第六章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)6.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾及對(duì)系統(tǒng)的影響在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制過(guò)程當(dāng)中，常常會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的干擾導(dǎo)致控制不準(zhǔn)確或失常。很多從事計(jì)算機(jī)控制的人員都會(huì)有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)他把經(jīng)過(guò)千辛萬(wàn)苦安裝和調(diào)試好的樣機(jī)投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，卻不能夠正常工作。為什么在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)就很好，到了現(xiàn)場(chǎng)就不行呢，原因就是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)環(huán)境中有強(qiáng)大的干擾，微機(jī)系統(tǒng)如果沒(méi)有采取抗干擾措施，或者措施不力。（當(dāng)然，還有其它原因，比如設(shè)計(jì)本身的不完善導(dǎo)致出錯(cuò)，或者在運(yùn)輸安裝過(guò)程中對(duì)設(shè)備有所損壞，接線不正確等，但這類(lèi)原因可以比較容易發(fā)現(xiàn)并迅速改正。）因此，抗干擾技術(shù)對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)講是非常重要的。所謂干擾，就是有用信號(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。在生產(chǎn)過(guò)程中，人們不斷的積累各種抗干擾技術(shù)，可以分為硬件措施和軟件措施。一個(gè)成功的抗干擾系統(tǒng)是硬件和軟件相結(jié)合構(gòu)成的。硬件抗干擾效率高，但要增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備；軟件抗干擾投資低，以CPU的開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)的，影響到系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性。6.1.1干擾的來(lái)源微機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。1外部干擾外部干擾指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而是由外界環(huán)境因素決定的，主要是空間電與磁的影響，環(huán)境溫度，濕度等氣象條件也是外來(lái)干擾。外部干擾的主要來(lái)源有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)、大型用電設(shè)備（如天車(chē)、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等）的啟停、高壓設(shè)備和電磁開(kāi)關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。2內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，制造工藝等決定的。內(nèi)部干擾主要有：系統(tǒng)的軟件干擾、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來(lái)的影響等。長(zhǎng)線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c(diǎn)接地的電位差，元器件產(chǎn)生的噪聲也屬于內(nèi)部干擾。6.1.2干擾的作用途徑1傳導(dǎo)耦合干擾由導(dǎo)線進(jìn)入電路中稱(chēng)為傳導(dǎo)耦合。電源線、輸入輸出信號(hào)線都是干擾經(jīng)常竄入的途徑。6.1.3干擾的作用形式各種干擾信號(hào)通過(guò)不同的耦合方式進(jìn)入系統(tǒng)后，按照對(duì)系統(tǒng)的作用形式又可分為共模干擾和串模干擾。1共模干擾（共態(tài)干擾）

圖6.1共模干擾示意圖圖6.2串模干擾示意圖共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱(chēng)為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。所謂共模干擾是指A/D轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般要用長(zhǎng)導(dǎo)線把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)的某個(gè)控制對(duì)象，或者把安裝在某個(gè)裝置中的傳感器所產(chǎn)生的被測(cè)信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，被測(cè)信號(hào)的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入信號(hào)的參考接地點(diǎn)之間往往存在著一定的電位差。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號(hào)源的地之間的傳輸線上電壓降造成的，如圖6.1圖6.1共模干擾示意圖圖6.2串模干擾示意圖數(shù)字地2串模干擾數(shù)字地串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾，也稱(chēng)之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。圖6.2描述了串模干擾的情況。共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式作用的。所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。被測(cè)信號(hào)是指有用的直流信號(hào)或緩慢變化的交變信號(hào)，而干擾噪聲是指無(wú)用的變化較快的雜亂交變信號(hào)。6.2硬件抗干擾技術(shù)6.2.1共模干擾的抑制抑制共模干擾的主要方法是設(shè)法消除不同接地點(diǎn)之間的電位差。變壓器隔離利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開(kāi)來(lái)，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾。注意，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系，如圖6.3所示。LB雙絞線V

