测控技术与仪器 毕业论文范文——现代测控系统抗干扰技术研究.doc

1、第 1 页 共 47 页现代测控系统抗干扰技术研究摘要在现代测控系统中，干扰和噪声是不可避免的，如果没能及时的对干扰和噪声进行处理，轻者会影响系统的控制精度，重者将会导致系统死机，乃至危及系统。本设计构建了一种以单片机为中心的智能测控小系统，系统包括数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能；分析了现代测控系统干扰的主要来源，传播途径及产生的影响；介绍了印制电路板中地线和电源线的布线方法,并着重从硬件和软件两个方面阐述了抗干扰措施。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果，能明显提高单片机应用系统的可靠性。关键词: 现代测控系统；干扰源；抗干扰措施第 2 页 共 47 页Modern ob

2、servation and control system anti-jamming engineering research Abstract In the modern observation and control system, the disturbance and the noise are inevitable, if has not been able prompt to disturb carries on processing with the noise, light will be able to affect the system the control precisi

3、on, heavy can cause the system to die machine, and even will endanger the system. This design constructed one kind to observe and control the small system take the monolithic integrated circuit as the central intelligence, this system including data acquisition, data processing, data storage and dat

4、a transmission functions and so on; Has analyzed the modern observation and control system disturbance main origin, the influence which the dissemination way and produces; Introduced in the printed circuit board the grounding and the power line wiring method, and emphatically elaborated the anti-jam

5、ming measure from the hardware and the software two aspects. This anti-jamming method has obtained the good effect in the practical application, can enhance the monolithic integrated circuit application system obviously the reliability.Keywords: Modern observation and control system； Noise source； A

6、nti-jamming measu第 3 页 共 47 页1 绪论1.1 引言以单片机为中心的现代测控系统,采用数据采集与传感器相结合的方式,能最大限度地完成测试工作的全过程。测控系统的优点已被人们普遍接受并广泛应用于工业自动化控制、仪器仪表、家用电器等各个领域。它的工作环境一般都比较恶劣，极易受到来自环境的各种干扰，导致控制系统精度变差、控制误动作、系统失灵乃至死机等故障。由单片机组成的控制系统必须具有较高的灵敏度,灵敏度越高,更容易把干扰引入系统中。在强噪声背景下,被测信号往往被淹没,使测量无法进行。在工业现场的应用中,存在多种干扰源,它们以一种或者多种方式作用于计算机测控系统,对系统产生

7、强烈的干扰,往往使系统的性能指标偏离设计要求,导致错误结果，有的可能损毁电子电力器件，甚至危及系统。因此在以单片机为中心的现代测控系统设计时，抗干扰技术己成为测控系统设计开始时就必须考虑的环节，必须充分考虑并解决好控制系统的抗干扰问题。本文分析了以单片机为中心的测控系统干扰的来源、传播及影响。重点从硬件和软件两个方面阐述了抗干扰措施。1.2 干扰的来源及传播途径1.2.1 干扰来源 干扰包括外部干扰和内部干扰。外部干扰源有雷电、气候和环境、电网的工频强电磁干扰以及其他高频电磁波干扰。如设备故障产生的电压、电流扰动、火花、放电过程等。内部干扰有元件的热噪声，芯片元件的低频噪声，温漂和零漂等。1.

8、2.2 干扰传播的途径 主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合:（1）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。（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。在任何载流第 4 页 共 47 页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。（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

9、而产生干扰噪声的影响。1.3 干扰对测控系统的危害1.3.1 控制误差加大 干扰侵入测控系统的数据采集通道，会使微机数据采样的反馈信号误差变大或失真，由此进行的控制和调节必然受到影响，使控制精度变差。1.3.2 控制系统误动或拒动 测控系统总是依据某些模拟量的输入结果和输入开关量的状态进行处理后，再输出控制指令。当输入的状态信号受到干扰而发生变化时，将导致控制系统发出错误的控制指令，使系统误动作，或者使动作的开关量因得不到动作指令而拒动。1.3.3 控制功能不正常 干扰的侵入有可能改变微机中 RAM 存储器中的数据，随着被窜改数据的性质不同，控制系统的被影响程度也不一样。轻者造成数据误差而影响

10、控制精度，重者造成程序状态的变化而使某些控制功能失灵。1.3.4 程序跑飞 当干扰信号侵入到程序计数器 PC 时，导致 PC 值改变，从而破坏了程序的正常运行。若 PC 值受到干扰而使程序运行不能回到原来的程序中，就引起程序跑飞甚至死机。由此可见，以单片机为中心的现代测控系统的抗干扰问题是系统安全可靠运行必须解决的，否则系统将不能得到实际应用。1.4 本设计要研究或解决的问题现代测控系统中干扰和噪声是不可避免，本设计研究在测控系统中干扰和噪声的产生、传输及影响；构建了一单片机为中心的智能测控小系统，系统需要包括数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能；在该测控系统中介绍了怎样去抑制干扰和噪

