第二章 计算机控制系统构成,1.1 信号转换 1.2 量化 1.3 信号重构 1.4数/模(D/A)转换器和(A/D)转换器 1.5 开关量输入输出接口 1.6 Z变换,六、抗干扰技术,计算机控制系统必须长期稳定可靠运行,否则将导致控制误差加大,严重时使系统失灵,甚至造成重大损失. 参考书目:单片机应用系统抗干扰技术 王幸之 北京航天航空大学出版社,1、重要性,六、抗干扰技术,1）数据采集误差加大。 干扰叠加在输入通道有用信号上 使采集误差加大 ）控制状态失灵。 输入的状态信号受干扰（虚假状态），导致输出控 制误差加大，深圳控制失常 ）数据受干扰变化。 计算机控制系统中，ram中数据受干扰会窜改 ）程序运行失常。PC值被修改。,2、主要表现,六、抗干扰技术,干扰源对计算机干扰的传播途径： 1传导 2直接辐射 耦合方式： 静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁辐射耦合 如：通过容性耦合或感性耦合把电磁场干扰直接辐射到控制系统中；通过输入输出信号线、电源线、和地线把干扰传导到控制系统中。 因此，干扰抑制是计算机控制系统中重要研究课题。,4、干扰传播途径,六、抗干扰技术,干扰作用方式不同，可分为： 1常态干扰：指叠加在被测信号上的高频噪声信号。 2共态干扰：噪声侵入线路和地线间，噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路。,5、干扰分类,六、抗干扰技术,生产现场环境中，计算机与测量点距离远，因此，被测信号源的参考接地点和计算机输入信号端信号的参考接地点之间往往存在电位差Ucm,如图。该电位是转换器两个输入端共有的干扰电压（共态干扰）,6、长线传输引起共态干扰,六、抗干扰技术,对于有共态干扰的场合，不能采用单端对地输入方式。否则共态干扰转换为常态干扰，如图。,7、共态干扰与常态干扰的转化,共态干扰电压UN在两个输入端之间的共态电压为UAB。 平衡状态时，即Zs1=Zs2 , Zi1=Zi2 ,UAB=0 不会引入共态电压 线路的不平衡状态UAB!=0，共态干扰会转化常态干扰UAB 共模抑制比CMRR越大，抗干扰能力越强。,六、抗干扰技术,常态干扰的抑制，从干扰信号的特性和来源入手： （1）常态干扰信号与被测信号在不同频带位置：滤波器 （2）尖峰型常态干扰：采用积分式A/D转换削弱此影响。 或数字滤波技术（白躁声）。 （3）常态干扰来自电磁感应：尽早前置放大，提高信躁比。或尽可能早完成A/D转换，或采取隔离和屏蔽措施。 （4）其它：选择合适的逻辑器件，如低速逻辑器件抑制高频干扰；良好的电磁屏蔽，如信号线选用带屏蔽的双绞线；良好的接地；数字滤波技术。,8、常态干扰的抑制,六、抗干扰技术,通常，输入输出线与大地或机壳之间的躁声是共态干扰； 信号线受到静电感应时产生的躁声是共态干扰； 1）利用双端输入的运算放大器作为A/D转换器前面的前置放大器，抑制共模干扰。,9、共态干扰的抑制(1),六、抗干扰技术,U/f变换和光电耦合器切断干扰回路，模拟地与数字地断开,9、共态干扰的抑制(2),六、抗干扰技术,采用线性光电耦合器切断干扰电流回路，直接对模拟信号进行抗干扰传送，利用光电耦合器工作在线性耦合区的原理，要保证被测信号范围始终在此范围内,9、共态干扰的抑制(3),六、抗干扰技术,浮地输入法，减小共态干扰原理。,9、共态干扰的抑制(4),六、抗干扰技术,浮地输入双层屏蔽的连接方法，图中模拟部分浮置在一个金属屏蔽盒内，内屏蔽盒与外部机壳之间再次浮置，外机壳接地。模拟部分与内屏蔽层间绝缘阻抗为Z1，内屏蔽层与外部机壳间绝缘阻抗为Z2，Zc为屏蔽线外层金属网的电阻，一般小于10欧姆。,9、共态干扰的抑制(5),七、采样数据的合理性判别及报警,设某通道当前采样值为y(k) yL y(k)yH 时; y(k)为当前采样有效值 y(k)yH , 取 y(k)= yH (上限值)，报警 y(k)yL , 取 y(k)= yL (下限值)，报警,1、越限的限幅与报警,七、采样数据的合理性判别及报警,分析判断的根据 过程机理等客观规律和操作经验 根据运算模块进行检查 常见的处理方法 一般通道：有限次数后报警，停止在线程序 重要通道：设计故障诊断系统甚至容错系统,2、对采样数据进行分析判断,八、数字滤波（又称软件滤波）,1）与RC滤波器结合使用，可抑制大多数引入过程的干扰 2）不需要增加硬设备 3）稳定性好, 且一种滤波程序可以反复调用 4）使用灵活、方便, 便于修改,1、数字滤波的必要性及优点,八、数字滤波（又称软件滤波）,算术平均值滤波 其中算术平均的次数m值决定了信号的平滑度和灵敏度。适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理,2、平均值滤波法(1),八、数字滤波（又称软件滤波）,实现方法 1）可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后, 计算出其平均值 2）也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使用 递推运算时,为加快运算速度,可以利用上一次计算出的值,通过递推平均滤波算式计算出当前采样时刻的有效采样信号。