煤矿安全监测系统及其单片机结构认识.ppt

2,矿山监控系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。世界各主要产煤国对此都十分重视，推广使用了环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。由于煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯主要成份是甲烷等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大，电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且距离远。因此，矿山监控系统不同于一般工业监控系统。这主要体现在电气防爆、传输距离远、网络结构宜采用树形结构、监控对象变化缓慢、电网电压波动适应能力强、抗干扰能力强、抗故障能力强，不宜采用中继器、传感器宜采用远程供电、设备外壳防护性能要求高等方面。采用监控系统后，保障煤炭高产、高效安全生产，具有重大的实用价值。,前言,3,一、任务描述二、任务分析三、相关知识四、任务布置,4,单片机在矿山监控系统的应用十分广泛，而单片机的使用方法是掌握单片机系统的前提。因此，只有真正掌握了单片机的内部结构及系统组成，才能够根据其内部结构特点选择合适的指令编制程序，设计外围电路，才能确保单片机系统的构成。单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。为满足工业控制的要求，选择合适型号的单片机进行系统设计是每一个单片机使用者必须掌握的技能。因此，只有通过了解单片机的发展过程及产品近况，掌握当前市场主流单片机型号、种类及其特点才能设计出满足工作要求的单片机系统。,一、任务描述,返回,5,二、任务分析,单片机的元件识别主要包括认识单片机实物，掌握单片机内部结构特点，了解单片机扩展芯片，了解单片机电路系统构成等。为能正确地编制程序并设计外围电路，实现单片机系统，首先必须先认识单片机实物并掌握单片机内部结构特点等相关知识。单片机的发展分类主要包括单片机的发展过程及产品近况，了解当前市场主流单片机型号及种类，了解单片机的特点及应用领域等。通过了解主流单片机型号及种类，并能通过查找资料确定单片机的主要性能，进而选择合适型号的单片机进行系统设计。,返回,6,三、相关知识,（一）早期的矿山监控系统,矿山监控系统是由瓦斯遥测系统发展而来的，如图11所示。,交流电,,图1-1早期的矿井监控系统,返回,7,瓦斯遥测系统是用来监控井下环境中甲烷浓度的监控系统，并具有瓦斯超限声光报警和断电功能。瓦斯遥测系统一般由甲烷传感器、断电仪、遥测仪和记录仪组成。,甲烷传感器将被测甲烷浓度转换为电信号送断电仪，并具有甲烷浓度显示和甲烷度超过报警门限后声光报警功能。,断电仪对甲烷传感器送来的甲烷浓度信号进行调制，将调制后的信号经2芯矿信号电缆远距离传送至位于地面的遥测仪。,遥测仪对接收到的调制信号解调后显示，并进行报警判别，当甲烷浓度超过报警限时，发出声光报警信号。记录仪将甲烷浓度实时记录下来。,8,在发展甲烷遥测系统的同时，为了保证轨道运输、提升运输、胶带运输等运翱统的安全、提高生产率和设备利用率，推广应用了模拟盘调度系统。例如，用于轨道运输监控的信、集、闭系统，用于提升运输监控的信号系统和用于胶带运输监控的信号系统等。这些系统均采用集中监控，每路信号使用一对电缆芯线接至总控制台、总控盘使用指示灯显示设备状态，为形象直观、常常将设备图形等制成背景，在被监控的蕾处设置指示灯，如图1-2所示。,图12模拟盘调度系统,9,（二）矿山监控系统现状,早期的瓦斯遥测系统和模拟盘调度系统虽在煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率方面起到了重要作用，但由于这些系统监测参数单一，监测容量小，电缆用量大、系统性能价格比低。因此，难以满足煤矿对矿井监控提出的越来越高的要求。随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和在煤矿的应用，为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统由早期的单一参数的监测系统，发展为多参数单方面监控系统。