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1、课程设计(综合实验)报告（2012 - 2013 年度第 2 学期）名 称： 计算机控制技术与系统 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计算机控制技术与系统课程设计任 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任务的要求，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
2、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；8PLC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及设计；17生物质发电及综合利用技术分析设计。三
3、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2013年6月17日2文献资料学习，根据所选题目进行方案设计2013年6月18日3与指导老师讨论设计内容修改设计方案2013年6月19日4撰写课程设计报告2013年6月20日5课程设计答辩2013年6月21日四设计成果要求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技术与系统课程设计成绩评定依据如下：1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
4、综合评定分为优、良、中、及格、不及格。学生姓名：李俊杰指导教师：程海燕2013年6月21日一、目的与要求1了解干扰的基本概念和形成原理；2分析干扰的主要来源及干扰分类；3结合实际情况，了解和掌握干扰的主要传播途径；4具体分析开关量输入/输出通道干扰形成的异同和输入通道和输出通道的抗干扰措施；5开关量I/O通道抗干扰可实现方案的设计。选择开关量I/O通道的一个具体抗干扰方案，详细解释和分析抗干扰的方法、适用条件和选取原则。二、设计正文1开关量I/O通道的任务及作用：开关量输入通道DI的任务及作用：将现场的开关量信号或控制表盘中各种继电器触点信号，有选择地输给计算机。（1）定时记录生产过程中某些设
5、备的状态；（2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。如有异常，则及时向主机发出请求信号，申请故障处理。开关量输出通道DO的任务及作用：产生开关量信号，用以操控生产过程中具有两位状态的设备。（1）直接操控现场具有两位状态的设备。当被控制的这些设备需要较大电流或较高电压才能操作时，则可通过中间继电器或大功率的无触点开关来实现；（2）实现报警及中断请求任务。2干扰源的分析： 在计算机控制系统中，干扰的来源错综复杂，干扰信号的大小，不但与外界条件如温度、振动、冲击以及电磁场有关，而且与计算机系统自身的连接、电源质量以及软件设置有关。因此在一个系统中，要完全消除干扰是很困难的，只能
6、尽量减小或降低干扰对系统的影响，以保证系统的正常工作。计算机控制系统所受到的干扰源分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是指由于系统或设备内在因素产生的干扰，主要有元器件的固有噪声，分布电容、分布电感引起的耦合效应，长线传输中波的反射，多点接地引起的电位差，寄生电容振荡引起的干扰以及电源系统引入的干扰。外部干扰是指由于系统以外的因素造成的干扰，通常来自两个方面，一是工作环境方面的因素，如大功率电气设备、输电线路产生的电磁场、无线电广播或通信发射的无线电波、火花放电、弧光放电、辉光放电产生的干扰等。二是受自然界方面的干扰，如雷电、天体辐射电磁波、气温和湿度等气象条件等因素引起的干扰。MCS-51系列及
7、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。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： 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。 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
8、声也越大。按照经验公式计算，计算机主频为1MHz、传输远于0.5m,或主频为4MHz、传输远于0.3m时，都应作为长线传输来考虑。 控制电路中存在继电器元件:继电器主要以对电流吸收、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10ms）。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
9、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。3干扰传播的途径：主要有“路”和“场”两种形式。凡是通过电路形式作用于被干扰对象的，都属于路的干扰；凡是通过电磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于场的干扰。干扰信号的传播主要途径如图： 途径为“路”的干扰：（1）通过泄露电阻的干扰：元器件的支架、接线柱、印刷电路板及电容介质的绝缘不良，都会形成泄露电阻形式的干扰源，从而对有关电路造成干扰。当干扰点发生在微弱信号测量设备的输入端或者前级电路时，其影响就更为明显。而且，被干扰点的等效阻抗越高，干扰造成的影响就越大。 （2）公共阻抗耦合干扰：是指有两个或者两个以上电路公用一个
10、阻抗，当部分电路的电流流过公共阻抗时会产生压降（电流大则更严重），这就会成为其他电路的干扰电压。如图，大功率部件将会给小功率部件带来干扰。 （3）信号输入/输出回路引进的干扰：信号的输入回路是外部各种干扰以“路”的形式引进系统的主要途径之一。因为系统采集的信号多在环境干扰比较复杂的现场，所以容易受各种干扰的影响；信号的输出，一般带有驱动电路，不但功率大而且常常与一些电磁执行机构相连接，这些大功率设备的电磁干扰信号，最后会以“路”的形式，通过输出回路反馈到系统内部形成干扰。（4）经电源回路引进的干扰：交流电源线路在现场的分布，相当于构成了吸收各种干扰的网络。它接收到的干扰，经过电源引线进入系统各
11、部件，造成干扰。最严重的是电压突跳的干扰。 途径为场的干扰：（1） 通过电场耦合的干扰：电场耦合就是电容性耦合。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，Cl2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） 通过磁场耦合的干扰：磁场耦合也就是互感性耦合。空间的磁场耦合
