計算機控制系統中的抗干擾技術7/22/20231第9章計算機抗干擾技術本章主要內容干擾的傳播途徑與作用方式硬件抗干擾技術軟件抗干擾技術7/22/20232第9章計算機抗干擾技術1干擾的傳播途徑與作用方式7/22/20233第9章計算機抗干擾技術

是指有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不能正常工作的破壞因素。

抗干擾技術就是通過對這三要素中的一個或多個采取必要措施來實現的。干擾：與干擾相關的幾個概念：干擾源：產生干擾信號的原因干擾對象：干擾源通過傳播途徑影響的器件或系統干擾系統的三個要素：干擾源、傳播途徑及干擾對象。7/22/20234第9章計算機抗干擾技術

干擾的來源

計算機控制系統中干擾的來源是多方面的:干擾外部干擾內部干擾外部干擾與系統結構無關，是由使用條件和外部環境因素決定的。主要有：天電干擾，如雷電或大氣電離作用引起的干擾電波；天體干擾，如太陽輻射的電磁波；周圍電氣設備發出的電磁波的干擾；電源的工頻干擾；氣象條件引起的干擾；地磁場干擾；火化放電、弧光放電、輝光放電等產生的電磁波等。內部干擾是由系統的結構布局、線路設計、元器件性質變化和漂移等原因造成的主要有：分布電容、分布電感引起的耦合感應，電磁場輻射感應，長線傳輸的波反射，多點接地造成的電位差引入的干擾，寄生振蕩引起的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等。7/22/20235第9章計算機抗干擾技術2干擾的傳播途徑在計算機控制系統的現場，往往有許多強電設備，它們的啟動和工作過程中將產生干擾電磁場，另外還有來自空間傳播的電磁波和雷電的干擾，以及高壓輸電線周圍交變磁場的影響等。7/22/20236第9章計算機抗干擾技術電場耦合又稱靜電耦合，是通過電容耦合竄入其他線路的。干擾傳播途徑主要有：電場耦合磁場耦合公共阻抗耦合電場耦合電場干擾可以通過兩根導線之間構成的分布電容竄入系統7/22/20237第9章計算機抗干擾技術在任何載流導體周圍都會產生磁場，當電流變化時會引起交變磁場，該磁場必然在其周圍的閉合回路中產生感應電勢引起干擾。其中：

ω為感應磁場交變角頻率

M為兩根導線之間的互感

I1為導線1中的電流磁場耦合在設備內部，線圈或變壓器的漏磁也會引起干擾；在設備外部，平行架設的兩根導線也會產生干擾，由于感應電磁場引起的耦合，可以計算感應電壓7/22/20238第9章計算機抗干擾技術公共阻抗耦合干擾是由于電流流過回路間公共阻抗，使得一個回路的電流所產生的電壓降影響到另一回路。公共阻抗耦合在計算機控制系統中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，電源引線、印刷電路板上的地和公共電源線、匯流排等。這些匯流條都具有一定的阻抗，對于多回路來講，就是公共耦合阻抗。7/22/20239第9章計算機抗干擾技術公共電源線的阻抗耦合

公共地線的阻抗耦合7/22/202310第9章計算機抗干擾技術9.1.3干擾的作用方式按干擾作用方式的不同，可分為差模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。又稱串模干擾，是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，它串聯在信號源回路中，與被測信號相加輸入系統。差模干擾與被測信號在回路中處于同樣的地位，也稱為常態干擾或橫向干擾。

