16路隔离数字量输入输出的研究与设计

摘要

工业环境中，因电机开关、静电放电或者邻近电弧闪击，常常会产生高达上百甚至上千伏特的冲击电压。如果不采取任何隔离措施，此电压可能会破坏信号的正常传输或导致系统的崩溃，甚至造成硬件上不可恢复的毁坏。在工业生产过程当中会使用各类的仪器和仪表及其他精密探测设备，它们之间的信号传输，既有数千伏、数百安培的大信号，还有毫伏级、微安级的小信号;既有低频直流信号，还有高频脉冲信号，组成系统后，在设备之间信号传输往往相互干扰，引起系统的不稳定，甚至导致误操作。因此需要解决电磁干扰和相互的兼容问题。此外“接地环路”引起信号在传输过程中失真，在各个过程环路中可以采用信号隔离的方法，将过程环路断开，而不影响信号的正常传输，因此能够彻底解决接地环路问题。
　　本文设计的输入输出模块就是针对工业应用中普遍存在的干扰问题，切实可靠的完成信号的传输任务，本模块采用了多种隔离技术，包括光耦隔离，电源隔离，iCoupler技术数字隔离，从而实现信号的单向传输，输出信号对输入端信号无影响，输出端和输入端实现了完全的电气隔离，因此本模块具有很强的抗干扰能力，工作稳定，使用寿命长，且传输效率高。
　　本论文在参阅了丰富的技术文献的基础上，先从总体设计上把握，确定了需求分析，然后从硬件和软件两个层面上详细的讲述了设计过程，首先确保了基础功能的实现——数据传输和采集，然后从原理上采用三大隔离技术，再从PCB(Printed Circuit Board)的布局和布线上确保硬件的稳定性和可靠性。最后在软件上采用了指令冗余、软件陷阱和看门狗确保程序的可靠运行。
　　现从每章简要介绍本论文的内容。第一章首先分析了此项目研究背景及意义，然后介绍了工业环境里的单片机应用系统中的干扰及抗干扰技术，重点介绍了电磁抗干扰技术，最后研究了隔离数字量输入输出模块的发展现状。第二章中在需求分析的基础上，提出了16路隔离数字量输入输出模块的总体设计方案。第三章结合电路原理图，详细介绍了模块主要部分的硬件设计以及硬件抗干扰技术的设计。第四章结合软件流程图，详细介绍了模块的软件设计以及软件抗干扰技术的设计。第五章，首先讲述了项目调试，包括模块的使用介绍、硬件调试、软件调试，然后对项目进行了总结与展望。
　　本文设计的模块支持16路数字量隔离通道，每个通道能够通过软件独立配置为输入或输出。模块主要由电源、数字量输入输出电路、RS485、MCU(MicroControl Unit)等构成。针对工业应用设计，模块中各个组成部分都有自己的电源，采用电流隔离不形成接地环路，保护系统免遭瞬态高电压损坏，而且降低了信号失真，也保护了人身安全。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 应用系统中干扰的概述

1．3 抗干扰技术的概述

1．3．1 硬件抗干扰技术的概述

1．3．2 接地抗干扰设计

1．3．3 软件抗干扰技术的概述

1．4 电磁干扰与抗干扰设计

1．4．1 EMI分类及产生原因

1．4．2 电磁抗干扰设计

1．5 隔离数字量输入输出模块的发展现状

1．6 论文主要完成的工作

第2章 16路隔离数字量输入输出模块的总体设计

2．1 需求分析

2．2 隔离数字量输入输出模块的硬件方案

2．3 隔离数字量输入输出模块的软件方案

2．4 通讯协议

2．4．1 MODBUS协议解析

2．4．2 Custom-ASCII协议解析

2．5 本章小结

第3章 16路隔离数字量输入输出模块的硬件设计

3．1 微控制器介绍

3．2 隔离数字量输入输出电路设计

3．2．1 隔离数字量输入

3．2．2 隔离数字量输出

3．3 带隔离的RS-485电路设计

3．3．1 ADuM3201数字隔离器电路设计

3．3．2 RS485电路设计

3．4 电源电路的设计

3．4．1 电源输入电路设计

3．4．2 F0505S-1W的电路设计

3．4．3 隔离RS485电源电路的设计

3．5 硬件看门狗电路的设计

3．6 BDM电路的设计

3．7 PCB的抗干扰设计

3．7．1 PCB抗干扰设计与器件

3．7．2 PCB抗干扰设计与布局

3．7．3 布线设计

3．8 “地”的抗干扰设计

3．9 本章小结

第4章 16路隔离数字量输入输出模块的软件设计

4．1 软件总体架构

4．2 指示灯软件设计

4．3 RS485通讯软件设计

4．4 软件抗干扰设计

4．5 本章小结

第5章 项目调试、总结与展望

5．1 项目调试

5．1．1 项目产品

5．1．2 RS-485主机通信参数设置

5．1．3 模块信息配置

5．1．4 功能操作

5．1．5 硬件调试

5．1．6 软件调试

5．2 项目总结

5．3 项目展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文