計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)詳解演示文稿

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)詳解演示文稿6/15/20231當(dāng)前第1頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)優(yōu)選計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)6/15/20232當(dāng)前第2頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)第一節(jié)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾及其對(duì)系統(tǒng)的影響一、干擾的來(lái)源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾的主要來(lái)源有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)、大型用電設(shè)備(如天車(chē)、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等)的啟停、高壓設(shè)備和電磁開(kāi)關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。內(nèi)部干擾主要有：系統(tǒng)的軟件不穩(wěn)定、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來(lái)的影響等。6/15/20233當(dāng)前第3頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)二、干擾的作用途徑1．傳導(dǎo)耦合干擾由導(dǎo)線進(jìn)入電路中稱(chēng)為傳導(dǎo)耦合。2．靜電耦合干擾信號(hào)通過(guò)分布電容進(jìn)行傳遞稱(chēng)為靜電耦合。3．電磁耦合電磁耦合是指在空間磁場(chǎng)中電路之間的互感耦合。4．公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指多個(gè)電路的電流流經(jīng)同一公共阻抗時(shí)所產(chǎn)生的相互影響。6/15/20234當(dāng)前第4頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)三、干擾的作用形式1．共模干擾共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱(chēng)為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號(hào)源的地之間的傳輸線上電壓降造成的，如圖1所示。圖1共模干擾示意圖6/15/20235當(dāng)前第5頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)2．串模干擾串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾，也稱(chēng)之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。圖2描述了串模干擾的情況。共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式來(lái)作用于系統(tǒng)的。圖2串模干擾示意圖6/15/20236當(dāng)前第6頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)第二節(jié)過(guò)程通道的抗干擾技術(shù)一、共模干擾的抑制抑制共模干擾的主要方法是設(shè)法消除不同接地點(diǎn)之間的電位差。1．變壓器隔離隔離變壓器是最常用的隔離元件之一，用來(lái)阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，并抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度。是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(kāi)來(lái)，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾。6/15/20237當(dāng)前第7頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)圖4變壓器隔離圖6/15/20238當(dāng)前第8頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)2．光電隔離光電隔離是利用光電耦合器完成信號(hào)的傳送，實(shí)現(xiàn)電路的隔離，如圖5所示。根據(jù)所用的器件及電路不同，通過(guò)光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的隔離。注意，光電隔離前后兩部分電路應(yīng)分別采用兩組獨(dú)立的電源。圖5光電隔離圖6/15/20239當(dāng)前第9頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)當(dāng)用于模擬信號(hào)的隔離時(shí)，對(duì)光電耦合器的線性特性要求較高，而且一般要配以相應(yīng)的校正電路來(lái)保證信號(hào)的線性傳送?，F(xiàn)已有專(zhuān)門(mén)用于傳遞模擬信號(hào)的線性光電耦合器，例如B-B公司的ISO100。由于光電耦合器具有可靠的開(kāi)關(guān)特性，所以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離是目前光電隔離的主要形式。對(duì)模擬信號(hào)的隔離也可以通過(guò)V/F變換器將其變成不同頻率的數(shù)字信號(hào)，然后由光電耦合器傳送。6/15/202310當(dāng)前第10頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)3．浮地屏蔽采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來(lái)抑制共模干擾，如圖6所示。所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。圖6浮地輸入雙層屏蔽放大器圖6/15/202311當(dāng)前第11頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)4．采用具有高共模抑制比的儀表放大器作為輸入放大器儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。6/15/202312當(dāng)前第12頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)二、串模干擾的抑制1．在輸入回路中接入模擬濾波器根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率范圍，選用不同頻帶的濾波器，使有用信號(hào)順利通過(guò)。2．使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)尖峰型串模干擾為主要干擾時(shí)，使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，或在軟件上采用判斷濾波的方法加以消除。3．采用信號(hào)線的屏蔽措施為了防止“干擾噪聲”通過(guò)空間耦合方式侵入信號(hào)線而進(jìn)入電氣設(shè)備，在干擾比較強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，或者對(duì)那些比較微弱的信號(hào)，傳輸時(shí)宜選用屏蔽線。4．電流傳送當(dāng)傳感器信號(hào)距離主機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)很容易引入干擾。如果在傳感器出口處將被測(cè)信號(hào)由電壓轉(zhuǎn)換為電流，以電流形式傳送信號(hào)，將大大提高信噪比，從而提高傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。6/15/202313當(dāng)前第13頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)三、長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號(hào)的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長(zhǎng)線對(duì)待。信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)會(huì)遇到三個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號(hào)延時(shí)；三是高速度變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生向前的電壓波和電流波，稱(chēng)為入射波；另外，如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的波阻抗不匹配，那么當(dāng)入射波到達(dá)終端時(shí)，便會(huì)引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳輸線始端時(shí)，如果始端阻抗不匹配，還會(huì)引起新的反射。這種信號(hào)的多次反射現(xiàn)象，使信號(hào)波形失真和畸變，并且引起干擾脈沖。6/15/202314當(dāng)前第14頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)1．終端匹配為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線的波阻抗RP，波阻抗的測(cè)量如圖8所示。圖8波阻抗測(cè)量原理圖調(diào)節(jié)可變電阻R，并用示波器觀察門(mén)A的波形，當(dāng)達(dá)到完全匹配時(shí)，即R=RP時(shí)，門(mén)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。6/15/202315當(dāng)前第15頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)為了避免外界干擾的影響，在計(jì)算機(jī)中常常采用雙絞線和同軸電纜作為信號(hào)線。雙絞線的波阻抗一般在100～200Ω之間，紋花越密，波阻抗越低。同軸電纜的波阻約50～100Ω范圍。根據(jù)傳輸線的基本理論，無(wú)損耗導(dǎo)線的波阻抗RP為：（1）其中，L0為單位長(zhǎng)度的電感，C0為單位長(zhǎng)度的電容。6/15/202316當(dāng)前第16頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)最簡(jiǎn)單的終端匹配方法如圖9(a)所示，如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當(dāng)R=RP時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端波形和始端波形的形狀相一致，只是時(shí)間上滯后。為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn)，可采用圖9(b)所示的終端匹配方法。其等效電阻R為：（2）適當(dāng)調(diào)整R1和R2的阻值，可使R=RP。這種匹配方法也能消除波反射，優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平下降較少，缺點(diǎn)是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。為了同時(shí)兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取R1=R2=2RP，此時(shí)等效電阻R=RP。6/15/202317當(dāng)前第17頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)圖9終端匹配圖6/15/202318當(dāng)前第18頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)2．始端匹配在傳輸線始端串入電阻R，如圖10所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為：其中，RSC為門(mén)A的輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。

