抗干擾技術(shù)在智能信號采集模塊設(shè)計中的應(yīng)用*

金　晟　姚　丹

(91550部隊　大連　116041)

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抗干擾技術(shù)在智能信號采集模塊設(shè)計中的應(yīng)用*

金晟姚丹

(91550部隊大連116041)

摘要介紹了抗干擾技術(shù)在基于CAN總線通訊的智能信號采集模塊設(shè)計中的應(yīng)用,旨在解決艦船設(shè)備信號采集的可靠性問題。從軟硬件設(shè)計方面分別討論了系統(tǒng)的抗干擾措施,建立的雙總線冗余架構(gòu)進一步提高了模塊工作的可靠性。

關(guān)鍵詞信號采集; 抗干擾設(shè)計; 可靠性; CAN總線

Application of Anti-interference Technology in Design of Intellectualized Data Collection Module

JIN ShengYAO DAN

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn order to improve reliability of marine equipment for signal collection, a series of anti-interference methods are presented. The hardware and software anti-interference designs are introduced in detail. An architecture of dual redundancy is adopted to further enhance reliability of the system.

Key Wordssignal collection, anti-interference design, reliability, CAN Fieldbus

Class NumberTN402

1引言

隨著現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜嚴酷,對軍用裝備的可靠性要求愈加嚴格。為提高艦船設(shè)備的可靠性,許多軍用測控裝備常常需要對現(xiàn)場采集的各類信號采取抗干擾處理措施,并進行數(shù)字化傳輸[1～2]。本文針對基于CAN總線技術(shù)的某艦用監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃詥栴},從系統(tǒng)架構(gòu)及軟硬件設(shè)計方面提出了抗干擾設(shè)計及措施。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由一個上位機及多個智能信號采集節(jié)點組成,所有智能節(jié)點通過CAN總線與上位機相連,對監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)信息采集。雖然CAN總線的抗干擾能力和可靠性較強,但由于機艙環(huán)境極為惡劣,艦船航行過程中只能進行艦員級維修,一旦出現(xiàn)故障很難及時修復(fù),所以對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求很高,有必要對總線采取冗余設(shè)計[3～4],如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該監(jiān)測系統(tǒng)采用兩條總線電纜,每個監(jiān)控節(jié)點采用兩個總線控制器。正常情況下主通訊鏈路投入運行,當主通訊鏈路發(fā)生故障時,啟動備用通訊鏈路,保證整個系統(tǒng)的通信功能正常。為進一步提高鏈路可靠性,在鏈路冗余設(shè)計的基礎(chǔ)上,采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。這樣,每條鏈路上的節(jié)點均有左右兩個通道接入網(wǎng)絡(luò),即使一條通道故障,也可通過另一條通道與其他節(jié)點保持通信。

3硬件抗干擾措施

艦船機艙內(nèi)的電磁干擾現(xiàn)象特別嚴重[5],在機艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮重點考慮系統(tǒng)的抗干擾措施。

3.1電源抗干擾措施

通過船用蓄電池供電可提供持續(xù)穩(wěn)定的24VDC輸出。24V輸入電壓經(jīng)過EMC濾波穩(wěn)壓處理后,由隔離型DC/DC模塊TEN5-2413降壓為+15V,為傳感器模擬板供電,該模塊為主電源模塊,選用TRACO公司的5W模塊,具有良好的EMC特性。

數(shù)字板需要3.3V、1.8V、隔離5V三種電源,其中,非隔離型電源模塊K7803-1500(L)將+15V電源降壓為3.3V給DSP的IO部分供電,+3.3V電源經(jīng)過線性電源AMS1117-1.8變換為1.8V為DSP內(nèi)核供電。同時,+3.3V經(jīng)過隔離型升壓DC/DC模塊B0305D-2W生成隔離5V電源,給CAN總線收發(fā)器供電。電源部分設(shè)計框圖如圖2所示[6]。

圖2　電源模塊框圖

為解決電源中噪聲和紋波,在DC/DC模塊輸出端和輸入端外加濾波電容,以減少紋波值。輸出濾波電容器的容值要適當,電容太大,很可能會造成啟動問題。為了獲得非常低的紋波值,可在DC/DC模塊TEN5-2413輸入輸出端聯(lián)接一個LC濾波網(wǎng)絡(luò)。同時應(yīng)注意電感值的大小及LC濾波網(wǎng)絡(luò)其自身的頻率應(yīng)與TEN5-2413模塊固有頻率錯開,避免相互干擾。為了確保TEN5-2413模塊能夠高效可靠的工作,除了規(guī)定最大負載(即滿負載),同時也規(guī)定了一個最小負載。在使用時,要確保在規(guī)定輸入電壓范圍內(nèi),其輸出最小負載不能小于滿負載的10%,嚴禁空載使用,在調(diào)試時應(yīng)特別注意。若電路中實際負載功率確實較小,可在輸出端并聯(lián)一個適當阻值的電阻以增加負載。