模擬地圖6.3變壓器隔離圖光電隔離

光電隔離是利用光電耦合器完成信號(hào)的傳送，實(shí)現(xiàn)電路的隔離，如圖6.4所示。根據(jù)所用的器件及電路不同，通過(guò)光電耦合器既可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離，更可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的隔離。注意，光電隔離前后兩部分電路應(yīng)分別采用兩組獨(dú)立的電源。光電耦合器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先，由于是密封在一個(gè)管殼內(nèi)，不會(huì)受到外界光的干擾。其次，由于是靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件電路之間地線的聯(lián)系。第三，發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號(hào)變得很小。第四，光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數(shù)相比，一般很小，其發(fā)光二極管只有在通過(guò)一定的電流時(shí)才發(fā)光，如果沒(méi)有足夠的能量，仍不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效的抑制干擾信號(hào)。A光電耦合放大器-L模擬地?cái)?shù)字地圖6.4光電隔離圖浮地屏蔽采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來(lái)抑制共模干擾。所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。采用具有高共模抑制比的儀表放大器作為輸入放大器儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。6.2.2串模干擾的抑制抑制串模干擾主要從干擾信號(hào)與工作信號(hào)的不同特性入手，針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的措施。在輸入回路中接入模擬濾波器如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來(lái)抑制高頻串模干擾；如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來(lái)抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，應(yīng)采用帶通濾波器。一般情況下，串模干擾均比被測(cè)信號(hào)變化快，故常用二階阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)尖峰型串模干擾為主要干擾時(shí)，使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，或在軟件上采用判斷濾波的方法加以消除。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的平均值而不是瞬時(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以對(duì)尖峰干擾具有抑制能力。如果取積分周期等于主要串模干擾的周期或?yàn)橹饕８蓴_周期的整數(shù)倍，則通過(guò)積分比較變換后，對(duì)串模干擾有更好的抑制效果。采用雙絞線作為信號(hào)線若串模干擾和被測(cè)信號(hào)的頻率相當(dāng)，則很難用濾波的方法消除。此時(shí)，必須采用其它措施，消除干擾源。通?？稍谛盘?hào)源到計(jì)算機(jī)之間選用帶屏蔽層的雙絞線或同軸電纜，并確保接地正確可靠。采用雙絞線作為信號(hào)引線的目的是減少電磁。雙絞線能使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)相互抵消。一般雙絞線的節(jié)距越小抗干擾能力越強(qiáng)。電流傳送當(dāng)傳感器信號(hào)距離主機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)很容易引入干擾。如果在傳感器出口處將被測(cè)信號(hào)由電壓轉(zhuǎn)換為電流，以電流形式傳送信號(hào)，將大大提高信噪比，從而提高傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。對(duì)信號(hào)提早處理電磁感應(yīng)造成的串模干擾，對(duì)被測(cè)信號(hào)盡可能的進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中信號(hào)噪聲比的目的；或者盡可能早的完成A/D轉(zhuǎn)換或者采取隔離和屏蔽措施。選擇合理的邏輯器件來(lái)抑制。一是采用高抗擾度邏輯器件，通過(guò)高閾值電平來(lái)抑制低噪聲的干擾；二是采用低速的邏輯器件來(lái)抑制高頻干擾。6.2.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號(hào)的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長(zhǎng)線對(duì)待。例如，對(duì)于10ns級(jí)的電路，幾米長(zhǎng)的連線應(yīng)作為長(zhǎng)線來(lái)考慮，而對(duì)于ns級(jí)的電路，1米長(zhǎng)的連線就要當(dāng)作長(zhǎng)線處理。長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)會(huì)遇到三個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號(hào)延時(shí)；三是高速度變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱(chēng)為入射波；另外，如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的波阻抗不匹配，那么當(dāng)入射波到達(dá)終端時(shí)，便會(huì)引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳輸線始端時(shí)，如果始端阻抗不匹配，還會(huì)引起新的反射。