第12章 数据采集系统的抗干扰设计

1、第第12章章 数据采集系统及其抗干扰数据采集系统及其抗干扰 数据采集是指把被测对象的各种模拟量（如数据采集是指把被测对象的各种模拟量（如:温温度、压力、流量、位移等）通过传感器作适当变化后，度、压力、流量、位移等）通过传感器作适当变化后，再经过信号调理、采样、量化、编码等步骤，最后由再经过信号调理、采样、量化、编码等步骤，最后由计算机进行存储、显示或打印、传输的过程。计算机进行存储、显示或打印、传输的过程。 12.1 研究意义研究意义12.2 系统结构形式系统结构形式 典型的数据采集系统典型的数据采集系统由硬件和软件由硬件和软件组成。组成。 按硬件结构分，有三种结构形式：按硬件结构分，有三种结

2、构形式： 单个微型计算单个微型计算机数据采集系统、机数据采集系统、 集散型数据采集系统以及分布式数集散型数据采集系统以及分布式数据采集系统。据采集系统。 由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持保持器、器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。转换器、计算机及外设等部分组成。传感器传感器传感器传感器模拟开关程控放大采样 /保持器A/D 转 换 器定时与逻辑控制接口计算机显示器打印机绘图机被测物理量微型计算机数据采集系统框图微型计算机数据采集系统框图 单机控制单机控制采集处理系统采集处理系统1、传感器：、传感器： 完成非电量到电量的转换过程。完成非电

3、量到电量的转换过程。 传感器的种类很多，比如：温度检测的金属热电阻、传感器的种类很多，比如：温度检测的金属热电阻、热敏电阻、热电偶；用于位移检测的电容传感器、电感热敏电阻、热电偶；用于位移检测的电容传感器、电感传感器；用于压力检测的电阻应变片、压电传感器等。传感器；用于压力检测的电阻应变片、压电传感器等。2、（程控）放大器：、（程控）放大器： 用于放大和缓冲输入模拟信号。用于放大和缓冲输入模拟信号。类型有测量放大器、隔离放大器、程控放大器等。类型有测量放大器、隔离放大器、程控放大器等。滤波器滤波器（除噪声除噪声） 滤波器的类型有低通、高通、带通滤波器。一般滤波器的类型有低通、高通、带通滤波器。

4、一般都采用有源滤波器。都采用有源滤波器。 3、多路模拟开关：、多路模拟开关： 多路模拟开关用在转换速率不高的场合。由多路模拟开关用在转换速率不高的场合。由N个个通道选择信号选择通道选择信号选择2N个模拟通道之一。个模拟通道之一。4、采样、采样/保持器：保持器： A/D转换需要一定的时间，在这转换需要一定的时间，在这段时间内希望段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号大小不改变，转换器输入端的模拟信号大小不改变，以保证转换精度。以保证转换精度。 采样保持器的改进可提高数据采集系统的采样频采样保持器的改进可提高数据采集系统的采样频率。率。5、A/D转换器：转换器：是整个模拟通道部分的核心，其作是整

5、个模拟通道部分的核心，其作用是完成模拟采样信号的量化与编码。用是完成模拟采样信号的量化与编码。 A/D转换器的输出可以并行或者串行送给计算机。转换器的输出可以并行或者串行送给计算机。6、数字信号处理：、数字信号处理： 主要由计算机借助不同的软件主要由计算机借助不同的软件实现，包括：二次数据计算（平均值、累加值、变实现，包括：二次数据计算（平均值、累加值、变化率、差值、最大值和最小值等），时间序列分析，化率、差值、最大值和最小值等），时间序列分析，趋势分析，突变情况分析等。趋势分析，突变情况分析等。 处理后的数据需要存储、显示、打印、发送，以处理后的数据需要存储、显示、打印、发送，以便后续控制。