12、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。（3）通过辐射电磁场的耦合干扰：大功率的高频用电设备，如电视发射台、无线广播电台等，都是通过磁场耦合形成强的干扰源。各种长信号线、电源的配电
13、线都会在这种辐射磁场中感应出干扰电动势，随信号线和电源线进入系统，造成干扰。4I/O通道抗干扰的措施和方案：形成干扰的原因主要有干扰源、干扰途径和干扰接收对象三方面因素，为消除干扰，就要从这三个方面采取措施。 干扰形成的原因 在数字量通道中，传输的信号都具有“开”或“关”两种状态的量，无论是机械还是电子开关，他们的状态变化都是通过电信号的变化送给主机的。这些电信号所用的电源相对于主机电源一般瞬时功率是很大的，而且电压等级不一，性能也不够高，这样将会给主机系统带来较大的干扰。干扰沿I/O通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线，并且首当其冲的是A/D和各种输入装置。因此，除了
14、要求I/O装置具有很强的抗干扰能力外，还要设法削弱和斩断来自公共地线的干扰，同时要保证信号回路畅通。（1）I/O通道的信号传输线路设计和接线施工中应该采取以下措施： 高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件，不得已时可以将高电平线和低电平线分立两边，中间留出备用线或地线； 模拟信号与数字信号最好不要走同一根电缆； 信号线与电源线要分开，并尽量避免平行敷设。有条件的地方应尽量使两者正交。这种正交的接线可使线路间的杂散电容降至0，也可将电场耦合及磁场耦合形成的干扰电压降至最小； 采用双绞线（或带屏蔽的双线）或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。尤其是长距离信号传输时，必须选用屏蔽线或屏蔽电缆
15、，其屏蔽层都要接地，以抑制静电感应干扰。有条件的话，还可以采用不受电磁干扰的光导纤维； 不同类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽里，并尽量使其有最大可能的空间；信号线应尽量靠近地线或者用地线包围它； 采用信号隔离措施，如用变压器耦合装置或光电耦合装置进行隔离；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、输入失调电压漂移低、宽频带、功耗低、隔离电源输出，增益范围可调等优点；光电耦合装置用于数字信号或模拟信号的隔离，它的传输信号是单方向的，具有寄生反馈小、传传输信号频带宽、体积小、耐冲击、绝缘电压高、抗干扰能力强等优点，可有效
16、地切断计算机与信号通道的电气联系，从而切断干扰引入传输线的通道（注意：在使用光电隔离技术时，应特别注意各隔离部分要独立供电，既要有独立的地线和电源线，否则起不到隔离作用）。 变压器隔离：隔离变压器是最常用的隔离元件之一，用来阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。是利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。原理图如下： 变压器隔离光电隔离： 光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离，如下图所示。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器可以实现模拟信号的隔离，也可以实现数字量的隔离。注意：光电隔离
17、前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。光耦合器具有强抗干扰能力的原因：光耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻很大，所以能分压到光耦合器输入端的噪声很小。发光二极管在电流状态下工作，而干扰虽有较高的电压，但能量小，不能提供足够的电流而被抑制掉。密封条件下工作，不受外界光的干扰。分布电容小而绝缘电阻大，回路一边的干扰很难通过光耦合器馈送到另一边去。当用于模拟信号的隔离时，对光电耦合器的线性特性要求较高，而且一般要配以相应的校正电路来保证信号的线性传送。现已有专门用于传递模拟信号的线性光电耦合器，例如B-B公司的ISO100。由于光电耦合器具有可靠的开关特性，所以用它来实现数字信号的隔离是目前光电隔
18、离的主要形式。对模拟信号的隔离也可以通过V/F变换器将其变成不同频率的数字信号，然后由光电耦合器传送。 采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。反之，则采用高通滤波器。如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。反之，则采用高通滤波器。如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用二级阻容低通滤波网络作为A/
19、D的输入滤波器； 当干扰主要来自电磁感应时，应对被测信号尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路信噪比的目的； 能早地完成A/D转换，例如将A/D转换放在智能变送器上完成，变送器与计算机剑客采用数字通信，以利用数字信号抗干扰性能强的特点； 浮地屏蔽。采用浮地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，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。（2）I/O通道软件抗干扰措施： 开关量(数字量)输入抗干扰措施：对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上可采取多次读取的方法(至少读两次)，认为无误后再行输入，如下图所示： 多次读入流程图 开关量(数字量)输
20、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，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开启闸门。这样，就可以较好地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。三、可实现方案数字滤波的设计：（一）数字滤波概述和一般方法 来自传感器或者变送器的信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口处用RC低通滤波器。RC滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。而数字滤波器可以对极低频干扰信号进行滤波，
