第六章 计算机控制系统抗干扰技术

2.内部干扰
是指计算机控制系统内部的各种元器件引起的各种干 扰。 固定干扰：电阻中随机性的电子热运动引起的热噪声、 半导体及电子管内载流子的随机运动引起的散粒噪声； 由于两种导电材料之间的不完全接触，接触面的电导 率不一致产生的接触噪声；寄生反馈电流所造成的干 扰；多点接地造成的电位差引起的干扰；寄生振荡引 起的干扰等。 过渡干扰：电路在动态工作时引起的干扰。



上述的软件陷阱技术能实现可靠回复功能，但是有两个方面的严重 隐患。第一，隐患主要是在对中断的处理上：首先，程序跑飞很可能是 发生在中断服务子程序中，其次，一些未使用的中断很可能因为程序跑 飞而被错误地激活，而这时只是简单地让跑飞的程序从头开始运行，就 不能关闭已激活的中断，这样，单片机的中断系统会认为程序仍在处理 中断，就不会再响应同级中断。第二，大部分单片机应用系统在上电复 位初始化后，不希望在程序跑飞而用软件陷阱恢复后又重新初始化。 为了解决第一个隐患，当程序跑飞时，一定要想办法关闭可能发生 的中断，然后再执行用户应用程序。当CPU进入中断后，就只能用RETI 指令关闭中断．解决第一个隐患的具体方法是，改变软件陷阱程序段： 当程序跑飞后，将跑飞的程序引到0202H处，然后在0202H处完成关闭 中断的工作，即在用户应用程序存储器不用区域写入代码 “0000020202H”。
⑴RC滤波器滤去输入信号中的干扰信号 ⑵去抖电路消除触点、开关闭合时的抖动。 ⑶采用光电耦合隔离措施。 ①采用光电耦合器传送开关量信号或脉冲信号，隔离输入端 和输出端的电气连接。 ②采用光电耦合器“浮置”传输长线。提高系统可靠性，去 掉了长线两端间的公共地线，消除了了逻辑电路的电流流 经公共地线所产生的噪声电压的串扰，解决了长线驱动和 阻抗匹配等问题。 ③隔离计算机和其他所有的外接通道，提高系统的可靠性。
3.交流地与信号地
交流地一段电源地线两点电压会较大，而对低 电平信号电路干扰很大。所以两者不能共用。 4.数字地与模拟地 数字地和模拟地分开走线，最后只是在一点汇 在一起。 5.功率地 这种地线电流大，地线应当粗些，应与小信号 地线分开走线，而与直流地线相连。
计算机控制系统常用“三套法”接地 系统，把系统中的地线分成3类：一类信 号地；第二类是功率地；第三类是机壳， 最后用较大的接地母线汇集于一个总的 公共接地点，再连埋地铜网，与大地相 连。
计算机控制 系统 大功率用电 设备1 大功率用电 设备n
第二节 控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
④ 尽量选用比较稳定的电源供电 不要将计算机接到负载变化大，晶闸管负载多，有高频设备的电源线上。
交流稳压 电源(或 UPS)
隔离变压 器
低通滤波 器
直流稳压 （含电源 变压器）
C1
பைடு நூலகம்
C2
C3
C1 L
C4
第二节 控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
③ 采用隔离变压器
当同一电网上有大功率设备时， 在控制系统与供电电源之间加 入一个三相隔离变压器，用以 隔离强电设备对计算机控制系 统的干扰和接地电流。
D/Y三相隔 离变压器
变压器一次侧按三角形接法， 二次侧按星型接法。
第二节 控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
⑤ 电源分组供电
电源
交流滤波
交流净化 稳压电源 (或UPS)
供主机
交流净化 稳压电源 (或UPS)
供通道
第二节 控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----直流电源
① 每块板卡的电源和地线引入处，并接一个10~100μF的电解电容 和一个0.01~0.1μF的无感瓷片电容。 ② 每块集成芯片的电源和地线引入端接一个0.01~0.1μF的无感瓷 片电容，防止板间的相互干扰。 ③ 电路板布线要合理，直流电源线和地线不能形成环路。


