第6章抗干擾技術6.1干擾的來源與傳播途徑6.2干擾的作用形式6.3硬件抗干擾措施6.4軟件抗干擾措施小結

6.1干擾的來源與傳播途徑6.1.1干擾的來源1.外部干擾外部干擾由使用條件和外部環境因素決定。外部干擾環境如圖6-1所示。外部干擾主要有:天電干擾,例如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波;天體干擾,例如太陽或其他星球輻射的電磁波;電氣設備的干擾,例如廣播電臺或通信發射臺發出的電磁波、動力機械、高頻爐、電焊機等都會產生干擾。此外,熒光燈、開關、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設備也會產生較大的干擾;來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。

圖6-1外部干擾設備

2.內部干擾

內部干擾則是由系統的結構布局、制造工藝所引入的。內部干擾環境如圖6-2所示。內部干擾主要有:分布電容、分布電感引起的耦合感應,電磁場輻射感應,長線傳輸造成的波反射;多點接地造成的電位差引入的干擾;裝置及設備中各種寄生振蕩引入的干擾,以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾;還有元器件產生的噪聲等。

圖6-2內部干擾環境

6.1.2干擾的傳播途徑

1.靜電耦合

靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其他線路形成的。兩根并排的導線之間會構成分布電容,如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會構成分布電容。圖6-3為兩根平行導線之間靜電耦合的示意電路,C12是兩個導線之間的分布電容,C1g、C2g是導線對地的電容,R是導線2對地電阻。如果導線1上有信號U1存在,那么它就會成為導線2的干擾源,在導線2上產生干擾電壓Un。顯然,干擾電壓Un與干擾源U1以及分布電容C1g、C2g的大小有關。

圖6-3兩根平行導線之間的靜電耦合

2.磁場耦合

空間的磁場耦合是通過導體間的互感耦合產生的。在任何載流導體周圍空間中都會產生磁場,而交變磁場會對其周圍的閉合電路產生感應電勢。圖6-4是兩根導線平行架設時

的磁場干擾。

圖6-4兩根導線平行架設時的磁場干擾

3.公共阻抗耦合

公共阻抗耦合發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時,一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路,從而產生干擾噪聲。圖6-5為公共電源線的阻抗耦合示意圖。

圖6-5公共電源線的阻抗耦合

6.2干擾的作用形式

6.2.1串模干擾電磁感應和靜電感應的干擾都和信號串聯有關,也就是以串模干擾的形式出現。串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到儀表上的干擾。它通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間磁場。串模干擾又被稱作差模干擾。其示意圖如圖6-6所示。

圖6-6-串模干擾示意圖

6.2.2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的干擾,即輸入通道上共有的干擾電壓,所以也被稱為共態電壓、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的電壓降造成的,如圖6-7所示。圖6-7共模干擾示意圖

6.3硬件抗干擾措施

6.3.1串模干擾的抑制串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲,即干擾源串聯在信號源回路中。其表現形式與產生原因如圖6-8所示。圖中Us為信號源,Un為串模干擾電壓,鄰近導線(干擾線)有交變電流Ia流過。由Ia

產生的電磁干擾信號會通過分布電容C1和C2的耦合引至計算機控制系統的輸入端。

圖6-8串模干擾

1.雙絞線作信號引線

雙絞線由兩根互相絕緣的導線扭絞纏繞組成,為了增強抗干擾能力,可在雙絞線的外面加金屬編織物或護套形成屏蔽雙絞線。圖6-9為帶有屏蔽護套的多股雙絞線實物。

采用雙絞線作信號線,是因為外界電磁場會在雙絞線相鄰的小環路上形成相反方向的感應電勢,從而互相抵消減弱干擾作用。雙絞線相鄰的扭絞處之間為雙絞線的節距,雙絞

線不同的節距會對串模干擾起到不同的抑制效果,如表6-1所示。

圖6-9帶有屏蔽護套的多股雙絞線

2.引入濾波電路

采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性,可以選用低通、高通、帶通等濾波器。如果干擾頻率比被測信號頻率高,則選用低通濾波器;如果干擾頻率比被測信號頻率低,則選用高通濾波器;如果干擾頻率落在被測信號頻率的兩側,則需用帶通濾波器。一般采用電阻R、電容C、電感L等無源元件構成濾波器。圖6-10(a)所示為在模擬量輸入通道中引入的一個無源二級阻容低通濾波器,但它的缺點是對有用信號也會有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結合起來,對于小信號可以采取以反饋放大器為基礎的有源濾波器,它不僅可以達到濾波效果,而且能夠提高信號的增益,如圖6-10(b)所示。

