计算机控制系统中的抗干扰技术

第 9 章计算机控制系统中的抗干扰技术

由于工业现场的工作环境往往十分恶劣，计算机控制系统不可避免地受到各种各样的干扰。这些干扰可能会影响到测控系统的精度，使系统的性能指标下降，降低系统的可靠性，甚至导致系统运行混乱或故障，进而造成生产事故。干扰可能来自外部，也可能来自内部；它可通过不同的途径作用于控制系统，且其作用程度及引起的后果与干扰的性质及干扰的强度等因素有关。干扰是客观存在的，研究抗干扰技术就是要分清干扰的来源，探索抑制或消除干扰的措施，以提高计算机控制系统的可靠性和稳定性。本章首先介绍干扰的种类及传播途径，然后根据硬件和软件抗干扰措施的不同，分别加以论述。

9.1 干扰的传播途径与作用方式

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。产生干扰信号的原因称为干扰源。干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。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。为了有效地抑制和消除干扰，首先需要分清干扰的来源、传播途径，以及干扰的作用方式。

9.1.1 干扰的来源

计算机控制系统中干扰的来源是多方面的，有时甚至错综复杂。总体上，按照来源，干扰可分为外部干扰和内部干扰。外部干扰与系统所在环境和使用条件有关，与系统内部结构无关。内部干扰则由系统结构布局、制造工艺引入。

1. 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。外部干扰主要有：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，如太阳或其他星球辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰，如温度、湿度；地磁场干扰；火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。

2. 内部干扰

内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件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。

3. 电场耦合

电场耦合，又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。这些分布电容的存在，可以对频率为ω的干扰信号提供1/jωC的电抗通道，电场干扰就可以由该通道窜入系统，形成干扰。

4. 磁场耦合

在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，如图9.3所示。其中，ω为感应磁场交变角频率，M为两根导线之间的互感，I1为导线1中的电流。另外，长线干扰具有天线效应，即能够辐射干扰波和接收干扰波。例如，在大功率的广播电台周围，当垂直极化波的电场强度为100mv/m时，长度为10cm的垂直导体可以产生5mv的感应电动势，这也是一个不小的数字。

5. 公共阻抗耦合

在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。同时，各汇流条之间具有电容，数字脉冲可以通过这个电容耦合过来。

6. 差模干扰

它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统，如图9.6(a)所示，图中Us为被测信号电压，Un为干扰信号电压。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。计算机控制系统在工业现场运行时，其所受干扰的来源是多方面的，除电网电压的过压、欠压以及浪涌以外，对系统危害最严重的首推电网的尖峰脉冲干扰，这种干扰常使计算机程序“跑飞”或“死机”。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较为可行的方法。

7. 掉电保护

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。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。

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。

下面是几种常见的针对CPU的抗干扰措施。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。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初始状态开始，程序从第一条指令开始执行；人工复位是指操作员按下复位按钮时的复位；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。

因此，人工复位主要用于各类智能测试仪器、数据采集与操作指导控制系统等，一般不用于直接控制系统。在掉电中断服务程序中，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。

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。

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。所谓软件冗余，就是人为地在程序的关键地方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。指令冗余虽然将“跑飞”的程序很快地纳入程序轨道，但不能保证系统工作正常。

例如程序从一个模块“跑飞”到另一个不该去的模块，即使很快安定下来，但执行了不该执行的程序指令，同样会造成控制系统出现问题。当程序“跑飞”到非程序区(如EPROM中未使用的空间、程序中的数据区等)时，指令冗余不起作用，这时可采用软件陷阱和Watchdog(看门狗)技术。

软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导指令(看作一个陷阱)，程序正常运行时不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序进行出错处理和程序恢复。由于程序指令不可能占满整个程序存储区，总有一些地方是正常程序不会达到的区域，可在该区域设置软件陷阱，对“跑飞”的程序进行捕捉，或在大片的ROM空间，每隔一段设置一个陷阱。

当程序“跑飞”到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱将不起作用，造成系统完全瘫痪。当系统运行时，看门狗与CPU同时工作。程序正常运行时，会在规定的时间内由程序向看门狗发送复位信号，使看门狗定时系统重新开始定时计数，没有输出信号发出；当程序“跑飞”并且其他的措施没有发挥作用时，看门狗便不能在规定的时间内得到复位信号，其输出端会发出信号使CPU系统复位。

其中，MAX793和MAX815都是具有Watchdog功能的μP集成芯片，这些芯片的具体使用在这里不作详细介绍，可以参考单片机相关资料。主程序在开始处启动计数器0，计数器0开始计数，每中断一次，就将设在中断服务程序中的记录中断发生次数的整型变量加1。若发现不正常，则可断定主程序已经“跑飞”，中断服务需要修改返回地址至主程序入口处。

第9章习题

1.简述干扰的主要来源及其传播途径。

2.简述干扰的分类。

3.试述干扰的作用方式有哪些？各有什么特点？并叙述如何识别或区分不同的干扰类型。

4.简述电源抗干扰技术。

5.简述有哪些软件抗干扰技术？看门狗技术有什么作用，有哪些方法可以实现看门狗？