計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術

關于計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術29.03.2024129.03.20242第一節(jié)工業(yè)現(xiàn)場的干擾及其對系統(tǒng)的影響

一、干擾的來源計算機控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內部干擾。外部干擾的主要來源有：電源電網(wǎng)的波動、大型用電設備(如天車、電爐、大電機、電焊機等)的啟停、高壓設備和電磁開關的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。內部干擾主要有：系統(tǒng)的軟件不穩(wěn)定、分布電容或分布電感產生的干擾、多點接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.20243

二、干擾的作用途徑

1．傳導耦合干擾由導線進入電路中稱為傳導耦合。

2．靜電耦合干擾信號通過分布電容進行傳遞稱為靜電耦合。

3．電磁耦合電磁耦合是指在空間磁場中電路之間的互感耦合。

4．公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指多個電路的電流流經(jīng)同一公共阻抗時所產生的相互影響。第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.20244

三、干擾的作用形式

1．共模干擾共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上電壓降造成的，如圖1所示。

圖1共模干擾示意圖第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202452．串模干擾串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。圖2描述了串模干擾的情況。共模干擾對系統(tǒng)的影響是轉換成串模干擾的形式來作用于系統(tǒng)的。圖2串模干擾示意圖第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.20246第二節(jié)過程通道的抗干擾技術一、共模干擾的抑制抑制共模干擾的主要方法是設法消除不同接地點之間的電位差。

1．變壓器隔離隔離變壓器是最常用的隔離元件之一，用來阻斷干擾信號的傳導通路，并抑制干擾信號的強度。是利用變壓器把模擬信號電路與數(shù)字信號電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾。第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.20247圖4變壓器隔離圖第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202482．光電隔離光電隔離是利用光電耦合器完成信號的傳送，實現(xiàn)電路的隔離，如圖5所示。根據(jù)所用的器件及電路不同，通過光電耦合器可以實現(xiàn)模擬信號的隔離，也可以實現(xiàn)數(shù)字量的隔離。注意，光電隔離前后兩部分電路應分別采用兩組獨立的電源。圖5光電隔離圖第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.20249

當用于模擬信號的隔離時，對光電耦合器的線性特性要求較高，而且一般要配以相應的校正電路來保證信號的線性傳送?，F(xiàn)已有專門用于傳遞模擬信號的線性光電耦合器，例如B-B公司的ISO100。由于光電耦合器具有可靠的開關特性，所以用它來實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離是目前光電隔離的主要形式。對模擬信號的隔離也可以通過V/F變換器將其變成不同頻率的數(shù)字信號，然后由光電耦合器傳送。第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024103．浮地屏蔽采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如圖6所示。所謂浮地，就是利用屏蔽方法使信號的“模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾的目的。圖6浮地輸入雙層屏蔽放大器圖第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024114．采用具有高共模抑制比的儀表放大器作為輸入放大器儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低、增益可調等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202412

二、串模干擾的抑制

1．在輸入回路中接入模擬濾波器根據(jù)被測信號的頻率范圍，選用不同頻帶的濾波器，使有用信號順利通過。

2．使用雙積分式A/D轉換器當尖峰型串模干擾為主要干擾時，使用雙積分式A/D轉換器，或在軟件上采用判斷濾波的方法加以消除。

3．采用信號線的屏蔽措施為了防止“干擾噪聲”通過空間耦合方式侵入信號線而進入電氣設備，在干擾比較強的工業(yè)現(xiàn)場，或者對那些比較微弱的信號，傳輸時宜選用屏蔽線。

4．電流傳送當傳感器信號距離主機很遠時很容易引入干擾。如果在傳感器出口處將被測信號由電壓轉換為電流，以電流形式傳送信號，將大大提高信噪比，從而提高傳輸過程中的抗干擾能力。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202413

三、長線傳輸干擾的抑制在計算機控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長線對待。信號在長線中傳輸時會遇到三個問題：一是長線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號延時；三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。當信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內部產生向前的電壓波和電流波，稱為入射波；另外，如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的波阻抗不匹配，那么當入射波到達終端時，便會引起反射；同樣，反射波到達傳輸線始端時，如果始端阻抗不匹配，還會引起新的反射。這種信號的多次反射現(xiàn)象，使信號波形失真和畸變，并且引起干擾脈沖。第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024141．終端匹配為了進行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線的波阻抗RP，波阻抗的測量如圖8所示。圖8波阻抗測量原理圖

調節(jié)可變電阻R，并用示波器觀察門A的波形，當達到完全匹配時，即R=RP時，門A輸出的波形不畸變，反射波完全消失，這時的R值就是該傳輸線的波阻抗。第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202415

為了避免外界干擾的影響，在計算機中常常采用雙絞線和同軸電纜作為信號線。雙絞線的波阻抗一般在100～200Ω之間，紋花越密，波阻抗越低。同軸電纜的波阻約50～100Ω范圍。

根據(jù)傳輸線的基本理論，無損耗導線的波阻抗RP為：（1）其中，L0為單位長度的電感，C0為單位長度的電容。第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202416