圖6-10分立元件構成濾波器

6.3.2共模干擾的抑制

共模干擾是指計算機控制系統輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓,它可以是直流電壓,也可以是交流電壓,其幅值可達幾伏甚至更高,這取決于現場產生干擾的環境條件和計算機等設備的接地情況。其表現形式與產生原因如圖6-11所示。圖6-11共模干擾

共模干擾產生的原因是不同“地”之間存在的電壓,以及模擬信號系統對地的漏阻抗,那么,共模干擾電壓的抑制方法就應當是有效地隔離兩個地之間的電聯系,以及對被測信號的雙端采用差動輸入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽3種措施。

1.變壓器隔離

利用變壓器把現場信號源的地與計算機的地隔離開來,也就是把“模擬地”與“數字地”斷開,此時被測信號通過變壓器耦合獲得通路,而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。

要注意的是,隔離前和隔離后應分別采用兩組互相獨立的電源,以切斷兩部分的地線聯系,如圖6-12所示。被測信號Us經雙絞線引到輸入通道中的放大器,放大后的直流信號Us1先通過調制器變換成交流信號,經隔離變壓器T由原邊傳輸到副邊,然后用解調器再將它變換為直流信號Us2,再對Us2進行A/D轉換。這樣,被測信號通過變壓器的耦合獲得通路,而共模電壓由于變壓器的隔離無法形成回路而得到有效的抑制。

圖6-12變壓器隔離

2.光電隔離

光電耦合隔離器是目前計算機控制系統中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關特性,可傳送數字信號使其隔離電磁干擾,即在數字信號通道中進行隔離。開關量

輸入信號調理電路中,光耦隔離器不僅把開關狀態送至主機數據口,而且可實現外部與計算機的完全電隔離;在繼電器輸出驅動電路中,光耦隔離器不僅可以把CPU的控制數據信

號輸出到外部的繼電器,而且可以實現計算機與外部的完全電隔離。

其實在模擬量輸入/輸出通道中也主要應用這種數字信號通道的隔離方法,即在A/D轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器的數字信號之間插入光耦隔離器,以進行數據信號和控制信號的耦合傳送,如圖6-13所示。

圖6-13光耦隔離器

利用光耦隔離器的線性放大區,也可傳送模擬信號而隔離電磁干擾,即在模擬信號通道中進行隔離。例如,在現場傳感器與A/D轉換器,或D/A轉換器與現場執行器之間的模擬信號的線性傳送,就是在通道中進行光電隔離的,如圖6-14所示。

圖6-14光電耦合器

光耦的這兩種隔離方法各有其優缺點。模擬信號隔離方法的優點是使用的光耦數量少,成本低;缺點是調試困難,如果光耦挑選得不合適,就會影響系統的精度。數字信號隔離方法的優點是調試簡單,不影響系統的精度;缺點是使用的光耦器件較多,成本較高。但因光耦的價格越來越低廉,因此,目前在實際工程中主要使用的是光耦隔離器的數字信號隔離法。

3.浮地屏蔽

浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空,使共模輸入阻抗大為提高,共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少,從而抑制了共模干擾的來源,使共模干擾降

至很低。圖6-15為浮地輸入雙層屏蔽放大電路。

圖6-15浮地輸入雙層屏蔽放大電路

6.3.3長線傳輸干擾的抑制

信號在長線中的傳輸除了會受到外界干擾和引起信號延遲外,還可能會產生波反射現象。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正向前進的電壓波和電流波,這被稱為入射波。

1.波阻抗的測量

為了進行阻抗匹配,必須事先知道信號傳輸線的波阻抗Rp,波阻抗Rp的測量如圖6-16所示。圖中的信號傳輸線為雙絞線,在傳輸線始端通過與非門加入標準信號,用示波器觀察門A的輸出波形,調節傳輸線終端的可變電阻R,當門A輸出的波形不畸變時,說明傳輸線的波阻抗與終端阻抗完全匹配,反射波完全消失,這時的R值就是該傳輸線的波阻抗,即Rp=R。

