光电隔离技术精选(九篇)

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第1篇：光电隔离技术范文

【关键词】漏电流；SPWM；SVPMW；共模电压；单极性；双极性

1 光伏逆变器漏电流形成原因及其危害

如图1所示的三相全桥逆变系统主电路原理图，由于光伏阵列占地面积较大，电池的正负极和大地之间存在较大的寄生电容，有相关文献指出晶体硅光伏电池的寄生电容约为50-150nF/kW，薄膜光伏电池约为1uF/kW，Cpv1，Cpv2表示电池正负极对大地的电容， 表示三相电力系统的中性点的接地阻抗，对于不同电压等级的电网中性点接地方式是不同的，对于中性点直接接地的 ，对于中性点不接地的 。在这里忽略电网的地与光伏阵列的地之间的阻抗。

地电流的存在会造成电网电流畸变，电磁干扰，系统的额外损耗，以及人身安全隐患，德国DIN VDE-0126-1-1 标准规定，当地电流高于300mA时，光伏并网系统必须在0.3s内从电网中切除，国内金太阳认证也有类似的标准。传统的光伏系统出于对安全的考虑，通常在光伏电池和电网之间插入变压器作为电气隔离，阻断漏电流回路。但隔离变压器增加了系统的重量，体积和成本，降低了整体效率，因此无变压器隔离的光伏逆变器漏电流抑制技术近来成为了国内外学者研究的热点。

2 三相光伏逆变拓扑漏电流抑制

2.1 SPWM与SVPWM调制方式的共模电压

由频谱图可以看出共模电压主要含有直流分量Vdc=300V，即1.5倍的母线电压，以及开关频率3KHz的谐波电压。

同样的条件下将调制方式改为SVPWM方式：

由频谱图可以看出，共模电压中的直流成分含量与SPWM一致，即都为母线电压的1.5倍，但交流成分中还含有大量的3的奇数倍次谐波，分布在基频附近和开关频率附近。由共模电压的定义可以看出，当以母线的电容中点为参考点时，共模电压的直流成分将为0。

2.2 带分裂电容的三相逆变拓扑

如图5所示的带分裂电容的三相逆变拓扑，将直流母线中点与电网中性点直接相连，得到的共模电压等效模型如图6所示：

由等效模型可以看出，将直流母线的中点一电网中性点直接相连以后，参考点与地之间被母线中点钳位，而母线电容远大于光伏电池正负极的寄生电容，从而使共模电流强制流向母线电容，从而达到了抑制漏电流的目的。

但从2.1节的频谱分析可以看出，SVPWM调制方式的共模电压中含有大量的3的奇数倍次谐波，这些三相3的奇数倍次谐波属于零序分量，当母线中点与电网中性点相连时，零序分量有了通路，电网相电流会产生严重畸变。因此SVPWM调制方式不适用于母线中点与电网中性点直接相连的拓扑。而SPWM调制方式的共模电压中仅仅含有开关频率处的谐波，因此这种带分裂电容的拓扑只适用于SPWM调制方式。而SPWM的母线电压利用率较低，如果采用直流母线中点与电网中性点直接相连的拓扑时，需要加一级升压电路。

3 单相光伏逆变器的漏电流抑制

3.1 单极性调制与双极性调制的共模电压

3.2 单极倍频调制方式的共模电压抑制

与双极性调制方式相比，在相同载波频率条件下，单极倍频调制方式具有开关次数少，波形质量好的优点，因此抑制单极倍频调制方式的共模电压成为了各国新能源领域的研究热点之一。以下介绍几种国外典型的针对抑制共模电压的单相逆变拓扑。

德国SMA 公司的Sunny Mini Central 系列和SunnyBoy TL 系列的光伏并网逆变器采用H5 拓扑，德国Sunways 公司生产的NT 系列的光伏并网逆变器采用HERIC 拓扑，其中SMA公司已在中国，欧洲以及美国申请了H5拓扑专利，而Heric拓扑在中国没有申请专利。

如图8所示的H5拓扑，其原理是在调制波正半周期，S1常开，S4和S5共驱动并与S3的驱动互补，逆变回路S1，S4，S5导通，共模电压 ，续流回路S1与S3导通，a点电位与b点电位由S5 ，S4两个开关管的分压决定，而对于寄生参数相同的开关管，可以认为a，b两点电位为母线中点电位，共模电压 ，因此这种H5拓扑的共模电压没有脉动，可以抑制共模漏电流。

如图9所示的Heric拓扑，在调制波正半周期，逆变回路S1与S4导通，共模电压 ，续流回路S5和S6导通，a，b两点电位由S1，S2开关管分压决定，也可以认为a b两点电位为母线中点电位共模电压 ，从而抑制了共模电压的脉动。

综上所述，单相光伏逆变拓扑的共模电压抑制原理是在续流回路依靠开关管的阻断和寄生参数的分压将桥臂电位钳位在母线中点，国内各高校与有关企业的拓扑专利也是利用此原理，只是不同的拓扑配合不同的调制方法。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]冯垛生，张淼，赵慧.等.太阳能发电技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

