計算機(jī)控制技術(shù)第9章課件

1、 第9章 干擾及抗干擾技術(shù) 9.1 干擾信號的來源和傳播途徑干擾是指有用信號以外的噪聲造成設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障的情況。9.1.1 干擾的來源 干擾的來源主要有內(nèi)部干擾和外部干擾。 1.內(nèi)部干擾 內(nèi)部干擾是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造工藝等因素決定的。內(nèi)部干擾主要包括交流聲、分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)或電磁場輻射感應(yīng)，多點(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾， 長線傳輸?shù)姆瓷洳ǎ纳袷幰鸬母蓴_，元器件產(chǎn)生的熱噪聲干擾等。 2.外部干擾 外部干擾是由外界環(huán)境因素決定的。 外部干擾主要包括太陽和其他天體輻射的電磁波以及廣播電視發(fā)射的電磁波;供電電源和各種電器裝置（包括工廠、家用電器乃至交通工具）發(fā)出的電磁波;氣象

2、條件包括雷電、溫度、濕度甚至地磁場的影響;火花放電、弧光放電、輝光放電等產(chǎn)生的電磁波等。 9.1.2 干擾的種類 1.按干擾作用的方式分類 （1）常態(tài)干擾 常態(tài)干擾是疊加在被測信號上的干擾，如圖9-1所示。常態(tài)干擾可能是信號源的一部分，也可能是由長線引入的。由于它和信號所處地位相同，因此又稱為串模干擾，也叫正態(tài)干擾。（2）共模干擾 共模干擾是測控系統(tǒng)模擬量輸入通道的A/D 轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上共有的干擾電壓。2.按干擾的來源分類 按干擾的來源分類，可以將干擾分為內(nèi)部干擾和外部干擾。 9.1.3 干擾傳播途徑 各種干擾必須經(jīng)由某種途徑才能進(jìn)入到微機(jī)測控系統(tǒng)的某個敏感接收部位，其中主要的傳播途徑如圖

3、9-3所示。在干擾的進(jìn)入途徑上采取有效措施，就可能使微機(jī)測控系統(tǒng)避免干擾的入侵。 圖9-3 干擾傳播途徑9.2 硬件抗干擾措施9.2.1 電源系統(tǒng)的抗干擾措施 1.交流電源系統(tǒng)的抗干擾措施 （1）選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源 （2）利用干擾抑制器消除尖峰干擾（3）采用電子交流穩(wěn)壓器 （4）利用UPS消除尖峰干擾 （5）掉電保護(hù) 2.直流電源系統(tǒng)的抗干擾措施 （1）采用直流開關(guān)電源 直流開關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻率高達(dá)20 kHz，甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，具有體積小、重量輕、效率高（90%）、電網(wǎng)電壓范圍大（-20%10%）220 V、電 網(wǎng)電壓變化時不會輸出過電壓或欠電壓、輸出電壓

4、保持時間長等優(yōu)點(diǎn)。（2）采用DC-DC變換器 如果系統(tǒng)供電電網(wǎng)波動較大，或者對直流電源的精度要求較高，可以采用DC-DC變換器。（3）每塊電路板的直流電源 當(dāng)一臺微機(jī)測控系統(tǒng)有幾塊邏輯電路板時，可以采取以下措施: 用短線向印刷線路板并行供電，而且印刷線路板里的電源線采用格子形狀或多層板，即做成網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)以降低線路的阻抗。 在每塊板的電源和地線的引入處附近并接一個10100F的大電容和一個0.01 0.1 F的瓷片電容。 每塊板上裝一個或幾個穩(wěn)壓塊，使每塊板形成獨(dú)立的供電環(huán)境，不會因為某個穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故障而使整個系統(tǒng)遭到破壞。（4）集成電路塊的VCC加旁路電容9.2.2 接地系統(tǒng)的抗干擾措施 微機(jī)測

