第六章智能仪表抗干扰技术_智能仪表原理与设计

1、第六章第六章 智能仪表抗智能仪表抗 干扰技术干扰技术华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系6.1 干扰与噪声源干扰与噪声源本章主要内容：本章主要内容：6.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施6.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术6.1 干扰与噪声源干扰与噪声源6.1.0 概述概述6.1.1 串模干扰串模干扰6.1.2 共模干扰共模干扰6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰6.1.4 电源干扰电源干扰干扰来源干扰来源6.1.0 概述概述空间空间(电磁感应电磁感应)传输通道传输通道 配电系统配电系统 主 机 I / O 电 路 传 感 执 行 器 对 象 直 流 稳 压 电 源 直 流

2、稳 压 电 源 干 扰 市 电 智 能 仪 表 传 输 通 道 6.1.0 概述概述抗干扰措施主要是：抗干扰措施主要是： 尽力尽力切断来自传输通道和配电系统的切断来自传输通道和配电系统的干扰，干扰，并并抑制部分已进入仪表的干扰作用。抑制部分已进入仪表的干扰作用。干扰分类干扰分类按干扰进入仪表的渠道分为：按干扰进入仪表的渠道分为：串模干扰串模干扰共模干扰共模干扰数字电路干扰数字电路干扰电源和地线系统的干扰电源和地线系统的干扰6.1.1串模干扰串模干扰串模干扰：串模干扰：指干扰电压与有效信号串联叠加后作用指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的干扰，如下图所示：到仪表上的干扰，如下图所示：串模

3、干扰的主要来源：串模干扰的主要来源：高压输电线高压输电线与信号平行敷设的输电与信号平行敷设的输电线线大电流控制线大电流控制线所产生的空间电磁场所产生的空间电磁场串模干扰示意图串模干扰示意图 由于测量控制系统的信号线比较长，由于测量控制系统的信号线比较长，通过电磁通过电磁和静电耦合在信号线上的感应电压数值有可能大到和静电耦合在信号线上的感应电压数值有可能大到与被测有效信号相同的数量级，有时比后者还大与被测有效信号相同的数量级，有时比后者还大；同时，对测量系统来说，由于采样时间短，同时，对测量系统来说，由于采样时间短，工频的工频的感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压

4、，这些干扰，这些干扰信号与有效直流信号一起被采样、放大，造成有效信号与有效直流信号一起被采样、放大，造成有效信号失真。信号失真。另外：另外：信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源变压器不良屏蔽变压器不良屏蔽 等均可引入串模干扰等均可引入串模干扰6.1.2 共模干扰共模干扰共模干扰：指输入通道两个输入端上共有的干扰电共模干扰：指输入通道两个输入端上共有的干扰电压，压，可以是直流，也可以是交流，干扰幅值可达数可以是直流，也可以是交流，干扰幅值可达数伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪表的接地情况。表的接地情况

5、。在测控系统中，检测元在测控系统中，检测元件和传感器分散在现场件和传感器分散在现场的各个地方，因此，被的各个地方，因此，被测信号的参考地和仪表测信号的参考地和仪表输入信号的参考地之间输入信号的参考地之间存在着电位差。如左图存在着电位差。如左图所示：所示：共模干扰示意图共模干扰示意图对于输入通道的两个对于输入通道的两个输入端来说，该电压输入端来说，该电压是两个输入端上共有是两个输入端上共有的干扰电压，因此称的干扰电压，因此称共模电压。共模电压。信号的两种输入方式：信号的两种输入方式：单端对地输入单端对地输入双端不对地输入双端不对地输入单端对地输入：单端对地输入： Vcm Vs ZS Zi 单端对

6、地输入示意图单端对地输入示意图存在公模干扰时如存在公模干扰时如果采用单端对地输果采用单端对地输入，则共模电压全入，则共模电压全部转化为串模干扰部转化为串模干扰电压进入仪表。电压进入仪表。双端不对地输入示意图双端不对地输入示意图 Vcm VS ZS1 Zcm1 Zcm2 ZS2 A B 双端不对地输入：双端不对地输入：共模干扰电压共模干扰电压Vcm在仪表在仪表的输入端的输入端A、B端形成的端形成的共模电压计算如下：共模电压计算如下：111()cmAcmscmVVZZZ222()cmBcmscmVVZZZ因为：因为：所以可得所以可得VAB121122121122()()cmcmABABcmcmsc

7、mscmcmcmcmscmscmVVVVVZZZZZZZZVZZZZ其中：其中：Zs1、Zs2为信号源内阻，为信号源内阻，Zcm1、Zcm2为输入通为输入通道的输入阻抗。道的输入阻抗。 Vcm VS ZS1 Zcm1 Zcm2 ZS2 A B 如果如果Zs1=Zs2 且且Zcm1=Zcm2，则，则VAB=0，不会引入共模，不会引入共模干扰。但该条件很难满足，一般地，干扰。但该条件很难满足，一般地， VAB不等于不等于0，也就是说总存在共模干扰电压。也就是说总存在共模干扰电压。一般地，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰一般地，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间。出现在两个

8、输入端之间。121122cmcmABABcmscmscmZZVVVVZZZZ6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰数字电路的数字电路的元件和元件之间、导线和导线之间、元件和元件之间、导线和导线之间、导线和元件之间、导线与结构件之间存在着分导线和元件之间、导线与结构件之间存在着分布电容。布电容。如果某一导体上的信号电压（噪声、如果某一导体上的信号电压（噪声、干扰电压）通过分布电容使其它导体上的电压干扰电压）通过分布电容使其它导体上的电压受到影响，这种现象称为电容性耦合。受到影响，这种现象称为电容性耦合。6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰例如布线干扰：例如布线干扰：假设假设A A、B B两导线的两