第2篇：光电隔离技术范文

【关键字】电气隔离，电气控制线路，应用

中图分类号： F406 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

电气隔离在电气控制线路上的应用十分普遍，同时也非常重要，通过加强对其的研究分析，可以促进其不断地应用，这对于我国在这方面的研究意义重大。

二、数控机床控制系统常见干扰综合分析

在数控机床电气控制系统的工作环境中，存在一些因自然因素或人为因素产生的电磁干扰信号，这些信号会通过一定途径进入控制系统。可根据干扰源和干扰传播路径的不同，数控机床控制系统的干扰可分两大类：一是系统内部的相互干扰，二是系统外部的干扰。其中，系统内部的控制模块产生的相互干扰主要由接触器、继电器、开关等装置内部的器件引起，可通过系统通道进行干扰(如输入、输出端口)、供电系统干扰(如电源)和空间干扰的方式进入数控机床的控制模块。

例如，接触器的动作会产生两种干扰信号：一是接触器开关触点开、合会在母线上引起含有多种频率分量的衰减震荡波，母线相当于天线，将暂态电磁场的能量向周围空间辐射，进人数控控制模块后形成干扰。这种干扰与开关所带负载的类型和功率大小有关，一般情况，感性负载、大功率变压器引起的干扰强度更大；二是接触器控制线圈通、断时在线圈两端产生的过电压，通过电源线和输出继电器进入控制系统。系统内其它的强电信号，可通过电源线传输或空间电磁耦合等方式干扰数控系统；三是外部环境，如大电弧电流产生的剧变强电磁场、强大的交变电磁场、大功率的变频器以及雷电等，这些干扰的传播路径主要是空间电磁耦合。

三、信号隔离

1、光电耦合隔离

光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离。因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小和耐冲击等好处，使其在强一弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽、无触点输入与输出以及在电气上完全隔离等特点，而被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。

光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小(约几个pF)，所以能阻止电路耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦台器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2．5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件(频率高达10MHz)。常用的器件如4N25，其隔离电压为5．3kV；6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。

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芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个pF，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，PLC使用的数字量信号输入／输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在工控系统中得到了广泛的应用。

下图是脉冲变压器的应用实例。电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。

3、继电器隔离

继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。下图是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。

4、配线系统隔离

将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线和感性负载驱动线等。配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。

四、控制线隔离技术——电源系统隔离技术

1、交流电源供电系统隔离法

交流电源中存在着诸多电干扰源，如交流电源在工作时产生的数量巨大的谐波、高频波、雷击浪涌等一系列干扰噪声，所以在以交流式电源为主要供电设备的电气系统中其电源系统均应该采取抗干扰措施，隔离电源变压器就是一个较为有效的电源抗干扰装置，该装置能够有效地防止电源工作中由电流产生的噪声干扰。隔离电源变压器的运作原理是在电压器内部的加入了隔离层，并且变电器内部结构做了相应的调整，之所以一般的交流变器不论如何概念其内构都无法达到这种效果是因为即使使变压器内的一次烧和二次烧组件绝缘不产电流流动，但由于交流电流的作用变压器中会有分布电容（铁心与烧组之间，烧组与烧组之间，层匝之间以及引线与引线之间）存在，这样交流电网之中就会有电容耦合存在，从而产生噪声。因此采用隔离电压变压器才能有效对交流电源进行有效的噪音隔离。

2、直流电源供电系统隔离法

直流电源供电系统虽然与交流电源供电系统比起来在工作过程中产生的噪声较小，而且直流电产生的噪声污染也比较好控制，但在工作中如对直流电源供电系统不加以控制和预防其产生噪声也会有较明显的影响作用。直流电源供电系统内部产生干扰主要来自直流电源系统中的子系统，各个子系统之间相互的作用影响或是子系统内部自身的影响，导致直流供电系统产生噪声，要想对直流电源供电系统做噪声隔离就要在直流变压器中的各个子系统间添加隔离膜，或者直接采用隔膜变压器也能有效降低直流变压器在工作是产生的噪声。

五、结束语

总之，电气隔离在电气控制线路上的应用十分普遍，而且重要性很强，需要不断加强对其的研究，以此才能促进其继续的发展和应用。

参考文献：

[1]沈春波数控机床电气控制系统中的电气隔离技术科技创新与应用2013-01-08期刊

第3篇：光电隔离技术范文

引言

在电力电子装置中，经常需要在两个不同的模块之间传送模拟信号，并且要保证安全可靠地传送。通常两个不同模块之间的电位可以相差几百伏乃至几千伏，比如电机控制中的隔离电枢电流和电压传感器，电动机地与控制系统地的隔离等。特别在一些以微处理器为核心的电力电子装置中，需要传送代表输出特性的参考信号，而运行于高频开关状态的功率电路与控制电路往往不在同一电路板上，为了防止强电磁干扰串到微机系统导致系统运行异常，并降低EMI和工频干扰，在信号传送的时候需要严格隔离。在工业过程控制与测量系统中更是普遍需要用到模拟量隔离传输技术，如热电偶、压力电桥、应变计、传感器的数据隔离放大均是例子。因此，研究精确可靠的传输方案对于保证系统的整体性能具有重要意义。本文以数控精密高频开关逆变电源系统为例，研究了电力电子装置中模拟信号的精确隔离传输的方法。

1 隔离传输方法及其比较

实现电气上隔离的方法从耦合方式来看，可以分为磁耦合隔离方法、光电耦合隔离方法、电容耦合隔离方法等。

磁耦合隔离方法是最常用的耦合隔离方法。图1所示的是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图，是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器，采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级，输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能。输出级是对信号进行解调，滤波与放大。内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。