5、控系統(tǒng)中有許多地線，包括: 數(shù)字地即邏輯地，是微機(jī)測控系統(tǒng)中數(shù)字電路的零電位。 模擬地是微機(jī)測控系統(tǒng)中使用的傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬信號的零電位。 信號地是傳感器的地。 交流地是交流電源的地。交流地上任意兩點(diǎn)之間，往往很容易有幾伏甚至幾十伏的電位差。而且，交流地也很容易帶來各種干擾。因此，交流地絕對不可與其他地相連接。 直流地是直流電源的地。 功率地是大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位。 屏蔽地即機(jī)殼地，也叫安全地，目的是使設(shè)備機(jī)殼和大地等電位，以便防止靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)，保證人身安全。 系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接和大地相連。1.低頻電路單點(diǎn)接地，高頻電路就近多點(diǎn)接地

6、根據(jù)接地理論分析，低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地。一般來說，當(dāng)頻率低于1 MHz時，可以采用單點(diǎn)接地方式;當(dāng)頻率高于10 MHz時，可以采用多點(diǎn)接地方式。在110 MHz之間，如果采用單點(diǎn)接地方式，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地的目的是避免形成地環(huán)路，因為地環(huán)路產(chǎn)生的電流會引入到信號回路內(nèi)引起干擾。在工業(yè)過程測控系統(tǒng)中，信號頻率大多小于1 MHz，所以通常采用一點(diǎn)接地法，如圖9-10所示。 圖9-10 一點(diǎn)接地法2.各種地采用分別回流法單點(diǎn)接地 微機(jī)測控系統(tǒng)中，各種地一般應(yīng)采用分別回流法單點(diǎn)接地。模擬地、數(shù)字地、安全地的分別回流法接地示例如圖9-11

7、所示。匯流條由多層銅導(dǎo)體構(gòu)成，截面呈矩形，各層之間有絕緣層。采用多層匯流條可減少自感，減少干擾的竄入途徑。在要求較高的系統(tǒng)中，分別使用橫向匯流條及縱向匯流條，機(jī)柜內(nèi)各層機(jī)架之間分別設(shè)置匯流條，以最大限度減小公共阻抗的影響。在空間將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開，以避免通過匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地（機(jī)殼地）始終與模擬地和數(shù)字地隔離開。這些地之間只是在最后才匯聚一點(diǎn)，而且常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小于30 mm2的多股銅軟線焊接在接地板上深埋地下。 圖9-11 分別回流法接地示例 3.輸入系統(tǒng)的接地 對于屏蔽層的接地要慎重，也應(yīng)遵守單點(diǎn)接地原則。輸入信號源有接地和浮地兩種情況，接地電

8、路也有兩種情況。在圖9-12（a）中，熱電偶（信號源端）接地，而放大器（接收端）浮地，則屏蔽層應(yīng)在信號源端接地（A點(diǎn)）。而圖9-12（b）卻相反，圖中信號源浮地，而接收端接地，則屏蔽層應(yīng)在接收端接地（B點(diǎn)）。這樣分別接地是為了避免流過屏蔽層的電流，通過屏蔽層與信號線間的電容產(chǎn)生對信號線的干擾。圖9-12 輸入系統(tǒng)接地方式4.印刷線路板的地線分布 印刷線路板的設(shè)計應(yīng)遵守下列原則，以免系統(tǒng)內(nèi)部地線產(chǎn)生干擾。 TTL、CMOS器件的地線要呈輻射狀，不能形成環(huán)形; 印刷線路板上的地線要根據(jù)通過的電流大小決定其寬度，不要小于3 mm，在可能的情況下，地線越寬越好; 旁路電容的地線不能太長，應(yīng)盡量縮短;

9、功率地應(yīng)盡量寬，而且必須和小信號地分開。 5.主機(jī)系統(tǒng)的接地 （1）全機(jī)一點(diǎn)接地 計算機(jī)的主機(jī)架內(nèi)采用圖9-11所示的分別回流法接地方式。主機(jī)地與外部設(shè)備地連接后，采用一點(diǎn)接地，如圖9-13所示。為了避免多點(diǎn)接地，各機(jī)柜用絕緣板墊起來。這種接地方式安全可靠，有一定的抗干擾能力，一般接地電阻選410左右。接地電阻越小越好，但接地電阻越小，接地極的施工就越困難。 圖9-13 全機(jī)一點(diǎn)接地（2）主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空 圖9-14 主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空（3）多機(jī)系統(tǒng)的接地 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺計算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常工作。近距離的幾臺計算機(jī)安裝在同一

