第12章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

第12章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其抗干擾

數(shù)據(jù)采集是指把被測(cè)對(duì)象的各種模擬量（如:溫度、壓力、流量、位移等）通過(guò)傳感器作適當(dāng)變化后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼等步驟，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示或打印、傳輸?shù)倪^(guò)程。12.1研究意義12.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由硬件和軟件組成。按硬件結(jié)構(gòu)分，有三種結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)蝹€(gè)微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由傳感器、模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖單機(jī)控制采集處理系統(tǒng)1、傳感器：完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。傳感器的種類很多，比如：溫度檢測(cè)的金屬熱電阻、熱敏電阻、熱電偶；用于位移檢測(cè)的電容傳感器、電感傳感器；用于壓力檢測(cè)的電阻應(yīng)變片、壓電傳感器等。2、（程控）放大器：用于放大和緩沖輸入模擬信號(hào)。類型有測(cè)量放大器、隔離放大器、程控放大器等。濾波器（除噪聲）濾波器的類型有低通、高通、帶通濾波器。一般都采用有源濾波器。3、多路模擬開關(guān)：

多路模擬開關(guān)用在轉(zhuǎn)換速率不高的場(chǎng)合。由N個(gè)通道選擇信號(hào)選擇2N個(gè)模擬通道之一。4、采樣/保持器：A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)希望A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬信號(hào)大小不改變，以保證轉(zhuǎn)換精度。采樣／保持器的改進(jìn)可提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率。5、A/D轉(zhuǎn)換器：是整個(gè)模擬通道部分的核心，其作用是完成模擬采樣信號(hào)的量化與編碼。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出可以并行或者串行送給計(jì)算機(jī)。6、數(shù)字信號(hào)處理：主要由計(jì)算機(jī)借助不同的軟件實(shí)現(xiàn)，包括：二次數(shù)據(jù)計(jì)算（平均值、累加值、變化率、差值、最大值和最小值等），時(shí)間序列分析，趨勢(shì)分析，突變情況分析等。處理后的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)、顯示、打印、發(fā)送，以便后續(xù)控制。一、系統(tǒng)遭受的干擾類型及其危害；二、干擾的來(lái)源；三、硬件抗干擾方法；四、軟件抗干擾方法；五、系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)減少干擾發(fā)生的方法；12.3系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)干擾就是系統(tǒng)內(nèi)部或外部對(duì)有用信號(hào)的啟不良作用的或無(wú)用的信號(hào)的統(tǒng)稱。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常會(huì)受到來(lái)自外部的各種電氣干擾，自身內(nèi)部相互干擾，以及對(duì)工作環(huán)境造成干擾。一、干擾的類型及危害一、危害：1、測(cè)量結(jié)果誤差加大干擾信號(hào)與有用信號(hào)疊加，會(huì)加大信號(hào)誤差，有時(shí)甚至淹沒(méi)有用信號(hào)。2、控制系統(tǒng)失靈某些控制信號(hào)通常依賴于某些的狀態(tài)輸入信號(hào)和對(duì)這些信號(hào)邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的狀態(tài)信號(hào)受到干擾，引入虛假狀態(tài)信息，將導(dǎo)致輸出控制失靈。3、程序運(yùn)行失常外界的干擾有時(shí)導(dǎo)致機(jī)器頻繁復(fù)位而影響程序的正常運(yùn)行。如：外界干擾導(dǎo)致單片機(jī)程序計(jì)數(shù)器PC值的改變，則破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受干擾后的PC值是隨機(jī)的，程序?qū)?zhí)行一系列毫無(wú)意義的指令，這將使輸出嚴(yán)重混亂或死機(jī)。二、干擾的表現(xiàn)形式1、機(jī)械干擾系統(tǒng)所處現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械沖擊，會(huì)造成系統(tǒng)中各元件相對(duì)位移，導(dǎo)線的扭曲，應(yīng)變片的變形等。防護(hù)：采用各種減震措施，如：利用減震彈簧、減震橡皮墊，加裝海綿等。2、熱干擾指設(shè)備或系統(tǒng)元件由于工作溫度波動(dòng)而引起的電路參數(shù)的變化或產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)等。防護(hù)：采用熱屏蔽，用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料做成屏蔽罩，將系統(tǒng)某些元件屏蔽起來(lái)。如：加電風(fēng)扇、加恒溫槽、采用溫度補(bǔ)償、采用差動(dòng)輸入方式等。二、干擾的表現(xiàn)形式3、光干擾系統(tǒng)中的各種半導(dǎo)體元器件都對(duì)光敏感，光電強(qiáng)弱會(huì)引起元器件的電動(dòng)勢(shì)或阻值變化。

