第八章抗干擾技術

本章要點：1、干擾的來源與傳播途徑。2、硬件抗干擾措施。3、程序運行監視系統。返回總目錄本章主要內容

引言8.1干擾的來源與傳播途徑8.2硬件抗干擾措施8.3軟件抗干擾措施8.4程序運行監視系統

思考題

計算機控制系統的被控變量分布在生產現場的各個角落，因而計算機是處于干擾頻繁的惡劣環境中，干擾是有用信號以外的噪聲，這些干擾會影響系統的測控精度，降低系統的可靠性，甚至導致系統的運行混亂，造成生產事故。但干擾是客觀存在的，所以，人們必須研究干擾，以采取相應的抗干擾措施。本章主要討論干擾的來源、傳播途經及抗干擾的措。引言8.1干擾的來源與傳播途徑8.1.1干擾的來源8.1.2干擾的傳播途徑

8.1.1干擾的來源1、外部干擾。干擾的來源—外部：由使用條件和外部環境因素決定。 內部：由系統的結構布局、制造工藝所引入。

動畫鏈接2、內部干擾--由系統的結構布局、制造工藝所引入的。如圖所示。

動畫鏈接8.1.2干擾的傳播途徑干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場耦合，公共阻抗耦合。

動畫鏈接1．靜電耦合－電場通過電容耦合途徑竄入其它線路的。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。

動畫鏈接2．磁場耦合－通過導體間的互感耦合進來的。干擾來源－導線1為承載著10kVA、220V的交流輸電線，導線2為與之相距 1米并平行走線10米的信號線，兩線之間的互感M會使信號線上感 應到的干擾電壓Un高達幾十毫伏。若導線2是連接熱電偶的信號 線，則這幾十毫伏的干擾噪聲足以淹沒熱電偶傳感器的有用信號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，從而產生干擾噪聲的影響。如圖一個公共電源線的阻抗耦合示意圖。3．公共阻抗耦合

動畫鏈接

在一塊印制電路板上，運算放大器A1和A2是兩個獨立的回路，但都接入一個公共電源，電源回流線的等效電阻R1、R2是兩個回路的公共阻抗。當回路電流i1變化時，在R1和R2上產生的電壓降變化就會影響到另一個回路電流i2。反之，也如此。

8.2硬件抗干擾措施

引言8.2.1串模干擾的抑制8.2.2共模干擾的抑制8.2.3長線傳輸干擾的抑制

8.2.4信號線的選擇與敷設

8.2.5電源系統的抗干擾

8.2.6接地系統的抗干擾

引言

了解了干擾的來源與傳播途徑，我們就可以采取相應的抗干擾措施。在硬件抗干擾措施中，除了按照干擾的三種主要作用方式——串模、共模及長線傳輸干擾來分別考慮外，還要從布線、電源、接地等方面考慮。抑制串模干擾－雙絞線與濾波器

動畫鏈接8.2.1串模干擾的抑制串模干擾--指迭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。表現形式與產生原因--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就會通過分布電容 C1和C2的耦合，引至計算機控制系統的輸入端。圖串模干擾1．雙絞線做信號引線雙絞線－－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，實物圖如圖所示。雙絞線抗干擾原因－－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。應用場合－－可用來傳輸模擬信號和數字信號，用于點對點連接和多點連接應用場合，傳輸距離為幾公里，數據傳輸速率可達2Mbps抑制效果（不同節距而言）：節距(mm)干擾衰減比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行線1102．引入濾波電路硬件濾波器分類－－低通、高通、帶通等濾波器。低通濾波器－適用干擾頻率比被測信號頻率高；高通濾波器－干擾頻率比被測信號頻率低；帶通濾波器－干擾頻率落在被測信號頻率的兩側；實現電路－－采用電阻R、電容C、電感L等構成濾波器；

動畫鏈接無源濾波：缺點是對有用信號也會有較大的衰減。有源濾波器：特點是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，不僅達到濾波效果，而且能提高信號的增益。

