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1、第7章 计算机控制系统的抗干扰技术,7.1 工业现场的干扰及对系统的影响 7.2 硬件抗干扰技术 7.3 软件抗干扰技术 7.4 接 地 技 术 7.5 电源系统的抗干扰技术 7.6 小 结 附录：容错技术,7.1 工业现场的干扰及对系统的影响,干扰对系统造成的后果主要表现 ： 1. 测量数据误差加大；2. 影响存储数据；3. 控制系统失灵；4. 程序运行失常 7.1.1 干扰的来源 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。 主要是由分布电容、分布电感引起的耦合感应、多点接地造成的电位差和寄生电容振荡、热噪声等引起。,外部干扰：,有电网的波动
2、、大型用电设备的起停、电磁辐射，一些大功率的用电设备以及电力设备，甚至空间条件可能成为干扰源等。 (1) 外部电气条件； (2) 外部空间条件； (3) 外部机械条件，,7.1.2 干扰的作用途径,干扰信号主要通过以下几个途径进入系统内部。 (1) 电磁感应； (2) 静电感应； (3) 传导耦合； (4) 公共阻抗耦合； (5) 其他形式。,7.1.3 干扰的作用形式,1.串模干扰 电磁感应和静电感应的干扰都是和信号串联，也就是以串模干扰的形式出现的。,串模干扰示意图,系统对差模干扰的抑制能力,差模抑制比,2. 共模干扰,在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，即输入通道上共有的干扰电压。
3、 主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的。,共模干扰示意图,由于共模干扰它不和信号相叠加，但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流，这泄漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。,系统对共模干扰的抑制能力,共模抑制比,7.2 硬件抗干扰技术,7.2.1 串模干扰的抑制 抗串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，而对于直流串模干扰则采用补偿措施。常用的低通滤波器有RC网络、LC网络、双T网络及有源滤波器。,RC双级网络示意图,7.2.2 共模干扰的抑制,采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法。 另外可以利用变压器或光耦
4、把各种模拟负载与数字信号隔离开来，即把“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而被有效的抑制。,1. 变压器隔离,隔离变压器应有多层屏蔽：如一次绕组屏蔽，二次绕组屏蔽，等电位层屏蔽，磁屏蔽和外屏蔽等。,变压器隔离,2. 光电隔离,可将长线完全悬浮起来，去掉长线两端的公共地线， 而且有效地解决了长线驱动和阻抗匹配的问题， 当受控系统短路时也可以防止系统损坏。 在光耦的I/O部分必须分别采用独立的电源。,光耦合器典型应用电路如图所示,3. 继电器隔离,4. 屏蔽方法,7.2.3 长线传输干扰的抑制,1. 屏蔽信号线 屏蔽信号线的办法：一种是采用双
5、绞线，其中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线。把信号输出线和返回线两根导线拧合，。 另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏蔽外层，芯线用来传输信号。 2. 双绞线不同的使用方法 3. 双绞线与光耦联合使用,7.2.4 阻抗匹配,为了防止静电干扰和反射特片干扰，采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，或者通过TTL芯片缓冲器与长线连接。 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的特征阻抗RP 。 1. 终端并联阻抗匹配 2. 始端串联阻抗匹配 3. 终端并联隔直流匹配 4. 终端接钳位二极管匹配,7.2.5 长线的电流传输,7.3 软件抗干扰技术,软件采取抗干扰设计，往往成本低见效快，起到事半功
6、倍的效果。 7.3.1 软件出错对系统的危害 1. 数据采集不可靠 2. 控制失灵 3. 程序运行失常,7.3.2 数字滤波方法,实质上是一种程序滤波 1. 限幅滤波法 2. 中位值滤波法 3. 算术平均滤波法 4. 递推平均滤波法 5. 中位值平均滤波法 6. 限幅平均滤波法,7. 一阶滞后滤波法 8. 加权递推平均滤波法 9. 消抖滤波法 10. 限幅消抖滤波法,7.3.3 输入/输出软件抗干扰措施,1. 数字量信号输入抗干扰措施 2. 数字量信号输出抗干扰措施,7.3.4 程序运行失常的软件抗干扰 1. 冗余技术 在关键的地方人为地插入一些单字节指令(如NOP指令)，或将有效单字节指令重
