电磁抗干扰来源及电路与软件抗干扰(EMC)措施

电磁抗干扰来源及电路与软件抗干扰(EMC)措施概述可靠性是用电设备的基木要求之一，也是所有控制单元最基木的要求。

它包括两方面的含义:故障时不拒动和正常时不误动。

之所以会存在这两个方面的隐患是因为电磁干扰的存在。

因此为了保障控制单元可靠的工作，除了采用合适的保护原理外，本章主要考虑抗干扰设计。

电磁干扰的传播方式主要有两种:(1)辐射:电磁干扰的能量通过空间的磁场、电场或者电磁波的形式使干扰源与受干扰体之间产生藕合。

(2)传导:电磁干扰的能量可以通过电源线和信号电缆以电压或电流的方式进行传播。

电磁干扰的频率包括(1)低频干扰(DC10~20Hz);(2)高频干扰(几百兆赫，辐射干扰和达几千兆赫):(3)瞬变干扰(持续周期从几毫秒到几纳秒)。

造成电力系统中形成电磁干扰的原因有诸多方面，我们知道，同一电力系统中的各种电力设备通过电和磁紧密的联系起来，相互影响，由于运行方式的改变、故障、开关设备的操作等引起的电磁振荡会对智能控制单元产生影响:另外，软起动工作在环境恶劣的煤矿井下，空气非常潮湿，到处充满着煤尘，电磁干扰尤为严重。

控制单元在工作时不仅要受到从电网上传来的“噪声”干扰，其木身也是一个很强的干扰源，比如负载上电流的频繁变化和通过导线空间进入单片机系统内部，造成程序跑飞，使系统工作不正常，甚至损坏系统。

所以对控制单元各个部分的抗干扰性能提出了较高的要求，尤其是单片机系统的抗干扰问题。

因此，在整个单片机应用系统的研发过程中，始终将抗干扰性能作为系统设计时首先考虑的问题之一。

电磁干扰的来源所谓干扰，简单来说就是指电磁干扰(Electro-Magnetic Interference 简称EMI)，它在一定条件下干扰电子设备、通信电路的正常工作。

电源干扰电源干扰是单片机应用系统的主要干扰源，据统计，实时系统的干扰约70%来自电源，电源的干扰具有频带宽难以定量化、干扰原因复杂、干扰方式多变等特点。

干扰信号会沿着电源线进入单元内部，通过辐射或传导藕合的方式干扰其它信号或元件的正常工作。

由于PCB板上的电源线分布很广，所以受到干扰的区域会很大，造成的后果会十分严重。

根据干扰的构成可以将电源的干扰分为串模干扰和共模干扰两大类。

串模干扰是叠加在电源电压正弦波上的干扰信号，主要产生于供电网络和处于同一网络的其它设备上，由负载变动引起的电网波动、开关触电的开合引起的脉冲干扰及可控硅整流器等外设运行时产生的高频信号等诸多原因引起:共模干扰是叠加在线路和地线之间的干扰，另外由于地线的结构及材料的选择不当，导致地线的电阻过大，当有电流流过地线时，线路上各处便会产生压降，使I/0接口电路的地线和微机的地线存在电位差，即存在共模电压。

静电放电干扰直接或间接的放电可能会影响单元的正常工作或对单元造成危害，前者是通过直接耦合而后者则是通过辐射耦合产生放电的。

静电放电的尖峰电压可达8KV，不过持续时间很短维持在纳秒级。

电网电压跌落和短期中断电压跌落指电网电压值偶然降低10%~15%，持续时间为0. 5~50个周波:短时中断则是100%的电压跌落，造成上述现象的原因可能是高压、中压和低压电网中偶尔产生的短路、接地故障或熔断器熔断等，故障情况下的连续快速重合闸会造成电压中断。