差模干擾：7/22/202311第9章計算機抗干擾技術差模干擾示意圖主要有分布電容的電場耦合，空間的磁場耦合，長線傳輸的互感，50Hz工頻干擾，以及信號回路中元件參數變化等。產生差模干擾的原因7/22/202312第9章計算機抗干擾技術是指系統的兩個信號輸入端上所共有的干擾電壓,共模干擾也稱為共態干擾或縱向干擾。計算機的地、信號放大器的地與現場信號源的地一般相隔一段距離，在兩個接地點之間往往存在一個電位差Vc，該電位差是系統信號輸入端上共有的干擾電壓，會對系統產生共模干擾。共模干擾示意圖共模干擾：7/22/202313第9章計算機抗干擾技術對于系統的干擾來說，共模干擾大都通過差模干擾的方式表現出來。兩種輸入方式時共模電壓的引入7/22/202314第9章計算機抗干擾技術圖(a)所示為信號單端輸入情況，Zs是信號源內阻，Zr是系統輸入阻抗。共模干擾電壓Ucm和信號源電壓Us相加共同作用于回路，此時，共模干擾全部以差模干擾形式作用于電路。由Ucm引起系統輸入的差模電壓Un1為因為Zr>>Zs，則其中，Zs是信號源內阻(含信號引線電阻)，Zr是放大器輸入阻抗。顯然，Zr越大，或Zs越小，Un1越小，越有利于抑制共模干擾。7/22/202315第9章計算機抗干擾技術圖9.8(b)所示為放大器雙端輸入情況，Zs1、Zs2為信號源內阻，Zc1、Zc2為系統輸入阻抗。共模電壓Ucm引起系統輸入端的差模干擾電壓Un2為若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，則Un2=0，系統沒有引入共模干擾。實際上，兩個輸入端不可能作到完全對稱，因此，Un2≠0，也就是說實際上總是存在一定的共模干擾電壓。當Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1和Zc2越接近時，共模干擾電壓就越小7/22/202316第9章計算機抗干擾技術在計算機控制系統中，現場信號到控制計算機以及控制計算機到現場執行機構，都經過一段較長的線路進行信號傳輸，即長線傳輸。

一是高速變化的信號在長線中傳輸時，會出現波反射現象。長線傳輸干擾:信號在長線中傳輸會遇到三個問題：二是具有信號延時三是長線傳輸會受到外界干擾7/22/202317第9章計算機抗干擾技術

硬件抗干擾技術7/22/202318第9章計算機抗干擾技術電源系統的抗干擾技術

電源引入的干擾是計算機控制系統的主要干擾之一；對計算機控制系統的干擾大部分是由電源耦合產生的。供電方式

尖峰脈沖干擾的抑制

掉電保護

直流側的抗干擾措施

7/22/202319第9章計算機抗干擾技術計算機控制系統的供電方式供電方式7/22/202320第9章計算機抗干擾技術交流濾波器可采用電容濾波器，電感電容濾波器或有原濾波器。濾波器要有良好的接地，布線接近地面，輸入輸出引線應相互隔離，不可平行或纏繞在一起。在電源變壓器中設置合理的屏蔽（靜電屏蔽和電磁屏蔽）是一種有效的抗干擾措施，它是在電源變壓器的初級和次級之間加屏蔽層。還可采用開關電源、DC-DC變換器以及UPS供電等，來提高電源的穩定性電源變壓器的靜電屏蔽隔離變壓器及其屏蔽7/22/202321第9章計算機抗干擾技術尖峰干擾是一種頻繁出現的疊加于電網正弦波上的高能脈沖，其幅度可達幾千伏，寬度只有幾個毫微秒或幾個微妙，因此采用常規的抑制辦法是無效的，而必須采取綜合治理辦法。另外，使系統遠離干擾源，對大功率用電設備采取專門措施抑制尖峰干擾的產生等都是可行的方法。尖峰脈沖干擾的抑制抑制尖峰干擾最常用的方法主要有三種：在交流電源的輸入端并聯壓敏電阻；采用鐵磁共振原理(如采用超級隔離變壓器)；在交流電源輸入端串入均衡器，即干擾抑制器。7/22/202322第9章計算機抗干擾技術過程控制計算機供電不允許中斷，一旦中斷電源，將影響生產。為此，計算機系統應加裝UPS（不間斷電源），或增加電源電壓監視電路，及早監測到掉電狀態，從而進行應急處理。掉電保護電路掉電保護對于沒有使用UPS的計算機控制系統，為了防止掉電后RAM中的信息丟失，經常采用鎳電池對RAM進行數據保護。7/22/202323第9章計算機抗干擾技術對直流電源電壓監視可采用集成電路μP監控電路實現掉電保護。現在已經有許多集成電路μP監控電路可供選擇，它們具有很多種類和規格，同時也具有多種功能，如有的μP監控電路除電源監視外，還具有看門狗、上電復位、備用電源切換開關等功能。利用MAX915組成的電源監視電路7/22/202324第9章計算機抗干擾技術電網的高頻干擾，由于頻帶較寬，僅在交流側采取抗干擾措施，很難保證干擾絕對不進入直流系統，因此須在直流側采取必要的抗干擾措施。直流側的抗干擾措施 在每塊邏輯電路板的電源和地線的引入處并接一個（10～100）μF的大電容和一個（0.01～0.1）μF的小電容；在各主要的集成電路芯片的電源輸入端與地之間，或電路板電源布線的一些關鍵點與地之間，接入一個（1～10）μF的電解電容，同時為濾除高頻干擾，可再并聯一個0.01μF的小電容。去耦法 在每塊電路板上裝上一個或幾塊穩壓塊，以穩定電路板上的電源電壓，提高抗干擾能力。增設穩壓塊法7/22/202325第9章計算機抗干擾技術9.2.2接地系統的抗干擾技術二是為了保證控制系統穩定可靠工作，提供一個基準電位的接地，即工作接地。接地技術對計算機控制系統是極為重要的，不恰當的接地會對系統產生嚴重的干擾，而正確的接地卻是抑制干擾的有效措施之一。計算機控制系統中接地的目的通常有兩個：一是為了安全，即安全接地；7/22/202326第9章計算機抗干擾技術地線系統分析在過程計算機控制系統中，一般有以下幾種地線：模擬地、數字地、安全地、系統地和交流地。安全地的目的是使設備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電影響人身和設備的安全。通常安全地又稱為保護地或機殼地，機殼包括機架、外殼、屏蔽罩等。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉換中模擬電路的零電位。模擬信號有精度要求，有時信號比較小，而且與生產現場相連。數字地作為控制系統中各種數字電路的零電位，應該與模擬地分開，避免模擬信號受數字脈沖的干擾。系統地是以上幾種地的最終回流點，直接與大地相連。交流地是計算機交流供電電源地，即為動力線地，它的地電位很不穩定。7/22/202327第9章計算機抗干擾技術在過程控制計算機中，對上述各種地的處理一般是采用分別回流法單點接地。單點接地與多點接地

