智能仪表中运用抗干扰措施的体会

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模拟信号输入 干扰信号作用于模拟信号后， 使 - / 0 转换结果
偏离真实值， 必须经过数字滤波， 即经过多次采样， 并经某种处理后使采样值具有可信度。 对于数字 滤波方法的选择要有针对性， 依据信号本身变化特 点， 采用一定的数字滤波方法。 （! ） 程序判别法。对于温度、 湿度、 液位等物理 参数的采样过程， 其变化需要一定时间， 相邻两次 采样值之间的变化也有一定限度， 所以可以凭经验 定出最大可能范围，对前后两次采样值进行比较， 如果变化幅度不超过经验值，则本次采样有效， 否 则本次采样无效， 以上次采样为准。图 4 为程序判 别法框图。 （’ ） 算术平均值法。此法适用于流量等这类平 滑的信号， 其特点是有一个平均值， 信号在某一数
!*+ %,- 本身抗干扰设计 当干扰作用到 ’() 本身时 （即通过干扰三总线 等） ， 会出现程序 ’() 将不能按正常状态执行程序，
跑飞和非法死循环等现象。通常采取指令冗余、 软 件陷井等软件措施， 在必要时微机可采取程序运行 监视系统， 对程序进行监视， 一旦失控， 便自动复位 保护。程序运行监视系统的原理是利用软件程序让
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硬件滤波电路 经传感器转换和放大后的电信号， 由于测量现
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低通滤波器 电源对系统的干扰大部分是高次谐波， 因此采
收稿日期： ’""*+",+")
场的电磁干扰、传感器本身以及放大电路等的影
自动化与仪表 !""#$%& 万方数据
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仪器仪表装置
响， 往往伴有各种频率成分的噪声信号， 严重的情 况下， 这些噪声会淹没待测输入信号， 造成系统无 法获取被测信号。这时， 需要采用滤波措施， 把不需 要的杂散信号抑制掉， 提高系统的信噪比。滤波器 按是否使用有源器件 （放 大 器 ） 可分为有源滤波器 和无源滤波器。无源滤波器由电容、 电阻和电感组 成。有源滤波器由放大器、 电阻和电容等组成， 在低 频 （ !! "#$） 场合中使用时， 有源滤波器性能要比 无源滤波器优越， 通常在音频处理、 测控中使用。 硬件滤波电路的主要缺点是体积大， 需要增加 硬件成本， 如果截止频率很低 （!%&! #$） ， 硬件滤波 就很难胜任， 这时必须配合软件滤波 （数字滤波） 来 实现。
仪器仪表装置
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智能仪表中运用抗干扰措施的体会
林 澜 !， 马坚勇 "
（!"宁波如升实业有限公司， 浙江 宁波 #!$%!& ； &"宁波市机电工业研究设计院）
摘要： 着重分析智能仪表中电源干扰、 过程通道干扰的起因及其相应的硬件措施， 并且阐 述了印刷电路板设计中需遵循的抗干扰原则， 同时还论述了软件抗干扰的设计。 关键词： 干扰抑制； 智能仪表； 滤波； 监视保护 中图分类号： #$%&’ ； #("!) 文献标志码： *
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地线布局 （" ） 数字地与模拟地应分开， 两者的走线不要
相混， 分别与电源端的地线相连， 要尽量加大线性 接地线要尽量加粗， 接地线过 电路的接地面积。 （# ） 细， 接地电位则随电流的变化而变化， 影响信号的 稳定性。一般要使印刷电路板上的允许通过电流不 低于实际通过电流的 % 倍。 （% ） 接地线构成闭环路。 一般一块印刷电路板上有很多集成电路， 如果耗电 多的话， 因受到线条粗细限制， 地线产生了电位差， 采用接地线闭环路设计， 电位差就会缩小。
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对于过程通道干扰
一般智能仪表中所处理的信号多为低电压信
号， 有些只有几十 23， 有时信号源与测量系统还必 须用几十 2 甚至几百 2 长的电缆相连接， 很容易使 周围强电设备的干扰破坏过程通道的数据采集和 实时控制。通常采用以下办法：
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对于电源干扰
用于工业控制中的智能仪表通常与工业系统
共用一个电源，工业系统中各类大功率设备的启 动、 开关的通断等都会产生很大的干扰信号， 由于 任何电源及输电线路都存在内阻， 电源噪声便在线 路中建立干扰电压。这些来自电源的干扰往往会破 坏微机的正常运行， 通常采用以下办法：
