黑龍江 王天一

鐵路燃油計(jì)量系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

黑龍江 王天一

鐵路燃油計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，易受到各種干擾的侵入，因此系統(tǒng)的抗干擾特性的好壞關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。干擾對(duì)加油裝置產(chǎn)生作用具備三個(gè)條件，即干擾的三要素：噪音源、耦合通道、接收電路。在解決加油裝置的干擾問題時(shí)，可針對(duì)干擾傳播的三要素著手，即抑制或削弱噪音源的能量，減少或防止耦合通道的生成，消除或屏蔽對(duì)干擾信號(hào)敏感的接收回路等等。

一、硬件系統(tǒng)抗干擾措施

在一般情況下對(duì)加油裝置電子控制系統(tǒng)影響最大的干擾信號(hào)有三種，即：開關(guān)觸點(diǎn)的抖動(dòng)和加油裝置振動(dòng)、感性負(fù)載的通斷、交流電網(wǎng)的波動(dòng)和電路板的抗干擾。

1.開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)和加油裝置振動(dòng)引起干擾的防治

任何一種開關(guān)或觸點(diǎn)在閉合或斷開時(shí)都不是一次性動(dòng)作，而是要產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。從而在電子線路中產(chǎn)生干擾脈沖。這個(gè)脈沖信號(hào)就會(huì)疊加在原來的有用信號(hào)上，對(duì)電路產(chǎn)生干擾，使電子線路出現(xiàn)誤動(dòng)作。

（1）采用RC網(wǎng)絡(luò)防治觸點(diǎn)抖動(dòng)的干擾

在理想狀態(tài)下，WK每接通一次就應(yīng)O點(diǎn)輸出為低電平，但在實(shí)際過程中WK每接通一次O點(diǎn)輸出要抖動(dòng)若干幾次，且次數(shù)不等。經(jīng)示波器查看輸出端O的波形時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，比正常情況下多了一些附加脈沖。經(jīng)分析知這是由微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)在接通和斷開時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)而引起的干擾脈沖，它破壞了電路的正常工作。增加了一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，在WK接通和斷開的過程中，電路里存在著RC的充電和放電的過渡過程。這樣電路就可以有效地抑制觸點(diǎn)抖動(dòng)時(shí)引起的干擾，使電路正常工作。

（2）信號(hào)線抖動(dòng)干擾的克服

盡量縮短信號(hào)線的長(zhǎng)度，避免信號(hào)線振動(dòng)；對(duì)信號(hào)線進(jìn)行屏蔽，采用雙芯屏蔽線或雙絞屏蔽線，必要時(shí)可將信號(hào)線穿在金屬管中；盡量使信號(hào)線沿箱體或殼體走線，并且遠(yuǎn)離高電壓、大電流的導(dǎo)線以及動(dòng)力線、電源線和變壓器等；安裝調(diào)試時(shí)使加油裝置走線盡量避開現(xiàn)場(chǎng)周圍的強(qiáng)干擾磁場(chǎng)，防止產(chǎn)生磁禍合，提高加油裝置抗干擾能力。

2.感性負(fù)載引起的干擾及其防治措施

感性負(fù)載一般是指各種交直流繼電器、接觸器、交直流電磁鐵、電磁閥、交直流電磁離合器、電動(dòng)機(jī)等等。感性負(fù)載都是通過控制元件將它接通的。它的控制元件如按鈕開關(guān)將它和電源接通或斷開的瞬間，將在感性負(fù)載電感線圈的兩端產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍到數(shù)十倍的反向電動(dòng)勢(shì)(簡(jiǎn)稱反電勢(shì))。當(dāng)開關(guān)在接通和斷開感性負(fù)載的瞬間，實(shí)質(zhì)上是RL串聯(lián)電路的兩種過渡過程。在過渡過程剛開始的瞬間將趨向無窮大，以至于將開關(guān)觸點(diǎn)間的空氣隙擊穿出現(xiàn)火花放電和輝光現(xiàn)象。這樣會(huì)對(duì)電子電路及電子控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的干擾脈沖，破壞電子電路及電子控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

感性負(fù)載產(chǎn)生的干擾有兩種形式：一種是在觸點(diǎn)兩端產(chǎn)生火花放電，另一種是在電感線圈兩端產(chǎn)生反電勢(shì)。這些干擾信號(hào)若和低電平信號(hào)線或低電平敏感電路相鄰近，就可能通過分布電容和線間電容對(duì)它們進(jìn)行干擾，同時(shí)還可能通過電源線和控制線對(duì)其它電子電路進(jìn)行干擾。

抑制這些干擾可以在電子電路內(nèi)部設(shè)置層層防線，如濾波、屏蔽等減小它的干擾。但是最好的辦法是對(duì)干擾源本身采取措施，在電感線圈加一個(gè)放電網(wǎng)絡(luò)，防止電火花的產(chǎn)生，減小反電勢(shì)干擾的能量。

目前較為常用的放電網(wǎng)絡(luò)有兩種：一種稱為完備網(wǎng)絡(luò)，是指設(shè)計(jì)的一種理想網(wǎng)絡(luò)，一般多用在高頻情況下；另一種是經(jīng)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，僅從抗干擾的角度出發(fā)，根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)組成簡(jiǎn)單、實(shí)用。經(jīng)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)主要有三種，即D網(wǎng)絡(luò)，R-D網(wǎng)絡(luò)，R-C網(wǎng)絡(luò)。前兩種只能應(yīng)用在直流電路中，而后一種網(wǎng)絡(luò)既可用于直流電路，也可用于交流電路中。

