开关量输入输出通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计说明
电测装置交流输入通道设计方案及其抗干扰研究
电测装置交流输入通道设计及其抗干扰研究(本文档由房地产英才网支持百度文库友情提供）1 引言随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，交流采样技术在电力参数的测量中得到了越来越多的应用，成为发展的趋势。
这不单是因为随着集成电路技术的发展，A／D芯片等硬件的功能越来越强大，可以轻松地完成多路高频率采样；更主要的是因为数字信号处理技术的发展，采用交流采样方法能够运用各种不同的软件算法对交流采样来的原始数据进行处理，从而提取出特定的参数信息，实现直流采样无法完成的许多功能，极大地促进了电测技术的发展。
交流采样技术中，由于采用数字信号处理技术对输入信号进行处理，对交流输入通道的硬件电路设计要求相对降低。
但是，交流输入通道不可避免地要与电力系统发生电、磁的联系，大量实践证明，在电力参数测量产品中，交流输入回路是电磁干扰入侵的一个重要途径。
因此，能否设计出具有良好抗干扰能力的交流输入回路，是一个产品能否适应电力系统这个强电磁干扰环境的关键问题之一。
本文综合采用各种电磁干扰抑制方法，设计了种实用的电力参数交流采样通道，对交流输入回路中可能产生的各种电磁干扰能够进行有效抑制，具有抗干扰性强、可靠性高、结构简单的特点。
2 电力系统的电磁干扰分析处于运行状态的电力系统中的电磁干扰源很多，其中对电测装置等电子设备影响比较大的主要的有[1]：(1>断路器、隔离刀闸等一次设备和直流开关等二次设备操作产生的频率极高的快速暂态过电压。
(2>运行中的供用电设备产生的工频干扰，特别在系统发生故障时，故障电流产生的工频干扰更为严重。
(3>输电线路上的电晕放电、污秽外绝缘表面的局部放电等瞬变干扰。
(4>雷电波入侵。
(5>静电放电。
(6>其他无线电波，如对讲机、手机等无线通信产品。
对这些干扰源发射的干扰信号进行分析可知，这些干扰信号一般都具有频率高、幅度大、前沿陡的特点，含有丰富的谐波分量，可以通过各种分布电容和分布电感耦合到二次回路和设备中去，对电子设备会造成骚扰。
抑制开关电源电磁干扰的措施
抑制开关电源电磁干扰的措施开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式。
根据上篇分析的电磁干扰源，结合它们的耦合途径，可以从EMI 滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰，把电磁干扰衰减到允许限度之内。
1.交流输入EMI 滤波器滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入端接上滤波器可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。
电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。
电源进线端通常采用如图1 所示的EMI 滤波器电路。
该电路可以有效地抑制交流电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。
在电路中，跨接在电源两端的差模电容Cx1、Cx2 （亦称X 电容）用于滤除差模干扰信号，一般采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器，电容值通常取0.1~ 0. 47F。
而中间连线接地的共模电容Cy1和Cy2 （亦称Y 电容）则用来短路共模噪声电流，取值范围通常为C1=C2 # 2200 pF。
抑制电感L1、L2 通常取100~ 130H，共模扼流圈L 是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成，通常要求其电感量L#15~ 25 mH。
当负载电流渡过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。
因此，即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。
而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。
2.利用吸收电路开关电源产生EMI 的主要原因是电压和电流的急剧变化，因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率（ du/ dt 和di/ dt ）。
采取吸收电路能够抑制EMI，其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路，吸收积蓄在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰的发生。
可以在开关管两端并联如图2（ a）所示的RC 吸收电路，开关管或二极管在开通和关断过程中，管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压，可以通过缓冲的方法予以克服。
开关电源的干扰分析及其抑制措施
2 开关电源干扰耦合途径开关电源干扰耦合途径有两种方式：一种是传导耦合方式，另一种是辐射耦合方式。2．1 传导耦合传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电 磁骚扰至敏感设备，产生电磁干扰。按其耦合方式可分为电路性耦合、电容性耦合和电感性耦合。在开关电源中，这3种耦合方式同时存在，互相联系。2．1．1 电路性耦合电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。其又有以下几种：1）直接传导耦合导线经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。2）共阻抗耦合由于两个以上电路有公共阻抗，当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是 共阻抗耦合。形成共阻抗耦合骚扰的有电源输出阻抗、接地线的公共阻抗等。2 .1．2 电容性耦合电容性耦合也称为电耦合，由于两个电路之生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频间存在寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一条支路。2.1.3 电感性耦合电感性耦合也称为磁耦合，两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。2．