第第2章章 计算机硬件设计技术计算机硬件设计技术 抗干扰技术抗干扰技术 第一节第一节工业现场的干扰及其对系统的影响工业现场的干扰及其对系统的影响 第二节第二节过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术 第三节第三节软件抗干扰与硬件冗余技术软件抗干扰与硬件冗余技术 第四节第四节接地技术接地技术 第五节第五节电源系统的抗干扰技术电源系统的抗干扰技术 第六节第六节印刷电路板抗干扰设计印刷电路板抗干扰设计 第一节第一节 工业现场的干扰及其对系统的影响工业现场的干扰及其对系统的影响 一、干扰的来源一、干扰的来源 计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内 部干扰。 外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电 设备(如天车、电炉、大电机、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。 内部干扰主要有：系统的软件不稳定、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 影响等。 二、干扰的作用途径二、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。 三、干扰的作用形式三、干扰的作用形式 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。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源 的地之间的传输线上电压降造成的，如图9-1所示。 图9-1 共模干扰示意图 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。图9-2描述 了串模干扰的情况。共模干扰对系统的影响是转换成串 模干扰的形式来作用于系统的。 图9-2 串模干扰示意图 第二节第二节 过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术 一、共模干扰的抑制一、共模干扰的抑制 抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间 的电位差。 1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。 图9-4变压器隔离图 2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，如图9-5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，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组 独立的电源。 图9-5 光电隔离图 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。 3浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图9- 6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。 图9-6 浮地输入双层屏蔽放大器图 4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。 二、串模干扰的抑制二、串模干扰的抑制 1在输入回路中接入模拟滤波器 根据被测信号的频率范围，选用不同频带的滤波器， 使有用信号顺利通过。 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。 3采用信号线的屏蔽措施 为了防止“干扰噪声”通过空间耦合方式侵入信号线 而进入电气设备，在干扰比较强的工业现场，或者对那些 比较微弱的信号，传输时宜选用屏蔽线。 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。 三、长线传输干扰的抑制三、长线传输干扰的抑制 在计算机控制系统中，由于数字信号的频率很高，很 多情况下传输线要按长线对待。 信号在长线中传输时会遇到三个问题：一是长线传 输易受到外界干扰；二是具有信号延时；三是高速度变化 的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。 当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分 布电感的影响，信号会在传输线内部产生向前的电压波和 电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传 输线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引 起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗 不匹配，还会引起新的反射。这种信号的多次反射现象， 使信号波形失真和畸变，并且引起干扰脉冲。 1终端匹配 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP， 波阻抗的测量如图9-8所示。 图9-8 波阻抗测量原理图 调节可变电阻R，并用示波器观察门A的波形，当达到完 全匹配时，即R=RP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。 为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双 绞线和同轴电缆作为信号线。双绞线的波阻抗一般在 100200之间，纹花越密，波阻抗越低。同轴电缆的 波阻约50100范围。 根据传输线的基本理论，无损耗导线的波阻抗RP 为： 0 0 C L R p = （9-1） 其中，L0为单位长度的电感，C0为单位长度的电容。 最简单的终端匹配方法如图9-9(a)所示，如果传输线的 波阻抗是RP，那么当R=RP时，便实现了终端匹配，消除 了波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致，只是 时间上滞后。 