9、端均接有门电路，两导线的两端均接有门电路，如下图。当门如下图。当门1 1输出一个方波脉冲，而受感线输出一个方波脉冲，而受感线(B(B线线) )正处于正处于低电平时，则会对门低电平时，则会对门4 4的输出产生影响。的输出产生影响。AB门1门3门2门4CADCABCBDR6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰可以从示波器上观察到如下图所示的波形（干扰脉冲）。可以从示波器上观察到如下图所示的波形（干扰脉冲）。AB门1门3门2门4CADCABCBDRVAVOHVOLt(a) 门1输出VBVTVOLt(b) 门4输入t1VOHVOLt(c) 门4输出6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰另外还有：另外还有：

10、电容耦合干扰电容耦合干扰由印刷电路板电源线与地线之间的开关电流和由印刷电路板电源线与地线之间的开关电流和阻抗引起的干扰阻抗引起的干扰元器件的热噪声元器件的热噪声静电感应噪声静电感应噪声等等等等6.1.4 电源干扰电源干扰电源干扰主要有以下几种：电源干扰主要有以下几种：同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，通过变压器的初级与次级间的电容耦合，在直流通过变压器的初级与次级间的电容耦合，在直流电源中产生干扰。电源中产生干扰。附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线通过变压器的初级与次级间的电容耦合产生的干通

11、过变压器的初级与次级间的电容耦合产生的干扰。扰。共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。扰。6.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施6.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制6.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制6.2.3 过程通道的抗干扰过程通道的抗干扰6.2.4 电源与电网干扰的抑制电源与电网干扰的抑制6.2.5 地线系统干扰的抑制地线系统干扰的抑制串模抑制比串模抑制比NMR衡量串模干扰的抑制能力。衡量串模干扰的抑制能力。120lg()nmnmVNMRdBV其中：其中：Vnm串模干扰电压。串模干扰电压。 Vnm1仪表输入端由串模干扰引起的等效差仪

12、表输入端由串模干扰引起的等效差模电压。模电压。(1)串模干扰抑制的基本概念串模干扰抑制的基本概念6.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制例如：例如：假设有效信号的动态范围为假设有效信号的动态范围为30mV30mV，要求测量准确，要求测量准确度为度为0.1%0.1%，则串模干扰必须被抑制到，则串模干扰必须被抑制到0.03mV0.03mV以下，即以下，即V Vnm1nm10.03mV0.03mV。则应做到则应做到一般要求一般要求NMR大于等于大于等于4080dB。(1)串模干扰抑制的基本概念串模干扰抑制的基本概念)(6003. 030lg20dBNMR(2) 串模干扰的抑制方法串模干扰的抑制方法采

13、用滤波器，采用滤波器，要求：串模干扰频率与被测信号频率要求：串模干扰频率与被测信号频率不同。不同。主要采用的滤波器有：主要采用的滤波器有： 高通滤波器：串模干扰频率高通滤波器：串模干扰频率被测信号频率被测信号频率 带通滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率两侧带通滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率两侧 带阻滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率中间带阻滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率中间智能仪表中，主要的抗串模干扰措施是利用低通滤波智能仪表中，主要的抗串模干扰措施是利用低通滤波器器常用的低通滤波器有常用的低通滤波器有RC滤波器、滤波器、LC滤波器、双滤波器、双T滤滤波器、有源滤波器，见下图。

14、波器、有源滤波器，见下图。(a)(b)RCC1LC2RRC2CR/2CR1R2C1C2(c)(d)滤波器原理图滤波器原理图RC滤波器滤波器优点：结构简单，成本低，不需调整优点：结构简单，成本低，不需调整缺点：缺点：NMR不高，需要不高，需要23级才能达到需要的级才能达到需要的NMR指标。时间常数较大，影响放大器的动态特性。指标。时间常数较大，影响放大器的动态特性。LC滤波器滤波器优点：优点：NMR比较高比较高缺点：需要绕制电感，体积大、成本高缺点：需要绕制电感，体积大、成本高双双T滤波器滤波器特点：特点：对固定频率的干扰具有很高的对固定频率的干扰具有很高的NMR，但偏离该，但偏离该频率后抑制比

15、迅速减小。频率后抑制比迅速减小。 主要滤除工频干扰，对高频干扰无能为力，调整主要滤除工频干扰，对高频干扰无能为力，调整麻烦麻烦有源滤波器有源滤波器特点：特点：可获得较理想的频率特性，但对仪表输入级来可获得较理想的频率特性，但对仪表输入级来说，有源器件的共模抑制比不能满足要求，其本身还说，有源器件的共模抑制比不能满足要求，其本身还可能带来较大噪声。可能带来较大噪声。仪表的输入滤波器一般采用仪表的输入滤波器一般采用2级级RC低通滤波器低通滤波器输入信号输入通道75757575500500屏蔽层两级两级RC滤波电路滤波电路对于主要来自电磁感应的串模干扰，对于主要来自电磁感应的串模干扰，尽可能早的尽可

16、能早的对被测信号进行前置放大，提高回路中的信噪比；对被测信号进行前置放大，提高回路中的信噪比；或者或者尽可能早地完成模尽可能早地完成模/数转换，数转换，或或采取隔离和屏采取隔离和屏蔽措施。蔽措施。从选择器件（双积分形从选择器件（双积分形A/D）入手，可以采用高）入手，可以采用高抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平抑制低噪声抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平抑制低噪声的干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人的干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人为地通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作为地通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作速度来抑制高频干扰。速度来抑制高频干扰。6.2.2 共模干扰的抑制共模