,10,安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、硫化氢浓度、风速、负压、湿度、温度、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主通风机开停、工作电压、工作电流等，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。,这些系统一般由传感器、执行机构、分站、电源箱或电控箱、主站、主机含显示器、打印机、模拟盘、多屏幕、UPS电源、远程终端、电缆和接线盒等组成，如图1-3所示。,11,,图13矿井监控系统,12,传感器将被测物理量转换为电信号，经3芯或4芯矿用电缆其中1芯用于地线,1芯用于信号线、l芯用于分站向传感器供电与分站相连，并具有显示和声光报警功能有些传感器没有示和声光报警.执行机构含声光报警及显示设备将控制信号转换为被控物理量,使用矿用电缆与分站相连。分站接收来自传感器的信号．并按预先约定的复用方式时分制或频分制等远距离传送给主站或传输接口，同时，接收来自主站或传输接口多路复用信。分制或频分制等。分站还具有线性校正、超限判别、逻辑运算等。对传感器输入的信号和主站或传输接口传输来的信号进行处理，控制执行机构工作。传感器及执行机构距分站的最大传输距离一般不大于2lKm。,13,现有传感器及执行机构一般需经分站接人系统除个别外，这样虽然便于分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构离分站较远，而离系统电缆较近时，就显得十分不合理，既不便于系统维护．又增加了系统电缆投资。因此现有矿井监控系统均为主从式传输，如图1-4所示。,现有传感器输出信号为模拟信号频率型、电流型和电压型和开关量信号，采用模拟信号和开关量信号，很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。,,图1-4传感器及执行机构采用星形结构与分站连接,14,（三）矿山综合监控系统,矿山综合监控系统是一种可用于全面综合监控，又可实现某些或某个方面监控的多参数、多功能系统。全矿井综合监控系统由智能传感器、智能监控站、调度管理网络等组成。如图1-5所示。,图15全矿井综合监控系统,15,1、智能传感器,（1）智能传感器使用一种通用电路，便于维护人员集中精力，深入细致地掌握电路原理，达到每一位具有一定电路基础的维护人员均能及时处理故障的要求。以保证系统正常运行。同时由于电路统一备用组件种类少，也便于备件的准备。,图1-6智能传感器,16,（2）数字信号传输与多路复用,智能传感器采用数字信号传输，多台传感器共享一根多芯电缆接成树形结构与智能监控站相连。当传感器远离智能监控站而靠近系统传输电缆时。智能传感器可直接接系统电缆，如图1-7所示。,图1-7智能传感器直接接系统电缆,17,现有传感器没有采用数字信号输出和多路复用，主要是因为现有传感器采用单片机的较少，实现时分多路复用困难。另一个原因是早期传感器耗能大，一对芯线只能为一台传感器供电。例如早期甲烷传感器工作电流为300mA、传感器输入电压为724V。若由24V本安电源供电．供电电缆环路电阴为26n／Km，其供电距离为247／03261_2．18Km。若向2台传感器供电，则供电距离仅为1．09Kin，不满足2Km输距离的要求。而目前传感器的工作电流一般不大于100mA，特别是一些温度、开关量等传感器工作电流不大于10mA，从而解决了一对芯线为多台传感器远距离供电问题。因此，传感器电缆复用路数，并不取决于监测周期、传输速率和地址编码，而取决于传感器的供电电流，这就给传感组件降低消耗提出了新的要求。,18,（3）就地控制,智能传感器传输的串行数字信号除数据模拟量传感器或状态开关量传感器外，还有报警、断电等控制信号。接在同一条总线上的执行机构如声光报警和断电设备根据收到的控制信号如报警和断电信号．执行相应的操作如发出声警和断电控制。传感器直接控制执行机构，较经分站控制执行机构具有执行速度可靠性高等优点，当分站发生故障时，仍可执行基本的控制。,2、智能监控站,智能监控站是全矿井综合监控系统智能现场设备，其功能类似于现有系统分站，有信号采集、控制、与主站或上级智能控制站双向数据传输等功能,19,3、调度管理网络,调度和管理人员是通过调度管理网络与系统进行信息交换的，其功能类似于现有系统的中心站和远程终端，具有系统初始化、显示、打印、存储、控制干预等功能。,4、现场总线与组态软件技术,现场总线FieldBus是连接智能现场设备和自动化系统的多节点、数字式、双向传输的通信网络；是计算机技术、通信技术、控制技术飞速发展并在工业监控领域有机结合的产物。