第九章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

1、第九章第九章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 第一節(jié)第一節(jié) 工業(yè)現(xiàn)場的干擾及其對系統(tǒng)的影響工業(yè)現(xiàn)場的干擾及其對系統(tǒng)的影響 第二節(jié)第二節(jié) 過程通道的抗干擾技術(shù)過程通道的抗干擾技術(shù) 第三節(jié)第三節(jié) 軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù)軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù) 第四節(jié)第四節(jié) 接地技術(shù)接地技術(shù) 第五節(jié)第五節(jié) 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 第六節(jié)第六節(jié) 印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 工業(yè)現(xiàn)場的干擾及其對系統(tǒng)的影響工業(yè)現(xiàn)場的干擾及其對系統(tǒng)的影響 一、干擾的來源一、干擾的來源 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。 外部干擾的主要來源有：電源電網(wǎng)的波

2、動、大型用電設(shè)備(如天車、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等)的啟停、高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。 內(nèi)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(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。 二、干擾的作用途徑二、干擾的作用途徑 1傳導(dǎo)耦合 干擾由導(dǎo)線進(jìn)入電路中稱為傳導(dǎo)耦合。 2靜電耦合 干擾信號通過分布電容進(jìn)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(shí)所產(chǎn)生的相互影響。 三、干擾的作用形式三、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(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干

3、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9-1所示。 圖9-1 共模干擾示意圖 2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9-2描述了串模干擾的情況。共模干擾對系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式來作用于系統(tǒng)的。圖9-2 串模干擾示意圖 第二節(jié)第二節(jié) 過程通道的抗干擾技術(shù)過程通道的抗干擾技術(shù)一、共模干擾的抑制一、共模干擾的抑制 抑制共模干擾的主要方法是設(shè)法消除不同接地點(diǎn)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

4、導(dǎo)通路，并抑制干擾信號的強(qiáng)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?cái)嚅_，以使共模干擾電壓不成回路，從而抑制了共模干擾。圖9-4變壓器隔離圖 2光電隔離 光電隔離是利用光電耦合器完成信號的傳送，實(shí)現(xiàn)電路的隔離，如圖9-5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(shí)現(xiàn)模擬信號的隔離，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的隔離。注意，光電隔離前后兩部分電路應(yīng)分別采用兩組獨(dú)立的電源。圖9-5 光電隔離圖 當(dāng)用于模擬信號的隔離時(shí)，對光電耦合器的線性特性要求較高，而且一般要配以相應(yīng)的校正電路來保證信號的線性傳送。現(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ISO10

5、0。 由于光電耦合器具有可靠的開關(guān)特性，所以用它來實(shí)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。 3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9-6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(dá)到抑制共模干擾的目的。 圖9-6 浮地輸入雙層屏蔽放大器圖 4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(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。 二、串模干擾的抑制二、串模干擾的抑制 1在輸入回路中接入模擬濾波器

6、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(zhuǎn)換器 當(dāng)尖峰型串模干擾為主要干擾時(shí)，使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)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(jìn)入電氣設(shè)備，在干擾比較強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場，或者對那些比較微弱的信號，傳輸時(shí)宜選用屏蔽線。 4電流傳送 當(dāng)傳感器信號距離主機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)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(zhuǎn)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。 三、長線傳輸干擾的抑制三、長線傳輸干擾的抑制 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號

7、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(shí)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(shí)；三是高速度變化的信號在長線中傳輸時(shí)，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。 當(dāng)信號在長線中傳輸時(shí)，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(nèi)部產(chǎn)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(dāng)入射波到達(dá)終端時(shí)，便會引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳輸線始端時(shí)，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。 1終端匹配 為了進(jìn)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9

8、-8所示。圖9-8 波阻抗測量原理圖 調(diào)節(jié)可變電阻R，并用示波器觀察門A的波形，當(dāng)達(dá)到完全匹配時(shí)，即R=RP時(shí)，門A輸出的波形不畸變，反射波完全消失，這時(shí)的R值就是該傳輸線的波阻抗。 為了避免外界干擾的影響，在計(jì)算機(jī)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100200之間，紋花越密，波阻抗越低。同軸電纜的波阻約50100范圍。 根據(jù)傳輸線的基本理論，無損耗導(dǎo)線的波阻抗RP為： 00CLRp（9-1） 其中，L0為單位長度的電感，C0為單位長度的電容。 最簡單的終端匹配方法如圖9-9(a)所示，如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當(dāng)R=RP時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端

9、波形和始端波形的形狀相一致，只是時(shí)間上滯后。 為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn)，可采用圖9-9(b)所示的終端匹配方法。其等效電阻R為：2121RRRRR（9-2） 適當(dāng)調(diào)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(diǎn)是波形的高電平下降較少，缺點(diǎn)是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。為了同時(shí)兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取 R1=R2=2RP，此時(shí)等效電阻R=RP。 圖9-9 終端匹配圖 2始端匹配 在傳輸線始端串入電阻R，如圖9-10所示，也能基本上消除反射，達(dá)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(shí)的輸出阻抗。 scpRRR（9-

10、3） 圖9-10 始端匹配圖 第三節(jié)第三節(jié) 軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù)軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù) 一、軟件故障的幾種表現(xiàn)形式一、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(zhǔn)確造成誤差。 2控制失靈 在計(jì)算機(jī)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(jié)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(yùn)行失常 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入強(qiáng)干擾后，程序計(jì)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(dǎo)致程序“死循環(huán)”。 二、輸入二、輸入/輸出軟件抗干擾措施