動畫鏈接8.2.2共模干擾的抑制共模干擾－－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，可以是直流電壓，也可以是 交流電壓；幅值－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。表現形式與產生原因－－原因是不同“地”之間存在的電壓；抑制方法：有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。圖共模干擾1．變壓器隔離－－原理將“模擬地”與“數字地”斷開。 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。

動畫鏈接圖變壓器隔離2．光電隔離光電耦合隔離器--用光耦隔離器的開關特性，可傳送數字信號 而隔離電磁干擾，即在數字信號通道中進行隔離。舉例－數字量/開關量輸入輸出通道;繼電器輸出驅動電路 A/D與CPU或CPU與D/A的數字信號。

動畫鏈接

動畫鏈接圖光電耦合隔離器的數字信號隔離

動畫鏈接

動畫鏈接模擬信號隔離－利用光耦隔離器的線性放大區進行隔離電磁干擾模擬數字信號光耦隔離優缺點：模擬信號隔離優點－使用少量的光耦，成本低； 缺點－調試困難，光耦挑選不適，影響系統精度數字信號隔離優點－調試簡單，不影響系統的精度； 缺點－使用較多的光耦器件，成本較高。目前在實際工程中主要使用光耦隔離器的數字信號隔離方法。因光耦的價格越來越低廉。

動畫鏈接3．浮地屏蔽浮地屏蔽--利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流減少，抑制了共模干擾來源，使共模干擾降至很低，圖給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。Zs1、Zs2為信號源內阻;Zs3為信號線屏蔽電阻Zc1、Zc2為放大器輸入端對內屏蔽層的漏阻抗Zc3為內屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗設計要求Zc3/1/2＞＞Zs3/2/1從而UsUcm在Zs3/2/1分壓降低，減少干擾圖浮地輸入雙層屏蔽放大電路長線傳輸干擾來源－－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，稱為 入射波。若電阻不匹配，入射波到達終端時會 引起反射。內容：1．波阻抗的測量 2．終端阻抗匹配 3．始端阻抗匹配8.2.3長線傳輸干擾的抑制1．波阻抗的測量實現－－波阻抗的測量如圖所示，傳輸信號與非門加入傳輸線 雙絞線，在傳輸線始端通過標準信號，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，即是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。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信號線。雙絞線的波阻抗一般在100～200Ω之間，絞花愈密，波阻抗愈低。同軸電纜的波阻抗約50～100Ω范圍。2．終端阻抗匹配簡單終端阻抗匹配方法－波阻抗RP＝R，實現終端匹配。此方法缺點－若終端電阻變低，則加大負載，使波形的高平下降，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。方法2－避免上述方法的缺點。適當調整R1和R2的阻值，可使R=RP。 優點－波形的高電平下降較少， 缺點－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。圖終端阻抗匹配3．始端阻抗匹配實現方法－－在傳輸線始端串入電阻R，如圖所示.始端匹配電阻R--R＝RP－RSC（RSC-門A輸出低電平時輸出阻抗）優點--波形的高電平不變缺點--波形低電平會抬高。其原因是終端門B的輸入電流在始端 匹配電阻R上的壓降所造成的。圖始端阻抗匹配8.2.4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幾個方面考慮，而抗干擾能力則應放在首位。（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。屏蔽結構干擾衰減比屏蔽效果（dB）備注銅網（密度85%）103：140.3電纜的可撓性好，適合近距離使用銅帶迭卷（密度90%）376：151.5帶有焊藥，易接地，通用性好鋁聚酯樹脂帶迭卷6610：176.4應使用電纜溝，抗干擾效果最好（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，信號線的截面積 在2mm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，如避免敷設在大容量變壓器、電動機等電器設備的附近。如果有條件，將信號線單獨穿管配線，在電纜溝內從上到下依次架設信號電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。表８－３號線和交流電力線之間的最少間距，供布線時參考。電力線容量信號線和電力線之間的最少間距（cm）電壓（V）電流（A）1251012250501844020024500080048（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：①電纜溝內要設置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17（a）所示。②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8-17（b）（c）所示；如果電源電纜無屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時，兩者間距應在60cm以上。③電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17（d）所示。8.2.5電源系統的抗干擾

