第五章 材料成型过程控制抗干扰技术

5.2.1 接地技术
1.接地的概念 实际地：大地 地 虚地：以电路系统中某一点电位为基准 接地是指让电子、电器设备的基准电位点与大地保持 同电位。
2.计算机控制系统中地线的形式
数字地作为 逻辑开关网 络的零电位 ，应该与模 拟地分开。
模拟地作为变送器 、放大器、A／D 和D／A转换器中 模拟电路的零电位 。
“看门狗”电路
Watchdog电路是计数器式定时电路。 在WDI端输入一个脉冲(TTL电平，宽度可小至50ns)，定时器开 始计数。若WDI脚悬空或接至高阻态输出的缓冲器上，定时器 则停止计数，并且清零。当定时器启动后，若在1.6s内没有向 WDI端输入脉冲，监控器将输出一个复位信号， RESET端信号 变低，同时定时器被清零。只要RESET为低电平，定时器将一 直停止工作。
1.电磁屏蔽技术原理：
静电屏蔽
用完整的金属屏蔽体将带正电的导体包围起来，金 属屏蔽体接地。
交变电场屏蔽
在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽 体，并将金属屏蔽体接地。就能降低交变电场对敏感 电路的耦合干扰电压。

交变磁场屏蔽
低频磁场屏蔽是利用高导磁率的材料构成磁力线 的低磁阻通路，使大部分磁场被封在屏蔽体内。 高频磁场屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流 的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。
5.3.2 屏蔽技术
屏蔽的作用是隔离电磁场。它只适合防止两种类型的外部 干扰：1）大气噪声、星际干扰、雷电、天体辐射、大功率 电气设备、高压设备等引起的电磁辐射干扰；2）通过静电 感应引入的静电电磁干扰。
常常将屏蔽简化成用金属壳体把测控电路装起来。
1.电磁屏蔽技术原理：
静电屏蔽
用完整的金属屏蔽体将带正电 的导体包围起来，金属屏蔽体接 地。
5.2.4 电源的抗干扰技术

电源的干扰类型

电源线中的高频干扰


感性负载的产生和瞬变的噪声
闸流晶体管通断时所产生的干扰


电网的短时下降干扰
拉闸过程形成的高频干扰
电源抗干扰的基本方法 采用交流稳压器

单相直接调压稳压器原 理图
电源滤波器
由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环 节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带 电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成。低通 有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分 量就称之为纹波。
未使用的中断区（ 89C51为：0003H~002AH
） ●在对应的中断服务程序中设置软件陷阱：
分类供电方式
不同类型的设备分类供电
电 源 交流 滤波 交流电子 稳压器 供主机
交流电子 稳压器
供通道
电源变压器的屏蔽与隔离
在变压器的初级绕组和次级绕组之间加屏蔽层，以屏 蔽高频干扰信号。
隔离变压器：将测控系统和供电电网电源隔离开，消除因 公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响
直流稳压电源采用交流进线滤波器
复位电路
●电源电压Vcc(引脚2)上升到1V时，RESET(引脚7)变为低电平。随着Vcc的继续 提高，一直保持低电平。当Vcc高于复位门限电平时，并不马上变为高电平，而 是要滞后一个复位脉冲宽度（约200ms）后，再变为高电平。 ●当Vcc低于复位门限电平时，RESET并马上变为低电平；即使以后Vcc恢复且高 于复位门限电平，也不马上变为高电平，而是要延时一个复位脉冲宽度。 ●掉电时，Vcc只要低于复位门限电平，RESET立即变为低电平。
本身能独立工作，基本上不依赖于CPU；
CPU在一个固定时间间隔内和该系统打一次交道（喂一次
狗），以表明系统目前尚正常； 当CPU陷入死循环后，能及时发觉并使系统复位。

