第八章系统抗干扰技术

第八章系统抗干扰技术 在传感与检测系统中，由于电路结构比较复杂，并且是模拟和数字信号并存，当系统在工业环境下远距离传输信号时，不仅容易受到外界的强干扰，而且系统本身也会产生干扰，使系统不能正常工作或测量精度不能保证。因此，从应用的角度看，抗干扰技术是保证系统可靠工作的一个十分重要的方面，如何提高系统抗干扰能力，在非电量检测中必须予以高度的重视。在传感与检测系统中，由于电路结构比较复杂，并且是模拟和数字信号并存，当系统在工业环境下远距离传输信号时，不仅容易受到外界的强干扰，而且系统本身也会产生干扰，使系统不能正常工作或测量精度不能保证。因此，从应用的角度看，抗干扰技术是保证系统可靠工作的一个十分重要的方面，如何提高系统抗干扰能力，在非电量检测中必须予以高度的重视。干扰的来源及分类硬件抗干扰技术软件抗干扰技术

8.1 干扰的来源和分类 电磁干扰外部干扰电网干扰环境理化性干扰电气互锁故障干扰外部干扰外部干扰电磁干扰内部电磁干扰内部干扰电气互锁故障干扰软件故障的干扰

外部干扰 1.电磁干扰电磁干扰（EMI—Electromagnetic Interference）是对检测系统和电路最严重的干扰，它将影响量的精度。对于现代化的生产车间和实验室，电场、磁场和电磁波是无所不在的，这些电磁信号可以通过各种耦合途径对检测系统形成干扰。外来电磁干扰包括由太阳等天体辐射的电磁波，广播、电视及各种无线通信设备发出的电磁波，空调机、日光灯、微波炉等家用电器产生的电磁干扰。对于模拟仪表，只要干扰不是持续不断或超出仪表极限造成损坏，待干扰消失后，系统一般都能恢复正常工作。但这些干扰一旦串入带微处理器的智能仪表和检测系统，就会使程序失控、控制失灵，其测量数据错乱，影响整个系统的数字逻辑，进而使整个系统瘫痪、失效。故检测系统抗电磁干扰的措施是非常重要的，必须提高系统抗电磁干扰的能力。

外部干扰 2.电网干扰供电电网常常含有高次谐波或尖脉冲，供电电压也会大幅度地波动，这些干扰通过电源直接影响检测系统，特别是一些大功率的电动设备在起动和停止时会造成几百伏、甚至几千伏的浪涌电压并伴有火花放电。另外，输电线在正常工作时，由于负载的瞬时接入或切除、雷电放电、故障短路或开路，会产生高压脉冲或电流浪涌，通过传导的方式干扰直接或间接与输电线有联系的电子设备或系统。

外部干扰 环境的理化性干扰环境的温度、湿度、压力、机械振动、化学腐蚀等都会对检测系统形成物理或化学上的影响，这些干扰将使系统的元件发生变形、参数变化，绝缘强度下降，性能变差，最终导致系统不能正常工作。

内部干扰 1.内部电磁干扰系统内部各个单元之间、信号线之间、信号线与电源和地之间，都存在着电磁干扰，任何一台正在工作的电子设备，它本身就是一种干扰源。干扰信号包括由电磁继电器产生的火花放电、自激振荡、尖峰干扰、噪声电压（如开关噪声、电容噪声、音频噪声、高频变压器噪声）等，各种噪声都通过一定的耦合方式进入测量电路形成干扰。根据干扰信号与电路有用信号的关系，可将此干扰分为差模干扰和共模干扰两大类，差模干扰与有用信号极性相反，共模干扰与有用信号极性相同。

内部干扰 2.电气互锁故障干扰一个仪表系统内有各种各样的元器件，将它们连接在一起时，器件存在着大量的电气上的互锁，如焊盘、接插件、信号传输线等，在这方面存在着较大的故障率，从而直接影响系统的可靠性。

内部干扰 3、软件故障的干扰软件设计中，考虑不周的程序可能会因系统工作在某种特殊状态而失去正确的处理能力或发生逻辑混乱；电磁干扰作用于CPU，造成系统的混乱并通过软件故障的形式表现；人为的错误操作通过容错性能不好的程序造成的故障，也以软件故障的形式表现。