分別回流法接地示意圖7/22/202328第9章計算機抗干擾技術輸入系統的接地在輸入通道中，為防止干擾，傳感器、變送器、和信號放大器通常采用屏蔽罩進行屏蔽，而信號線往往采用屏蔽信號線。屏蔽層的接地也應采取單點接地方式，關鍵是確定接地位置。輸入信號源有接地和浮地兩種情況。信號源端接地，而接收端浮地，則屏蔽層應在信號源端接地信號源浮地，接收端接地，則屏蔽層應在接收端接地7/22/202329第9章計算機抗干擾技術主機系統的接地為了提高計算機的抗干擾能力，將主機外殼作為屏蔽。而把機內器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機內信號地浮地。主機與外部設備地連接后，采用一點接地。如圖所示。為避免多點接地，各機柜用絕緣板墊起來。這種接地方式安全可靠，有一定的抗干擾能力。在計算機網絡系統中，對于近距離的幾臺計算機，可采用多機的一點接地方式；對于遠距離的多臺計算機之間的數據通信，通過隔離的辦法分開，如采用變壓器隔離技術、光電隔離技術和無線電通信技術等。7/22/202330第9章計算機抗干擾技術過程通道的抗干擾技術過程通道是計算機控制系統的現場數據采集輸入和輸出通道，它包括了現場信號源、信號線、轉換設備、I/O接口電路，主機和執行機構等。過程通道涉及內容多，分布廣，受干擾的可能性大，其抗干擾問題非常重要。過程通道干擾的來源是多方面的，主要有共模干擾、差模干擾和長線干擾。1、共模干擾的抑制

