郭 瑜

(中國鋁業(yè)股份有限公司 鄭州研究院，河南 鄭州450041)

當(dāng)前，計算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，各種電子控制裝置如單片機(jī)、可編程序控制器(PLC)、大型集散控制系統(tǒng)(DCS)等，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮日益重要的作用.然而，各種形式的干擾時常竄入系統(tǒng)作亂，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至出現(xiàn)不必要的事故，干擾問題已成為工業(yè)控制中的突出問題. 因此，在控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，采取必要的抗干擾措施，才能保證系統(tǒng)安全、有效地運行.

1 干擾的分類和耦合方式

根據(jù)干擾的形成方式,可以將干擾分為以下幾類：(1)機(jī)械干擾.機(jī)械振動或沖擊造成檢測設(shè)備中的元件產(chǎn)生振動或是形變等情況，引起連接導(dǎo)線發(fā)生松動,或是指針儀表的指針發(fā)生顫動.(2)熱干擾.在設(shè)備工作的過程中或是環(huán)境升溫所產(chǎn)生的熱，導(dǎo)致元器件的溫度波動，引起儀表中電路元件參數(shù)漂移，以至于自控系統(tǒng)工作失常.(3)光干擾.在檢測裝置中廣泛使用各種半導(dǎo)體元器件，光照使其性能發(fā)生變化，如光照會使EPROM存儲器件數(shù)據(jù)丟失等. (4)濕度干擾.在環(huán)境濕度較大的條件下，由于絕緣電阻下降，漏電流增大，導(dǎo)致電容器的電容量增大，使電感線圈的Q值(品質(zhì)因數(shù))下降.(5)化學(xué)干擾.當(dāng)工作環(huán)境充斥著酸、堿、鹽等蒸汽時，會發(fā)生化學(xué)腐蝕作用從而造成元器件的損壞或電容等元器件的性能改變.(6)電磁噪聲干擾.電磁的噪聲干擾是普遍存在的，它對元器件工作性能的影響也最嚴(yán)重，其主要原因為噪聲通過電路、磁路對系統(tǒng)和裝置產(chǎn)生干擾，既要抑制和消除來自環(huán)境的電磁干擾，也要抑制和消除來自自控設(shè)備的電磁干擾.干擾的耦合有以下4種方式：(1)電容耦合.(2)電感耦合.(3)漏電流耦合. (4)共阻抗耦合.

從上述干擾形成及分類看，造成干擾有幾個必要因素：干擾源、干擾途徑、對干擾敏感性較高的接受器，因此，如果想避免和消除干擾，就需要從這幾個方面采取一定的預(yù)防保護(hù)措施.在實際應(yīng)用中，可以從兩方面的設(shè)計來解決干擾問題，一方面為硬件抗干擾設(shè)計，另一方面為軟件抗干擾設(shè)計，其中軟件抗干擾由于比較容易實現(xiàn)并具有較低成本，因而被廣泛采用.

2 硬件抗干擾設(shè)計

2.1 傳輸通道的抗干擾設(shè)計

傳輸通道主要是指自控系統(tǒng)中輸入接口、輸出接口與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)連接及傳輸?shù)穆窂?由于自控系統(tǒng)是從生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測裝置、控制裝置、主機(jī)相互聯(lián)系溝通的一個龐大復(fù)雜系統(tǒng)，不可避免有長距離的線傳輸，而長線傳輸產(chǎn)生的干擾就成為設(shè)計時必須考慮的問題.為了保證長線傳輸中輸入、輸出接口傳輸信號的可靠性，根據(jù)干擾源的具體情況，針對串模干擾或是共模干擾，采用不同的設(shè)計方法來解決.

2.1.1 針對串模干擾的設(shè)計方法. 串模干擾也被稱為常態(tài)干擾，其特征是干擾噪聲是疊加在被檢測信號上.針對于串模干擾，必須要先分析疊加在被檢測信號的干擾信號產(chǎn)生原因及特性，再針對現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備狀況，采取相應(yīng)的措施.解決串模干擾的設(shè)計方法如下：

(1)當(dāng)被測信號的頻率低于串模干擾頻率時，可在檢測系統(tǒng)中加入低通濾波器來抑制高頻串模干擾;當(dāng)被測信號的頻率高于串模干擾頻率時，可加入高通濾波器來抑制低頻串模干擾;當(dāng)被測信號的頻率在串模干擾的頻率中間部位時，則加入帶通濾波器來抑制外側(cè)的串模干擾.在實際應(yīng)用中，串模干擾頻率的變化會比被測信號快，所以經(jīng)常加載阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò).