計算機控制系統一般是由交流電網供電，電網電壓與頻率的波動將直接影響到控制系統的可靠性與穩定性。電源的干擾是計算機控制系統的一個主要干擾，抑制這種干擾的主要從以下2個方面考慮：

1．交流電源系統 2．直流電源系統干擾原因－理想交流電是50HZ的正弦波。但實際上，由于負載變動如電動機、電焊機、鼓風機等電器設備的啟停，甚至日光燈的開關都可能造成電源電壓的波動，嚴重時會使電源正弦波上出現尖峰脈沖。這種尖峰脈沖，幅值可達幾十甚至幾千伏，持續時間也可達幾毫秒之久，容易造成計算機的“死機”，甚至會損壞硬件，對系統威脅極大。1．交流電源系統措施：(1)盡量選用供電比較穩定的交流電源線作為電源進線（2）利用干擾抑制器消 除尖峰干擾（3）采用交流穩壓器穩 定電網電壓（4）利用UPS保證不中斷供電正常供電：采用交流穩壓器支路斷電時采用UPS（包括電池充電器、電池組、逆變器）（5）后面（5）掉電保護電路目的－為了防止掉電后RAM中的信息丟失；方法－可以采用鎳電池對RAM數據進行掉電保護。原理－系統電源正常工作時，由外部電源+5V供電，A點電平高于備用電 池（3V）電壓，VD2截止，存儲器由主電源（＋5V）供電。 系統掉電時，A點電位低于備用電池電壓，VD1截止，VD2導通， 由 備用電池向RAM供電。 系統恢復供電時，VD1重新導通，VD2截止，又恢復主電源供電。注：在無掉電保護的電路，掉電之前應申請中斷，保護當前參數。2．直流電源系統（1）交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡單方法是用交流電源變壓器。因此，對電源變壓器設置合理的靜電屏蔽和電磁屏蔽，就是一種十分有效的抗干擾措施，通常將電源變壓器的一、二次繞組分別加以屏蔽，一次繞組屏蔽層與鐵心同時接地，如圖8-23（a）所示。在要求更高的場合，可采用層間也加屏蔽的結構，如圖8-23（b）所示。（2）采用直流開關電源直流開關電源是一種脈寬調制型電源，具有體積小、重量輕、效率高、電網電壓范圍大、電網電壓變化時不會輸出過電壓或欠電壓、輸出電壓保持時間長等優點。開關電源初、次級之間具有較好的隔離，對于交流電網上的高頻脈沖干擾有較強的隔離能力。（3）采用DC-DC變換器DC-DC變換器有升壓/降壓型，具有體積小、性能價格比高、輸入電壓范圍大、輸出電壓穩定（有的還可調）、環境溫度范圍廣等優點。（4）為每塊電路板設立獨立的直流電源目的－－防止板與板之間的相互干擾；每個功能板單獨對電壓過載進行保護，不會因為某個穩壓塊出現故障而使整個系統遭到破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供電的可靠性，也有利于電源散熱。（5）集成電路塊的VCC加旁路電容目的－－降低集成電路的開關噪聲8.2.6接地系統的抗干擾廣義的接地含義----接實地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準點連接，當這個基準點與大地電氣絕緣，稱浮地連接。正確合理的接地目的----一是工作接地:保證控制系統穩定可靠地運行，防止地環路引起的干擾;二是保護接地:避免操作人員因設備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險和保證設備安全。

