抗干扰方法及其设计策略优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：3）屏蔽体在两端接地，以抑制辐射干扰。用软件来抑制干扰的方法主要是采用软件容错技术和数字滤波技术。这种方法尤其在计算机通信中常用。

在计算机控制系统中，抑制各种噪声干扰的方法可从硬件角度和软件角度去实施。

1.硬件措施

从硬件的角度，即在电路中抑制干扰的方法有屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离、频域或时间范畴的对消、改进信号传输电缆的设计等方法。其中常用的具体办法列举如下：

（1）抑制噪声源采用如下抑制措施：

1）用屏蔽罩罩住噪声源。

2）限制脉冲上升时间。

3）屏蔽体在两端接地，以抑制辐射干扰。

（2）消除噪声耦合采取如下消除措施：

1）绞合并屏蔽信号线（高频可用同轴电缆），用来防护低电平信号的屏蔽电缆在一端接地（用于高频的同轴电缆其屏蔽层两端接地），信号导线的屏蔽要绝缘，有噪声的和无噪声的导线要分开。

2）当低电平信号线和带有噪声的导线在同一插接件上时，要把它们分开，并在它们中间设置地线，在分立的插件上要对通过接线柱的信号线加以屏蔽。

3）高电平和低电平设备之间应避免采用公用地线，金属件（机壳等）地线和电路地线要分开，电路只在一点接地（高频电路除外），地线应尽可能短并有足够的截面面积。

4）对于金属表面的防护涂料应采用导电性涂料，不用非导电性涂料。

5）应用灵敏设备时，要使信号源和负载在工作时对地平衡。

6）灵敏的设备（信号的输入电路）要放在屏蔽罩内，进入屏蔽罩内的导线要滤波或去耦，引线的长度应尽量短。必要时可将其地线浮空。

7）用低阻抗电缆。

8）避免环路并考虑用以下器件断开环路：隔离变压器、平衡变压器、隔离放大器、光耦合器、差分放大器等。

9）适当的电源去耦。

（3）抑制干扰的主要方法抑制干扰可采取如下几种方法：

1）电源去耦计算机控制系统中电源是噪声耦合的主要途径之一，因此电源的正确选择和有效去耦是抑制干扰的最有效的方法之一。通常，开关型电源或逆变型电源比普通选用变压器降压然后整流的稳压电源具有更好的抗干扰能力，目前PC机用的开关型电源都具有较好的抗干扰能力。如采用普通稳压电源则要在变压器原边加去耦电路，通常的去耦电路如图5-1-19所示。其中电感最好用空心线圈或用高频磁性材料做铁心，电容应采用高频电容。

图5-1-19 电源去耦电路

在每块插件板的电源输入端对地都应并接电容（电解电容和高频电容并用），每个集成块的电源输入端也应并接高频电容。有噪声源或敏感电路的插板最好单独供电。如工厂电源质量较差，应考虑从厂级电力变压器直接向计算机控制系统供电。

2）地线设计：地线也是噪声耦合的主要途径之一，这一点往往被忽视。在计算机控制系统中设计地线应注意以下几点：

①印制电路板上的地线不要形成封闭环路，地线尽可能宽，但地线所包围的面积应尽可能小，元器件的接地点（公共端）应按信号传递方向顺序接地，输出电路的地电流不应通过输入电路的地线。

②数字电路与模拟电路的地线只应在插板的地线输出端连接在一起，其他点不能相连。

③计算机控制系统的地线应单独埋设，与控制对象的地线分开，更不要与车间的公共地线相连。

3）输入和输出信号线应尽量远离，在印制电路板上一般布置在板的不同面。

4）如控制对象工作电压为几十伏甚至几百伏或控制对象中有较强的噪声源，则计算机控制系统与控制对象之间应采用隔离放大器或光耦合器进行完全电隔离。一般情况下，模拟量用隔离放大器或线性光耦合器，数字脉冲信号用光耦合器。