這種信號(hào)的多次反射現(xiàn)象，使信號(hào)波形失真和畸變，并且引起干擾脈沖。抗干擾措施采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長(zhǎng)線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。（1）波阻抗RP的求解為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線的波阻抗RP，波阻抗的測(cè)量如圖6.5所示。圖6.5測(cè)量傳輸線波阻抗圖RP的目的。圖6.7始端匹配圖圖6.6終端匹配圖終端匹配圖6.5測(cè)量傳輸線波阻抗圖RP的目的。圖6.7始端匹配圖最簡(jiǎn)單的終端匹配方法如圖6.6(a)所示，如果傳輸線的波阻抗是RP,那么當(dāng)R=RP時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端波形和始端波形的形狀相一致，只是時(shí)間上滯后。由于終端電阻變低，則加大負(fù)載，使波形的高電平下降，從而降低了高電平的抗干擾能力，但對(duì)波形的低電平?jīng)]有影響。為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn)，可采用圖6.6(b)所示的終端匹配方法。始端匹配在傳輸線始端串入電阻R，如圖6.7所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形6.2.4CPU抗干擾技術(shù)TOLPBRSTVccSTRSTRSIGNDA6.2.4CPU抗干擾技術(shù)TOLPBRSTVccSTRSTRSIGNDPBRS圖6.8微處理器監(jiān)控電路MAX1232WAJfHLKKiPBRS圖6.8微處理器監(jiān)控電路MAX1232WAJfHLKKiWAIlHLKXi按鍵頊位SI能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用Watchdo（W門(mén)狗），電源監(jiān)控（掉電檢測(cè)及保護(hù)），復(fù)位等方法。常用的微處理器監(jiān)控電路MAX1232來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功1MAX1232的結(jié)構(gòu)原理SI能。rTll助功能以及電源供電監(jiān)控功能。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理它通過(guò)監(jiān)控微處理器系統(tǒng)電源供電及監(jiān)控軟件的執(zhí)行，來(lái)增強(qiáng)電路的可靠性。rTll助功能以及電源供電監(jiān)控功能。如圖6.8A所示，其引腳含義為:（1）PBRST:按鍵復(fù)位輸入。是一個(gè)反彈的（無(wú)鎖的）手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效輸入，忽略小于1ms寬度的脈沖，確保識(shí)別20ms或更寬的輸入脈沖。（2）TD：時(shí)間延遲，Watchdog時(shí)基選擇輸入。TD=0V時(shí)，tD=150ms；TD懸空時(shí)，y=600ms；TD=Vss時(shí)，tD=1.2s。TOL：容差輸入。TOL接地時(shí)選擇5%的容差；TOL接V*時(shí)選取10%的容差。GND：地。RST：復(fù)位輸出。高電平有效。當(dāng)下述情況發(fā)生時(shí)，RST產(chǎn)生：若V*下降低于所選擇的復(fù)位電壓閾值，則產(chǎn)生RST輸出；若PBRST變低，則產(chǎn)生RST輸出；若在最小暫停周期內(nèi)S未選通，則產(chǎn)生RST輸出；若在加電源期間，則產(chǎn)生RST輸出。RST:復(fù)位輸出。低電平有效。產(chǎn)生條件同RST。ST:選通輸入。Watchdog定時(shí)器輸入。Vcc為+5V電源。2MAX1232的主要功能電源監(jiān)控電壓監(jiān)測(cè)器監(jiān)控Vcc，每當(dāng)Vcc低于所選擇的容限時(shí)就輸出并保持復(fù)位信號(hào)。(5%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.62V，10%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.37V。)當(dāng)V”恢復(fù)到容許極限內(nèi)，復(fù)位輸出信號(hào)至少保持250ms的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作。按鈕復(fù)位輸入PBRST端靠手動(dòng)強(qiáng)制復(fù)位輸出，一個(gè)機(jī)械按鈕或一個(gè)有效的邏輯信號(hào)都能驅(qū)動(dòng)PBRST，忽略小于1ms寬度的脈沖，確保識(shí)別20ms或更寬的輸入脈沖。監(jiān)控定時(shí)器Watchdog俗稱(chēng)“看門(mén)狗”，是工業(yè)控制器普遍采用的抗干擾措施。微處理器用一根I/O線來(lái)驅(qū)動(dòng)前輸入端(其時(shí)間取決于TD的選擇)，以便來(lái)檢測(cè)正常的軟件執(zhí)行。如果一個(gè)硬件或軟件的失誤導(dǎo)致ST沒(méi)有被觸發(fā)，在一個(gè)最小的超時(shí)時(shí)間間隔內(nèi)，MAX1232的復(fù)位輸出RST有效，至少保持250ms的寬度。3掉電保護(hù)和恢復(fù)運(yùn)行電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，微機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常。掉電信號(hào)由監(jiān)控電路MAX1232檢測(cè)得到，加到微處理器的外部的外部中斷輸入端。在軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)掉電作出反應(yīng)。在掉電中斷服務(wù)子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要參數(shù)，中間結(jié)果，某些專(zhuān)用寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到專(zhuān)用的有后備電源的RAM中。其次是對(duì)有關(guān)外設(shè)作出妥善的處理，如關(guān)閉各輸入輸出接口，使外設(shè)處于某一個(gè)非工作狀態(tài)等。