共模干擾產生的原因主要是不同的地之間存在共模電壓，以及模擬信號系統對地的漏阻抗。共模干擾的抑制措施主要有三種：變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽。7/22/202331第9章計算機抗干擾技術變壓器隔離變壓器隔離是利用隔離變壓器將模擬信號電路與數字信號電路隔離開，也就是把模擬地與數字地斷開，以使共模干擾電壓不能構成回路，從而達到抑制共模干擾的目的。另外，隔離后的兩電路應分別采用兩組互相獨立的電源供電，切斷兩部分的地線聯系.這種隔離適用于無直流分量信號的通路。對于直流信號，也可通過調制器變換成交流信號，經隔離變壓器后，用解調器再變換成直流信號。7/22/202332第9章計算機抗干擾技術光電隔離光電耦合器是由發光二極管和光敏三極管（或達林頓管、或晶閘管等）封裝在一個管殼內組成,實現以光為媒介的電信號傳輸。發光二極管動態電阻非常小，而干擾源的內阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號很小。由于光電耦合器是用光傳送信號，兩端電路無直接電氣聯系，因此，切斷了兩端電路之間地線的聯系，抑制了共模干擾。光電耦合器的發光二極管只有在通過一定電流時才能發光，由于許多干擾信號雖幅值較高，但能量較小，不足以使發光二極管發光，從而可以有效地抑制干擾信號。特點7/22/202333第9章計算機抗干擾技術浮地屏蔽浮地屏蔽是指信號放大器采用雙層屏蔽，輸入為浮地雙端輸入，如圖示。這種屏蔽方法使輸入信號浮空，達到了抑制共模干擾的目的。7/22/202334第9章計算機抗干擾技術差模干擾的抑制（2）根據差模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，采用相應的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。濾波器是一個選頻電路，其功能是讓指定頻段的信號通過，將其余頻段的信號衰減，濾除。在工業控制中，串模信號往往比被測儀器變化快。差模干擾信號和有效信號相串聯，疊加在一起作為輸入信號，因此，對差模干擾的抑制較為困難。對差模干擾應根據干擾信號的特性和來源，分別采用不同的措施來抑制。（1）對于來自空間電磁耦合所產生的差模干擾，可采用雙絞線作為信號線，其目的是減少電磁感應，并使各個小環路的感應電勢互相呈反向抵消。也可采用金屬屏蔽線或屏蔽雙絞線。7/22/202335第9章計算機抗干擾技術（4）當被測信號與干擾信號的頻譜相互交錯時，通常的濾波電路很難將其分開，可采用調制解調器技術。（3）當對稱性交變的差模干擾電壓或尖峰型差模干擾成為主要干擾時，選用積分式或雙積分式A/D轉換器可以消弱差模干擾的影響。7/22/202336第9章計算機抗干擾技術3、長線傳輸干擾的抑制同軸電纜對于電場干擾有較強的抑制作用，工作頻率較高。雙絞線對于磁場干擾有較好的抑制作用，絞距越短，效果越好。在電場干擾較強時須采用屏蔽雙絞線。采用同軸電纜或雙絞線作為傳輸線在使用雙絞線時，盡可能采用平衡式傳輸線路。所謂平衡式傳輸線路，是雙絞線的兩根線不接地傳輸信號。因為這種傳輸方式具有較好的抗差模干擾能力，外部干擾在雙絞線中的兩條線中產生對稱的感應電動勢，相互抵消。同時，對于來自地線的干擾信號也受到抑制。7/22/202337第9章計算機抗干擾技術終端阻抗匹配為了消除長線的反射現象，可采用終端或始端阻抗匹配的方法。同軸電纜的波阻抗一般在50～100Ω之間，雙絞線的波阻抗約為100～200Ω。進行阻抗匹配，首先，需要通過測試或由已知的技術數據掌握傳輸線的波阻抗Rp的大小。終端阻抗匹配7/22/202338第9章計算機抗干擾技術始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在長線的始端串入電阻R，通過適當的選擇R，以消除波反射

