第八章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用

第八章抗干擾技術(shù)

本章要點(diǎn)：1、干擾的來(lái)源與傳播途徑。2、硬件抗干擾措施。3、程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。返回總目錄本章主要內(nèi)容

引言8.1干擾的來(lái)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(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)

思考題

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的被控變量分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)角落，因而計(jì)算機(jī)是處于干擾頻繁的惡劣環(huán)境中，干擾是有用信號(hào)以外的噪聲，這些干擾會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)控精度，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂，造成生產(chǎn)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(yīng)的抗干擾措施。本章主要討論干擾的來(lái)源、傳播途經(jīng)及抗干擾的措。引言8.1干擾的來(lái)源與傳播途徑8.1.1干擾的來(lái)源8.1.2干擾的傳播途徑

8.1.1干擾的來(lái)源1、外部干擾。干擾的來(lái)源—外部：由使用條件和外部環(huán)境因素決定。 內(nèi)部：由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入。

動(dòng)畫(huà)鏈接2、內(nèi)部干擾--由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。如圖所示。

動(dòng)畫(huà)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(chǎng)耦合，公共阻抗耦合。

動(dòng)畫(huà)鏈接1．靜電耦合－電場(chǎng)通過(guò)電容耦合途徑竄入其它線路的。兩根并排的導(dǎo)線之間會(huì)構(gòu)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(huì)構(gòu)成分布電容。

動(dòng)畫(huà)鏈接2．磁場(chǎng)耦合－通過(guò)導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來(lái)的。干擾來(lái)源－導(dǎo)線1為承載著10kVA、220V的交流輸電線，導(dǎo)線2為與之相距 1米并平行走線10米的信號(hào)線，兩線之間的互感M會(huì)使信號(hào)線上感 應(yīng)到的干擾電壓Un高達(dá)幾十毫伏。若導(dǎo)線2是連接熱電偶的信號(hào) 線，則這幾十毫伏的干擾噪聲足以淹沒(méi)熱電偶傳感器的有用信號(hào)公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。如圖一個(gè)公共電源線的阻抗耦合示意圖。3．公共阻抗耦合

動(dòng)畫(huà)鏈接

在一塊印制電路板上，運(yùn)算放大器A1和A2是兩個(gè)獨(dú)立的回路，但都接入一個(gè)公共電源，電源回流線的等效電阻R1、R2是兩個(gè)回路的公共阻抗。當(dāng)回路電流i1變化時(shí)，在R1和R2上產(chǎn)生的電壓降變化就會(huì)影響到另一個(gè)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(zhǎng)線傳輸干擾的抑制

8.2.4信號(hào)線的選擇與敷設(shè)

8.2.5電源系統(tǒng)的抗干擾

8.2.6接地系統(tǒng)的抗干擾

引言

了解了干擾的來(lái)源與傳播途徑，我們就可以采取相應(yīng)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(zhǎng)線傳輸干擾來(lái)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(dòng)畫(huà)鏈接8.2.1串模干擾的抑制串模干擾--指迭加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號(hào)源回路中。表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因--Us為信號(hào)源，Un為串模干擾電壓，鄰近導(dǎo)線(干擾線) 有交變電流Ia流過(guò)，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)就會(huì)通過(guò)分布電容 C1和C2的耦合，引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。圖串模干擾1．雙絞線做信號(hào)引線雙絞線－－由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成，為了增強(qiáng)抗 干擾能力，可在雙絞線的外面加金屬編織物或護(hù)套 形成屏蔽雙絞線，實(shí)物圖如圖所示。雙絞線抗干擾原因－－外界電磁場(chǎng)會(huì)在雙絞線相鄰的小環(huán)路上形成 相反方向的感應(yīng)電勢(shì)，從而互相抵消減弱干擾作 用。應(yīng)用場(chǎng)合－－可用來(lái)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和多點(diǎn)連接應(yīng)用場(chǎng)合，傳輸距離為幾公里，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mbps抑制效果（不同節(jié)距而言）：節(jié)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(lèi)－－低通、高通、帶通等濾波器。低通濾波器－適用干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高；高通濾波器－干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低；帶通濾波器－干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻率的兩側(cè)；實(shí)現(xiàn)電路－－采用電阻R、電容C、電感L等構(gòu)成濾波器；

動(dòng)畫(huà)鏈接無(wú)源濾波：缺點(diǎn)是對(duì)有用信號(hào)也會(huì)有較大的衰減。有源濾波器：特點(diǎn)是把增益與頻率特性結(jié)合起來(lái)。對(duì)于小信號(hào)可以采取以反饋放大器為基礎(chǔ)的有源濾波器，不僅達(dá)到濾波效果，而且能提高信號(hào)的增益。