6、便后续控制。一、系统遭受的干扰类型及其危害；一、系统遭受的干扰类型及其危害；二、干扰的来源；二、干扰的来源；三、硬件抗干扰方法；三、硬件抗干扰方法；四、软件抗干扰方法；四、软件抗干扰方法；五、系统设计时减少干扰发生的方法；五、系统设计时减少干扰发生的方法；12.3 系统的抗干扰技术系统的抗干扰技术干扰就是系统内部或外部对有用信号的启不良作用的或无用干扰就是系统内部或外部对有用信号的启不良作用的或无用的信号的统称。的信号的统称。 数据采集系统常会受到来自外部的各种电数据采集系统常会受到来自外部的各种电气干扰，自身内部相互干扰，以及对工作环境造成干扰。气干扰，自身内部相互干扰，以及对工作环境造成干

7、扰。一、一、 干扰的类型及危害干扰的类型及危害一、危害：一、危害： 1、测量结果误差加大、测量结果误差加大 干扰信号与有用信号叠加，会加大信号误差，有时甚至淹没干扰信号与有用信号叠加，会加大信号误差，有时甚至淹没有用信号。有用信号。2、控制系统失灵、控制系统失灵 某些控制信号通常依赖于某些的状态输入信号和对这些信号某些控制信号通常依赖于某些的状态输入信号和对这些信号逻辑处理结果。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，将导致输出控制失灵。信息，将导致输出控制失灵。3、程序运行失常、程序运行失常 外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响

8、程序的正常运行。外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。如：外界干扰导致单片机程序计数器如：外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程序值的改变，则破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的的正常运行。由于受干扰后的PC值是随机的，程序将执行一系列值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，这将使输出严重混乱或死机。毫无意义的指令，这将使输出严重混乱或死机。二、干扰的表现形式二、干扰的表现形式1、机械干扰、机械干扰 系统所处现场的机械振动、机械冲击，会造成系统中各元系统所处现场的机械振动、机械冲击，会造成系统中各元件相对位移，导线的扭曲，应变片的变形等件相对位移，导线的扭曲，应

9、变片的变形等。 防护防护：采用：采用各种减震措施，如：利用减震弹簧、减震橡皮垫，加装海绵各种减震措施，如：利用减震弹簧、减震橡皮垫，加装海绵等。等。2、热干扰、热干扰 指设备或系统元件由于工作温度波动而引起的电路参数的指设备或系统元件由于工作温度波动而引起的电路参数的变化或产生附加电动势等。变化或产生附加电动势等。 防护：防护：采用热屏蔽采用热屏蔽 ，用导热性能较好的金属材料做成屏蔽，用导热性能较好的金属材料做成屏蔽罩，将系统某些元件屏蔽起来。如：加电风扇、加恒温槽、罩，将系统某些元件屏蔽起来。如：加电风扇、加恒温槽、采用温度补偿、采用差动输入方式等。采用温度补偿、采用差动输入方式等。二、干扰

10、的表现形式二、干扰的表现形式3、光干扰、光干扰 系统中的各种半导体元器件都对光敏感，光电强弱会引起系统中的各种半导体元器件都对光敏感，光电强弱会引起元器件的电动势或阻值变化。元器件的电动势或阻值变化。 防护防护：采用半导体封闭技术，将其封闭在不透光的壳体内。：采用半导体封闭技术，将其封闭在不透光的壳体内。4、湿度干扰、湿度干扰 湿度的变化也会引起阻值的变化，漏电流的增加。湿度的变化也会引起阻值的变化，漏电流的增加。 防护防护：采用适当的干燥措施。：采用适当的干燥措施。5、化学干扰、化学干扰 化学物质对系统器件的腐蚀、损害等。化学物质对系统器件的腐蚀、损害等。 防护：采用良好的密封措施以及注意保

11、持清洁。防护：采用良好的密封措施以及注意保持清洁。二、干扰的表现形式二、干扰的表现形式6、电磁干扰、电磁干扰 电或磁通过电路和磁路对系统产生的干扰作用、电磁感应电或磁通过电路和磁路对系统产生的干扰作用、电磁感应作用、使电场和磁场都会产生感应电动势，感应电流，影响作用、使电场和磁场都会产生感应电动势，感应电流，影响测量结果。测量结果。 防护防护：加装金属罩，屏蔽电磁场等。：加装金属罩，屏蔽电磁场等。7、射线辐射干扰、射线辐射干扰 指多种辐射射线使气体电离，使半导体激发出电子指多种辐射射线使气体电离，使半导体激发出电子-空穴对，空穴对，金属溢出电子等。金属溢出电子等。 防护防护：射线防护是一门专门