NOP NOP LJMP 0202H ； 而在0202H开始的程序存储器单元进行如下的编程： ORG 0202H MOV DPTR，#ERRl PUSH DPL PUSH DPH RETI ；关闭第1级中断，并跳转到ERRl处 ERRl： CLR A PUSH ACC PUSH ACC RETI ；关闭第2级中断，软件回复到0000H处
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
① 采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源 （UPS）和交流净化稳压电源。 ② 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让低于50Hz的工频几乎无衰减 通过，滤除高于50Hz的高次谐波。
L L
C3 L C2
①常态干扰：是指叠加在被测信号上的干扰。常态干扰 和被测信号在电路中的地位相同，所以它以电压源的 形式与信号源串联。 ②共态干扰：又叫共模干扰。指输入电路（输入信号正 端和负端）上共有的干扰信号。 这种干扰可以是直流，也可以是交流，幅值大小不等， 取决于环境和设备的接地情况。
第二节 控制系统抗干扰技术
1.机壳接地与浮地的比较
全机浮空：有一定的抗干扰能力，但要求机器与 大地的绝缘电阻不能小于50M欧，且一旦绝缘 下降便会带来干扰，容易产生静电。 控制系统的机壳接地：抗干扰能力强，安全可靠， 但工艺较复杂。
2.一点接地与多点接地的应用原则。 一点接地：低频（1MHz）电路，计算机控 制系统采用。 串联一点接地 并联一点接地 多点接地：高频（10MHz）电路
3.软硬件结合实现看门狗技术 硬件看门狗技术能有效监视程序是否陷 入死循环，但对中断关闭故障无能为力； 软件看门狗技术对高级中断服务程序陷 入死循环无能为力，但能监视全部中断 关闭的故障。
二、填码技术

单片机应用系统的用户应用程序一般由循环结构的主程序和中断服务子 程序组成。将软件陷阱程序段插入到用户应用程序中，即在用户应用程 序存储器不用区域写入代码“0000020000H”。
1.利用数字电路和芯片实现硬件看门狗技术 原理：看门狗电路的应用,使单片机可以在无人状态下实现连续工作, 其工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引 脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或 低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间 的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进 入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候, 看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机
第三节 软件抗干扰技术
一、Watchdog技术 又叫看门狗技术,是一个定时器电路, 一般有一个 输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常 工作的时候,每隔一段时间输出一个信号到喂狗端, 给 WDT 清零,如果超过规定时间不喂狗(一般在程 序跑飞时),WDT 定时超过,就会给出一个复位信号 到MCU,使MCU复位. 防止MCU死机. 看门狗的作 用就是防止程序发生死循环或者说程序跑飞。 可以硬件实现，也可以软件实现，或两者结合。
第六章 计算机控制系统抗干扰技术
主要内容： 介绍干扰的来源与种类； 介绍硬件抗干扰技术； 介绍软件抗干扰技术； 介绍故障自诊断技术；
第一节 干扰的来源与种类
一、干扰的来源 1.外部干扰
是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境 因素所决定的干扰。 （1）自然干扰：雷击、闪电、辐射、太阳黑子活动等。 （2）周围设备的干扰： 各种电气设备所产生的干扰有电磁场、电火花、电弧 焊接、高频加热、晶闸管整流等强电干扰。 大功率供电系统中，大电流输电线周围产生的交变电 磁场。 地磁场及来自电源的高频干扰。
四、接地技术
广义的接地包括：接实地和接虚地。 接实地：是与大地作良好的连接。 接虚地：是与电位的基准点（或基准面、基准线） 连接。 共地连接：把电位基准点与大地连接。 浮地连接：把电位基准点自行浮置或浮空（即与 大地电气绝缘）。
计算机控制系统中，大致有以下几种地线：
①数字地。逻辑网络的零电位。 ②模拟地。A/D转换、前置放大器或比较器的零 电位。 ③功率地。大电流网络部件的零电位。 ④信号地。传感器的地。 ⑤小信号前置放大器和内存放大器的地。 ⑥交流地。交流50Hz地线，噪声地。 ⑦直流地。 ⑧屏蔽地。防静电感应和磁场感应的地。
复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,
即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机 的自动复位.
1.利用数字电路和芯片实现硬件看门狗技术
⑴采用单稳态电路实现 ⑵采用集成芯片实现
2.利用微处理器定时实现软件看门狗技术 基本思想：在主程序中对定时器1中断服务 程序的关闭故障进行监视；在定时器2中断服 务程序中对主程序的死循环进行监视；在定时 器1中监视定时器2中断服务程序的死循环和关 闭故障。 这种多重软件监测的方法，大大提高了系 统运行的可靠性。
2. 数字滤波的几种常用方法 （1）程序判断滤波 （2）中值滤波 （3）算数平均值滤波 （4）加权平均值滤波 （5）滑动平均值滤波 （6）RC低通数字滤波 （7）复合数字滤波