图2

    另外，还有三点隔离的变压器耦合隔离放大器，如BB公司的3656,可以实现输入级和输出级隔离，而且供电电源与放大器隔离，真正实现了信号和电源完全隔离。

电容耦合隔离方法是比较先进的，采用了频率调制技术，通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号。图2所示的是BB公司电容耦合隔离放大器ISO122的框图，隔离放大器输入和输出之间通过2个1pF的隔离电容进行信号耦合。在调制端，输入放大器对输入电流和一个可切换的电流源之间的差值进行积分。假设VIN为0V，积分器将以单向的斜率上升直到超过比较器的阈值。内部的压控振荡器使电流源以500kHz的频率切换，输出调制的数字电平以差动形式加在势垒电容上。同时外加隔离电压呈共模形式。输出端的放大器检测出来的差动信号作为另一个电流源到积分器A2的切换控制，信号解调产生一个平均值等于VIN的VOUT，经过低通滤波器滤掉余下的载波噪声之后，就成为隔离放大器的输出。

    由于采用了数字化调制手段，隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性。

光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用，在实际中应用很广泛。光电耦合器件具有非线性电流传输的特性，如果直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。于是很多公司相继推出线性光耦隔离放大器，如BB公司的ISO100,利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。

2 开关式隔离传送与串行方式

针对光电耦合器能够相当可靠地传递开关量信号，因此，在实际应用中考虑数字隔离的方法，即将模拟信号通过A/D转换变成数字信号，再采用光电耦合器进行数字隔离。

    2．1 PWM的调制及解调方式

一种开关量隔离方式，集成PWM或微处理器输出信号调制的PWM波形，传送信号的瞬时电平与脉宽成正比，经过光电隔离后对PWM信号低通滤波，恢复成模拟信号。

2．2 V/F方式

另一种A/D转换常用方法如图3所示。它采用电压/频率变换即V/F变换，设计的模拟信号隔离传送电路如图3所示。传感器输出的微弱信号放大到伏级，送入LM331构成的V/F转换电路变成脉冲信号，信号频率与输入电压成正比；可以进行长距离传输，而后经过光电耦合器切断前后电路电气联系，隔离后的脉冲信号再送入同样由LM331构成的F/V转换电路得到复原的模拟电压信号。

综上比较各种隔离方法的传输特性，其性能综合对比如表1所列。

表1各种隔离方法的传输性能对比

耦合方式 传送精度 噪声滤波 结构复杂度 传送距离 电平死区 变压器耦合 中 需要 高 短 有 电容耦合 较好 需要 高 短 有 线性光电耦合 较好 不需要 中 短 有 PWM 低 需要 低 长 无 V/F 中 需要 中 长 有 前面几种隔离方法都采用了集成的结构，性能得以保证，但是，由于隔离是在芯片内部实现，输入级与输出级间距很短，对于信号传输空间上有一定距离的应用场合，效果并不是很好；同时在调制与解调过程中不可避免地会有一些噪声产生，因此输出级要设置相应的滤波电路，导致准确度下降，

线性光耦当输入信号较小时，驱动电流可能小到无法令光电管检测，存在死区；后来的V/F开关转换方法传输可靠，但是隔离的两端都需要V/F芯片，电路仍显复杂，另外，工作频带受限制，低端因为纹波大而准确度下降，高端信号亦受滤波器频带限制。

图5

    要解决或改善上述的不足单从电路结构完善上已经余地不大，唯有考虑引入数字式的传输手段。

2．3 直接数字信号传输方式

对于模拟信号要求较高的场合，可以采用数字式信号传输，优点是精度高，抗干扰性强和可靠性好，能够实现任意波形的信号传送。在有些应用场合中是通过微处理器直接生成数字信号，则更有理由采用数字式传输。

将数字信号转换到模拟信号的方法可以有多种，如PWM信号滤波，数字电位器。从信号的准确度和驱动稳定度来看，专用的DAC芯片最为可靠。专用的DAC芯片，是通过数据线输入，转换成模拟信号输出，一般8～12位的精度已经可以达到大多数传送要求的准确度，因为输入是数字电平，所以可以进行光电隔离，还能通过远距离传送，这样就可以实现在两个不同的电网络之间传送模拟信号。

DAC芯片通常有串行和并行之分，并行的DAC芯片应用较多，编程简便，但是，应用时候需要把所有数据线以及读写控制线全部进行隔离，这样需要的光电耦合器的数量就较多，长距离传输的时候电路结构也比较复杂，优点只是信号变换速率较快。

图6

    2．4 串行D/A数字隔离的办法

对于速率传输并非很快的场合，采用串行的D/A芯片就能够很好地适应应用的要求。各大芯片厂商都已推出了串行接口的D/A芯片，通常输入端采用串行方式接收数据，如SPI或者I2C总线时序。微机接收来自各类传感器的模拟信号，配合外围或者自带的A/D转换器，将模拟信号变换成数字信号，再通过软件进行滤波、放大等数据处理，由程序将需要输出的数据加上若干控制位组合成串行数据列，通过微机I/O口，经过光耦隔离输入到串行D/A芯片，变换成模拟信号输出。图4所示的是通过光耦实现的串行隔离传送的一个方案。

这样便可以将控制电路与高电压电路完全隔离起来，只要将串行D/A芯片置于功率电路端。因为中间完全是数字信号传输，所以能够较好地解决传输干扰，连线也相当简单，一般不超过4根线，使电路的结构得以简化。图5所示的是实际的电路。

3 串行D/A隔离信号传输的设计与实验结果

作者设计的数控开关电源中需要提供多路精确的25Hz参考信号，并且需要与主功率电路与驱动电路完全隔离，为此，采用了本文提出的方法。在以微处理器80C196KC为核心的实验电源系统中，逆变的参考信号是通过微机控制串行D/A生成，传送到隔离侧的功率控制电路。