(2)對于尖峰型串模干擾，可加載雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，這樣采集的輸入信號是平均值而不是瞬時值，對干擾具有抑制作用；若采用積分周期等方法，通過積分比較變換后，則對干擾有更好的抑制效果.

(3)對電磁感應(yīng)情況下引起的串模干擾，可以對被測信號提前進(jìn)行放大，或是盡快地完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，或采取隔離和屏蔽等措施.

(4)對來自邏輯器的串模干擾，采用高抗擾度邏輯器件，利用高閥值電平來抑制低噪聲的干擾；也可采用低速邏輯器來抑制高頻干擾，或通過加載電容來降低邏輯電路中的高頻干擾.

(5)信號引線采用外加屏蔽層的雙絞線，可以減少電磁感應(yīng)，由于雙絞線的輸入阻抗較大，對干擾信號的阻抗也會相應(yīng)較大，可以使在走線過程中的各個小環(huán)路引起的感應(yīng)電勢呈反向抵消.由于雙絞線的特性，它的線間分布電容只有十幾pF，對信號具有積分作用，對抑制電磁干擾的效果尤其顯著.

2.1.2 針對于共模干擾的設(shè)計方法. 共模干擾也被稱為共態(tài)干擾，其特征是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上共有的干擾.這種干擾有可能為直流電壓，也有可能為交流電壓，其幅值可達(dá)幾伏或幾十伏.解決共模干擾的設(shè)計方法如下：

(1)采用隔離變壓器將信號隔離. 對于交流信號的傳輸，一般采用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器可以阻斷交流信號中的直流干擾和抑制地坪干擾信號的強(qiáng)度，把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來，即將模擬地與數(shù)字地斷開，傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不能構(gòu)成回路被抑制.

(2)采用光電隔離器將信號隔離. 在系統(tǒng)設(shè)計中，在I/O單元、主機(jī)單元、通訊單元之間加設(shè)光電隔離器，可有效防止干擾從過程通道竄入主機(jī).這是因為光電隔離有如下特點：首先，發(fā)光二極管和光電三極管封裝在一個管殼內(nèi)，不會受到外界的干擾；其次，由于是靠光傳遞信號，切斷了各單元電路中地線的聯(lián)系；而且，發(fā)光二極管動態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，傳送到光電隔離器的干擾信號就變得很小.

(3)在輸入/輸出(I/O)模板的選型上，應(yīng)盡量選用4～20 mA類型的模擬量輸入/輸出模板，避免選用1～5 V類型的，以防止共模干擾.除考慮特殊需要外，盡可能選擇直流電源為24 V、開關(guān)信號電壓壓差較大、響應(yīng)時間較慢(10～20 ms)的開關(guān)量模板.

(4)在進(jìn)行硬件的配置設(shè)計時，應(yīng)選用共模干擾抑制能力強(qiáng)、精度高的自動化儀表和傳感器、變送器；對遠(yuǎn)離主機(jī)的傳感器、變送器，要考慮選用遠(yuǎn)程模板式適配器，以減小布線帶來的干擾.

2.1.3 長線傳輸干擾及其抑制方法

(1)選用同軸電纜或雙絞線.同軸電纜對電場干擾有較好的抑制作用，其波阻抗一般在50～100 Ω之間.雙絞線對磁場干擾有較好的抑制作用，絞距越短，波阻抗越低，效果越好，一般在100～200 Ω之間.

2.2 系統(tǒng)接地的抗干擾設(shè)計

在監(jiān)控系統(tǒng)中的地線設(shè)計尤為重要，地線的型式一般有：數(shù)字地、模擬地、安全地、系統(tǒng)地和交流地.合理有效的接地設(shè)計能減少系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力.其設(shè)計要點是：避免形成接地環(huán)路，消除因公共阻抗所形成的干擾.