防護(hù)：采用半導(dǎo)體封閉技術(shù)，將其封閉在不透光的殼體內(nèi)。4、濕度干擾濕度的變化也會(huì)引起阻值的變化，漏電流的增加。防護(hù)：采用適當(dāng)?shù)母稍锎胧?、化學(xué)干擾化學(xué)物質(zhì)對(duì)系統(tǒng)器件的腐蝕、損害等。防護(hù)：采用良好的密封措施以及注意保持清潔。二、干擾的表現(xiàn)形式6、電磁干擾電或磁通過(guò)電路和磁路對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾作用、電磁感應(yīng)作用、使電場(chǎng)和磁場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電流，影響測(cè)量結(jié)果。

防護(hù)：加裝金屬罩，屏蔽電磁場(chǎng)等。7、射線輻射干擾指多種輻射射線使氣體電離，使半導(dǎo)體激發(fā)出電子-空穴對(duì)，金屬溢出電子等。

防護(hù)：射線防護(hù)是一門專門技術(shù)主要用于原子能工作。干擾產(chǎn)生的三要素干擾產(chǎn)生有三個(gè)要素：干擾源、傳播路徑、敏感元件，三者缺一不可。敏感元件：系統(tǒng)中一些易被干擾元件，如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器等。7.2干擾產(chǎn)生原因干擾源：如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無(wú)繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁信號(hào)。雷電、太陽(yáng)和宇宙射線也屬于干擾源。

傳播路徑：電磁信號(hào)在空中直線傳播，并具有穿透性的輻射方式傳播；以及借助導(dǎo)線傳入設(shè)備的傳播的傳導(dǎo)方式傳播；都會(huì)受到干擾信號(hào)影響。7.3硬件抗干擾技術(shù)一、抑制干擾源抑制干擾源的常用措施除選用特殊性能的電源外，重要的措施是屏蔽。為減少交流電源的干擾，可采用交流穩(wěn)壓器、不間斷電源（UPS）、隔離變壓器、低通濾波器等，以抑制電源電壓的波動(dòng)和干擾噪聲。

屏蔽技術(shù)是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻臍钇帘误w，將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。例如：屏蔽雙膠線可抵御靜電和電磁感應(yīng)干擾；屏蔽房抵御電磁信號(hào)傳輸。二、隔離技術(shù)切斷干擾信號(hào)通道

隔離是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來(lái)，有用信號(hào)可正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達(dá)到抑制干擾的目的。7.3硬件抗干擾技術(shù)常見(jiàn)的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。

1、光電隔離它指以光信號(hào)在隔離的發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。由于光信?hào)傳輸信息時(shí)，不會(huì)和其輸入和輸出的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，因而具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾的能力。二、隔離技術(shù)切斷干擾信號(hào)通道7.3硬件抗干擾技術(shù)

