1抗干扰研究的必要性
尽管单片机在智能化仪器仪表领域的应用越来越深入和广泛，有效地提高了仪表生产效率，改善了工作条件，大大提高了控制质量与经济效益，但是，通常系统仪表的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常仪表突出的问题。干扰会导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的仪表损失。
影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干仪表扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些仪表因素对测控系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方面.
一、数据釆集误差加大
干扰侵入微机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号之上，会仪表使数据釆集误差加大，特别是当传感器输出微弱信号时，干扰更加严重。
二、控制状态失灵
一般微机输出的控制信号较大，不易受到外界的干扰。但微机输出的控制信仪表号常依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果，若这些输入的状仪表态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。
三、数据受干扰发生变化
微机系统中，由于RAM存储器是可以读/写的，因此在干扰的侵害下,RAM仪表中的数据有可能被窜改。在单片机系统中，程序及表格、常数存于程序存储器仪表EPROM中，避免了这些数据受干扰破坏#但是，对于内RAM,外扩RAM中的仪表数据都有可能受到外界干扰而变化。根据干扰窜入的途径、受干扰数据的性质不仪表同，系统受损坏的情况也不同。有的造成数据误差，有的使控制失灵，有的改变仪表程序状态，有的改变某些部件（如定时器/计数器、串行口等）的工作状态等。

微机中程序计数器PC的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。仪表但若外界干扰导致PC值的改变，破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的PC仪表值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指仪表令，最后进入“死循环七这将使输出严重混乱或系统失灵。
2控制器硬件上的抗干扰设计
2.1仪表PCB的可靠性设计
目前PCB板的布线采用计算机辅助设计软件来完成，可以大大减少布线的仪表出错率，也便于电路检査^但是使用这些软件的自动布线是很难能进行可靠性布仪表线设计。例如系统的电源、地线安排，器件布置的考虑，模拟、数字电路的不同仪表处理要求，时钟电路的安排考虑等.这些PCB的可靠性设计常常要依靠手工布仪表线完成。同时利用PCB的自动化软件辅助工具的分析、识别、判断能力，及时仪表检查及修正手工布线错误。
PCB可靠设计内容主要有PCB的总体设计，电源、地线布置，去耦设计和仪表布线设计。
—、PCB的总体设计
PCB的总体设计中，应满足以下几项基本要求，
a）区域划分
设计PCB时，首先要按电路类型进行区域规划。即模拟电路与数字电路分仪表开，以降低数字噪声对敏感的模拟电路的耦合;功率驱动部分为大功率电路部分，仪表噪声能量大，应与模拟和数字部分分开。在本控制器中PCB设计中，数字地与仪表模拟地分开，一点相连。功率驱动部分设计在另外独立的PCB板上。
b）留好地线结构空间
PCB上必须有足够的地线空间，地线空间应在决定集成电路和器件位置之仪表前考虑。地线设计是PCB设计的重要一环，切不可忽视，通常采用手工布置.
c）集成电路及器件的安排应遵循以下原则：最短距离连线要求。尽量缩短

