◆石雙全

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控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的常見干擾及處理

◆石雙全

（北京控制工程研究所 北京 100190）

本文通過介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的常見干擾，分析了干擾的來源、途徑及作用方式等，針對(duì)干擾不同的作用方式，指出了控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的常見的幾種抗干擾處理措施，可以為計(jì)算機(jī)使用單位制定具體的抗干擾措施提供依據(jù)。

干擾；干擾源；抗干擾技術(shù)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)取得了快速的進(jìn)步。憑借其精確、快速的計(jì)算和判斷，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)約每3～5年更新一次，性能價(jià)格比成十倍地提高，體積大幅度減小。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾長(zhǎng)期與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共存，嚴(yán)重影響到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)，還會(huì)對(duì)其他硬件設(shè)備造成影響。因此，研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種干擾，分析干擾產(chǎn)生的原因，找到解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干擾的方法顯得尤為必要。

1 計(jì)算機(jī)干擾系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的干擾是指超出計(jì)算機(jī)正常信號(hào)之外的能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的各種因素。產(chǎn)生干擾信號(hào)的設(shè)備稱為信號(hào)源。計(jì)算機(jī)干擾系統(tǒng)是由干擾源、干擾途徑以及作用對(duì)象三部分組成。

1.1 干擾的來源

（1）外部干擾

由于外部環(huán)境條件變化引起的干擾成為外部干擾。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常見的外部干擾有雷電干擾，比如在雷電惡劣天氣中產(chǎn)生的干擾電波；太陽輻射干擾，比如太陽電磁輻射產(chǎn)生的干擾；電源的工頻干擾；大地磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾；計(jì)算機(jī)周圍用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾等。

（2）內(nèi)部干擾

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境條件如布局排列不當(dāng)、線路交叉錯(cuò)亂、內(nèi)部構(gòu)件損壞等產(chǎn)生的干擾稱為內(nèi)部干擾。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)常見的內(nèi)部干擾有長(zhǎng)線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌粌?nèi)部電容和電感產(chǎn)生的各種不良感應(yīng)，比如耦合感應(yīng)；多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾等。

1.2 干擾的途徑

影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干擾傳播的途徑主要有公共阻抗耦合、磁場(chǎng)耦合和靜電耦合。

（1）公共阻抗耦合干擾

由于計(jì)算機(jī)各回路間產(chǎn)生公共阻抗，使得一個(gè)回路的電流所產(chǎn)生的電壓降影響到另一回路，這種干擾方式稱為公共阻抗耦合干擾。

公共耦合阻抗在計(jì)算機(jī)使用過程中比較常見，例如，電源插座的引線等。

（2）磁場(chǎng)耦合干擾

磁場(chǎng)耦合干擾是一種比較常見的干擾途徑。帶電導(dǎo)體的周圍廣泛分布著各種磁場(chǎng)，磁場(chǎng)是隨著電流的變化不斷變化的，變化的磁場(chǎng)必然在其周圍的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過導(dǎo)體之間這種互感耦合作用引起干擾，就是磁場(chǎng)耦合干擾。在設(shè)備外部，平行架設(shè)的兩根導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生干擾。

（3）靜電耦合干擾

靜電耦合干擾是指干擾信號(hào)通過導(dǎo)線之間產(chǎn)生的分布電容進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，產(chǎn)生影響計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行的干擾信號(hào)。

靜電耦合方式如圖1所示。

圖1 靜電耦合方式

2 干擾的作用方式

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常見干擾的作用方式主要有共模干擾、串模干擾和長(zhǎng)線傳輸干擾。

2.1 共模干擾

共模干擾是指系統(tǒng)的兩個(gè)信號(hào)輸入端上所共有的干擾電壓，可以是直流電壓或者是交流電壓。

計(jì)算機(jī)的地、信號(hào)放大器的地與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源的地一般相隔一段距離，距離的兩端在兩個(gè)接地點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)電位差（Vc）,電位差往往會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一種共模干擾，如圖2。

圖2 共模干擾示意圖

對(duì)于系統(tǒng)的干擾來說，共模干擾大都通過差模干擾的方式表現(xiàn)出來，如圖3。

圖3 兩種輸入方式時(shí)共模電壓的引入

2.2 串模干擾

串模干擾是指各種干擾信號(hào)串聯(lián)在信號(hào)回路中，與被測(cè)信號(hào)相加輸入系統(tǒng)。串模干擾與被測(cè)信號(hào)在回路中處于同樣的地位。串模干擾作用示意圖如圖4。

圖4 串模干擾示意圖

2.3 長(zhǎng)線傳輸干擾

在全過程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，無論是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生作用信號(hào)到終端，還是終端產(chǎn)的信號(hào)到計(jì)算機(jī)，都經(jīng)過一段較長(zhǎng)的線路進(jìn)行信號(hào)傳輸，即長(zhǎng)線傳輸。對(duì)于高速信號(hào)傳輸?shù)木€路，即在高頻信號(hào)電路中，需要多長(zhǎng)的導(dǎo)線可作為長(zhǎng)線，取決于電路信號(hào)頻率的大小，在有些情況下，可能1米左右的線就應(yīng)作為長(zhǎng)線看待。

3 常見抗干擾技術(shù)

