13 计算机控制系统中的抗干扰技术

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– 在使用双绞线时,尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线 路,是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较 好的抗差模干扰能力,外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的 感应电动势,相互抵消。同时,对于来自地线的干扰信号也受到抑 制。
6.3 电源干扰的抑制
电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一; 对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。
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。
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,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。
➢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 。
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
ห้องสมุดไป่ตู้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。
(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。
– 数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位,应该与模 拟地分开,避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
– 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位,以避免机壳带 电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机 壳地,机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。
– 系统地是以上几种地的最终回流点,直接与大地相连 。
– 交流地是计算机交流供电电源地,即为动力线地,它的地 电位很不稳定。
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。
• 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。
(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。
CF
CF
隔离变压器 1:1 电源变压器
~Ui
~ ~ Uo Ui
~Uo
~Ui
~Uo
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。
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。
初时状态开始,程序从第一条指令开始执行; – 自动复位是指系统在需要复位的状态时,由特定的电路自动将CPU
复位的一种方式。
6.4.2 掉电保护
在软件中,应设置掉电保护中断服务程序,该中断为最高优先级的 非屏蔽中断,使系统能对掉电作出及时的反应。
➢ 首先进行现场保护,把当时的重要状态参数、中间结果,甚至某些片内寄存器 的内容一一存入具有后备电池的RAM中。
➢ 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
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。
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。
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
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,

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
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。
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。
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,
之后又处于休眠。采用这种安排之后,大多数CPU可以有50~95%的时间
用于睡眠,从而使CPU受到随机干扰的威胁大大降低,同时降低了CPU的
功耗。
如果CPU在做好各种准备工作之后,进行可能引起强烈干扰的I/O操作, 之后立即进入睡眠状态,也就不会受到干扰了。等到下一次醒来时,干扰
• 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。
➢ 其次是对有关外设作出妥善处理,如关闭各输入输出口,使外设处于某一非工 作状态等。
➢ 最后必须在片内RAM的某一个或两个单元存入特定标记的数字,作为掉电标记, 然后,进入掉电保护工作状态。
• 当电源恢复正常时,CPU重新复位,复位后应首先检查是否有掉电标记, 如果有,则说明本次复位为掉电保护之后的复位,应按掉电中断服务程序 相反的方式恢复现场,以一种合理的安全方式使系统继续未完成的工作。
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。
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。
6.2.3 隔离技术
变压器隔离
变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路 隔离开,也就是把模拟地与数字地断开,以使共模干扰电压不 能构成回路,从而达到抑制共模干扰的目的。另外,隔离后的 两电路应分别采用两组互相独立的电源供电,切断两部分的地 线联系 .
• 这种隔离适用于无直流分量信号的通路。对于直流信号,也可 通过调制器变换成交流信号,经隔离变压器后,用解调器再变 换成直流信号。
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。
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