计算机控制系统的抗干扰及可靠性设计

当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分 布电感的影响，信号会在传输线内部产生向前的电压波和 电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传 输线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引 起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗 不匹配，还会引起新的反射。这种信号的多次反射现象， 使信号波形失真和畸变，并且引起干扰脉冲。
② 电磁兼容性设计 电磁兼容性是指计算机系统在电磁环境中的适应性，即能 保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既 不受外部电磁干扰的影响，也不对其他电子设备产生影响。
③故障诊断 在故障发生后及时显示故障信息，尽快定位故障点是提高
系统可靠性的重要保证，控制系统一般都具备自诊断功能。
④软件可靠性技术 提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程 的深入了解，并且使软件易读、易测和易修改。且应尽量将 软件规范化、标准化和模块化，尽可能把复杂的问题化成若 干较为简单明确的小任务。
2．控制失灵 在计算机控制系统中，控制状态的输出常常取决于某些 条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果，而在这些环节 中，由于干扰的侵入，可能造成条件状态偏差、失误，致使 输出控制误差加大，甚至控制失灵。
3．程序运行失常 计算机系统引入强干扰后，程序计数器PC的值可能被改 变，这将引起程序执行出现混乱，最终可能导致程序“死循 环”。
二、干扰的作用途径
干扰信号主要通过以下的途径进入系统内部：
1．传导耦合 干扰由导线进入电路中称为传导耦合。 2 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。
3．电磁耦合 电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。
4 公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时
所产生的相互影响。
三、干扰的作用形式
软件（程序）冗余 在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条 NOP指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。在某些 重要的指令前也可插入两条NOP指令，以保证其正确执行。
信息（数据）冗余技术 RAM数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区 域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏时，用 备份数据块去修复。 时间冗余技术 为了提高计算机控制系统的可靠性，可以采用重复执 行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次的结果进 行比较对照来确认系统工作是否正常。
1．终端匹配 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP，
波阻抗的测量如下图所示。
波阻抗测量原理图
调节可变电阻R，并用示波器观察门A的波形，当达到完 全匹配时，即R=RP时，门A输出的波形不畸变，反射波完 全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗。
为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双 绞线和同轴电缆作为信号线。双绞线的波阻抗一般在 100～200Ω之间，纹花越密，波阻抗越低。同轴电缆的 波阻约50～100Ω范围。
传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传 送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰 能力。
二、并模干扰的抑制
抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的 电位差。
1、平衡对称输入 在设计信号源（通常是各类传感器）时，尽可能做到平 衡和对称，否则有可能产生附加的差模干扰，使后续电路不 易对付。 2、变压器隔离 隔离变压器是最常用的隔离元件之一，用来阻断干扰信 号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。是利用变压器把模 拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数 字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干 扰。
最简单的终端匹配方法如下图(a)所示，如果传输线的波 阻抗是RP，那么当R=RP时，便实现了终端匹配，消除了 波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致，只是时 间上滞后。
终端匹配图
为了克服上述匹配方法的缺点，可采用下图(b)所示的终 端匹配方法。其等效电阻R为：
R R1R2 R1 R2
适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。这种匹配方法 也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是 低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时 兼顾高电平和低电平两种情况，可选取 R1=R2=2RP，此 时等效电阻R=RP。
2．始端匹配
在传输线始端串入电阻R，如下图9所示，也能基本上
消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻
R为：
R Rp Rsc
其中，RSC为门A的输出低电平时的输出阻抗。
始端匹配图
3.3 软件抗干扰与系统冗余技术
一、软件故障对系统的危害
1．数据采集不可靠 在数据传输过程中仍然会有一些干扰侵入系统，造成采 集的数据不准确造成误差。