现场总线采用开放式互连网络，公开所有技术和标准，提高了设备的互换性。现场总线监控系统中的传感器及执行机构等具有检测、变换、补偿、运算和控制等多种功能，控制权力进一步下放，既提高系统可靠性和实时性，又降低了系统成本。现场总线控制系统的传感器和执行机构均采用多路复用双向数字传输，大大节省了传输电缆、降低了设备成本、提高了系统可靠性、便于用户使用与维护。,20,（四）矿井监控系统的分类,矿井监控系统可按监控目的、使用环境、复用方式、网络结构、信号、信号的传输方向、同步方式、调制方式等进行分类。按监控目的不同可分为环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统。按使用环境不同可分为防爆型本质安全型、隔爆兼本质安全型、隔爆型等、矿用一般型、地面普通型和复合型由防爆型、矿用一般型和地面普通型中两种或两种以上构成系统。按复用方式不同可分为频分制、时分制、码分制和复合复用方式同时采用频分制、时分制、码分制中两种或两种以上系统。按采用的网络结构不同可分为星形、环形、树形、总线形和复合形同时采用星形、环形、树形、总线形中两种或两种以上系统。按信号传输方向不同可分为单向、单工和双工系统．按所传输的信号不同可分为模拟传输系统和数字传输系统。按调制方式不同可分为基带、调幅、凋频和调相等系统。按同步方式不同可分为同步传输系统和异步传输系统等等。,21,（五）51系列单片机概述,MCS-51单片机是Intel公司20世纪80年代初推出的高性能8位单片机，其典型产品有8031、8051和8751，8031无片内ROM，8051内部有4KB掩膜ROM，8751内部有4KBEPROM，除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。,（六）单片机的结构,1、中央处理器（CPU）,2、数据存储器（内部RAM）,3、程序存储器（内部ROM）,4、定时/计数器,5、并行输入/输出I/O口,6、串行口,7、时钟电路,8、中断系统,22,（七）单片机工作条件,1、时钟电路要给单片机CPU提供时钟信号，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。一种是内部时钟方式这种方式需在18脚和19脚外接晶体振荡器或陶瓷谐振器和电容，如图1-8所示。,图1-8内部时钟,23,另外一种是外部时钟方式对HMOS型单片机XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如图1-9所示；对CHMOS型单片机外部时钟信号从XTAL1脚输入，XTAL2悬空，如图1-10所示。,图1-10CHMOS型单片机外部时钟,图1-9HMOS型单片机外部时钟,24,2、复位电路,复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式，即上电复位见图1-11a和按键复位见图1-11b。,图1-11复位电路接法,25,根据以上分析可得图1-12所示的以89C51为例的单片机工作条件接线图。,图1-12单片机工作条件接线图,26,（八）单片机输入/输出端口结构,在51系列单片机中有4个双向并行I/O口P0P3，每个端口都由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。单片机与外部设备交换信息时，都是通过端口进行的。,在进行写端口操作时，CPU将内部总线的数据经锁存器和输出驱动器送到端口引脚；在进行读端口操作时，将端口锁存器或引脚数据经输入缓冲器传送至内部数据总线。4个I/O端口都可作输入/输出口使用，其中P0口和P2口还可用于对外部存储器或外部扩展设备的访问。,在扩展外部存储器或外部设备时，把P0口作为地址/数据总线口使用，分时输出外部存储器或外部设备的低8位地址和8位数据。当扩展的外部存储器或外部设备的地址为16位时，把P2口用作地址总线口，输出高8位地址。P3口除作通用I/O口外，其各位还可作为第二功能使用。,27,1、P0口作用通用I/O口访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线。如图1-13所示为P0口的位结构图。,图1-13P0口的位结构图,28,2、P1口作用通用I/O口如图1-14所示为P1口的位结构图。,图1-14P1口的位结构图,29,3、P2口作用通用I/O口；高8位地址线。