21、以弥补RC滤波器的不足。 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入信号进行数学处理，减少干扰在信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬设备，只需要根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。下面是常用的集中数字滤波方法：1限幅滤波法（又称程序判断滤波法）很多物理量的变化都存在一定的范围。根据经验判断，确定连续两次采样xi和xi-1允许的最大偏差值（设为A），如果xi与xi-1之差A，则本次采样xi有效；如果xi与xi-1之差A，则本次采样xi无效，放弃本次值，用前一次采样值xi-1代替本次采样值xi。 此方法的优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但是却
22、无法抑制周期性的干扰，平滑度较差。2中位值滤波法中位值滤波法是连续采样n次（一般取奇数），把n次采样值xii=1-n按大小排列，形成有序数据xii=1-n，取中间值为本次有效值。此方法的优点是能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但对流量、速度等快速变化的参数的滤波效果较差。3算术平均滤波法算术平均滤波法就是对连续n个采样值进行算术平均运算，其算术表达式为式（3），当n值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；当n值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。算术平均滤波法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。但对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的
23、实时控制不适用。4滑动平均滤波法（又称递推平均滤波法）把连续取得的n个采样值存入缓冲区，然后每得到一个新采样值就存入这个缓冲区，同时将最早的采样值去掉（先进先出原则），对缓冲区中保留的n个采样值进行算术平均运算，得到新的滤波结果。该方法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度较高，适用于高频振荡的系统。缺点是灵敏度较低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费数据存储器的空间。5其他滤波法在一些特殊场合还可能使用到一阶滞后滤波法，加权递推平均滤波法、中位值平均滤波法（又称去极值平均滤波法）、限幅平均滤波法、消抖滤波法、限
24、幅消抖滤波法等多种滤波方法。（二）数字滤波器的性能要求 我们在进行滤波器设计时，需要确定其性能指标。滤波器按功能划分可分为低通、高通、带通、带阻四种滤波器。一般来说，滤波器的性能要求往往以频率响应的幅度特性的允许误差来表征。开关量输入输出一般以低通滤波器特性为主，频率响应有通带、过渡带及阻带三个范围。在通带内：1-AP|H(ej)|12-|c在阻带中：|H(ej)|Astst|c 低通滤波器频率响应幅度特性的容限图其中c为通带截止频率,st为阻带截止频率，Ap为通带误差,Ast为阻带误差。（三）数字滤波算法的选择原则：1首先要考虑主机（计算机、单片机等）的存储量、运算速度、运算能力以及实时性是
25、否满足实际测量要求。2针对主要干扰源选择适当的滤波算法。在实际工作环境中，会存在很多不同的干扰源，应该分析查找对系统的测试准确度影响最大的干扰，然后再选择比较适应这个主要干扰源的滤波算法。3综合滤波算法的选用。如果测量系统的干扰比较复杂，对测量、控制结果影响比较严重，或者整体系统对测量数据的准确度和平滑度要求比较高，就可以将几种滤波方法综合使用，以获得良好的效果。在实际测量过程中，各类数字采集系统所采用的测量原理不同，测量对象的物理性能也有所不同。数字滤波算法也有很多种。平均值滤波法适用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，惯性滤波法适用于高频或低频的干扰信号，加权平均值
26、滤波法适用于纯迟滞较大的被控对象。我们要全面掌握实际情况，根据数字滤波选择原则，结合不断积累的实际工作经验，合理选择一种滤波算法或综合几种滤波算法，以达到最佳的滤波效果，获得比较理想的数据。（四）设计小结确定好所需要设计的滤波器用途后，首先对其进行性能需求分析，明确该系统应该达到的各种性能指标，其次，拟定多种滤波器类型，对这些方案采用Matlab进行仿真，进行综合分析和比较，选择出最佳的滤波器类型作为本设计方案。四、课程设计总结：通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我深深了解了干扰对计算机控制系统产生的影响是不可忽视的，计算机系统必须长期稳定可靠地运行，否
27、则就会导致系统系统误差增大，严重时会使系统失灵，造成巨大损失。这个方案设计了开关量通道的几个抗干扰措施。干扰对计算机控制系统的影响是多方面的，所以抗干扰措施也是多种多样的。有些措施是通用的抗干扰技术，而有些却是对特定环境和条件下的具体解决办法。对于控制系统输入/输出抗干扰来讲，将控制条件的“一次采样、处理控制输出”改为“多次采样、处理控制输出”，可有效地消除偶然干扰。计算机控制系统的稳定、可靠运行是系统设计的重要内容之一。通过这次课程设计，让我理解了干扰的基本概念，了解了隔离技术、屏蔽技术、接地技术、电源抗干扰技术和提高系统可靠性的常用方法。通过本课程设计，使我加深了对所学课程内容的理解和掌握，培养提高了我查阅文献、相关资料以及组织素材的能力，锻炼了我结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力。五、参考文献：1汤楠、穆向阳 计算机控制技术 西安电子科技大学出版社 2009.82李大中、周黎辉、焦嵩鸣 计算机控制技术与系统.中国电力出版社 2009.3潘新民 微型计算机控制技术 北京电子工业出版社 2003.4徐文尚 计算机控制系统 北京大学出版社 2007 5刘士荣 计算机控制系统 机械工业出版社 20086刘川来、胡乃平 计算机控制技术 机械工业出版社 2007 李俊杰 2013/6/21