圖6-16-波阻抗Rp的測量

2.終端阻抗匹配

最簡單的終端阻抗匹配方法如圖6-17(a)所示。如果傳輸線的波阻抗是Rp,那么當R=Rp時,便實現了終端匹配,消除了波反射。此時終端波形和始端波形的形狀一致,只是在時間上滯后。由于終端電阻變低,則加大負載,使波形的高電平下降,從而降低了高電平的抗干擾能力,但對波形的低電平沒有影響。

為了克服上述匹配方法的缺點,可采用圖6-17(b)所示的終端匹配方法。

圖6-17終端阻抗匹配

3.始端阻抗匹配

在傳輸線始端串入電阻R,如圖6-18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:R=Rp-Rsc,其中,Rsc為門A輸出低電平時的輸出阻抗。圖6-18始端阻抗匹配

6.3.4信號線的選擇與敷設

1.信號線的選擇

對信號線的選擇,一般應從抗干擾和經濟實用這兩個方面考慮,而抗干擾能力應放在首位。不同的使用現場,干擾情況不同,應選擇不同的信號線。在不降低抗干擾能力的條件

下,應該盡量選用價錢便宜、敷設方便的信號線。

(1)信號線類型的選擇。在精度要求高、干擾嚴重的場合,應當采用屏蔽信號線。表6-2所列為幾種常用的屏蔽信號線的結構類型及其對干擾的抑制效果。有屏蔽層的塑料電

纜是按抗干擾原理設計的,幾十對信號在同一電纜中也不會互相干擾。屏蔽雙絞線與屏蔽電纜相比性能稍差,但波阻抗高、體積小、可撓性好、裝配焊接方便,特別適用于互補信號的傳輸。雙絞線之間的串模干擾小、價格低廉,是計算機控制實時系統常用的傳輸介質。

(2)信號線粗細的選擇。從信號線價格、強度及施工方便等因素出發考慮,信號線的截面積應在2mm2以下為宜,一般采用1.5mm2和1.0mm2兩種。采用多股線電纜較好,其優點是可撓性好,適宜于電纜溝有拐角和狹窄的地方。

2.信號線的敷設

選擇了合適的信號線,還必須合理地進行敷設。否則,不僅達不到抗干擾的效果,反而會引起干擾。信號線的敷設要注意以下事項。

(1)模擬信號線與數字信號線不能合用同一根電纜,要絕對避免信號線與電源線合用同一根電纜。

(2)屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地,同時要避免多點接地。

(3)信號線的敷設要盡量遠離干擾源,例如避免敷設在大容量變壓器、電動機等電氣設備的附近。

(4)信號電纜與電源電纜必須分開,并盡量避免平行敷設。如果現場條件有限,信號電纜與電源電纜不得不敷設在一起時,則應滿足以下條件:電纜溝內要設置隔板,且使隔板與大地連接,如圖6-19(a)所示;電纜溝內用電纜架或在溝底自由敷設時,信號電纜與電源電纜間距一般應在15cm以上,如圖6-19(b)、圖6-19(c)所示;如果電源電纜無屏蔽,且交流電壓為220V、電流為10A時,兩者間距應在60cm以上;電源電纜應使用屏蔽罩,

如圖6-19(d)所示。

圖6-19信號電纜與電源電纜的敷設

6.4軟件抗干擾措施

6.4.1軟件出錯對系統的危害

1.數據采集不可靠

在數據采集通道上,盡管采取了一些必要的抗干擾措施,但在數據傳輸的過程中仍然會有一些干擾入侵系統,造成采集的數據不準確,形成誤差。

2.控制失靈

一般情況下,控制狀態的輸出是通過微機控制系統的輸出通道實現的。由于控制信號輸出功率比較大,因此不易直接受到外界的干擾。但是在微機控制系統中,控制狀態的輸

出常常取決于某些條件狀態的輸入和條件狀態的邏輯處理結果。在這些環節中,由于干擾的侵入,可能會造成條件狀態的偏差、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

微型計算機系統被引入強干擾時,程序計數器(PC)的值可能被改變,這會破壞程序的正常運行。被干擾后的PC是隨機的,這將引起程序執行一系列毫無意義的指令,最終可能

導致程序“死循環”。

6.4.2數字濾波方法

所謂數字濾波,就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比例,實質上是一種程序濾波。數字濾波是提高數據采集系統可靠性最有效的方法,因此在微機控制

系統中一般都要使用數字濾波。

與模擬濾波器相比,數字濾波有以下幾個優點:

(1)數字濾波是用程序實現的,不需要增加硬件設備。

(2)可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現濾波,克服了模擬濾波器的缺陷。

(3)可根據信號的不同,采用不同的濾波方法或濾波參數,具有靈活、方便、功能強的特點。

1.限幅濾波法

限幅濾波法又稱程序判斷濾波法,其做法是把相鄰兩次的采樣值相減,求出其增量(以絕對值表示),然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實際情況決定)Δy進行比較。若增量小于或等于Δy,則取本次采樣值;若增量大于Δy,則仍取上次采樣值作為本次采樣值,即有以下采樣方法。

2.中位值濾波法

中位值濾波法是連續采樣N次(N取奇數),把N個采樣值按大小排列,取中間值為本次有效值。這樣能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾,對溫度、液位等變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果,但對流量、速度等快速變化的參數不適合。

3.算術平均濾波法

算術平均濾波法是連續取N個采樣值進行算術平均運算。N值較大時,信號平滑度較高,但靈敏度較低;N值較小時,信號平滑度低,但靈敏度較高。N值的選取:流量可取

N=2,壓力取N=4。其計算公式如下:

該方法適用于對具有隨機干擾的信號進行濾波。

4.遞推平均濾波法

遞推平均濾波法是把連續取的N個采樣值看成一個隊列,隊列的長度固定為N,每次采樣得到一個新數據放入隊尾,并去掉原來隊首的一個數據(先進先出原則),把隊列中的N個數據進行算術平均運算,就可以獲得新的濾波結果。N值的選取:流量可取N=12;壓力取N=4;液面取N=4~12;溫度取N=1~4。

該方法對周期性干擾有良好的抑制作用,平滑度高,適用于高頻振蕩系統。其缺點是靈敏度低,對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差,不易消除由于脈沖干擾所引起的采

樣值偏差,不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合,比較浪費存儲空間。

5.中位值平均濾波法

中位值平均濾波法相當于“中位值濾波法”和“算術平均濾波法”兩種方法的混合使用,即連續采樣N個數據,去掉一個最大值和一個最小值,然后計算N-2個數據的算術平均

值。N值的選取范圍為3~14。兩種方法的混合使用融合了兩種濾波法的優點,對于偶然出現的脈沖性干擾,可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。其缺點是測量速度較慢,和算術平均濾波法一樣,比較浪費存儲空間。

6.限幅平均濾波法

限幅平均濾波法相當于同時使用了“限幅濾波法”和“遞推平均濾波法”,對每次采樣到的新數據先進行限幅處理,再送入隊列進行遞推平均濾波處理。所以其優點是融合了兩種濾波法的長處,對于偶然出現的脈沖性干擾,可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。不足之處是比較浪費存儲空間。

7.一階滯后濾波法

前面講的幾種濾波方法基本上屬于靜態濾波,適用于變化過程比較快的參數,例如壓力、流量等。但對于慢速隨機變量采用短時間內連續采樣求平均值的方法,其濾波效果往

往不夠理想。為了提高濾波效果,可以仿照模擬濾波器,用數字形式實現低通濾波。

8.加權遞推平均濾波法

加權遞推平均濾波法是對遞推平均濾波法的改進,即不同時刻的數據加以不同的權值。通常,越接近現在時刻的數據,權越大。給予新采樣值的權系數越大,則靈敏度越高,

但信號平滑度越低,其公式為

該種方法適用于有較大純滯后時間常數的對象和采樣周期較短的系統。

9.消抖濾波法

消抖濾波法具體的做法是設置一個濾波計數器,將每次采樣值與當前有效值比較。如果“采樣值=當前有效值”,則計數器清零。如果“采樣值≠當前有效值”,則計數器+1,并

判斷“計數器是否≥上限N(溢出)”。如果計數器溢出,則將本次值替換為當前有效值,并將計數器清零。

消抖濾波法對于變換緩慢的被測參數有較好的濾波效果,可避免在臨界值附近控制器的反復開/關跳動或顯示器上的數值抖動。其缺點是對于快速變化的參數,如果在計數器溢出的那一次的采樣值恰好為干擾值,則干擾值將會被誤認為有效值導入系統。

