基于CPLD控制電加熱系統的抗干擾設計

摘 要：文章對CPLD控制的電加熱系統的進行了抗干擾設計，分析了危害系統正常運行的干擾源，提出了一種抗電加熱系統的干擾方案，有效地解決CPLD電加熱系統的抗干擾問題。

關鍵詞：CPLD；電加熱系統；抗干擾設計

引言

本電加熱系統采用ALTERA公司的型號為EP1C3T144C8的CPLD芯片為主要硬件，它的開發平臺是Quartus II，支持原理圖、VHDL等多種形式的設計輸入，本電加熱系統使用VHDL設計輸入，VHDL采用基于庫（Library）的設計方法。這是一些標準庫，模塊存于庫中，就可以在其它的設計中反復使用。這種設計方法可以大大的減少設計工作量，如此使得電路設計簡單，并且易于修改和升級。采用CPLD芯片設計的系統器件少，系統總線結構簡單，工作運行快。同時也出現其穩定性能不太強，受工作環境干擾影響電加熱系統的運行精度，因此需要設計者對其認真分析干擾來源，加大抗干擾設計的研究，努力提高電加熱系統的穩定性參數和可靠性指標。

1 分析CPLD電加熱系統干擾信號源

1.1 CPLD電加熱系統工作環境的干擾信號源如下

（1）來自于自然界的：自然界的氣溫大幅變化，系統所處地理位置磁場大幅的變化、天空中狂風暴雨電閃雷鳴，使得CPLD芯片系統主要工作電壓大幅的波動和控制信號的電路參數大幅變化。（2）來自于系統周邊的：CPLD芯片系統附近存在大馬力電器工作如中頻率電爐，大電流晶閘管、大電流發射機、大大電流逆變器都可能產生干擾磁電。（3）來自于系統本身的：系統含有大電流可控硅，大功率驅動機電，如繼電器產生的火花，大功率電路開關等。大電感的電器在啟動和停止的瞬間可能形成CPLD電加熱系統系統電源電畸變，干擾CPLD正常工作。（4）來自于電加熱系統傳感器，傳感器模擬信號太微小需要高倍電流放大器和高精度A/D轉換，這樣的電路，容易受到內部和外部干擾誤差造成采集的數據誤差大。

1.2 干擾信號進入CPLD電加熱系統的多路耦合

（1）傳輸導體信號耦合干擾：干擾信號經過導線將干擾信號耦合到系統中。例如干擾信號經過電線傳入系統。（2）共同阻抗信號耦合干擾：不同結構的電流經過一個共同阻抗時，就可能出現公共阻抗干擾耦合。（3）電磁場信號耦合干擾：如果電荷產生漂移，所有的電路元器件和導線都可能產生電磁場輻射，存在近場時和遠場時來自發射輻射源的電磁聯合輻射。（4）電容信號耦合干擾：電容通路存在噪聲源與被干擾電路之間。這種不是人為加上的電容通路是電容分布在二者之間。通過分布電容，新的干擾脈沖會干擾電子線路。（5）電磁信號耦合干擾：不同電路之間如果存在互感就會產生電磁信號干擾，A電路中電流的變化造成磁交鏈將電磁信號干擾耦合到B電路。（6）系統電源共地阻抗耦合干擾：干擾信號源零線接地點上的電壓影響接收系統正常信號。

2 解決CPLD電加熱系統抗干擾問題的辦法

2.1 加強電加熱系統工作電源抗干擾能力

（1）使用穩定的進線電源進行供電，CPLD控制系統的進線電源采用穩定性好的電源線，避免變化大或者有高頻設備的電源接到控制系統上。（2）使用低頻濾波器去掉高頻干擾確保50HZ基波通過。（3）使用交流穩壓器穩定電網的電壓有效抑制電網的大幅波動。（4）使用UPS電源保證供電不中斷。進線電源瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件的發生容易造成CPLD控制系統癱瘓，如果使用UPS向系統供電，斷電信號被UPS系統中的斷電傳感器檢測到后自動將供電到UPS的電池組，可以確保流入CPLD控制系統的電源不停電。（5）如果在直流電源側采用相應的抗干擾措施可以進一步抑制來自于電源方面的干擾。可以采用屏蔽交流電源變壓器的方法，用交流電源變壓器可以把高壓交流變成低壓直流。采用分別屏蔽將電源變壓器的一、二次繞組，然后將屏蔽層與鐵心一起接地。