二、干扰的种类
1.按特性分类 ①直流干扰：以直流电压或直流电流的形式出现， 一般由热电效应和电化学效应引起。 ②交流干扰：由交流电感应引起。是最易出现的一 种。 ③随机干扰：一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式， 多由电感负载的间断工作引起。这种干扰的时间 短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
2.按作用分类
NOP NOP LJMP 0000H 当单片机应用系统工作正常时，单片机的CPU不会执行软件陷阱程序段； 但是，当单片机应用系统受到干扰而程序跑飞后，由于程序计数器PC值 错误，破坏了正常的指令格式，导致执行非正常指令，从而执行软件陷 阱程序段，落入软件陷阱，将跑飞的程序引导到复位入口地址0000H。软 件陷阱程序段中的连续2条NOP指令是为了增强“LJMP 0000H”被捕获的 能力，即“LJMP 0000H”不会被冲散，当程序跑飞后会得到完整地执行， 从而使跑飞的程序纳入正常轨道。
⑤屏蔽信号传输线路。 ⑥采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰。 ⑦采用双绞线传输。 双绞线与同轴电缆相比，虽然频带较差， 但波阻抗高，抗共模噪声能力强。对电磁场干 扰有一定的抑制效果。 敷设传输线时，不要和动力线平行，远离 干扰源。 一般室外应架空，室内应用电缆沟敷设。
三、开关量输入/输出通道抗干扰方法


这样，就保证了无论在什么情况下，都可以关闭2级中断。当然，如果没有中 断被激活时运行了这段程序，也不会有什么不良影响。
三 数字滤波技术
为了保证测量和控制的准确性，在进行数据处理前必须消除输入信号的干扰， 即进行滤波。 分类： ①模拟滤波：一般由电容、电阻、运算放大器等电子元件组成，用于阻止和 削弱一定频率的信号 ②数字滤波：是一种程序滤波，通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加 工，减少干扰信号在有用信号中的比重
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二、模拟量输入/输出通道抗干扰方法 主要是由长线传输引起。 当计算机主频大于1MHz,传输线大于0.5m 或当计算机主频大于4MHz,传输线大于 0.3m，即属于长线传输。

常采用的措施： ①信号采用电流传送 ②采用RC滤波网路滤去高频干扰信号。 在通道输入端接入二级阻容低通滤波网路。 可使50Hz的常态干扰衰减到1/600左右，时间 常数小于200ms。 ③使用高阻抗的差动运算放大器作为通道的前置 放大器，抑制共模干扰。 ④利用变压器或光耦合器件把模拟地与数字地断 开，使共模干扰不能构成回路。