微型计算机控制系统设计之

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1、 第 11章 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 与 工 程 实 现 11.1 计 算 机 控 制 系 统 设 计 的 原 则 与 步 骤 1 系 统 设 计 的 原 则 安 全 可 靠 实 时 性 强 操 作 维 护 方 便通 用 性 好 、 便 于 扩 充 系 统 具 有 开 放 性 经 济 效 益 高 2 系 统 设 计 的 步 骤 计 算 机 控 制 系 统 的 设 计 分 为 开 发 设 计 和 应 用 设 计 。 开 发 设 计 的 任 务 是 生 产 出 满 足 用 户 所 需 的 硬 件和 软 件 。 首 先 要 进 行 充 分 地 市 场 调 查 ， 了 解 用 户 的需

2、 求 ； 然 后 进 行 系 统 设 计 ， 落 实 具 体 的 技 术 指 标 ；最 后 进 行 制 造 调 试 ， 检 验 合 格 ， 市 场 销 售 。 开 发 设 计 应 遵 循 标 准 化 、 模 板 化 、 模 块 化 和 系列 化 的 原 则 。 开 发 设 计 应 用 设 计 应 用 设 计 的 任 务 是 选 择 和 开 发 满 足 控 制 对 象所 需 的 硬 件 和 软 件 ， 设 计 控 制 方 案 ， 并 根 据 系 统性 能 指 标 要 求 设 计 系 统 硬 件 和 软 件 ， 以 实 现 系 统功 能 。 应 用 设 计 或 工 程 设 计 按 顺 序 可 分

3、为 5个 阶 段 。 可 行 性 研 究系 统 总 体 方 案 设 计 硬 件 和 软 件 的 细 化 设 计 系 统 调 试 现 场 安 装 、 投 运 图 11 1 控 制 系 统 设 计 示 意 图 11 2 计 算 机 控 制 系 统 抗 干 扰 技 术 1 干 扰 的 来 源 与 种 类 外 部 干 扰 是 指 那 些 与 系 统 结 构 无 关 ， 由 使用 条 件 和 外 界 环 境 因 素 所 决 定 的 干 扰 。 它 主 要来 自 自 然 界 以 及 周 围 的 电 气 设 备 。外 部 干 扰内 部 干 扰 内 部 干 扰 是 指 计 算 机 控 制 系 统 内 部 的

4、各 种 元器 件 引 起 的 各 种 干 扰 2 硬 件 抗 干 扰 技 术 电 源 系 统 抗 干 扰 方 法 采 用 低 通 滤 波 器 图 11 2 双 型 滤 波 器 采 用 低 通 滤 波器 抑 制 电 网 侵入 的 外 部 高 频干 扰 是 常 用 的一 种 方 案 。 低通 滤 波 器 可 让50HZ的 工 频几 乎 无 衰 减 地通 过 ， 而 滤 去高 于 50Hz的高 次 谐 波 。 采 用 隔 离 变 压 器 图 11 3 三 相 隔 离 变 压 器 抑 制 电 源 干 扰 变 压 器 的 一 次侧 按 三 角 形 接法 联 结 。 二 次侧 按 星 型 接 法联 结 。

5、 有 利 于抑 制 工 频 3次以 上 谐 波 对 控制 系 统 的 干 扰 。 采 用 能 抑 制 交 流 电 源 干 扰 的 计 算 机 系 统 电 源 图 11 5 计 算 机 系 统 电 源 抑制交流电源线上引入的高频干扰抑制进入交流电源线上的瞬时干扰 原、副边之间加有静电屏蔽层 电 源 分 组 供 电 图116 电源分组供电 将 输 入 通 道 电 源 和 其 他 设 备 电 源 分 开 ， 以 防 止设 备 间 的 干 扰 。 直 流 电 源 的 抗 干 扰 措 施 u直 流 电 源 一 般 带 有 各 种 频 率 的 信 号 。 为 消 除 这 种 干 扰 ，每 块 集 成 芯

6、片 的 电 源 与 地 线 引 入 端 应 接 一 片 的 无 感 瓷 片 电容 。u若 一 个 装 置 中 有 多 块 逻 辑 印 刷 线 路 板 时 ， 一 般 应 在 每 块板 的 电 源 和 地 线 的 引 入 处 并 接 一 个 10 100的 电 解 电 容 和 一个 的 无 感 瓷 片 电 容 ， 以 防 止 板 间 的 相 互 干 扰 。u最 好 是 每 块 印 刷 电 路 板 都 装 一 片 或 几 片 “ 稳 压 块 ” （ 如7815、 LM317、 7805） 形 成 独 立 的 供 电 系 统 ， 这 样 能 较 好防 止 板 间 的 相 互 干 扰 。u逻 辑 电