8.2 硬件抗干扰技术 系统常用的抗干扰措施是滤波、屏蔽和接地，这是抑制噪声干扰的三个常用的最有效的方法。这三种方法既可以单独使用，也可以根据需要综合使用，以起到较好的效果。

8.2.1 滤波 8.2.2 接地接地是任何电子设备都会遇到的问题，接地的作用有两个：一是为了安全，二是为了抑制干扰。合理的接地方式可以抑制干扰，使系统正常运行，不合理的接地则会产生干扰，降低系统的性能甚至损坏系统。因此电子工程设计中，选择合适的接地方式是非常重要的。下面从电路设计的角度对接地的问题加以讨论

1. 保护接地和信号接地 保护接地的目的是将电子设备的外壳利用低阻导体连至大地上，使人员触及外壳时不易发生电击危险。信号接地的目的是为电子设备中信号电压提供一个稳定的零电位参考点，为此需要选择一个良好的接地平面，作为信号的电位基准，故常将该平面称为信号地，以保证电子电路稳定工作通常设备内各部分电路都以设备的外壳作为接地平面，即各部分电路信号电压都以此信号地为基准。值得注意的是，当外壳不接大地时，将可能因对地杂散阻抗引入干扰电压，只有当外壳与大地连接，信号才能保持真正的零电位，这种措施对电子电路抗干扰有重要作用。

2、信号的接地方式 并联或串联式单点接地环形接地多点接地

⑴ 单点接地 单点接地——各信号地与大地单点连接。整个系统只允许有一个物理点定义为接地参考点，系统中各部分的信号地都要通过这一点接大地。单点接地适用于低频电路系统，若系统信号频率很高，以致工作波长可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度相比拟时，就不能用单点接地方式当地线长度接近1/4λ时，它就像一根终端短路的传输线，地线上的电流、电压呈驻波分布，地线就变成辐射天线，而不起“地”的作用。因此考察端点接地时，必须分析系统中信号的频谱和干扰频谱。

实际的地线总是有分布电阻存在的，当接地电流流过地线时会产生一定的电压降，因此实际地线的分布电阻会造成干扰当各电路单元的电流不太大、频率也不高时，可采用串联接地方式。若各单元的电流很大，为避免接地电阻形成的耦合干扰，可采用并联单点接地方案。串联接地方式并联单点接地方案

⑵ 大面积多点接地 当电路工作频率大于10MHz时，应采用图19-11所示的大面积多点接地的方法。对高频信号，太长的地线具有较大感抗，信号损失大；同时信号还可通过长的地线向外辐射，形成新的干扰。而大面积地线的阻抗小，元件以最短的距离就近接地，这样就可以抑制上述不良现象。

⑶ 模拟接地与数字接地分开 模拟接地与数字接地分开布线，在接近电源处一点连接。这样可以避免数字脉冲电路工作时的突变电流通过地线时形成对模拟量的共模干扰。 ⑷ 交流接地与直流接地分开在具有交流供电的电子设备中，交流接地与直流接地必须分开，切不可将交流供电系统的中线当作地线使用。否则可能通过地电阻将交流电力线的干扰引入系统，而且交流线上的大电流可能危及系统的安全。

⑸ 微机化智能仪器仪表弱电部分的接地、悬浮于机箱，机箱外壳良好接大地这种接地方案的优点是综合了浮地系统和接地系统各自的优势，机箱外壳接大地，有较好的电磁屏蔽作用。而弱电部分浮地使微机和电子电路部分免受其它系统地电流的干扰，同时也避免了某些电子器件因受到高压感应而被击穿损坏的可能。 ⑹ 其他措施不管采用何种接地方式，对印刷电路板上的地线的总体要求是分布阻抗小，所以地线要加宽加粗，增加其传导能力。同时要利用地线的屏蔽作用，譬如在板上的空隙处均匀布设地线；用地线隔开容易相互耦合的信号线等。