本文采用MAXIM公司的串行8位DAC，电压输出，整个封装为8脚，结构简单。其中微处理器与芯片之间的SPI总线控制通过软件来实现，输入端的口线用高速光耦6N137分别隔离。

因为，80C196KC系列没有单口线操作指令，所以，各口线时序以并行方式同步输出。

输入线包含片选线、时钟线和数据线，首先，软件时序操作令片选有效，然后，程序就可以向芯片发送整合的数据包。时钟线上输出的是一定频率的脉冲信号，在每个时钟的上升沿后，将数据包中的各位按次序送到数据线上，当时钟变为下降沿时刻，数据输入到DA的寄存器内。具体时序如图6所示。

要完成一次数据的发送，串行芯片需要接收到16个数据位，也就是至少需要16个时钟周期，对于MAX522的时钟频率可达5MHz，故数据的发送周期最短大约为200ns，对于其他串行芯片可以类推，但是一般微处理器指令执行速率达不到这么快。

实验中输出25Hz波形，输出点数为256，采样频率达到6kHz，已经能够满足精密工频逆变电源的波形控制要求。如果采用更高速的处理器可传输频率更高的模拟信号。用这种方法可以实现多路信号的同步传输，只要将各串行芯片的片选端和时钟端分别相连，从数据端发送不同的数据位，就可以在隔离的另一侧输出同步波形。图7所示的是通过这种方法生成的两路参考波形，相位差90°。实验证明这种隔离方法能够使微机控制电路受到的干扰大大降低，由于采用数字信号的方式，无须滤波，可以适应信号发生突变的应用要求。

第4篇：光电隔离技术范文

关键词：单片机 光耦 控制

中图分类号: TP368 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0022-01

Abstract:Given the stability of the traditional single-chip control switch is poor,bulky problem of poor and anti-jamming capability,designed and developed a microcontroller-based STC opticalcoupler control switch lights.The control depends on the MCU to complete the synchronization,using a combination of hardware and software protection measures,both beautiful and have good performance to achieve its control.

Key words:Micro Control Unit Opticalcoupler Control

1、引言

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制进行改进。

2、光耦器件有效抑制单片机系统干扰

共地干扰的存在影响了单片机系统的正常工作，切断共地关系，电信号无法构成回路，单片机和外部设备无法进行信号传输。所以，必须采取某种措施，既能保证将地隔开，又能顺利传送信号。利用光耦器件隔离，能够解决上述问题。光耦器件是把电信号转换为电信号，光信号传送到接受侧再转换为电信号。由于光信号的传送不需要共地，因此可以将光耦器件两侧的地加以隔离。

光耦器件能再传输信号的同时有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，其原因如下：

(1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧，而干扰源阻抗较大，通常为几百千欧。由分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，光电耦合输入端分得的噪声电压也很小，另外由于干扰噪声的能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，干扰噪声即使有很高的电压幅值，也会因为没有足够的电流导致发光二极管不能发光，干扰就被抑制掉。

(2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气连接，没有共地，之间的分布电容很小，而绝缘电阻又很大，因此回路一侧的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一侧，避免了共阻抗耦合干扰信号的产生。

光电耦合器的主要优点是单向传输信号，输入和输出完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。光电耦合器的输入回路与输出回路之间可以承受几千伏的高压，即使外设电路出现故障，甚至输入信号短接时，仪表也不会损坏，有很好的安全保障。光电耦合器还具有响应速度快的特点，适用于响应速度要求很高的场合。

单片机有多个输入端口，接收来自远处设备传来的各种现场信号，单片机对这些信号处理后，输出控制信号去执行相应的操作。如果现场环境恶劣，会产生较大的噪声干扰，这些干扰信号一旦进入单片机系统，会造成系统的稳定性和准确性的降低，严重时会产生误操作，造成比较严重的后果。要解决此问题，可在单片机的输入端和输出端用光耦器件作为接口，使信号和噪声之间电气隔离，抑制干扰信号进入单片机系统。

光电耦合器是光电隔离电路的核心器件，它具有单向信号传输、输入输出端完全电气隔离、抗干扰能力强、工作稳定、无触点、寿命长、传输效率高等优点。已经运用于许多领域，在电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、振荡器、级间隔离、数字仪表、远距离传输、通信设备等方面都有广泛的应用。但光电耦合器虽然是一种电流控制的电流转移器件，具有和双极性晶体管类似的传输特性，但由于它的线性工作区比较窄，电流传输比受温度影响比较明显，不适合作为模拟电路的输入输出隔离。

3、STC11单片机和MAX232及软件

我们选用了STC11单片机和MAX232转换芯片，STC11/10xx系列单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路,针对高速通信，智能控制，强干扰场合。STC11/10xx系列单片机的定时器0/定时器1/串行口与传统8051兼容,增加了独立波特率发生器,省去了定时器；传统8051的111条指令执行速度全面提速,最快的指令快24倍,最慢的指令快3倍。国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

使用图片按钮界面控制单片机通信，由于控制程序存储在STC11单片机的电可擦除Flash闪存EPROM中，如果用户需要更改系统的亮灯位置，无须改变系统硬件电路，只需修改其中程序即可，是一种很有发展前途的灯控制器。

4、结语

本文对基于STC11单片机的光耦控制进行了分析，并实现了控制开关灯，其提高了单片机控制开关的稳定性、精巧性和抗干扰能力，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]睢丙东,魏泽鼎.单片机技术与实例[H].北京:电子工业出版社,2005.