电压跌落或短期中断会造成系统电源不能正常土作、断路器误动和丢失实时数据等。

开关浪涌电压的干扰开关浪涌电压是煤矿井下最常见的干扰源，它是单极性的脉冲或迅速衰减的振荡波，在持续时间上单极性脉冲的上升时间较长、能量大。

因此电子设备的正常工作受到影响，甚至会造成危害。

空间电磁干扰煤矿井下有许多高压电网和变压器，这些高压设备在空间形成很强的电磁场，对控制单元系统形成干扰，使之不能正常作。

电磁干扰的危害电磁干扰的主要危害就是影响系统的正常工作，使输入信号不能准确输入、输出信号不能正确动作以及对中央处理单元的运算和处理产生干扰。

5.3.1 输入通道输入通道是系统接收数据的主要通道，它包括模拟信号和数字信号等。

干扰能够使模拟信号失真，或使输入的开关量和数字量出错。

控制单元如果根据这种失真的、错误的输入信息进行运算和处理，必然会给系统带来不可设想的后果。

输出通道输出通道是智能控制装置作用于外部动作单元的主要通道，它的正确与否直接关系到动作的可靠性能。

而干扰还会使输出的各个控制信号混乱，不能实现微机系统的准确输出，从而导致真空开关的误动和拒动，这会给生产造成很大的损失和安全隐患。

中央处理单元中央处理单元是这个系统的核心，它对输入通道输送来的数据进行运算和处理，得到相应的结果。

而干扰会使地址或数据总线上的数字信号错乱，引发出一系列意想不到的错误，CPU得到错误的数据信息后，导致运行结果出错，并形成随后程序执行的一系列的错误。

硬件抗干扰措施在一个成熟的保护系统中，硬件抗干扰是必不可少的，如果硬件抗干扰措施实施的好，可以抑制80%的干扰，而且硬件抗干扰具有效率高实时性能强的优点。

元器件是构成系统的基础，根据抗干扰的原则，要选择集成化程度高抗干扰能力强，功耗又不的电子器件，本系统中的元器件基本上是按照这一原则来选择的。

下面主要针对控制单元在煤矿井下可能受到的干扰来制定硬件的抗干扰措施。

电源系统的抗干扰电源系统采用开关电源供电，开关电源内部具有很强的抗干扰能力。

内部具有滤波器，滤波是一种抑制传导干扰的方法。

在开关电源的设计中内部的输入端一般接上滤波器，可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。

电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。

它不仅可抑制传输线上的传导干扰，同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。

在滤波电路中，开关电源一般使用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能够改善电路的滤波特性。

在开关电源的输出端加输出高频电容，加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，可以抑制差模噪声。

另外，选用开关电源时采用了具有储能电容和电感的开关电源为系统提供工作电源。

在电压跌落或短暂中断后，储能电容和电感开始放电以维持系统短时期内的正常工作。

静电放电的抗干扰消除静电干扰最有效的方法是让设备的外壳和大地良好的接触。

因此，单元金属屏蔽外罩良好接地的同时，还把开关电源的外壳直接接地。

通道的抗干扰这里的通道是指开关量输入通道和开关量输出通道。

开关量输入通道中由于传输线上的信息一般为脉冲波，它在传输线上的传输时会出现延时、畸变、衰减与通道干扰的现象。

为了保证线路传输的可靠性能，主要采用光电隔离、阻抗匹配等措施。

光电藕合器可以将输入侧与CPU侧完全隔离，有效的防止了干扰信号从开关量输入部分进入主机。

它的原边是一个发光二极管，副边是一个光敏三级管，以光作为媒介传输信号，原边和副边之间完全没有电的联系。

光电藕合器的主要优点是抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，共模抑制比，抗干扰能力强，不受磁场影响，不需要屏蔽。

模拟量输入通道采用二次变换以后放大隔离处理的方式来抗干扰的，首先将电流互感器和电压互感器进来的信号经过电流、电压变送器进行二次变换，其中电流、电压变送器内部具有整流和滤波功能，电流变送器把输入的0 ~5 A的交流电流信号转换成0~1V的直流电压信号:电压互感器将输入的0~36V的交流电压信号转换成0~1V 的电压信号。