7.2.2 屏蔽 屏蔽是抗共模电磁感应干扰的措施，但当电磁干扰作用于系统非对称单元时，就会产生串模干扰，影响系统的精度和稳定性。电磁干扰如果直接作用于微机系统，还会破坏系统的程序逻辑，造成系统混乱。在工业现场中不可避免地存在大量、甚至很强的电磁干扰，因此屏蔽也是电子系统必备的基本抗干扰措施之一。屏蔽是将整个系统或部分单元用导电或导磁的材料包围起来构成屏蔽层，再将屏蔽层接地的技术，这样做可将外部电磁场屏蔽在系统之外而不致形成干扰

1、静电屏蔽 电路中任何两点都存在着一定的分布电容，因此两点间的电场会通过这种分布电容互相串扰。静电屏蔽就是用接地良好的金属壳体将电路隔离，使泄漏在分布电容上的能量经屏蔽层短接入地而不致影响其它电路，静电屏蔽无论对高频还是低频的静电感应都有效果。对静电屏蔽材料的要求主要是导电性能好，如铜、铝或薄钢板等均可。

2、磁屏蔽 这主要是消除低频磁场的干扰，其基本原理是用高导磁材料将干扰源或需要屏蔽的器件包裹起来，从而将干扰磁场“短”路掉。如常见的对变压器的屏蔽，以消除其漏磁对电路的影响。对磁屏蔽材料的基本要求是要选用导磁率高的材料，如钢和铁。在要求更高的场合可使用铁镍合金或双层磁屏蔽，屏蔽体要尽量密封，开口要小，缝隙处要紧密相连。

3、电磁屏蔽 这种屏蔽主要是对付高频磁场，即是针对电磁场的辐射干扰采取的措施。其基本原理是利用金属板对电磁场有吸收损耗、界面反射损耗、内部反射损耗的原理来抑制辐射干扰的。对于微机测控系统，应当注意对远距离传感器的低电平信号引入系统这一环节的屏蔽，可选用穿线钢管，这样可兼顾电屏蔽、磁屏蔽及电磁屏蔽的效果。

4 信号的屏蔽传输 对于传感器和测控系统的输出信号应采用屏蔽线传输，屏蔽线可抑制静电感应干扰。对于一般信号的传输可采用双绞线，以抑制电磁感应。在要求较高的场合应采用双绞屏蔽线。对放大器、屏蔽线接地的总体要求是一点接地，避免形成地线回路产生串模干扰。

5、屏蔽与接地 ⑴ 屏蔽外壳的接地要与系统信号的参考点相接，而且只能在一处相接； ⑵ 所有具有相同参考点的电路单元必须全部置入同一个屏蔽层内，其引出线应采用屏蔽线； ⑶ 接地参考点不同的单元应当分别屏蔽，不可置于同一个屏蔽层内。在实际工程中屏蔽不仅与接地有直接的关系，而且还与信号线的选用、机箱内外信号、控制和电源等电缆的敷设等问题密切相关，对此需要参考更详细的技术资料并严格遵守有关规范和要求，才能达到屏蔽接地的总体抗干扰效果。

8.2.4 隔离 在电子设备和系统中，干扰信号常常会叠加在各种不平衡输入和输出信号上，或通过系统的供电线路窜入系统，对付这些干扰信号的办法通常是采用隔离技术，即将噪声源与信号线相互隔离的技术。在智能化仪器仪表抗干扰的隔离措施中，光电耦合器是最常用的隔离器件。

光电耦合器是把发光元件和光敏元件封装在一起的组件，以光为媒介进行前后级之间的转换，完全隔离了前后通道的电磁联系，具有非常理想的电磁隔离效果。因此在系统中经常采用光电耦合器来实现传感器与输入信号的隔离、输入/输出口的隔离及内部电路的隔离。。光电耦合器是把发光元件和光敏元件封装在一起的组件，以光为媒介进行前后级之间的转换，完全隔离了前后通道的电磁联系，具有非常理想的电磁隔离效果。因此在系统中经常采用光电耦合器来实现传感器与输入信号的隔离、输入/输出口的隔离及内部电路的隔离。。在输入和输出通道上正确地采用光电耦合器，可以将系统和各种与现场想关联的的传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，完全阻断现场干扰从传输通道串入系统的途径