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引言
从事智能仪表开发的人员经常会遇到这样的
用 低 通 滤 波 器 使 )" 01 的 基 波 通 过 ， 滤 掉 高 次 谐 波， 以改善电源波形。低通滤波器是由电感和电容 组成的 !" 滤波网络。
问题： 一台刚开发出来的所谓 “合格” 样机拿到工业 现场去实际使用， 却不能正常工作， 现场状况变化 后控制就会乱套甚至死机。这是工业现场对微机系 统的干扰问题，必须设法找出病因—— — “干扰源” ， 对症下药才能使系统真正适应工业现场的环境。
’() 经常访问某一硬件，若 ’() 在规定时间内
没有访问， 则硬件就自动让 ’() 恢复正常工作。图
$ 为一实用 *+,-./01 硬件电路。
系统正常运行时， 微机一端口输出连续的脉冲 ， 电压 & 2 （可对该端口定时取反来实现） & 2 经整流、 滤波处理后得到一较为平滑的电压 & 3， 使此电压 & 3
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软件抗干扰
硬件抗干扰措施并不能完全解决系统的抗干
扰问题，还必须配合各种软件抗干扰措施加以解 决。软件抗干扰措施方面， 以下主要介绍数字信号 输入、 模拟信号输入 （数字滤波） 和 123 本身的抗干 扰的设计。
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数字信号输入 干扰信号具有作用时间短，呈毛刺状的特点。
在采样某一信号时可重复采样， 直到连续两次或两 次以上采样信号结果完全一致时方为有效。若多次 采样的信号不一致， 则可停止采样， 同时发出报警 信号 （见图 ’） 。
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引言
某型导弹地面电缆网具有结构复杂、 芯数多的
相应的功能模板。系统硬件结构见图 " 。
特点， 测试工作量非常大。目前电缆检测仍处于手 动测试阶段， 测试速度慢， 可靠性差， 效率低。依据 部队的实际需要， 研究开发电缆自动测试仪显得尤 为重要和迫切。本测试仪采用先进的嵌入式计算机 控制 技 术 ， 利用数据库管理和信息显示技术， 对结 构复杂的电缆网进行检测， 将电缆基本信息和测试 信息以数据库形式进行管理， 以数据库控制测试进 程， 实现了测试仪软硬件的通用化、 模块化、 标准化 设计。测试仪具有显示信息丰富直观、 测试准确、 测 试效率高等优点，是连线繁杂设备测试的必备工 具。 嵌入式 5)6"/1 计算机是测试系统的核心部件， 控制测试系统按测试逻辑次序和测试流程动作， 并 以良好的人机界面显示测试仪器工作状态和电缆 测试结果。
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过压保护电路 在过程通道中，如果没有采用光电隔离措施，
需用一定的过压保护电路，以防止引入过高电压， 伤害微机系统。过压保护电路由限流电阻和稳压管 组成。选择限流电阻要适宜， 太小起不到保护稳压 管的作用， 太大会引起信号衰减。选择稳压管也要 适宜， 其稳压值以略高于传送信号为宜， 太低将对 有效信号有限幅作用， 使信号失真。在信号微弱 （! 时， 通常用两只反并联的二极管来代替稳压 %&’ (） 管， 同样可以起到过压保护作用。
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双绞线传输 在智能仪表的长线传输中， 双绞线是一种较常
图% 数字信号输入程序框图
用的传输线。双绞线能使各个小环路的电磁感应干 扰相互抵消， 其分布电容为几十 )*， 距离信号源近， 可起到积分作用。在长线传输中， 往往采用电流传 输代替电压传输以获得较好的抗干扰能力。例如： 传感器通过长线传输输出 %+!% ,- 的电流信号， 在 接收端可并联一个 .%% ! 的精密电阻， 将此电流转 换为 %+. ( 的电压信号，然后送入 - / 0 转换器供 主机处理， 见图 !。
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电源隔离技术 将系统与输入、 输出以及与系统相关ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的接口
隔离开， 使被隔离的各部分均由独立的隔离电源供 电， 以切断由电源串入的各种干扰。隔离电源的设 计通常采用两种办法： ! 使用具有无直接关联的变 压器的几组次级输出电压分别进行整流、 滤波等处 理， 以获得不同地的直流电源。这种方法能有效地 抑制高频干扰对系统的影响。"采用具有直流隔离 功能的 -. / -. 变换器。
图!
