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说明

1、课程设计报告名称：电脑控制系统A题目：交换机I/O通道的抗干扰措施分析和设计可实现的解决方案计算机控制系统A课程设计任务书一、目的和要求1、通过本课程的设计和教学，加深学生对课程内容的理解和掌握；2.结合工程问题，培养和提高学生查阅文献、相关资料和整理资料的能力；3. 结合工程问题培养和锻炼学生独立分析、思考和解决问题的能力；4.要求学生能够根据工程问题和实际应用方案的要求，运用所学课程的基本理论和设计方法，对方案进行总体设计和分析评价；5、报告原则上要求按照相应的工程技术规定进行设计、绘图、分析和撰写。二、主要内容1、数字控制算法分析与设计；2. 现代控制理论算法分析与设计3. 模糊控制理论

2、算法分析与设计4、过程数字控制系统分析与设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置的硬件电路及软件方案设计；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、数据通信接口电路软硬件方案设计及性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟工艺参数的检测及数字化处理方法；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及安全可靠性措施分析与设计14、计算机控制系统误差控制技术分析与设计15.计算机控制系统容错技术分析与设计16.工程过程建模方法分析3. 进度计划序列号设计内容完成时间评论1选择课程设计主题并查阅相关文

3、献2根据所选主题设计文献资料的研究3讨论设计并修改设计方案4撰写课程设计报告5课程设计防御4、对设计结果的要求1. 选题国外申请发展概况；2、课程设计的主要内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及复习、分析等；3. 课程设计总结或结论与参考资料；4、设计报告规范要求完整。五、考试方式计算机控制系统课程设计的评价标准如下：1.撰写课程设计报告；2、设计过程中的独立工作能力和表现；3.答辩时回答问题。成绩分为优、良、中、及格、不及格五个等级。一、目的和要求1、通过本课程的设计和教学，加深学生对课程内容的理解和掌握；2.结合工程问题，培养和提高学生查阅文献、相关资料和整理资料的能力；3. 结合工

4、程问题培养和锻炼学生独立分析、思考和解决问题的能力；4.要求学生能够根据工程问题和实际应用方案的要求，运用所学课程的基本理论和设计方法，对方案进行总体设计和分析评价；5、报告原则上要求按照相应的工程技术规定进行设计、绘图、分析和撰写。2.设计文字1 干扰源分析计算机控制系统接收到的干扰源分为外部干扰和外部干扰。外部干扰的主要来源有：电网波动、大型电气设备（如起重机、电炉、大型电机、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。外部干扰主要包括：系统软件不稳定、分布电容或分布电感引起的干扰、多点接地引起的电位差对系统的影响。操作，不良后果严重。大部分干扰是从工艺通道引入的

5、，因此在设计工艺通道时需要考虑抗干扰和系统可靠性问题。MCS-51系列等高端单片芯片的I/O口具有一定的驱动能力，部分开关控制信号可以直接连接到计算机芯片的引脚或总线上（如键盘开关、限位开关等）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， U 1高电平表示检测信号有效。虽然数字信号比模拟信号“干净”得多，但干扰仍然存在，并以随机脉冲序列的形式进入电路。主要原因如下：1.1 电力系统的干扰我国电源噪声干扰主要表现在过压、欠压、断电、浪涌和峰值电压等，容易形成开关电平信号的浮动，使逻辑可靠性变差；峰值电压进入电路并耦合到输入端。在交换机上，会导致计算机检测错误。1.2

6、 信号传输线过长电阻和分布电容存在于任何电源和信号源电路中，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；系统的主振动频率越高，传动噪声越大。根据经验公式计算，当计算机主频为1MHz且传输远超0.5 m，或主频为4MHz且传输远超0.3 m时，应视为长期传输。1.3 控制电路中继电器元件的存在继电器主要以电流吸收和释放为基本工作状态，工作电流远大于微机芯片的工作电流。因此，继电器动作时，电路中必然会产生一些干扰脉冲。这些扰动主要有两个特点：一是脉冲是一系列幅值不同的脉冲，二是脉冲序列的宽度有限（一般小于10 ms ） 。如果U 1 端的脉冲耦合电压超过1V，将作为错误检测信号输入计算