7、路 板 上 的 直 流 电 源 线 与 地 线 的 布 线 也 要 注 意 合 理布 线 ， 不 要 使 电 源 形 成 环 路 。 过 程 通 道 抗 干 扰 方 法 串 模 干 扰 及 其 抑 制 方 法 被测信号指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号 干扰噪声指无用的变化较快的杂乱交变信号串 模 干 扰 是 指 叠 加在 被 测 信 号 上 的 干扰 噪 声 。 图 11 7 串 模 干 扰 示 意 图 （ a） 干 扰 情 况 (b) 干 扰 的 一 种 形 式 (c) 干 扰 的 另 一 种 形 式 串 模 干 扰 的 抑 制 a. 如 果 串 模 干 扰 频 率 比 被 测 信 号

8、频 率 高 ， 采 用 输入 低 通 滤 波 器 ； 如 果 串 模 干 扰 频 率 比 被 测 信 号 频 率低 ， 则 采 用 高 通 滤 波 器 ； 如 果 串 模 干 扰 频 率 落 在 被测 信 号 频 谱 的 两 侧 ， 则 采 用 带 通 滤 波 器 。 图 11 8 二 级 阻 容 滤 波 网 络 采 用 二 级 阻 容滤 波 网 络 可 使50Hz的 串 模干 扰 信 号 衰 减600倍 左 右 。 b. 当 尖 峰 型 串 模 干 扰 成 为 主 要 干 扰 源 时 ， 用 双 积 分 式 A D转 换 器 可 以 削 弱 串 模 干 扰 的 影 响 。 c. 对 于 串

9、模 干 扰 主 要 来 自 电 磁 感 应 的 情 况 下 ， 对 被 测 信 号 应 尽 可 能 早 地 进 行 前 置 放 大 ， 或 者 尽 可 能 早 的 完 成 模 /数 转 换 或 采 取 隔 离 和 屏 蔽 等 措 施 。d. 对 于 主 要 由 元 器 件 内 部 的 热 扰 动 产 生 的 随 机 噪 声 所 形 成 的 串 模 干 扰 ， 或 在 数 字 信 号 的 传 送 过 程 中 夹 带 的 低 噪 声 或 窄 脉 冲 干 扰 时 ， 可 采 用 高 抗 扰 度 逻 辑 器 件 ； e. 采 用 双 绞 线 作 信 号 引 线 减 少 电 磁 感 应 ， 并 且 使

10、各 个 小 环 路 的 感 应 电 势 互 相 呈 反 向 抵 消 。 共 模 干 扰 及 其 抑 制 方 法 共 模 干 扰 是 指 模 数转 换 器 两 个 输 入 端 上公 有 的 干 扰 电 压 。 图 11 9 共 模 干 扰 示 意 图这 种 干 扰 可 能是 直 流 电 压 ，也 可 能 是 交 流电 压 ， 其 幅 值可 达 几 伏 甚 至更 高 ， 取 决 于现 场 产 生 干 扰的 环 境 条 件 和计 算 机 等 设 备的 接 地 情 况 。 在 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 被 测 信 号 有 单 端 对 地输 入 和 双 端 不 对 地 输 入 两 种 输 入

11、方 式 ， 如 图 。 对于 存 在 共 模 干 扰 的 场 合 ， 不 能 采 用 单 端 对 地 输 入方 式 ， 必 须 采 用 双 端 不 对 地 输 入 方 式 。 图 11 10被 测 信 号 的 输 入 方 式(a) 单 端 对 地 （ b） 双 端 不 对 地 共 模 干 扰 的 抑 制 a. 变 压 器 隔 离 利 用 变 压 器 把 模 拟 信 号 电 路 与 数 字 信 号 电 路隔 离 开 来 ， 以 使 共 模 干 扰 电 压 不 成 回 路 ， 从 而 抑制 共 模 干 扰 。 图 11 11变 压 器 隔 离 b. 光 电 隔 离 发 光 二 极 管 和 光 敏

12、三 极 管 之 间 的 信 号 是 靠 发 光二 极 管 在 信 号 电 压 的 控 制 下 发 光 ，传 给 光 敏 三 极 管 来 完 成 的 。 图 11 12 光 电 隔 离 容易实现，成本低，体积小。广泛的应用。 c. 浮 地 屏 蔽 利 用 屏 蔽 方 法 使 输 入 信 号 的 “ 模 拟 地 ” 浮 空 ，从 而 达 到 抑 制 共 模 干 扰 的 目 的 。 图 11 13 浮 地 输 入 双 层 屏 蔽 放 大 器 长 线 传 输 的 干 扰 及 其 抑 制 方 法 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 当 所 传 输 的 信 号 波 长 可 与传 输 线 的 长 度 相 比

13、 拟 时 ， 或 当 传 输 线 长 度 远 远 超 过传 输 信 号 波 长 时 ， 就 构 成 长 线 传 输 。 传 输 线 路 对 于 有 用 信 号 的 不 利 作 用 ： 信 号 滞 后 作 用 ； 波 形 畸 变 衰 减 作 用 ； 外 界 电 磁 波 、 电 磁 场 、 静 电 场 和 其 它 传 输 线的 干 扰 作 用 ； 由 于 分 布 电 容 和 分 布 电 感 的 影 响 ， 可 能 会 产生 “ 长 线 效 应 ” 。 长 线 传 输 干 扰 的 抑 制 长 线 传 输 一 般 选 用 同 轴 电 缆 或 双 绞 线 ， 在 电 场干 扰 较 强 时 可 采 用 屏

