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1  概述

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)程度的提高，微處理器（單片機、PLC、DCS等）在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其系統(tǒng)運行直接控制影響著工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行等方面，其可靠性得到普遍的關(guān)注，而抗干擾性能是當中不容忽視的重要因素。工業(yè)現(xiàn)場運行環(huán)境復(fù)雜惡劣，干擾因素較多，對微控制器系統(tǒng)的干擾是多方面的，如何采取有效的抗干擾措施，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是一大技術(shù)要點。

2  干擾成因分析

    干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統(tǒng)線路上和器件上，與系統(tǒng)要求無關(guān)的電信號。干擾會造成測量和控制的誤差，嚴重時會造成設(shè)備損壞。常見的干擾有如下幾種：

2.1  輻射磁場干擾

    伴隨現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，大氣環(huán)境充斥著各式各樣的電磁信號，而雷電波、無線電廣播、電視、雷達、高壓電纜、高頻設(shè)備等產(chǎn)生的輻射能量較強，對設(shè)備影響較大，通常稱為輻射干擾。輻射干擾與現(xiàn)場設(shè)備布局和所處位置的電磁場大小密切相關(guān)，置于強輻射磁場內(nèi)的微控制系統(tǒng)幾乎不能正常運行。筆者曾作過以下測試：將一小型微控制器系統(tǒng)置于10W/230MHz的無線微波輻射磁場內(nèi)（距離發(fā)射點4米范圍），原采集值為2.5V的信號上升至5V，且通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以微控制器系統(tǒng)應(yīng)盡量遠離輻射較強的磁場環(huán)境或采取有效的屏蔽保護措施。

2.2  傳導(dǎo)耦合干擾

傳導(dǎo)干擾在我國工業(yè)環(huán)境中相當普遍而且較為嚴重，根據(jù)傳導(dǎo)來源的不同可分為電源干擾和信號干擾兩種。

(1)  電源部分

    我國電網(wǎng)覆蓋范圍廣、傳輸距離遠，輸電質(zhì)量不可避免受到污染，加上電網(wǎng)內(nèi)部如開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊、交直流傳動設(shè)備等都會令供電電壓波動較大，高頻諧波嚴重，對于隔離性能較差的變壓器、電源等，必將影響到微控制器系統(tǒng)的供電質(zhì)量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不正常運行。

(2)  信號部分

    在工業(yè)控制現(xiàn)場往往有很多信號電纜經(jīng)電纜槽溝或電纜管同時接入微控制器系統(tǒng)，這些信號電纜絞纏在一起，相互間存在一定的分布電容，信號電纜間便通過分布電容進行相互干擾，特別是信號電纜和動力電纜混纏一起的系統(tǒng)更為嚴重，交變的動力電纜周圍產(chǎn)生交變的磁場，而這些交變的磁場會通過并行的導(dǎo)體間產(chǎn)生電動勢，造成線路上的干擾。另外通過共用儀表供電電源竄入的電網(wǎng)干擾和由于各儀器儀表質(zhì)量技術(shù)不一導(dǎo)致儀表間的干擾也不能忽視。

2.3  接地干擾

    微控制器系統(tǒng)的接地有供電地、保護地、邏輯地、屏蔽地等。但由于各接地要求不一或接地混亂導(dǎo)致各接地點電位分布不均，不同接地點間存在較大的電位差，引起地環(huán)路電流和基準電位不穩(wěn)定，變化的環(huán)路電流會對屏蔽層內(nèi)信號導(dǎo)線產(chǎn)生耦合干擾；而基準電位的不穩(wěn)定會令微控制器系統(tǒng)邏輯系統(tǒng)混亂，數(shù)據(jù)運算出錯或宕機和模擬測量控制精度下降或誤動作等情況。

3  措施和方法

    微控制器系統(tǒng)抗干擾措施可分為硬件措施和軟件措施兩種。軟件措施作為后備技術(shù)可進一步消除進入系統(tǒng)的干擾，但會耗費一定的系統(tǒng)資源，影響CPU的工作效率，而事實上采取適當?shù)挠布幚泶胧┛上^大部分的干擾，因此現(xiàn)代微控制器系統(tǒng)抗干擾措施基本上以硬件措施為主。通過上述地分析，筆者認為系統(tǒng)的抗干擾措施應(yīng)從傳導(dǎo)、輻射、耦合、接地等方面入手，以抑制和切斷干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道和降低對干擾信號的敏感性等為措施方法，具體的措施和方法如下：

3.1  電源部分的措施和做法

    電網(wǎng)污染在工業(yè)發(fā)展的同時日趨嚴重，污染電源在提供能源的同時亦將噪音疊加到微控制器系統(tǒng)上，因此如何抑制過濾電源噪音是系統(tǒng)抗干擾的首要條件。

