开关量输入输出通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计

课程设计报告

( 2010 -- 2011 年度第 2 学期)

名称：计算机控制系统A

题目：开关量I/O通道中抗干扰措施

的分析与可实现方案设计

院系：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数：

成绩：

日期：2011 年月日

《计算机控制系统A》课程设计

任务书

一、目的与要求

1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；

2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；

3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；

4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；

5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。

二、主要内容

1、数字控制算法分析设计；

2、现代控制理论算法分析设计

3、模糊控制理论算法分析设计

4、过程数字控制系统方案分析设计；

5、微机硬件应用接口电路设计；

6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；

7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；

8、PLC应用控制方案分析与设计；

9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；

10、现场总线控制技术应用方案设计；

11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；

12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计

13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计

14、计算机控制系统差错控制技术分析设计

15、计算机控制系统容错技术分析设计

16、工程过程建模方法分析

三、进度计划

序号设计内容完成时间备注

1 选择课程设计题目，查阅相关文献资料

2 文献资料的学习根据所选题目进行方案设计

3 与指导老师讨论设计内容修改设计方案

4 撰写课程设计报告

5 课程设计答辩

四、设计成果要求

1．针对所选题目的国内外应用发展概述；

2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；

3．课程设计总结或结论以及参考文献；

4．要求设计报告规范完整。

五、考核方式

《计算机控制系统》课程设计成绩评定依据如下：

1．撰写的课程设计报告；

2．独立工作能力及设计过程的表现；

3．答辩时回答问题情况。

成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。

指导教师：

学生姓名：

一、目的与要求

1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；

2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；

3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；

4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；

5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。

二、设计正文

1干扰源的分析

计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。内部干扰主要有：系统的软件不稳定、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等干扰是无时无处不存在的，并且可能导致系统不能正常运行，严重者造成不良后果。大部分干扰都是从过程通道引入的，所以很有必要在设计过程通道时就考虑抗干扰和系统可靠性问题。

MCS-51 系列及其它高挡单片芯的I/O口线都具有一定的驱动能力,一些开关量控制信号可以直接跨接到计算机芯片引脚或总线上(如键盘开关、限位开关或转速脉冲信号等),作为条件和状态检测环节，典型接法如图 1 所示，K键闭合、U1高电平表示检测信号有效。尽管开关量较模拟量信号要“干净”得多，但干扰依然存在，并以随机脉冲序列形式窜入电路，主要原因如下：

1.1 电源系统的干扰

我国电源噪声干扰主要表现在过压、欠压、停电、浪涌以尖峰电压等方面，容易形成开关量电平信号的浮动，使逻辑可靠性变差；而尖峰电压窜入电路，耦合到输入开关量上，会引起计算机检测失误。

1.2 信号传输线过长

任何电源及信号源电路都存在电阻和分布电容，是产生采样信号干扰噪声的主要因素，传输线越长，噪声越大；系统主振频率越高，传输噪声也越大。按照经验公式计算，计算机主频为1MHz、传输远于0.5 m,或主频为4 MHz、传输远于0.3 m时，都应做为长线传输入理。

1.3 控制电路中存在继电器元件

继电器主要领先对电流吸收、释放为基本工作条件，工作电流比微机芯片工作电流要大得多。因此，当继电器动作时，必然在电路中产生一些干扰脉冲。这些干扰主要有二个特点：一是脉冲为一串振幅不等的序列脉冲，二是脉冲序列宽度有限（一般小于10 ms）。如果在U1端脉冲耦合电压超过1V，就会作为错误的检测信号输入给计算机。如印染厂中平网印花

机的印花单元就是一种以开关量作为状态输入信号，以继电器做为控制输出信号的单片机控制系统，若不采取抑制干扰的措施，则很容易出现误动作。另外，控制系统附近大型电气设备的启动使用，也会产生类似的干扰现象。

2．干扰传播的途径

2.1静电耦合

导线之间的静电耦合

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。上图给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，Cl 2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。

2.2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，如下图所示。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。