控制系统抗干扰

1、浅谈单片机控制系统的抗干扰设计Discuss of the Anti-disturbance Design in the Micro controller System摘要：文中对影响PLC控制系统稳定性的主要干扰源、成因进行了分析。从硬件电路设计和软件程序编制入手，研究探讨提高 PLC 控制系统抗干扰能力的方法和措施。实践证明，这些方法和措施对提高 PLC 控制系统抗干扰能力具有普遍意义和实用价值。关键词：PLC；控制系统；抗干扰 Abstract: ： This paper analyses the sources and contributing factor of the main i

2、nterference influencing the stability of a PLC control system，and discusses some means and measures to improve the anti-interference capability of the PLC control system proceeding from hardware designing and software programming. These measures are economical and practical for improving the capabil

3、ity of the control system with PLC anti-interference.Keywords: PLC; Control system; Anti-disturbance1、引 言可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，以其功能强大、通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单等一系列特点，获得工程技术人员的认可。但由于PLC的应用场合越来越广，应用环境越来越复杂，所受的干扰也就越来越多。如来自电源波形的畸变、现场设备产生的电磁干扰、接地电阻的耦合、输入元件的抖动等各种形式的干扰，都可能使系统不能正常工作。因此，研究PL

4、C控制系统干扰信号的来源、成因及其抑制措施，对于提高PLC控制系统的 抗干扰能力及可靠性具有重要的意义。2、干扰源分类及PLC控制系统干扰的来源系统的干扰源对电子系统的干扰主要是电磁能量干扰。主要内外的干扰源是：(1)无线电设施的射频干扰；(2)发动机上的高压点火线圈向外辐射磁场强度大、频带宽的电磁波；(3)单片机内部的晶振电路是内部干扰源之一；(4)数字电路本身门电路频繁的导通、截止造成电源地线电流变化，也会产生很大的高频电磁干扰，各种开关电子设备通断时产生的急剧变化的电流会产生较宽频谱干扰；(5)外界交流电路中产生的工频干扰亦会影响模拟电路输出信号的准确性。3、干扰对单片机应用系统的影响

5、干扰对单片机应用系统的影响主要如下：(1)使测量数据误差加大。干扰信号侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在测量信号商，会使数据采集误差加大，甚至干扰信号淹没测量信号，特别是检测一些微弱信号(2)影响单片机RAM存储器和E-PROM等。在单片机系统中，存在程序存储器E-PROM或FLASH中的数据存，可以免受干扰。但是对于片内RAM、外扩 RAM、E-PROM中的数据都有可能受到外界干扰而变化。(3)控制系统失灵。单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制误差加大，甚至控制失灵。(4)

6、程序运行失常。外界的干扰有时导致机器频繁复位二影响程序的正常运行"若外界干扰导致单片机程序计数器6- PC的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或死机。4、单片机应用系统的硬件抗干扰设计硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施。他能有效的抑制干扰源，阻断干扰的传输信道。常用的措施有：滤波技术、去耦技术、屏蔽技术和接地技术。4.1保证供电系统稳定性为防止从电源系统引入干扰，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压，使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰"同时，可采用开关电源并提供足够的功率余量，主机部分使用单独的稳压电路，必要时输入!输出供电

7、分别采用DC-DC模块隔离，以避免各个部分相互干扰。4.2 隔离与屏蔽信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离出来，使监控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。一般单片机应用系统既有弱电控制系统又有强电控制系统，通常实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定!设备与操作人员安全的重要措施。常用的隔离方式有光电隔离!变压器隔离!继电器隔离和布线隔离等。典型的信号隔离室光电隔离"使用光电隔离器件将单片机的输入输出出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传

8、播出去。4.3 单片机系统的复位电路设计通常单片机都有一个复位引角，用于系统的复位。但复位电路易受电源波动的干扰，当单片机电源收到干扰后，电压下降至低电平时，复位端电位也跟随下降至低电平。显然会引起单片机的复位，使单片机无法正常工作。为此，在设计中对复位电路进行改进。复位电路在复位端与地之间分别并联了一个简单的RC滤波电路，从而有效抑制了单片机电源波动对复位端的影响。4.4 印刷线路板的布线与工艺印刷线路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪声源，尽量减小噪声的传播与耦合，尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印刷线路板和布线。单片机系统印刷线路板通常可分三区，即模拟电路区，数字电

9、路区，功率驱动区。印刷板按单点接电源，单点接地原则送电。三个区域的电源线，地线由该点分三路引出。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。时钟震荡电路!特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零；能用低速的就不用高速的，高速器件只用在关键的地方；使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件；石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短。4、单片机应用系统的软件抗干扰设计尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且有很大的随机性，因此在采取硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰措施加以补充。常见的软件抗干扰技术有：数字滤波、指令冗余和“看门狗”技术、系统运

