计算机控制第二章-6

1、第二章 计算机控制系统构成第二章第二章 计算机控制系统构成计算机控制系统构成1.1 信号转换信号转换1.2 量化量化 1.3 信号重构信号重构1.4数数/模模(D/A)转换器和转换器和(A/D)转换器转换器1.5 开关量输入输出接口开关量输入输出接口1.6 Z变换变换第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术计算机控制系统必须长期稳定可靠运行计算机控制系统必须长期稳定可靠运行, ,否则将导致控否则将导致控制误差加大制误差加大, ,严重时使系统失灵严重时使系统失灵, ,甚至造成重大损失甚至造成重大损失. .参考书目参考书目: :单片机应用系统抗干扰技术单片机应用系统抗干扰技术 王幸之

2、王幸之 北京航天航空大学出版社北京航天航空大学出版社1 1、重要性、重要性第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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 2、主要表现、主要表现第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术干扰源对计算机干扰的传播途径：干扰源对计算机干扰的传播途径：1传导传导2直接辐射直接辐射耦合方式：耦合方式：静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁辐射耦

3、合静电耦合、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。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因此，干扰抑制是计算机控制系统中重要研究课题。4 4、干扰传播途径、干扰传播途径第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术干扰作用方式不同，可分为：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。常态干扰：指叠加在被测信号上的高频噪声信号

4、。2共态干扰：噪声侵入线路和地线间，噪声电流在两条线上共态干扰：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。各流过一部分，以地为公共回路。5 5、干扰分类、干扰分类第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术 生产现场环境中，计算机与测量点距离远，因此，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参考接地点之间往往存在电位差Ucm,如图。该电位如图。该电位是转换器两个输入端共有的干扰电压（是转换器两个输入端共有的干扰电压（共态干扰共态干扰）

5、6 6、长线传输引起共态干扰长线传输引起共态干扰第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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。式。否则共态干扰转换为常态干扰，如图。7 7、共态干扰与常态干扰的转化共态干扰与常态干扰的转化共态干扰电压共态干扰电压UN在两个输入端之间的共态电压为在两个输入端之间的共态电压为UAB。平衡状态时，即平衡状态时，即Zs1=Zs2 , Zi1=Zi2 ,UAB=0 不会引入共态电压不会引入共态电压线路的不平衡状态线路的不平衡状态UAB!=0，共态干扰会转化常态干扰，共态

6、干扰会转化常态干扰UAB共模抑制比共模抑制比CMRR越大，抗干扰能力越强。越大，抗干扰能力越强。第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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：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）常态干扰信号与被测信号在不同频带位置：滤波器器（2）尖峰型常态干扰：采用积分式）尖峰型常态干扰：采用积分式A/D转换削弱此影转换削弱此影响。响。 或数字滤波技术（白躁声）。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）常态干扰来自电磁感应：尽早前置放大，提高信躁比。或尽可能早完成躁

7、比。或尽可能早完成A/D转换，或采取隔离和屏蔽转换，或采取隔离和屏蔽措施。措施。（4）其它：选择合适的逻辑器件，如低速逻辑器件抑）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。的双绞线；良好的接地；数字滤波技术。8 8、常态干扰的抑制常态干扰的抑制第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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通常，输入输出线与大地或机壳之间的躁声是共态干扰；扰；信号线受到静电感应时产生的躁声是共态干扰；信号线受到静电感应时产生的躁声是

8、共态干扰；1）利用双端输入的运算放大器作为）利用双端输入的运算放大器作为A/D转换器前面的转换器前面的前置放大器，抑制共模干扰。前置放大器，抑制共模干扰。9 9、共态干扰的抑制共态干扰的抑制(1)第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术 U/f变换和光电耦合器切断干扰回路，模拟地与数字变换和光电耦合器切断干扰回路，模拟地与数字地断开地断开9 9、共态干扰的抑制共态干扰的抑制(2)第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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拟信号进行抗干

9、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耦合区的原理，要保证被测信号范围始终在此范围内9 9、共态干扰的抑制共态干扰的抑制(3)第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、抗干扰技术浮地输入法，减小共态干扰原理。浮地输入法，减小共态干扰原理。9 9、共态干扰的抑制共态干扰的抑制(4)第二章 计算机控制系统构成六、抗干扰技术六、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

10、阻抗浮置，外机壳接地。模拟部分与内屏蔽层间绝缘阻抗为为Z1，内屏蔽层与外部机壳间绝缘阻抗为，内屏蔽层与外部机壳间绝缘阻抗为Z2，Zc为为屏蔽线外层金属网的电阻，一般小于屏蔽线外层金属网的电阻，一般小于10欧姆。欧姆。9 9、共态干扰的抑制共态干扰的抑制(5)第二章 计算机控制系统构成七、采样数据的合理性判别及报警七、采样数据的合理性判别及报警设某通道当前采样值为设某通道当前采样值为y(k) yL y(k)yH 时时; y(k)为当前采样有效值为当前采样有效值 y(k)yH , 取取 y(k)= yH (上限值上限值)，报警，报警 y(k)y0, 则 y(k)=y(k-1)第二章 计算机控制系统