2 辐射耦合通过辐射途径造成的骚扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到接受器。通常存在4种主要耦合途径：天线耦合、导线感 应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。2．2．1 天线与天线间的辐射耦合在实际工程中，存在大量的天线电磁耦合。例如，开关电源中长的信号线、控制线、输入和输出引线等具有天线效应，能够接收电磁骚扰，形成天线辐射耦合。2．2．2 电磁场对导线的感应耦合开关电源的电缆线一般是由信号回路的连接线、功率级回路的供电线以及地线一起构成，其中每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回导线构成一个回路。因 此，电缆线是内部电路暴露在机箱外面的部分，最易受到骚扰源辐射场的耦合而感应出骚扰电压或骚扰电流，沿导线进入设备形成辐射骚扰。2．2．3 电磁场对闭合回路的耦合电磁场对闭合回路的耦合是指回路受感应最大部分的长度小于波长的1／4。在辐射骚扰电磁场的频率比较低的情况下，辐射骚扰电磁场与闭合回路的电磁耦合。2．2．4 电磁场通过孔缝的耦合电磁场通过孔缝的耦合是指辐射骚扰电磁场通过非金属设备外壳、金属设备外壳上的孔缝、电缆的编织金属屏蔽体等对其内部的电磁骚扰。3 抑制干扰的一些措施形成电磁干扰的三要素是骚扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面人手，采取适当措施。首先应该抑制骚扰源，直接消除干扰原因；其 次是消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本 上都是用切断电磁骚扰源和受扰设备之间的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。1）采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限 制内部辐射的电磁能量泄漏出，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。其原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用。为了抑制开关电源产生的辐 射，电磁骚扰对其他电子设备的影响，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏 蔽。2）所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰的重要方法，电源某些 部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产 生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”，因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的 各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、 功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。3）滤波是抑制传导干扰的有效方法，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。EMI滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，可以抑制来自电网 的干扰对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁 环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。选择滤波器时要注意以下几点：（1）明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两种频率分开；（2）保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作；（3）滤波器连续通以最大额定电流时，其温升要低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中元件的工作性能；（4）为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值：（5）滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，最好选用短引线低电感的穿心电容；（6）要有较高的工作可靠性，因为作防护电磁干扰用的滤波器，其故障往往比其他元器件的故障更难找。安装滤波器时应注意以下几点：（1）电源线路滤波器应安装在离设备电源人口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回；（2）滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振；（3）滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理；（4）滤波器的输人和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入和输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏 蔽层。4 结语开关电源产生电磁干扰的因素还有很多，抑制电磁干扰还有大量的工作要做。全面抑制开关电源的各种噪声将使开关电源更加安全可靠地运行。
开关电源电磁干扰的抑制措施及应用
开关电源电磁干扰的抑制措施及应用摘要本文先分析了开关电源的工作原理、EMI的特点，并结合PDM智能电力综合监控仪表就如何进行有效的开关电源电磁干扰抑制措施，即电磁兼容性设计进行了分析，并提出一些参考建议。
关键词开关电源；电磁干扰；电磁兼容性设计1 概述由于开关电源的电磁干扰EMI信号输出既能有很宽的频率范围，又具有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。
因此，如何进行电磁兼容性设计，有效地抑制开关电源的电磁干扰，对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。
2 开关电源的电磁干扰2.1 开关电源的工作原理直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。
功率转换部分是开关电源的核心，主要由开关三极管和高频变压器组成。