如图1-15所示为P2口的位结构图。,图1-15P2口的位结构图,30,4、P3口作用通用I/O口。,如图1-16所示为P3口的位结构图。,图1-16P3口的位结构图。,31,P3口第二功能如表1-1,表1-1P3口第二功能,32,（九）MCS-51内部数据存储器,MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM，首先分析内部RAM。1、内部数据存储器低128单元8051的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。如图1-17所示为低128单元的配置图。,图1-17内部数据存储器低128单元配置图,33,低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域,（1）寄存器区,共有四组寄存器，每组8个寄存单元（各为8位），各组都以R0～R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。,（2）位寻址区,内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，位地址为00H～7FH。如下图,34,表1-2为片内RAM位寻址区的位地址。,表1-2片内RAM位寻址区的位地址。,35,（3）用户RAM区在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制。但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。2、内部数据存储器高128单元内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故而称之为专用寄存器（SpecialFunctionRegister），也可称为特殊功能寄存器。,36,（1）程序计数器（PCProgramCounter）（2）累加器（ACCAccumulator）（3）B寄存器（4）程序状态字（PSWProgramStatusWord）,专用寄存器（SFR）简介,PSW各位定义如表1-3,5、数据指针（DPTR）6、堆栈指针（SP----StackPointer）,表1-3PSW各位定义,37,表1-4MCS-51专用寄存器地址表,38,对专用寄存器的字节寻址问题作如下几点说明,21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。表中凡字节地址不带括号的寄存器都是可进行位寻址的寄存器，而带括号的是不可位寻址的寄存器，如表所列。全部专用寄存器可寻址的位共83位，这些位都具有专门的定义和用途。这样加上位寻址区的128位，在MCS-51的内部RAM中共有12883211个可寻址位。,39,（十）MCS-51内部程序存储器,MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。8051片内有4KB的ROM,8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩展64K字节程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。如端保持高电平,8051的程序计数器PC在0000H0FFFH地址范围内即前4KB地址是执行片内ROM中的程序，PC1000HFFFFH地址范围时,自动执行片外程序存储器中的程序，当当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器,片外存储器可以从0000H开始编址。,有一组特殊单元是0003H～002AH。共40个单元，这40个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址区。其中,0003H～000AH外部中断0中断地址区000BH～0012H定时器/计数器0中断地址区0013H～001AH外部中断1中断地址区001BH～0022H定时器/计数器1中断地址区0023H～002AH串行中断地址区,40,中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。,返回,41,（十一）节电工作MCS－5l系列单片机有HMOS和CHMOS两种工艺芯片，其中CHMOS芯片具有功耗小的优点。