[2]王为青,程国钢.单片机Keil Cx51应用开发技术[M].北京:人民邮电出版社,2007.

第5篇：光电隔离技术范文

[关键词]RS-485 光电耦合隔离 中继器

一、引言

RS-485总线是测控领域广泛采用的一种现场总线形式,由于采用了平衡发送和差分接收的方式,可以有效地克服共模干扰,并具有较高的数据传输速率和传输距离。RS-485总线传输的最大距离为1200米,使用中继器可以突破这个距离限制,扩展RS485网络。本文通过对常用RS-485总线接口器件MAX3471工作原理深入分析的基础上采用光电耦合隔离和自动双向切换技术,设计了一种简单实用的RS-485总线光耦隔离中继器。与传统RS-485中继器相比,本文设计的中继器传输信号稳定可靠,具有防雷击、电气隔离传输信号等独特优点,可广泛应用于各种大型测控系统。

二、总体设计

结构上采用双信号端对称设计,分别称为信号1端和信号2端,它们都可以作为发送端和接收端使用。由于RS-485采用半双工方式,同一时刻只允许一个作为发送端,另一个作为接收端。光耦隔离芯片是信号端之间的传输媒介,隔离前后的信号摆脱了电气连接,对系统安全起到了防护作用。外部电源采用+5V或+9V~+24V直流电源。由于通信网络各点地相位差异较大,采用隔离电源分别给信号端供电,使得信号1端GND、信号2端GND和电源端GND三者之间相互隔离,这样即使在某一端短路的情况下也不会危及整个网络,对网络及其设备起到了很好的保护作用。

三、工作原理与分析

1. 隔离电源与信号隔离

系统采用+5V直流电源直接供电或+9~+24V的直流电源供电。采用+9~+24V直流电源供电时,需要将输入电压转换为+5V直流电。LM2576是五端稳压器,五个端口分别是输入端、输出端,使能端(低电平有效),反馈端和地端。按典型电路输入+9~+24V直流电,将从输出端将得到+5V直流电。

5V直流电通过隔离电源芯片U8和U9后得到两个与输入相隔离的电源VCC1和VCC2,分别给两个光耦供电。隔离电源芯片采用了耀华电子生产的二次集成芯片,该产品具有体积小、效率高、高隔离电压、高可靠性和低价格等显著优点,适用于数字信号处理电路和对电压稳定度要求不高的模拟电路,特别适用于分布式电源供电系统及使用小功率电源供电。

信号隔离采用了光耦隔离方式。光耦隔离器的结构相当于把发光二极管和光敏管封装在一起,发光二极管将输入的电信号转换为光信号传给光敏管,再由光敏管转换为电信号输出。由于没有直接的电气连接,既耦合传输了信号,又具有隔离作用。

2. 中继器工作原理

中继器的核心为中继器收发芯片,这里选用了MAX3471。它采用8管脚封装,其中 为接收控制端,低电平有效;DE为发送控制端,高电平有效。将 和DE连接在一起,可以保证芯片任一时刻只工作于一种模式。RO和DI分别为数据接收端和数据发送端。

信号1端和信号2端在结构上互为对称,因此仅就信号1端输入数据,信号 2端输出数据进行分析。中继器分为空闲和数据传输两种状态,下面分别就这两种情况分析:

(1)系统空闲:

系统上电后如果没有数据传输, VCC1、VCC2分别通过R15和R21将U1_DI和U2_DI上拉至高电平,两个光耦都处于关闭状态, U1_RO和U2_RO都处于高电平的状态。为了避免信号干扰产生误动作,采用施密特触发器对波形进行整形处理。HEF4093为四通道双输入施密特触发器, U1_DI高电平信号经过施密特触发器的整形和反向后得到一个低电平信号,将该信号接至U1的 和DE端表示允许接收。

因此总线上若为空闲,受上拉和下拉电路的影响,差分信号为高电平,RO数据接收端也始终为高电平。

(2)数据传输:

RS-232或TTL串口传输数据时,数据格式通常是起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。空闲时发送口为高电平,当有数据时总线由高电平跳至低电平,这个低电平就作为起始位。

当差分信号变为低电平(起始位)时,U1_RO变为低电平,U1_RO经过光耦隔离后同相输出为U2_DI。可以看到U2_DI信号除了作为数据外又经过施密特触发器的整形、反向后作为U2的发送控制端。由于控制信号此时为高电平,表示发送允许,故U2将U2_DI的低电平信号通过A2,B2差分输出。

四、系统测试

采用VB语言编写中继器收发测试软件,将RS-485总线光电隔离中继器通过双绞线将两台计算机相连,距离约1500m, 传输速率设置为19.2kbit/s, 分别在两台计算机上运行测试软件。通过计算机1发送数据,设置“发送文本”为123456789, “发送次数”为100000次,点击“发送”按钮发送数据。在计算机2的“接受文本”框里显示了计算机1发送过来的内容,点击“显示测试结果”,误码率为0,达到了设计要求。

第6篇：光电隔离技术范文

[关键词]Plc设备 可靠性设计

[中图分类号]TP273[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0020-01

目前采用PLC集中自动控制,应用PLC可使机电设备的生产效率大幅提高,同时也可为机电设备的故障诊断带来极大的方便,PLC应用的深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。