最后必須在專(zhuān)用的有后備電源的RAM中某一個(gè)或兩個(gè)單元上作出特定標(biāo)記即掉電標(biāo)記。為保證掉電子程序能順利執(zhí)行，掉電檢測(cè)電路必須在電源電壓下降到CPU最低工作電壓之前就提出中斷申請(qǐng)，提前時(shí)間為幾百微秒至數(shù)毫秒。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，CPU重新上電復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)首先檢查是否有掉電標(biāo)記，如果沒(méi)有，按一般開(kāi)機(jī)程序執(zhí)行。如果有掉電標(biāo)記，不應(yīng)將系統(tǒng)初始化，而應(yīng)按照掉電中斷服務(wù)子程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，以一種合理的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)未完成的工作。6.3系統(tǒng)供電與接地技術(shù)6.3.1供電技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電一般采用圖6.9所示的結(jié)構(gòu)。為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響而設(shè)置交流穩(wěn)壓器，保證220V交流供電。交流電網(wǎng)頻率為50Hz，其中混雜了部分高頻干擾信號(hào)，為此采用低通濾波器讓50Hz的基波通過(guò)，而濾掉高頻干擾信號(hào)。最后由直流穩(wěn)壓電源給計(jì)算機(jī)供電，建議采用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源用調(diào)節(jié)脈沖寬度的辦法調(diào)整直流電壓，調(diào)整管以開(kāi)關(guān)方式工作，功耗低。圖6.9一般供電結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電不允許中斷，一旦中斷將會(huì)影響生產(chǎn)。為此，可采用不見(jiàn)斷UPS，其結(jié)構(gòu)圖如圖6.10所示。正常情況下由交流電網(wǎng)供電，同時(shí)電池組處于浮充狀態(tài)。如果交流電網(wǎng)供電中斷，電池組經(jīng)逆變器輸出交流代替外界的交流供電，這是一種無(wú)觸點(diǎn)的不見(jiàn)斷切換。UPS是用電池組作為后備電源。圖6.10具有不間斷電源的供電結(jié)構(gòu)6.3.2電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)1抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖6.11所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場(chǎng)合。

圖6.11抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖交流穩(wěn)壓器高頻濾波宜流穩(wěn)壓低通濾波器隔離變壓器圖6.11抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖交流穩(wěn)壓器高頻濾波宜流穩(wěn)壓低通濾波器隔離變壓器的作用有兩個(gè)：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號(hào)竄入。為了阻斷高頻干擾經(jīng)耦合電容傳播，隔離變壓器設(shè)計(jì)為雙屏蔽形式，原副邊繞組分別用屏蔽層屏蔽起來(lái)，兩個(gè)屏蔽層分別接地。這里的屏蔽為電場(chǎng)屏蔽，屏蔽層可用銅網(wǎng)、銅箔或鋁網(wǎng)、鋁箔等非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。低通濾波器各種干擾信號(hào)一般都有很強(qiáng)的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過(guò)，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。低通濾波器一般由電感和電容組成，在市場(chǎng)上有各種低通濾波器產(chǎn)品供選用。一般來(lái)說(shuō)，在低壓大電流場(chǎng)合應(yīng)選用小電感大電容濾波器，在高壓小電流場(chǎng)合，應(yīng)選大電感小電容濾波器。交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。電源變壓器電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。直流穩(wěn)壓系統(tǒng)直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖6.12所示。圖6.12直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側(cè)常采用電容濾波。圖

中C1為平滑濾波電容，常選用幾百?幾千|JF的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈動(dòng)。C2為高頻濾波電容，常選用0.01?0.川F的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類(lèi)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV，具有過(guò)電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般微機(jī)系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個(gè)電容C3和C4,C3主要起負(fù)載匹配作用，常選用幾十?幾百pF的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.01?0.川F的瓷片電容。簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。圖6.14匯流法接地圖6.13圖6.14匯流法接地2電源系統(tǒng)的異常保護(hù)不間斷電源UPS在正常情況下，由交流電網(wǎng)向微機(jī)系統(tǒng)供電，并同時(shí)給UPS的電池組充電。一旦交流電網(wǎng)出現(xiàn)斷電，則不間斷電源UPS自動(dòng)切換到逆變器供電，逆變器將電池組的直流電壓逆變成為與工頻電網(wǎng)同頻的交流電壓，此電壓送給直流穩(wěn)壓器后繼續(xù)保持對(duì)系統(tǒng)的供電。