10、機(jī)房內(nèi)，可采用類似圖9-13那樣的一點(diǎn)接地方法。對于遠(yuǎn)距離的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，多臺計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，可以采用隔離的辦法把地分開。例如，采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)或無線通信技術(shù)。 9.2.3 I/O接口的抗干擾措施 I/O接口的抗干擾措施對系統(tǒng)的影響十分重要，通常采取下列措施。 1.對信號加硬件濾波器 將信號加到輸入通道之前，可先用硬件低通濾波器濾除交流干擾。在微機(jī)測控系統(tǒng)中，常用的低通濾波器有 RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器及有源濾波器，它們的原理圖如圖9-15所示。 圖9-15 常用濾波器原理圖2.差動方式傳輸和接收 利用差動方式傳輸和接收信號，是抑制共模噪聲的一個主要方法。由于差動

11、放大器只對圖9-17 所示的差動信號u1 u2起放大作用，而對共模電壓ucm不起放大作用，因此能夠抑制共模噪聲的影響，差動放大器具有良好的抑制共模噪聲的能力。 圖9-17 信號傳輸中的串模和共模噪聲3.采用浮地輸入雙層屏蔽放大器抑制共模干擾 如圖9-18所示，這種方法是利用屏蔽技術(shù)使輸入信號的模擬地浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。圖9-18 浮地輸入雙層屏蔽放大器抑制共模干擾4.利用線性光電耦合器隔離模擬信號 利用線性光電耦合器隔離模擬信號如圖9-19所示，但是要使信號落在線性光電耦合器的線性區(qū)內(nèi)，而且即使是線性區(qū)，也還存在非線性失真，需要進(jìn)行非線性校正。 圖9-19 利用線性光電耦合器隔離

12、模擬信號5.脈沖信號、數(shù)字量、開關(guān)量信號采用光電隔離 圖9-20中，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量通過光電耦合器施加到單片機(jī)的I/O接口上，使主機(jī)和輸入通道實(shí)現(xiàn)了隔離;同樣，單片機(jī)輸出的數(shù)字量通過光電耦合器施加到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端，使主機(jī)和輸出通道又實(shí)現(xiàn)了隔離。這樣就組成了所謂全浮空系統(tǒng)。圖9-20 數(shù)字量光電隔離6.使用V/F轉(zhuǎn)換器減少光耦數(shù)量 如圖9-21所示，當(dāng)使用V/F轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率信號后，使用一個光電耦合器，就可以實(shí)現(xiàn)輸入通道的隔離，與圖9-20的隔離方法相比可以簡化電路，節(jié)省大量光電耦合器，降低系統(tǒng)成本。 圖9-21 使用V/F轉(zhuǎn)換器的光電隔離技術(shù)9.2.4 輸入/輸

13、出傳輸線的抗干擾措施 1.信號采用電流傳送 信號采用電流傳送是抗干擾的基本措施。干擾信號主要是通過輸入線侵入微機(jī)測控系統(tǒng)的，尤其是當(dāng)變送器遠(yuǎn)離微處理器時，長距離的傳輸線十分容易接受干擾。這些干擾包括共模干擾和電磁感應(yīng)電壓，在多對數(shù)的電纜中還會相互干擾。用電流方式傳送信號，負(fù)載串聯(lián)在變送器內(nèi)部的電路中，在傳輸線上形成一個來回，電磁場相互抵消，共模電壓和電磁感應(yīng)電壓很難產(chǎn)生，可以大大提高信息在傳送中的信噪比。2.采用雙絞線傳送抑制串模干擾 雙絞線每一個小環(huán)路上感應(yīng)的電勢會互相抵消，可以使干擾抑制比達(dá)到幾十分貝，表9-1列舉了不同節(jié)距的雙絞線對串模干擾的抑制效果。3.采用屏蔽信號線 在精度要求高、干