90年代,随着工控编程语言IEC61131-3的正式颁布,PLC开始了它的第三个发展时期,在技术上取得新的突破。PLC在系统结构上,从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展;在编程语言上,图形化和文本化语言的多样性,创造了更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境;从应用角度看,除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外,更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统(SCADA)、柔性制造系统(FMS)、安全连锁保护系统(ESD)等,全方位地提高了PLC的应用范围和水平。

1 PLC具体应用

1.1 PLC系统设备选型

可编程逻辑控制器(PLC)多数是工作在复杂恶劣的环境中,这不仅对PLC本身,而且对现场检测机构、供电设备等设备的可靠性也提出严格的要求。在选择控制设备时要注意以下几点:要选择技术指标先进、质量优、环境适应性强和抗干扰能力强、可靠性好的机型,以保证PLC能在强干扰恶劣环境中长期可靠地运行;根据实际要求选择具有完善的输入、输出功能的模块,以使系统能灵活处理模拟量、数字量和开关量;具有完善的软件系统,以 实现过程检测、执行、控制、报警以及图形画面显示打印等功能。

国内开始研制PLC产品是上世纪70年代中期,当时上海、北京、西安、广州和长春等地的不少 科研单位、大专院校和工厂,总计20多家单位都在研制和生产PLC(绝大多数都是小型PLC)。特别值得一提的是国家科委和原机械工业部在仪器仪表重点课 题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控制器子项攻关,由部属北京机械工业自动化研究所负责,先后研制开发了MPC-10、MPC- 20、MPC-85型PLC。这几种型号的PLCI/O点数为256～512,并可扩展到1024点,开创了国内研制大型PLC的先河,先后在注塑机、恒 温室、锅炉控制、汽车压力机生产线上获得了应用。

1.2 I/O端的可靠性设计

可编程逻辑控制器(PLC)内部用光电耦合器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离,PLC的模拟量I/O模块一般也采取了光电耦合的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外,还可以保护CPU模块,使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害,因此一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。如果PLC输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰,可以用小型继电器来隔离易受干扰的用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二极管的工作电流仅数毫安,而小型继电器的线圈吸合电流为数十毫安,强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。

继电器输出模块的触点工作电压范围宽,导通压降小,与晶体管型和双向可控硅型模块相比,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但是动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时,一般选用继电器型输出模块。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小,断弧能力很差。断开直流电路要求较大的继电器触点,接通同一直流电路可用较小的触点,选择外接的继电器时,应仔细分析是否用PLC来控制接通或断开外部回路。

当输入端或输出端接有感性元件时,为提高系统工作的可靠性,使干扰降到最低,可在两端并联续留二极管(DC电路)或阻容电路(AC电路),以抑制电路断开时产生的电弧对PLC的影响。当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时,可能会出现错误的输入信号,可以在输入端并联旁路电容,以减少输入阻抗。

2 PLC的特点

2.1 配套齐全,功能完善,适用性强

PLC发展到今天,可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制,CNC等各种工业控制 中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

2.2 可靠性高,抗干扰能力强

高可靠性 是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采用优质的电子元件与合理的系统结构设计,内部电路采取光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施,具有很高的可靠性。一 些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间很长。从PLC的机外电路来说,使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关 接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以 编入器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护,使得整个系统具有极高的可靠性。

3 如何判断模拟量信号的故障

PLC诊断模拟量故障的过程,实质就是将在相应A/D通道读到的检测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较的过程。如果比较的结果是实际值远离极限值,则表明机电设备对应的受监控部位处于正常状态,如果实际值接近或达到极限值,则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定,利用PLC的模拟量设定开关可精确设置该极限值。

当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值,PLC还能按照一定的逻辑关系启动开关量模块上的输出位,或者从PLC的通讯口主动发起通讯,从而输出故障诊断的结果,并据此实现对机电设备的控制。

第7篇：光电隔离技术范文

关键词：AVR单片机；光纤连接；测试仪

中图分类号：TM933.2 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 12-0000-01

光纤通信已与我们生活息息相关，用于光纤测试的OTDR功能非常强大，但价格也十分昂贵。在制作光纤连接头或进行技能训练时，并不需要精细测量各种参数，只需检验光纤连接是否正常，用OTDR进行检测显然不具性价比。随着技术的进步，单片机的可靠性、处理能力、扩展接口、功耗和集成度等方面得到了突飞猛进的发展，被广泛应用于测量、控制、智能终端等领域，本文将单片机控制技术与网络通信技术相结合，设计了一种结构简单、性价比高的快速光纤连接测试仪。

一、设计方案

测试仪主控芯片选用高性能、低功耗的8位AVR处理器，具体型号为Atmega64，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率可高达1MIPS/MHz，能有效缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega64单片机使用16MHz晶振作为外部时钟源，使用小型5V直流电源或电池供电。

分别用两块Atmega64单片机控制网络通信模块作为主机和从机数据通信终端，利用小型交换机或交叉网线将两个通信终端组成小型局域网，通过检测通信终端之间能否进行正常数据传输来测试通信线路是否正常。连接时，一个通信终端直接与交换机相连，另一个通信终端通过光电转换模块连接，在保证其他线路正常的情况下，数据能否正确传输就取决于光纤连接的质量，从而达到测试光纤连接的目的。单片机与网络模块之间数据传输采用SPI通信协议。SPI通信协议是一种高速、全双工、同步的通信总线，只需占用四个IO口，同时为PCB的布局上节省空间，具有简单易用的特性。光纤连接测试基本原理如图1所示。

