13 计算机控制系统中的抗干扰技术

6.4.3 睡眠抗干扰
CMOS型的51系列单片机具有睡眠状态，此时只有定时/计数系统和
中断系统处于工作状态。这时CPU对系统三总线上出现的干扰不会作出任
何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。
我们仔细分析系统软件后发现，CPU很多情况下是在执行一些等待指
令和循环检查程序，由于这时CPU虽没有重要工作，但却是清醒的，很容
串模干扰示意图
（2）共模干扰信号：是指系统的两个信号输入端上所共有的 干扰电压,共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。
共模干扰示意图
6.1.4 按干扰源的类型分类
干扰
外部干扰
外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部 环境因素决定的。
主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起 的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波； 周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频 干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火化 放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。
第6章 计算机控制系统的抗干扰技术
与干扰相关的几个概念：
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。
干扰源： 产生干扰信号的原因
干扰对象： 干扰源通过传播途径影响的器件或系统
干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。
抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要 措施来实现的。
点 到光电耦合器输入端的干扰信号很小。
➢ 光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许
多干扰信号虽幅值较高，但能量较小，不足以使发光二极管发光，
从而可以有效地抑制干扰信号。
6.2.4 串模干扰的抑制
串模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此， 对差模干扰的抑制较为困难。对差模干扰应根据干扰信号的特性和来 源，分别采用不同的措施来抑制。
（1）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用双绞线作为信号线， 其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也可 采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。 （2）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器，如 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能 是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中， 串模信号往往比被测仪器变化快。 （3）当对称性交变的差模干扰电压或尖峰型差模干扰成为主要干扰时，选用 积分式或双积分式A/D转换器可以消弱差模干扰的影响。 （4）当被测信号与干扰信号的频谱相互交错时，通常的滤波电路很难将其分 开，可采用调制解调器技术。
6.1 干扰信号的类型及其传输方式
6.1.1 按干扰耦合的形式分类 （1）静电干扰：是通过电容耦合窜入其他线路的。电场干
扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统。
（2）电磁干扰：在任何载流导体周围都会产生磁场，当电
流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路 中产生感应电势引起干扰。
光电隔离
光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等） 封装在一个管壳内组成, 实现以光为媒介的电信号传输。
➢ 由于光电耦合器是用光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，
特
切断了两端电路之间地线的联系，抑制了共模干扰。
➢ 发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送
利用MAX915组成的电源监视电路
直流侧的抗干扰措施
电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很 难保证干扰绝对不进入直流系统ຫໍສະໝຸດ 因此须在直流侧采取必要的抗干 扰措施。
去耦法
在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（10～100） μF的大电容和一个（0.01～0.1）μF的小电容；在各主要的集成电 路芯片的电源输入端与地之间，或电路板电源布线的一些关键点 与地之间，接入一个（1～10）μF的电解电容，同时为滤除高频 干扰，可再并联一个0.01μF的小电容。
• 指令冗余技术除了NOP等单字节指令外，还可以采用指令重复技术。 指令重复也是指令冗余的一种方式。指令重复是指在对于程序流向起 决定作用或对系统工作有重要作用的指令后面，可重复写上这些指令， 以确保这些指令的正确执行。
计算机控制系统中接地的目的通常有两个：
➢一是为了安全，即安全接地； ➢ 二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，
即工作接地。
地线系统分析
在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、 数字地、安全地、系统地和交流地。
– 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模 拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小， 而且与生产现场相连。
➢ 复位 ➢ 掉电保护 ➢ 休眠抗干扰 ➢ 指令冗余 ➢ 软件陷阱 ➢ Watchdog技术
6.4.1 人工复位
对于失控的CPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开始执 行。为完成复位功能，在硬件电路上应设置复位电路。
– 人工复位是指操作员按下复位按钮时的复位； – 上电复位是指计算机在开机上电时自动复位，此时所有硬件都从其
抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：
➢在交流电源的输入端并联压敏电阻； ➢采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器)； ➢在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。
另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干 扰的产生等都是可行的方法。
•掉电保护
过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。 为此，计算机系统应加装UPS（不间断电源），或增加电源电压 监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。
（3）漏电耦合干扰：电阻性干扰。 （4）共阻抗感应干扰：是由于电流流过回路间公共阻抗，
使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。
6.1. 2 按干扰与信号的关系分类
（1）串模干扰信号：是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它 串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。串模干扰 与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或横 向干扰。
增设稳压块法
在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源 电压，提高抗干扰能力。
6.4 CPU软件抗干扰技术
CPU是计算机的核心。当CPU受到干扰不能按正常状态执行程序时， 就会引起计算机控制的混乱，所以需要采取措施，使CPU在受到干 扰的情况下，尽可能无扰地恢复系统正常工作。
• 尤其是在单片机系统中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。
➢供电方式 ➢尖峰脉冲干扰的抑制 ➢掉电保护 ➢直流侧的抗干扰措施
•供电方式
计算机控制系统的供电方式
交流滤波器可采用电容滤波器，电感电容滤波器或有原滤波器。滤波器要有良好 的接地，布线接近地面，输入输出引线应相互隔离，不可平行或缠绕在一起。
在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有效的抗干扰 措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层 。
的高峰也基本消失了。
6.4.4 指令冗余
当CPU受到干扰，程序“跑飞”后，往往将一些操作数当作指令代码 来执行，从而引起整个程序的混乱。采用指令冗余技术是使程序从 “跑飞”状态，恢复正常的一种有效措施。
• 所谓的软件冗余，就是在程序的关键地方人为的加入一些单字节指令 NOP，或将有效单字节指令重写，当程序“跑飞”到某条单字节指令 时，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。
6.2.2 屏蔽技术 1.电场屏蔽 屏蔽机理：将电场感应看成分布电容间的耦合。
2.电磁屏蔽 电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种
措施。
电磁场屏蔽的机理：
3.磁场屏蔽 磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比
电场屏蔽和电磁场屏蔽要差的多。
屏蔽机理：主要是依靠高导磁材料所具有的低磁阻，对 磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大为减 弱。
6.2.5 共模干扰的抑制
共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压， 以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要 有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。
6.2.6 长线传输干扰的抑制
采用同轴电缆或双绞线作为传输线
同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线 对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干 扰较强时须采用屏蔽双绞线。
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 内部干扰 性质变化和漂移等原因造成的
主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电 磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成 的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。
6.2 抗干扰技术
6.2.1 接地技术
• 接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会 对系统产生严重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效 措施之一。
CF
CF
隔离变压器 1:1 电源变压器
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~ ~ Uo Ui
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~Ui
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CF
CF
电源变压器的静电屏蔽
隔离变压器及其屏蔽
还可采用开关电源、DC-DC变换器以及UPS供电等，来提高电源的稳定性
尖峰脉冲干扰的抑制
尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，其幅 度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微妙，因此采用常规的 抑制办法是无效的，而必须采取综合治理办法。
• 对于没有使用UPS的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM中的 信息丢失，经常采用镍电池对RAM进行数据保护。
掉电保护电路
对直流电源电压监视可采用集成电路μP监控电路实现掉电保护。现在 已经有许多集成电路μP监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格， 同时也具有多种功能，如有的μP监控电路除电源监视外，还具有看门 狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。
易受干扰。让CPU在没有正常工作时休眠，必要时再由中断系统来唤醒它，