這種匹配方法的優點是波形的高電平不變，缺點是波形的低電平會抬高。其原因是終端門B的輸入電流Isr在始端匹配電阻R上的壓降所造成的7/22/202339第9章計算機抗干擾技術3軟件抗干擾技術7/22/202340第9章計算機抗干擾技術數字信號的軟件抗干擾措施1、數字濾波數字濾波是一種軟件算法，它實現從采樣信號中提取出有效信號數值，濾除干擾信號的功能。數字濾波與模擬濾波相比，具有很多優點。數字濾波可以實現對頻率很低（如0.01Hz）信號的濾波，克服了模擬濾波器的不足；首先，由于采用了程序實現濾波，無需硬件器件，不受外界的影響，也無參數變化等問題，所以可靠性高，穩定性好；當然，數字濾波不足之處在于濾波速度比硬件濾波要慢，但鑒于數字濾波器具有的上述優點，在計算機控制系統中得到了廣泛的應用。數字濾波還可以根據信號和干擾的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數，具有靈活、方便、功能強等優點。7/22/202341第9章計算機抗干擾技術2、輸入數字信號的抗干擾數字信號是用高低電平表示的兩態信號，即“0”、“1”。在數字信號的輸入中，由于操作或外界等的干擾，會引起狀態變化，造成誤判。對于數字信號來說，干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短。利用這一特點，在采集某一數字信號時，可多次重復采集，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致方為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號。對數字信號的采集不能采用多次平均方法，而是比較兩次或兩次采集結果是否相同。7/22/202342第9章計算機抗干擾技術3、輸出數字信號的抗干擾由于干擾，可能使計算機輸出的正確數字信號，在輸出設備中得到的卻是錯誤信號。輸出設備有電位控制型和同步鎖相型兩種，前者有良好的抗“毛刺”干擾能力，后者不耐干擾，當鎖存線上出現干擾時，會盲目鎖存當前的數據。輸出設備的慣性（響應速度）與干擾的耐受能力也有很大關系。慣性大的輸出設備（各類電磁機構）對“毛刺”干擾有一定耐受能力；慣性小的輸出設備（如通信口、顯示設備等）耐受能力就小一些。7/22/202343第9章計算機抗干擾技術在軟件上可以采取以下一些方法提高抗干擾能力：（1）重復輸出同一數據。在滿足實時控制的要求前提下，重復周期盡可能短些。外部設備接受到一個被干擾的錯誤信號后，還來不及作出有效的反應，一個正確的輸出信息又來到，就可及時防止錯誤動作的產生。（2）對于不能重復輸出同一信號的輸出裝置，例如帶自環型分配器和功率驅動器的步進電機，可在軟硬件上采取一些措施。（3）計算機進行數字信號輸出時，應將有關可編程輸出芯片的狀態也一并重復設置。（4）采用抗干擾編碼。按一定規約，將需傳輸的數據進行編碼，在智能接收端，再按規約進行解碼，并完成檢錯或糾錯功能。7/22/202344第9章計算機抗干擾技術

CPU及程序的抗干擾技術CPU是計算機的核心。當CPU受到干擾不能按正常狀態執行程序時，就會引起計算機控制的混亂，所以需要采取措施，使CPU在受到干擾的情況下，盡可能無擾地恢復系統正常工作。尤其是在單片機系統中，應當充分考慮系統的抗干擾性能。復位掉電保護指令冗余軟件陷阱Watchdog技術下面是幾種常見的針對CPU的抗干擾措施：7/22/202345第9章計算機抗干擾技術復位對于失控的CPU，最簡單的方法是使其復位，程序自動從頭開始執行。為完成復位功能，在硬件電路上應設置復位電路。上電復位是指計算機在開機上電時自動復位，此時所有硬件都從其初時狀態開始，程序從第一條指令開始執行；人工復位是指操作員按下復位按鈕時的復位；自動復位是指系統在需要復位的狀態時，由特定的電路自動將CPU復位的一種方式。復位方式有上電復位、人工復位和自動復位三種:7/22/202346第9章計算機抗干擾技術掉電保護在軟件中，應設置掉電保護中斷服務程序，該中斷為最高優先級的非屏蔽中斷，使系統能對掉電作出及時的反應。首先進行現場保護，把當時的重要狀態參數、中間結果，甚至某些片內寄存器的內容一一存入具有后備電池的RAM中。其次是對有關外設作出妥善處理，如關閉各輸入輸出口，使外設處于某一非工作狀態等。最后必須在片內RAM的某一個或兩個單元存入特定標記的數字，作為掉電標記，然后，進入掉電保護工作狀態。當電源恢復正常時，CPU重新復位，復位后應首先檢查是否有掉電標記，如果有，則說明本次復位為掉電保護之后的復位，應按掉電中斷服務程序相反的方式恢復現場，以一種合理的安全方式使系統繼續未完成的工作。在掉電中斷服務程序中的注意事項：7/22/202347第9章計算機抗干擾技術指令冗余當CPU受到干擾，程序“跑飛”后，往往將一些操作數當作指令代碼來執行，從而引起整個程序的混亂。采用指令冗余技術是使程序從“跑飛”狀態，恢復正常的一種有效措施。所謂的軟件冗余，就是在程序的關鍵地方人為的加入一些單字節指令NOP，或將有效單字節指令重寫，當程序“跑飛”到某條單字節指令時，就不會發生將操作數當作指令來執行的錯誤。指令冗余技術除了NOP等單