,2、平均值滤波法(2),八、数字滤波（又称软件滤波）,加权递推平均滤波(滑动平均值滤波) 基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数, 即1/m。若要增加新采样值在有效信号中的比重, 提高系统对当前所受干扰的灵敏度, 实际应用时, 可采用加权递推平均滤波, 其算式为 常数 ai 的选取是多种多样的，满足,2、平均值滤波法(3),八、数字滤波（又称软件滤波）,中值滤波的基本原理 在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居中的数据作为有效信号。 适用范围 能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。 平均值滤波对具有周期性干扰噪声的信号比较有效，中值滤波法对偶然出现的脉冲干扰信号有良好的滤波效果，可结合使用。,3、中值滤波法,八、数字滤波（又称软件滤波）,惯性滤波法基本概念 用软件实现RC低通滤波器功能, 动态方程为 其中 Tf =RC，称为滤波时间常数。离散化后动态方程， T为采样周期, 得 0a1, 称为滤波系数。,3、惯性滤波法(一阶滞后滤波),八、数字滤波（又称软件滤波）,基本概念 克服偶然的、大幅度的跳码干扰 比较两个相邻采样瞬间采样值的大小 关键 正确选择y0。故该法又叫限速(变化率)滤波法,4、程序判断滤波,|y(k)-y(k-1)|,y0, 则 y(k)=y(k),y0, 则 y(k)=y(k-1),八、数字滤波（又称软件滤波）,平均值滤波适用于周期性干扰； 加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程； 中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰； 惯性滤波适用于高频干扰。,5、各种滤波方法的特点与应用,九、数据处理,目的 经过处理后，可直接引用采样数据。 常见的数据处理内容 线性化处理： (1)孔板差压与流量 (2)热电偶的热电势与温度 校正运算：如温度补偿 测量值与工程量的转换： (1)线性值公式； (2)开方值转换公式； (3)热电偶与热电阻公式,1) 开关量的概念及种类 2) 开关量输入接口 3) 开关量输出接口 4) 并行通用I/O接口,1.5 第五节开关量输入输出接口,1、开关量（数字量）的概念 开关的开断 触点的闭合 设备的安全状况等等。 2、开关量的输出可实现许多逻辑控制功能 开关的闭合 指示灯的亮灭等等,一、开关量的概念及功能,3、开关量（数字量）的种类 1）按类型分有电平式和触点式两种： 电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开 2）按电源分有有源和无源两种 有源即直接提供高、低电平 无源即提供物理触点,二、开关量的种类,4、开关量输入接口（DI）,三、开关量接口,4、开关量输入接口（DI） 1）DI的任务是把外界被控对象的开关状态信号、或数字信号送至计算机或微处理器 2）开关量信号S1-S8用来控制光电耦合器件发光二极管的亮灭。 3）通过光电耦合驱动光敏三极管，相应地在该三极管的集电极上送出高或低电平。 4）计算机通过有效地址（/CS），和读命令（/RD），将该8位的开关信号读入CPU中。,三、开关量接口,5、开关量输出接口（DO） 8道开关量输出接口原理图,三、开关量接口,5、开关量输出接口（DO） 1）DO的任务是把计算机送出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件，如指示灯、继电器，控制它们的通断、闭合或亮、灭等。 2）计算机通过选择地址有效（/CS）和写有效（/WR），将要输出的开关量信号写入U3（74LS574）数据锁存器中，再经光电耦合器U1、U2，驱动继电器J1J4或指示灯LED1LED4动作。,三、开关量接口,6、通用I/O接口功能 1）信号电平转换，外部设备是复杂机电设备与计算机的TTL或MOS逻辑电平不一致，需要转换处理。如组合使用8255与光电隔离器件，将外部开关信号转换为TTL逻辑电平。 2）数据格式转换，完成外部设备和主机之间的并-串及串并转换。如INTEL8251异步通信芯片 3）工作速度匹配，利用接口芯片的数据寄存或缓冲功能，实现外部低速设备和计算机速度匹配。 4）对外部设备的控制和监督及中断管理等,三、开关量接口,7、不可编程通用I/O接口芯片8212 所谓不可编程：芯片硬件连接一确定，其接口功能包括实现这一功能的指令序列就确定下来 如INTEL8212，,三、开关量接口,8、可编程通用I/O接口芯片8255 所谓可编程接口芯片：指芯片与MPU总线的硬件连接一确定就不再改变，但它的I/O操作功能却可以由程序来指定。即通过写入不同的命令字和方式字来实现不同的功能。如INTEL8255 自学INTEL8255 串行通信本课程不要求掌握，自学。,三、开关量接口,