图1 光纤连接测试基本原理图

二、硬件设计

根据设计方案，要实现测试功能，主要需完成数据通信终端、光电转换模块以及单片机控制程序等方面的设计。

（一）数据通信终端

数据终端主控芯片为Atmega64，网络功能采用带SPI接口的ENC28J60独立以太网控制器实现，输出接口采用HR901170A网络变压器。本设计中ATmega64 SPI 配置为主机模式，ENC28J60为从机模式。隔离变压器HR901170A与ENC28J60的物理端口连接时必须符合IEEE802.3规范，如RJ45的插孔与隔离变压器的间隔要小，输出和输入差分信号对的走线要良好隔离。

（二）光电转换模块

光电转换模块包括网络接口、光纤通道、光发射器、光接收器等。光接收器和光发射器是光电转换模块的重要组成部分，它将来自光纤的光信号转换成电信号，经放大、整形、再生后输出。在测试仪中，光电转换模块的任务是以最小的附加噪声及失真，将经光纤传输的信号通过光/电转换变为电脉冲信号，加以放大、均衡后还原为与发送端一致的数字信号，再用网络接口进行传输。光电转换功能可采用已成型的光电转换模块实现。

（三）控制程序

控制程序主要实现单片机初始化、SPI始化、ENC28J60驱动、设置MAC和IP地址，构建网络协议栈、数据通信等功能，其中网络协议栈是控制程序的核心。因测试只是两个终端之间进行数据交换，并不面向连接，通信数据量小，且在封闭网络内数据传输可靠性有保证，所以只需实现UDP通信协议。采用UDP协议主要基于以下优点：（1）程序实现起来比较容易，受环境影响较小，不容易出错；（2）UDP协议资源占用较少，处理数据较快。

数据通信功能主要用于检测通信线路是否畅通，检测的过程为：主机向加电后定时向从机IP地址发送一组UDP数据包，延时等待对方回应，一定时间后收不到数据或收到的数据不正确则认为传输线路存在故障，蜂鸣器发出声音告警，故障指示灯亮；若收到回传数据包且回传数据与发送的数据对比正确，则提示线路正常。测试流程如图2所示。

图2 测试程序流程图

三、结束语

通过对样机的测试表明，该测试仪准确度达到了预先设计指标，其精度完全可满足光纤连接可靠性测试，且具有性价比高、操作简单、性能稳定的特点。

第8篇：光电隔离技术范文

【关键词】光电耦合；模拟信号；工作电源

一、噪声产生的根源

（1）内部噪声。内部噪声是由传感器或检测电路原件内部带电颗粒的无规则运动产生，如热噪声、接触不良引起的噪声等。（2）外部噪声。外部噪声是由传感器检测系统外部人为或自然干扰造成的。外部噪声的来源主要为电磁辐射，当电机、开关及其他电子设备工作时会产生电磁辐射。在检测系统中，由于原件之间或电路之间存在着分布电容或电磁场，因而容易产生寄生耦合现象。在寄生耦合的作用下，电厂、磁场及电磁波就会引入检测系统，干扰电路的正常工作。

二、噪声的抑制方法

（1）接地。“地”是电路或系统中为各个信号提供参考点位的一个等电位点或等电位面。所谓“接地”就是将某点与一个等电位点或等点未眠之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。电路或系统接地是为了清除电流流经公共地线阻抗时产生噪声电压，也可以避免受磁场或地电位差的影响。接地设计的两个基本要求是：一是消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；二是避免形成接地环路，引进共模干扰。处理这些地线的基本原则是尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰，同时要便于施工，节省成本。（2）屏蔽。由于检测仪表或控制系统的工作现场往往存在强电设备，这些设备的磁力线或电力线会干扰仪表或系统的正常工作。为了防止这种干扰，可利用低电阻的导电材料或高导磁率的铁磁材料制成容器，对易受干扰的部分如元件、传输导线、电路及组合件实行屏蔽，以达到阻断或抑制各种内外电磁或电场干扰的目的。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。电场屏蔽主要用于防止元器件或电路间因分布电容耦合形成的干扰。磁场屏蔽主要用来消除元器件或电路间因磁场寄生耦合产生的干扰，磁场屏蔽的材料一般选用高磁导系数的磁性材料。电磁屏蔽在屏蔽金属内部产生涡流而起屏蔽作用。电磁屏蔽的屏蔽体可以不接地，但一般为防止分布电容的影响，可以使电磁屏蔽的屏蔽体接地，起到兼有电厂屏蔽的作用。电场屏蔽体必须可靠接地。（3）隔离。当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路，实现前后电路的隔离，变压器隔离只适用于交流电路。在直流或超低频测量系统中，常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。

为了提高测控系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，需要进一步借助软件措施克服某些干扰。软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。因此，软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施。采用软件抗干扰的最根本前提条件是：系统中抗干扰软件不会因干扰而损坏。在单片机测控系统中，由于程序有一些重要常数都防止在ROM中，这就为软件抗干扰创造了良好的前提条件。因此，软件抗干扰的设置前提条件概括为：（1）在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏，或易损坏部分设置有监测状态可供查询。（2）程序区不会受干扰侵害。系统的程序及重要常数不会因干扰侵入而变化。对于单片机系统，程序及表格、常数均固化在ROM中，这一条件自然满足；而对于一些在RAM中运行用户引用程序的微机系统，无法满足该条件。当这种系统因干扰造成运行失常时，只能在干扰过后，重新向RAM区调入应用程序。（3）RAM区中的重要数据不被破坏，或虽被破坏可以重新建立。通过重新建立的数据，系统的重新运行不会出现不可允许的状态。这些数据被破坏后，往往只引起控制系统一个短期波动，在闭环反馈环节的迅速纠正下，控制系统能很快恢复正常，这种系统都能采用软件恢复。