12、技术主要用于原子能工作。：射线防护是一门专门技术主要用于原子能工作。干扰产生的三要素干扰产生的三要素干扰产生有三个要素：干扰源、传播路径、敏感元件，三者干扰产生有三个要素：干扰源、传播路径、敏感元件，三者缺一不可。缺一不可。 敏感元件：敏感元件：系统中一些易被干扰元件，如系统中一些易被干扰元件，如A/D转换器、转换器、D/A转转换器、信号放大器等。换器、信号放大器等。7.2 干扰产生原因干扰产生原因干扰源：干扰源：如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号。雷电、太阳和宇宙射高压电线等都可以产生空中电磁信号。雷电、太

13、阳和宇宙射线也属于干扰源。线也属于干扰源。 传播路径：传播路径：电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的辐射电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的辐射方式传播；以及借助导线传入设备的传播的传导方式传播；方式传播；以及借助导线传入设备的传播的传导方式传播；都会受到干扰信号影响。都会受到干扰信号影响。7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术一一 、抑制干扰源、抑制干扰源 抑制干扰源的常用措施除选用特殊性能的电源外，重要抑制干扰源的常用措施除选用特殊性能的电源外，重要的措施是的措施是屏蔽屏蔽。 为减少为减少交流电源的干扰交流电源的干扰，可采用交流稳压器、不间断电源，可采用交流稳压器、不间断电源（UPS）、

14、隔离变压器、低通滤波器等，以抑制电源电压的）、隔离变压器、低通滤波器等，以抑制电源电压的波动和干扰噪声。波动和干扰噪声。 屏蔽技术屏蔽技术是利用导电或导磁材料制成的壳状屏蔽体，将干是利用导电或导磁材料制成的壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。合通道，阻止其电磁能量的传输。 例如：屏蔽双胶线可抵御静电和电磁感应干扰；屏蔽房抵例如：屏蔽双胶线可抵御静电和电磁感应干扰；屏蔽房抵御电磁信号传输。御电磁信号传输。二、隔离技术切断干扰信号通道二、隔离技术切断干扰信号通道 隔离隔离是指把干扰源与

15、接收系统隔离开来，有用信号可正常是指把干扰源与接收系统隔离开来，有用信号可正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。 1、光电隔离、光电隔离 它指以光信它指以光信号在隔离的发送端和接收端之间号在隔离的发送端和接收端之间进行信号传输的，所用的器件是进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。光电耦合器。 由于光信号传输信息时，不由于光信号传输信息时，不会和其输入和输出的电信号进行会和其输入和输出的

16、电信号进行直接耦合，因而具有较强的隔离直接耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。和抗干扰的能力。二、隔离技术切断干扰信号通道二、隔离技术切断干扰信号通道7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2、变压器隔离、变压器隔离 变压器仅能传输交流信号，可用来阻变压器仅能传输交流信号，可用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。除此之外，还要适合具体电路的隔离技术。除此之外，还要适合具体电路的隔离技术。例如：为防止信号传输过程受到干扰信号影响，采用实时例如：为防止信号传输过程受到干扰信号影响，采用实时选频、跳频、扩频、高频自适应技术。选频、跳频、

17、扩频、高频自适应技术。例如：为工业控制系统的噪声干扰，采用继电器隔离。继例如：为工业控制系统的噪声干扰，采用继电器隔离。继电器的线圈传信号，触点接收信号。电器的线圈传信号，触点接收信号。三、三、附加滤波电路附加滤波电路7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术滤波电路是抑制干扰的一种重要方法。由于干扰源发出的滤波电路是抑制干扰的一种重要方法。由于干扰源发出的干扰信号的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，干扰信号的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，采用滤波的方法，只让有用信号的频率成分通过，而将干扰采用滤波的方法，只让有用信号的频率成分通过，而将干扰信号频率成分加以抑制。信号频率成分加以

