引言8.1干扰的来源与传播途径8.2硬件抗干扰措施8.3软件抗干扰措施8.4程序运行监视系统思考题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。本章主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措。引言8.1干扰的来源与传播途径8.1.1干扰的来源8.1.2干扰的传播途径8.1.1干扰的来源1、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外部干扰环境链接动画2、内部干扰--由系统的结构布局、制造工艺所引入的。链接动画8.1.2干扰的传播途径图8-3导线之间的静电耦合导线1导线2C12C1gU1C2gRUn链接动画1．静电耦合－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。1线导2线导图8-4导线之间的磁场耦合R2R3R1I1U1UnM链接动画2．磁场耦合－3．公共阻抗耦合R3R1i2i1R4R2图8-5公共电源线的阻抗耦合A1A2链接动画8.2硬件抗干扰措施引言8.2.1串模干扰的抑制8.2.2共模干扰的抑制8.2.3长线传输干扰的抑制8.2.4信号线的选择与敷设8.2.5电源系统的抗干扰8.2.6接地系统的抗干扰引言了解了干扰的来源与传播途径，我们就可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措施中，除了按照干扰的三种主要作用方式——串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。sUnUU1C2C线扰干)b(因原生产)a(式形现表扰干模串6-8图s计算机控制系统计算机控制系统aI链接动画8.2.1串模干扰的抑制图8-6串模干扰1．双绞线做信号引线双绞线抗干扰原因－－外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰作用。应用场合－－可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps抑制效果（不同节距而言）：节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行线1102．引入滤波电路硬件滤波器分类－－低通、高通、带通等滤波器。低通滤波器－适用干扰频率比被测信号频率高；高通滤波器－干扰频率比被测信号频率低；带通滤波器－干扰频率落在被测信号频率的两侧；实现电路－－采用电阻R、电容C、电感L等构成滤波器；sU1R2R1C2C无源阻容滤波器(a)3R4R1C2C0UiU(b)图8-8滤波电路+1R2R器波滤源有A+计控系统-层蔽屏计控系统链接动画)a(mcUsUrZ计控系统mcU源号信U)b(式形现表因原生产图8-9共模干扰Zsr计控系统链接动画8.2.2共模干扰的抑制抑制方法：有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。图8-9共模干扰1．变压器隔离放大器调制器解调器A/D计算机sUB模拟地数字地图8-10变压器隔离双绞线s1Us2U链接动画图8-10变压器隔离2．光电隔离A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU链接动画A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU链接动画图光电耦合隔离器的数字信号隔离A/D计算机数字地（a）在传感器与A/D转换器之间VCC放大器sU模拟地双绞线D/A计算机数字地图8-12光耦隔离器的模拟信号隔离VCC放大器模拟地双绞线LR（b）在D/A转换器与执行器之间执行器传感器链接动画链接动画图8-13浮地输入双层屏蔽放大电路信号源cmU外屏蔽层内屏蔽层计算机sUsU1sZ2sZ3sZ2cZc1cZ3Z(a)原理框图(b)等效电路1I2I3IAcmU计算机屏蔽层链接动画3．浮地屏蔽图浮地输入双层屏蔽放大电路)(2211332CSCSCScmnZZZZZZUU主要内容：1．波阻抗的测量2．终端阻抗匹配3．始端阻抗匹配8.2.3长线传输干扰的抑制1．波阻抗的测量双绞线示波器信号ARRP图8-14传输线波阻抗的测量2．终端阻抗匹配。双绞线ARPBR2双绞线ARPBRR1EC(a)(b)图8-15终端阻抗匹配双绞线ARPBR2双绞线ARPBRR1EC(a)(b)图8-15终端阻抗匹配图终端阻抗匹配3．始端阻抗匹配双绞线ARPBR图8-16始端阻抗匹配图始端阻抗匹配8.2.4信号线的选择与敷设屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果（dB）备注铜网（密度85%）103：140.3电缆的可挠性好，适合近距离使用铜带迭卷（密度90%）376：151.5带有焊药，易接地，通用性好铝聚酯树脂带迭卷6610：176.4应使用电缆沟，抗干扰效果最好1．信号线的选择2．信号线的敷设信号线的敷设要注意以下事项：（1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。电力线容量信号线和电力线之间的最少间距（cm）电压（V）电流（A）1251012250501844020024500080048（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。