5）计算机控制系统硬件应放在金属屏蔽箱内，在噪声环境恶劣的环境中，可考虑在敏感电路的印制电路板的两面加屏蔽板（铝板）。

6）设置软开关（即可用软件控制的开关），如用于数字量的三态门或驱动器，用于模拟量的模拟开关等。这样可以在计算机控制系统与被控对象在加电后，后者仍处于脱机状态，用软件来控制计算机控制系统与被控对象联机或脱机。

2.软件措施

应当认识到，一个好的软件可以在提高系统抵御错误和外界干扰方面起重要作用。用软件来抑制干扰的方法主要是采用软件容错技术和数字滤波技术。

（1）软件容错技术软件容错技术就是在系统由于本身硬件故障或外界干扰而出错的情况下，使系统仍能正常工作。因为硬件故障和外界干扰造成的系统出错一般70%～80%是瞬时性故障，只要软件在出现瞬时性故障后，仍能按原来程序继续运行，这样就能实现容错而抑制干扰的目的。其具体方法包括以下两个方面。

1）时间冗余：时间冗余就是用消耗时间资源来达到容错的目的。其方法有两个：指令复执与程序卷回。

①指令复执就是当硬件故障或干扰使程序运行发生错误时，不用中断程序运行重新启动，而是一旦发现错误仅重新执行被错误破坏的现行指令。指令复执可用编程来实现，也可用硬件来实现。但其基本要求是：当发现错误时能保留现行指令的地址和该指令使用的初始数据。这就要求每执行一条重要指令时，检查其结果是否有错，一旦发现有错就停止执行下面的指令，而让程序计数器PC返回原处，重新执行由于干扰而出错的指令，通常情况下，往往指令复执一次后，故障仍未消除，所以需要复执多次。一般可用硬件控制复执多次（例如8次），或控制指令复执的时间。在规定的次数或时间内，故障消失，则复执成功，否则复执失败，可进行报警或调用备用设备。

②程序卷回则是重复执行一段程序。编程时需要注意保护重复执行的程序段的断点与现场。例如对于计算机由于故障而进入“死循环”或计算机脱离规定的程序，可利用计算机中的可编程定时器/计数器（例如CTC）的某通道定时或定计数向CPU申请中断，而在用户程序中定时或定计数向定时器/计数器送控制字禁止其申请中断，然后再对其进行初始化，恢复原有功能。这样，当程序正常运行时，由于程序在定时器/计数器的该通道即将申请中断前就对其进行初始化，所以定时器/计数器的该通道永远不能向CPU申请中断。但一旦程序运行发生故障，如进入死循环或计算机脱离了该程序，则定时器/计数器在规定时间到后就向CPU申请中断，使CPU返回该程序的起始点重新运行或重新起动。

2）信息冗余：信息冗余是靠增加信息的多余度来提高可靠性。一般采用各种校验码如奇偶码、剩余码、余3码、海明码、法尔码、循环码来检查错误。这种方法尤其在计算机通信中常用。

（2）数字滤波对于采集进计算机系统的数据，则可用下列数字滤波的方法去除干扰：

1）程序判断滤波：程序判断滤波法是根据生产经验确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差作为门限，对超过此门限的采样值则认为是干扰信号，给予去除。

2）中值滤波：中值滤波是对某个参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值从小到大排队，再取其中间值作为本次采样值。N值一般取5～9，N值太小滤波效果差，太大则采样控制时间将增长。

3）算术滤波：把N个采样值相加，然后取其算术平均值作为本次采样值。平均次数N取决于平滑度和灵敏度。N值增大，平滑度提高而灵敏度降低。

4）加权平均滤波：将各采样值取不同比例，然后计算其和或平均值。这种方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分。

计算机控制系统的抗干扰技术主要靠实践经验，工作现场不同，采取措施的侧重点也不同，应灵活选用。