（3）圖10始端匹配圖6/15/202319當(dāng)前第19頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)第三節(jié)軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù)

一、軟件故障的幾種表現(xiàn)形式1．?dāng)?shù)據(jù)采集不可靠在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中仍然會(huì)有一些干擾侵入系統(tǒng)，造成采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確造成誤差。2．控制失靈在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果，而在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，可能造成條件狀態(tài)偏差、失誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。3．程序運(yùn)行失常計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入強(qiáng)干擾后，程序計(jì)數(shù)器PC的值可能被改變，這將引起程序執(zhí)行出現(xiàn)混亂，最終可能導(dǎo)致程序“死循環(huán)”。6/15/202320當(dāng)前第20頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)二、輸入/輸出軟件抗干擾措施1．開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)輸入抗干擾措施對(duì)于開(kāi)關(guān)量的輸入，為了確保信息準(zhǔn)確無(wú)誤，在軟件上可采取多次讀取的方法(至少讀兩次)，認(rèn)為無(wú)誤后再行輸入，如圖11所示。2．開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)輸出抗干擾措施當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出開(kāi)關(guān)量控制閘門(mén)、料斗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，為了防止這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于外界干擾而誤動(dòng)作，比如已關(guān)的閘門(mén)、料斗可能中途打開(kāi)；已開(kāi)的閘門(mén)、料斗可能中途突然關(guān)閉。對(duì)于這些誤動(dòng)作，可以在應(yīng)用程序中每隔一段時(shí)間發(fā)出一次輸出命令，不斷地關(guān)閉閘門(mén)或者開(kāi)啟閘門(mén)。這樣，就可以較好地消除由于擾動(dòng)而引起的誤動(dòng)作(開(kāi)或關(guān))。6/15/202321當(dāng)前第21頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)圖11多次讀入流程圖6/15/202322當(dāng)前第22頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)三、程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾1．設(shè)置軟件陷阱當(dāng)干擾導(dǎo)致程序計(jì)數(shù)器PC值混亂時(shí)，可能造成CPU離開(kāi)正確的指令順序而跑飛到非程序區(qū)去執(zhí)行一些無(wú)意義地址中的內(nèi)容，或進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)作操作碼來(lái)執(zhí)行，使整個(gè)工作紊亂，系統(tǒng)失控。針對(duì)這種情況，可以在非程序區(qū)設(shè)置陷阱，一旦程序飛到非程序區(qū)，很快進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序由陷阱進(jìn)入初始狀態(tài)。2．設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，也稱(chēng)為看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog)，可以使陷入“死機(jī)”的系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，重新啟動(dòng)程序運(yùn)行。這是用于監(jiān)視跟蹤程序運(yùn)行是否正常的最有效的方法之一，得到了廣泛的應(yīng)用。6/15/202323當(dāng)前第23頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)四、提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的方法1．?dāng)?shù)據(jù)冗余RAM數(shù)據(jù)冗余就是將要保護(hù)的原始數(shù)據(jù)在另外兩個(gè)區(qū)域同時(shí)存放，建立兩個(gè)備份，當(dāng)原始數(shù)據(jù)塊被破壞時(shí)，用備份數(shù)據(jù)塊去修復(fù)。2．程序冗余在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。在某些重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證其正確執(zhí)行。3．硬件冗余根據(jù)系統(tǒng)的功能及各個(gè)模塊在系統(tǒng)中的地位和作用，配備一定數(shù)量同等功能的模塊，通過(guò)有關(guān)線路的配合，當(dāng)其中某一塊模塊失效時(shí)，備用模塊即可自動(dòng)投入運(yùn)行。4．故障診斷在故障發(fā)生后及時(shí)顯示故障信息，盡快定位故障點(diǎn)是提高系統(tǒng)可靠性的重要保證，控制系統(tǒng)一般都具備自診斷功能。6/15/202324當(dāng)前第24頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)第四節(jié)接地技術(shù)