3.交流電網(wǎng)波動(dòng)引起干擾的抑制

對(duì)加油機(jī)電子控制系統(tǒng)的干擾，從其出現(xiàn)的區(qū)域可分為外部干擾和內(nèi)部干擾。前面提到的觸點(diǎn)抖動(dòng)干擾和感性負(fù)載通斷的干擾，一般都屬于內(nèi)部干擾，而由交流電網(wǎng)侵入的干擾則屬于外部干擾。交流電網(wǎng)波動(dòng)引起的干擾主要是指通過交流電源引線傳到加油裝置里來的那些電網(wǎng)中的高頻信號(hào)。由交流電源線侵入的這種頻帶較寬的高頻干擾信號(hào)一般都是在電網(wǎng)中的大型設(shè)備開啟或關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的。對(duì)這種干擾信號(hào)的抑制可采取以下幾種方法：

（1）低通濾波器低通濾波器是一種無源四端網(wǎng)絡(luò)，是一種只允許直流分量和低頻電流分量通過的濾波器，可以有效地抑制電網(wǎng)中的高頻干擾分量。

（2）隔離變壓器隔離變壓器是變比為1：1的變壓器國(guó)。一般在它的初級(jí)和次級(jí)外面分別各有一層屏蔽層。使用時(shí)將兩屏蔽層分別可靠地接地。這樣的隔離變壓器對(duì)于由電網(wǎng)侵入的干擾脈沖顯然是一道障礙，對(duì)于抑制電網(wǎng)進(jìn)入的干擾能起一定的作用。

（3）分相使用在加油裝置的控制系統(tǒng)中把強(qiáng)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源和弱電控制部分的電源分別接在三相交流電源的不同相序上，安裝時(shí)也分開安裝，則可以抑制或減少強(qiáng)電部分對(duì)弱電部分干擾。

4.印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)

印制電路板是器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，布線和布局好壞對(duì)可靠性影響很大。印制電路板大小要適中，板面過大印制線路太長(zhǎng)，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板間相互連線增加，易增加干擾環(huán)境；印制板元件布局時(shí)相關(guān)元件盡量靠近。如晶振、時(shí)鐘發(fā)生器及CPU時(shí)鐘輸入端相互靠近，大電流電路要遠(yuǎn)離主板，或另做一塊板；考慮電路板在機(jī)箱內(nèi)的位置，發(fā)熱大的元器件放置在易通風(fēng)散熱的位置；電源線和地線與數(shù)據(jù)線傳輸方向一致，有助于增強(qiáng)抗干擾能力。接地線可環(huán)繞印制板一周安排，盡可能就近接地，地線盡量加寬，數(shù)字地、模擬地要分開，根據(jù)實(shí)際情況考慮一點(diǎn)或多點(diǎn)接地。

二、軟件抗干擾設(shè)計(jì)

硬件電路的抗干擾能夠顯著地增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但并不能杜絕干擾的發(fā)生。而軟件抗干擾設(shè)計(jì)主要借助于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法和理論，進(jìn)行數(shù)字濾波和程序運(yùn)行監(jiān)控。

1.看門狗技術(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)看門狗電路，給當(dāng)喂狗端即WDI端在超過1.65沒有被喂，RST端就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，使單片機(jī)復(fù)位。喂狗程序如下，即向WDI端發(fā)送一個(gè)方波信號(hào)。

2.MCU口線刷新在MCU結(jié)構(gòu)中，I/O電路一般靠近管芯邊緣，外部噪聲容易對(duì)其邏輯電路產(chǎn)生影響。因此，在用戶程序中，定期刷新I/O口的數(shù)據(jù)寄存器和方向寄存器有利于減少系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

3.數(shù)字濾波技術(shù)在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，一般都含有種種噪音和干擾，它們主要來自于被測(cè)信號(hào)本身或外界干擾。數(shù)字濾波程序就是通過一定的計(jì)算或判斷來提高信噪比。同硬件RC濾波器相比，不需增加任何硬件設(shè)備，靈活性好，可用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法。

4.對(duì)模擬量輸出的抗干擾設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換之前，與模擬量輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)保存在鎖存器中，鎖存器一旦受到干擾，模擬輸出信號(hào)就會(huì)受到破壞，為此可對(duì)該數(shù)字鎖存信號(hào)進(jìn)行重復(fù)輸出處理。

5.對(duì)開關(guān)量輸入、輸出的抗干擾設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入采用多次讀入和延時(shí)查詢的方法。多次讀入法是開關(guān)量輸入時(shí)，為了確保讀入信號(hào)準(zhǔn)確無誤，在開關(guān)輸入程序設(shè)計(jì)上采用多次讀入，至少要求連續(xù)兩次讀入內(nèi)容一致。延時(shí)查詢方法是對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行一定延時(shí)的不間斷掃描，以便判別輸入信號(hào)的真?zhèn)?。開關(guān)量輸出的抗干擾措施是將存放開關(guān)輸出的鎖存器進(jìn)行重復(fù)輸出，不管此鎖存器的內(nèi)容有沒有受到干擾，定時(shí)給它送信號(hào)，直至相應(yīng)功能執(zhí)行完畢為止。

(作者單位：哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

（編輯 王旸）