14、擾嚴(yán)重的場合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號線。4.利用光導(dǎo)纖維克服電磁干擾的影響 對周圍電磁干擾比較大的系統(tǒng)可以采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳送。用光導(dǎo)纖維傳送數(shù)字脈沖，傳輸過程可以不受任何形式的電磁干擾影響，而且光導(dǎo)纖維具有很高的絕緣強(qiáng)度，傳輸損耗又極小。 5.長線傳輸干擾的抑制 在計算機(jī)系統(tǒng)中，1 m左右的傳輸線就要算作長線了。長線傳輸除了會受到外界干擾和引起信號延遲外，還可能產(chǎn)生波反射。如果傳輸線的終端阻抗和傳輸線的波阻抗不匹配，入射波達(dá)到終端時會引起反射，反射波達(dá)到始端后，如果和始端阻抗不匹配，又會引起新的反射。如此反復(fù)，在信號中引進(jìn)許多干擾.6.信號線的敷設(shè) 選擇了合適的信號線，還必須合理地進(jìn)行敷設(shè)。否則，

15、不僅達(dá)不到抗干擾的效果，反而會引進(jìn)干擾。信號線的敷設(shè)要注意以下事項: （1）要絕對避免信號線與電源線合用同一股電纜。 （2）屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地，同時要避免多點(diǎn)接地。 （3）信號線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源，如避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動機(jī)等電器設(shè)備的附近。如果有條件，將信號線單獨(dú)穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。（4）信號電纜與電源電纜必須分開，并盡量避免平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場條件有限，信號電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時，則應(yīng)滿足以下條件: 電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接.電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時，信號電纜與電源電纜間

16、距一般應(yīng)在15 cm以上。如果電源電纜無屏蔽，交流電壓220 V、電流10 A 時，兩者間距應(yīng)在60 m以上。 電源電纜使用屏蔽罩。 9.2.5 靜電和電磁干擾的抑制 在靜電場中，導(dǎo)體表面的不同部分會感應(yīng)出不同的電荷，或?qū)w上原有的電荷經(jīng)感應(yīng)重新分配。人體或處于浮動狀態(tài)的設(shè)備都可能產(chǎn)生靜電，所積累的電壓會很高，以至干擾微處理器工作。接地是消除靜電干擾的最簡單和最基本的方法。設(shè)備或機(jī)器的外殼應(yīng)接到屏蔽地上，接地電阻越小越好，接地線不能太細(xì)。機(jī)房裝修時，不要用絕緣材料作墻壁和天花板，因為空調(diào)機(jī)排出的氣流和絕緣好的墻壁摩擦?xí)r，更容易引起靜電積累，時間一長會使機(jī)房內(nèi)形成高壓靜電。為了減少人體靜電電容干

17、擾，機(jī)房地板最好采用木板，而且工作人員應(yīng)穿鞋底較厚的鞋子。機(jī)房內(nèi)還應(yīng)保持一定的濕度，以減少靜電積累。由于人體可能帶有靜電，不要用手觸摸集成芯片和印刷線路板。 為了防止電磁干擾，凡對系統(tǒng)構(gòu)成干擾源的設(shè)備或部件都應(yīng)盡可能地屏蔽起來。系統(tǒng)中檢測端附近有強(qiáng)干擾源時，為盡量避免電磁感應(yīng)，應(yīng)將檢測端的外圍屏蔽起來。當(dāng)常態(tài)干擾主要來自電磁感應(yīng)時，對被測信號應(yīng)盡早進(jìn)行前置放大，或盡早完成A/D轉(zhuǎn)換，或進(jìn)行隔離或屏蔽。 9.3 軟件抗干擾措施9.3.1 數(shù)字信號的抗干擾措施 1.數(shù)字輸入信號軟件抗干擾措施 數(shù)字信號主要來自各種開關(guān)型狀態(tài)傳感器，如操作按鈕、電氣觸點(diǎn)、限位開關(guān)等，對這些信號不能使用前面介紹的數(shù)字濾