软件抗干扰技术所研究的主要内容：其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声对数据采集结果的影响，如数字滤波器技术；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件陷进等。这些方法可以用软件实现，也可以采用软件硬件相结合的方法实现。

参 考 文 献

[1]蒋红平主编．数控机床维修[M]．北京：高等教育出版社

[2]周炳文主编．实用数控机床故障诊断及维修技术500例[M]．北京：中国知识出版社

[3]陈苏波等主编．三菱PLC快速入门与实例提高[M]．北京：人民邮电出版社

[4]孙传友主编．测控系统原理与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社

[5]柳桂国主编．检测技术及应用[M]．北京：电子工业出版社

第9篇：光电隔离技术范文

    工业控制系统中所使用的各种类型PLC,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中,虽然PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行的稳定性和较高的可靠性,但是由于它直接和现场的I/O设备相连,外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入,从而引起控制系统的错误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。外部干扰与系统结构无关,是随机的,且干扰源是无法消除的,只能针对具体情况加以限制;内部干扰与系统结构有关,主要通过系统内交流主电路,模拟量输入信号等引起,可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。

    2 PLC系统的基本组成结构

    可编程控制器硬件系统由PLC、功能I/O单元和外部设备组成,如图1所示。其中PLC由CPU、存储器、基本I/O模块、I/O扩展接口、外设接口和电源等部分组成,各部分之间由内部系统总线连接。

    3 抗干扰的技术对策分析

    为防止干扰,可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中,硬件抗干扰是主要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统对干扰信号的敏感性。软件抗干扰技术作为硬件措施的辅助手段,减少随机性信号的干扰,其设计简单、修改灵活、耗费资源少,在PLC测控系统中同样获得了广泛的应用。

    3.1硬件抗干扰对策

    3.1.1电源系统引入的干扰对策

    电网的干扰、频率的波动,将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。

    (1)加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统

    滤波器可抑制干扰信号从电源线传导到系统中。使用隔离变压器,屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰),隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层,初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。开头稳压电源可抑制电网大容量设备起停引起电网电压的波动,保持供电电压的稳压。

    (2)分离供电系统

    PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电,并与主电源分开,这样当输入输出供电断电时,不会影响到控制器的供电。

    3.1.2接地抗干扰对策

    接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。给PLC接以专用地线可抑制附加在电源及输入、输出端的干扰。接地线与动力设备的接地点应分开,若达不到此要求,则可与其它设备公共接地,严禁与其它设备串联接地。接地电阻要小于5Ω,接地线要粗,面积要大于2平方毫米,而且接地点最好靠近PLC装置,其间的距离要小于50米,接地线应避开强电回路,若无法避开时,应垂直相交,缩短平行走线的长度。

    3.1.3抑制输入输出电路引入的干扰对策

    为了实现输入输出电路上的完全隔离,近年来在控制系统中广泛应用光电耦合。光电耦合器具有以下特点:首先,由于是密封在一个管壳内,不会受到外界光的干扰;其次,由于靠光传送信号,切断了各部件电路之间地线的联系;第三,发光二极管动态电阻非常小,而干扰源的内阻一般很大,能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四,光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比,一般很小,远不如晶体管对干扰信号那么灵敏,而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此,即使是在干扰电压幅值较高的情况下,由于没有足够的能量,仍不能使发光二极管发光,从而可以有效地抑制掉干扰信号。

    (1)光电耦合输入电路如图2所示。其中(a)、(b)用的较多,(a)为高电平时接成形式,(b)为低电平输入时接成形式。(c)为差动型接法,适用于外部干扰严重的环境,当外部设备电流较大时,其传输距离可达100~200m。(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小,不能直接带动发光二极管,加接一级晶体管作为功率放大。

    (2)光电耦合输出电路如图3所示。(a)为同相输出,(b)为反相输出,当输出电路所驱动的元件较多时,可以加接一级晶体管作为驱动功率放大,如(c)所示。有时为了获得更好的输出波形,输出信号可经施密特电路整形。

    以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法,而对模拟输入输出信号,为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响,除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外,可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。

    3.1.4外部配线的抗干扰设计

    外部配线之间存在着互感和分布电容,进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰,交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线,要使用屏蔽电缆,屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空,而在控制器侧要接地。配线时在30m以下的短距离,直流和交流输入、输出信号线最好不要使用同一电缆,如果要走同一配线管时,输入信号要使用屏蔽电缆。30~300m距离的配线时,直流和交流输入、输出信号线要分别使用各自的电缆,并且输入信号线一定要用屏蔽线。对于300m以上长距离配线时,则可用中间继电器转换信号,或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开,输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。

    3.2软件抗干扰措施

    为了提高输入信号的信噪比,常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统,采用程序限幅法,即连续采样5次,若某一次采样支援远大于其他几次采样的幅值,那么就舍取之。对于流量、压力、液面、位移等参数,往往在一定范围内频繁波动,则采用算术平均法。

    (1)信号保护和恢复:当偶尔性故障发生时,不破坏PLC内部的信息,一旦故障现象消失,就可以恢复正常,继续原来的工作。

    (2)故障诊断:系统软件定期地检测外界环境,如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等,以便及时反映和处理。

    (3)加强对程序的检查和校验:一旦程序有错,立即报警,并停止执行程序。

    (4)设置警戒时钟WDT:如果程序循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间,预示了程序进入死循环,立即报警。