可靠性是微機控製係統的重要性能指標 ,它由多種因素決定。 微機控製係統所在現場的各種幹擾是影響可靠性的主要因素。 幹擾源有多種 ,幹擾會影響傳送信息的正確性 ;擾亂程序的正常運行 ,使程序“飛走”或進入死循環 ,還可能損壞微機的元器件。 幹擾是微機控製係統必須認真對待的問題。

1 　 硬件抗幹擾技術

1. 1 　 電源

微機所用的電源一般都由電網的工頻交流電源經降壓、整流等環節後提供。 由於電網的影響以及生產現場大容量電氣設備開停 ,會使交流電壓含有高頻成分、浪湧電壓、尖脈衝或發生較大幅度的波動 ,這種幹擾通過電源途徑影響微機係統的正常工作。 抑製交流電源的幹擾 ,除了使微機電源盡量與大容量用電設備分別供電外 ,還經常采用濾波、屏蔽、隔離、穩壓等措施。

( 1)采用濾波和屏蔽
低通濾波器由電感和電容組成 ,它對工頻交流電的阻抗很小 ,而對於高頻幹擾信號具有很強的抑製作用。濾波器加屏蔽外殼 ,並使之良好接地。 濾波器的進線端和出線端要離開一定距離 ,或采用屏蔽線以防止感應和輻射耦合。 電源變壓器采用雙屏蔽形式 ,一次和二次繞組分別加屏蔽層 ,並分別接地。 一次屏蔽層接專用地線 ,二次屏蔽層接即微機係統地。 這樣可阻斷高頻幹擾信號經變壓器的一、二次側之間的耦合電容傳播到微機係統 ,另外可以消除靜電感應。
( 2)采用隔離和交流穩壓措施

對於要求較高的係統 ,可在上述交流供電線路的基礎上 ,再增加隔離和交流穩壓措施 。隔離變壓器的電壓比等於 1,它做成雙屏蔽形式。 隔離變壓器的作用是阻止浪湧電壓和尖脈衝通過 ,其屏蔽層能抑製高頻幹擾和靜電感應作用。 交流穩壓器用於補償電網電壓的波動 ,其穩壓精度並不需要太高 ,但要求它工作可靠且要有較快的響應速度。

( 3)采用分散的直流供電方式

為了提高微機直流電源係統的供電可靠性 ,可以各模板分別設置直流穩壓電源 。現有多 種規格的三 端集成穩 壓塊 ,型 號為78 ××或 79 ×× ,能方便地用來組成直流穩壓電源。 采用各自獨立供電還能消除相互之間通過電源產生的幹擾。
( 4)采用高抗幹擾穩壓電源和幹擾抑製器

( 5)信號線不能與交流電源並行敷設 ,盡量遠離交流電源線和大功率電氣設備。

1. 2 　 模擬量輸入通道

( 1)對常態幹擾的抑製

常態幹擾是疊加在測量信號上的幹擾信號。 這種幹擾信號一般是頻率較高的雜亂的交變信號 ,其來源可能是傳感器電路或傳輸線。

抑製常態幹擾的方法有:

a. 在輸入電路中接入濾波器。常用雙 T濾波器。 這是種帶通濾波器 ,對於高頻和低頻幹擾均有抑製作用。
b. 采用雙積分式 A /D轉換器 ,由於其積分工作的特點 ,具有一定的消除高頻幹擾的作用。

c. 接入光耦合器能有效地阻斷噪聲的傳送。

d. 將電壓信號傳送改為用電流信號傳送方式能提高抗幹擾能力。采用4 ～ 20mA電流傳送信號 ,在進入 A/D轉換器之前在於 250Ω電阻上產生 1 ～ 5V的電壓信號。
( 2)對共模幹擾的抑製

共模幹擾是指信號的兩根線上共有的幹擾信號 ,是由於被測信號的接地端與微機係統的接地端之間存在一定的電位差而引起的。

抑製共模幹擾的方法有:

· 采用雙端輸入的差動放大器 ,這種放大器具有很高的共模抑製比。

· 采用隔離方法消除不適當的共地帶來的共模幹擾 ,如使用帶有光電隔離的測量放大器。 如果信號傳送距離長可以采用頻率信號形式傳送 ,便於實行光電隔離。

1. 3 　 傳輸線

在微機控製係統中 ,從被測信號處和執行機構微機都有可能有相當長的距離。 由於受空間電磁場的影響 ,會從這些傳輸線給微機係統帶來幹擾。 消除這種幹擾的措施有:

( 1)敷設線路時要使被測信號線、控製信號線與交流電源線、電氣設備驅動線、大功率電氣設備離開一定距離。

( 2)信號線使用雙絞線 ,使空間電磁場一個個小環路中產生的感應電動勢相互抵消;另外還可以采用屏蔽線或將信號線穿入金屬管 ,屏蔽層或金屬管的一端良好接地。

( 3)通過光耦合器將長線“浮置”起來 。 這樣能有效地消除從傳輸線帶入微機的幹擾。
( 4)為了避免信號失真 ,對於長線傳輸要注意阻抗匹配。 阻抗匹配的方法有:

a. 終端並聯阻抗;

b. 始端串聯阻抗;

c. 終端並聯隔直阻抗;

d. 終端接鉗位二級管
1. 4 　 接地係統

微機係統中的接地是一個重要問題 ,不適當的接地會形成產生幹擾的回路 ,而正確的接地能消除幹擾 ,關鍵是對於不同的地要有不同的處理方法。

( 1)微機係統的地與信號地、功率地必須分開 ,也避免幹擾信號通過地線傳入微機。信號地與功率地也要分開 ,以免影響被測信號。

( 2)數字地與模擬地必須區分開 ,且隻在一點相連 ,否則兩種回路會相互影響。

( 3)長傳輸線的屏蔽層應一端接屏蔽地。屏蔽地都接到機櫃 ,然後單獨接大地。

( 4)當有多個元器件要接在同一地線上時 ,這些元器件應多點就近接地還是統一接地? 在低頻 ( < 1M Hz)電路中 ,因元件和布線的電感不大 ,為減小地線環路造成的幹擾 ,常采用一點接地。 在高頻 (> 10MHz)電路中 ,元件和布線的電感和分布電容將造成各接地線之間的耦合 ,為縮短接地線 ,采用多點就近接地。 當頻率為 1 ～ 10M Hz之間時 ,如采用一點接地 ,其地線長度不應超過波長的 1/20,否則應采用多點接地。

2 　 軟件抗幹擾技術

2. 1 　 消除數據采集的幹擾誤差

( 1)算術平均法: 對每一點的數值連續采樣多次 (一般取 3 ～ 5次 ) ,計算其平均值 ,以此平均值作為該點的采樣結果。 這種方法可以減小係統的隨機幹擾對采集結果的影響。

( 2)比較取舍法: 這種方法用來剔除采樣數據中較大的偏差。 具體做法是對每個采樣點連續采樣幾次 ,根據所采數據的變化規律 ,確定舍取辦法來剔除偏差數據。例如 ,對每個采樣點連續采樣 3次 ,取其中 2次相同數據為采樣結果。

(3)中值法: 對一點數據連續采樣 N次(一般 N為奇數 ) ,把 N次的采樣值依大小次序排列 ,取其中間值作為該點的采樣結果。中值濾波對於偶然因素造成的波動或采樣器件不穩定所引起的脈動幹擾比較有效。

( 4)一階遞推數字濾波法: 這種方法是利用軟件完成 RC低通濾波器的算法 ,代替硬件 RC濾波 ,計算公式為:

Y K = ( 1- α ) Y K- 1 + α X K

式中 ,X K 為第 K次采樣值; Y K- 1 為第 ( K- 1)次濾波結果輸出值; Y K 為第 K次濾波結果輸出值;α 為濾波平滑係數:

α ≈ T /τ

式中 ,τ 為 RC濾波器時間常數; T為采樣周期。

2. 2 　 確保正常控製狀態

( 1)對於開關量的輸入 ,為了確保信息無誤 ,在軟件中可采取重複讀入的方法 (至少兩次 )。 認為無誤後再輸入。 開關量輸出時 ,應將輸出量回讀 (要有硬件配合 ) ,以便確認輸出無誤。

( 2)采用軟件冗餘方法。 在條件控製係統中 ,對於控製條件的一次采樣、處理、控製輸出改為循環地采樣、處理、控製輸出。 這種方法對於慣性較大的控製係統具有良好的抗偶然因素幹擾的作用。

( 3)設置當前輸出狀態寄存單元。 當幹擾侵入輸出通道破壞輸出狀態時 ,係統以及時查詢該寄存單元的輸出狀態信息 ,以便及時糾正輸出狀態。

2. 3 　 程序運行失常後的恢複

( 1)設置軟件陷阱: 這種方法是在非程序區設置攔截措施。當 PC失控、程序“飛走”進入非程序區時 ,使程序進入陷阱 ,從而迫使程序返回初始狀態。

( 2)設置時間監視器: 設置軟件陷阱能解決一部分程序失控問題 ,但當程序失控後進入某種死循環時 ,軟件陷阱可能不起作用。 使程序從死循環中恢複到正常狀態的有效方法是設置時間監視器。 定時時間稍大於正常執行一次程序循環所需的時間。 當程序未受到幹擾時 , CPU定時輸出脈衝信號 ,使時間監視器複位 ,重新計時 ,即重新監視。 一旦程序受到幹擾 ,飛走而陷入死循環就沒有複位脈衝信號加到時間監視器上。 時間監視器便連續計時 ,直到超出定時範圍 ,輸出一個信號。

利用這一信號 ,可以使程序恢複到初始狀態 ,重新啟動。

3 　 結束語

工業控製計算機工作在生產現場 ,各種電氣設備的頻繁起停造成的高低頻電磁幹擾和大幅度電網電壓波動都直接影響計算機的正常運行。 另外 ,生產現場還可能存在振動、粉塵以及濕度、溫度等問題。 因此 ,微機控製係統必須具有很強的抗幹擾能力和適應環境的能力 ,以保證在惡劣的環境下正常工作。

作者：皇禎平

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