2、變壓器隔離變壓器僅能傳輸交流信號(hào)，可用來(lái)阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制低頻干擾信號(hào)的強(qiáng)度。除此之外，還要適合具體電路的隔離技術(shù)。例如：為防止信號(hào)傳輸過(guò)程受到干擾信號(hào)影響，采用實(shí)時(shí)選頻、跳頻、擴(kuò)頻、高頻自適應(yīng)技術(shù)。例如：為工業(yè)控制系統(tǒng)的噪聲干擾，采用繼電器隔離。繼電器的線圈傳信號(hào)，觸點(diǎn)接收信號(hào)。三、附加濾波電路7.3硬件抗干擾技術(shù)濾波電路是抑制干擾的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的干擾信號(hào)的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因此，采用濾波的方法，只讓有用信號(hào)的頻率成分通過(guò)，而將干擾信號(hào)頻率成分加以抑制。濾波電路有低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波。濾波電路信號(hào)處理有維納濾波、卡爾曼濾波等。濾波電路不僅適合硬件方法，也適合軟件方法。四、修改設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)電路板（PCB）的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)要求。電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)，干擾源盡可能遠(yuǎn)離敏感元件。

D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路要特別注意地線的正確連接。系統(tǒng)內(nèi)部的變頻電源、開關(guān)電源等可以采用屏蔽保護(hù)，隔離空間輻射，以減少噪聲源對(duì)單片機(jī)的干擾。電路板上每個(gè)集成電路模塊（IC）要并接一個(gè)0.01～0.1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。這些高頻電容連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，這會(huì)影響濾波效果。布線時(shí)避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射。7.3硬件抗干擾技術(shù)2、電子線路設(shè)備正確接地也是抑制干擾噪聲的重要方法。①在低頻電路中，因寄生電抗的影響不大，常采用一點(diǎn)接地。在高頻電路中，寄生電抗的影響不容忽視，要采用多點(diǎn)接地，以避免各接地點(diǎn)之間的耦合。②應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)字地和模擬地應(yīng)分別接地，然后再在一起把兩種地分別連接起來(lái)。③印刷電路板對(duì)地線的分布、形狀、長(zhǎng)度和寬度也有一定的要求，比如地線要呈輻射狀，避免環(huán)行，地線要寬，連接旁路電容的地線不要太長(zhǎng)等。④應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)字地、模擬地、強(qiáng)電設(shè)備的地、機(jī)殼或其他金屬構(gòu)件的屏蔽地應(yīng)分開布置并在一點(diǎn)上和電源地相連。⑤在采用屏蔽雙絞線傳送信號(hào)時(shí)，應(yīng)將屏蔽地與工作地連在一起。要注意只能在一個(gè)點(diǎn)接地，以免形成回路，在屏蔽體上產(chǎn)生較大的噪聲。7.3硬件抗干擾技術(shù)一、數(shù)字濾波1、數(shù)字濾波是通過(guò)特定的計(jì)算程序處理，降低干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比例，故實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。2、數(shù)字濾波器有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需要增加任何硬件設(shè)備，需數(shù)據(jù)處理和控制前，附加一段數(shù)字濾波程序即可；②不存在阻抗匹配問(wèn)題；③適宜的濾波頻率范圍寬，而模擬RC濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低；④對(duì)于多路信號(hào)輸入通道，可以共用一個(gè)濾波器，只要適當(dāng)改變?yōu)V波器程序或參數(shù)，就可以方便地改變?yōu)V波特性，這對(duì)于低頻脈沖干擾和隨機(jī)噪聲的克服特別有效。7.4軟件抗干擾技術(shù)

軟件抗干擾技術(shù)主要包括：信號(hào)處理前的數(shù)字濾波，削弱干擾信號(hào)的影響；信號(hào)處理后程序編程，避免干擾信號(hào)的誤操作。3、數(shù)字濾波方法

1）限幅濾波如果一輸入信號(hào)增量變化有限度，可采用限幅濾波。所謂限幅濾波，就是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），如果增量超過(guò)限度（最大允許差值△y），則仍取上次采樣值作為采樣值；如果小于或等于△y，則取本次采樣值。適用范圍：主要用于變化緩慢的參數(shù)測(cè)量，如溫度、液位等。無(wú)法抑制增量變化較大的信號(hào)。2）中位值濾波中位值濾波是對(duì)某一被測(cè)量連續(xù)采樣n次(一般n取為奇數(shù))，然后把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。適用范圍：同限幅濾波。7.4軟件抗干擾技術(shù)