8.3 软件抗干扰技术 硬件抗干扰电路的不足之处在于增加了电路元件，参数选择的精度和灵活性较低。在智能化仪器仪表中，除采用硬件抗干扰技术外，还常常采用软件抗干扰技术，软件抗干扰技术主要集中在CPU抗干扰技术和输入输出的抗干扰技术两个方面。前者主要是抵御因干扰造成的程序“跑飞”，后者主要是消除信号中的干扰以提高系统的精度。

8.3.1 CPU抗干扰技术 1、程序运行监视系统程序运行监视系统WDT（Watch Dog Timer）被直译为“看门狗”，这是一种软、硬件结合的抗程序“跑飞”措施。WDT硬件主体是一个产生定时周期T的计数器，在多数情况下该计数器是独立运行的，其定时输出端接至CPU的复位端，而CPU则对其进行定时清零控制。在正常情况下，程序启动WDT后，即以的间隔将其清零一次，这样WDT就不会发生定时溢出。当受到干扰的异常情况下，CPU时序逻辑被破坏，程序执行混乱，不可能进行周期性地将WDT清零，这样WDT会产生定时溢出，其输出可使CPU复位，使CPU摆脱因干扰而陷入的瘫痪状态。

555构成多谐振荡器为十六进制计数器74LS93提供独立的时钟，当第八个到来时，WDT输出复位信号，微分电路的作用是控制复位信号的宽度，使CPU可靠地复位，并可立即重新开始运行。CPU在正常情况执行程序定时清零WDT的周期应为，清零端在常态是低电乎，清零时输出一个正脉冲，微分电路可防止CPU在受而干扰时将其清零端固定为高电平，使WDT无法工作。

2、WDT的软件设计方案 看门狗电路的软件设计方案是利用看门狗能不断监视程序运行的时间，一旦超过限定时间，就确认系统已经“死机”，看门狗立即将CPU复位，使之返回正常的程序流程。软件看门狗主要由三部分组成： ① 在主程序中对中断服务子程序进行监视； ② 在中断服务程序中对主程序进行监视； ③ 用一个中断服务程序对另一个中断服务程序进行监视。

3、指令冗余技术 为使跑飞的程序在程序区迅速纳入正轨，可在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，这称之为冗余指令。采用指令冗余技术使CPU纳入正轨的条件是跑飞的CPU的程序指针必须处于有效的程序指令区，并且必须执行到冗余指令。此外，采用指令冗余技术还有助于消除随机干扰，提高测控系统工作的可靠性。

4、软件陷阱技术 如果跑飞的程序进入了非有效的程序指令区（如EPROM未使用的空间或表格区）时，采用冗余指令使程序入轨的条件就无法得到满足；此时可采用软件陷阱来拦截跑飞的程序，将其迅速引向某一指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。

软件陷阱可采用以下两种形式： ① NOP NOP LJMP 0000H 空操作NOP指令（机器码为00H）加得越多则“跑飞”程序掉进陷阱的机会就越多，捕捉“跑飞”的能力越强。 ② LJMP 0200H LJMP 0200H 根据跑飞程序陷阱区位置的不同，可从执行空操作、转到0000H单元或直接转到0200H单元中选择一种形式，使程序纳入正轨。

软件陷阱通常安排在程序中的下列位置： ⑴ 系统中空的ROM区 MCS-51指令长度最多为三字节，理论上软件陷阱最少需要两条单字节的空操作指令和一条捕捉指令。只要将未用的ROM空间内都写上软件陷阱，则只要“跑飞”的程序落入该区域，必定被捕捉到。 ⑵ 表格的头、尾处表格数据是无序的指令代码段，在其头、尾设置一些软件陷阱可以减少程序“跑飞”到表格内的机会。

⑶ 程序中未用的中断向量处 “跑飞”的程序可能意外地开启已关闭的中断，在未用的中断向量处设置软件陷阱可以控制这一现象的发生。 ⑷ 程序体内的“断裂处” 所谓“断裂处”是指程序中的跳转指令如LJMP、SJMP、RET、RETI等语句之后。正常的程序在此跳转，不再顺序向下执行，在此可以设置软件陷阱软件陷阱也并非万能的，对陷入死循环的“跑飞”程序则无能为力，这方面WDT则更可靠；但对于被捕捉的“跑飞”程序，则比WDT来得迅速，而且可以进行出错处理，所以将软件陷阱与WDT共同使用，效果会更好。