計算機控制系統中的地線：模擬地--作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉換器中 模擬電路的零電位。數字地--作為計算機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--上述幾種地的最終回流點，直接與大地相連作為 基準零電位。交流地---計算機交流供電的動力線地或稱零線，交流地也容 易帶來各種干擾。因此，交流地絕不允許與上述 幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要 好，絕對避免漏電現象。保護地---也叫安全地、機殼地或屏蔽地，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及設備 安全。接地處理1．單點接地與多點接地原則－－低于1MHZ低頻電路應單點接地，避免形成產生干擾的地環路； 高于10MHZ高頻電路應就近多點接地，避免“長線傳輸”引入的干擾。 1~10MHZ之間，若采用單點接地，其地線長度不得超過波長的1/20， 否則應采用多點接地方式。圖單點接地方式2．分別回流法單點接地構成－－匯流條由多層銅導體構成，截面呈矩形，各層之間有絕緣層。目的－－采用多層匯流條以減少自感，可減少干擾的竄入途徑。安全地（機殼地）始終與模擬地和數字地隔離開。這些地之間只是在最后才匯聚一點，而且常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小 于30mm2的多股軟銅線焊接在接地板上深埋地下。圖單點回流法接地方式3．輸入系統的接地實現方法－－屏蔽接地。屏蔽層接地原則－－單點接地。輸入信號源接地電路－－有接地和浮地兩種情況。在圖（a）中，信號源端接 地，而接收端放大器浮地，則屏蔽層應在信號源端接地（A點）。而 圖（b）卻相反，信號源浮地，接收端接地，則屏蔽層應在接收端接 地（B點）。目的－－避免在屏蔽層與地之間的回路電流，從而通過屏蔽層與信號線間的 電容產生對信號線的干擾。一般輸入信號比較小，而模擬信號又容 易接受干擾。因此，對輸入系統的接地和屏蔽應格外重視。圖輸入系統接地方式高增益放大器常常用金屬罩屏蔽起來，但屏蔽罩的接地也要合理，否則將引起干擾。放大器與屏蔽罩間存在寄生電容，如圖（a）所示，由圖（b）的等效電路可以看出，寄生電容C1和C2使放大器的輸出端到輸人端有一反饋通路，如不將此反饋消除，放大器可能產生振蕩。解決的辦法就是將屏蔽罩接到放大器的公共端，如（C）所示。這樣便將寄生電容短路了，從而消除了反饋通路。圖放大器公共端接屏蔽罩4．印制線路板的地線分布設計印制線路板應遵守下列原則，以免系統內部地線產生干擾。（1）TTL，CMOS器件的地線要呈輻射狀，不能形成環形。（2）印制線路板上的地線要根據通過的電流大小決定其寬 度，不要小于3mm，在可能的情況下，地線越寬越好。（3）旁路電容的地線不能長，應盡量縮短。（4）大電流的零電位地線應盡量寬，而且必須和小信號的地 分開。5．主機系統的接地計算機本身接地，同樣是為了防止干擾，提高可靠性。下面介紹三種主機接地方式。（l）全機一點接地實現－－計算機控制系統的主機架內采用分別回流法接地方式。主機地 與 外部設備地的連接采用一點接地。為了避免多點接地，各機 柜 用絕緣板墊起來。優缺點－－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 選為4~10Ω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。圖全機一點接地（2）主機外殼接地，機芯浮空目的－－提高計算機系統的抗干擾能力，將主機外殼作為屏蔽罩接地，而把機內器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機內信號地浮空，如圖所示。這種方法安全可靠，抗干擾能力強，但制造工藝復雜，一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。（3）多機系統的接地在計算機網絡系統中，多臺計算機之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個網絡系統無法正常工作。近距離的幾臺計算機安裝在同一機房內，可采用類似圖8-28那樣的多機一點接地方法。對于遠距離的計算機網絡，多臺計算機之間的數據通信，通過隔離的辦法把地分開。圖全機一點接地8.3軟件抗干擾措施