17、干扰的抑制(1)共模干扰抑制的基本概念共模干扰抑制的基本概念共模抑制比共模抑制比CMR衡量共模干扰的抑制能力。衡量共模干扰的抑制能力。120lg()cmcmVCMRdBV其中：其中：Vcm共模干扰电压。共模干扰电压。 Vcm1仪表输入端由共模干扰引起的等效仪表输入端由共模干扰引起的等效电压。电压。(2) 共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法共模干扰是智能仪表常见的干扰源，常见的抑制共共模干扰是智能仪表常见的干扰源，常见的抑制共模干扰的方法有：模干扰的方法有：采用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放采用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器。如下图：大器。如下图： Vcm VS ZS1

18、 Zcm1 Zcm2 ZS2 A B 双端输入双端输入利用变压器或光电耦合器把利用变压器或光电耦合器把“模拟地模拟地”与与“数字地数字地”隔离开（即把模拟负载和数字信号隔离开），被测隔离开（即把模拟负载和数字信号隔离开），被测信号通过变压器或光电耦合器构成通路，而共模干信号通过变压器或光电耦合器构成通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。扰由于不成回路而得到有效的抑制。Vs变压器或光耦输入通道输入隔离输入隔离采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰：利采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰：利用屏蔽方法使输入信号的用屏蔽方法使输入信号的“模拟地模拟地”浮空，达到抑浮空，达到抑制共模干扰

19、的目的。制共模干扰的目的。ABRCIcm 1Icm2Z1Z2ZsVsVcm模拟地内屏蔽外屏蔽(机 壳 )浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器 6.2.3 过程通道的抗干扰过程通道的抗干扰过程通道直接与对象相连，是干扰串入的渠道之过程通道直接与对象相连，是干扰串入的渠道之一。一。切断渠道的方法：切断渠道的方法：去掉对象与过程通道之间的公去掉对象与过程通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰。共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰。隔离常采用的器件有：变压器、光电耦合器隔离常采用的器件有：变压器、光电耦合器(1)隔离器件隔离器件光电耦合器光电耦合器光电耦合器原理：光电耦合器原理：光电耦合器原

20、理光电耦合器原理光电耦合器具有强抗干扰能力的原因：光电耦合器具有强抗干扰能力的原因：光电耦合器的输入阻抗很低，而干扰源的内阻一般很光电耦合器的输入阻抗很低，而干扰源的内阻一般很大。根据分压原理，分到光电耦合器输入端的噪声就很大。根据分压原理，分到光电耦合器输入端的噪声就很小。由于其所提供的能量很小，只能形成很微弱的电流。小。由于其所提供的能量很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器输入部分的发光二极管，只有在通过一定而光电耦合器输入部分的发光二极管，只有在通过一定强度的电流时才能发光；输出部分的光敏三极管只在一强度的电流时才能发光；输出部分的光敏三极管只在一定光强下才能工作。电压幅值很高的干扰

21、，由于没有足定光强下才能工作。电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量不能使二极管发光，从而得到有效抑制。够的能量不能使二极管发光，从而得到有效抑制。输入回路与输出回路之间的分布电容很小，绝缘电阻输入回路与输出回路之间的分布电容很小，绝缘电阻又非常大，回路一边的各种干扰噪声很难通过光电耦合又非常大，回路一边的各种干扰噪声很难通过光电耦合器馈送到另一边去。器馈送到另一边去。输入回路与输出回路之间是光耦合的，又是在密封条输入回路与输出回路之间是光耦合的，又是在密封条件下进行的，因此不会受到外界光的干扰。件下进行的，因此不会受到外界光的干扰。注意：光电耦合器的输入部分与输出部分必须分别注意：光电耦合器

22、的输入部分与输出部分必须分别采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则隔离采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则隔离作用失去意义。作用失去意义。KR1R2D1D2D3D4C1C2R3RLTTL+5V采用交流电源的开关量输入隔离电路采用交流电源的开关量输入隔离电路(2)开关量输入输出通道的抗干扰开关量输入输出通道的抗干扰开关量输出电路直接控制动力设备的启停，由它引入开关量输出电路直接控制动力设备的启停，由它引入的干扰比较强烈。隔离方式有：的干扰比较强烈。隔离方式有：继电器隔离：继电器隔离：继电器触点的负载能力大，能直接驱动动力回路。继电器触点的负载能力大，能直接驱动动力回路。采用继电采用继电器隔

23、离输出时，在输出锁存器与继电器之间要使用驱动器。器隔离输出时，在输出锁存器与继电器之间要使用驱动器。继电器的响应延迟时间需要几十毫秒，因此继电器的响应延迟时间需要几十毫秒，因此用于对响应速度用于对响应速度要求不是很高的启停操作。要求不是很高的启停操作。光电耦合器隔离：光电耦合器隔离：采用光电耦合器隔离，不需要使用驱动器，采用光电耦合器隔离，不需要使用驱动器，使用一般的三态使用一般的三态门即可。门即可。光电耦合器的延迟时间较短，光电耦合器的延迟时间较短，用于对启停操作的响应时间要用于对启停操作的响应时间要求很高的输出控制。求很高的输出控制。(3)模拟量输入模拟量输入/输出通道的抗干扰输出通道的抗

