微機控制系統的抗干擾技術研究

袁戰軍+王瑾+李小斌

摘 要： 為了提高微機系統的測控精度及穩定性，提出微機控制系統的抗干擾設計方法。詳細介紹了微機控制系統的軟、硬件抗干擾設計措施，硬件抗干擾措施主要包括電源系統抗干擾、I/O接口抗干擾等幾部分，軟件抗干擾措施包括指令冗余、軟件陷阱和軟件濾波等。同時，將一些抗干擾措施應用于卷煙機煙支重量控制系統中，實驗結果表明，這些措施是有效的，能夠較好地消除和抑制進入煙支重量控制系統的干擾信號。

關鍵詞： 微機控制系統； 抗干擾技術； 煙支重量控制； 測控精度

中圖分類號： TN973.3?34； TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0142?03

Research on anti?interference technology for microcomputer control system

YUAN Zhanjun1， WANG Jin2， LI Xiaobin3

（1. Department of Electronics， Shaanxi Institute of International Trade & Commerce， Xianyang 712046， China；

2. College of Information Engineering， Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China；

3. Department of Electronics and Electrical Engineering， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721016， China）

Abstract： To improve the precision and stability of measurement and control in microcomputer system， the anti?interfe?rence design method of microcomputer control system is presented. Software and hardware anti?interference measures of microcomputer system are introduced in detail. Hardware anti?interference measures include power system anti?interference， I/O interface anti?interference and other circuits. Software anti?interference measures include instruction redundancy， software trap and software filtering. Some anti?interference measures are applied in cigarette weight control system of cigarette making machine. The experimental results show that these measures are effective， and can eliminate and restrain interference signals entered into cigarette weight control system effectively.

Keywords： microcomputer control system； anti?interference technology； cigarette weight control； measurement and control precision

微機控制系統經常工作在環境惡劣的生產現場，會遭受各種干擾的影響。例如：卷煙機煙支重量控制系統周圍存在著眾多執行機構和控制設備，它們的啟停和運行都會產生較大的電磁干擾；又如視頻監控所用云臺控制系統，也會受到電源波動、雷電放電等干擾的影響。由于干擾的存在，會影響被測信號的精度和程序的正常運行，嚴重時還會導致系統無法工作[1]。因此，在微機控制系統設計時，必須采取有效的抗干擾措施才能保證系統的可靠運行。

1 抗干擾原則

為保證微機控制系統的測控精度，必須把進入系統的干擾信號抑制到一定強度范圍內，常用的抗干擾原則如下：

（1） 消除干擾源，有些干擾可通過采取一定措施予以消除，例如通過合理布線、改進焊接工藝可消除由線間感應、多點接地造成的電位差；

（2） 遠離干擾源，可將微機測控系統盡量遠離干擾源（如強電場、強磁場），來抑制、衰減干擾；

（3） 防止干擾進入，可采取措施切斷干擾進入微機控制系統的途徑，避免干擾影響[2]。

2 硬件抗干擾技術

微機控制系統的抗干擾技術包括軟件、硬件抗干擾技術兩方面。硬件抗干擾技術主要包括：電源系統抗干擾，I/O接口抗干擾，接地系統抗干擾等。下面重點介紹交流、直流電源抗干擾措施及I/O接口抗干擾措施。

2.1 交流電源抗干擾措施

由于大型電氣設備的啟停、負載變動，會造成電源電壓波動和產生尖峰脈沖，而尖峰脈沖的幅值有時可達幾千伏，容易造成系統“死機”，甚至損壞硬件電路[3]。為了保證交流電源的穩定性，可采取以下抗干擾措施：

（1） 使用干擾抑制器消除尖峰脈沖，避免微機系統受高頻諧波影響。干擾抑制器使用時輸入端接220 V交流電源，輸出端接微機控制系統，電路如圖1所示。

圖1 干擾抑制器連接電路

（2）對于要求較高的微機控制系統，可采用不間斷電源供電，結構如圖2所示。當電源正常時，通過交流穩壓器、直流穩壓器給計算機系統供電，并給電池組充電；當系統檢測到電源斷電時，控制開關在極短的時間內切換到電池組，通過控制器、逆變器將電池組儲存的直流電逆變成交流電，經直流穩壓器給計算機系統供電，避免系統受電源掉電等故障干擾。

圖2 不間斷電源結構圖

2.2 直流電源抗干擾措施

當微機系統采用直流電源供電時，可采取以下抗干擾措施：

（1） 使用直流開關電源供電，它是一種采用脈寬調制技術制作的新型電源，與線性電源相比，具有體積小、重量輕和效率高（電源效率可達80%）等優點[4]，同時，開關電源的穩壓范圍寬、效果好，其初級和次級之間有較強的隔離作用，能有效抑制電網的高頻干擾。