18、抑制。 滤波电路有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。滤波电路有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。滤波电路信号处理有维纳滤波、卡尔曼滤波等。滤波电路滤波电路信号处理有维纳滤波、卡尔曼滤波等。滤波电路不仅适合硬件方法，也适合软件方法。不仅适合硬件方法，也适合软件方法。四四 、修改设计、修改设计1、系统电路板（、系统电路板（PCB）的设计时，应符合抗干扰设计要求。）的设计时，应符合抗干扰设计要求。l 电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号，干扰电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号，干扰源尽可能远离敏感元件。源尽可能远离敏感元件。 l D/A、A/D 转换电路要特别注意地线的

19、正确连接。转换电路要特别注意地线的正确连接。l 系统内部的变频电源、开关电源等可以采用屏蔽保护，隔系统内部的变频电源、开关电源等可以采用屏蔽保护，隔离空间辐射，以减少噪声源对单片机的干扰。离空间辐射，以减少噪声源对单片机的干扰。l 电路板上每个集成电路模块（电路板上每个集成电路模块（IC）要并接一个）要并接一个0.010.1F高频电容，以减小高频电容，以减小IC对电源的影响。这些高频电容对电源的影响。这些高频电容连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，这会影响滤波效果。布线时避免等效串联电阻，这会影响滤波效果。布线时避免

20、90折线，折线，减少高频噪声发射。减少高频噪声发射。7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2、电子线路设备正确接地也是抑制干扰噪声的重要方法。、电子线路设备正确接地也是抑制干扰噪声的重要方法。在低频电路低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地采用一点接地。在高频电路高频电路中，寄生电抗的影响不容忽视，要采用多点接采用多点接地地，以避免各接地点之间的耦合。应用系统中数字地和模拟地应分别接地数字地和模拟地应分别接地，然后再在一起把两种地分别连接起来。印刷电路板对地线的分布、形状、长度和宽度也有一定的要求，比如地线要呈辐射状，避免环行，地线要宽，连接旁路电容的地线不要太长等。应用系统中的数字地

21、、模拟地、强电设备的地、机壳或其他金属构件的屏蔽地应分开布置并在一点上和电源地相连。在采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽地与工作地连在一起。要注意只能在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声。7.3 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术一、数字滤波一、数字滤波1、数字滤波是通过特定的计算程序处理，降低干扰信号在有用信号中的比例，故实质上是一种程序滤波。 2、数字滤波器有以下优点：不需要增加任何硬件设备，需数据处理和控制前，附加一段数字滤波程序即可；不存在阻抗匹配问题；适宜的滤波频率范围宽，而模拟RC滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低；对于多路信号输入通道，可以共用一个滤波器，只要适当

22、改变滤波器程序或参数，就可以方便地改变滤波特性，这对于低频脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效。7.4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 软件抗干扰技术主要包括：信号处理前的数字滤波，削软件抗干扰技术主要包括：信号处理前的数字滤波，削弱干扰信号的影响；信号处理后程序编程，避免干扰信号的弱干扰信号的影响；信号处理后程序编程，避免干扰信号的误操作。误操作。3、数字滤波方法、数字滤波方法 1）限幅滤波）限幅滤波 如果一输入信号增量变化有限度，可采用限幅滤波。 所谓限幅滤波所谓限幅滤波，就是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），如果增量超过限度（最大允许差值y），则仍取上次采样值作为采样值；如果

23、小于或等于y，则取本次采样值。适用范围适用范围：主要用于变化缓慢的参数测量，如温度、液位等。无法抑制增量变化较大的信号。 2）中位值滤波）中位值滤波 中位值滤波是对某一被测量连续采样n次(一般n取为奇数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。 适用范围：同限幅滤波。7.4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 3）平滑滤波）平滑滤波噪声在很多情况下可以近似地认为是白噪声。白噪声具有一个很重要的统计特性，即其统计平均值为零。因此，可以用求平均值的办法来消除随机误差，这就是所谓的平滑滤波。二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施 1.采用指令冗余处理程序采用指

24、令冗余处理程序“跑飞跑飞”所谓程序“跑飞”，是单片机正常运行过程中，遇外界干扰使CPU发生混乱引起“死机” 。程序“跑飞”后，最简单的方法是让CPU复位，让程序重启。 通常采用“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复到正常的状态中。即在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。例如：对于51 单片机来说，通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前插入两条NOP指令。这些指令有RET、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、JBNZ、DJNZ等。值得注意的是，程序中，“指令冗余”不能过多，否则会降低程序的执行效率。7.4 软件抗干扰技术软