連續(xù)備用供電系統(tǒng)連續(xù)備用供電系統(tǒng)是由柴油發(fā)電機(jī)供電，在兩種供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換期間，由電池完成平穩(wěn)過(guò)渡，以避免電源更換對(duì)系統(tǒng)的沖擊。6.3.3接地技術(shù)1微機(jī)控制系統(tǒng)中的地線數(shù)字地，也叫邏輯地。它是微機(jī)系統(tǒng)中各種TTL、CMOS芯片及其它數(shù)字電路的零電位。數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開(kāi)，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的影響。模擬地。它是放大器，A/D，D/A轉(zhuǎn)換器中的模擬電路零電位。安全地。安全地的目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電而影響人身和設(shè)備安全。通常安全地又稱(chēng)為保護(hù)地或機(jī)殼地，屏蔽地系統(tǒng)地。是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連。直流地。直流電源的地線。交流地。交流50Hz電源的地線，它是噪聲地。交流地是計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。因此，交流地要絕對(duì)與上述地線分開(kāi)。2常用的接地方法(1)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地對(duì)于信號(hào)頻率小于1MHz的低頻電路，其布線和元器件間的電感影響較小，地線阻抗不大，而接地電路形成的環(huán)流有較大的干擾作用，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地，防止地環(huán)流的產(chǎn)生。當(dāng)信號(hào)頻率大于10MHz時(shí)，布線與元器件間的電感使得地線阻抗變得很大。為了降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。如果信號(hào)頻率在1?10MHz之間，當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度不超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，可以采用一點(diǎn)接地，否則就要多點(diǎn)接地。由于在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，信號(hào)頻率大都小于1MHz，故通常采用一點(diǎn)接地。圖6.15并聯(lián)一點(diǎn)接地圖6.16串聯(lián)一點(diǎn)接地模擬地和數(shù)字地的連接數(shù)字地主要是指TTL或CMOS芯片、I/O接口芯片、CPU芯片等數(shù)字邏輯電路的地端，以及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地。而模擬地則是指放大器、采樣/保持器和A/D、D/A中模擬信號(hào)的接地端。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點(diǎn)處把兩種地連接起來(lái)。否則，數(shù)字回路通過(guò)模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。其連接線路如圖6.17所示。主機(jī)外殼接地為了提高計(jì)算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地。而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MQ，即機(jī)內(nèi)信號(hào)地浮空。

圖6.18外殼接地，機(jī)芯浮空?qǐng)D6.17模擬地與數(shù)字地的連接線路（4）多機(jī)系統(tǒng)的接地圖6.18外殼接地，機(jī)芯浮空?qǐng)D6.19多機(jī)系統(tǒng)的接地在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，圖6.19多機(jī)系統(tǒng)的接地6.4軟件抗干擾技術(shù)6.4.1軟件出錯(cuò)對(duì)系統(tǒng)的危害數(shù)據(jù)采集不可靠在數(shù)據(jù)采集通道，盡管我們采取了一些必要的抗干擾措施，但在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中仍然會(huì)有一些干擾侵入系統(tǒng)，造成采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確形成誤差?？刂剖ъ`一般情況下，控制狀態(tài)的輸出是通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)的輸出通道實(shí)現(xiàn)的。由于控制信號(hào)輸出功率較大，不易直接受到外界干擾。但是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果，而在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，可能造成條件狀態(tài)偏差、失誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。程序運(yùn)行失常微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入強(qiáng)干擾后，程序計(jì)數(shù)器PC的值可能被改變，因此會(huì)破壞程序的正常運(yùn)行。被干擾后的PC值是隨機(jī)的，這將引起程序執(zhí)行一系列毫無(wú)意義的指令，最終可能導(dǎo)致程序“死循環(huán)”。6.4.2數(shù)字濾波方法數(shù)字濾波是提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠性最有效的方法，因此在微機(jī)控制系統(tǒng)中一般都要進(jìn)行數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如0.01Hz)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；數(shù)字濾波器可根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。