計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第九章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)課件

第九章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)第一節(jié)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾及其對(duì)系統(tǒng)的影響第二節(jié)過(guò)程通道的抗干擾技術(shù)第三節(jié)軟件抗干擾與硬件冗余技術(shù)第四節(jié)接地技術(shù)第五節(jié)電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)第六節(jié)印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)第一節(jié)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾及其對(duì)系統(tǒng)的影響一、干擾的來(lái)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(lái)源有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)、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(lái)的影響等。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(hào)通過(guò)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(chǎng)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(gè)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。2．串模干擾串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式來(lái)作用于系統(tǒng)的。圖9-2串模干擾示意圖第二節(jié)過(guò)程通道的抗干擾技術(shù)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(lái)阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，并抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度。是利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來(lái)，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變壓器隔離圖當(dāng)用于模擬信號(hào)的隔離時(shí)，對(duì)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(lái)保證信號(hào)的線性傳送。現(xiàn)已有專門用于傳遞模擬信號(hào)的線性光電耦合器，例如B-B公司的ISO100。由于光電耦合器具有可靠的開關(guān)特性，所以用它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離是目前光電隔離的主要形式。對(duì)模擬信號(hào)的隔離也可以通過(guò)V/F變換器將其變成不同頻率的數(shù)字信號(hào)，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(lái)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(hào)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(lái)分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。三、長(zhǎng)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(hào)的頻率很高，很多情況下傳輸線要按長(zhǎng)線對(duì)待。信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)會(huì)遇到三個(gè)問題：一是長(zhǎng)線傳輸易受到外界干擾；二是具有信號(hào)延時(shí)；三是高速度變化的信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。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(huì)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(huì)引起新的反射。這種信號(hào)的多次反射現(xiàn)象，使信號(hào)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(cè)量如圖9-8所示。圖9-8波阻抗測(cè)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(hào)線。雙絞線的波阻抗一般在100～200Ω之間，紋花越密，波阻抗越低。同軸電纜的波阻約50～100Ω范圍。根據(jù)傳輸線的基本理論，無(wú)損耗導(dǎo)線的波阻抗RP為：（9-1）其中，L0為單位長(zhǎng)度的電感，C0為單位長(zhǎng)度的電容。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。

（9-3）圖9-10始端匹配圖第三節(jié)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1．?dāng)?shù)據(jù)采集不可靠在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中仍然會(huì)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)”。圖9-11多次讀入流程圖三、程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾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(wú)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(lái)執(zhí)行，使整個(gè)工作紊亂，系統(tǒng)失控。針對(duì)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(dòng)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1．?dāng)?shù)據(jù)冗余RAM數(shù)據(jù)冗余就是將要保護(hù)的原始數(shù)據(jù)在另外兩個(gè)區(qū)域同時(shí)存放，建立兩個(gè)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(duì)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(gè)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(guò)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(dòng)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。二、常用的接地方法1．一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地對(duì)于信號(hào)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)信號(hào)頻率大于10MHz時(shí)，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地；如果信號(hào)頻率在1～10MHz之間，當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度不超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)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(lái)。否則，數(shù)字回路通過(guò)模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。圖9-14模擬地與數(shù)字地的連接線路圖圖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(dòng)對(duì)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(duì)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)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μF的電解電容，用以減小整流橋輸出電壓的脈動(dòng)。C2為高頻濾波電容，常選用0.01～0.1μF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(jiǎn)單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV，具有過(guò)電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個(gè)電容C3和C4，C3主要起負(fù)載匹配作用，常選用幾十～幾百μF的電解電容；C4為抗高頻干擾電容，常選取0.01～0.1μF的瓷片電容。圖9-18簡(jiǎn)易直流穩(wěn)壓電源示意圖在交流電壓波動(dòng)不大的場(chǎng)合，交流穩(wěn)壓器可省略；在浪涌和尖峰電壓不大的場(chǎng)合，隔離變壓器和電源變壓器可以合二為一。這樣可簡(jiǎn)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)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(dòng)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，此電壓送給直流穩(wěn)壓器后繼續(xù)保持對(duì)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(guò)渡，以避免電源更換對(duì)系統(tǒng)的沖擊。3．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的掉電保護(hù)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(gè)任務(wù)。第六節(jié)印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)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(guò)小，則器件的密集度高，不利于散熱，而且線與線間容易引發(fā)干擾；若電路板過(guò)大，則制造費(fèi)用高，印刷線條長(zhǎng)，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(wú)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、印刷電路板布線布線時(shí)應(yīng)先考慮信號(hào)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(zhǎng)，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便于生產(chǎn)為準(zhǔn)，它的最小值取決于流過(guò)它的電流以及加工過(guò)程的抗剝強(qiáng)度。一般情況下，分立元件1.5mm左右，IC電路可以在1mm以下。（3）相鄰銅膜線之間的間距應(yīng)該寬一點(diǎn)為好。由于信號(hào)頻率越來(lái)越高，為減少分布電容的影響，相鄰銅膜線之間的距離要加大，最小間距應(yīng)不小于0.3mm。三、印刷電路板接地、電源和退耦電容1．地線布置（1）當(dāng)電路的頻率較高時(shí)，銅膜導(dǎo)線的感抗影響超過(guò)其電阻。在低頻電路中，由于布線和器件電感影響小，可以采用單點(diǎn)接地法。當(dāng)信號(hào)頻率比較大時(shí)，地線電感的影響較大，所以宜采用就近接地的多點(diǎn)接地法。對(duì)于頻帶范圍較寬的電路，可以考慮用混合接地方式。（2）數(shù)字地線與模擬地線，不同的電源電壓、高速電路與低速電路等的地線要分開設(shè)置，最后匯總到電源端。高頻部分最好采用柵格狀的大面積覆銅，以保證有良好的屏蔽效果。（3）接地線要粗，地線的寬度應(yīng)能通過(guò)3倍于印制板上的允許電流，一般以大于3mm為宜。（4）將接地線構(gòu)成閉環(huán)。環(huán)形地線可以減少接地電阻，從而減小接地電位差，這樣可以明顯提高抗噪聲的能力。