微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究

袁戰(zhàn)軍+王瑾+李小斌

摘 要： 為了提高微機(jī)系統(tǒng)的測控精度及穩(wěn)定性，提出微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)方法。詳細(xì)介紹了微機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件抗干擾設(shè)計(jì)措施，硬件抗干擾措施主要包括電源系統(tǒng)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(shí)，將一些抗干擾措施應(yīng)用于卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些措施是有效的，能夠較好地消除和抑制進(jìn)入煙支重量控制系統(tǒng)的干擾信號。

關(guān)鍵詞： 微機(jī)控制系統(tǒng)； 抗干擾技術(shù)； 煙支重量控制； 測控精度

中圖分類號： TN973.3?34； TP368 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)常工作在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場，會(huì)遭受各種干擾的影響。例如：卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)周圍存在著眾多執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備，它們的啟停和運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾；又如視頻監(jiān)控所用云臺控制系統(tǒng)，也會(huì)受到電源波動(dòng)、雷電放電等干擾的影響。由于干擾的存在，會(huì)影響被測信號的精度和程序的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作[1]。因此，在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取有效的抗干擾措施才能保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 抗干擾原則

為保證微機(jī)控制系統(tǒng)的測控精度，必須把進(jìn)入系統(tǒng)的干擾信號抑制到一定強(qiáng)度范圍內(nèi)，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(jìn)焊接工藝可消除由線間感應(yīng)、多點(diǎn)接地造成的電位差；

（2） 遠(yuǎn)離干擾源，可將微機(jī)測控系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)離干擾源（如強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場），來抑制、衰減干擾；

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

2 硬件抗干擾技術(shù)

微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)包括軟件、硬件抗干擾技術(shù)兩方面。硬件抗干擾技術(shù)主要包括：電源系統(tǒng)抗干擾，I/O接口抗干擾，接地系統(tǒng)抗干擾等。下面重點(diǎn)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(shè)備的啟停、負(fù)載變動(dòng)，會(huì)造成電源電壓波動(dòng)和產(chǎn)生尖峰脈沖，而尖峰脈沖的幅值有時(shí)可達(dá)幾千伏，容易造成系統(tǒng)“死機(jī)”，甚至損壞硬件電路[3]。為了保證交流電源的穩(wěn)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(jī)系統(tǒng)受高頻諧波影響。干擾抑制器使用時(shí)輸入端接220 V交流電源，輸出端接微機(jī)控制系統(tǒng)，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(jī)控制系統(tǒng)，可采用不間斷電源供電，結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)電源正常時(shí)，通過交流穩(wěn)壓器、直流穩(wěn)壓器給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電，并給電池組充電；當(dāng)系統(tǒng)檢測到電源斷電時(shí)，控制開關(guān)在極短的時(shí)間內(nèi)切換到電池組，通過控制器、逆變器將電池組儲(chǔ)存的直流電逆變成交流電，經(jīng)直流穩(wěn)壓器給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電，避免系統(tǒng)受電源掉電等故障干擾。

圖2 不間斷電源結(jié)構(gòu)圖

2.2 直流電源抗干擾措施

當(dāng)微機(jī)系統(tǒng)采用直流電源供電時(shí)，可采取以下抗干擾措施：

（1） 使用直流開關(guān)電源供電，它是一種采用脈寬調(diào)制技術(shù)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(dá)80%）等優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)，開關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍寬、效果好，其初級和次級之間有較強(qiáng)的隔離作用，能有效抑制電網(wǎng)的高頻干擾。

（2） 對每個(gè)系統(tǒng)功能模塊都采用獨(dú)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(gè)模塊電源故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法工作[5]。例如：在卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)中，其控制電路以TMS320LF2407A DSP為核心，于是專門設(shè)計(jì)了3.3 V直流電源為該電路獨(dú)立供電，電路如圖3所示。電源轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)證明，采用3.3 V電源獨(dú)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(shí)當(dāng)電源欠壓時(shí)，TPS7333的[RESET]引腳輸出低電平，送至DSP復(fù)位端[RS]后還可以實(shí)現(xiàn)對控制電路的欠壓保護(hù)。

2.3 I/O接口抗干擾措施

輸入/輸出通道是微機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備交換信息的必經(jīng)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(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)。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(jìn)行濾波。在信號送入微機(jī)控制系統(tǒng)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(shù)字量、開關(guān)量信號可采用光電隔離電路進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。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(diǎn)，使干擾很難通過光耦進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，光耦還可消除地線環(huán)繞，提高系統(tǒng)抗干擾能力[6]。例如：在卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)的DSP與CAN總線接口電路中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和降低射頻干擾，在DSP與 CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間增加了高速光耦6N137，有效地保證了系統(tǒng)的CAN總線通信功能，電路如圖5所示。