11、輸出軟件抗干擾措施 1開關(guān)量(數(shù)字量)輸入抗干擾措施 對于開關(guān)量的輸入，為了確保信息準(zhǔn)確無誤，在軟件上可采取多次讀取的方法(至少讀兩次)，認(rèn)為無誤后再行輸入，如圖9-11所示。 2開關(guān)量(數(shù)字量)輸出抗干擾措施 當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出開關(guān)量控制閘門、料斗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作時(shí)，為了防止這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于外界干擾而誤動作，比如已關(guān)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(guān)閉。對于這些誤動作，可以在應(yīng)用程序中每隔一段時(shí)間發(fā)出一次輸出命令，不斷地關(guān)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(guān))。 圖9-11 多次讀入流程圖 三、程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾三、程序運(yùn)行失常的軟件抗

12、干擾 1設(shè)置軟件陷阱 當(dāng)干擾導(dǎo)致程序計(jì)數(shù)器PC值混亂時(shí)，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(nèi)容，或進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)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(shè)置陷阱，一旦程序飛到非程序區(qū)，很快進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序由陷阱進(jìn)入初始狀態(tài)。 2設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器 監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，也稱為看門狗定時(shí)器(Watchdog)，可以使陷入“死機(jī)”的系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，重新啟動程序運(yùn)行。這是用于監(jiān)視跟蹤程序運(yùn)行是否正常的最有效的方法之一，得到了廣泛的應(yīng)用。 四、提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的方法四、提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的方法 1數(shù)據(jù)冗余 RAM數(shù)據(jù)

13、冗余就是將要保護(hù)的原始數(shù)據(jù)在另外兩個區(qū)域同時(shí)存放，建立兩個備份，當(dāng)原始數(shù)據(jù)塊被破壞時(shí)，用備份數(shù)據(jù)塊去修復(fù)。 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(guān)線路的配合，當(dāng)其中某一塊模塊失效時(shí)，備用模塊即可自動投入運(yùn)行。 4故障診斷 在故障發(fā)生后及時(shí)顯示故障信息，盡快定位故障點(diǎn)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。第四節(jié)第四節(jié) 接地技術(shù)接地技術(shù) 一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的地

14、線一、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(zhuǎn)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(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)置的，同時(shí)也為了避免機(jī)殼帶電而危及人身安全而設(shè)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。 二、常用的接地方法二、常用的接地方法 1一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地 對于信號頻率小于1MHz的電路，采用一點(diǎn)接地，防止地環(huán)流的產(chǎn)生；當(dāng)

15、信號頻率大于10MHz時(shí)，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地；如果信號頻率在110MHz之間，當(dāng)?shù)鼐€長度不超過信號波長的1/20時(shí)，可以采用一點(diǎn)接地，否則就要多點(diǎn)接地。 2模擬地和數(shù)字地的連接 在計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(chǎn)生影響。圖9-14 模擬地與數(shù)字地的連接線路圖 3將邏輯地浮空并使機(jī)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(dǎo)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(diǎn)與直流接地點(diǎn)分開 為了避免電阻把交流電力線引入的干擾傳輸?shù)娇?/p>

16、制裝置內(nèi)部，一般將兩種地分開。這樣既能保證控制系統(tǒng)內(nèi)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(shí)，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(shí)在板中的所有空隙處均填以地線。 第五節(jié)第五節(jié) 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 一、抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一、抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖9-15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(qiáng)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

17、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(qiáng)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(zhì)量。圖9-15 抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖 3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(shí)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(hù)它的可靠性，在選擇其它電源設(shè)備時(shí)也應(yīng)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(shè)

18、置的。為了增強(qiáng)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9-17所示。圖9-17 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖 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(cè)常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百幾千F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0.010.1F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(jié)構(gòu)簡單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV，具有過電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

19、 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(fù)載匹配作用，常選用幾十幾百F的電解電容；C4為抗高頻干擾電容，常選取0.010.1F的瓷片電容。 圖9-18 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(jié)構(gòu)，如圖9-18所示。 二、電源系統(tǒng)的異常保護(hù)二、電源系統(tǒng)的異常保護(hù) 1不間斷電源UPS 在正常情況下，由交流電網(wǎng)向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電，并同時(shí)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

20、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(jī)供電，在兩種供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的掉電保護(hù) 對于允許暫時(shí)停運(yùn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，希望在電源掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動保護(hù)RAM中的有用信息和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，能自動從掉電前的工作狀態(tài)恢復(fù)。掉電保護(hù)工作包括電源監(jiān)控和RAM的掉電保護(hù)兩個任務(wù)。第六節(jié)第六節(jié) 印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì) 一、印制電路板布局一、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(shí)應(yīng)該注意：電路板過小，則器件的密集度高，不利于散熱，而且線

21、與線間容易引發(fā)干擾；若電路板過大，則制造費(fèi)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。 二、印刷電路板布線二、印刷電路板布線 布線時(shí)應(yīng)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(dǎo)線自身的電阻、電感效應(yīng)，布線時(shí)不易太長，避免反射干擾以及高壓放電現(xiàn)象的產(chǎn)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(shí)，兩面的導(dǎo)線應(yīng)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(dǎo)線的線寬，應(yīng)以能滿足電氣性能要求而又