第八章计算机控制技术及其应用

第八章抗干扰技术

本章要点：1、干扰的来源与传播途径。2、硬件抗干扰措施。3、程序运行监视系统。返回总目录本章主要内容

引言8.1干扰的来源与传播途径8.2硬件抗干扰措施8.3软件抗干扰措施8.4程序运行监视系统

思考题

计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。但干扰是客观存在的，所以，人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本章主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措。引言8.1干扰的来源与传播途径8.1.1干扰的来源8.1.2干扰的传播途径

8.1.1干扰的来源1、外部干扰。干扰的来源—外部：由使用条件和外部环境因素决定。 内部：由系统的结构布局、制造工艺所引入。

动画链接2、内部干扰--由系统的结构布局、制造工艺所引入的。如图所示。

动画链接8.1.2干扰的传播途径干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。

动画链接1．静电耦合－电场通过电容耦合途径窜入其它线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。

动画链接2．磁场耦合－通过导体间的互感耦合进来的。干扰来源－导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导线2为与之相距 1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感 应到的干扰电压Un高达几十毫伏。若导线2是连接热电偶的信号 线，则这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。如图一个公共电源线的阻抗耦合示意图。3．公共阻抗耦合

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在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。反之，也如此。

8.2硬件抗干扰措施

引言8.2.1串模干扰的抑制8.2.2共模干扰的抑制8.2.3长线传输干扰的抑制

8.2.4信号线的选择与敷设

8.2.5电源系统的抗干扰

8.2.6接地系统的抗干扰

引言

了解了干扰的来源与传播途径，我们就可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措施中，除了按照干扰的三种主要作用方式——串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。抑制串模干扰－双绞线与滤波器

动画链接8.2.1串模干扰的抑制串模干扰--指迭加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中。表现形式与产生原因--Us为信号源，Un为串模干扰电压，邻近导线(干扰线) 有交变电流Ia流过，由Ia产生的电磁干扰信号就会通过分布电容 C1和C2的耦合，引至计算机控制系统的输入端。图串模干扰1．双绞线做信号引线双绞线－－由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为了增强抗 干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织物或护套 形成屏蔽双绞线，实物图如图所示。双绞线抗干扰原因－－外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成 相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰作 用。应用场合－－可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps抑制效果（不同节距而言）：节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行线1102．引入滤波电路硬件滤波器分类－－低通、高通、带通等滤波器。低通滤波器－适用干扰频率比被测信号频率高；高通滤波器－干扰频率比被测信号频率低；带通滤波器－干扰频率落在被测信号频率的两侧；实现电路－－采用电阻R、电容C、电感L等构成滤波器；

动画链接无源滤波：缺点是对有用信号也会有较大的衰减。有源滤波器：特点是把增益与频率特性结合起来。对于小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器，不仅达到滤波效果，而且能提高信号的增益。

动画链接8.2.2共模干扰的抑制共模干扰－－指计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入 端上共有的干扰电压，可以是直流电压，也可以是 交流电压；幅值－达几伏甚至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计 算机等设备的接地情况。表现形式与产生原因－－原因是不同“地”之间存在的电压；抑制方法：有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。图共模干扰1．变压器隔离－－原理将“模拟地”与“数字地”断开。 被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压 由于不成回路而得到有效的抑制。

动画链接图变压器隔离2．光电隔离光电耦合隔离器--用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号 而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。举例－数字量/开关量输入输出通道;继电器输出驱动电路 A/D与CPU或CPU与D/A的数字信号。

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动画链接图光电耦合隔离器的数字信号隔离

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动画链接模拟信号隔离－利用光耦隔离器的线性放大区进行隔离电磁干扰模拟数字信号光耦隔离优缺点：模拟信号隔离优点－使用少量的光耦，成本低； 缺点－调试困难，光耦挑选不适，影响系统精度数字信号隔离优点－调试简单，不影响系统的精度； 缺点－使用较多的光耦器件，成本较高。目前在实际工程中主要使用光耦隔离器的数字信号隔离方法。因光耦的价格越来越低廉。

