第11章计算机控制系统的设计与工程实现

2020/1/191第11章计算机控制系统的设计与工程实现1计算机控制系统设计的原则与步骤2计算机控制系统抗干扰技术3计算机控制系统设计实例本章主要内容2020/1/19211.1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2020/1/1932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2020/1/194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2020/1/195控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口，存储容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件硬件错？完成吗？设计结束调试和仿真完成吗？写入EPROM硬件设计软件设计是是否否否是图11－1控制系统设计示意图2020/1/19611．2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各种元器件引起的各种干扰2020/1/1972硬件抗干扰技术①电源系统抗干扰方法采用低通滤波器3C1CLLμF15.0μF47.0μF47.02C图11－2双π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。2020/1/198采用隔离变压器计算机控制系统强电设备1ABC相相相...强电设备n三相隔离变压器图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。有利于抑制工频3次以上谐波对控制系统的干扰。2020/1/199采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源直流稳压器电抗器变阻二级管隔离变压器保险丝图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2020/1/1910电源分组供电交流滤波交流电子稳压器交流电子稳压器供主机供通道电源图11－6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。2020/1/1911直流电源的抗干扰措施直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰，每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电容。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。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。逻辑电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。2020/1/1912②过程通道抗干扰方法串模干扰及其抑制方法(a)(b)(c)sUnU信号源转换器A/DsU信号源nU干扰源转换器A/DsUtnUtaUt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2020/1/1913串模干扰的抑制a.如果串模干扰频率比被测信号频率高，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。屏蔽层输入信号转换器A/D75757575500500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。2020/1/1914b.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，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。2020/1/1915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。。被测信号源转换器A/D计算机cmUsU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。2020/1/1916sUsZcmU1ZsUcmUcm1ZAcm2Zs1Zs2ZB(a)(b)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2020/1/1917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。sU放大器A/DcmU调制器解调器s1UBs2U模拟地数字地双绞线图11－11变压器隔离2020/1/1918b.光电隔离发光二极管和光敏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。sUcmU放大器A/Ds1Us2U模拟地数字地双绞线图11－12光电隔离容易实现，成本低，体积小。广泛的应用。2020/1/1919c.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AB模拟地内屏蔽外屏蔽((机壳eR1Z2ZsZcmUsUcm1Icm2I2020/1/1920③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：①信号滞后作用；②波形畸变衰减作用；③外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线的干扰作用；④由于分布电容和分布电感的影响，可能会产生“长线效应”。2020/1/1921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。A示波器双绞线RPR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00pCLR无损耗导线的波阻抗、分别为单位长度的电感和电容。0L0CpR2020/1/1922A双绞线RB信号A双绞线2RB信号1RcE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，消除了波反射。降低了高电平的抗干扰能力。pRR2121RRRRR（b)适当调整和的阻值，可使1R2RpRR终端匹配2020/1/1923在传输线始端串入电阻，也能消除反射。始端匹配scpRRR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。A双绞线RB信号PRsrI2020/1/1924④接地技术模拟地横汇流条模拟地纵汇流条接地板大地系统地安全地（机壳地）数字地纵汇流条数字地横汇流条模拟地作为传感器、变送器、放大器、A／D和D／A转换器中模拟电路的零电位。数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。2020/1/1925输入信号输入信号变换和滤波控制逻辑逻辑地输出信号输出驱动器隔离电阻逻辑电源电源地交流滤波器直流输出驱动器电源处理好的信号SGP逻辑机箱地交流电源线交流电源线图11－18SGP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。2020/1/19263软件抗干扰技术①数字滤波②设立软件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。2020/1/1927③时间监视器8031RESETCEXTREXTABCLRQQCEXTREXTABCLRQQ1CμF7.4S1Rk2CCVμF47.03C3R00k1CCV1N2R0k1μF01.02CCCVP1.4P1.174LS12374LS1231U21U3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。1R1C3R3C2R2C2020/1/1928④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。