常見的抗干擾處理技術(shù)主要從電源系統(tǒng)抗干擾、傳播過程的抗干擾以及接地技術(shù)抗干擾三方面入手。

3.1 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

通過電源系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾是最常見的計(jì)算機(jī)干擾，這種由于電源耦合作用產(chǎn)生的干擾信號(hào)占據(jù)整個(gè)系統(tǒng)干擾信息的大部分。因此必須加強(qiáng)對(duì)電源系統(tǒng)的保護(hù)，讓電源系統(tǒng)穩(wěn)定且不間斷不受干擾的供電是處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干擾的優(yōu)先措施。

電源系統(tǒng)的抗干擾措施主要從供電方式、尖峰脈沖、漏電保護(hù)以及電源直流側(cè)的處理等方面入手。

在供電方式上，保證計(jì)算機(jī)電源220v持續(xù)穩(wěn)定供電。低通濾波器讓50Hz的基波通過，而濾除高頻干擾干擾信號(hào)。對(duì)于電源優(yōu)先使用抗干擾強(qiáng)的開關(guān)電源?；陔娫聪到y(tǒng)抗干擾的供電方式圖5所示。

圖5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電方式

在對(duì)尖峰脈沖干擾的抑制方面，必須采取標(biāo)本兼治、綜合治理、多管齊下的方法?？梢栽诮涣麟娫摧斎攵舜刖馄骷锤蓴_抑制器，來消除輸入端的干擾信號(hào)；可以擴(kuò)大計(jì)算機(jī)與周圍用電設(shè)備直接的距離，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)離干擾源；另外，可以有針對(duì)性地對(duì)大的用電設(shè)備采取專門消除脈沖干擾的措施。

在漏電保護(hù)方面，對(duì)直流電源電壓監(jiān)視可以使用專業(yè)的μP監(jiān)控電路對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的直流電源電壓進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多集成電路μP監(jiān)控電路可供選擇，它們具有很多種類和規(guī)格，同時(shí)也具有多種功能，如有的μP監(jiān)控電路除電源監(jiān)視外，還具有自動(dòng)報(bào)警、復(fù)位、APP智能提醒等功能。

僅僅在電源系統(tǒng)的交流側(cè)采取抗干擾措施是不夠的，這樣很難保證干擾絕對(duì)不進(jìn)入直流系統(tǒng)，因此須在直流側(cè)采取必要的抗干擾措施。常見的直流側(cè)抗干擾措施有去耦法和增設(shè)穩(wěn)壓塊法兩種。

3.2 接地系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)還包括接地系統(tǒng)的抗干擾。接地系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)主要從主機(jī)系統(tǒng)的接地保護(hù)、輸入系統(tǒng)的接地保護(hù)以及地線系統(tǒng)的接地保護(hù)入手。

接地系統(tǒng)的抗干擾主要是主機(jī)系統(tǒng)的接地抗干擾，主機(jī)系統(tǒng)的接地通常設(shè)置計(jì)算機(jī)主機(jī)外殼為絕緣保護(hù)層，其絕緣電阻不小于50MΩ，通過外殼把計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各組件與外部設(shè)備絕緣。主機(jī)系統(tǒng)的接地保護(hù)如圖6。

圖6 主機(jī)與外部設(shè)備的一點(diǎn)接地方式

輸入系統(tǒng)的接地通常是在輸入通道內(nèi)使用屏蔽設(shè)備對(duì)各種傳感器和信號(hào)模擬器等設(shè)備進(jìn)行屏蔽，同時(shí)，使用專業(yè)有屏蔽作用的信號(hào)線輸入輸出信號(hào)。

3.3 過程通道的抗干擾技術(shù)

過程通道的信號(hào)干擾是由于干擾從干擾源沿著過程通道與計(jì)算機(jī)之間的公共地線侵入到計(jì)算機(jī)的各輸入裝置。因此，一方面要控制公共地線發(fā)出的各種干擾；另一方面選擇具有較強(qiáng)抗干擾能力的輸入設(shè)置，阻止干擾信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

（1）串模干擾的抑制

串模干擾信號(hào)和有效信號(hào)相互串聯(lián)，疊加在一起作為輸入信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，因此，串模干擾信號(hào)的一項(xiàng)是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

通常采取以下措施來控制串模干擾信號(hào)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的影響，一方面選擇的信號(hào)線距離強(qiáng)電磁場(chǎng)和動(dòng)力線要有足夠的間距；儀表信號(hào)線、控制信號(hào)線與動(dòng)力線不要平行放在同一個(gè)托盤里面；另一方面，對(duì)同一根管內(nèi)的信號(hào)線使用屏蔽電線或屏蔽電纜，在儀表輸入端加濾波電路來削弱干擾信號(hào)。

（2）長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制

長(zhǎng)線傳輸干擾主要是空間電磁耦合干擾和傳輸線上的波反射干擾。

對(duì)長(zhǎng)線傳輸干擾，可以采用同軸電纜或雙絞線作為傳輸線、終端阻抗匹配以及始端阻抗匹配等。

4 結(jié)語

目前，雖然人們逐漸重視各種高抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，但對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不可能完全消除和避免這些干擾，只能將干擾控制在一定的范圍內(nèi)，使他們不會(huì)影響到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種干擾因素還會(huì)不斷顯現(xiàn)，我們必須給予足夠的重視。

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