最簡單的終端匹配方法如圖9(a)所示，如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當R=RP時，便實現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時終端波形和始端波形的形狀相一致，只是時間上滯后。

為了克服上述匹配方法的缺點，可采用圖9(b)所示的終端匹配方法。其等效電阻R為：（2）

適當調整R1和R2的阻值，可使R=RP。這種匹配方法也能消除波反射，優(yōu)點是波形的高電平下降較少，缺點是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。為了同時兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取R1=R2=2RP，此時等效電阻R=RP。第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202417圖9終端匹配圖第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024182．始端匹配在傳輸線始端串入電阻R，如圖10所示，也能基本上消除反射，達到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為：

其中，RSC為門A的輸出低電平時的輸出阻抗。

（3）圖10始端匹配圖第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202419第三節(jié)軟件抗干擾與硬件冗余技術

一、軟件故障的幾種表現(xiàn)形式

1．數(shù)據(jù)采集不可靠在數(shù)據(jù)傳輸過程中仍然會有一些干擾侵入系統(tǒng)，造成采集的數(shù)據(jù)不準確造成誤差。

2．控制失靈在計算機控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常取決于某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結果，而在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，可能造成條件狀態(tài)偏差、失誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。

3．程序運行失常計算機系統(tǒng)引入強干擾后，程序計數(shù)器PC的值可能被改變，這將引起程序執(zhí)行出現(xiàn)混亂，最終可能導致程序“死循環(huán)”。第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202420

二、輸入/輸出軟件抗干擾措施

1．開關量(數(shù)字量)輸入抗干擾措施對于開關量的輸入，為了確保信息準確無誤，在軟件上可采取多次讀取的方法(至少讀兩次)，認為無誤后再行輸入，如圖11所示。

2．開關量(數(shù)字量)輸出抗干擾措施當計算機輸出開關量控制閘門、料斗等執(zhí)行機構動作時，為了防止這些執(zhí)行機構由于外界干擾而誤動作，比如已關的閘門、料斗可能中途打開；已開的閘門、料斗可能中途突然關閉。對于這些誤動作，可以在應用程序中每隔一段時間發(fā)出一次輸出命令，不斷地關閉閘門或者開啟閘門。這樣，就可以較好地消除由于擾動而引起的誤動作(開或關)。第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202421圖11多次讀入流程圖第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202422

三、程序運行失常的軟件抗干擾

1．設置軟件陷阱當干擾導致程序計數(shù)器PC值混亂時，可能造成CPU離開正確的指令順序而跑飛到非程序區(qū)去執(zhí)行一些無意義地址中的內容，或進入數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當作操作碼來執(zhí)行，使整個工作紊亂，系統(tǒng)失控。針對這種情況，可以在非程序區(qū)設置陷阱，一旦程序飛到非程序區(qū)，很快進入陷阱，然后強迫程序由陷阱進入初始狀態(tài)。

2．設置監(jiān)視跟蹤定時器監(jiān)視跟蹤定時器，也稱為看門狗定時器(Watchdog)，可以使陷入“死機”的系統(tǒng)產生復位，重新啟動程序運行。這是用于監(jiān)視跟蹤程序運行是否正常的最有效的方法之一，得到了廣泛的應用。第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202423

四、提高計算機控制系統(tǒng)可靠性的方法

1．數(shù)據(jù)冗余

RAM數(shù)據(jù)冗余就是將要保護的原始數(shù)據(jù)在另外兩個區(qū)域同時存放，建立兩個備份，當原始數(shù)據(jù)塊被破壞時，用備份數(shù)據(jù)塊去修復。

2．程序冗余在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。在某些重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證其正確執(zhí)行。

3．硬件冗余根據(jù)系統(tǒng)的功能及各個模塊在系統(tǒng)中的地位和作用，配備一定數(shù)量同等功能的模塊，通過有關線路的配合，當其中某一塊模塊失效時，備用模塊即可自動投入運行。

4．故障診斷在故障發(fā)生后及時顯示故障信息，盡快定位故障點是提高系統(tǒng)可靠性的重要保證，控制系統(tǒng)一般都具備自診斷功能。第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202424第四節(jié)接地技術

一、計算機控制系統(tǒng)中的地線

1.數(shù)字地。數(shù)字地也叫邏輯地。它是計算機系統(tǒng)中各種TTL、CMOS芯片及其它數(shù)字電路的零電位。

2.模擬地。它是放大器，A/D，D/A轉換器中的模擬電路零電位。

3.信號地。它是傳感器和變送器的地。

4.功率地。它是指功率放大器和執(zhí)行部件的地。

5.屏蔽地。它是為了防止靜電感應和磁場感應而設置的，同時也為了避免機殼帶電而危及人身安全而設置的。

6.交流地。交流地是交流50Hz電源的地線，也稱為噪聲地。

7.直流地。直流地是直流電源的地線。第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202425

二、常用的接地方法

1．一點接地和多點接地對于信號頻率小于1MHz的電路，采用一點接地，防止地環(huán)流的產生；當信號頻率大于10MHz時，應采用就近多點接地；如果信號頻率在1～10MHz之間，當?shù)鼐€長度不超過信號波長的1/20時，可以采用一點接地，否則就要多點接地。