引言

8.3.1指令冗余技術

8.3.2軟件陷阱技術引言在控制系統的輸入輸出通道中，采用數字濾波方法，即采用某種計算方法對通道的信號進行數字處理，以削弱或濾除干擾噪聲，而對于那些可能穿過通道而進入CPU的干擾，可采取指令冗余、軟件陷阱以及程序運行監視等措施來使CPU恢復正常工作。8.3.1指令冗余技術所要解決的問題－－當計算機系統受到外界干擾，破壞了CPU正常的工作時序，可能造成程序計數器PC的值發生改變，跳轉到隨機的程序存儲區。當程序跑飛到某一單字節指令上，程序便自動納入正軌；當程序跑飛到某一雙字節指令上，有可能落到其操作數上，則CPU會誤將操作數當操作碼執行；當程序跑飛到三字節指令上，因它有兩個操作數，出錯的機率會更大。解決方法－－采用指令冗余技術，即在程序中人為地插入一些空操作指令NOP或將有效的單字節指令重復書寫。由于空操作指令為單字節指令，且對計算機的工作狀態無任何影響，這樣就會使失控的程序在遇到該指令后，能夠調整其PC值至正確的軌道，使后續的指令得以正確地執行。原則－－在對程序流向起決定作用的指令之前以及影響系統工作狀態的重要指令之前都應插入兩、三條NOP指令，還可以每隔一定數目的指令插入NOP指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確軌道。指令冗余技術可以減少程序出現錯誤跳轉的次數，但不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術，使系統的誤動作減少，并消滅重大誤動作。8.3.2軟件陷阱技術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(如EPROM中未使用的空間、程序中的數據表格區)時，對此情況采取的措施就是設立軟件陷阱。軟件陷阱－－在非程序區設置攔截措施，使程序進入陷阱，即通過一 條引導指令，強行將跑飛的程序引向一個指定的地址， 在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。舉例－－若我們把這段程序的入口標號稱為ERROR的話，軟件陷阱即 為一條JMPERROR指令。軟件陷阱是由3條指令構成：

NOP NOP JMPERROR軟件陷阱使用地方：未使用的中斷向量區，未使用的大片ROM空間，程序中的數據表格區程序區中一些指令串中間的斷裂點處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執行不到的地方，故不影響程序的執行效率，在當前EPROM容量不成問題的條件下，還應多多安插軟件陷阱指令。

8.4程序運行監視系統8.4.1WatchdogTimer工作原理8.4.2WatchdogTimer實現方法工業現場難免會出現瞬間的尖峰高能脈沖干擾，可能會長驅直入作用到CPU芯片上，使正在執行的程序跑飛到一個臨時構成的死循環中，這時候的指令冗余和軟件陷阱技術也無能為力，系統將完全癱瘓。此時必須強制系統復位，擺脫死循環。由于操作者不可能一直監視系統，這就需要一個獨立于CPU之外的監視系統，在程序陷入死循環時，能及時發現并自動復位系統，這就是看守大門作用的程序運行監視系統，國外稱為“WatchdogTimer”，即看門狗定時器或看門狗。8.4.1WatchdogTimer工作原理為了保證程序運行監視系統的可靠性，監視系統中必須包括一定的硬件部分，且應完全獨立于CPU之外，但又要與CPU保持時時刻刻的聯系。因此，程序運行監視系統是硬件電路與軟件程序的巧妙結合。圖8-30給出了WatchdogTimer的工作原理。CPU可設計成由程序確定的定時器1，看門狗被設計成另一個定時器2，它的計時啟動將因CPU的定時訪問脈沖P1的到來而重新開始，定時器2的定時到脈沖P2連到CPU的復位端。兩個定時周期必須是T1＜T2，T1就是CPU定時訪問定時器2的周期，也就是在CPU執行的應用程序中每隔T1時間安插一條訪問指令。工業現場難免會出現瞬間的尖峰高能脈沖干擾，可能會長驅直入作用到CPU芯片上，使正在執行的程序跑飛到一個臨時構成的死