24、干扰模拟量模拟量I/O电路与外界的电气隔离可用安全栅来实电路与外界的电气隔离可用安全栅来实现。现。它的输入输出信号都是标准电信号。经过安全栅它的输入输出信号都是标准电信号。经过安全栅处理后，能够防止一些故障性的干扰损害智能仪处理后，能够防止一些故障性的干扰损害智能仪表。但是，一些强电干扰还是会经此途径或其他表。但是，一些强电干扰还是会经此途径或其他的一些途径，从模拟量输入、输出电路窜入系统。的一些途径，从模拟量输入、输出电路窜入系统。所以，所以，一般在设计智能仪表的输入、输出回路时一般在设计智能仪表的输入、输出回路时都要加隔离措施。都要加隔离措施。必须对所有的信号必须对所有的信号(包括数字量信

25、号、控制信包括数字量信号、控制信号、状态信号号、状态信号)全部隔离，使得两边没有任何全部隔离，使得两边没有任何电器上的联系。电器上的联系。模拟量信号的有效状态有无数个，所以叠加在模拟量模拟量信号的有效状态有无数个，所以叠加在模拟量信号上的任何干扰都有实际意义，都会对仪表产生干信号上的任何干扰都有实际意义，都会对仪表产生干扰。扰。数字量信号的状态只有两个，因此，叠加在数字量信数字量信号的状态只有两个，因此，叠加在数字量信号上的干扰只有在幅度和宽度都达到一定量值时才能号上的干扰只有在幅度和宽度都达到一定量值时才能起到作用。起到作用。这说明抗干扰屏蔽的位置越往外推越好，这说明抗干扰屏蔽的位置越往外推

26、越好，最好能推到模拟量的入、出口处。最好能推到模拟量的入、出口处。理论上：理论上：模拟量输入通道：模拟量输入通道：隔离器件应设置在隔离器件应设置在A/D电路模拟量电路模拟量输入的位置上。输入的位置上。模拟量输出通道：模拟量输出通道：隔离器件应设置在隔离器件应设置在D/A 电路模拟量电路模拟量输出的位置上。输出的位置上。光电耦合器件设置在这两个位置上，就要求其必须具光电耦合器件设置在这两个位置上，就要求其必须具有线性变换和传输的特性。但条件不允许。目前用的有线性变换和传输的特性。但条件不允许。目前用的较多的是逻辑光耦。抗干扰屏蔽就应该设置在最先遇较多的是逻辑光耦。抗干扰屏蔽就应该设置在最先遇到的

27、开关信号的工作位置上。到的开关信号的工作位置上。实际上：实际上：模拟量输入通道：模拟量输入通道：光电耦合器件应设置在光电耦合器件应设置在A/D芯片和芯片和模拟多路开关芯片这两类电路的数字信号上。模拟多路开关芯片这两类电路的数字信号上。模拟量输出通道：模拟量输出通道：光电耦合器件应设置在光电耦合器件应设置在D/A芯片和芯片和模拟多路开关芯片的数字信号上。模拟多路开关芯片的数字信号上。下面看几个模拟量输入通道的例子。下面看几个模拟量输入通道的例子。例：例：4通道模拟量输入通道的抗干扰电路（通道模拟量输入通道的抗干扰电路（P176图图6-15）DCLKQINT15V5V5V5V5V5V2V5V0.1

28、u470K470K0.1uVccC1C1/R1R1VRVREVo1Vo2VxCLK1CLK2OREOCDUVSSVAG1443386421715131112141618357974LS74PC2PC0PC1PA7PA0815574LS244GND1G2GOUT1OUT2INHIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7( + )( + )( + )( + )( - )( - )( - )( - )+5VAB40528155图图 具有具有4 4个模拟量输入通道的抗干扰个模拟量输入通道的抗干扰A/DA/D转换电路（于转换电路（于81558155接口）接口）例：例：采用并采用并-串转换技术，把串

29、转换技术，把A/D转换结果和必要的标志转换结果和必要的标志信号转换成串行数据，以串行方式输入主机，节省光电耦合信号转换成串行数据，以串行方式输入主机，节省光电耦合器件。下图是以器件。下图是以A/D芯片芯片7135为主的输入通道与主机为主的输入通道与主机8031的的连接图。（连接图。（P177图图6-16）要使用移位寄存器。要使用移位寄存器。7135输 出85CH4014SELP/SCLK11 1093109QHP/SCLKCH4014QH3+5V+5V+5V+5VP1.6P1.5P1.48031图图 输入通道与输入通道与80318031串行连接的光电隔离原理图串行连接的光电隔离原理图 例例 ：

30、对于串行对于串行A/D转换芯片，输入通道就不需要移位寄存转换芯片，输入通道就不需要移位寄存器了。下图是串行转换芯片器了。下图是串行转换芯片MAX186与与8031 连接的输入通道连接的输入通道（P178图图6-17）+5V+5V+5V+5V+5VMAX186DoutDINSCLKCSP1.2P1.1P1.0P1.38031图图 串行串行A/DA/D与主机连接的光电隔离原理图与主机连接的光电隔离原理图例例 ：具有具有8通道模拟量输入的抗干扰通道模拟量输入的抗干扰D/A转换电路。转换电路。（P179图图6-19）6.2.4 电源与电网干扰的抑制电源与电网干扰的抑制(1)抑制电网干扰的措施抑制电网干

31、扰的措施采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源 直流稳压器电抗器变阻二极管隔离变压器保险丝电源抗干扰电源抗干扰以短线向各印刷电路板并行供电以短线向各印刷电路板并行供电 在印刷电路板上的每个在印刷电路板上的每个IC都接入高频特性好的旁路电容器都接入高频特性好的旁路电容器 (1)抑制电网干扰的措施抑制电网干扰的措施采用不间断电源采用不间断电源UPS 采用开关式直流稳压器采用开关式直流稳压器(2)印刷电路板电源开关噪声的抑制印刷电路板电源开关噪声的抑制减 少 开 关 噪 声 的 措 施每 个 IC都 接 入 旁 路 电 容 器GNDVcc电路板的接线状态电路板的