動(dòng)畫(huà)鏈接8.2.2共模干擾的抑制共模干擾－－指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信號(hào)放大器兩個(gè)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(dá)幾伏甚至更高，這取決于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計(jì) 算機(jī)等設(shè)備的接地情況。表現(xiàn)形式與產(chǎn)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(shù)字地”斷開(kāi)。 被測(cè)信號(hào)通過(guò)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(dòng)畫(huà)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(kāi)關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號(hào) 而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。舉例－數(shù)字量/開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道;繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路 A/D與CPU或CPU與D/A的數(shù)字信號(hào)。

動(dòng)畫(huà)鏈接

動(dòng)畫(huà)鏈接圖光電耦合隔離器的數(shù)字信號(hào)隔離

動(dòng)畫(huà)鏈接

動(dòng)畫(huà)鏈接模擬信號(hào)隔離－利用光耦隔離器的線性放大區(qū)進(jìn)行隔離電磁干擾模擬數(shù)字信號(hào)光耦隔離優(yōu)缺點(diǎn)：模擬信號(hào)隔離優(yōu)點(diǎn)－使用少量的光耦，成本低； 缺點(diǎn)－調(diào)試?yán)щy，光耦挑選不適，影響系統(tǒng)精度數(shù)字信號(hào)隔離優(yōu)點(diǎn)－調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響系統(tǒng)的精度； 缺點(diǎn)－使用較多的光耦器件，成本較高。目前在實(shí)際工程中主要使用光耦隔離器的數(shù)字信號(hào)隔離方法。因光耦的價(jià)格越來(lái)越低廉。

動(dòng)畫(huà)鏈接3．浮地屏蔽浮地屏蔽--利用屏蔽層使輸入信號(hào)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(lái)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(hào)源內(nèi)阻;Zs3為信號(hào)線屏蔽電阻Zc1、Zc2為放大器輸入端對(duì)內(nèi)屏蔽層的漏阻抗Zc3為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗設(shè)計(jì)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(zhǎng)線傳輸干擾來(lái)源－－當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)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(hào)會(huì)在傳輸 線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱(chēng)為 入射波。若電阻不匹配，入射波到達(dá)終端時(shí)會(huì) 引起反射。內(nèi)容：1．波阻抗的測(cè)量 2．終端阻抗匹配 3．始端阻抗匹配8.2.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制1．波阻抗的測(cè)量實(shí)現(xiàn)－－波阻抗的測(cè)量如圖所示，傳輸信號(hào)與非門(mén)加入傳輸線 雙絞線，在傳輸線始端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器觀察門(mén)A 的輸出波形，調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻R，當(dāng)門(mén)A輸出 的波形不畸變時(shí)，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(shí)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(jì)算機(jī)中常常采用雙絞線和同軸電纜作信號(hào)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(jiǎn)單終端阻抗匹配方法－波阻抗RP＝R，實(shí)現(xiàn)終端匹配。此方法缺點(diǎn)－若終端電阻變低，則加大負(fù)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(duì)波形的低電平?jīng)]有影響。方法2－避免上述方法的缺點(diǎn)。適當(dāng)調(diào)整R1和R2的阻值，可使R=RP。 優(yōu)點(diǎn)－波形的高電平下降較少， 缺點(diǎn)－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。圖終端阻抗匹配3．始端阻抗匹配實(shí)現(xiàn)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(mén)A輸出低電平時(shí)輸出阻抗）優(yōu)點(diǎn)--波形的高電平不變?nèi)秉c(diǎn)--波形低電平會(huì)抬高。其原因是終端門(mén)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(hào)線的選擇與敷設(shè)