3）平滑濾波噪聲在很多情況下可以近似地認(rèn)為是白噪聲。白噪聲具有一個(gè)很重要的統(tǒng)計(jì)特性，即其統(tǒng)計(jì)平均值為零。因此，可以用求平均值的辦法來(lái)消除隨機(jī)誤差，這就是所謂的平滑濾波。二、單片機(jī)執(zhí)行過(guò)程中的軟件抗干擾措施

1.采用指令冗余處理程序“跑飛”所謂程序“跑飛”，是單片機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，遇外界干擾使CPU發(fā)生混亂引起“死機(jī)”。程序“跑飛”后，最簡(jiǎn)單的方法是讓CPU復(fù)位，讓程序重啟。通常采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復(fù)到正常的狀態(tài)中。即在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。例如：對(duì)于51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，通常是在一些對(duì)程序的流向起關(guān)鍵作用的指令前插入兩條NOP指令。這些指令有RET、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、JBNZ、DJNZ等。值得注意的是，程序中，“指令冗余”不能過(guò)多，否則會(huì)降低程序的執(zhí)行效率。7.4軟件抗干擾技術(shù)

2．采用軟件陷阱處理程序“跑飛”采用“指令冗余”，使“跑飛”的程序恢復(fù)正常是有條件的。首先，“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到所設(shè)置的冗余指令。如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)(如EPROM或RAM中未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格區(qū)等)，或在執(zhí)行到冗余指令前已經(jīng)形成一個(gè)死循環(huán)，則“指令冗余”措施失效。這時(shí)可采用另一種抗干擾措施，即所謂的“軟件陷阱”?！败浖葳濉笔且粭l引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門處理錯(cuò)誤的程序。假設(shè)這段處理錯(cuò)誤的程序入口地址為ERROR，則下面三條指令即組成一個(gè)“軟件陷阱”。

NOP NOPLJMP ERROR；轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)計(jì)的入口執(zhí)行二、單片機(jī)執(zhí)行過(guò)程中的軟件抗干擾措施2．采用軟件陷阱處理程序“跑飛”“軟件陷阱”一般安排在下列4種地方。

（1）未使用的中斷向量區(qū)AT89S51單片機(jī)的中斷向量區(qū)為0003H～002FH。如果系統(tǒng)程序未使用完全部中斷向量區(qū)，則可在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件陷阱”。例如，某系統(tǒng)使用了兩個(gè)外部中斷INT0、INT1和一個(gè)定時(shí)器溢出中斷T0，它們的中斷服務(wù)子程序入口地址分別為T0_INT0、T0_INT1和T0_T0，即可按下面的方式來(lái)設(shè)置中斷向量區(qū)： ORG 0000HSTART：LJMPTO_MAIN ；引向主程序入口 ORG 0003H LJMP TO_INT0 ；INT0中斷服務(wù)程序入口 NOP ；冗余指令 LJMP ERROR ；陷阱 ORG 000BH LJMP TO_T0 ；T0中斷服務(wù)程序入口 NOP ；冗余指令NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 0013H LJMP TO_INT1 ；INTl中斷服務(wù)程序入門 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 00lBH LJMP ERROR ；未使用T1中斷，設(shè)陷阱 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 0023H LJMP ERROR ；未使用串口中斷，設(shè)陷阱 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 002BH LJMP ERROR ；未使用T2中斷，設(shè)陷阱 NOP ；冗余指令 NOPTO_MAIN： … ；主程序