11、构成八、八、数字滤波（又称软件滤波）数字滤波（又称软件滤波）适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；适用于纯滞后较大的过程；适用于纯滞后较大的过程； 适用于偶然出现的脉冲干扰；适用于偶然出现的脉冲干扰； 适用于高频干扰。适用于高频干扰。5 5、第二章 计算机控制系统构成九、数据处理九、数据处理经过处理后，可直接引用采样数据。经过处理后，可直接引用采样数据。线性化处理：线性化处理：(1)孔板差压与流量孔板差压与流量 (2)热电偶的热电势与温度热电偶的热电势与温度校正运算：如温度补偿校正运算：如温度补偿测量值与工程量的转换：测量值与工程量的转换： (1)线性值公式；线性值公式； (2)开方值转换公式；

12、开方值转换公式； (3)热电偶与热电阻公式热电偶与热电阻公式第二章 计算机控制系统构成1) 开关量的概念及种类开关量的概念及种类2) 开关量输入接口开关量输入接口3) 开关量输出接口开关量输出接口4) 并行通用并行通用I/O接口接口1.5 第五节开关量输入输出接口第五节开关量输入输出接口第二章 计算机控制系统构成1、开关量（数字量）的概念、开关量（数字量）的概念 开关的开断开关的开断 触点的闭合触点的闭合 设备的安全状况等等。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、开关量的输出可实现许多逻辑控制功能 开关的闭合开关的闭合 指示灯的亮灭等等指示灯的亮灭等等一、开关量的概念及功

13、能一、开关量的概念及功能第二章 计算机控制系统构成3、开关量（数字量）的种类、开关量（数字量）的种类 1）按类型分有电平式和触点式两种：）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电平式为高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开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）按电源分有有源和无源两种 有源即直接提供高、低电平有源即直接提供高、低电平 无源即提供物理触点无源即提供物理触点二、开关量的种类二、开关量的种类第二章 计算机控制系统构成4、开关量输入接口（、开关量输入接口（DI） 三、开关量接口三、开关量接口第二章 计算机控制系统构成4、开关量输入接口（、开关量输

14、入接口（DI）1）DI的任务是把外界被控对象的开关状态信号、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或数字信号送至计算机或微处理器2）开关量信号）开关量信号S1-S8用来控制光电耦合器件发光二用来控制光电耦合器件发光二极管的亮灭。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）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。极管的集电极上送出高或低电平。4）计算机通过有效地址（）计算机通过有效地址（/CS），和读命令），和读命令（/RD），将该），将该8位的开关信号读入位的开关信号读入CPU中。中。 三、开关量接口三、开关量接口第二章

15、 计算机控制系统构成5、开关量输出接口（、开关量输出接口（DO）8道开关量输出接口原理图道开关量输出接口原理图三、开关量接口三、开关量接口第二章 计算机控制系统构成5、开关量输出接口（、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，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。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（）计算机通过选择地址有效（/CS）和写有效）和写有效（/WR），将要输出的开关量信号写入），将要输出的开关量信号写入U3（74LS574

16、）数据锁存器中，再经光电耦合器）数据锁存器中，再经光电耦合器U1、U2，驱动继电器，驱动继电器J1J4或指示灯或指示灯LED1LED4动动作。作。三、开关量接口三、开关量接口第二章 计算机控制系统构成6、通用、通用I/O接口功能接口功能1）信号电平转换，外部设备是复杂机电设备与计）信号电平转换，外部设备是复杂机电设备与计算机的算机的TTL或或MOS逻辑电平不一致，需要转换逻辑电平不一致，需要转换处理。如组合使用处理。如组合使用8255与光电隔离器件，将外与光电隔离器件，将外部开关信号转换为部开关信号转换为TTL逻辑电平。逻辑电平。2）数据格式转换，完成外部设备和主机之间的并）数据格式转换，完成

17、外部设备和主机之间的并-串及串并转换。如串及串并转换。如INTEL8251异步通信芯片异步通信芯片3）工作速度匹配，利用接口芯片的数据寄存或缓）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。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）对外部设备的控制和监督及中断管理等三、开关量接口三、开关量接口第二章 计算机控制系统构成7、不可编程通用、不可编程通用I/O接口芯片接口芯片8212所谓不可编程：芯片硬件连接一确定，其接口功所谓不可编程：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能包括实现这一功能的指令序列就确定下来如如INTEL8212，三、开关量接口三、开关量接口第二章 计算机控制系统构成8、可编程通用、可编程通用I/O接口芯片接口芯片8255所谓可编程接口芯片：指芯