课件第六章计算机控制系统的抗干扰技术.ppt

第六章 计算机控制系统的抗干扰技术,本章参考资料：1 微型计算机控制技术,谢剑英,国防工业出版社。2 过程计算机控制，王锦标等，清华大学出版社。3工业测控系统的抗干扰技术，葛长虹，冶金工业出版社，2006.4。4 工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术，孟传良，中国工控网。5 现场工控系统中的抗干扰相关问题分析，王子康，PLC&FA网。,第六章 计算机控制系统的抗干扰技术,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,6.2 硬件抗干扰技术,6.3 系统供电与接地技术,6.4 软件抗干扰技术,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。,6.1.1 干扰的来源,6.1.2 干扰的作用途径,6.1.3 干扰的作用形式,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,6.1.1 干扰的来源,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,1 外部干扰:指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的，主要是空间电与磁的影响，环境温度，湿度等气象条件也是外来干扰。,2 内部干扰：是由系统结构，制造工艺等决定的。,电源电网的波动、大型用电设备的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。,系统的软件干扰、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，长线传输的波反射，元器件产生的噪声。,6.1.2 干扰的作用途径,1 传导耦合：干扰由导线进入电路中称为传导耦合。,2 静电耦合：干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。,3 电磁耦合：电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。,4 公共阻抗耦合：公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,6.1.3 干扰的作用形式（1）,1 共模干扰：共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,6.1.3 干扰的作用形式（2）,2 串模干扰：串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。,6.1 工业现场的干扰及对系统的影响,6.2 硬件抗干扰技术,6.2.1 共模干扰的抑制,6.2.2 串模干扰的抑制,6.2.3 长线传输干扰的抑制,6.2.4 CPU抗干扰技术,6.2 硬件抗干扰技术,6.2.1 共模干扰的抑制,1 变压器隔离,2 光电隔离,3 浮地屏蔽,4 采用具有高共模抑制比的仪表,6.2 硬件抗干扰技术,1 变压器隔离,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，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。,6.2 硬件抗干扰技术,2 光电隔离,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。,6.2 硬件抗干扰技术,3 浮地屏蔽,浮地屏蔽：采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。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。,6.2 硬件抗干扰技术,4 采用具有高共模抑制比的仪表,采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器：仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。,6.2 硬件抗干扰技术,6.2.2 串模干扰的抑制,1.在输入回路中接入模拟滤波器,2.使用双积分式A/D转换器,3.采用双绞线作为信号线,4.电流传送,5.对信号提早处理,6.选择合理的逻辑器件来抑制。,6.2 硬件抗干扰技术,如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，应采用带通滤波器。,1.在输入回路中接入模拟滤波器,6.2 硬件抗干扰技术,2.使用双积分式A/D转换器,当尖峰型串模干扰为主要干扰时，使用双积分式A/D转换器，或在软件上采用判断滤波的方法加以消除。双积分式A/D转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。如果取积分周期等于主要串模干扰的周期或为主要串模干扰周期的整数倍，则通过积分比较变换后，对串模干扰有更好的抑制效果。,6.2 硬件抗干扰技术,3.采用双绞线作为信号线,若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除。此时，必须采用其它措施，消除干扰源。通常可在信号源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双绞线作为信号引线的目的是减少电磁。双绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。,6.2 硬件抗干扰技术,4.电流传送,当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰能力。,6.2 硬件抗干扰技术,5.对信号提早处理,1、电磁感应造成的串模干扰，对被测信号尽可能的进行前置放大，从而达到提高回路中信号噪声比的目的；2、尽可能早的完成A/D转换或者采取隔离和屏蔽措施。,6.2 硬件抗干扰技术,6.选择合理的逻辑器件来抑制。,1、采用高抗扰度逻辑器件，通过高阈值电平来抑制低噪声的干扰；2、采用低速的逻辑器件来抑制高频干扰。,6.2 硬件抗干扰技术,6.2.3 长线传输干扰的抑制,1.