程序判斷濾波法(1)限幅濾波法限幅濾波的做法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對(duì)值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定)△Y進(jìn)行比較。若小于或等于AY，則取本次采樣值；若大于AY，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即IY(k)-Y(k-1)|<AY,則Y(k)=Y(k)，取本次采樣值IY(k)-Y(k-1)|>AY,則Y(k)=Y(k-1)，取上次采樣值其中，Y(k)是第k次采樣值；Y(k-1)是第(k-1)次采樣值；△Y是相鄰兩次采樣值所允許的最大偏差，其大小取決于采樣周期T及Y值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(2)限速濾波法限速濾波是用三次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果。其方法是，當(dāng)IY(2)-Y(1)|>AY時(shí)，再采樣一次，取得Y(3)，然后根據(jù)IY(3)-Y(2)|與八Y的大小關(guān)系來(lái)決定本次采樣值。具體判別式如下：設(shè)順序采樣時(shí)刻t1,t2,t3所采集的參數(shù)分別為Y(1)，Y(2)，Y(3)，那么當(dāng)IY(2)-Y⑴|WAY時(shí)，取Y(2)輸入計(jì)算機(jī)；當(dāng)IY(2)-Y(1)|>AY時(shí)，Y(2)不采用，但仍保留，繼續(xù)采樣取得Y(3)；當(dāng)IY⑶-Y(2)|<AY時(shí)，取Y(3)輸入計(jì)算機(jī)；當(dāng)IY(3)-Y(2)|>AY時(shí)，取Y(2)=(Y(2)+Y(3))/2輸入計(jì)算機(jī)。中值濾波法這種濾波法是將被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把采樣值按大小順序排列，再取中間值作為本次的采樣值。算術(shù)平均值濾波法這種方法就是在一個(gè)采樣期內(nèi)，對(duì)信號(hào)x的N次測(cè)量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時(shí)刻k的輸出。

天”)=N尹氣=1加權(quán)平均值濾波算術(shù)平均值對(duì)于N次以內(nèi)所有的采樣值來(lái)說(shuō)，所占的比例是相同的，亦即取每次采樣值的1/N。有時(shí)為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此方法稱(chēng)為加權(quán)平均值法。^(^(k)逆C氣-i=051r—C=1i并且：/=0其中C0,q，…，CN-1為各次采樣值的系數(shù)，它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例。滑動(dòng)平均值濾波法不管是算術(shù)平均值濾波，還是加權(quán)平均值濾波，都需連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，這種方法適合于有脈動(dòng)干擾的場(chǎng)合。但是由于必須采樣N次，需要時(shí)間較長(zhǎng)，故檢測(cè)速度慢。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用滑動(dòng)平均值濾波法，即依次存放N次采樣值，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。慣性濾波法前面講的幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化過(guò)程比較快的參數(shù)，如壓力、流量等。但對(duì)于慢速隨機(jī)變量采用短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣求平均值的方法，其濾波效果往往不夠理想。為了提高濾波效果，可以仿照模擬濾波器，用數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)低通濾波。一階RC濾波器的傳遞函數(shù)為1G(s)=——_1+TfS其中濾波時(shí)間常數(shù)RC離散化為T(mén)^^"(k)=”成)整理可得:x(k)=(1-a)u(k)+ax(k-1)Ta=f——其中u(k)為采樣值，x(k)為濾波器的計(jì)算輸出值，Tf+T為濾波系數(shù)，顯然0<a<1,T為采樣周期。復(fù)合數(shù)字濾波復(fù)合濾波就是把兩種以上的濾波方法結(jié)合起來(lái)使用。例如把中值濾波的思想與

算術(shù)平均的方法結(jié)合起來(lái)，就是一種常用的復(fù)合濾波法。具體方法是首先將采樣值按大小排隊(duì)，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。這樣顯然比單純的平均值濾波的效果要好。1.開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)輸入抗干擾措施圖6.20多次讀入流程圖6.4.3輸入/輸出軟件抗干擾措施1.開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)輸入抗干擾措施圖6.20多次讀入流程圖2.開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)輸出抗干擾措施對(duì)于開(kāi)關(guān)量的輸入，為了確保信息準(zhǔn)確無(wú)誤，在軟件上可采取多次讀取的方法（至少讀兩次），認(rèn)為無(wú)誤后再行輸入，如圖6.202.開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）信號(hào)輸出抗干擾措施當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出開(kāi)關(guān)量控制閘門(mén)、料斗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，為了防止這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于外界干擾而誤動(dòng)作，比如已關(guān)的閘門(mén)、料斗可能中途打開(kāi)；已開(kāi)的閘門(mén)、料斗可能中途突然關(guān)閉。對(duì)于這些誤動(dòng)作，可以在應(yīng)用程序中每隔一段時(shí)間（比如幾個(gè)ms）發(fā)出一次輸出命令，不斷地關(guān)閉閘門(mén)或者開(kāi)閘門(mén)。這樣，就可以較好地消除由于擾動(dòng)而引起的誤