它首先将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压（其原理图及等效原理框图如图1所示）。
2.2 电磁干扰EMI的特点作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大，干扰源主要集中在开关管、输出二极管和高频变压器等。
同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。
相对于数字电路干扰源的位置较为清楚，开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；PCB走线因需采用手工调整，具有随意性，这更增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。
3 电磁兼容性EMC设计图1电磁兼容性EMC设计包括两层含义，一是设备在工作中产生的电磁辐射必须限制在一定水平内，二是设备本身要有一定的抗干扰能力。
形成电磁干扰的三要素是干扰源、耦合通道、敏感体。
因而，抑制电磁干扰即进行电磁兼容性EMC设计首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。
开关电源的抗干扰措施
开关电源的抗干扰措施1电路的隔离1．1开关电源电路隔离方式开关电源包括两部分，即变换部分与控制部分。
前者属于功率流强电范畴，后者属于信息流弱电范畴。
一般情况下前者是主电磁干扰源，后者是被干扰对象。
为了使电力电子设备可靠地运行，除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。
抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电磁兼容问题。
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一，并且随着数字式开关电源的研究与开发，也是提高单片机抗干扰能力的重要措施。
在开关电源中，电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。
主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。
开关电源的模拟信号控制系统的隔离与测量系统中模拟信号的隔离类似，即交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用线性隔离器(如线性光电耦合器)隔离。
数字电路的隔离主要有：脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。
其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离(个别情况下采用)。
在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声效果，使开关电源符合电磁兼容性的要求。
1．2变压器耦合隔离1．2．1变压器耦合变压器只能传输交流信号，不能传输直流信号。
因此对地线的低频干扰具有较好的抑制能力，并且电路单元间传输的信号电流只能在变压器绕组中流过，不流经地线，也可以避免对其他电路的干扰，如图1所示。
1．2．2脉冲变压器隔离脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁心的两侧，这种工艺使得它的分市电容很小，仅为几个皮法，所以可作为脉冲信号的隔离元件。
脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。
计算机控制系统开关量输入抗干扰有关问题分析
计算机控制系统开关量输入抗干扰有关问题分析计算机控制系统通过模拟量输入（A / D）测量到现场各种参数，通过模拟量输出（D / A）到现场的执行机构再去控制阀门。
由开关量输入（DI）测量到现场各种报警信号与位置信号。
由开关量输出（DO）到现场各种起动器、操动机构与电动开关，进行自动控制。
通过通信接口与通信线联网后就可以形成一个计算机控制系统。
开关量输入采集到的参数与信号不稳定，会直接影响到算机控制系统的稳定运行。
为了提高计算机控制系统开关量输入的抗干扰能力，硬件电路设计时可以在信号输入端并联电容器，对干扰进行吸收。
但电容器容量太大会影响信号采集的实时性。
利用软件来提高计算机控制系统开关量输入的抗干扰能力，不仅可以省去电容器，而且信号采集的实时性可以到底保证。
计算机控制系统开关量输入一般站用一个或几个开关量输入（DI）口，CPU读开关量输入（DI）口后，根据各位电位高低（为1或为0），就可以判断出现场各种警信号与位置信号。
先建一个字节信号采集记忆单元JYD，初始化时读一次开关量输入（DI）口后将数据存入JYD单元。
软件运行时按照需要读开关量输入（DI）口，并将数据存入当前状态单元DZD。
然后将DZD和JYD单元中数进行异或比较，比较结果存JGD 单元。
JGD单元为零说明信号无变化，JGD单元不为零说明信号有变化。
然后按位从D0到D7分别进行处理。
如果JGD单元D0位为1，说明D0位有变化，假设信号输入电位由1变为0为信号消失，此时再判JYD单元D0位，为1说明信号由存在变为消失，将JYD单元D0位清零。
如果JYD单元D0位为0，说明有信号出现。
将D0位所代表的信号地址与当时的时间存入暂存ZCD单元。
再建一个计数单元JSD1，JSD1单元加1。
下一次再读开关量输入（DI）口后，异或比较后结果D0位仍然为1，JSD1单元再加1。
一直到JSD1单元为N，说明信号一直存在，再将ZCD 单元中的内容存入本信号保存单元XBD。
开关电源的抗干扰解决方法（3）
开关电源的抗干扰解决方法（3）开关电源的抗干扰解决方法图4 高频工作下的元件频率特性2 开关电源emi抑制措施电磁兼容的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体，抑制以上任何一项都可以减少电磁干扰问题。
开关电源工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问题是比较复杂的。
但是，仍符合基本的电磁干扰模型，可以从三要素入手寻求抑制电磁干扰的方法。
2.1 抑制开关电源中各类电磁干扰源为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（pfc）技术。
pfc技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。
从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。