10.限幅消抖濾波法

限幅消抖濾波法相當于“限幅濾波法+消抖濾波法”,先限幅,后消抖,繼承了“限幅”和“消抖”的優點,改進了消抖濾波法中的某些缺點,避免將干擾值導入系統,對于快速變

換的參數仍然不適合使用。

6.4.3輸入/輸出軟件抗干擾措施

對于控制系統,將控制條件的“一次采樣、處理控制輸出”改為“多次采樣、處理控制輸出”,可有效消除偶然干擾。

1.數字量信號輸入抗干擾措施

對于數字量的輸入,為了確保信息準確無誤,在軟件上可采取多次讀取的方法(至少讀取兩次),認為無誤后再行輸入,其流程如圖6-20所示。

圖6-20多次讀取流程圖

2.數字量信號輸出抗干擾措施

當計算機輸出數字量控制閘門、料斗等執行機構動作時,這些執行機構可能會由于外界干擾而誤動作,例如已關閉的閘門、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,應在輸出端采取抗干擾措施(RS鎖存),這樣就可以較好地消除由于干擾而引起的誤動作(開/關)。

6.4.4程序運行失常的軟件抗干擾

無論何種控制系統,死機現象都是不允許的。克服死機現象最有效的辦法就是采用系統加硬件定時器,俗稱看門狗(WatchdogTimer,WDT)電路。然而,即使有硬件定時器電路后仍然有死機現象,分析原因,可能有以下3個方面。

(1)因為某種原因,程序混亂后,定時器電路雖然發出了復位脈沖,但程序剛剛正常還來不及發出一個脈沖信號,此時程序再次被干擾,而這時定時器電路已處于穩態,不能再發出復位脈沖。

(2)在有嚴重干擾時,程序進入死循環,在該死循環中恰好又有定時器監視I/O口上操作的指令,而該I/O口仍然有脈沖信號輸出,定時器檢測不到這種異常狀況。

(3)在有嚴重干擾時,中斷方式控制字有時會受到破壞,導致中斷關閉。

可見,只用硬件定時器電路是無法確保單片機正常工作的,必須采取一些相應的軟件抗干擾措施。

1.冗余技術

當CPU受到二次干擾后,程序會將一些操作數當作指令碼來執行,從而引起程序混亂。以MCS5l系統為例,系統所有指令都不超過3個字節,而且有很多單字節指令。當程序“跑飛”到某一條單字節指令上時,它便自動納入正軌。當“跑飛”到某一雙字節或三字節指令上時,有可能落到其操作數上,程序就會出錯。

需要注意的是,加入的冗余指令不能太多,以免明顯降低程序正常運行的速率。通常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,此類指令有RET、RETI、

LCALL、SJMP、JZ、CJNE、JNC等。

2.軟件陷阱

指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有條件的。首先“跑飛”的程序必須落到程序區,其次必須執行到冗余指令。當“跑飛”的程序落到非程序區(例如E2PROM中未使用的空間、程序中的數據表格區)時前一個條件即不滿足,當“跑飛”的程序在沒有碰到冗余指令之前,已經自動形成一個死循環,這時第二個條件也不滿足。對付前一種情況采取的措施就是設立軟件陷阱,對于后一種情況采取的措施是建立程序運行監視系統。

所謂軟件陷阱,就是一條引導指令,強行將捕獲的程序引向一個指定的地址,使程序從頭開始運行或者引向一段專門處理程序出錯的程序。為加強其捕捉效果,一般還在它前面加兩條NOP指令,所以真正的軟件陷阱由3條指令構成:

其中,ERR是錯誤處理程序的首地址。

軟件陷阱一般安排在下列4個地方。

(1)未使用的中斷向量區。

(2)未使用的大片ROM空間。

(3)表格。有兩類表格,一類是數據表格,供“MOVCA,@A+PC”指令或“MOVCA,@A+DPTR”指令使用,其內容不完全是指令。另一類是跳轉表格,供“JMP@A+DPTR”指令使用,其內容為一系列的三字節指令LJMP或兩字節指令AJMP。

(4)程序區。

3.軟件定時技術

若失控的程序進入“死循環”,通常采用定時器技術使程序脫離“死循環”。

定時器實際上是一個計數器,系統初始化時給定時器一個較大的初始值,程序開始運行后定時器開始倒計數。如果程序運行正常,CPU應定期發出指令讓定時器復位(俗稱“喂

狗”),即計數器重置回初始值,重新開始倒計數。如果程序運行失常,“跑飛”或進入局部死循環,不能按正常循環路線運行,則定時器會因得不到及時復位而減到0,一旦定時時間到了,就會強制系統復位。定時器工作原理如圖6-21所示。

圖6-