32、接线状态6.2.5 地线系统干扰的抑制地线系统干扰的抑制 测控系统的干扰与系统的接地有着很大的关系。测控系统的干扰与系统的接地有着很大的关系。接地技术往往是抑制噪声干扰的重要手段。良好的接地技术往往是抑制噪声干扰的重要手段。良好的接地技术可以在很大程度上抑制内部噪声的耦合，接地技术可以在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地不好，可能会导致噪声耦合，变成干扰之，若接地不好，可能会导致噪声耦合，变成干扰源。源。接地目的：接地目的：消除各电路电流经公共地线时所产生的噪声电压，消除各电路电流经公共地线时所产生的

33、噪声电压，以及免受电磁场的和地电位差的影响。以及免受电磁场的和地电位差的影响。通常，电器设备中的通常，电器设备中的“地地”有两种含义：有两种含义：大地：大地：与大地相接，可以提供静电屏蔽通路，降与大地相接，可以提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。低电磁感应噪声。工作基准地：工作基准地：指信号回路的基准导体，又称为指信号回路的基准导体，又称为“系统地系统地”。这种接地是指将各单元、装置内部。这种接地是指将各单元、装置内部各部分电路的信号返回线与基准导体相连接。各部分电路的信号返回线与基准导体相连接。目目的是为各部分提供稳定的基准电压。的是为各部分提供稳定的基准电压。屏蔽层与公共端接地屏蔽层与公共

34、端接地屏蔽层应接到接地一侧的公共端。屏蔽层应接到接地一侧的公共端。如当一个接地的放大器与如当一个接地的放大器与一个不接地的信号源连接时，连接电缆的屏蔽层应接到放大一个不接地的信号源连接时，连接电缆的屏蔽层应接到放大器的公共端，反之应接到信号源的公共端。器的公共端，反之应接到信号源的公共端。交流地、功率地、信号地要分开交流地、功率地、信号地要分开流过交流地和功率地的电流较大，会造成数毫伏或数伏电压，流过交流地和功率地的电流较大，会造成数毫伏或数伏电压，会严重干扰低电平信号。会严重干扰低电平信号。一点接地和多点接地的使用原则一点接地和多点接地的使用原则 通常，高频电路应就近多点接地，低频电路应一点

35、接地。通常，高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。 接地应注意的问题：接地应注意的问题：电缆和接插件的屏蔽电缆和接插件的屏蔽高电平线和低电平线不要走同一条电缆。高电平线和低电平线不要走同一条电缆。高电平线和低电平线不要使用同一接插件。高电平线和低电平线不要使用同一接插件。设备上进出电缆的屏蔽应保持完整。设备上进出电缆的屏蔽应保持完整。屏蔽地（或机壳地）的接法屏蔽地（或机壳地）的接法随屏蔽目的的不同而不同。随屏蔽目的的不同而不同。电场屏蔽电场屏蔽解决分布电容问题，解决分布电容问题，接大地。接大地。电磁屏蔽电磁屏蔽主要避免雷达、电台等的辐射干扰，地线用低阻材主要避免雷达、电台等的辐射干扰，地

36、线用低阻材料做成，料做成，可接大地，也可不接。可接大地，也可不接。磁屏蔽磁屏蔽是防止磁铁、变压器等磁感应和磁耦合，用高导磁材是防止磁铁、变压器等磁感应和磁耦合，用高导磁材料使磁路闭合，料使磁路闭合，接大地。接大地。6.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术6.3.1 软件抗干扰概述软件抗干扰概述6.3.2 指令冗余技术指令冗余技术6.3.3 软件陷阱技术软件陷阱技术6.3.4 WATCHDOG技术技术(程序运行监视系统程序运行监视系统)6.3.1 软件抗干扰概述软件抗干扰概述 窜入智能仪表中的干扰的频谱比较宽，并且是随机的，窜入智能仪表中的干扰的频谱比较宽，并且是随机的，采用采用硬件抗干扰技术措施，

37、只能抑制某些频率段的干扰，硬件抗干扰技术措施，只能抑制某些频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入智能仪表。这些干扰仍有一些干扰会侵入智能仪表。这些干扰轻则影响智能仪轻则影响智能仪表的测量与控制精度表的测量与控制精度，比如：叠加在系统被测模拟输入信，比如：叠加在系统被测模拟输入信号上的噪声干扰会导致系统较大的测量误差。号上的噪声干扰会导致系统较大的测量误差。重则使其无重则使其无法工作，法工作， 比如：如果窜入智能仪表的干扰作用于比如：如果窜入智能仪表的干扰作用于CPU部位部位时，会破坏程序计数器时，会破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳的状态，导致程序从一个区域跳转到另一个区域，或者是程序在

38、地址空间内转到另一个区域，或者是程序在地址空间内“乱飞乱飞”，或，或使程序陷入死循环，会使智能仪表失控。使程序陷入死循环，会使智能仪表失控。所以有必要采用所以有必要采用软件抗干扰技术。软件抗干扰技术。(1)必要性必要性软件抗干扰技术软件抗干扰技术是当智能仪表受干扰后使其恢复正常运是当智能仪表受干扰后使其恢复正常运行或当输入信号受干扰后去伪求真的一种行或当输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法辅助方法。硬件抗干扰是主动措施，软件抗干扰是被动措施。硬件抗干扰是主动措施，软件抗干扰是被动措施。(2) 软件抗干扰技术的基本概念软件抗干扰技术的基本概念设计灵活，节省硬件资源。设计灵活，节省硬件资源。(3