硬件看门狗（watchdog）的其工作原理
目前的看门狗芯片本身是一个带清除端(“喂狗” 端)和溢出触发器的定时器。其定时器的溢出输出端 (复位端)连接到单片机的复位端。程序在一定时间 范围内对该定时器的清除端（该清除端与单片机的 一个I/O连接）进行清零(俗称“喂狗”) ，该定时 器不能产生溢出，也就不能产生复位信号，因此程 序正常工作。如果单片机因干扰造成程序跑飞后而 陷入某一程序段而进入死循环状态时,而不能在定时 周期内复位看门狗，使得看门狗定时器溢出产生复 位信号并重启系统。
软件陷阱
设计软件陷阱 采取“看门狗”
就是用引导指令强行将捕获的“跑飞”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。
NOP NOP LJMP ERR
两条NOP指令（指令冗余 ），以加强捕捉效果。
;程序出错处理子程序入口
陷阱 故，软件陷阱一般 由3条指令组成。
软件陷阱的设置
高频电路 当地线较长时，地线阻 抗过高，地线将辐射噪 声。

多点接地 地线很短，减小地线阻 抗，防止辐射干扰。但 存在地环路
计算机控制系统的工作频率较低，故采用一点接地。 输入系统中的传感器、变送器和放大器常采用屏蔽罩，信号 的传送使用屏蔽线。这些屏蔽层的接地遵循一点接地原则。
模拟地线与数字地线应分开设置
数字信号的隔离
模拟信号的隔离
5.3 材料成型设备计算机控制系统软件抗干扰技术 5.3.1 软件冗余技术 5.3.2 软件陷阱技术 5.3.3 软件“看门狗”技术 5.3.4 数字滤波
5.3.1 软件冗余技术
指令冗余
作用：使“跑飞”的程序在程序区迅速纳入正轨。 为什么会“跑飞”？ 指令由操作码和操作数组成。
3.

MCS-51与微处理器监视器MAX690A/MAX692A的接口
单片机正常工作时，P1.0定期（小于1.6s）改变WDI引脚的电平，使 看门狗电路不发出复位信号。若某种严重干扰而出现死机时，造成单 片机不能定期改变WDI端的电平，看门狗电路便会在1.6s后产生一个 复位信号，使单片机复位。
第五章 材料成型过程控制抗干 扰技术
5.1 材料成型过程干扰途径与分类
干扰： 是指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
在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和 工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波 和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等 。
滤波器可让50HZ的工频几乎无衰减地通过，而滤去高于50Hz的 高次谐波。 作用：使纹波限制在一定范围，抑制脉冲干扰、高频干扰。 原理：电容通高频阻低频,电感通低频阻高频
图5-8电感电容滤波器之一
图5-9 电感电容滤波器之二
抑制高 频干扰
抑制谐波干扰（在整流回路中， 输入电流的波形为不规则的矩形 波，波形按傅立叶级数分解为基 波和各次谐波，其中的高次谐波 将干扰输入供电系统）
第一个字节 单字节指令 双字节指令 三字节指令 操作码 操作码 操作码 操作数 操作数 操作数 第二个字节 第三个字节
取指令的顺序完全由指令计数器PC来控制。 当PC出错，则程序“跑飞”
指令冗余
NOP的使用 • •
在双字节指令和三字节指令之后插入两条NOP指令； 在跳转指令（如LCALL, LJMP、JZ、JC、DJNZ）或多字节指 令之前插入NOP指令；
对工业现场外界干扰较大的场所，可考虑使用高 性能进线滤波器
抑制共模 干扰信号 共模干扰：一般指在两根信号线上产生的幅 度相等，相位相同的噪声。 差模干扰：则是幅度相等，相位相反的噪声
抑制差 模干扰 信号
5.2.5 计算机接口电路隔离技术