2.2 抑制系統的串模干擾

（1）信號引線采用雙絞線，扭絞纏繞兩根互相絕緣的導線組成雙絞線，雙絞線的外面加金屬護套可以增強抗干擾能力。（2）使用濾波電路。根據干擾信號頻率與被測信號頻率特點，可以分別選用低通高通帶通濾波器。在干擾頻率比被測信號頻率高的情況下加裝低通濾波器；在干擾頻率比被測信號頻率低的情況下高加裝通濾波器；在干擾頻率落在被測信號頻率的兩側的情況下加裝帶通濾波器。

2.3 抑制系統的共模干擾

（1）采用變壓器隔離，把現場傳感器信號源的地與CPLD控制系統的地隔離可以利用變壓器，可以形成“模擬地”與“數字地”的隔離。經過變壓器耦合被測信號自己形成獨立回路通路，不成回路的共模干擾電壓得到大幅抑制。（2）采用光電隔離器，利用光耦隔離器的光電開關電路，既可以輸入輸出數字信號又可以隔離電磁干擾，也就是隔離數字信號通道。調理電路開關量輸入信號，使用光耦隔離器把開關信號送到控制系統數據口，完全隔離了外部信號與控制系統的聯系。

2.4 加強系統接地的抗干擾能力

（1）正確使用單點接地與多點接地，如果是低頻電路應使用單點接地，可以消除地環路形成產生的干擾；如果是高頻電路應使用就近多點接地，可以消除“長線傳輸”的干擾。如果頻率低于1MHZ時可以使用單點接地方式；如果頻率高于10MHZ時可以用多點接地方式；如果頻率在1～10MHZ之間采用單點接地，使用的接地地線長度不應該超過波長的5/100，如果工作環境不允許則只能用多點接地方式。CPLD控制電加熱系統的信號大多情況下小于1MHZ頻率，只能使用單點接地。（2）輸入系統信號的接地方式，在CPLD控制電加熱系統中，輸入系統的傳感器和變送器與放大器一般使用屏蔽罩，輸入系統信號的傳輸通常用屏蔽線。對屏蔽線金屬屏蔽層的接地也應該使用單點接地。這樣就能避免了屏蔽層與地之間的回路電流的形成，而且對信號線而言，消除屏蔽層與信號線間的電容產生的干擾。（3）印刷電路板的地線接地抗干擾設計，系統電路板中的TTL、CMOS＼PMOS、NMOS的地線要設計為輻射狀，不應該構成環形狀。電路板地線盡可能加寬。還應該盡可能縮短旁路電容的地線。盡可能加寬大電流器件的零電位地線，大電流器件地線必須和小電流器件信號的地分開。（4）主機外殼應該可靠接地，把主機外殼作為屏蔽罩接地機芯浮空，可以增強CPLD控制電加熱系統整體的的抗干擾能力。

3 結束語

文章探討了CPLD控制的電加熱系統的抗干擾問題，而且清晰分析了本電加熱系統的實際工作狀況和實際工作環境，采取了一整套有效的抗干擾設計。實際應用表明本設計保證電加熱的精度和穩定性，電加熱系統的硬件設備和軟件能夠可靠運行，本抗干擾設計在可以應用于其他類似的CPLD控制系統。

參考文獻

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[4]李功.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京：機械工業出版社，1998.

作者簡介：朱偉（1959-），男，副教授，工作于江漢大學數學與計算機科學學院，主要從事計算機體系結構和智能儀器的設計。