7、复书写，这便是指令冗余。 冗余指令不能太多，以免降低运行速率 。 在对系统工作状态至关重要的指令(如SETB EA之类)前也可插入两条NOP指令。,2. 软件陷阱,指令冗余使“跑飞”的程序安定下来是有条件的，首先“跑飞”的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，使程序从头开始运行或者引向一段专门对程序出错处理的程序。 为加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令，所以真正的软件陷阱由三条指令构成。 NOP NOP LJMP ERR,软件陷阱一般安排在下列四种地方,(1) 未使用的中断向量区。 (2) 未使用的大片RO
8、M空间。 (3) 表格。 (4) 程序区。,3. “看门狗”技术,4. 系统复位特征 1) 非正常复位的识别 2) 硬件复位与软件复位的识别 3) 开机复位与把关定时器故障复位的识别 4) 正常开机复位与非正常开机复位的识别 5) 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计,7.4 接 地 技 术,7.4.1 计算机控制系统中的地线 (1) 模拟地，必须认真对待模拟地。 (2) 数字地，也叫逻辑地。它是测试系统中数字电路的零电位，数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 (3) 交流地。 (4) 直流地。 (5) 安全地。 (6) 系统地。,接地目的：
9、,a、消除各电路电流流经公共地线阻抗时产生的噪声干扰电压； b、避免磁场及地电位差形成地环路磁耦合影响。 一般来说，低频电路采用单点接地，高频电路采用多点接地，当频率10MHz时多点接地。,7.4.2 常用的接地方法,本节只讨论低频接地而不涉及高频问题，接地的方式可以分为三种：一点接地，多点接地和混合接地。 1. 一点接地,单端接线方式,错误的接地方式,串联和并联一点接地,2. 多点接地,3. 混合接地,多点接地和混合接地,4. 数字地和模拟地的连接技术,5. 自动测试系统的接地技术,实用接地一般方法,6. 信号采集系统接地方案举例,信号采集系统接地示意图,7.5 电源系统的抗干扰技术,通过电
10、源造成干扰是最直接的，甚至是破坏性的，占工业控制系统被干扰的绝大比例。 测控系统各个单元都需直流电源供电，交流电经过变压、整流、滤波、稳压各项系统提供直流电源，电网的干扰会经初级绕组引入系统，是一个严重的干扰源。 由于电源共用，各电子设备之间通过电源也会产生相互干扰。 要提高工业控制系统的抗干扰性能，必须要在电源上下功夫。,7.5.1 抗干扰稳压电源的设计,1. 电网干扰的防治 对尖峰脉冲干扰的防治方法，主要有滤波法、隔离法、吸收法和回避法。 1) 滤波法 。主要是采用电源滤波器滤除尖峰干扰 。 2) 隔离法。 采用11隔离变压器供电是常见的抗干扰措施，对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。 3)
11、吸收法。 瞬态电压抑制器(TVS，Transient Voltage Suppressor)，是一种二极管形式的高效能保护器件。 4) 回避法 。 回避法就是拉专线供电方法。对于大型动力设备集中且干扰很大的工业现场，应当尽量少使用现场工频电源。,2. 直流稳压电源设计,抗干扰直流稳压电源示意图,简易直流稳压电源示意图,7.5.2 电源系统的异常保护,1. 不间断电源 UPS(Uninterruptible Power System) 最适合的应用领域是电网突然断电，而计算机不能停止工作或者需要一个充足的时间保护重要数据的场合。 2. 连续备用供电系统,7.5.3 计算机控制系统的断电保护,1.
12、 电源监控电路 电源监控电路用来监测电源电压的断电，当其低过某个限定值时，监视电路将持续产生复位信号使CPU和外设接口处于复位状态，避免其不正常操作而带来的事故。 在断电中断服务子程序中要进行各种保护。 当电源恢复正常时，要恢复现场，以合理安全方式使系统继续未完成的工作。,2. 断电保护,及时把所有的执行机构控制到安全的位置或者状态上，将会避免一些损失。 同时，也把重要的数据或运行状态保存起来，这在某些系统里是非常必要的，因为重新运行需要这些数据。,交流断电检测电路,3. 监控电路应用举例,典型系统监控电路,7.6 小 结,根据干扰的原理和影响方式，可以分为串模干扰和共模干扰。可以采取RC网络和变压器隔离，光电隔离，继电器隔离，屏蔽等措施。 对于已经进入计算机控制系统的干扰信号，主要的方法是采取数字滤波。 系统死机是最严重的故障现象，解决方法是利用软件和硬件手段进行系统监控。 系统的电源设计和地线处理是计算机控制系统中不可忽视的重点内容，如果能较好地解决这两个问题，系统的可靠性会得到很大的改善。,
