第4章工控机的抗干扰重庆大学

1、4.1.1 恶劣的供电条件 工业现场大功率设备的启动、停止，特别是大感性负载的起停会造成严重的电网污染，使得电网大幅度涨落（浪涌）。4.1.2 严重的噪声环境 除了电网引入的严重干扰以外，通过控制系统数字量输入输出通道引入的干扰也非常严重。在工业现场由于输入输出的信号线多，长度达到几百米甚至几千米，因此干扰将不可避免地会被引入到控制系统中。严重的干扰可使控制系统无法工作。4.1.3 干扰信号的进入渠道 所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。其干扰进入的主要渠道为：噪声干扰、过程通道干扰和供电系统干扰，这些干扰一般以脉冲形式存在，如图4-1所示。 噪声干扰、供电

2、系统干扰以及过程通道干扰均为系统干扰源，但一般情况下噪声干扰的强度很小，供电系统干扰则可以通过采用抗干扰电源来解决，因此微机系统中的难点是防止过程通道干扰。 4.2.1 噪声干扰的耦合方式 导线间的相互耦合是噪声干扰的主要因素之一，因此本节重点讨论如何防止导线干扰的问题。1电场耦合与抑制 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统。如图4-2所示。 当导线1对导线2形成电场耦合干扰时，在导线2上产生的对地干扰电压UN为：式中 和U1分别为干扰源（导线1）的干扰角频率和电压；R和C2g分别为被干扰回路（导线2）的对地负载电阻和总电容；C

3、12为导线1和2间的杂散电容。 一般情况下，C12C2g，则式（4-1）可化简成更简洁的形式121221212)(/1)/(UCCRjCCCjUggN（4-1）1212/1UCjRCjUgN（4-2） 从式（4-2）可以看到，在干扰源的频率固定不变的前提下，降低导体2上的干扰电压UN有以下4种有效方法： 消除或抑制U1 设法减少C12 尽量降低R 尽量增大C2g2 2磁场耦合与抑制 磁场耦合又称电磁耦合，在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。如图4-3所示。 式中 为干扰信号角频率； B为干扰源回路（回路1）形成磁场链接

4、至回路2处的磁通密度； A为回路2承受磁场感应的闭合回路面积； 为B和A两矢量的夹角。 当回路1对回路2形成磁场耦合干扰时，在回路2上产生的串联干扰电压UN为cosBAjUN（4-3）4.2.2 线间耦合干扰的抑制措施 通过以上的分析可知，要抑制导线间或回路间的电场耦合与磁场耦合所造成的干扰，还可采用如下方法。1抑制干扰源 在微型计算机控制系统的几百条甚至几千条馈线中，有强信号线和弱信号线，强信号线往往就是干扰弱信号的干扰源。因此必须对干扰源采取抑制措施。2使用双绞线和电缆阻止耦合干扰的侵入 抑制电场耦合和磁场耦合干扰，一是采取措施将干扰源“屏蔽”掉，使其无法去干扰“别人”；另一个就是想办法将

5、易受干扰的回路或通道“保护”起来，使它免受“别人”的干扰。 在微型计算机控制系统中经常使用的双绞线、同轴电缆、双绞的屏蔽线对等来抗干扰。4.3.1 隔离技术 过程通道中多路信号通常要通过多路开关和采样/保持器等进行数据采集后送入计算机，若多路开关或采样/保持器性能不好，则在干扰信号幅度较高时会出现在邻近通道信号间的串扰，这种串扰会使有用信号失真，因此，需在系统设计是采用相应的措施，如实现信号的隔离等。 图4-5为控制系统的输入输出通道中数字信号光电隔离的示意图。由图可知，其现场信号没有直接与微机相连，这样可保证现场干扰信息不能轻易进入微机。 对于模拟量输入输出通道而言，通常可利用隔离放大器来隔

6、断通路的线路连接，从而切断干扰源，也可在A/D转换器与传感器之间或D/A转换器与与执行机构之间加入光电耦合器件，达到隔离干扰源的目的，如图4-6所示。4.3.2 通道中器件选择与抗干扰 多路转换器的输入常受到各种环境噪声的污染，尤其易受到共模噪声的干扰。在多路转换器输入端接入共模扼流圈，可抑制外部传感器引入的高频共模噪声。而转换器高频采样时产生的高频噪声，应在CPU与A/D芯片之间采用光电耦合器隔离。 采样保持器电路(S/H)在采样与保持两种状态转换时，会窜入干扰，为了减少干扰，印刷电路布线时，使逻辑输入端的走线与模拟输入端间的距离尽量远离，或者将模拟输入端用地线包围起来，以降低线间寄生电容耦

