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1抗干擾研究的必要性
盡管單片機(jī)在智能化儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入和廣泛，有效地提高了儀表生產(chǎn)效率，改善了工作條件，大大提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益，但是，通常系統(tǒng)儀表的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常儀表突出的問(wèn)題。干擾會(huì)導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的儀表?yè)p失。
影響系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干儀表擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些儀表因素對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面.
一、數(shù)據(jù)釆集誤差加大
干擾侵入微機(jī)系統(tǒng)測(cè)量單元模擬信號(hào)的輸入通道，疊加在有用信號(hào)之上，會(huì)儀表使數(shù)據(jù)釆集誤差加大，特別是當(dāng)傳感器輸出微弱信號(hào)時(shí)，干擾更加嚴(yán)重。
二、控制狀態(tài)失靈
一般微機(jī)輸出的控制信號(hào)較大，不易受到外界的干擾。但微機(jī)輸出的控制信儀表號(hào)常依據(jù)某些條件的狀態(tài)輸入信號(hào)和這些信號(hào)的邏輯處理結(jié)果，若這些輸入的狀儀表態(tài)信號(hào)受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號(hào)，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
三、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化
微機(jī)系統(tǒng)中，由于RAM存儲(chǔ)器是可以讀/寫(xiě)的，因此在干擾的侵害下,RAM儀表中的數(shù)據(jù)有可能被竄改。在單片機(jī)系統(tǒng)中，程序及表格、常數(shù)存于程序存儲(chǔ)器儀表EPROM中，避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞#但是，對(duì)于內(nèi)RAM,外擴(kuò)RAM中的儀表數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。根據(jù)干擾竄入的途徑、受干擾數(shù)據(jù)的性質(zhì)不儀表同，系統(tǒng)受損壞的情況也不同。有的造成數(shù)據(jù)誤差，有的使控制失靈，有的改變儀表程序狀態(tài)，有的改變某些部件（如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口等）的工作狀態(tài)等。

微機(jī)中程序計(jì)數(shù)器PC的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。儀表但若外界干擾導(dǎo)致PC值的改變，破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受干擾后的PC儀表值是隨機(jī)的，因而導(dǎo)致程序混亂。通常的情況是程序?qū)?zhí)行一系列毫無(wú)意義的指儀表令，最后進(jìn)入“死循環(huán)七這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。
2控制器硬件上的抗干擾設(shè)計(jì)
2.1儀表PCB的可靠性設(shè)計(jì)
目前PCB板的布線采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成，可以大大減少布線的儀表出錯(cuò)率，也便于電路檢査^但是使用這些軟件的自動(dòng)布線是很難能進(jìn)行可靠性布儀表線設(shè)計(jì)。例如系統(tǒng)的電源、地線安排，器件布置的考慮，模擬、數(shù)字電路的不同儀表處理要求，時(shí)鐘電路的安排考慮等.這些PCB的可靠性設(shè)計(jì)常常要依靠手工布儀表線完成。同時(shí)利用PCB的自動(dòng)化軟件輔助工具的分析、識(shí)別、判斷能力，及時(shí)儀表檢查及修正手工布線錯(cuò)誤。
PCB可靠設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有PCB的總體設(shè)計(jì)，電源、地線布置，去耦設(shè)計(jì)和儀表布線設(shè)計(jì)。
—、PCB的總體設(shè)計(jì)
PCB的總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)基本要求，
a）區(qū)域劃分
設(shè)計(jì)PCB時(shí)，首先要按電路類型進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃。即模擬電路與數(shù)字電路分儀表開(kāi)，以降低數(shù)字噪聲對(duì)敏感的模擬電路的耦合;功率驅(qū)動(dòng)部分為大功率電路部分，儀表噪聲能量大，應(yīng)與模擬和數(shù)字部分分開(kāi)。在本控制器中PCB設(shè)計(jì)中，數(shù)字地與儀表模擬地分開(kāi)，一點(diǎn)相連。功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)在另外獨(dú)立的PCB板上。
b）留好地線結(jié)構(gòu)空間
PCB上必須有足夠的地線空間，地線空間應(yīng)在決定集成電路和器件位置之儀表前考慮。地線設(shè)計(jì)是PCB設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，切不可忽視，通常采用手工布置.