39、) 软件抗干扰的优点软件抗干扰的优点采用软件方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声采用软件方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声干扰。如数字滤波技术。干扰。如数字滤波技术。当干扰使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷当干扰使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施。如入死循环时，采取使程序纳入正规的措施。如指指令冗余、软件陷阱以及令冗余、软件陷阱以及“WATCHDOG”技术技术。(4)软件抗干扰技术的研究内容软件抗干扰技术的研究内容6.3.2 指令冗余技术指令冗余技术操作码：操作码：指明指明CPU完成什么样的操作。完成什么样的操作。操作数：操作数：是操作码的操作对象。是操作

40、码的操作对象。单字节指令：单字节指令：仅有一个操作码，隐含操作数。如：仅有一个操作码，隐含操作数。如：RET 双字节指令：双字节指令：第一个字节是操作码，第二个字节是操作数。第一个字节是操作码，第二个字节是操作数。如：如： MOV R1, #data MOV R7, #data3字节指令：字节指令：第一个字节是操作码，后两个字节是操作数。第一个字节是操作码，后两个字节是操作数。如：如： MOV DPTR, #data16 CJNE A, direct, rel(1) 指令冗余技术概述指令冗余技术概述51系列单片机的所有指令均不超过系列单片机的所有指令均不超过3个字节。个字节。指令由指令由操作码

41、操作码和和操作数操作数两部分组成。两部分组成。完全由取指令的顺序决定。完全由取指令的顺序决定。 CPU取指令的过取指令的过程是先取操作码，后取操作数。程是先取操作码，后取操作数。 CPU复位后，首先取指令的操作码，然后顺序复位后，首先取指令的操作码，然后顺序取出操作数。当一条完整的指令执行完后，紧接着取出操作数。当一条完整的指令执行完后，紧接着取下条指令的操作码、操作数。一旦取下条指令的操作码、操作数。一旦PC因干扰出因干扰出现错误，程序就会脱离正常的运行轨道，出现现错误，程序就会脱离正常的运行轨道，出现“乱乱飞飞”，出现操作数数值改变以及将操作数当作操作，出现操作数数值改变以及将操作数当作操

42、作码的错误。码的错误。CPU怎样区别某个数据是操作码还是操作数？怎样区别某个数据是操作码还是操作数？若若“乱飞乱飞”程序在取指令时落到操作数上，仍将出错。程序在取指令时落到操作数上，仍将出错。 当当“乱飞乱飞”到到3字节指令上时，程序纳入正轨的概字节指令上时，程序纳入正轨的概率更小，出错概率更大。率更小，出错概率更大。当程序当程序“乱飞乱飞” 到单字节指令上时，会自动纳入正到单字节指令上时，会自动纳入正轨。轨。 当当“乱飞乱飞” 到双字节指令上时，有两种可能：到双字节指令上时，有两种可能： 若若“乱飞乱飞”程序在取指令时落到操作码上，则程程序在取指令时落到操作码上，则程序纳入正轨。序纳入正轨。

43、指令冗余的定义：指令冗余的定义： 为了使为了使“乱飞乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，在程序在程序区迅速纳入正轨，在程序中应多用单字节指令，在关键的地方人为地插入程序中应多用单字节指令，在关键的地方人为地插入一些单字节指令一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，这，或将有效单字节指令重写，这就是就是指令冗余。指令冗余。在双字节指令或在双字节指令或3字节指令之后插入两个单字节字节指令之后插入两个单字节NOP指令，就可保证其后的指令不会因为前面指令的指令，就可保证其后的指令不会因为前面指令的“乱乱飞飞”而继续。因为而继续。因为“乱飞乱飞”程序即使落到操作数上程序即使落到操作数上,在执行两个单字

44、节空操作指令在执行两个单字节空操作指令NOP后，也会使程序回后，也会使程序回到正轨。到正轨。 一般在对程序流向起决定作用的指令一般在对程序流向起决定作用的指令（如：（如：RET、ACALL、LJMP、JZ、JC等）等）和某些对系统工作状和某些对系统工作状态态（如：（如：SETB、EA等）等）起重要作用的指令之前插入起重要作用的指令之前插入两条两条NOP指令，确保这些指令正确执行。指令，确保这些指令正确执行。(1) NOP的用法的用法(2)重要指令冗余重要指令冗余 对那些对程序流向起决定作用的指令对那些对程序流向起决定作用的指令和和那些对那些对系统工作状态有重要作用的指令系统工作状态有重要作用的

45、指令的后面，可重复写这的后面，可重复写这些指令，以确保这些指令的正确执行。些指令，以确保这些指令的正确执行。(3)采用指令冗余技术的条件采用指令冗余技术的条件 跑飞的程序必须指向程序运行区。跑飞的程序必须指向程序运行区。 执行到冗余指令。执行到冗余指令。6.3.3 软件陷阱技术软件陷阱技术 当乱飞程序进入程序区时可以使用指令冗余技当乱飞程序进入程序区时可以使用指令冗余技术，而当乱飞程序进入非程序区或表格区时，使用术，而当乱飞程序进入非程序区或表格区时，使用指令冗余技术的条件不满足，此时可采用指令冗余技术的条件不满足，此时可采用软件陷阱软件陷阱技术技术，拦截乱飞程序，将其迅速引向一，拦截乱飞程序