1．信號(hào)線的選擇對(duì)信號(hào)線的選擇，一般應(yīng)從抗干擾和經(jīng)濟(jì)實(shí)用這幾個(gè)方面考慮，而抗干擾能力則應(yīng)放在首位。（1）信號(hào)線類(lèi)型的選擇：在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽 信號(hào)線。屏蔽結(jié)構(gòu)干擾衰減比屏蔽效果（dB）備注銅網(wǎng)（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(shù)脂帶迭卷6610：176.4應(yīng)使用電纜溝，抗干擾效果最好（2）信號(hào)線粗細(xì)的選擇－－從信號(hào) 線價(jià)格、強(qiáng)度及施工方便等 因素出發(fā)，信號(hào)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(yōu)點(diǎn) 是可撓性好，適宜于電纜溝 有拐角和狹窄的地方。2．信號(hào)線的敷設(shè)信號(hào)線的敷設(shè)要注意以下事項(xiàng)：（1）模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線不能合用同一根電纜，要絕對(duì)避免信號(hào)線與電源線合用同一根電纜。（2）屏蔽信號(hào)線的屏蔽層要一端接地，同時(shí)要避免多點(diǎn)接地。（3）信號(hào)線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源，如避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備的附近。如果有條件，將信號(hào)線單獨(dú)穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號(hào)電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。表８－３號(hào)線和交流電力線之間的最少間距，供布線時(shí)參考。電力線容量信號(hào)線和電力線之間的最少間距（cm）電壓（V）電流（A）1251012250501844020024500080048（4）信號(hào)電纜與電源電纜必須分開(kāi)，并盡量避免平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場(chǎng)條件有限，信號(hào)電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí)，則應(yīng)滿足以下條件：①電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17（a）所示。②電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí)，信號(hào)電纜與電源電纜間距一般應(yīng)在15cm以上，如圖8-17（b）（c）所示；如果電源電纜無(wú)屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)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(tǒng)的抗干擾

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般是由交流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)電壓與頻率的波動(dòng)將直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。電源的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾，抑制這種干擾的主要從以下2個(gè)方面考慮：