2．采用軟件陷阱處理程序“跑飛”（2）未使用的大片F(xiàn)lashRom空間程序一般都不會(huì)占滿FlashRom芯片的全部空間。對(duì)于剩余未編程的FlashRom空間，其內(nèi)容為0FFH。0FFH對(duì)于AT89S51單片機(jī)的指令系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一條單字節(jié)的指令。如果程序“跑飛到這一區(qū)域，則將順利向后執(zhí)行，不再跳躍(除非又受到新的干擾)，因此，在這段區(qū)域內(nèi)每隔一段地址設(shè)一個(gè)陷阱，就一定能捕捉到“跑飛”的程序。(3）表格有兩種表格：一類是數(shù)據(jù)表格，供MOVCA，@A+PC指令或MOVCA，@A+DPTR指令使用，其內(nèi)容完全不是指令；另一類是散轉(zhuǎn)表格，供JMP@A+DPTR指令使用，其內(nèi)容為一系列的三字節(jié)指令LJMP或二字節(jié)指令A(yù)JMP。2．采用軟件陷阱處理程序“跑飛”(4）程序區(qū)程序區(qū)是由一系列的指令構(gòu)成的。在這些指令中間常常有一些斷點(diǎn)，正常的程序執(zhí)行到斷點(diǎn)處就不再往下執(zhí)行了，這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等。CPU執(zhí)行到這些指令時(shí)，PC的值應(yīng)發(fā)生正常跳變。如果在這些指令處設(shè)置陷阱，就有可能捕捉到“跑飛”的程序。例如，對(duì)一個(gè)A累加器的內(nèi)容的正、負(fù)、和零的情況進(jìn)行三分支的程序，軟件陷阱安排如下： JNZ TO_XYZ …；0處理AJMP ABC_SUB ；斷點(diǎn)NOPNOPLJMP ERROR ；陷阱TO_XYZ：JB ACC.7，TO_UVW …；正處理 AJMP ABC_SUB ；斷點(diǎn) NOP NOP LJMP ERROR ；陷阱TO_UVW： …；負(fù)處理ABC_SUB：MOV A，R2 ；取結(jié)果 RET ；斷點(diǎn) NOP NOP LJMP ERROR ；陷阱3．使用“看門狗”處理程序“跑飛”如果“跑飛”的程序落到—個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中，冗余指令和軟件陷阱都將無(wú)能為力，這時(shí)可采取WATCHDOG(俗稱“看門狗”)措施。WATCHDOG有如下特性：1）能獨(dú)立工作，不依賴于CPU。CPU只在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)與其打一次交道，表明整個(gè)系統(tǒng)“目前尚屬正?！?。2）當(dāng)CPU落入死循環(huán)后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。在AT89S系列單片機(jī)中，已將“看門狗”功能集成到芯片中。7.4軟件抗干擾技術(shù)

4．通過(guò)“復(fù)位”使系統(tǒng)恢復(fù)正常

硬件復(fù)位是使單片機(jī)重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)一個(gè)簡(jiǎn)單有效方法。硬件復(fù)位后，CPU被重新初始化，中斷標(biāo)志都被清除，程序從0000H地址重新開始執(zhí)行。硬件復(fù)位又稱為“冷啟動(dòng)”?！袄鋯?dòng)”不利于系統(tǒng)的“連續(xù)性”，卻可以徹底初始化，使系統(tǒng)的狀態(tài)得以恢復(fù)。若用軟件抗干擾措施來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，可對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行修復(fù)和有選擇地進(jìn)行部分初始化，這種操作又稱為“熱啟動(dòng)”?！盁釂?dòng)”時(shí)，首先要執(zhí)行一系列指令來(lái)使專用寄存器達(dá)到與硬件復(fù)位時(shí)同樣的狀態(tài)；其次，還要清除中斷激活標(biāo)志。在所有的指令中，只有RETI指令能清除中斷激活標(biāo)志。前面提到的出錯(cuò)處理程序ERROR主要用于完成這一功能，這部分程序如下：三、單片機(jī)執(zhí)行過(guò)程中的軟件抗干擾措施4．通過(guò)“復(fù)位”使系統(tǒng)恢復(fù)正常ORG 2000HERROR：CLR EA ；關(guān)中斷 MOV DPTR，ERR_SUB