一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的地線1.數(shù)字地。數(shù)字地也叫邏輯地。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種TTL、CMOS芯片及其它數(shù)字電路的零電位。2.模擬地。它是放大器，A/D，D/A轉(zhuǎn)換器中的模擬電路零電位。3.信號(hào)地。它是傳感器和變送器的地。4.功率地。它是指功率放大器和執(zhí)行部件的地。5.屏蔽地。它是為了防止靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)而設(shè)置的，同時(shí)也為了避免機(jī)殼帶電而危及人身安全而設(shè)置的。6.交流地。交流地是交流50Hz電源的地線，也稱(chēng)為噪聲地。7.直流地。直流地是直流電源的地線。6/15/202325當(dāng)前第25頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)二、常用的接地方法1．一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地對(duì)于信號(hào)頻率小于1MHz的電路，采用一點(diǎn)接地，防止地環(huán)流的產(chǎn)生；當(dāng)信號(hào)頻率大于10MHz時(shí)，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地；如果信號(hào)頻率在1～10MHz之間，當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度不超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，可以采用一點(diǎn)接地，否則就要多點(diǎn)接地。2．模擬地和數(shù)字地的連接在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點(diǎn)把兩種地連接起來(lái)。否則，數(shù)字回路通過(guò)模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。6/15/202326當(dāng)前第26頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)圖14模擬地與數(shù)字地的連接線路圖6/15/202327當(dāng)前第27頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)3．將邏輯地浮空并使機(jī)柜良好接地浮地是指控制裝置的邏輯地和大地之間不用導(dǎo)線連接，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電平。這在很大程度上可以抑制外部輻射和干擾信號(hào)。4．交流接地點(diǎn)與直流接地點(diǎn)分開(kāi)為了避免電阻把交流電力線引入的干擾傳輸?shù)娇刂蒲b置內(nèi)部，一般將兩種地分開(kāi)。這樣既能保證控制系統(tǒng)內(nèi)部器件的安全性，又能提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。5．印刷電路板地線的安排在安排印刷電路板地線時(shí)，首先要保證地線阻抗較低，為此必須盡可能地加寬地線；其次要充分利用地線的屏蔽作用，將印刷電路板全部邊緣用較粗的印刷地線環(huán)繞整塊板子作為地線干線，并同時(shí)在板中的所有空隙處均填以地線。

6/15/202328當(dāng)前第28頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)第五節(jié)電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)一、抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖15所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場(chǎng)合。1．隔離變壓器隔離變壓器的作用有兩個(gè)：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號(hào)竄入。2．低通濾波器各種干擾信號(hào)一般都有很強(qiáng)的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過(guò)，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。6/15/202329當(dāng)前第29頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)圖15抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖6/15/202330當(dāng)前第30頁(yè)\共有34頁(yè)\編于星期三\11點(diǎn)3．交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。一般交流穩(wěn)壓器中都有電感線圈和濾波電容，對(duì)高頻干擾有一定的抑制作用。在選擇交流穩(wěn)壓器時(shí)要有一定的余度：一方面保證其穩(wěn)定性；另一方面有助于維護(hù)它的可靠性，