7、合和隔断漏电通路。4.3.3 布线抗干扰设计 该部分主要考虑两方面问题： 1元器件布局设计 2.布线抗干扰设计 4.4.1 系统供电的抗干扰措施1供电系统的一般保护 为尽量避免供电系统带来的干扰，通常会采取相应的措施。计算机控制系统供电的一般结构如图4-7所示。2电网尖峰脉冲干扰的防治（1）尖峰脉冲干扰的产生 工业现场的电网污染对工业控制机来说， 危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰。在炼钢厂、轧钢厂或者大量使用晶闸管设备、电火花设备、电力机车等地方，这种尖峰干扰尤为厉害，雷电也常以尖峰脉冲方式入侵。尖峰脉冲的形状如图4-9所示。 尖峰脉冲幅度很大时，会破坏工控机开关电源输入滤波器、整流器等。可能产

8、生尖峰脉冲干扰的设备通常有： 大型交、直流电机； 继电器、接触器； 可控硅； 电焊机； 电梯； 带有整流器的充气照明灯； 电烙铁； 其它电器等。（2）尖峰干扰的抑制技术对尖峰干扰的抑制，一般须采取综合治理办法。综合治理的途径有： 1）“远离”干扰源； 2） 用硬设备抑制尖峰干扰的影响； 3）在大功率用电设备上采取措施抑制尖峰干扰的产生 4）采用“看门狗”（Watchdog）技术4.4.2 系统接地的抗干扰措施 在微型计算机控制系统中，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法，在设计和实施中如能把接地和屏蔽正确地结合起来使用，便能解决大部分噪声问题。所以，在系统设计中对接地方式必须给以充分的注意。 接

9、地设计目的在于：消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路；如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声耦合。 接地的含义可理解为一个等电位点或等电位面，它是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。保护地线必须在大地电位上；信号地线依据设计要求可以是大地电位，也可以不是大地电位。 1低频接地 （1）一点接地方式 信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地（或称共同接地）和并联接地（或称分别接地），如图4-11和4-12所示。 图4-11 串联一点接地图4-12 并联一点接地（2）实用的低频接地 一

10、般在低频时用串并联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。注意不要把功率相差很多、噪声电平相差很大的电路接入同一组地线接地。 在一般的系统中至少要有3条分开的地线（为避免噪声耦合，3种地线应分开），如图4-13所示。 2通道馈线的接地问题 与前不同的是，通道馈线的接地问题可从如何克服地环流影响的角度来分析和解决应在哪里接地的问题。可从下几个方面来进行讨论：（1）电路一点接地基准 （2）电缆屏蔽层的接地 （3）隔离和差分放大 （4）电缆线与接插件的配接 3安全接地和金属件地线 为了保证安

11、全，微型计算机控制系统的机箱、机柜及其内部机壳、底板等都应接地。 在安全接地中不可避免地要使用到金属件地线，如果金属件地线使用不当，就不可能保证可靠的安全接地。 在测控系统中的接地方式可采用以下2点： 使用地线将数字区与模拟区隔离，即数字地与模拟地分离，最后接在一点接于电源地。 控制系统和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互之间的干扰。 前面所介绍的抗干扰措施有利于提高系统运行的可靠性，但在恶劣的工作环境下程序长期运行仍可能失控,且根据不同的情况，造成程序的非正常运行或死机。看门狗就是在程序跑飞或死机时，对系统进行重新置位或复位，使系统恢复正常运行的一种专用方法。常用的看门狗有2种：软件狗和

12、硬件狗。1硬件看门狗 所谓硬件看门狗（即Watchdog），就是一个能发出“复位”信号的计数器或定时器电路。如图4-19所示。其工作过程是：P1作为看门狗的“喂狗”信号定时给出一脉冲，设其脉冲间隔为ttw2t，当程序正常运行时，每隔t输出一脉冲触发，使始终为低电平，若程序一旦出现异常，不能在tw时间内送出一“喂狗”脉冲，则产生一正脉冲，使微型微机控制系统复位，使其能重新正常运行。2软件看门狗 软件狗实际上就是通常所说的软件陷井。它是在程序存储器的空余地址中全部填上1条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其他指定地址处，从而使程序继续正常运行。 4.5.