14、 蔽 双 绞 线 。 采 用 终 端 阻 抗 匹 配 或 始 端 阻 抗 匹 配 ， 可 以 消 除长 线 传 输 中 的 波 反 射 或 者 把 它 抑 制 到 最 低 限 度 。 图 11 14 测 量 传 输 线 波 阻 抗 传 输 线 波 阻 抗 的 测 量 时，门A输出的波形不畸变，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗。pRR 00p CLR 无 损 耗 导 线 的 波 阻 抗 、 分 别 为 单 位 长 度 的 电 感 和 电 容 。 0L 0CpR 图 11 15 终 端 匹 配 (b)改 进 后 的 终 端 匹 配 (a)简 单 的 终 端 匹 配 （ a)当 时 ，

15、 消除 了 波 反 射 。 降 低了 高 电 平 的 抗 干 扰能 力 。pRR 21 21 RR RRR （ b)适 当 调 整 和 的 阻 值 ， 可 使 1R 2R pRR 终 端 匹 配 在 传 输 线 始 端 串 入 电 阻 ， 也 能 消 除 反 射 。始 端 匹 配 scp RRR 选 图 11 16 始 端 匹 配scR 为 门 A输 出 低 电 平 时 的 输 出 阻 抗 。 这 种 匹 配 方法 的 优 点 是波 形 的 高 电平 不 变 ， 缺点 是 波 形 低电 平 会 抬 高 。 接 地 技 术 模拟地作为传感器、变送器、放大器、AD和DA转换器中模拟电路的零电位。数

16、字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开。 安全地使设备机 壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连 。 图 11 18 SGP接 地 系 统 示 意 图 计 算 机 控 制 系统 中 采 用 公 共接 地 点 (SGP)系 统 。 选 中 一点 作 为 系 统 接地 点 ， 系 统 中各 个 参 考 接 地点 均 与 SGP点连 接 ， 防 止 接地 回 路 的 形 成 。通 常 把 铜 网 埋入 地 面 深 处 ，然 后 用 铜 排 接到 SGP点 上 。 3 软 件 抗 干 扰 技 术 数 字 滤 波 设 立 软 件

17、 陷 阱 数 字 滤 波 技 术 是 在 干 扰 通 过 输 入 通 道 进 入 计 算 机后 的 一 种 软 件 抗 干 扰 的 补 救 办 法 。 为 防 止 “ 程 序 失 控 ” 现 象 ， 在 软 件 中 设 立 陷 阱 。在 ROM或 RAM中 ， 每 隔 一 些 指 令 ， 把 连 续 的 几 个单 元 置 成 “ 空 操 作 ” 。 当 出 现 程 序 失 控 时 ， 只 要 失控 的 微 机 进 入 这 众 多 的 软 件 陷 阱 中 的 任 何 一 个 ， 都会 被 捕 获 。 执 行 空 操 作 后 ， 程 序 自 动 恢 复 正 常 ， 继续 执 行 后 面 的 程 序

18、 。 时 间 监 视 器 图 11 19 看 门 狗 及 软 件 复 位 电 路 如 图 看 门 狗 电 路 。有 看 门 狗 、 软 件 复位 、 上 电 复 位 和 开关 复 位 等 功 ， 、 决 定 上 电 复 位 时 间常 数 ， 、 决 定 看门 狗 电 路 的 检 测 时间 ， 、 决 定 复位 脉 冲 的 宽 度 ，P1.1为 软 件 复 位 输入 端 ， P1.4为 看 门狗 电 路 监 测 输 入 端 。 1R 1C3R 3C 2R 2C 故 障 自 诊 断 技 术 计 算 机 控 制 系 统 从 元 件 到 部 件 、 到 整 机 ， 从主 机 到 外 设 ， 在 运 行

19、 的 过 程 中 均 可 能 发 生 故 障 。为 了 迅 速 准 确 的 确 定 系 统 内 部 是 否 发 生 故 障 ， 以及 故 障 发 生 的 部 位 ， 一 个 高 性 能 的 计 算 机 控 制 系统 必 须 具 有 故 障 自 诊 断 功 能 。 自 诊 断 功 能 主 要 具 备 ： 检 查 CPU、 RAM、 输入 输 出 通 道 、 控 制 软 件 及 寄 存 器 等 数 据 的 有 效性 ； 设 定 软 件 模 块 出 入 口 标 志 和 程 序 存 储 区 的 写保 护 ； 对 于 DCS系 统 ， 给 每 个 直 接 控 制 器 设 置 一 个监 视 定 时 器 等 功 能 。