11、声，或者说怎样使有用信号得到了放大、怎样使干扰和噪声的第 5 页 共 47 页影响最小化。使系统安全，可靠的运行，得到实际的应用。1.5 论文章节分配第 1 章 绪论：简单的介绍干扰对现代测控系统的危害及本设计要研究或解决的问题。第 2 章 现代测控系统设计：本系统包括数据采集电路（变压传感器，A/D 转换器，滤波调理电路和隔离电路） 、D/A 转换器、 CPU 系统、晶振电路、复位电路、I/O 电路（隔离电路，输入通道，输出通道）和储存器。并重点对测控系统的各部分进行详细地介绍。第 3 章 现代测控系统抗干扰技术研究：本部分介绍了电容、电阻的选择和印制电路板中地线和电源线的布线方法,并着重从

12、硬件和软件两个方面阐述了抗干扰措施。第 4 章 总结：对本论文进行小结及个人设计体会。第 6 页 共 47 页2 现代测控系统各单元设计本设计的以单片机为中心的现代测控系统包括：数据采集电路（传感器，A/D 转换器，滤波电路和隔离电路） 、D/A 转换器、CPU 系统、晶振电路、复位电路、I/O 电路（隔离电路，输入通道，输出通道）和储存器。如图 1：CPU系统输入输出I/O隔离电路复位电路晶振电路隔离电路A/D转换器存储器D/A 转换器滤波调理电路传感器电源隔离电路图 1 测控系统框架图根据系统框架图对各单元电路进行的详细设计如下。2.1 输入电路设计由于输入端口负责从外界接收检测信号、键盘

13、信号等。干扰和噪声很容易通过此处进入单片机，从而对测控系统产生影响。所以在设计时必须充分的考虑对其干扰和噪声抑制，达到理想效果。一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多,如图2如示：当按下开关S1时,发出的指令信号为低电平,而平时不按下开关S1时,输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。第 7 页 共 47 页图 2 开关信号输入为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚,可以在输入端增加防脉冲的二极管,形成电阻双向保护电路, 如图3所示。图3 输入端保护电路二极管D1、D2、D3的正向导通压降 0.7V ,反

14、向击穿电压 30V ,无论输入FUBRU端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即: 出现正脉冲时,D1 正向导通； 出现负脉冲时,IVC IVCD2 反向击穿； 与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿； 与地之间出现负脉冲时,I ID3正向导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻 约为1.52.5k , 与输入电容 SRC 构成积分电路,对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于 ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度；若时间较长,则 D1 导通,电流在 上SR形成一定的压降,从而减小输入电压值。此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4

15、所示：第 8 页 共 47 页图4 输入端光电隔离R 为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在1020 mA。输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干扰能力。2.2 输出电路设计输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理效果、显示信息、控制指令和驱动信号等。光电隔离是由光耦合器来完成的，它是将输入侧的电信号转变为光信号，再传送到输出侧，从而直接割断输入与输出的联系，并使输入回路和输出回路之间有很高的耐压值，因而它具有很高的抗干扰能

16、力。光电耦合器的抗干扰能力主要体现在：1）光耦合器输入阻抗低，而干扰源的内阻一般都很高，按分压比原理，干扰电压在光耦合器的输入端的分压已经很小了。2）由于干扰源的内阻很大，即使干扰电压较高，它能提供的能量也很小，在光耦合器的输入端只能形成微弱的电流，此电流不会使光耦合器的发光二极管发光，因此干扰便在输入侧被抑制了。3）光耦合器的输入和输出之间的电容很小，而绝缘电阻却很高，因而被控设备的各种干扰很难耦合到输出端。4）光耦合器的发光部分是完全密封的，也不会受到外界光信号的干扰。在此，输出端口采用光电隔离来完成。光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,但在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图

17、5所示,单片机输出控第 9 页 共 47 页制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2 为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证: 在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和；而在光耦截止时, T1可靠饱和。图 5 光电输出电路其输出虽因控制对象的不同而千差万别,一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率的要求。达到了抗干扰效果。2.3 A/D 转换器电路设计根据要求，这部分采用 ADC0809 芯片：ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入信号中的一个进

18、行 A/D 转换。（1）主要特性1）8 路 8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位 2）具有转换起停控制端 3）转换时间为 100s4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准 6）工作温度范围为-40 85oCo7）低功耗，约 15mw （2）引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚，如图 6 所示。下面说明各引脚功能: 第 10 页 共 47 页图 6 AD0809 芯片IN0IN7：8 路模拟量输入端。2128：8 位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平

19、有效。 START： A/D 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D 转换结束信号，输出，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 ：电源，单一5V。 CVGND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平时，输出三态门打