计算机D/A转换卡隔离措施
微机接口中的光电隔离

远距离的隔离传送
（a）单端接地
（b）两端接地
（c）屏蔽层不接地
图5-1 屏蔽线的用法
屏蔽双绞线工程应用
5.2.3 硬件“看门狗（watchdog）”技术
为防止计算机因干扰而产生死循环（程序“跑飞”）， 需配置硬件或软件“看门狗”。 好比，主人养了一条狗，主人在正常工作时总是不忘每隔一 段固定时间就给狗吃点东西，狗吃过东西后就安静下来，不影 响主人工作。如果主人打瞌睡不工作了，到一定时间，狗饿了， 发现主人没有给它吃东西，就会大叫起来，把主人吵醒。 把计算机的程序运行监控系统称为“看门狗（Watchdog）”。 “看门狗（Watchdog）”有如下特性：
压敏电阻吸 收过电压干 扰
图5-10交流电源滤波器
线圈 L1 和 L2 匝数相同，线间排列均匀一致，方 向相反。由于功率电流在两个绕组中所产生的 磁通互相抵消，磁心不会饱和。加入高导磁磁 心后，电感量可大大提高，抑制干扰的能力大 为加强。
图5-11 双绕组扼流圈的应用
采用分立式供电
整个系统不是同一变压、滤波、稳压后供各单元电 路使用，而是变压后直接送给各单元电路整流、滤 波、稳压
数字信号一般较强，模拟信号较弱
强电地线与信号地线分开设置
强电地线主要指电源地线、功率地线
混合接地系统
汇流排
若设备中既有高频部又有低频部分，则低频电路采用一点接 地，高频部分采用多点接地。
浮地系统：将系统电路的各部分的地线浮置起来，不与大地
相连 优点：使地中存在的干扰电流不致传导耦合到信号电路。 缺点：当靠近高频干扰源时，可能堆积静电荷。
•
在比较重要的指令（如SETB EA）之前插入NOP指令
重复指令冗余 •
在对程序流向起决定作用的指令（如RET, LCALL）后面，重 复写上这些指令
•
在对系统工作状态有重要作用的指令（如SETB EA）后面，
重复写上这些指令
指令冗余
指令冗余技术使PC纳入正轨的条件：

“跑飞”的程序必须落到程序区 必须执行到所设置冗余的指令
数字地 横汇流条 数字地 纵汇流条 安全地 （机壳地）
模拟地 横汇流条 模拟地 纵汇流条
安全地使设备机 壳与大地等电位 ，以避免机壳带 电而影响人身及 设备安全。
接地板 系统地 大地
系统地是上述几种地的 最终回流点，直接与大 地相连 。

功率地：作为大电流网络部件的零电位 信号地：传感器本身的零信号电位基准公共 线

交变电磁场屏蔽
采用导电率高的材料做屏蔽体，并将屏蔽体接地；原理与 高频磁场屏蔽类似。
2.屏蔽的注意事项
屏蔽的完整性
如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏。
屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合
注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应
用场合。
屏蔽体良好接地 特殊部位的特殊屏蔽措施
缝隙等部位的特殊屏蔽措施
1.微处理监控器MAX690A/MAX692A简介 具有如下功能：
1）在微处理器上电、掉电及低电压供电时，产生一个复位 输出信号； 2）备用电池切换电路； 3）具有“看门狗”电路，进入死循环的时间间隔超过1.6s 时，将产生一个复位输出； 4）可用于低电平检测。
2.微处理监控器MAX690A/MAX692A工作原理
数据冗余
作用：备份RAM中保存的各种原始数据、标志、变量等。
片外RAM作为备 份存储器 片内RAM作为运 行存储器
运行 存储 器
备份存 储器 备份存 储器
各备份数据间应相互远离、分散设置，远离堆栈。
5.5.2 软件陷阱技术
“跑飞”的程序落到非程序区 “跑飞”的程序在没有碰到冗余指 令之前，已经自动形成一个循环
3.屏蔽材料的选取
表面导电材料
采用光学镀金、真空喷镀、贴金属箔以及金 属熔射等技术，使绝缘的塑料表面覆盖一层导电 层
导电复合材料
将导电材料填充到合成树脂中，通过混炼造 粒，并采用注射成型、挤出成型或压塑成型等方 法便可制成导电复合材料。
4.屏蔽抗干扰技术
电场耦合的屏蔽和抑制技术
电场耦合干扰的原因：两根导线之间的分布电容产生的 耦合。 远离技术：弱信号线要远离强信号线 屏蔽线的使用

直流地：直流电源的接地线 交流地：一般指50Hz交流电源接地线
3.系统抑制干扰的接地方式
1).一点接地准则
一般高频（10MHz以上）电路应采用多点接地，低 频（1MHz以下）应采用一点接地。
低频电路
布线和电器元件间的 电感较小，地环路对 电路性能影响较大
一点接地 没有地环路，但地线 往往过长，导致地线 阻抗过大
5.1.2 干扰分类
1. 电网的干扰
2. 微机控制系统外的空间的干扰
3. 系统自身内部的干扰
4. 从信号传输线传入的干扰
5. 其他扰技术
5.2.1 接地技术 5.2.2 屏蔽技术 5.2.3 硬件“看门狗”技术 5.2.4 电源的抗干扰技术 5.2.5 计算机接口电路隔离技术