系統(tǒng)主機(jī)中數(shù)字電路的零電位稱為數(shù)字地，其接地原則為相同性質(zhì)的直流電源地線才能連接在一起.在傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位稱為模擬地.有時模擬信號比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場連接，為了保證其精度，其接地原則為相同性質(zhì)的直流電源地線才能連接在一起. 模擬地應(yīng)與數(shù)字地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾.在現(xiàn)場安裝時，要注意將設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，這被稱為安全地，可以避免機(jī)殼帶電，保障人身及設(shè)備安全. 上述幾種地的最終回流點稱為系統(tǒng)地，直接與大地相連. 對于自控系統(tǒng)中計算機(jī)交流供電電源地稱為交流地，也稱為動力線地，由于它的地電位很不穩(wěn)定，而且抗干擾性比較差，因此，數(shù)字地、模擬地、安全地、系統(tǒng)地不能與交流地相連.

在實際應(yīng)用中，在系統(tǒng)地與大地等電位的系統(tǒng)中，應(yīng)將系統(tǒng)直流電源的地線與屏蔽層的地線連接在一起；在系統(tǒng)地與大地絕緣的系統(tǒng)中，應(yīng)將系統(tǒng)交流電源的地線接到屏蔽層的地線上.同時，電纜屏蔽層的接地應(yīng)選擇一點接地，避免形成接地環(huán)路.

2.3 CPU抗干擾設(shè)計

計算機(jī)控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用Watchdog(俗稱看門狗)、電源監(jiān)控(掉電檢測及保護(hù))、復(fù)位等方法，可用微處理器監(jiān)控電路MAX123來實現(xiàn).關(guān)于“看門狗”硬件電路設(shè)計，請參閱文獻(xiàn)[1].

3 軟件的抗干擾設(shè)計

在微機(jī)系統(tǒng)中，硬件設(shè)計得當(dāng)，可將絕大多數(shù)干擾拒之門外，但并不代表不再受干擾的影響.雖然硬件的抗干擾效果不錯，但卻要增加系統(tǒng)的設(shè)計和元器件.以下為兩種常用的軟件抗干擾設(shè)計方法.

3.1 軟件模擬硬件數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器可采用硬件電路實現(xiàn)，但這樣會增加系統(tǒng)成本，且在已定型的硬件電路加裝數(shù)字濾波器，實現(xiàn)起來并不容易，而采用軟件設(shè)計模擬硬件數(shù)字濾波器(如RC濾波器)，不僅可以使電路簡化，而且可方便地修改軟件中的RC參數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，比加載硬件的數(shù)字濾波器簡單.RC低通濾波器的微分方程為：RC(dx/dy)+y=x,對應(yīng)的差分方程為RC(yk-yk-1)/△t+yk=xk, 近似得到

yk=AXk+BYk-1.

其中,A=△t/(RC),B=1-A,上式通過軟件很容易地實現(xiàn)模擬數(shù)字濾波器的功能，達(dá)到消除干擾的目的.

3.2 在軟件中加置“看門狗”

“看門狗”，又稱為跟蹤監(jiān)視定時器，其工作原理是利用定時器中斷來監(jiān)視程序的運行狀態(tài).如果CPU在工作過程中由于干擾出現(xiàn)異常，例如系統(tǒng)死機(jī)，可設(shè)置軟件的“看門狗”定時器.當(dāng)程序正常時，定時器恢復(fù)初值；當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)時，使其定時時間略大于程序中最長循環(huán)一次的時間，當(dāng)有溢出時，定時器則發(fā)出中斷命令，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，強(qiáng)迫系統(tǒng)停止程序運行，恢復(fù)系統(tǒng)初始狀態(tài)[2].

4 結(jié)束語

系統(tǒng)的抗干擾能力是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，測控系統(tǒng)在設(shè)計時不僅要從軟件和硬件兩方面考慮提高其抗干擾能力，而且在現(xiàn)場安裝、調(diào)試的過程中，針對于不同的現(xiàn)場環(huán)境，對可能形成干擾的原因進(jìn)行分析，采用多種措施進(jìn)行預(yù)防和綜合治理，只有這樣才能確保計算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行.

參考文獻(xiàn)：

[1]于海生.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]何立民.單片機(jī)高級教程——應(yīng)用與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.