信号在长线中传输时会遇到三个问题：,（1）长线传输易受到外界干扰；,（2）具有信号延时；,（3）高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。,2.抗干扰措施：,采用带有屏蔽的双绞线可以在很大程度上减少空间电磁场的干扰；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。,6.2 硬件抗干扰技术,长线传输中波阻抗的测量,6.2 硬件抗干扰技术,长线传输中波阻抗的终端匹配,6.2 硬件抗干扰技术,长线传输中波阻抗的始端匹配,6.2 硬件抗干扰技术,6.2.4 CPU抗干扰技术,1 MAX1232的结构原理,2 MAX1232的主要功能,3 掉电保护和恢复运行,6.2 硬件抗干扰技术,1 MAX1232的结构原理,6.2 硬件抗干扰技术,引脚图,1 MAX1232的结构原理,6.2 硬件抗干扰技术,内部结构图,2 MAX1232的主要功能,6.2 硬件抗干扰技术,电源监控功能,按钮复位输入,监控定时器,监控电路MAX1232的典型应用,3 掉电保护和恢复运行,6.2 硬件抗干扰技术,掉电信号由监控电路MAX1232检测得到，加到微处理器的外部的外部中断输入端。在掉电中断服务子程序中，首先进行现场保护，把当时的重要参数，中间结果，某些专用寄存器的内容转移到专用的有后备电源的RAM中。其次是对有关外设作出妥善的处理。最后必须在专用的有后备电源的RAM中某一个或两个单元上作出特定标记即掉电标记。,3 掉电保护和恢复运行,6.2 硬件抗干扰技术,当电源恢复正常时，CPU重新上电复位，复位后应首先检查是否有掉电标记，如果没有，按一般开机程序执行。如果有掉电标记，不应将系统初始化，而应按照掉电中断服务子程序相反的方式恢复现场，以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作。,6.3 系统供电与接地技术,6.3.1 供电技术,6.3.2 电源系统的抗干扰技术,6.3.3 接地技术,6.3.1 供电技术,1 一般供电结构,2 具有不间断电源的供电结构,6.3 系统供电及接地技术,6.3.2 电源系统的抗干扰技术,1 抗干扰稳压电源的设计,2 电源系统的异常保护,6.3 系统供电及接地技术,（1）不间断电源UPS（2）连续备用供电系统,6.3.3 接地技术,1 微机控制系统中的地线,2 常用的接地方法,6.3 系统供电及接地技术,1 微机控制系统中的地线,数字地，或逻辑地。,(2)模拟地。,(3)安全地。又称为保护地或机壳地，屏蔽地。,(4)系统地。,(5)直流地。,(6)交流地。,6.3 系统供电及接地技术,2 常用的接地方法(1),（1）一点接地和多点接地,6.3 系统供电及接地技术,图6.15 串联一点接地,图6.16 并联一点接地,2 常用的接地方法(2),（2）模拟地和数字地的连接,6.3 系统供电及接地技术,2 常用的接地方法(3),（3）主机外壳接地,6.3 系统供电及接地技术,外壳接地，机壳浮空,2 常用的接地方法(4),（4）多机系统的接地,6.3 系统供电及接地技术,6.4 软件抗干扰技术,6.4.1 软件出错对系统的危害,6.4.2 数字滤波方法,6.4.3 开关量软件抗干扰措施,6.4.4 软件冗余技术,6.4.5 程序运行失常的软件抗干扰,6.4 软件抗干扰技术,6.4.1 软件出错对系统的危害,6.4 软件抗干扰技术,1.数据采集不可靠,2.控制失灵,3.程序运行失常,6.4.2 数字滤波方法,所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。,数字滤波与模拟滤波器相比，有以下几个优点：,(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，成本低；,(2)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；,(3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。,6.4 软件抗干扰技术,1 程序判断滤波法,(1)限幅滤波法,(2)限速滤波法,6.4 软件抗干扰技术,2 中位值滤波法,将被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把采样值按大小顺序排列，再取中间值作为本次的采样值。,6.4 软件抗干扰技术,3 算术平均值滤波法,在一个采样期内，对信号x的N次测量值进行算术平均，作为时刻k的输出。,6.4 软件抗干扰技术,4 加权平均值滤波,为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均值法。,6.4 软件抗干扰技术,5 滑动平均值滤波法,依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。,6.4 软件抗干扰技术,6 复合数字滤波,复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。,6.4 软件抗干扰技术,6.4.3 开关量软件抗干扰措施,开关量(数字量)信号输入抗干扰措施,2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施,6.4 软件抗干扰技术,6.4.4 软件冗余技术,1.数据冗余 RAM数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区域同时存放，建立两个备份。,2.程序冗余 当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是软件冗余。,6.4 软件抗干扰技术,6.4.5 程序运行失常的软件抗干扰,1.设置软件陷阱 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理的程序。软件陷阱安排在以下4种地方：（1）未使用的中断向量区；(2)未使用的大片ROM空间；(3)表格；(4)程序区。,2.设置监视跟踪定时器 监视跟踪定时器，也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。,6.4 软件抗干扰技术,本章重点,硬件抗干扰技术 共模，串模抗干扰技术，CPU抗干扰技术。软件抗干扰技术,作业：,1 什么是串模干扰和共模干扰，如何抑制？2 MAX1232有哪些主要功能？3 计算机控制系统中一般有哪几种地线？4 什么是数字滤波技术，其优点有哪些？,