10、行状态监视和提高开关量输入、输出干扰。系统常见的出错现象：死机、被控对象误操作和定时不准，他们主要由于内部程序指针错乱使程序进入“死循环”和RAM资料被冲乱或改变导致的。4.1数字滤波当干扰叠加输入信道的模拟信号时，使数据采集误差加大。特别当输入信道模拟信号较弱时，此现象更加严重。为了消除数据采集的误差，常用算术平均法、比较取舍法、一阶滞后滤波法和中值法，可根据信号和干扰的规律，采用最优的设计方法。通过数字滤波器可滤掉大部分由于输入信号干扰而引起的输出控制错误。4.2 指令冗余技术通过分析MCS-51系列的指令系统不难发现，指令均不超过3个字节，大多为单字节指令。当指令单飞到双字节指令上时，有

11、可能落在其操作数上，从而将操作数作为操作码运行，程序出错；当程序飞到某三字节指令时，因它们有两个操作数，继续出错的机会就更大。我们可采用如下方法使弹飞的程序在瞬间入轨。(1)在多字节指令之后，可经常插入两个单字节的NOP(空操作)指令，以保护其后的指令不被拆散。因为弹飞的程序即使落到操作数上，由于两个空指令的存在，不会将其它指令当操作数执行，从而使程序入轨。(2)为提高程序运行效率，常在一些对程序流向起决定作用的指令前插人两个NoP指令。可保证弹飞的程序快速入轨。如：RET、RETI、LCALL、LJMP等。4.3 软件陷阱技术上述指令冗余技术使弹飞程序人轨是有条件的。首先弹飞程序必须落人程序

12、区；其次，必须执行到冗余指令。当程序弹飞到非程序区(如ROM中未使用的空间)的表格区时，指令冗余技术就无能为力了。这里就需设置软件陷阱，即用一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定地址，在那里有专门对系统进行出错处理的程序。如果处理程序的标号为Err，则软件陷阱由下面三条指令构成：NOPNOPLJMP Err软件陷阱通常安排在如下区域：(1)未使用的ROM空间一般使角的ROM空间，很少有将其全部用完的。将空间布满陷阱，可使落人此区域的弹飞程序自动人轨。(2)未使用的中断向量区在此布上陷阱，当干扰使得此中断开放时，就能及时捕获到错误中断。(3)表格区由于表格内容与检索值有对应关系，在表格中间安

13、排陷阱将破坏其连续性和对应关系，一般只宜在表格的末端区域安排陷阱。(4)程序区此区域不能任意安排陷阱，否则正常执行的程序也会转走。但在程序的指令串之间常有一些断裂点。正常执行的程序到此不会往下执行，而是按指令跳转。如LJMP、AJMP、RET、REI等。当弹飞程序刚好落到这些指令的操作数上，就会越过断裂点往前冲，在此安排陷阱后，就能有效捕捉，而不影响正常执行的程序。4.4 软件“看门狗”(WATCHDOG)技术当程序弹飞到一个临时构成的系统循环中时，冗余指令和软件陷阱便无能为力了。要使系统重新工作,通常是用人工复位和硬件“看门拘”。人工复位不及时，对电能表计量与控制是不允许的。硬件“看门狗”需

14、占用一定的硬件资源。在此,我们采用了软件“看门狗”技术。首先,要用一个定时器溢出中断设定为最高级中断,只有这样才能夺走CPU的控制权，使弹飞程序离开掉进的死循环，系统中的其它中断均为较低级中断。其次,要精确计算系统程序运行的最长使用周期。电能表系统软件经计算为120ms左右。则将To赋值为131ms。晶振为6MHz，则(To)=0024H，初始化程序为：MOV TMOD,#01H设To为16位定时器SETB ETo允许To中断SETB PTo设置To为高级中断MO VTo,#o赋值To初值(约131ms)MOV TLo,#24HSETB TRo启动ToSETB EA开中断另外，在To中断向量区

15、安放一条LJMP Err指令即可，由它来完成出错处理工作，并根据状祝分别跳转冷或热启动处,.使系统复位。需要注意的是:系统工作程序启动后，必须经常初始化THo、TLo。当程序掉人死循环后，131ms之间即可产生一次To中断，从而退出死循环。而程序正常工作时由于THo、TLo被经常赋值，故决不会产生To中断。5、总结不同的单片机系统都有自己的系统要求和特点,在硬件和软件抗干扰设计上也各有自己的特色。针对无线电射频干扰和交流电路工频干扰等5种主要的干扰源以及干扰的方式,可采用上述的硬件抗干扰措施。对于软件抗干扰措施,应首先了解测量对象和干扰因素,分析干扰的来源,然后根据系统设计有效的抗干扰方法。参考文献1蒋乐天，徐国治. 软件缺陷及软件可靠性技术.计算机仿真J，2004，21（2）：141-1442王玉琳. 一种经济实用的四坐标铣床数控系统.机电一体化J，2004，10（3）：70-733王玉琳. 四坐标经济型数控磨刀机.机电一体化J，2004，10（1）：88-904裴仁清，等. 机床的微机控制技术