18、波法。干擾信號多呈毛刺狀，而且作用時間短，而數(shù)字信號作用時間相對要長得多。根據(jù)這一特點(diǎn)，在采樣某一數(shù)字信號時，可多次重復(fù)采樣，直到連續(xù)兩次或兩次以上采樣結(jié)果完全一致方為有效。如果多次采樣后，信號始終變化不定，則說明干擾嚴(yán)重，就應(yīng)停止采樣，并且發(fā)出報警信號。 2.數(shù)字輸出信號軟件抗干擾措施 為了防止受數(shù)字輸出信號控制的輸出設(shè)備受干擾產(chǎn)生誤動作，最有效的方法是不斷重復(fù)輸出數(shù)字輸出信號，并且在可能條件下，輸出的重復(fù)周期越短越好。外設(shè)接收一個錯誤的信息后，還來不及做出有效的反應(yīng)，下一個正確的輸出信息又到來了，就可以及時防止錯誤動作的發(fā)生，克服干擾的影響。 9.3.2 CPU及程序的抗干擾措施 干擾嚴(yán)重

19、時，有可能使程序不能正常運(yùn)行，即跑到不知什么地方執(zhí)行，這就是通常所說的程序“跑飛”或“死機(jī)”，一般用下列幾種方法防止程序“跑飛”或“死機(jī)”。 1.指令冗余 程序“跑飛”以后，往往將一些操作數(shù)作為指令碼執(zhí)行，從而引起整個程序的混亂。所謂“指令冗余”就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當(dāng)程序“跑飛”到某條NOP指令上時，就不會發(fā)生將操作數(shù)作為指令碼執(zhí)行的錯誤，而是在連續(xù)執(zhí)行幾個空操作后，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序，使程序恢復(fù)正常運(yùn)行。 2.設(shè)置“軟件陷阱”采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復(fù)正常運(yùn)行是有條件的，首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行所設(shè)置的冗余指令。如果“跑

20、飛”的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中未使用的空間或某些數(shù)據(jù)表格等），則冗余指令就無能為力了。更完善的方法是設(shè)置“軟件陷阱”。所謂“軟件陷阱”，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將掉到陷阱中的程序引向一個處理錯誤的程序。假設(shè)該錯誤處理程序的入口地址為ERR，則下面三條指令就組成一個“軟件陷阱”。 NOP NOP LJMP ERR 除了在程序的關(guān)鍵位置設(shè)置“軟件陷阱”外，在未使用的中斷向量區(qū)和EPROM空間都應(yīng)設(shè)置“軟件陷阱”，在表格的最后也應(yīng)安排“軟件陷阱”。在EPROM允許的條件下，“軟件陷阱”多設(shè)置一些為好。 如果“跑飛”的程序落到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力，只能依靠Wa

21、tchdog解決。 3.利用Watchdog（看門狗）使CPU復(fù)位 程序“跑飛”后使其恢復(fù)正常運(yùn)行的最簡單有效的方法是使CPU復(fù)位?，F(xiàn)在通常使用程序運(yùn)行監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)CPU的自動復(fù)位。 圖9-28 用單穩(wěn)觸發(fā)器構(gòu)成的程序運(yùn)行監(jiān)視器程序運(yùn)行監(jiān)視器（Watchdog）原理 程序運(yùn)行監(jiān)視器俗稱看門狗（Watch-dog），圖9-28是利用單穩(wěn)觸發(fā)器構(gòu)成的程序運(yùn)行監(jiān)視器。圖中CC4098是單穩(wěn)觸發(fā)器，它的反端與8031單片機(jī)的復(fù)位端RESET相連接。其基本工作原理是:程序中每隔一定時間t發(fā)出“CLR P1.3”和“SETB P1.3”指令，因此在P1.3端就輸出一個頻率為f的脈沖序列，使單穩(wěn)觸發(fā)器的反端輸出總是為0。t時間的長短可根據(jù)程序運(yùn)行要求而定。一旦程序受干擾進(jìn)入死循環(huán)或“跑飛”，P1.3端的脈沖不再出現(xiàn)，單穩(wěn)觸發(fā)器CC4098的Q端將輸出正脈沖，從而形成給單片機(jī)RESET端的復(fù)位信號，強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位。 利用P監(jiān)控電路實(shí)現(xiàn)