动画链接3．浮地屏蔽浮地屏蔽--利用屏蔽层使输入信号的“模拟地”浮空，使共模输入阻抗提高，共模电压在输入回路中引起的共模电流减少，抑制了共模干扰来源，使共模干扰降至很低，图给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。Zs1、Zs2为信号源内阻;Zs3为信号线屏蔽电阻Zc1、Zc2为放大器输入端对内屏蔽层的漏阻抗Zc3为内屏蔽层与外屏蔽层之间的漏阻抗设计要求Zc3/1/2＞＞Zs3/2/1从而UsUcm在Zs3/2/1分压降低，减少干扰图浮地输入双层屏蔽放大电路长线传输干扰来源－－当信号在长线中传输时，由于传输线 的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输 线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为 入射波。若电阻不匹配，入射波到达终端时会 引起反射。内容：1．波阻抗的测量 2．终端阻抗匹配 3．始端阻抗匹配8.2.3长线传输干扰的抑制1．波阻抗的测量实现－－波阻抗的测量如图所示，传输信号与非门加入传输线 双绞线，在传输线始端通过标准信号，用示波器观察门A 的输出波形，调节传输线终端的可变电阻R，当门A输出 的波形不畸变时，即是传输线的波阻抗与终端阻抗完全 匹配，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻 抗，即RP＝R。为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻抗一般在100～200Ω之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约50～100Ω范围。2．终端阻抗匹配简单终端阻抗匹配方法－波阻抗RP＝R，实现终端匹配。此方法缺点－若终端电阻变低，则加大负载，使波形的高平下降，从而降 低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。方法2－避免上述方法的缺点。适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。 优点－波形的高电平下降较少， 缺点－低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力为了同时兼 顾高电平和低电平两种情况。 可选取R1=R2=2RP，此时等效电阻R=RP。图终端阻抗匹配3．始端阻抗匹配实现方法－－在传输线始端串入电阻R，如图所示.始端匹配电阻R--R＝RP－RSC（RSC-门A输出低电平时输出阻抗）优点--波形的高电平不变缺点--波形低电平会抬高。其原因是终端门B的输入电流在始端 匹配电阻R上的压降所造成的。图始端阻抗匹配8.2.4信号线的选择与敷设

1．信号线的选择对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济实用这几个方面考虑，而抗干扰能力则应放在首位。（1）信号线类型的选择：在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽 信号线。屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果（dB）备注铜网（密度85%）103：140.3电缆的可挠性好，适合近距离使用铜带迭卷（密度90%）376：151.5带有焊药，易接地，通用性好铝聚酯树脂带迭卷6610：176.4应使用电缆沟，抗干扰效果最好（2）信号线粗细的选择－－从信号 线价格、强度及施工方便等 因素出发，信号线的截面积 在2mm以下为宜，一般采用 1.5mm2和1.0mm2两种。采 用多股线电缆较好，其优点 是可挠性好，适宜于电缆沟 有拐角和狭窄的地方。2．信号线的敷设信号线的敷设要注意以下事项：（1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。表８－３号线和交流电力线之间的最少间距，供布线时参考。电力线容量信号线和电力线之间的最少间距（cm）电压（V）电流（A）1251012250501844020024500080048（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件：①电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接，如图8-17（a）所示。②电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在15cm以上，如图8-17（b）（c）所示；如果电源电缆无屏蔽，且为交流电压220VAC、电流10A时，两者间距应在60cm以上。③电源电缆使用屏蔽罩，如图8-17（d）所示。8.2.5电源系统的抗干扰

计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要从以下2个方面考虑：

1．交流电源系统 2．直流电源系统干扰原因－理想交流电是50HZ的正弦波。但实际上，由于负载变动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，持续时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的“死机”，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。1．交流电源系统措施：(1)尽量选用供电比较稳定的交流电源线作为电源进线（2）利用干扰抑制器消 除尖峰干扰（3）采用交流稳压器稳 定电网电压（4）利用UPS保证不中断供电正常供电：采用交流稳压器支路断电时采用UPS（包括电池充电器、电池组、逆变器）（5）后面（5）掉电保护电路目的－为了防止掉电后RAM中的信息丢失；方法－可以采用镍电池对RAM数据进行掉电保护。原理－系统电源正常工作时，由外部电源+5V供电，A点电平高于备用电 池（3V）电压，VD2截止，存储器由主电源（＋5V）供电。 系统掉电时，A点电位低于备用电池电压，VD1截止，VD2导通， 由 备用电池向RAM供电。 系统恢复供电时，VD1重新导通，VD2截止，又恢复主电源供电。注：在无掉电保护的电路，掉电之前应申请中断，保护当前参数。2．直流电源系统（1）交流电源变压器的屏蔽把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏蔽和电磁屏蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，通常将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层与铁心同时接地，如图8-23（a）所示。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构，如图8-23（b）所示。（2）采用直流开关电源直流开关电源是一种脉宽调制型电源，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围大、电网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。（3）采用DC-DC变换器DC-DC变换器有升压/降压型，具有体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、环境温度范围广等优点。（4）为每块电路板设立独立的直流电源目的－－防止板与板之间的相互干扰；每个功能板单独对电压过载进行保护，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破坏，而且也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供电的可靠性，也有利于电源散热。（5）集成电路块的VCC加旁路电容目的－－降低集成电路的开关噪声8.2.6接地系统的抗干扰广义的接地含义----接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，称浮地连接。正确合理的接地目的----一是工作接地:保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰;二是保护接地:避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备安全。