7、机。例如印染厂平网印花机的印花单元是一个以开关量为状态输入信号，继电器为控制输出信号的单片机控制系统。此外，控制系统附近大型电气设备的启动和使用也会产生类似的干扰现象。2. 干扰传播方式2.1 静电耦合电线之间的静电耦合静电耦合是电场通过电容耦合逃逸到其他线路中。分布电容将在两条并排的导线之间形成。例如，在印刷电路板上的印刷电路之间和变压器绕组之间会形成分布电容。上图显示了两条平行线之间的静电耦合示意图。 Cl 2 是两根导线之间的分布电容，C1g和C2g是导线对地的电容，R是导线2对地的电阻。如果导线1上有信号U1，就会成为导线2的干扰源，导线2上就会产生干扰电压Un。显然，干扰电压Un与干

8、扰源的大小有关U1、分布电容Cl2和C2g。2.2 磁场耦合空间中的磁场耦合是通过导体之间的互感耦合的。在任何载流导体周围的空间中都会产生磁场，并且交变磁场会在其周围的闭合电路中感应出感应电势。例如设备或变压器的线圈漏磁会造成干扰，而当两根普通电线并联架设时，也会产生磁场干扰，如下图所示。如果线1是承载10kVA和220V的交流输电线路，线2是与其间隔1米平行的信号线，10米两线之间的互感M会使信号线上感应的干扰电压Un达到高达几十毫秒伏。如果线导线间的磁场耦合2.3 共阻抗耦合公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流过一个公共阻抗时，一个电路的阻抗两端的电压降影响另一个电路，从而产生干扰噪声的影响

9、。下图为普通电源线的阻抗耦合示意图。公共电源线的阻抗耦合在印刷电路板上，运算放大器A1和A2是两个独立的回路，但都连接到一个公共电源上，电源回线的等效电阻R1和R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i 1 发生变化时，R1 和R2 两端电压降的变化会影响另一个回路电流i 2。反之亦然。三、抗干扰措施及方案干扰沿I/O通道进入计算机系统的主要原因是进程通道与上位机有共地，A/D和各种输入设备首当其冲。因此，除了要求I/O设备有较强的抗干扰能力外，还要尽量削弱和切断来自公共地线的干扰，同时保证信号回路畅通。畅通。3.1 I/O通道的信号传输线设计和布线施工应采取以下措施：3.1.1高电平线和低电平线

10、不要使用相同的电缆或相同的插件。如有必要，将两侧的高电平线和低电平线分开，中间留一条备用线或地线。3.1.2模拟信号和数字信号最好不要使用同一根电缆。3.1.3信号线和电源线要分开，尽量避免平行敷设。在可能的情况下，尽量使两者正交。这种正交布线可以将线间的杂散电容降低到零，也可以将电场耦合和磁场耦合形成的干扰电压降到最低。3.1.4使用双绞线（或屏蔽线对）或同轴电缆可以大大降低电磁干扰。特别是长距离信号传输，必须选择屏蔽线或屏蔽电缆，屏蔽层必须接地，以抑制静电感应干扰。有条件的，也可以使用不受电磁干扰的光纤。3.1.5不同类型的电线应安装在不同的电缆槽或电缆槽中，并尽量使它们有尽可能大的空间；

11、信号线应尽可能靠近地线或被地线包围。3.1.6采取信号隔离措施，如用光耦或变压器耦合器隔离。光电耦合装置用于数字信号或模拟信号的隔离。其传输信号是单向的，具有寄生反馈小、传输信号传输频率宽、体积小、耐冲击、绝缘电压高、抗干扰能力强等优点。它可以有效地切断计算机与信号通道之间的电气连接，从而切断将干扰引入传输线的通道。变压器耦合装置又称隔离放大器，通常由滤波、放大、增益调节、调制、隔离变压器、解调、输出级等部分组成，具有精度高、输入失调电压漂移小、频带宽、功耗低等特点。 ，隔离电源输出，增益范围可调等。 （注意：使用光电隔离技术时，要特别注意各个隔离部分的独立供电，以及独立的地线和电源线，否则起