（2） 對每個系統功能模塊都采用獨立的直流電源供電，可防止模塊之間的相互干擾，避免因某個模塊電源故障導致整個系統無法工作[5]。例如：在卷煙機煙支重量控制系統中，其控制電路以TMS320LF2407A DSP為核心，于是專門設計了3.3 V直流電源為該電路獨立供電，電路如圖3所示。電源轉換芯片選用TPS7333，輸入電壓5 V，輸出電壓3.3 V，最大輸出電流500 mA。實驗證明，采用3.3 V電源獨立供電后，不但可以有效減小其他模塊對控制電路的干擾，同時當電源欠壓時，TPS7333的[RESET]引腳輸出低電平，送至DSP復位端[RS]后還可以實現對控制電路的欠壓保護。

2.3 I/O接口抗干擾措施

輸入/輸出通道是微機與現場設備交換信息的必經通路，只有對I/O接口電路采取必要的抗干擾措施，才能防止外界干擾進入微機控制系統。常用的I/O接口抗干擾措施有：

（1） 采用硬件濾波器對信號進行濾波。在信號送入微機控制系統前，先用低通濾波器濾掉干擾信號，常用的低通濾波器有RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器和有源濾波器等4種，電路如圖4所示。

圖3 3.3 V直流電源電路

圖4 常用低通濾波器電路圖

（2） 對于數字量、開關量信號可采用光電隔離電路進行抗干擾設計。由于光電隔離器具有輸入阻抗低，輸入輸出間寄生電容小，絕緣電阻大等特點，使干擾很難通過光耦進入微機控制系統。同時，光耦還可消除地線環繞，提高系統抗干擾能力[6]。例如：在卷煙機煙支重量控制系統的DSP與CAN總線接口電路中，為了提高系統的抗干擾能力和降低射頻干擾，在DSP與 CAN驅動器PCA82C250之間增加了高速光耦6N137，有效地保證了系統的CAN總線通信功能，電路如圖5所示。

3 軟件抗干擾技術

常用的軟件抗干擾措施有指令冗余、設置軟件陷阱和軟件濾波等。

3.1 指令冗余

當微機控制系統受到干擾影響時，程序可能會“跑飛”落入用戶程序區內別的位置，此時可采用指令冗余技術使程序恢復正常運行[7]。指令冗余的實現方法：在程序的某些關鍵位置連續插入幾條單字節空操作指令NOP；當程序“跑飛”后執行NOP指令時，就可避免將操作數當作指令碼執行的錯誤，連續執行幾條空操作指令后，使后續程序恢復正常執行。

圖5 DSP與CAN總線接口電路

3.2 設置軟件陷阱

當程序“跑飛”進入非程序區或表格區時，無法通過指令冗余使程序恢復正常運行，此時可通過設置軟件陷阱來攔截“跑飛”的程序，使程序恢復正常。軟件陷阱的實現方法：在程序的關鍵位置或非程序區放置一條轉移指令，將掉進陷阱的程序強行引入到一段錯誤處理程序中（設該程序入口地址為ERR），使程序重新納入正軌運行[8]。軟件陷阱由以下三條指令組成：NOP；NOP；LJMP ERR。

3.3 軟件濾波

軟件濾波就是用編程的方法對輸入信號進行數值、邏輯運算，減少干擾在有用信號中的比重。這種濾波方法通過軟件實現，不需增加硬件設備；還可針對不同信號，采用不同的濾波方法。常用的軟件濾波方法有：

（1） 算術平均值濾波。對被測量連續采樣[N]次，以其算術平均值作為采樣值，此方法適用于信號在某一數值上下波動的情況。例如：在卷煙機煙支重量控制系統的數據采集程序中，對煙支重量的采樣使用了算術平均值濾波算法，流程圖如圖6所示。程序先控制核掃描器打開快門，當捕獲單元3中斷產生后，用軟件啟動SEQ1觸發A/D轉換；若SEQ1忙狀態位=0，表明A/D轉換已完成，然后將轉換結果右移6位存入數組AD1[[j]]中；當單支煙采夠120點后，計算煙支平均重量并存入AD2[[i]]中；最后，清除CAP3中斷標志并返回。實驗證明，采用算術平均值濾波算法處理后的煙支平均重量能較好地反映實際煙支生產重量且重量波動小。

（2） 中值濾波。對某一被測量連續采樣N次（N為奇數），并將N次采樣值按大小進行排列，取中間值為采樣值；此濾波方法可有效濾除脈沖性干擾，適用于對溫度、液位等變化緩慢的參數進行測量[9]。

（3） 去極值平均濾波。對信號進行[N]次采樣，去掉最大值和最小值，并取剩余[N-2]次采樣值的平均值；此方法可消除偶然出現的脈沖干擾所引起的采樣偏差 [10]。

圖6 煙支重量控制系統的數據采集程序流程圖

4 結 語

為了保證微機控制系統的測控精度和穩定性，在系統設計時不但要進行硬件電路設計和軟件編程，還要進行系統的抗干擾設計，使干擾信號被有效地消除或抑制。本文在介紹抗干擾原則的基礎上，重點講述了微機控制系統的軟、硬件抗干擾措施，并將部分措施應用于卷煙機煙支重量控制系統設計中，實驗結果表明，這些軟、硬件抗干擾措施是有效的、正確的。同時，在微機系統抗干擾設計時還應注意根據干擾信號的不同選擇合適的抗干擾措施。

參考文獻

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