3 軟件抗干擾技術(shù)

常用的軟件抗干擾措施有指令冗余、設(shè)置軟件陷阱和軟件濾波等。

3.1 指令冗余

當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，程序可能會(huì)“跑飛”落入用戶程序區(qū)內(nèi)別的位置，此時(shí)可采用指令冗余技術(shù)使程序恢復(fù)正常運(yùn)行[7]。指令冗余的實(shí)現(xiàn)方法：在程序的某些關(guān)鍵位置連續(xù)插入幾條單字節(jié)空操作指令NOP；當(dāng)程序“跑飛”后執(zhí)行NOP指令時(shí)，就可避免將操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行的錯(cuò)誤，連續(xù)執(zhí)行幾條空操作指令后，使后續(xù)程序恢復(fù)正常執(zhí)行。

圖5 DSP與CAN總線接口電路

3.2 設(shè)置軟件陷阱

當(dāng)程序“跑飛”進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)時(shí)，無法通過指令冗余使程序恢復(fù)正常運(yùn)行，此時(shí)可通過設(shè)置軟件陷阱來攔截“跑飛”的程序，使程序恢復(fù)正常。軟件陷阱的實(shí)現(xiàn)方法：在程序的關(guān)鍵位置或非程序區(qū)放置一條轉(zhuǎn)移指令，將掉進(jìn)陷阱的程序強(qiáng)行引入到一段錯(cuò)誤處理程序中（設(shè)該程序入口地址為ERR），使程序重新納入正軌運(yùn)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(jìn)行數(shù)值、邏輯運(yùn)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(shí)現(xiàn)，不需增加硬件設(shè)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(shù)平均值濾波。對被測量連續(xù)采樣[N]次，以其算術(shù)平均值作為采樣值，此方法適用于信號在某一數(shù)值上下波動(dòng)的情況。例如：在卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序中，對煙支重量的采樣使用了算術(shù)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(dāng)捕獲單元3中斷產(chǎn)生后，用軟件啟動(dòng)SEQ1觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換；若SEQ1忙狀態(tài)位=0，表明A/D轉(zhuǎn)換已完成，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果右移6位存入數(shù)組AD1[[j]]中；當(dāng)單支煙采夠120點(diǎn)后，計(jì)算煙支平均重量并存入AD2[[i]]中；最后，清除CAP3中斷標(biāo)志并返回。實(shí)驗(yàn)證明，采用算術(shù)平均值濾波算法處理后的煙支平均重量能較好地反映實(shí)際煙支生產(chǎn)重量且重量波動(dòng)小。

（2） 中值濾波。對某一被測量連續(xù)采樣N次（N為奇數(shù)），并將N次采樣值按大小進(jìn)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(shù)進(jìn)行測量[9]。

（3） 去極值平均濾波。對信號進(jìn)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(xiàn)的脈沖干擾所引起的采樣偏差 [10]。

圖6 煙支重量控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序流程圖

4 結(jié) 語

為了保證微機(jī)控制系統(tǒng)的測控精度和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不但要進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，還要進(jìn)行系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，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(chǔ)上，重點(diǎn)講述了微機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件抗干擾措施，并將部分措施應(yīng)用于卷煙機(jī)煙支重量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些軟、硬件抗干擾措施是有效的、正確的。同時(shí)，在微機(jī)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意根據(jù)干擾信號的不同選擇合適的抗干擾措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙家升，楊顯清.電磁兼容原理與技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 侯永春.智能儀器的抗干擾技術(shù)研究[J].電子測試，2013（4）：85?89.

[3] 海玉，陳軍，錢獻(xiàn)芬.一種單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2012（9）：175?177.

[4] 劉慶豐.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[5] 吳秋寧，邵建龍，呂英英，等.提高單片機(jī)測控系統(tǒng)的抗干擾能力的研究[J].電子測量技術(shù)，2010，33（2）：63?66.

[6] 索維，陳俊.抗干擾技術(shù)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2013（10）：57?60.

[7] 吳興純，楊燕云，吳瑞武.計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的故障分析以及抗干擾技術(shù)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2011（5）：26?29.

[8] 高源.軟件抗干擾技術(shù)在煤礦用單片機(jī)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014，33（3）：239?240.

[9] 姜志海.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[10] 何忠悅，于淑芳.單片機(jī)抗干擾技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用探析[J].機(jī)電信息，2012（12）：112?113.