图8-17信号线的敷设信号电缆电源电缆隔板(a)信号电缆电源电缆15cm(b)信号电缆电源电缆15cm(c)电源电缆信号电缆屏蔽罩(d)8.2.5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。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从以下2个方面考虑：1．交流电源系统2．直流电源系统1．交流电源系统uot图8-18交流电源正弦波上的尖峰脉冲措施：～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～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～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供电系统掉电保护电路+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（1）交流电源变压器的屏蔽（2）采用直流开关电源（3）采用DC-DC变换器（4）为每块电路板设立独立的直流电源（5）集成电路块的VCC加旁路电容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）计算机控制系统中的地线：数字地系统地交流地模拟地保护地8.2.6接地系统的抗干扰接地处理1．单点接地与多点接地输入放大器图8-24单点接地方式输入信号_+输出采样/保持放大V+ˉV保持电容V+ˉV数字地模拟输出状态模拟地数字地VCC数字输出V+ˉVA/D转换器模拟输入地噪声模拟地图单点接地方式2．分别回流法单点接地模拟地横汇流条模拟地纵汇流条数字地横汇流条数字地纵汇流条接地板系统地安全地（机壳地）图9-25分别回流法单点接地方式大地图单点回流法接地方式3．输入系统的接地图9-26输入系统接地方式信号源遮蔽层屏蔽层放大器sU(a)信号源端接地(b)接收端接地A信号源遮蔽层屏蔽层放大器sUB图输入系统接地方式AAAUiUiUiU0U0U0C1C2C3C1C2C3C1C2屏蔽罩屏蔽罩图8-27放大器公共端接屏蔽罩（a）(c)(b)C3+图放大器公共端接屏蔽罩设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。（3）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。（4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。4．印制线路板的地线分布5．主机系统的接地大地地线绝缘板机印打道通程过机主机图绘台作操图9-28全机一点接地图全机一点接地(1)全机一点接地芯机芯机地内机层缘绝壳外机主图8-29外壳接地机芯浮空(2)外壳接地机芯浮空（3）多机系统的接地大地地线绝缘板机印打道通程过机主机图绘台作操图9-28全机一点接地图全机一点接地8.3软件抗干扰措施引言8.3.1指令冗余技术8.3.2软件陷阱技术引言在控制系统的输入输出通道中，采用数字滤波方法，即采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声而对于那些可能穿过通道而进入CPU的干扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使CPU恢复正常工作。要解决的问题－－程序跑飞解决方法－－采用指令冗余技术原则－－在对程序流向起决定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指令之前都应插入两、三条NOP指令，还可以每隔一定数目的指令插入NOP指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。优点-指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数8.3.1指令冗余技术软件陷阱－－在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，举例－－若我们把这段程序的入口标号称为ERROR的话，软件陷阱即为一条JMPERROR指令。软件陷阱是由3条指令构成：NOPNOPJMPERROR8.3.2软件陷阱技术8.4程序运行监视系统8.4.1WatchdogTimer工作原理8.4.2WatchdogTimer实现方法CPU(T1)定时器(T2)定时访问脉冲P1重新启动复位定时到脉冲P2图8-30WatchdogTimer工作原理P1P2T2应用程序访问指令访问指令访问指令T1T1T1死循环T1链接动画8.4.1WatchdogTimer工作原理8.4.2WatchdogTimer实现方法图8-31X5045与CPU的接口电路RESETD0D1D2D3SOSISCKCSWCCWPVSSX5054+5VRESETCPU链接动画思考题1．简述干扰的来源与传播途径。2．串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？3．共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？4．结合图8-11，分析说明利用光耦隔离器的开关特性也可以应用在模拟量输入或输出通道中。5．在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？6．在计算机控制系统中，大致有哪几种地？最终如何接地？7．结合图8-30，简述程序运行监视系统的工作原理。