计算机控制系统中的地线：模拟地--作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中 模拟电路的零电位。数字地--作为计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟地 分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地--上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为 基准零电位。交流地---计算机交流供电的动力线地或称零线，交流地也容 易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述 几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要 好，绝对避免漏电现象。保护地---也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机壳 与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备 安全。接地处理1．单点接地与多点接地原则－－低于1MHZ低频电路应单点接地，避免形成产生干扰的地环路； 高于10MHZ高频电路应就近多点接地，避免“长线传输”引入的干扰。 1~10MHZ之间，若采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20， 否则应采用多点接地方式。图单点接地方式2．分别回流法单点接地构成－－汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。目的－－采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地（机壳地）始终与模拟地和数字地隔离开。这些地之间只是在最后才汇聚一点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小 于30mm2的多股软铜线焊接在接地板上深埋地下。图单点回流法接地方式3．输入系统的接地实现方法－－屏蔽接地。屏蔽层接地原则－－单点接地。输入信号源接地电路－－有接地和浮地两种情况。在图（a）中，信号源端接 地，而接收端放大器浮地，则屏蔽层应在信号源端接地（A点）。而 图（b）却相反，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接 地（B点）。目的－－避免在屏蔽层与地之间的回路电流，从而通过屏蔽层与信号线间的 电容产生对信号线的干扰。一般输入信号比较小，而模拟信号又容 易接受干扰。因此，对输入系统的接地和屏蔽应格外重视。图输入系统接地方式高增益放大器常常用金属罩屏蔽起来，但屏蔽罩的接地也要合理，否则将引起干扰。放大器与屏蔽罩间存在寄生电容，如图（a）所示，由图（b）的等效电路可以看出，寄生电容C1和C2使放大器的输出端到输人端有一反馈通路，如不将此反馈消除，放大器可能产生振荡。解决的办法就是将屏蔽罩接到放大器的公共端，如（C）所示。这样便将寄生电容短路了，从而消除了反馈通路。图放大器公共端接屏蔽罩4．印制线路板的地线分布设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽 度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。（3）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。（4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地 分开。5．主机系统的接地计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。下面介绍三种主机接地方式。（l）全机一点接地实现－－计算机控制系统的主机架内采用分别回流法接地方式。主机地 与 外部设备地的连接采用一点接地。为了避免多点接地，各机 柜 用绝缘板垫起来。优缺点－－这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力，一般接地电 阻 选为4~10Ω左右。接地电阻越小越好，但接地电阻越小，接 地 极的施工就越困难。图全机一点接地（2）主机外壳接地，机芯浮空目的－－提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮空，如图所示。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。（3）多机系统的接地在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用类似图8-28那样的多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。图全机一点接地8.3软件抗干扰措施

引言

8.3.1指令冗余技术

8.3.2软件陷阱技术引言在控制系统的输入输出通道中，采用数字滤波方法，即采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，而对于那些可能穿过通道而进入CPU的干扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使CPU恢复正常工作。8.3.1指令冗余技术所要解决的问题－－当计算机系统受到外界干扰，破坏了CPU正常的工作时序，可能造成程序计数器PC的值发生改变，跳转到随机的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指令上，程序便自动纳入正轨；当程序跑飞到某一双字节指令上，有可能落到其操作数上，则CPU会误将操作数当操作码执行；当程序跑飞到三字节指令上，因它有两个操作数，出错的机率会更大。解决方法－－采用指令冗余技术，即在程序中人为地插入一些空操作指令NOP或将有效的单字节指令重复书写。由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的程序在遇到该指令后，能够调整其PC值至正确的轨道，使后续的指令得以正确地执行。原则－－在对程序流向起决定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指令之前都应插入两、三条NOP指令，还可以每隔一定数目的指令插入NOP指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数，但不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了。解决这个问题还必须采用软件容错技术，使系统的误动作减少，并消灭重大误动作。8.3.2软件陷阱技术指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的，首先跑飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当跑飞的程序落到非程序区(如EPROM中未使用的空间、程序中的数据表格区)时，对此情况采取的措施就是设立软件陷阱。软件陷阱－－在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一 条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址， 在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。举例－－若我们把这段程序的入口标号称为ERROR的话，软件陷阱即 为一条JMPERROR指令。软件陷阱是由3条指令构成：

NOP NOP JMPERROR软件陷阱使用地方：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间，程序中的数据表格区程序区中一些指令串中间的断裂点处。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序的执行效率，在当前EPROM容量不成问题的条件下，还应多多安插软件陷阱指令。

8.4程序运行监视系统8.4.1WatchdogTimer工作原理8.4.2WatchdogTimer实现方法工业现场难免会出现瞬间的尖峰高能脉冲干扰，可能会长驱直入作用到CPU芯片上，使正在执行的程序跑飞到一个临时构成的死循环中，这时候的指令冗余和软件陷阱技术也无能为力，系统将完全瘫痪。此时必须强制系统复位，摆脱死循环。由于操作者不可能一直监视系统，这就需要一个独立于CPU之外的监视系统，在程序陷入死循环时，能及时发现并自动复位系统，这就是看守大门作用的程序运行监视系统，国外称为“WatchdogTimer”，即看门狗定时器或看门狗。8.4.1WatchdogTimer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。因此，程序运行监视系统是硬件电路与软件程序的巧妙结合。图8-30给出了WatchdogTimer的工作原理。CPU可设计成由程序确定的定时器1，看门狗被设计成另一个定时器2，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2的定时到脉冲P2连到CPU的复位端。两个定时周期必须是T1＜T2，T1就是CPU定时访问定时器2的周期，也就是在CPU执行的应用程序中每隔T1时间安插一条访问指令。工业现场难免会出现瞬间的尖峰高能脉冲干扰，可能会长驱直入作用到CPU芯片上，使正在执行的程序跑飞到一个临时构成的死