12、不到隔离效果。）3.1.6.1 隔离变压器是最常用的隔离元件之一，用于阻断干扰信号的传导路径，抑制干扰信号的强度。变压器用于将模拟信号电路与数字信号电路隔离，即模拟地与数字地断开，使共模干扰电压不形成环路，从而抑制共模干扰。示意图如下：3.1.6.2 光隔离光电隔离是利用光电耦合器完成信号传输，实现电路隔离，如下图所示。根据所使用的器件和电路的不同，模拟信号的隔离和数字量的隔离也可以通过光耦合器来实现。注意光电隔离前后两部分电路应分别使用两个独立电源。光耦抗干扰能力强的原因：光耦的输入阻抗很小，干扰源电阻很大，所以光耦输入端能分到的噪声很小。发光二极管工作在电流状态，干扰虽然电压高，但能量小，

13、不能提供足够的电流而被抑制。它在密封条件下工作，不受外界光线的干扰。分布电容小，绝缘电阻大，环路一侧的干扰很难通过光耦馈送到另一侧。示意图如下：用于模拟信号的隔离时，对光耦的线性特性要求较高，一般需要相应的校正电路来保证信号的线性传输。有专门用于传输模拟信号的线性光耦，如BB公司的ISO100。由于光耦具有可靠的开关特性，实现数字信号的隔离是目前光电隔离的主要形式。模拟信号的隔离也可以通过V/F转换器转换成不同频率的数字信号，再由光耦传输。3.1.7使用输入滤波器，可以消除大部分干扰。如果干扰频率高于有用频率，则使用低通滤波器抑制高频串模干扰。否则，使用高通滤波器。如果干扰频率落在被测信号频谱

14、附近，则使用带通滤波器更为合适。一般来说，干扰信号的频率高于被测信号的频率，因此使用输入滤波器，可以消除大部分干扰。如果干扰频率高于有用频率，则使用低通滤波器抑制高频串模干扰。否则，使用高通滤波器。如果干扰频率落在被测信号频谱附近，则使用带通滤波器更为合适。一般情况下，干扰信号的频率高于被测信号的频率，因此采用两级阻容低通滤波网络作为A/D的输入滤波器。如下所示。3.1.8当干扰主要来自电磁感应时，应尽早对被测信号进行前置放大，以达到提高环路信噪比的目的。3.1.9A/D转换可以提前完成，例如在智能发射机上完成A/D转换，发射机与电脑剑客采用数字通信，利用数字信号的强抗干扰性能。3.1.10浮

15、盾采用浮动输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如下图所示。所谓浮地，就是利用屏蔽的方法，使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。3.2 I/O通道软件抗干扰措施3.2.1开关量（数字量）输入抗干扰措施对于开关量的输入，为了保证信息的准确性，软件可以采取多次（至少两次）读取的方法，认为正确后再输入，如下图.3.2.2开关量（数字量）输出抗干扰措施当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为防止这些执行机构因外界干扰而误动作，如关闭的闸门、料斗可半开；打开的门和料斗可能会在中间突然关闭。对于这些故障，可以在应用程序中定期发出输出命令，以连续关闭或打开闸门。这样，可以更好地消除干扰引起的故障（开或关）。三、课程设计总结通过本次课程设计，我们增强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们针对本方案中的开关通道设计了几种抗干扰措施。在设计过程中，经常会出现这样的情况，就是我认为这种连接方式可以工作，但始终无法真正连接电路，所以在这方面花费了很多时间。我觉得做课程设计也是为了巩固和加强课本知识。因为课本知识太多，在课间学习中不能很好的理解和使用各个组件的功能，而且测试能力有限，所以在课程设计过程中，我们了解了很多组件的功能组件。平时看课本的时候，有时看不懂问题。完成课程设计后，这些问题就迎刃而解了。还有很多要记住的。