13、1 “看门狗”的工作原理 为了保证程序运行监视系统的可靠性，监视系统中必须包括一定的硬件部分，且应完全独立于CPU之外，但又要与CPU保持时时刻刻的联系,Watchdog便能实现这一功能。 Watchdog由一个与CPU形成闭合回路的定时器构成，其工作原理如图4-20所示。图4-20 Watchdog的工作原理示意图 CPU可设计成由程序确定的定时器T1，看门狗被设计成另一个定时器T2，它的计时启动将因CPU的定时访问脉冲P1的到来而重新开始，定时器T2的定时到脉冲P2连到CPU的复位端。两个定时周期必须是T1T2，T1就是CPU定时访问定时器T2的周期，也就是在CPU执行的应用程序中每隔T1

14、时间安插一条访问指令。4.5.2 “看门狗”的使用方法1系统“飞程序”的自动恢复 过程控制程序常常设计成定时循环结构，一般将数据采集和控制周期作为循环周期，即所谓步长。在每个循环中，进行数据采集、调节运算、输出刷新，以及对进程或任务进行调度。如图4-21所示，如此周而复始，一直进行到任务结束或一直进行下去。图中，周期T1=T2=T3=T为工作步长，工作程序执行时间为A，Watchdog定时值为WD。实际工作时，时间A小于步长T，两者之差即为程序等待时间。 当因干扰原因使程序“飞了”，则可由Watchdog产生NMI中断来恢复现场并重新运行。如图4-21所示，若程序在T2周期“飞了”，在第二周期

15、的Watchdog（WD2）发生溢出脉冲。此时（图中B2点）可用T1周期保护起来的数据恢复现场并从T3周期开始正常运行。其间，T2周期虽是乱了一下，但马上又恢复了正常。在T2周期短暂的瞬间系统虽然不正常，但往往不会被操作人员感觉到，看上去如同什么事也未发生。2硬件的故障检测 实际上，Watchdog也常常被用来检测硬件故障。这种硬件故障常常是不可修复的，一旦出现，虽然Watchdog恢复，也不可能克服，表现为Watchdog可能连续产生溢出脉冲，频繁进入中断处理程序。因此，可以在程序设计中规定，凡在一时间间隔内连续数次出错便可判定为硬件故障，从而产生故障报警信号，由人工予以故障诊断和修复。4.

16、5.3 “看门狗”的实现 在许多单片机类的控制器芯片中都含有“看门狗”功能，用时只需在程序中的相关设置对应指令即可，也有专门的用于实现“看门狗”功能的芯片，如X25045/43芯片等。下面对X25045/43芯片作一简单介绍。1X25045/43芯片功能 X25045/43芯片是一种可编程看门狗E2PROM数据存储器，它是简单三总线（SPI总线）工作的串行外设接口和软件协议，它有三种常用的功能：看门狗WDT定时器、电压监控和E2PROM数据存储器。2X25045/43芯片引脚功能CS：芯片片选SO：串行输出SI：串行输入SCK：串行时钟输入WP：写保护输入RESET：X25045为高电平复位输

17、出RESET：X25043为低电平复位输出 3三总线SPI的工作方式 SO是串行数据输出端，数据由串行时钟的下降沿同步输出。 SI是串行数据输入端，所有操作码、字节地址以及写入存储器的数据在此引脚上输入，是由串行时钟的上升沿锁存。 SCK是串行时钟同步脉冲，用于数据的输入和输出的传行总线定时。4.5.4 使用“看门狗”的若干问题 1定时间隔和访问时间的选择2修复质量和程序设计 3修复质量和数据保护 4修复质量与输出刷新 5“看门狗”的失效 6“看门狗”的适用范围 提高系统可靠性的方法有排错设计和容错设计。前面提到的排错设计并不能将干扰完全解决。而容错就是允许系统发生故障，借助冗余技术使其自动抵消，在故障存在的情况下也能使系统正常运行。 在计算机的发展过程中，一直存在着两种相互对立的设计指导思想，第一种为“完善设计”，第二种为“容错设计”。然而，不论所依据的思想是“完善设计”还是“容错设计”，都要求在条件允许的范围内尽量提高可靠性。4.6.1 容错的必要性和可能性 未采用容错技术的微机控制系统，不论它的规模大小，元