为进一步降低单片机应用系统的功耗，CHMOS单片机还可通过对特殊功能寄存器PCON的PD位和IDL位的选择，使其工作在等待工作方式和掉电工作方式，特殊功能寄存器PCON每位定义如图1-22所示。如果同时将PD位和IDL位置1，则优先执行掉电工作方式。HMOS单片机的特殊功能寄存器PCON只有SMOD位有定义，其余4位仅CHMOS单片机才有定义。因此，在使用时应注意二者的区别，避免对没有定义位操作。,42,图1-22特殊功能寄存器PCON位定义,43,1、等待工作方式当特殊功能寄存器PCON的IDL1时，CHMOS单片机便工作在等待工作方式。CHMOS单片机工作在等待工作方式时，CPU无时钟，但振荡器继续工作，中断、串行口和定时器模块继续工作，栈指针、程序计数器、程序状态字、累加器和所有其他寄存器的内容保持不变。在等待工作方式期间，ALE和PSEN保持高电平，口的引脚保持进入等待工作方式时的状态。,44,2、掉电工作方式当特殊功能寄存器PCON的PDl时，CHMOS单片机便工作在掉电工作方式。CHMOS单片工作在掉电工作方式时，片内振荡器停止工作，单片机停止一切操作，但片内RAM和特殊寄寻存器的内容保持不变。在掉电工作方式期间，口的引脚输出各自SFR的内容。ALE和PSEN输出为低电平。在掉电工作方式期间，电源Vcc能降至2V，但要保证在掉电工作方式开始前电源Vcc不低于正常值，并且在结束掉电工作方式前使电源Vcc恢复到正常值。,45,退出掉电工作方式的唯一办法是硬件复位。由于在掉电工作方式期问时钟振荡器停止工作，因此，复位脉冲必须保持足够的宽度，以确保时钟振荡器重新启动并达到稳定的工作状态。复位脉冲的持续时间一般不小于10ms。,46,（十二）爆炸性环境用单片机应用系统的设计爆炸性环境用单片机应用系统的设计一般包括技术性能指标的确定、电气防爆型式的选择、软硬件功能的划分、芯片的选择、抗干扰设计、电气防爆设计等内容。,47,1、系统设计与防爆设计（1）技术性能指标的确定技术性能指标是单片机应用系统的设计依据和最终目标，它贯穿着整个设计工作。在确定技术性能及指标时，要根据用户对系统的使用要求，并参考现有国内外类似系统的技术性能指标、综合考虑技术先进性、易操作维护性、系统可靠性、生产工艺的复杂性和经济效益等因素，提出比较合理的技术性能指标，并查阅有关技术标准，使之标准化、规范化。当然，技术性能指标在系统的研制过程还将进一步完善和修改，使系统具有较高的性能／价格比。,48,（2）防爆设计单片机应用系统的防爆型式主要以本质安全型为主，这是由于本质安全型电气设备与其他类型的防爆电气设备相比，具有体积小、重量轻、制造工艺简单、成本低等优点，特别是本质安全电路无论在正常工作状态，还是在规定的故障状态下都是安全的。本质安全防爆的原理是通过合理选择电气设备的电路和电路参数，使电路在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不致引起周围可燃性气体的燃烧或爆炸。因此，本质安全型防爆单片机应用系统应是低电压、小电流和小功率系统。对于难以满足这些条件的系统电源和大功率路一般采用本质安全型和隔爆型或本质安全型与浇封型的复合防爆型式，如隔爆兼本质安全型电源等。,49,在设计本质安全型电路时，首先应设计好本质安全型电源。当输出端发生短路等故障时，应具有保护功能，并当故障排除后，应能自动恢复正常。对于输出电流较大、电压较高、功率较大的电源，还应采用快速切断或保护措施。在设计本质安全电源的负载时，应考虑尽量减少负载中的储能元件和容量，尽量不采用电感、电容等元件。必须使用时，应尽量减小其电感量或电容量。同时，应尽量减小负载的工作电压、工作电流和功率。对于参数变化后或故障后将影响电路本质安全防爆性能的电阻、电容、电感、变压器、晶体管等元件，在正常工作和规定的故障状态下的电流、电压和功率应不大于其额定值的三分之二。,50,（3）功能划分软、硬件功能的划分就是根据所确定的技术性能指标确定哪些功能由单片机来完成，哪些功能由外部接口电路来完成，哪些功能由外围数字电路或模拟电路来完成，哪些功能由传感器和执行机构来完成，哪些功能由软件来完成。在功能的划分上，为了简化硬件结构，减小功耗，便于本质安全防爆，降低成本，凡能够用软件、单片机及其少量外部电路完成的功能，应尽量由它们完成，但也要考虑软件开发的工作量。在芯片的选择上，除应选择功耗较低的芯片外，还应兼顾经济合理性，并考虑市场的供货情况。一般地讲，应选择技术先进、销量较大的芯片，这样会获得较高的性能价格比。