c）集成電路及器件的安排應(yīng)遵循以下原則：最短距離連線要求。盡量縮短

元器件相互間的布線距離；盡量縮短高頻信號(hào)的布線距離與區(qū)域；高頻信號(hào)的輸儀表入、輸出盡量靠近；盡量縮短與產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)相關(guān)的布線距離；同時(shí)應(yīng)為高儀表頻信號(hào)提供一條低阻抗（最小環(huán)路區(qū)域）信號(hào)返回路程：在高頻信號(hào)線兩邊布上地儀表線，可為其它信號(hào)提供屏蔽。
二、電源、地線設(shè)計(jì)
a）地線設(shè)計(jì)
地線是信號(hào)電流或電源電流的返回路程。地線只要存在阻抗，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)儀表壓降，形成噪聲。這些噪聲對(duì)于與該地線有關(guān)的電路要形成干擾。通常，有共地儀表阻抗形成的干擾。
在具體的地線設(shè)計(jì)中，信號(hào)地可分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。單點(diǎn)儀表接地防止共地阻抗干擾，適合于低頻信號(hào)；多點(diǎn)接地使地線盡可能短，以降低高儀表頻阻抗和輻射能力，多用于高頻系統(tǒng)；混合接地要保證單點(diǎn)接地的同時(shí)，有高頻儀表電容接地通道。
PCB上地線設(shè)計(jì)的原則是：最小的阻抗、最小的回路面積以及最小的公共儀表阻抗。雙層板的地線網(wǎng)格設(shè)計(jì)中，由于PCB不可能設(shè)置地線層，所以設(shè)置地線儀表網(wǎng)格則是雙層板中地線設(shè)計(jì)的最佳方案。它提供了類似地線層效果，可縮小環(huán)路儀表面積，并將地線阻抗降至最低。在PCB的一面水平布線，另一面垂直布線，在儀表地線交錯(cuò)處通過(guò)過(guò)孔相連，形成網(wǎng)格，網(wǎng)格面積宜小，最好不要超過(guò)1平方英寸。
釆用這樣的網(wǎng)格地線后，信號(hào)在板上任何區(qū)域上的返回路徑不超過(guò)0.5英寸（25.4mm）。
b）電源設(shè)計(jì)
在PCB上除了應(yīng)將模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)布置外，在供電上也要分別獨(dú)儀表立供電，以防止數(shù)字電路噪聲對(duì)模擬電路的干擾。電源布線設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使電源儀表線布在地線上（下）層或近旁。這有利于將電源線中的噪聲回送到地線上，有于減儀表少噪聲的輻射環(huán)路區(qū)域。如果采用鐵氧體或傳感器等濾波器來(lái)降低供電線路上的儀表噪聲，必須讓它們非常接近MCU引腳，才能在抑制MCU噪聲，以及避免噪聲儀表傳至PCB線跡上。
c）產(chǎn)品地線設(shè)計(jì)
作為一個(gè)電子產(chǎn)品應(yīng)有一個(gè)完整的地線系統(tǒng)，產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)論是主板、面板、儀表電源板、I/O接口、伺服驅(qū)動(dòng)板都有許多接地點(diǎn)，但所有接地點(diǎn)都應(yīng)有相同的儀表地電平，即最終這許多接地點(diǎn)都要連在一起。在主線路板上數(shù)字電路、模擬電路儀表和大功率開(kāi)關(guān)電路都有獨(dú)立的地線及地線引出端，它們和系統(tǒng)的輸入/輸出通道儀表地線分別與電源系地相連*而且該點(diǎn)還與機(jī)殼及電源屏蔽線相連。
三、去耦設(shè)計(jì)