1．交流電源系統(tǒng) 2．直流電源系統(tǒng)干擾原因－理想交流電是50HZ的正弦波。但實(shí)際上，由于負(fù)載變動(dòng)如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等電器設(shè)備的啟停，甚至日光燈的開(kāi)關(guān)都可能造成電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電源正弦波上出現(xiàn)尖峰脈沖。這種尖峰脈沖，幅值可達(dá)幾十甚至幾千伏，持續(xù)時(shí)間也可達(dá)幾毫秒之久，容易造成計(jì)算機(jī)的“死機(jī)”，甚至?xí)p壞硬件，對(duì)系統(tǒng)威脅極大。1．交流電源系統(tǒng)措施：(1)盡量選用供電比較穩(wěn)定的交流電源線作為電源進(jìn)線（2）利用干擾抑制器消 除尖峰干擾（3）采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn) 定電網(wǎng)電壓（4）利用UPS保證不中斷供電正常供電：采用交流穩(wěn)壓器支路斷電時(shí)采用UPS（包括電池充電器、電池組、逆變器）（5）后面（5）掉電保護(hù)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(duì)RAM數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù)。原理－系統(tǒng)電源正常工作時(shí)，由外部電源+5V供電，A點(diǎn)電平高于備用電 池（3V）電壓，VD2截止，存儲(chǔ)器由主電源（＋5V）供電。 系統(tǒng)掉電時(shí)，A點(diǎn)電位低于備用電池電壓，VD1截止，VD2導(dǎo)通， 由 備用電池向RAM供電。 系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)，VD1重新導(dǎo)通，VD2截止，又恢復(fù)主電源供電。注：在無(wú)掉電保護(hù)的電路，掉電之前應(yīng)申請(qǐng)中斷，保護(hù)當(dāng)前參數(shù)。2．直流電源系統(tǒng)（1）交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡(jiǎn)單方法是用交流電源變壓器。因此，對(duì)電源變壓器設(shè)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(shí)接地，如圖8-23（a）所示。在要求更高的場(chǎng)合，可采用層間也加屏蔽的結(jié)構(gòu)，如圖8-23（b）所示。（2）采用直流開(kāi)關(guān)電源直流開(kāi)關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，具有體積小、重量輕、效率高、電網(wǎng)電壓范圍大、電網(wǎng)電壓變化時(shí)不會(huì)輸出過(guò)電壓或欠電壓、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源初、次級(jí)之間具有較好的隔離，對(duì)于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)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(jià)格比高、輸入電壓范圍大、輸出電壓穩(wěn)定（有的還可調(diào)）、環(huán)境溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。（4）為每塊電路板設(shè)立獨(dú)立的直流電源目的－－防止板與板之間的相互干擾；每個(gè)功能板單獨(dú)對(duì)電壓過(guò)載進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故障而使整個(gè)系統(tǒng)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(kāi)關(guān)噪聲8.2.6接地系統(tǒng)的抗干擾廣義的接地含義----接實(shí)地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，稱(chēng)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(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾;二是保護(hù)接地:避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備安全。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的地線：模擬地--作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中 模擬電路的零電位。數(shù)字地--作為計(jì)算機(jī)各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地 分開(kāi)，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。系統(tǒng)地--上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連作為 基準(zhǔn)零電位。交流地---計(jì)算機(jī)交流供電的動(dòng)力線地或稱(chēng)零線，交流地也容 易帶來(lái)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(duì)避免漏電現(xiàn)象。保護(hù)地---也叫安全地、機(jī)殼地或屏蔽地，目的是使設(shè)備機(jī)殼 與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身及設(shè)備 安全。接地處理1．單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地原則－－低于1MHZ低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，避免形成產(chǎn)生干擾的地環(huán)路； 高于10MHZ高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，避免“長(zhǎng)線傳輸”引入的干擾。 1~10MHZ之間，若采用單點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的1/20， 否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。圖單點(diǎn)接地方式2．分別回流法單點(diǎn)接地構(gòu)成－－匯流條由多層銅導(dǎo)體構(gòu)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(jī)殼地）始終與模擬地和數(shù)字地隔離開(kāi)。這些地之間只是在最后才匯聚一點(diǎn)，而且常常通過(guò)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(diǎn)回流法接地方式3．輸入系統(tǒng)的接地實(shí)現(xiàn)方法－－屏蔽接地。屏蔽層接地原則－－單點(diǎn)接地。輸入信號(hào)源接地電路－－有接地和浮地兩種情況。在圖（a）中，信號(hào)源端接 地，而接收端放大器浮地，則屏蔽層應(yīng)在信號(hào)源端接地（A點(diǎn)）。而 圖（b）卻相反，信號(hào)源浮地，接收端接地，則屏蔽層應(yīng)在接收端接 地（B點(diǎn)）。目的－－避免在屏蔽層與地之間的回路電流，從而通過(guò)屏蔽層與信號(hào)線間的 電容產(chǎn)生對(duì)信號(hào)線的干擾。一般輸入信號(hào)比較小，而模擬信號(hào)又容 易接受干擾。因此，對(duì)輸入系統(tǒng)的接地和屏蔽應(yīng)格外重視。圖輸入系統(tǒng)接地方式高增益放大器常常用金屬罩屏蔽起來(lái)，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(chǎn)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(shè)計(jì)印制線路板應(yīng)遵守下列原則，以免系統(tǒng)內(nèi)部地線產(chǎn)生干擾。（1）TTL，CMOS器件的地線要呈輻射狀，不能形成環(huán)形。（2）印制線路板上的地線要根據(jù)通過(guò)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(zhǎng)，應(yīng)盡量縮短。（4）大電流的零電位地線應(yīng)盡量寬，而且必須和小信號(hào)的地 分開(kāi)。5．主機(jī)系統(tǒng)的接地計(jì)算機(jī)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(jī)接地方式。（l）全機(jī)一點(diǎn)接地實(shí)現(xiàn)－－計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主機(jī)架內(nèi)采用分別回流法接地方式。主機(jī)地 與 外部設(shè)備地的連接采用一點(diǎn)接地。為了避免多點(diǎn)接地，各機(jī) 柜 用絕緣板墊起來(lái)。優(yōu)缺點(diǎn)－－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(jī)一點(diǎn)接地（2）主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空目的－－提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地，而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機(jī)內(nèi)信號(hào)地浮空，如圖所示。這種方法安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜，一旦絕緣電阻降低就會(huì)引入干擾。（3）多機(jī)系統(tǒng)的接地在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。近距離的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝在同一機(jī)房?jī)?nèi)，可采用類(lèi)似圖8-28那樣的多機(jī)一點(diǎn)接地方法。對(duì)于遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)隔離的辦法把地分開(kāi)。圖全機(jī)一點(diǎn)接地8.3軟件抗干擾措施

引言

8.3.1指令冗余技術(shù)