25、件抗干扰技术 2采用软件陷阱处理程序“跑飞”采用“指令冗余”，使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的。首先，“跑飞”的程序必须落到程序区；其次，必须执行到所设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区(如EPROM或RAM中未用完的空间或某些数据表格区等)，或在执行到冗余指令前已经形成一个死循环，则“指令冗余”措施失效。这时可采用另一种抗干扰措施，即所谓的“软件陷阱”。“软件陷阱软件陷阱”是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门处理错误的程序。地址，在那里有一段专门处理错误的程序。假设这段处理错误的程序入口地址为ERROR

26、，则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”。 NOP NOP LJMPERROR ；转到预先设计的入口执行二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施 2采用软件陷阱处理程序“跑飞”“软件陷阱”一般安排在下列4种地方。 （1）未使用的中断向量区 AT89S51单片机的中断向量区为0003H002FH。如果系统程序未使用完全部中断向量区，则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱” 。例如，某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0，它们的中断服务子程序入口地址分别为T0_INT0、T0_INT1和T0_T0，即可按下面的方式来设置中断向量区： ORG

27、0000HSTART： LJMP TO_MAIN ；引向主程序入口 ORG 0003H LJMP TO_ INT0 ；INT0中断服务程序入口 NOP ；冗余指令 LJMP ERROR ；陷阱 ORG 000BH LJMP TO_T0 ；T0中断服务程序入口 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 0013H LJMP TO_INT1 ；INTl中断服务程序入门 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 00lBH LJMP ERROR ；未使用T1中断，设陷阱 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 0023H LJ

28、MP ERROR ；未使用串口中断，设陷阱 NOP ；冗余指令 NOP LJMP ERROR ；陷阱 ORG 002BH LJMP ERROR ；未使用T2中断，设陷阱 NOP ；冗余指令 NOPTO_MAIN： ；主程序 2采用软件陷阱处理程序“跑飞” （2）未使用的大片FlashRom空间 程序一般都不会占满FlashRom芯片的全部空间。对于剩余未编程的FlashRom空间，其内容为0FFH。0FFH对于AT89S51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令。如果程序“跑飞到这一区域，则将顺利向后执行，不再跳跃(除非又受到新的干扰)，因此，在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱，就一定能捕捉到

29、“跑飞”的程序。 (3）表格 有两种表格：一类是数据表格，供MOVC A，A+PC指令或MOVC A，A+DPTR指令使用，其内容完全不是指令；另一类是散转表格，供JMP A+DPTR指令使用，其内容为一系列的三字节指令LJMP或二字节指令AJMP。 2采用软件陷阱处理程序“跑飞” (4）程序区 程序区是由一系列的指令构成的。在这些指令中间常常有一些断点，正常的程序执行到断点处就不再往下执行了，这类指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等。CPU执行到这些指令时，PC的值应发生正常跳变。如果在这些指令处设置陷阱，就有可能捕捉到“跑飞”的程序。例如，对一个A累加器的内容的正、负、和

30、零的情况进行三分支的程序，软件陷阱安排如下： JNZ TO_XYZ ；0处理 AJMP ABC_SUB ；断点 NOP NOP LJMP ERROR ；陷阱 TO_XYZ：JB ACC.7，TO_UVW ；正处理 AJMP ABC_SUB ；断点 NOP NOP LJMP ERROR ；陷阱TO_UVW： ；负处理ABC_SUB：MOV A，R2 ；取结果 RET ；断点 NOP NOP LJMPERROR ；陷阱 3使用“看门狗”处理程序“跑飞” 如果“跑飞”的程序落到个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时可采取WATCHDOG(俗称“看门狗”)措施。WATCHDOG有如下特性： 1）能独立工作，不依赖于CPU。CPU只在一个固定的时间间隔内与其打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。 2）当CPU落入死循环后，能及时发现并使整个系统复位。在AT89S系列单片机中，已将“看门狗”功能集成到芯片中。7.4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 4通过“复位”使系统恢复正常 硬件复位是使单片机重新恢复正常工作状态一个简单有效方法。硬件