电流和电压信号经过模拟通道选通后再经过放大器进行5倍的隔离放大处理后才进入处理器内部的A/D模块，进入A/D模块之前经过两个二极管进行钳位处理，这样大大的抑制了尖峰电压信号的破坏作用。

开关浪涌电压的抗干扰浪涌电压主要在开关量输出回路产生，由于智能是真空接触器，而真空接触器是由继电器来控制的控制单元的控制对象继电器采用交流固态继电器和交流机械式继电器，由于真空接触器的开合线圈会产生反电动势，对于机械的继电器而言做法是在线圈上反并联一个一极管就可以，对于交流的固态继电器由于交流电没有方向就不能再使用二极管来抑制反电动势，在设计中采用压敏电阻来抑制过电压，压敏电阻的大小一般为线圈电压的3倍左右。

印刷电路板的抗干扰PCB板的布线设计如考虑不周也会带来严重的电磁干扰，如串音干扰(是指从另外的信号路径干扰某一信号路径)和电磁藕合等地线设计时要注意模拟地和数字地的共地问题，如果两部分电路接地端多处连接后再共地，会因为多点之间存在的电位差，在公共点与地之间产生较大的共地藕合阻抗。

数字电路会通过这个藕合阻抗将干扰藕合到模拟放大器的输入端，放大后的干扰信号会造成计量的严重失误，甚至会造成保护的误动。

为此，在布线上应将数字电路的地与模拟电路的地仅通过单点共地，这样就避免了公共地线引起的共阻抗藕合。

在地线和电源线的布线时采用加宽电源线的措施，另外电路板空白处采用敷铜处理。

电路板的布局也要仔细考虑，在设计中印刷电路板的尺寸要注意适中不能太大也不能太小，如果板子过大会导致导线太长而引起阻抗增加，既提高了成本又降低了抗噪声的能力:过小时元器件过于密集，各个器件以及导线之间会相互干扰，散热效果也不好。

在适中的考虑板子大小的前提下，在设计中将相对电压较高的继电器控制部分放在距处理器较远的地方，使强电与弱电信号隔离。

软件抗干扰措施上一节主要介绍了硬件抗干扰设计，但是软件抗干扰设计也尤为重要，因为无论在硬件上做出多少防范措施都不能保证CPU内部不受到任何干扰，尤其是在以微处理器为核心的设备中，由于外部强烈的干扰会导致指令码或数据码的个别位发生改变，造成程序执行的错误或者数据监测结果不准确。

如果更为严重一点程序计数器受到干扰，造成数据码被当作指令码，相反其结果会破坏RAM存储器中的数据，另一方面会产生程序跑飞或进入死循环的现象。

增加看门狗监视程序为了防止程序运行出错导致 CPU进入死循环或飞掉，充分发挥处理器集成看门狗模块的功能，在开发环境中，看门狗监视程序由于外届干扰而进入死循环后看门狗程序就会在18ms后使程序自动复位从头开始执行以跳出死循环。

软件陷阱程序跑飞后有可能落在程序存储器中的任何位置，可以采用软件陷阱的方法把程序空间中的空白空间填充循环指令，当程序跑飞跳到这条指令时使程序陷入死循环，然后等待看门狗计数周期的到来，使程序自动复位。

使用单片机指令可以进行软件陷阱的设置，它可以实现对程序空间连续自动的填充某一特定的指令数据。

数字滤波使用模块调用的形式使程序之间藕合程度较低，另外在软件设计中在大部分功能模块中都定义了相应的控制寄存器，比如在分合闸模块中，定义了两个位分别为合闸请求和合闸允许标志位，只有两个都为指定的电平状态时才可以合闸，这样就有效的避免了误动现象的发生。

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