元器件相互间的布线距离；尽量缩短高频信号的布线距离与区域；高频信号的输仪表入、输出尽量靠近；尽量缩短与产生电磁干扰信号相关的布线距离；同时应为高仪表频信号提供一条低阻抗（最小环路区域）信号返回路程：在高频信号线两边布上地仪表线，可为其它信号提供屏蔽。
二、电源、地线设计
a）地线设计
地线是信号电流或电源电流的返回路程。地线只要存在阻抗，就会产生信号仪表压降，形成噪声。这些噪声对于与该地线有关的电路要形成干扰。通常，有共地仪表阻抗形成的干扰。
在具体的地线设计中，信号地可分为单点接地、多点接地和混合接地。单点仪表接地防止共地阻抗干扰，适合于低频信号；多点接地使地线尽可能短，以降低高仪表频阻抗和辐射能力，多用于高频系统；混合接地要保证单点接地的同时，有高频仪表电容接地通道。
PCB上地线设计的原则是：最小的阻抗、最小的回路面积以及最小的公共仪表阻抗。双层板的地线网格设计中，由于PCB不可能设置地线层，所以设置地线仪表网格则是双层板中地线设计的最佳方案。它提供了类似地线层效果，可缩小环路仪表面积，并将地线阻抗降至最低。在PCB的一面水平布线，另一面垂直布线，在仪表地线交错处通过过孔相连，形成网格，网格面积宜小，最好不要超过1平方英寸。
釆用这样的网格地线后，信号在板上任何区域上的返回路径不超过0.5英寸（25.4mm）。
b）电源设计
在PCB上除了应将模拟电路和数字电路分开布置外，在供电上也要分别独仪表立供电，以防止数字电路噪声对模拟电路的干扰。电源布线设计应尽可能使电源仪表线布在地线上（下）层或近旁。这有利于将电源线中的噪声回送到地线上，有于减仪表少噪声的辐射环路区域。如果采用铁氧体或传感器等滤波器来降低供电线路上的仪表噪声，必须让它们非常接近MCU引脚，才能在抑制MCU噪声，以及避免噪声仪表传至PCB线迹上。
c）产品地线设计
作为一个电子产品应有一个完整的地线系统，产品内部无论是主板、面板、仪表电源板、I/O接口、伺服驱动板都有许多接地点，但所有接地点都应有相同的仪表地电平，即最终这许多接地点都要连在一起。在主线路板上数字电路、模拟电路仪表和大功率开关电路都有独立的地线及地线引出端，它们和系统的输入/输出通道仪表地线分别与电源系地相连*而且该点还与机壳及电源屏蔽线相连。
三、去耦设计
数字系统中总是产生和传递各种脉冲信号波形，这些波形都由一个基波和许仪表多高次谐波组成。当脉冲信号边沿很陡时,会有很高的高次谐波，⑵这时，任仪表何一个与之相连的PCB线迹、元器件及连接物都可成为辐射天线。而相邻的线仪表迹、元器件也可通过辐射或电容耦合接收这些高频噪声干扰，数字系统中最主要仪表的数字噪声是数字集成电路运行的电源电流瞬变噪声，因此，首先要解决电源去仪表耦设计。如果不采取去耦措施，即在电源和地端并接去耦电容来吸收这个尖峰瞬仪表变电流，就会对系统形成电磁干扰。通常加去耦电容，其容值为0.01PF。对于仪表一个数字系统，由于总线切换而产生的瞬变电流是很大的，另外，通过电源也会仪表引入一些高频噪声，因此，常在数字系统的电源入口处并接一个W-lOOuF的仪表电容来进一步去耦。
在信号输入的条件下，对所有的输入输出端采用LC电路去耦，特别对无屏仪表蔽的输入输出线更为重要。在信号线上可使用RC低通滤波器，尽量减少带宽。仪表例如，在放大器、比较器的输入端与地之间并联一个小电容（如47pF）去耦，在传仪表感器小信号输入到模数转换器CS5531以前，加了一仪表RC低通滤波器，目的是滤去仪表髙频噪声。
在完成PCB设计的总体布置，画好电源、地线、器件位置及去耦电容后，仪表具体布线时应遵循下列原则：
a）为了防止信号线间的干扰，无论是多层板还是双层板，相邻层的信号线仪表应按相互垂直布线。
b）电源线和地线应尽量粗些。所有未使用空间都设计成地线平面，以减少地线阻抗。
c）数字系统的的每条信号线应尽量靠近地线，以减少噪声阻抗。然而，对于大量的地址线，数据线来说，不可能都满足这一要求，则尽可能安排好低位地仪表址线、数据线。
d）全部布线设计完毕后，再次检査地线，将地线尽量加粗，特别是较细的地线。
2.2电源干扰的抑制
除强电被控设备外，控制器的各个单元都需要直流电源供电。是由市电电网仪表的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后向系统提供直流电源。由于变压器的初仪表级绕组接在市电电网上，电网上的各种干扰便会引入系统。因此，交流电源既是仪表计算机使用的电源，又是一个严重污染的干扰源。这种污染通过设备的电源线传仪表入系统的内部，对计算机产生影响。除此之外，由于电源共用，各电子设备之间仪表通过电源也会产生相互干扰。
根据工程统计分析，微机系统有70%的干扰是通过电源耦合进来的。因此,仪表提高电源系统的供电质量，对确保系统安全可靠运行是非常重要的。电源抗干扰仪表的基本途径有以下几点：
a）采用交流稳压器.当电网电压波动范围较大时，应使用交流稳压器.若釆用磁饱和式交流稳压器，对来自电源的噪声干扰也有很好的抑制作用。    :
b）电源滤波器。交流电源引线上的滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰。直流电源的输出也接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑仪表制数字信号产生的脉冲干扰。
c）在要求供电质量很高的特殊情况下，可以釆用发电机组或逆变器供电，如采用在线式UPS不间断电源供电，
d）电源变压器釆取屏蔽措施。利用几毫米厚的高导磁材料（如坡莫合金）将变压器严密的屏蔽起来，以减少漏磁通的影响。
e）在每块印刷电路板的电源与地之间并接去耦电容，即5—10uF的电解电容仪表和一个0.01-0,19的电容，这可以消除电源线和地线中的脉冲电流干扰。
f）釆用分立式供电。整个系统不是统一变压、滤波、稳压后供各单元电路使用，而是变压后直接送给各单元电路的整流、滤波、稳压。这样可以有效地消除仪表各单元电路间的电源线、地线间的耦合干扰，又提高了供电质量，增大了散热面仪表积。
g）分类供电方式“把空调、照明、动力设备分为一类供电方式，把微机及其仪表外设分为一类供电方式，以避免强电设备工作时对微机系统的干扰。
在本控制器的设计中，市电经交流稳压器后，采用分立式供电，通过稳压、仪表滤波后供各单元电路使用。同时，由于传感器将非电物理量转换成微弱电信号时,仪表其供电电源精度对转换后的输出信号影响极大，单独供应一组±15V电源。
2.3传感器外部噪声干扰的抑制
传感器最大的外部噪声源是连接在交流电源上的电动机、电焊机等产生电火花的机器以及继电器、电磁阀门等°这些噪声源通过电容、电磁耦合对传感器形成干扰。测量电路往往是模拟电路和数字电路的混合体。数字电路工作电流的变化也会影响模拟电路而产生噪声，因而测控装置的配线技术是首先要考虑的。对于静电感应噪声，可在信号线或箱体上包一层金属导体屏蔽层，并将屏蔽层端点接地，对于电磁感应噪声，配线时应尽量使信号线远离强电线，以减小互感，减小电磁感应噪声；为了降低电磁感应噪声，信号电缆还可用金属导体层来屏蔽,并且使屏蔽层端点接地除此之外，还釆用双绞信号线，它对抑制噪声也很有效,因为它们产生方向相反的感应电压，所产生的磁通相互抵消。抑制外部噪声对传感器的干扰，也可釆用物理隔离，即对小信号低电平的隔离，传感器及其信号连线应尽量远离高电子大功率的导线和元器件（如变压器），以减少噪声和电磁场的干扰。为了实行物理隔离，即使同一设备内部也应当把这两类信号导线分开走线。远距离走线时，更应注意把信号电缆和功率电缆分开，并保持一定的距离◎必要时还可以用钢管或金属蛇皮管把它们分别套起来，以增加屏蔽效果。
 

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