數(shù)字系統(tǒng)中總是產(chǎn)生和傳遞各種脈沖信號(hào)波形，這些波形都由一個(gè)基波和許儀表多高次諧波組成。當(dāng)脈沖信號(hào)邊沿很陡時(shí),會(huì)有很高的高次諧波，⑵這時(shí)，任儀表何一個(gè)與之相連的PCB線跡、元器件及連接物都可成為輻射天線。而相鄰的線儀表跡、元器件也可通過(guò)輻射或電容耦合接收這些高頻噪聲干擾，數(shù)字系統(tǒng)中最主要儀表的數(shù)字噪聲是數(shù)字集成電路運(yùn)行的電源電流瞬變?cè)肼?，因此，首先要解決電源去儀表耦設(shè)計(jì)。如果不采取去耦措施，即在電源和地端并接去耦電容來(lái)吸收這個(gè)尖峰瞬儀表變電流，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)形成電磁干擾。通常加去耦電容，其容值為0.01PF。對(duì)于儀表一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，由于總線切換而產(chǎn)生的瞬變電流是很大的，另外，通過(guò)電源也會(huì)儀表引入一些高頻噪聲，因此，常在數(shù)字系統(tǒng)的電源入口處并接一個(gè)W-lOOuF的儀表電容來(lái)進(jìn)一步去耦。
在信號(hào)輸入的條件下，對(duì)所有的輸入輸出端采用LC電路去耦，特別對(duì)無(wú)屏儀表蔽的輸入輸出線更為重要。在信號(hào)線上可使用RC低通濾波器，盡量減少帶寬。儀表例如，在放大器、比較器的輸入端與地之間并聯(lián)一個(gè)小電容（如47pF）去耦，在傳儀表感器小信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5531以前，加了一儀表RC低通濾波器，目的是濾去儀表髙頻噪聲。
在完成PCB設(shè)計(jì)的總體布置，畫(huà)好電源、地線、器件位置及去耦電容后，儀表具體布線時(shí)應(yīng)遵循下列原則：
a）為了防止信號(hào)線間的干擾，無(wú)論是多層板還是雙層板，相鄰層的信號(hào)線儀表應(yīng)按相互垂直布線。
b）電源線和地線應(yīng)盡量粗些。所有未使用空間都設(shè)計(jì)成地線平面，以減少地線阻抗。
c）數(shù)字系統(tǒng)的的每條信號(hào)線應(yīng)盡量靠近地線，以減少噪聲阻抗。然而，對(duì)于大量的地址線，數(shù)據(jù)線來(lái)說(shuō)，不可能都滿足這一要求，則盡可能安排好低位地儀表址線、數(shù)據(jù)線。
d）全部布線設(shè)計(jì)完畢后，再次檢査地線，將地線盡量加粗，特別是較細(xì)的地線。
2.2電源干擾的抑制
除強(qiáng)電被控設(shè)備外，控制器的各個(gè)單元都需要直流電源供電。是由市電電網(wǎng)儀表的交流電經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后向系統(tǒng)提供直流電源。由于變壓器的初儀表級(jí)繞組接在市電電網(wǎng)上，電網(wǎng)上的各種干擾便會(huì)引入系統(tǒng)。因此，交流電源既是儀表計(jì)算機(jī)使用的電源，又是一個(gè)嚴(yán)重污染的干擾源。這種污染通過(guò)設(shè)備的電源線傳儀表入系統(tǒng)的內(nèi)部，對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生影響。除此之外，由于電源共用，各電子設(shè)備之間儀表通過(guò)電源也會(huì)產(chǎn)生相互干擾。
根據(jù)工程統(tǒng)計(jì)分析，微機(jī)系統(tǒng)有70%的干擾是通過(guò)電源耦合進(jìn)來(lái)的。因此,儀表提高電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量，對(duì)確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行是非常重要的。電源抗干擾儀表的基本途徑有以下幾點(diǎn)：
a）采用交流穩(wěn)壓器.當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大時(shí)，應(yīng)使用交流穩(wěn)壓器.若釆用磁飽和式交流穩(wěn)壓器，對(duì)來(lái)自電源的噪聲干擾也有很好的抑制作用。    :
b）電源濾波器。交流電源引線上的濾波器可以抑制輸入端的瞬態(tài)干擾。直流電源的輸出也接入電容濾波器，以使輸出電壓的紋波限制在一定范圍內(nèi)，并能抑儀表制數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的脈沖干擾。
