可靠性是微机控制系统的重要性能指标 ,它由多种因素决定。 微机控制系统所在现场的各种干扰是影响可靠性的主要因素。 干扰源有多种 ,干扰会影响传送信息的正确性 ;扰乱程序的正常运行 ,使程序“飞走”或进入死循环 ,还可能损坏微机的元器件。 干扰是微机控制系统必须认真对待的问题。

1 　 硬件抗干扰技术

1. 1 　 电源

微机所用的电源一般都由电网的工频交流电源经降压、整流等环节后提供。 由于电网的影响以及生产现场大容量电气设备开停 ,会使交流电压含有高频成分、浪涌电压、尖脉冲或发生较大幅度的波动 ,这种干扰通过电源途径影响微机系统的正常工作。 抑制交流电源的干扰 ,除了使微机电源尽量与大容量用电设备分别供电外 ,还经常采用滤波、屏蔽、隔离、稳压等措施。

( 1)采用滤波和屏蔽
低通滤波器由电感和电容组成 ,它对工频交流电的阻抗很小 ,而对于高频干扰信号具有很强的抑制作用。滤波器加屏蔽外壳 ,并使之良好接地。 滤波器的进线端和出线端要离开一定距离 ,或采用屏蔽线以防止感应和辐射耦合。 电源变压器采用双屏蔽形式 ,一次和二次绕组分别加屏蔽层 ,并分别接地。 一次屏蔽层接专用地线 ,二次屏蔽层接即微机系统地。 这样可阻断高频干扰信号经变压器的一、二次侧之间的耦合电容传播到微机系统 ,另外可以消除静电感应。
( 2)采用隔离和交流稳压措施

对于要求较高的系统 ,可在上述交流供电线路的基础上 ,再增加隔离和交流稳压措施 。隔离变压器的电压比等于 1,它做成双屏蔽形式。 隔离变压器的作用是阻止浪涌电压和尖脉冲通过 ,其屏蔽层能抑制高频干扰和静电感应作用。 交流稳压器用于补偿电网电压的波动 ,其稳压精度并不需要太高 ,但要求它工作可靠且要有较快的响应速度。

( 3)采用分散的直流供电方式

为了提高微机直流电源系统的供电可靠性 ,可以各模板分别设置直流稳压电源 。现有多 种规格的三 端集成稳 压块 ,型 号为78 ××或 79 ×× ,能方便地用来组成直流稳压电源。 采用各自独立供电还能消除相互之间通过电源产生的干扰。
( 4)采用高抗干扰稳压电源和干扰抑制器

( 5)信号线不能与交流电源并行敷设 ,尽量远离交流电源线和大功率电气设备。

1. 2 　 模拟量输入通道

( 1)对常态干扰的抑制

常态干扰是叠加在测量信号上的干扰信号。 这种干扰信号一般是频率较高的杂乱的交变信号 ,其来源可能是传感器电路或传输线。

抑制常态干扰的方法有:

a. 在输入电路中接入滤波器。常用双 T滤波器。 这是种带通滤波器 ,对于高频和低频干扰均有抑制作用。
b. 采用双积分式 A /D转换器 ,由于其积分工作的特点 ,具有一定的消除高频干扰的作用。

c. 接入光耦合器能有效地阻断噪声的传送。

d. 将电压信号传送改为用电流信号传送方式能提高抗干扰能力。采用4 ～ 20mA电流传送信号 ,在进入 A/D转换器之前在于 250Ω电阻上产生 1 ～ 5V的电压信号。
( 2)对共模干扰的抑制

共模干扰是指信号的两根线上共有的干扰信号 ,是由于被测信号的接地端与微机系统的接地端之间存在一定的电位差而引起的。

抑制共模干扰的方法有:

· 采用双端输入的差动放大器 ,这种放大器具有很高的共模抑制比。

· 采用隔离方法消除不适当的共地带来的共模干扰 ,如使用带有光电隔离的测量放大器。 如果信号传送距离长可以采用频率信号形式传送 ,便于实行光电隔离。

1. 3 　 传输线

在微机控制系统中 ,从被测信号处和执行机构微机都有可能有相当长的距离。 由于受空间电磁场的影响 ,会从这些传输线给微机系统带来干扰。 消除这种干扰的措施有:

( 1)敷设线路时要使被测信号线、控制信号线与交流电源线、电气设备驱动线、大功率电气设备离开一定距离。

( 2)信号线使用双绞线 ,使空间电磁场一个个小环路中产生的感应电动势相互抵消;另外还可以采用屏蔽线或将信号线穿入金属管 ,屏蔽层或金属管的一端良好接地。

( 3)通过光耦合器将长线“浮置”起来 。 这样能有效地消除从传输线带入微机的干扰。
( 4)为了避免信号失真 ,对于长线传输要注意阻抗匹配。 阻抗匹配的方法有:

a. 终端并联阻抗;

b. 始端串联阻抗;

c. 终端并联隔直阻抗;

d. 终端接钳位二级管
1. 4 　 接地系统

微机系统中的接地是一个重要问题 ,不适当的接地会形成产生干扰的回路 ,而正确的接地能消除干扰 ,关键是对于不同的地要有不同的处理方法。

( 1)微机系统的地与信号地、功率地必须分开 ,也避免干扰信号通过地线传入微机。信号地与功率地也要分开 ,以免影响被测信号。

( 2)数字地与模拟地必须区分开 ,且只在一点相连 ,否则两种回路会相互影响。

( 3)长传输线的屏蔽层应一端接屏蔽地。屏蔽地都接到机柜 ,然后单独接大地。

( 4)当有多个元器件要接在同一地线上时 ,这些元器件应多点就近接地还是统一接地? 在低频 ( < 1M Hz)电路中 ,因元件和布线的电感不大 ,为减小地线环路造成的干扰 ,常采用一点接地。 在高频 (> 10MHz)电路中 ,元件和布线的电感和分布电容将造成各接地线之间的耦合 ,为缩短接地线 ,采用多点就近接地。 当频率为 1 ～ 10M Hz之间时 ,如采用一点接地 ,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地。

2 　 软件抗干扰技术

2. 1 　 消除数据采集的干扰误差

( 1)算术平均法: 对每一点的数值连续采样多次 (一般取 3 ～ 5次 ) ,计算其平均值 ,以此平均值作为该点的采样结果。 这种方法可以减小系统的随机干扰对采集结果的影响。

( 2)比较取舍法: 这种方法用来剔除采样数据中较大的偏差。 具体做法是对每个采样点连续采样几次 ,根据所采数据的变化规律 ,确定舍取办法来剔除偏差数据。例如 ,对每个采样点连续采样 3次 ,取其中 2次相同数据为采样结果。

(3)中值法: 对一点数据连续采样 N次(一般 N为奇数 ) ,把 N次的采样值依大小次序排列 ,取其中间值作为该点的采样结果。中值滤波对于偶然因素造成的波动或采样器件不稳定所引起的脉动干扰比较有效。

( 4)一阶递推数字滤波法: 这种方法是利用软件完成 RC低通滤波器的算法 ,代替硬件 RC滤波 ,计算公式为:

Y K = ( 1- α ) Y K- 1 + α X K

式中 ,X K 为第 K次采样值; Y K- 1 为第 ( K- 1)次滤波结果输出值; Y K 为第 K次滤波结果输出值;α 为滤波平滑系数:

α ≈ T /τ

式中 ,τ 为 RC滤波器时间常数; T为采样周期。

2. 2 　 确保正常控制状态

( 1)对于开关量的输入 ,为了确保信息无误 ,在软件中可采取重复读入的方法 (至少两次 )。 认为无误后再输入。 开关量输出时 ,应将输出量回读 (要有硬件配合 ) ,以便确认输出无误。

( 2)采用软件冗余方法。 在条件控制系统中 ,对于控制条件的一次采样、处理、控制输出改为循环地采样、处理、控制输出。 这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰的作用。

( 3)设置当前输出状态寄存单元。 当干扰侵入输出通道破坏输出状态时 ,系统以及时查询该寄存单元的输出状态信息 ,以便及时纠正输出状态。

2. 3 　 程序运行失常后的恢复

( 1)设置软件陷阱: 这种方法是在非程序区设置拦截措施。当 PC失控、程序“飞走”进入非程序区时 ,使程序进入陷阱 ,从而迫使程序返回初始状态。

( 2)设置时间监视器: 设置软件陷阱能解决一部分程序失控问题 ,但当程序失控后进入某种死循环时 ,软件陷阱可能不起作用。 使程序从死循环中恢复到正常状态的有效方法是设置时间监视器。 定时时间稍大于正常执行一次程序循环所需的时间。 当程序未受到干扰时 , CPU定时输出脉冲信号 ,使时间监视器复位 ,重新计时 ,即重新监视。 一旦程序受到干扰 ,飞走而陷入死循环就没有复位脉冲信号加到时间监视器上。 时间监视器便连续计时 ,直到超出定时范围 ,输出一个信号。

利用这一信号 ,可以使程序恢复到初始状态 ,重新启动。

3 　 结束语

工业控制计算机工作在生产现场 ,各种电气设备的频繁起停造成的高低频电磁干扰和大幅度电网电压波动都直接影响计算机的正常运行。 另外 ,生产现场还可能存在振动、粉尘以及湿度、温度等问题。 因此 ,微机控制系统必须具有很强的抗干扰能力和适应环境的能力 ,以保证在恶劣的环境下正常工作。

 

作者：皇祯平

 

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