2．模擬地和數(shù)字地的連接在計算機控制系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，然后僅在一點把兩種地連接起來。否則，數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會對模擬信號產生影響。第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202426圖14模擬地與數(shù)字地的連接線路圖第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024273．將邏輯地浮空并使機柜良好接地浮地是指控制裝置的邏輯地和大地之間不用導線連接，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電平。這在很大程度上可以抑制外部輻射和干擾信號。

4．交流接地點與直流接地點分開為了避免電阻把交流電力線引入的干擾傳輸?shù)娇刂蒲b置內部，一般將兩種地分開。這樣既能保證控制系統(tǒng)內部器件的安全性，又能提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

5．印刷電路板地線的安排在安排印刷電路板地線時，首先要保證地線阻抗較低，為此必須盡可能地加寬地線；其次要充分利用地線的屏蔽作用，將印刷電路板全部邊緣用較粗的印刷地線環(huán)繞整塊板子作為地線干線，并同時在板中的所有空隙處均填以地線。

第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202428第五節(jié)電源系統(tǒng)的抗干擾技術

一、抗干擾穩(wěn)壓電源的設計計算機常用的直流穩(wěn)壓電源如圖15所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場合。

1．隔離變壓器隔離變壓器的作用有兩個：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號竄入。

2．低通濾波器各種干擾信號一般都有很強的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質量。第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202429圖15抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.2024303．交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動對系統(tǒng)的影響。一般交流穩(wěn)壓器中都有電感線圈和濾波電容，對高頻干擾有一定的抑制作用。在選擇交流穩(wěn)壓器時要有一定的余度：一方面保證其穩(wěn)定性；另一方面有助于維護它的可靠性，在選擇其它電源設備時也應如此。

4．電源變壓器電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供所要求的電壓而設置的。為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。

5．直流穩(wěn)壓系統(tǒng)直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖17所示。第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202431圖17直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202432

一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百～幾千μF的電解電容，用以減小整流橋輸出電壓的脈動。C2為高頻濾波電容，常選用0.01～0.1μF的瓷片電容，用于抑制浪涌尖峰。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩(wěn)壓器結構簡單，使用方便，負載穩(wěn)定度為15mV，具有過電流和輸出短路保護，可用于一般的計算機系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個電容C3和C4，C3主要起負載匹配作用，常選用幾十～幾百μF的電解電容；C4為抗高頻干擾電容，常選取0.01～0.1μF的瓷片電容。第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202433圖18簡易直流穩(wěn)壓電源示意圖

在交流電壓波動不大的場合，交流穩(wěn)壓器可省略；在浪涌和尖峰電壓不大的場合，隔離變壓器和電源變壓器可以合二為一。這樣可簡化電源系統(tǒng)結構，如圖18所示。第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202434

二、電源系統(tǒng)的異常保護

1．不間斷電源UPS

在正常情況下，由交流電網(wǎng)向計算機系統(tǒng)供電，并同時給UPS的電池組充電。一旦交流電網(wǎng)出現(xiàn)斷電，則不間斷電源UPS自動切換到逆變器供電，逆變器將電池組的直流電壓逆變成工頻交流電壓，此電壓送給直流穩(wěn)壓器后繼續(xù)保持對系統(tǒng)的供電。

2．連續(xù)備用供電系統(tǒng)連續(xù)備用供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機供電，在兩種供電系統(tǒng)轉換期間，由電池完成平滑過渡，以避免電源更換對系統(tǒng)的沖擊。

3．計算機系統(tǒng)的掉電保護對于允許暫時停運的計算機系統(tǒng)，希望在電源掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動保護RAM中的有用信息和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以便當電源恢復時，能自動從掉電前的工作狀態(tài)恢復。掉電保護工作包括電源監(jiān)控和RAM的掉電保護兩個任務。第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202435第六節(jié)印刷電路板抗干擾設計

一、印制電路板布局

1．電路板的大小確定在外殼尺寸確定的前提下，考慮電路板的大小時應該注意：電路板過小，則器件的密集度高，不利于散熱，而且線與線間容易引發(fā)干擾；若電路板過大，則制造費用高，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力減弱。

2．布置元器件在抗干擾問題上，元器件物理位置布置要注意高頻電路盡量按無規(guī)則排列，有利于減少分布參數(shù)的影響，其它電路可以按照有規(guī)則方向排列；熱敏感元件的放置要注意散熱元件的散熱方向，避免引起熱輻射。第35頁,共39頁，2024年2月25日，星期天29.03.202436

二、印刷電路板布線布線時應先考慮信號線的布置，其次考慮電源／接地線。（1）考慮到銅膜導線自身的電阻、電感效應，布線時不易太長，避免反射干擾以及高壓放電現(xiàn)象的產生，拐角處宜用45度角或圓弧方式，不能有尖角形態(tài)出現(xiàn)。布雙面電路板時，兩面的導線應該相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合。（2）銅膜導線的線寬，應以能滿足電氣性能要求而又便于生產為準，它的最小值取決于流過它的電流以及加工過程的抗剝強度。一般情況下，分立元