c）在要求供電質(zhì)量很高的特殊情況下，可以釆用發(fā)電機(jī)組或逆變器供電，如采用在線式UPS不間斷電源供電，
d）電源變壓器釆取屏蔽措施。利用幾毫米厚的高導(dǎo)磁材料（如坡莫合金）將變壓器嚴(yán)密的屏蔽起來(lái)，以減少漏磁通的影響。
e）在每塊印刷電路板的電源與地之間并接去耦電容，即5—10uF的電解電容儀表和一個(gè)0.01-0,19的電容，這可以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾。
f）釆用分立式供電。整個(gè)系統(tǒng)不是統(tǒng)一變壓、濾波、穩(wěn)壓后供各單元電路使用，而是變壓后直接送給各單元電路的整流、濾波、穩(wěn)壓。這樣可以有效地消除儀表各單元電路間的電源線、地線間的耦合干擾，又提高了供電質(zhì)量，增大了散熱面儀表積。
g）分類供電方式“把空調(diào)、照明、動(dòng)力設(shè)備分為一類供電方式，把微機(jī)及其儀表外設(shè)分為一類供電方式，以避免強(qiáng)電設(shè)備工作時(shí)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的干擾。
在本控制器的設(shè)計(jì)中，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器后，采用分立式供電，通過(guò)穩(wěn)壓、儀表濾波后供各單元電路使用。同時(shí)，由于傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成微弱電信號(hào)時(shí),儀表其供電電源精度對(duì)轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)影響極大，單獨(dú)供應(yīng)一組±15V電源。
2.3傳感器外部噪聲干擾的抑制
傳感器最大的外部噪聲源是連接在交流電源上的電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等產(chǎn)生電火花的機(jī)器以及繼電器、電磁閥門(mén)等°這些噪聲源通過(guò)電容、電磁耦合對(duì)傳感器形成干擾。測(cè)量電路往往是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。數(shù)字電路工作電流的變化也會(huì)影響模擬電路而產(chǎn)生噪聲，因而測(cè)控裝置的配線技術(shù)是首先要考慮的。對(duì)于靜電感應(yīng)噪聲，可在信號(hào)線或箱體上包一層金屬導(dǎo)體屏蔽層，并將屏蔽層端點(diǎn)接地，對(duì)于電磁感應(yīng)噪聲，配線時(shí)應(yīng)盡量使信號(hào)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，以減小互感，減小電磁感應(yīng)噪聲；為了降低電磁感應(yīng)噪聲，信號(hào)電纜還可用金屬導(dǎo)體層來(lái)屏蔽,并且使屏蔽層端點(diǎn)接地除此之外，還釆用雙絞信號(hào)線，它對(duì)抑制噪聲也很有效,因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生方向相反的感應(yīng)電壓，所產(chǎn)生的磁通相互抵消。抑制外部噪聲對(duì)傳感器的干擾，也可釆用物理隔離，即對(duì)小信號(hào)低電平的隔離，傳感器及其信號(hào)連線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高電子大功率的導(dǎo)線和元器件（如變壓器），以減少噪聲和電磁場(chǎng)的干擾。為了實(shí)行物理隔離，即使同一設(shè)備內(nèi)部也應(yīng)當(dāng)把這兩類信號(hào)導(dǎo)線分開(kāi)走線。遠(yuǎn)距離走線時(shí)，更應(yīng)注意把信號(hào)電纜和功率電纜分開(kāi)，并保持一定的距離◎必要時(shí)還可以用鋼管或金屬蛇皮管把它們分別套起來(lái)，以增加屏蔽效果。
 

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