软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。
开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。
使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。
使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，如图5所示，饱和电感ls与二极管串联工作。
饱和电感的磁芯是用具有矩形bh曲线的磁性材料制成的。
同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导率，该种磁芯在bh曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。
实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。
图5 饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用2.2 切断电磁干扰传输途径——共模、差模电源线滤波器设计电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源emi滤波器基本电路如图6所示。
一个合理有效的开关电源emi滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。
开关量输入输出通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计说明
科技学院课程设计报告( 2010 -- 2011 年度第 2 学期)名称：计算机控制系统A题目：开关量I/O通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计院系：班级：学号：学生：指导教师：设计周数：成绩：日期： 2011 年月日《计算机控制系统A》课程设计任务书一、目的与要求1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以与组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要容1、数字控制算法分析设计；2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案分析与设计；9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划四、设计成果要求1．针对所选题目的国外应用发展概述；2．课程设计正文容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以与综述、分析等；3．课程设计总结或结论以与参考文献；4．要求设计报告规完整。
五、考核方式《计算机控制系统》课程设计成绩评定依据如下：1．撰写的课程设计报告；2．独立工作能力与设计过程的表现；3．答辩时回答问题情况。
成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、与格、不与格五个等级。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
科技学院课程设计报告( 2010 -- 2011 年度第2 学期)名称：计算机控制系统A题目：开关量I/O通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：2011 年月日《计算机控制系统A》课程设计任务书一、目的与要求1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要内容1、数字控制算法分析设计；2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案分析与设计；9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划四、设计成果要求1．针对所选题目的国内外应用发展概述；2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；3．课程设计总结或结论以及参考文献；4．要求设计报告规范完整。
五、考核方式《计算机控制系统》课程设计成绩评定依据如下：1．撰写的课程设计报告；2．独立工作能力及设计过程的表现；3．答辩时回答问题情况。
成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。
指导教师：学生姓名：一、目的与要求1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、设计正文1干扰源的分析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干扰是无时无处不存在的，并且可能导致系统不能正常运行，严重者造成不良后果。
大部分干扰都是从过程通道引入的，所以很有必要在设计过程通道时就考虑抗干扰和系统可靠性问题。
MCS-51 系列及其它高挡单片芯的I/O口线都具有一定的驱动能力,一些开关量控制信号可以直接跨接到计算机芯片引脚或总线上(如键盘开关、限位开关或转速脉冲信号等),作为条件和状态检测环节，典型接法如图1 所示，K键闭合、U1高电平表示检测信号有效。
尽管开关量较模拟量信号要“干净”得多，但干扰依然存在，并以随机脉冲序列形式窜入电路，主要原因如下：1.1 电源系统的干扰我国电源噪声干扰主要表现在过压、欠压、停电、浪涌以尖峰电压等方面，容易形成开关量电平信号的浮动，使逻辑可靠性变差；而尖峰电压窜入电路，耦合到输入开关量上，会引起计算机检测失误。
1.2 信号传输线过长任何电源及信号源电路都存在电阻和分布电容，是产生采样信号干扰噪声的主要因素，传输线越长，噪声越大；系统主振频率越高，传输噪声也越大。
按照经验公式计算，计算机主频为1MHz、传输远于0.5 m,或主频为4 MHz、传输远于0.3 m时，都应做为长线传输入理。
1.3 控制电路中存在继电器元件继电器主要领先对电流吸收、释放为基本工作条件，工作电流比微机芯片工作电流要大得多。
因此，当继电器动作时，必然在电路中产生一些干扰脉冲。
这些干扰主要有二个特点：一是脉冲为一串振幅不等的序列脉冲，二是脉冲序列宽度有限（一般小于10 ms）。
如果在U1端脉冲耦合电压超过1V，就会作为错误的检测信号输入给计算机。
如印染厂中平网印花机的印花单元就是一种以开关量作为状态输入信号，以继电器做为控制输出信号的单片机控制系统，若不采取抑制干扰的措施，则很容易出现误动作。
另外，控制系统附近大型电气设备的启动使用，也会产生类似的干扰现象。