46、，将其迅速引向一 个指定位置，个指定位置，然后对程序运行出错进行处理。然后对程序运行出错进行处理。(1) 软件陷阱的基本概念软件陷阱的基本概念 软件陷阱是指用引导指令将跑飞的程序强行引软件陷阱是指用引导指令将跑飞的程序强行引向复位入口地址向复位入口地址0000H，再在此处将程序转向专门，再在此处将程序转向专门处理程序出错的程序。处理程序出错的程序。对对51 系列单片机，可利用两种方法：系列单片机，可利用两种方法：方法方法软件陷阱形式软件陷阱形式 对应入口地址对应入口地址方法方法1：NOPNOPLJMP 0000H0000H: LJMP MAIN方法方法2：LJMP 0202HLJMP 0000

47、H0000H:LJMP MAIN0202H:LJMP 0000H方法方法1 的机器码为：的机器码为：方法方法2 的机器码为：的机器码为：0000020000020202020000(2) 软件陷阱的设计软件陷阱的设计未使用的中断区未使用的中断区当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断复当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断复务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。断。在中断服务程序中要注意：返回指令可用在中断服务程序中要注意：返回指令可用RETI，也，也可用可用LJMP。例如：假设程序跑飞到了未使用的中断区例如：假设程序跑飞到了未使用的

48、中断区NOPNOPPOP direct1; 将断点弹出堆栈区将断点弹出堆栈区POP direct2LJMP 0000H; 转到转到0000H处处中断服务程序可为：中断服务程序可为：NOPNOPPOP direct1; 将原断点弹出堆栈区将原断点弹出堆栈区POP direct2PUSH 00H; 断点地址改为断点地址改为0000HPUSH 00HRETI中断服务程序也可为：中断服务程序也可为：中断程序中的中断程序中的direct1、direct2为主程序中非使用单为主程序中非使用单元。元。未使用的未使用的EPROM空间空间 智能仪表中使用的智能仪表中使用的EPROM空间很少能够全部空间很少能够全

49、部用完。这些非程序区可用用完。这些非程序区可用000020000或或020202020000数据填满。当跑飞的程序进入该区后，便会迅速自数据填满。当跑飞的程序进入该区后，便会迅速自动入轨。动入轨。非非EPROM芯片空间芯片空间一般来说，系统中除了一般来说，系统中除了EPROM芯片占用的地址空间芯片占用的地址空间外，还会余下大量的地址空间。外，还会余下大量的地址空间。例如：假设例如：假设51 系列单片机构成的系统选用了一片系列单片机构成的系统选用了一片2764作为外部存储器，其地址空间为作为外部存储器，其地址空间为8k字节，还有字节，还有56 k地址空间闲置。地址空间闲置。当当PC跑飞到这些闲置

50、的地址空间时，读入的数据为跑飞到这些闲置的地址空间时，读入的数据为FFH，这是，这是“MOV R7, A”指令的机器码，此代码的指令的机器码，此代码的执行会修改寄存器执行会修改寄存器R7的内容。因此，当程序跑飞到非的内容。因此，当程序跑飞到非EPROM芯片区域后，会破坏芯片区域后，会破坏R7的内容。此时可采用的内容。此时可采用下面的逻辑接法加软件陷阱来实现。下面的逻辑接法加软件陷阱来实现。 INT0 (8031) Y0 。 。 A13 A B C 74LS138 A14 A15 CS 2764 OE 1 PSEN 1 74LS08 74LS08是一个四二与门。是一个四二与门。EPROM芯片地址

51、空间为芯片地址空间为0000H1FFFH，由译码器，由译码器74LS138中的中的Y0为片选信号。为片选信号。空间空间2000HFFFFH为非应用空间，当为非应用空间，当PC落入此空间时，落入此空间时， Y0为为高电平。高电平。当执行取指令操作时，当执行取指令操作时，PSEN为低，从而引起中断。为低，从而引起中断。然后在中断服务程序中设置软件陷阱，可将跑飞的程序迅速然后在中断服务程序中设置软件陷阱，可将跑飞的程序迅速拉入正轨。拉入正轨。 当当PC乱飞落入空间乱飞落入空间2000HFFFFH时，选通时，选通另外一片芯片，读入数据另外一片芯片，读入数据020202H，此为一条转，此为一条转移指令，

52、使移指令，使PC转入转入0202H入口，在主程序入口，在主程序0202H设有出错处理程序。设有出错处理程序。运行程序区运行程序区当程序在程序区乱飞时可用指令冗余技术解决，其当程序在程序区乱飞时可用指令冗余技术解决，其它的也可用软件陷阱技术解决。它的也可用软件陷阱技术解决。陷阱指令分散地放置在用户指令各模块之间空余的陷阱指令分散地放置在用户指令各模块之间空余的单元里。程序正常运行时不执行这些陷阱指令，但单元里。程序正常运行时不执行这些陷阱指令，但当因干扰而跑飞的程序一旦落入这些陷阱区，就可当因干扰而跑飞的程序一旦落入这些陷阱区，就可将跑飞的程序迅速拉到正确轨道。将跑飞的程序迅速拉到正确轨道。中断

53、服务程序区中断服务程序区设用户程序运行区间为设用户程序运行区间为ADD1ADD2，并设定时器产，并设定时器产生生20ms的定时中断。的定时中断。当程序跑飞落入当程序跑飞落入ADD1ADD2区间外，如果在此用户区间外，如果在此用户程序区外发生了定时中断，可以在中断服务程序中判程序区外发生了定时中断，可以在中断服务程序中判定中断断点地址定中断断点地址ADDX，设置软件陷阱。，设置软件陷阱。若：若：ADD1ADDXADD2，则程序运行正常；，则程序运行正常； ADDXADD2，说明程序发生乱飞，则应，说明程序发生乱飞，则应使程序回到复位入口地址使程序回到复位入口地址0000H，使乱飞的程序回到正轨。