5、掉电保护 掉电保护也是一种软、硬件结合的抗干扰措施，电网的瞬间断电或电压突然下降，将使微机系统陷入混乱状态，一方面实时的数据丢失，另一方面混乱的系统可能执行混乱的操作，因此，掉电保护的工作也从这两方面入手：保护现场实时数据和及时关闭微机系统。

当掉电发生，电源电压下降使U+＜U-时，比较器输出为低电平，发出掉电信息，CPU响应中断，系统进入掉电保护过程。图中Vl、V2隔离后备电源与工作电源；电容C的作用是增加CPU供电回路的时间常数，当掉电发生时，C的能量将全部供给CPU使用，以确保CPU有足够的时间运行掉电保护程序。

很多CPU芯片都设有待机功能。在待机方式下，CPU处于冻结状态，不执行任何操作，只有系统中断可以唤醒CPU，待机方式下CPU对干扰也不敏感。在大部分应用系统中，CPU有50％～90％的时间处于空暇状态，若能将原地等待或延时指令换成待机指令，则不但可以降低系统功耗，还可大大降低CPU受干扰的概率。

6、延时防止抖动技术 在工业测控系统中，一般遇到的许多强干扰是可预知的，例如大型感性负载的通断，电源过电压、欠电压、浪涌、下陷以及产生尖峰干扰等。在软件设计时可采取适当措施加以避开，如当接通或断开大功率负载时，可使CPU暂停工作，待干扰过后再恢复工作，这比单纯在硬件上采取抗干扰措施更为简便。

7、定时刷新输出口 在单片机系统中，I/O电路一般靠近管芯边缘，外部电磁噪声容易对其逻辑电路产生影响，因此，解决I/O电路的抗干扰问题就十分必要。一方面可在硬件上采取诸如在I/O端口处加高频滤波电容等措施；另一方面也可在软件上采取一些办法，例如定时刷新输出口。定时刷新输出口的软件抗干扰设计，主要是采取重复输出的方法。在条件允许的情况下，输出重复周期应尽量短一些。当输出端口受到某种干扰而输出错误信号，而外部执行机构还来不及作出响应时，正确的信号又输出了，这样可避免产生误动作。

8.3.2 输入输出的抗干扰技术 当干扰仅作用于系统I/O的通道上，CPU正常工作时，可充分利用软件的优势，通过程序控制和数据处理的方法消除或降低干扰对通道的影响，提高系统的测控精度和可靠性。如果说CPU抗干扰技术是被动的，那么输入输出抗干扰技术就比较主动且效果明显。

1、数字信号的输入 对于干扰信号多为离散的、作用时间很短的尖脉冲的情况，在采集数字信号时，可多次重复采集，直到连续两次或连续两次以上的采集结果完全一致时方为有效。若信号总是变化不定，在达到最高次数的限额时，则可给出报警信号。对于来自各类开关型传感器的信号，如限位开关、操作按钮等，都可采用这种输入方式。如果在连续采集数据之间插入延时，则能够对抗较宽的干扰。

2、数字信号的输出 CPU输出的数据在传输、接收和锁定之后，都可能受到干扰的影响而出错，如果输出到执行器上的数据出错，同样可能造成严重的后果。对此需要在设计和输出过程中采取一些措施。重复输出同一数据是软件上最为有效的输出抗干扰措施。在尽可能短的周期内，将数据重复输出，受干扰影响的设备在还没有来得及响应时，正确的信息又来到了，这样就可以及时防止误动作的产生。在程序结构的安排上，可为输出数据建立一个数据缓冲区，在程序的周期性循环体内将数据输出。对于增量控制型设备，不能这样重复输出，只有通过检测通道，从设备的反馈信息中判断数据传输的正确与否

3、数字滤波 数字滤波是在对模拟信号多次采样的基础上，通过软件算法提取最逼近真值数据的过程。数据滤波的算法灵活，可选择极限参数，其效果往往是硬件滤波电路无法达到的。

第八章 系统抗干扰技术