2．干扰传播的途径2.1静电耦合导线之间的静电耦合静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它线路的。
两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。
上图给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，Cl 2是两个导线之间的分布电容，C1g、C2g是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。
如果导线1上有信号U1存在，那么它就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Un 。
显然，干扰电压Un与干扰源U1、分布电容Cl2、C2g的大小有关。
2.2磁场耦合空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。
在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。
如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰，还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰，如下图所示。
如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫伏。
如果导线2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。
导线之间的磁场耦合2.3公共阻抗耦合公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。
下图给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。
公共电源线的阻抗耦合在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。
当回路电流i1变化时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。
反之，也如此。
3.抗干扰的措施和方案干扰沿I/O通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线，并且首当其冲的是A/D和各种输入装置。
因此，除了要求I/O装置具有很强的抗干扰能力外，还要设法削弱和斩断来自公共地线的干扰，同时要保证信号回路畅通。
3.1 I/O通道的信号传输线路设计和接线施工中应该采取以下措施：3.1.1高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件，不得已时可以将高电平线和低电平线分立两边，中间留出备用线或地线。
3.1.2模拟信号与数字信号最好不要走同一根电缆。
3.1.3信号线与电源线要分开，并尽量避免平行敷设。
有条件的地方应尽量使两者正交。
这种正交的接线可使线路间的杂散电容降至0，也可将电场耦合及磁场耦合形成的干扰电压降至最小。
3.1.4采用双绞线（或带屏蔽的双线）或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。
尤其是长距离信号传输时，必须选用屏蔽线或屏蔽电缆，其屏蔽层都要接地，以抑制静电感应干扰。
有条件的话，还可以采用不受电磁干扰的光导纤维。
3.1.5不同类型的导线应分别装入不同的电缆管或电缆槽里，并尽量使其有最大可能的空间；信号线应尽量靠近地线或者用地线包围它。
3.1.6采用信号隔离措施，如用光电耦合装置或变压器耦合装置进行隔离。
光电耦合装置用于数字信号或模拟信号的隔离，它的传输信号是单方向的，具有寄生反馈小、传传输信号频带宽、体积小、耐冲击、绝缘电压高、抗干扰能力强等优点，可有效地切断计算机与信号通道的电气联系，从而切断干扰引入传输线的通道。
变压器耦合装置又称隔离放大器，通常由滤波、放大、增益调节、调制、隔离变压器、解调、输出级等部分组成，具有精度高、输入失调电压漂移低、宽频带、功耗低、隔离电源输出，增益范围可调等优点。
（注意：在使用光电隔离技术时，应特别注意各隔离部分要独立供电，既要有独立的地线和电源线，否则起不到隔离作用。
）3.1.6.1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。
原理图如下：3.1.6.2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，如下图所示。
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。
光耦合器具有强抗干扰能力的原因：光耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻很大，所以能分压到光耦合器输入端的噪声很小。
发光二极管在电流状态下工作，而干扰虽有较高的电压，但能量小，不能提供足够的电流而被抑制掉。
密封条件下工作，不受外界光的干扰。
分布电容小而绝缘电阻大，回路一边的干扰很难通过光耦合器馈送到另一边去。
原理图如下：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。
3.1.7采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。
如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。
反之，则采用高通滤波器。
如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。
一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用采用输入滤波器，可以消除大部分干扰。
如果干扰频率比有用频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。
反之，则采用高通滤波器。
如果干扰频率落在被测信号频谱的附近，则采用带通滤波器较为合适。
一般情况下，干扰信号频率均比被测信号频率高，故采用二级阻容低通滤波网络作为A/D的输入滤波器。
如下图所示。
3.1.8当干扰主要来自电磁感应时，应对被测信号尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路信噪比的目的。
3.1.9能早地完成A/D转换，例如将A/D转换放在智能变送器上完成，变送器与计算机剑客采用数字通信，以利用数字信号抗干扰性能强的特点。