为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图9-9(b)所示的 终端匹配方法。其等效电阻R为： 21 21 RR RR R + =（9-2） 适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。这种匹配方法 也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是 低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时 兼顾高电平和低电平两种情况，可选取 R1=R2=2RP，此 时等效电阻R=RP。 图9-9 终端匹配图 2始端匹配 在传输线始端串入电阻R，如图9-10所示，也能基本 上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电 阻R为： 其中，RSC为门A的输出低电平时的输出阻抗。 scp RRR= （9-3） 图9-10 始端匹配图 第三节第三节 软件抗干扰与硬件冗余技术软件抗干扰与硬件冗余技术 一、软件故障的几种表现形式一、软件故障的几种表现形式 1数据采集不可靠 在数据传输过程中仍然会有一些干扰侵入系统，造成采 集的数据不准确造成误差。 2控制失灵 在计算机控制系统中，控制状态的输出常常取决于某些 条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果，而在这些环节 中，由于干扰的侵入，可能造成条件状态偏差、失误，致使 输出控制误差加大，甚至控制失灵。 3程序运行失常 计算机系统引入强干扰后，程序计数器PC的值可能被改 变，这将引起程序执行出现混乱，最终可能导致程序“死循 环”。 二、输入二、输入/输出软件抗干扰措施输出软件抗干扰措施 1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，如图9-11所示。 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)。 图9-11 多次读入流程图 三、程序运行失常的软件抗干扰三、程序运行失常的软件抗干扰 1设置软件陷阱 当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU离 开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地 址中的内容，或进入数据区，把数据当作操作码来执行， 使整个工作紊乱，系统失控。针对这种情况，可以在非程 序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱， 然后强迫程序由陷阱进入初始状态。 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。 这是用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一， 得到了广泛的应用。 四、提高计算机控制系统可靠性的方法四、提高计算机控制系统可靠性的方法 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，当原始数据块被破坏时，用备份 数据块去修复。 2程序冗余 在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP 指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。在某些重要的 指令前也可插入两条NOP指令，以保证其正确执行。 3硬件冗余 根据系统的功能及各个模块在系统中的地位和作用，配 备一定数量同等功能的模块，通过有关线路的配合，当其中 某一块模块失效时，备用模块即可自动投入运行。 4故障诊断 在故障发生后及时显示故障信息，尽快定位故障点是提高 系统可靠性的重要保证，控制系统一般都具备自诊断功能。 第四节第四节 接地技术接地技术 一、计算机控制系统中的地线一、计算机控制系统中的地线 1.数字地。数字地也叫逻辑地。它是计算机系统中各种 TTL、CMOS芯片及其它数字电路的零电位。 2.模拟地。它是放大器，A/D，D/A转换器中的模拟电路 零电位。 3.信号地。它是传感器和变送器的地。 4.功率地。它是指功率放大器和执行部件的地。 5.屏蔽地。它是为了防止静电感应和磁场感应而设置的， 同时也为了避免机壳带电而危及人身安全而设置的。 6.交流地。交流地是交流50Hz电源的地线，也称为噪声 地。 7.直流地。直流地是直流电源的地线。 二、常用的接地方法二、常用的接地方法 1一点接地和多点接地 对于信号频率小于1MHz的电路，采用一点接地，防止 地环流的产生；当信号频率大于10MHz时，应采用就近多 点接地；如果信号频率在110MHz之间，当地线长度不 超过信号波长的1/20时，可以采用一点接地，否则就要多 点接地。 2模拟地和数字地的连接 在计算机控制系统中，数字地和模拟地必须分别接地， 然后仅在一点把两种地连接起来。否则，数字回路通过模 拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影 响。 图9-14 模拟地与数字地的连接线路图 3将逻辑地浮空并使机柜良好接地 浮地是指控制装置的逻辑地和大地之间不用导线连接， 以悬浮的“地”作为系统的参考电平。这在很大程度上可 以抑制外部辐射和干扰信号。 4交流接地点与直流接地点分开 为了避免电阻把交流电力线引入的干扰传输到控制装 置内部，一般将两种地分开。这样既能保证控制系统内部 器件的安全性，又能提高系统工作的可靠性和稳定性。 5印刷电路板地线的安排 在安排印刷电路板地线时，首先要保证地线阻抗较低， 为此必须尽可能地加宽地线；其次要充分利用地线的屏蔽 作用，将印刷电路板全部边缘用较粗的印刷地线环绕整块 板子作为地线干线，并同时在板中的所有空隙处均填以地 线。 第五节第五节 电源系统的抗干扰技术电源系统的抗干扰技术 一、抗干扰稳压电源的设计一、抗干扰稳压电源的设计 计算机常用的直流稳压电源如图9-15所示。该电源采用 了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力， 可用于一般工业控制场合。 1隔离变压器