8.3.2軟件陷阱技術(shù)引言在控制系統(tǒng)的輸入輸出通道中，采用數(shù)字濾波方法，即采用某種計(jì)算方法對(duì)通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，以削弱或?yàn)V除干擾噪聲，而對(duì)于那些可能穿過(guò)通道而進(jìn)入CPU的干擾，可采取指令冗余、軟件陷阱以及程序運(yùn)行監(jiān)視等措施來(lái)使CPU恢復(fù)正常工作。8.3.1指令冗余技術(shù)所要解決的問(wèn)題－－當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)受到外界干擾，破壞了CPU正常的工作時(shí)序，可能造成程序計(jì)數(shù)器PC的值發(fā)生改變，跳轉(zhuǎn)到隨機(jī)的程序存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)程序跑飛到某一單字節(jié)指令上，程序便自動(dòng)納入正軌；當(dāng)程序跑飛到某一雙字節(jié)指令上，有可能落到其操作數(shù)上，則CPU會(huì)誤將操作數(shù)當(dāng)操作碼執(zhí)行；當(dāng)程序跑飛到三字節(jié)指令上，因它有兩個(gè)操作數(shù)，出錯(cuò)的機(jī)率會(huì)更大。解決方法－－采用指令冗余技術(shù)，即在程序中人為地插入一些空操作指令NOP或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重復(fù)書(shū)寫(xiě)。由于空操作指令為單字節(jié)指令，且對(duì)計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)無(wú)任何影響，這樣就會(huì)使失控的程序在遇到該指令后，能夠調(diào)整其PC值至正確的軌道，使后續(xù)的指令得以正確地執(zhí)行。原則－－在對(duì)程序流向起決定作用的指令之前以及影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指令之前都應(yīng)插入兩、三條NOP指令，還可以每隔一定數(shù)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(shù)可以減少程序出現(xiàn)錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)的次數(shù)，但不能保證程序納入正常軌道后就太平無(wú)事了。解決這個(gè)問(wèn)題還必須采用軟件容錯(cuò)技術(shù)，使系統(tǒng)的誤動(dòng)作減少，并消滅重大誤動(dòng)作。8.3.2軟件陷阱技術(shù)指令冗余使跑飛的程序安定下來(lái)是有條件的，首先跑飛的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余指令。當(dāng)跑飛的程序落到非程序區(qū)(如EPROM中未使用的空間、程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū))時(shí)，對(duì)此情況采取的措施就是設(shè)立軟件陷阱。軟件陷阱－－在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，即通過(guò)一 條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將跑飛的程序引向一個(gè)指定的地址， 在那里有一段專(zhuān)門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。舉例－－若我們把這段程序的入口標(biāo)號(hào)稱(chēng)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(gòu)成：

NOP NOP JMPERROR軟件陷阱使用地方：未使用的中斷向量區(qū)，未使用的大片ROM空間，程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)程序區(qū)中一些指令串中間的斷裂點(diǎn)處。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序的執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM容量不成問(wèn)題的條件下，還應(yīng)多多安插軟件陷阱指令。

8.4程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)8.4.1WatchdogTimer工作原理8.4.2WatchdogTimer實(shí)現(xiàn)方法工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)難免會(huì)出現(xiàn)瞬間的尖峰高能脈沖干擾，可能會(huì)長(zhǎng)驅(qū)直入作用到CPU芯片上，使正在執(zhí)行的程序跑飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中，這時(shí)候的指令冗余和軟件陷阱技術(shù)也無(wú)能為力，系統(tǒng)將完全癱瘓。此時(shí)必須強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)。由于操作者不可能一直監(jiān)視系統(tǒng)，這就需要一個(gè)獨(dú)立于CPU之外的監(jiān)視系統(tǒng)，在程序陷入死循環(huán)時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，這就是看守大門(mén)作用的程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，國(guó)外稱(chēng)為“WatchdogTimer”，即看門(mén)狗定時(shí)器或看門(mén)狗。8.4.1WatchdogTimer工作原理為了保證程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)視系統(tǒng)中必須包括一定的硬件部分，且應(yīng)完全獨(dú)立于CPU之外，但又要與CPU保持時(shí)時(shí)刻刻的聯(lián)系。因此，程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)是硬件電路與軟件程序的巧妙結(jié)合。圖8-30給出了WatchdogTimer的工作原理。CPU可設(shè)計(jì)成由程序確定的定時(shí)器1，看門(mén)狗被設(shè)計(jì)成另一個(gè)定時(shí)器2，它的計(jì)時(shí)啟動(dòng)將因CPU的定時(shí)訪問(wèn)脈沖P1的到來(lái)而重新開(kāi)始，定時(shí)器2的定時(shí)到脈沖P2連到CPU的復(fù)位端。兩個(gè)定時(shí)周期必須是T1＜T2，T1就是CPU定時(shí)訪問(wèn)定時(shí)器2的周期，也就是在CPU執(zhí)行的應(yīng)用程序中每隔T1時(shí)間安插一條訪問(wèn)指令。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)難免會(huì)出現(xiàn)瞬間的尖峰高能脈沖干擾，可能會(huì)長(zhǎng)驅(qū)直入作用到CPU芯片上，使正在執(zhí)行的程序跑飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死