,51,2、抗干扰设计单片机应用系统的抗干扰设计是系统设计的重要内容之一，因为电磁干扰不但会造成较大的系统误差，还会使系统死机无法工作。系统干扰主要有空间干扰通过电磁波辐射窜入系统、通道干扰通过信号输入／输出通道窜入系统和电源干扰通过电源窜入系统。（1）硬件抗干扰措施空间干扰一般用屏蔽外壳和外壳接地的方法来解决。,52,电源干扰通常采用变流稳压器、隔离变压器、低通滤波器、平滑滤波器和板上稳压等办法来解决，如图1-23所示。交流稳压器可以解决交流电源过压与欠压。隔离变压器就是在之间用接地的屏蔽层隔离，从而减小初、次级之间的分布电容，减少高频干扰。这是因为电源的高频干扰主要是通过初、次级间的分布电容耦合到次级的。低通滤波器通常与隔离变压器次级相连，滤除变压器次级输出的高次谐波，改善电源波形。在高次谐波较严重的情况下，还可在隔离变压器的初级与交流稳压器之间接入低通滤波器。平滑滤波器置于直流整流电源输出，滤除50Hz工频干扰和其他交流成分，降低直流电源的交流纹波电压。为消除负载波动所引起的耦合干扰，系统中的各功能板应采用独立的直流稳压电路，一般由三端稳压器和输入输出电容组成，如图1-24所示。输入／输出电容一般选独石电容。各功能板单独稳压不仅可以消除耦合干扰，而且可以降低对总电源输出的要求，便于稳压散热。,53,54,通道干扰主要用光电隔离的办法来解决，对于信号频率较高、传输距离较远的输入输出通道，还应使用双绞线传输，并注意阻抗匹配。双绞线能使每一扭绞线段之间的电磁感应干抗相互抵消。传输线阻抗匹配就是使负载阻抗等于传输线的传输阻抗。当传输线阻抗匹配时，系统无信号电磁波反射，反之，有反射。传输线的特性阻抗除与本身特性有关外，还与所传输的信号频率有关。若传输线的分布电阻为R，分布电容为C，分布电感为L，分布电导为G，所传输信号的角频率为，则传输线的特性阻抗Zc为,,,55,传输线的分布电阻R、分布电容C、分布电感L、分布电导G分别是指传输线单位长度上的电阻、电容、电感和电导的大小。光电隔离能有效地抑制尖峰脉冲及各种高频干扰，并利于本质安全防爆隔离，是减少通道干扰和本质安全防爆隔离的主要措施之一。光电隔离通常使用光电耦合器作隔离元件。光电耦合器具有输入电阻小一般为100～1k之间、隔离电压高输入回路与输出回路之间隔离电压一般为15007500V、绝缘电阻大输入回路与输出回路之间绝缘电阻一般为10111012、耦合电容小输入回路与输出回路之间分布电容一般为0.5～2pF、电流型输入等优点。因此，使用光电耦合器能实现输入／输出通道与单片机系统的隔离，有效地抑制电压幅值较高，而能量较小、高频成分较高的干扰。,56,同时，实现了本质安全型防爆电气设备的电气隔离。光电耦合器是非线性器件，因此，对于模拟量信号输入或输出通道，应先将模拟量转换为数字量或频率量频率型模拟量信号，再用光电耦合器隔离输入至单片机系统，而输出的数字量或频率量经光电耦合器隔离输出后，再转换成模拟量信号，如图1-25和图1-26所示。在一些对速度要求不高的系统中，通常将模拟量转换为频率量再转换为数字量，或将数字量转换为频率量再转换为模拟量，以减少光电耦合器的用量，降低设备成本和体积。在一些对速度要求较高的系统中，采用上述方案就难以满足高速的要求，通常将模拟量直接转换为数字量，或将数字量直接转换为模拟量，以满足高速的要求。但由于数字量需多路并行传输，因此，使用光电耦合器较多，设备体积较大，成本较高。,57,58,（2）印制电路板抗干扰设计印制电路板抗干扰设计是抗干扰主要措施之一。印制板电路抗干扰设计主要包括印制电路板尺寸的选择、元器件布置、地线布置、电源线布置、去稻电容配置等。印制电路板尺寸大小要适中，尺寸太大，印制线路加长、线路阻抗增大，供电质量难以保证。如果布线不当，将会加大负载波动耦合干扰和印制板电路间信号耦合干扰，并且成本高，印制板电路质量难以保证。尺寸大小，电磁器件对周围器件干扰大，不利于大功率器件散热。如果印制导线过细或过近，还会降低印制板可靠性，加大线间信号耦合干扰。,59,在器件布置上，应尽量将逻辑相关的元器件布置在一起，按信号流程布置器件。除此之外，还应尽量减小信号线长度和计算机总线长度，将模拟电路与数字电路分开布置，将高频电路与低频电路分开布置，将大功率元器件与小功率元器件分开布置，将电磁元器件单独布置。地线要尽量加宽，以减少线路压降和负载耦合干扰。信号工作频率不小于1MHz的系统可采用单点接地，如图1-27所示。信号工作频率大于I0MHz的系统应采用多点接地，如图1-28所示。