电流输入电路
据范围附近作上下波动。其算式如下：
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!" 万方数据
仪器仪表装置 4& 5这样比较器 6’ 输出低电平，此时 789: 端为低
电平， 复位不起作用， ’() 正常工作。当程序跑飞或 非法死循环时，微机端口不能输出连续的脉冲信 号， 出现脉冲漏失现象， 使 & 3 && 5， 此时比较器 6’ 输 出 & ; 为高电平，这一高电平 & ; 给 789: 端一复位 脉冲， 强制使 ’() 复位， 从而使程序退出死循环。
自动化与仪表 !""#$%& 万方数据
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仪器仪表装置
文章编号： "//"0&&112(//13/,0//(.0/’
基于嵌入式计算机的某型导弹地面电缆网自动测试仪
刘 博! 李洪儒! 李永军 ! 韩
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东
（军械工程学院， 河北 石家庄
摘要： 针对某型导弹地面电缆网内部连接复杂， 现有检测设备落后的特点， 设计了一种基于 嵌入式计算机的地面电缆网自动测试仪。介绍了该测试仪的组成结构和测试原理。 关键词： 嵌入式计算机； 电缆网； 自动测试； 数据库 中图分类号： "#$%& 文献标志码： ’
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光电隔离 在开关量输入、 输出通道中， 为防止现场强电
磁干扰， 需要进行通道隔离， 通常采用光电隔离技 术， 实现 “电—光—电” 的转换。光信号的传输不受 电场、 磁场的影响， 可以有效地隔离电信号。利用光 电隔离实现通道隔离时， 要注意被隔离的通道两侧 必须单独使用各自电源， 即用于驱动发光管的电源 与驱动光敏管的电源不应是共地的电源， 对于隔离 后的输出通道必须单独供电， 否则如果使用同一电 源，外界干扰信号可能通过电源串到系统中来， 这 就失去了隔离的意义。对于数字信号， 光耦合器件 进行传输是没有问题的， 对于模拟信号， 可以用线 性光耦合器件来传输。
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电源线布局 电源线的布局要根据电流的大小， 尽量加粗线
路的宽度， 同时要使电源线、 地线的走向与数据传 递方向一致， 这样有助于增强抗噪声能力。
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去耦电容的配置 （" ）原则上每块集成块都应安置一个 ;<;" !=
的陶瓷电容， 如果印刷电路板空间有限， 可每 $>"; 个芯片安置一个 ">"; != 的钽电容， 钽电容具有高 频阻抗特别小的特点， 而且漏电流也很小 （不到 " !?） （#） 对于抗噪声能力弱， 关断时电流变化大的器件 应在芯片的电源线 （& --） 和 如 7@A， 7?A 存储器件， 地线 （BCD） 间直接接入去耦电容。 （% ） 去耦电容的 引线不宜太长， 特别是高频旁路电容不能带引线。
图$ 测试系统硬件结构
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系统组成
硬件结构 测试系统以 5)6"/1 嵌入式计算机为核心， 配以
收稿日期： 修订日期： (//1+/’+"( ； (//1+/4+(/
5)%6’4(1 数字 789 卡是计算机数据输入输出 通道。它提供 :;<=/ —:;<=, 共 . 个 > 位数字输入输
作者简介： 刘博 2"&.4 — 3男， 硕士研究生， 主要研究方向为装备自动测试研究。
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实用 "#$%&’() 硬件电路
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程序判别法框图
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印刷电路板及电路的抗干扰设计
印刷电路板是智能仪表中元器件、信号线、 电
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源线高度密集的区域， 印刷电路板的设计并不是元
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器件、 线路的简单组合， 必须依据一定的抗干扰原 则加以设计。
式中： ! 为数字滤波输出； " 为采样次数； $% 为 第 % 次采样值。 算术平均值法对 " 值的选取有讲究， 一般流量 取 "!"#， 若为压力， 通常取 "!$ 。 （%） 中值滤波法。对于变化缓慢的信号如温度 参数， 采用中值滤波法有良好的效果， 能有效地滤 去由于偶然因素引起的波动或采样器的不稳定造 成的误码等引起的脉冲干扰。中值滤波是在 % 个采 样周期内， 连续采样读入 % 个检测信号 $ "， $ #， $% 从 中选择 " 个大小居中的数据作为有效信号。其算术 表达式为： 若 $ "& $ #& $ %， 则 $ # 为有效信号。