为了避免电阻把交流电力线引入的干扰传输到控制装置内部， 一般将两种地分开。这样既能保证控制系统内部器件的安全性， 又能提高系统工作的可靠性和稳定性。 5．印刷电路板地线的安排
在安排印刷电路板地线时，首先要保证地线阻抗较低，为此 必须尽可能地加宽地线；其次要充分利用地线的屏蔽作用，将印 刷电路板全部边缘用较粗的印刷地线环绕整块板子作为地线干线， 并同时在板中的所有空隙处均填以地线。
3.4常用的接地方法
一、计算机控制系统的各种地 1、数字地：CPU的地 2、模拟地：放大器、A/D、D/A等，必须认真对待模拟地 3、功率地：强电的地为功率地 4、信号地：传感器、执行机构 5、屏蔽地 6、交流地 7、直流地
二、接地技术
1．一点接地和多点接地
对于信号频率小于1MHz的电路，采用一点接地， 防止地环流的产生；当信号频率大于10MHz时， 应采用就近多点接地；如果信号频率在1～10MHz 之间，当地线长度不超过信号波长的1/20时，可以 采用一点接地，否则就要多点接地。
二、输入/输出软件抗干扰措施 1．开关量(数字量)输入抗干扰措施 对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上 可采取多次读取的方法(至少读两次)，认为无误后再行输 入，如下图所示。
2．开关量(数字量)输出抗干扰措施 当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构
动作时，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作， 比如已关的闸门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料 斗可能中途突然关闭。对于这些误动作，可以在应用程 序中每隔一段时间发出一次输出命令，不断地关闭闸门 或者开启闸门。这样，就可以较好地消除由于扰动而引 起的误动作(开或关)。
1、串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为
正态干扰、常态干扰、横向干扰等。
US 信
US 信号源
号 Un 源
AD转换器
干扰源
AD转换器
Un
图4－58 串模干扰形式1
图4－59 串模干扰形式2
串模干扰和被测信号在回路中所处的地位是相同的，总
是以两者之和作为输入信号。
2、共模干扰 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的
2、继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，所以可利 用继电器的线圈接收信号，通过触点发送和输出信号，从而 避免强电和弱电信号之间的直接接触，达到了抗干扰的目的
3、布线隔离 合理布线，满足抗干扰技术的要求。
4、过压保护电路 如果没有采用光电隔离措施，在输入输出通道上应采用
一定的过压保护措施，以防引入过高电压，侵害控制系统。
5、使用双积分式A/D 当尖峰型串模干扰为主要干扰时，使用双积分式A/D转 换器，或在软件上采用判断滤波的方法加以消除。
6 为了防止“干扰噪声”通过空间耦合方式侵入信号线而
进入电气设备，在干扰比较强的工业现场，或者对那些比较 微弱的信号，传输时宜选用屏蔽线。
7、电流传送 当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在
浮地输入双层屏蔽放大器图
5．采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大 器
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂 移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰 与有用信号的器件。
三、长线传输干扰的抑制
在计算机控制系统中，由于数字信号的频率很高，很 多情况下传输线要按长线对待。
信号在长线中传输时会遇到三个问题：一是长线传输 易受到外界干扰；二是具有信号延时；三是高速度变化的 信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。
可靠性是整体性能与可靠性的基础。因此，元器件的选 用要遵循以下原则：
① 严格管理元器件的购置、储运 ② 老化、筛选和测试 ③ 降额使用 ④ 选用集成度高的元器件
2、部件及系统级 部件及系统级的可靠性技术是指功能部件或整个系统 在设计、制造、检验等环节所采取的可靠性措施。
① 冗余技术 冗余技术也称容错技术，是通过增加完成同一功能 的并联或备用单元数目来提高可靠性的一种设计方法。 冗余技术包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗 余等。 硬件冗余 根据系统的功能及各个模块在系统中的地位和作用， 配备一定数量同等功能的模块，通过有关线路的配合， 当其中某一块模块失效时，备用Байду номын сангаас块即可自动投入运行。
变换器等产生高频振荡时形成的噪声。 ❖ （3）浪涌干扰 ❖ 主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开
关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流 引起的噪声。
一、干扰的来源 计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干
扰和内部干扰。
1、内部干扰
① 元器件本身的性能与可靠性。
② 系统结构设计
③ 安装与调试
变压器隔离图
3．光电隔离 光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路
的隔离，如下图所示。根据所用的器件及电路不同，通过 光电耦合器可以实现模拟信号的隔离，也可以实现数字量 的隔离。注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组 独立的电源。
光电隔离图
4．浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如下图 所示。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地” 浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。
2．设置监视跟踪定时器 监视跟踪定时器，也称为看门狗定时器(Watchdog)，可