54、，使乱飞的程序回到正轨。假设假设 ADD1=0110H，ADD2=1100H，2FH为断点地址高字节暂为断点地址高字节暂存单元，存单元，2EH为断点地址低字节暂存单元。则中断服务程序如为断点地址低字节暂存单元。则中断服务程序如下：下：POP 2FH；断点地址弹入；断点地址弹入2FH,2EHPOP 2EHPUSH 2EH; 恢复断点恢复断点PUSH 2FHCLR C； 断点地址与下限地址断点地址与下限地址0110H比较比较MOV A, 2EHSUBB A, #10HMOV A, 2FHSUBB A, #01HJC ERR ；断点小于；断点小于0110H则转则转MOV A, #00H；断点地址与上

55、限地址；断点地址与上限地址1100H比较比较SUBB A, 2EHMOV A, #11HSUBB A, 2FHJC ERR ；断点大于；断点大于1100H则转则转 ；中断处理内容；中断处理内容RETI ；正常返回；正常返回POP 2FH ;修改断点地址修改断点地址POP 2EHPUSH 00H ；故障后断点改为；故障后断点改为0000HPUSH 00HRETI ;故障返回故障返回ERR:RAM数据保存的条件陷阱数据保存的条件陷阱单片机外的单片机外的RAM用来保存大量的数据，这些数据用来保存大量的数据，这些数据写入用的指令是写入用的指令是“MOVX DPTR, A”。当。当CPU受受到干扰而非法

56、执行该指令时，就会改写到干扰而非法执行该指令时，就会改写RAM中的中的数据，导致数据，导致RAM 中数据的丢失。为了避免这类事中数据的丢失。为了避免这类事件的发生，在件的发生，在RAM 写操作指令前加入条件陷阱，写操作指令前加入条件陷阱，不满足条件时不允许写，并进入陷阱以保护数据。不满足条件时不允许写，并进入陷阱以保护数据。例如：例如：要将数据要将数据NNH写入写入RAM单元单元2ED1H中，可编中，可编写如下程序：写如下程序：MOV A, #NNHMOV DPTR, #2ED1HMOV 6EH, #55HMOV 6FH, #66HLCALL DAWPNOPNOPCJNE 6EH, #55H,

57、 XJ; 6EH中不为中不为55H则不允许则不允许 写，并落入死循环写，并落入死循环CJNE 6FH, #66H, XJMOVX DPTR, ADAWP:NOPNOP MOV 6EH, #00HMOV 6FH, #00HRETNOP ;死循环死循环NOPSJMP XJXJ:让程序落入死循环使软件陷阱解决程序乱飞的方让程序落入死循环使软件陷阱解决程序乱飞的方法之一。法之一。6.3.4 WATCHDOG技术技术(程序运行监视系统程序运行监视系统)当程序当程序“跑飞跑飞”到一个临时构成的死循环中时，指令到一个临时构成的死循环中时，指令冗余和软件陷阱技术都无能为力了，智能仪表将完全冗余和软件陷阱技术都

58、无能为力了，智能仪表将完全瘫痪。瘫痪。可利用人工复位按钮采用人工复位摆脱死循环。可利用人工复位按钮采用人工复位摆脱死循环。操作着不可能一直监视着系统操作着不可能一直监视着系统即使监视着仪表，也是在已经引起不良后果之后才即使监视着仪表，也是在已经引起不良后果之后才进行人工复位进行人工复位可以让仪表自己监视自己的运行情况吗？可以让仪表自己监视自己的运行情况吗？利用利用WATCHDOG技术。技术。本身能独立工作，基本上不依赖于本身能独立工作，基本上不依赖于CPU。CPU隔一固定时间和该系统打一次交道，以表明系隔一固定时间和该系统打一次交道，以表明系统统“目前运行正常目前运行正常”。当当CPU掉入死循

59、环后，能及时发觉并使系统复位。掉入死循环后，能及时发觉并使系统复位。(1) WATCHDOG技术特性技术特性 在增强型在增强型51系列单片机中，已经设计了利用系列单片机中，已经设计了利用WATCHDOG的硬件电路，普通型的硬件电路，普通型51系列单片机中没有设置，必须由用户自系列单片机中没有设置，必须由用户自己建立。己建立。 要达到要达到WATCHDOG的真正目标，必须有硬件部分，它完的真正目标，必须有硬件部分，它完全独立于全独立于CPU之外。之外。如果为了简化硬件电路，没有硬件部分，如果为了简化硬件电路，没有硬件部分，也可用软件也可用软件WATCHDOG技术（可靠性稍差）。技术（可靠性稍差）

60、。(2) 硬件硬件WATCHDOG 硬件硬件WATCHDOG的硬件部分是一独立于的硬件部分是一独立于CPU之之外的单稳部件，可用单稳电路构成，也可用自带脉冲外的单稳部件，可用单稳电路构成，也可用自带脉冲源的计数器构成。源的计数器构成。 CPU正常工作时，每隔一段时间就输出一个脉冲，正常工作时，每隔一段时间就输出一个脉冲，将单稳系统触发到暂稳态，当暂稳态的持续时间设计将单稳系统触发到暂稳态，当暂稳态的持续时间设计得比得比CPU的触发周期长时，单稳系统就不能回到稳态。的触发周期长时，单稳系统就不能回到稳态。 当当CPU陷入死循环后，再也不能去触发单稳系统陷入死循环后，再也不能去触发单稳系统了，单稳