    首先對系統(tǒng)供電線路進行選擇，采用專線供電或設(shè)備負荷變化較少、啟停次數(shù)不多的供電電網(wǎng)，可避免電壓波動太
大對系統(tǒng)造成的影響。在電源進線端可適當加裝低通濾波器，可阻止高頻噪音通過，抑制吸收大部分的高頻差模共模干擾，在低通濾波器后再設(shè)隔離變壓器，可更好地抑制隔離高頻共模干擾的引入，但要注意的是，隔離變壓器的隔離層要良好接地，而且其次級線圈最好使用雙絞線，這樣效果更為明顯。對于目前的微控制器供電，建議采用隔離性能較高的24VDC開關(guān)電源，這樣可進一步減少末級的共模差模干擾。而對于穩(wěn)定性能要求更高的系統(tǒng)，可采用在線式不間斷電源（UPS）供電，其具有較高的安全可靠性，具備較強的抗干擾隔離性能，能保證供電電源的純凈和連續(xù)。

3.2  電纜的選擇和敷設(shè)

    電纜在工業(yè)控制現(xiàn)場應(yīng)用很多，安裝又分散，如果不注意規(guī)范，往往是傳導(dǎo)耦合干擾的主要途徑，因此電纜的選擇和敷設(shè)是系統(tǒng)抗干擾的關(guān)鍵。

    在工業(yè)控制現(xiàn)場，電纜主要有動力電纜和信號電纜兩種。動力電纜可根據(jù)負載情況適當選擇帶鎧裝屏蔽電纜，這樣可降低動力電纜的電磁干擾的同時亦減少電纜意外損壞。而信號電纜可根據(jù)所傳輸?shù)男盘栴愋筒煌M行劃分：

(1)  模擬量信號（4~20mA，0~20mA等）建議采用屏蔽雙絞線。

(2)  低電平的開關(guān)信號（狀態(tài)干結(jié)點信號）、數(shù)據(jù)通信線路（RS-232、EIA485等）建議采用屏蔽雙絞線（至少雙絞線）。

(3)  高電平的開關(guān)量輸入輸出、CATV、電話線等建議采用雙絞線。

    敷設(shè)時盡量將動力電纜和信號電纜隔離，將它們置于不同的電纜溝中或用導(dǎo)體隔離板，隔離板必須嚴格接地（放于同一電纜溝中）。對于模擬量和開關(guān)量等不同的信號電纜應(yīng)分別放于不同的電纜管（槽）中，并使其有盡可能大的空間距離。

3.3  處理好接地系統(tǒng)

    接地作用有兩個，一個是保護人員和設(shè)備不受損壞－保護接地；另一個是抑制干擾，保障設(shè)備正常運作－工作接地。正確良好的接地是微控制器系統(tǒng)減少干擾、抑制噪聲的重要措施。

    在工業(yè)控制現(xiàn)場，有多種不同的接地系統(tǒng)：供電系統(tǒng)地、避雷地、微控制系統(tǒng)地等。為避免相互間造成干擾，原則上各接地系統(tǒng)應(yīng)獨自分開，但由于受現(xiàn)場條件所限，可適當將供電系統(tǒng)地和微控制器系統(tǒng)地兩者共地，但要考慮以下因素：

(1)  供電系統(tǒng)地上是否干擾很大，如大電流設(shè)備啟停是否頻繁，對地產(chǎn)生的干擾是否大。

(2)  供電系統(tǒng)地的接地電阻是否足夠小，地網(wǎng)各部分間的電位差是否很小，地網(wǎng)各部分間的阻值是否很小（＜1Ω）。

(3)  微控制器系統(tǒng)的信號傳輸?shù)目垢蓴_能力是否夠大，如有無小信號（熱電偶、熱電阻等）的直接傳輸。

    而對于微控制器系統(tǒng)內(nèi)部接地則建議采用一點接地方式。將系統(tǒng)的模擬地、屏蔽地、邏輯地、保護地等在機柜內(nèi)分別接地并匯于一點，然后用較粗的導(dǎo)體將各匯地點連接起來，再將各機柜的匯流點通過絕緣的銅導(dǎo)體以輻射狀連接到公共接地點。

4  結(jié)語

    微控制器系統(tǒng)抗干擾是一個復(fù)雜的工程，問題的解決在工業(yè)控制要求較高的今天尤顯迫切，因此在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地運用各種抗干擾措施，對有些干擾情況還需做具體分析、特殊處理，才能夠保證微控制器系統(tǒng)的正常運作。