对于信号工作频率在ll0MHz之间的系统，应尽量采用多点接地，如果采用一点接地，接地线长度应不大于波长的l／16。对于单点接地系统接地线应构成环路，以减小地线上的电位差，提高系统的抗噪声能力，地线布置如图1-29所示。如果系统中既有数字电路，又有模拟电路，应将数字地与模拟地分开布置，以减小相互之间的干扰。,60,61,62,电源线应尽量加宽，双面印制电路板的电源线应尽量与地线布置在对应的那一面，并与地线的走向尽量一致。在板上稳压电源输出端应并接1～10uF的钽电解电容。在程序存储器、数据存储器、单片机、接口电路、总线驱动器等耗能较大的芯片的电源端与接地端之间并接0．0l～0．1uF的独石电容。每l～5个低功耗集成电路使用1个0．01～O．1uF的独石电容。逻辑电路未使用的输入端，应视逻辑关系接至已使用门的输入端，或接地，或接电源。有可能产生火花的按钮、开关、继电器和接触器的接点，应并接RC电路吸收，一般R取l～2k，C取2.2～4.7pF，如图1-30所示。继电器和接触器线圈，应反并续流二极管，如图1-31所示。为防止强电磁干扰使系统或部分寄存器错误复位，应在芯片的RESET复位端并接0．01uF独石电容。,63,64,（3）系统布线系统布线除应将本安与非本安导线分开打把外，还应将交流线单独打把，直流稳压电源线单独打把，数字信号线单独打把，模拟信号线单独打把，灯泡、继电器等感性负载驱动线和非稳压的直流电源线单独打把，并尽量减小布线长度和采用双绞线。地线要尽量粗，对于高频系统应采用多点接地，对于低频系统可选用一点接地。有屏蔽层的电缆，屏蔽层要一点接地。（4）系统抗干扰措施系统抗干扰措施就是当干扰使系统出现某种异常后，所采取的一些软件和硬件抗干扰措施。系统抗干扰措施主要包括设置监视定时器又称看门狗电路、设置软件陷井及地址拦截、软件冗余设计、系统上电自检、对监测数据软件滤波等。,65,（5）设置监视定时器设置监视定时器就是将定时器的定时时间设定成略大于程序正常运行时可能出现的最大循环周期时间，在循环程序中，设置一条使定时器复位或预置的指令，定时器的定时时间到输出端经单稳态触发器接CPU的复位信号端或中断请求输入端。当系统运行正常时，由于每一周期都对定时器复位或重新预置，因此，定时器输出无效电平。当系统运行不正常时，将不能保证对定时器复位和重新预置的周期时间小于定时器定时时间，定时器输出有效电平信号，使系统复位或进入故障处理中断程序。用作监视的定时器可以是单片机本身的定时器，也可以是外部可编程定时器，如8253、Z80-CTC、8155等接口电路，还可以是不可编程的计数器和单稳态触发器。,66,（6）设置软件陷井及地址拦截设置软件陷井就是在未被使用的程序存储器空间内，反复设置跳转指令，跳转至能够重新启动或出错处理的程序段。当干扰使程序计数器出错，进入上述未被使用但反复设置跳转指令的程序存储器空间时，这些跳转指令将会使程序重新启动或进入出错处理程序段。,67,（7）软件冗余设计软件冗余设计就是在不影响程序正常运行的情况下，将一次性操作改为循环重复操作，或多次重复操作，主要包括1对接口电路的控制命令寄存器，由一次写入改为循环重复写入，当接口电路的控制命令寄存器被干扰后，在下一个软件循环周期内得到修正。2对跳转、调用子程序、返回、开／闭中断等重要指令多次重复一般重复1～2次，当这些指令在执行过程中受到外界干扰，后面重复的指令将会被正确执行。3将重要环节的一次采样、处理和输出改为循环采样、处理和输出。当一次采样、处理和输出被干扰有误，将会在下一个循环得到修正。4对重要数据采用多处存储择多判决。例如将同一个数据存放3个不同的RAM存储单元中，取数时，有两个单元数据一致认为有效。5对输出的控制数据除通过接口输出外，还在RAM中存储，以便系统故障排除后恢复故障前的输出状态。6对重要环节的采样、和输出采用多次重复、择多判决或取平均值等。,68,（8）系统上电自检1程序存储器的检测2数据存储器的检测3CPU的检测4输入／输出接口电路的检测,69,（9）软件数字滤波为消除监测数据中的干扰，除在硬件上采用有源或无源滤波外，还可使用软件数字滤波。在单片机应用系统中，由于运算速度、存储容量等因素的限制，一般采用一些简单而又有效的方法。1算术平均值2中值法3择多判决法4一阶递推数字滤波法即,,70,四、任务布置,1、八矿煤矿安全监测系统的组成及主要作用。2、画出单片机的内部结构图。3、画出单片机内部存储器结构图。4、写出51系列单片机输入/输出端口结构特点、工作原理及使用注意事项。5、画出一种单片机时钟电路和复位电路。6、试画出一种单片机最小系统电路图。,返回,