3.2CAN總線抗干擾措施

監(jiān)控系統(tǒng)的采用的雙CAN總線冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍屬于總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲,總線的兩端需連接一個終端電阻。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中采用一種改良的總線終端來改善總線的電磁輻特性[7],如圖3所示。具體做法是把每個終端電阻分成兩個等值的電阻,例如用兩個62Ω的電阻代替一個124Ω的電阻,中間分接點通過一個10nF或100nF電容連接到地,這種終端結(jié)構(gòu)被稱為分離終端。這種方法的特點是可以在兩個分離終端的中間抽頭上得到所謂的共模信號。理想情況下共模信號就是DC電壓信號,可以通過一個電容(10nF～100nF)將中間抽頭接地。實際應(yīng)用過程中只將一個終端電阻接地,這樣總線在中頻和低頻的范圍內(nèi)電磁輻射特性可以獲得很大的改善。而如果兩個終端均采用分離形式并單獨接地,雖然能優(yōu)化高頻性能,但可能會通過地電流產(chǎn)生干擾性的回路電流,反而降低了分離終端所能帶來的好處。

圖3　分離終端設(shè)計

3.3去耦電路設(shè)計

數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流,并在傳輸線和供用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降,形成嚴重的干擾。為了抑制這種干擾,在電路中要適當配置去禍電路,采取的措施主要有[8]:

1) 在印刷電路板布線時,使雜散電容最小,盡量加大電源線和地線的走線寬度,同時布線導(dǎo)線盡量不彎成90°。

2) 在每個印制板入口處的電源線和地線之間并接一個大容量的電解電容(10μF～100μF)和一個0.01μF～0.1μF旅的非電解電容作為推耦電容。大電容用于去掉低頻干擾成分,小電容濾掉高頻干擾成分。

3) 在每個集成芯片電源和地之間都安置一個0.lμF的陶瓷電容器,當印制電路板空隙小裝不下時,每隔4～10個芯片安置一個1μF～10μF的限噪聲用的膽電容。

4軟件抗干擾措施

串入監(jiān)控系統(tǒng)的干擾,其頻譜往往很寬,且具有隨機性,硬件抗干擾措施只能抑制某些頻率段的干擾,仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)。因此,還要采取軟件抗干擾措施。

4.1數(shù)字濾波

當系統(tǒng)中由于存在隨機干擾使被測信號中混入了無用成份時,可以采用濾波器濾掉信號中的無用成份提高信號質(zhì)量。模擬濾波器在低頻和甚低頻時實現(xiàn)是比較困難的,而數(shù)字濾波器則不存在這些問題。它具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的特點,因此在智能化測量控制系統(tǒng)中被廣泛用于克服隨機誤差。

本系統(tǒng)采用中值濾波法對采集到的模擬量信號進行軟件抗干擾處理。對目標參數(shù)連續(xù)進行若干次采樣,然后將這些采樣進行排序,選取中間位置的采樣值為有效值。

4.2軟件陷阱

軟件陷阱,就是用引導(dǎo)指令強行將捕獲到的跑飛的程序引向復(fù)位入口程序,使程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯進行處理的程序[9]。程序設(shè)計常采用模塊化設(shè)計,按照程序的要求一個模塊、一個模塊的執(zhí)行,可將陷阱指令組分散放置在用戶程序各個模塊之間空余的單元中。在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令,保證用戶程序正常運行。但當程序跑飛,一旦落入這些陷阱區(qū),馬上將程序拉到正確的軌道上。陷阱的多少一般依據(jù)用戶程序大小而定,一般每1KB有幾個陷阱就夠。

4.3指令冗余抗干擾措施

指令冗余是指在關(guān)鍵的地方人為地插入一些重復(fù)指令或空操作指令。在采用C語言編程時采用重寫關(guān)鍵指令與冗余語句結(jié)束符來實現(xiàn);在采用匯編語言編程時采用在關(guān)鍵的地方的雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的空操作NOP指令來實現(xiàn)。

4.4其他抗干擾措施

除了采取上述這些抗干擾方法,在編程時還應(yīng)注意以下幾點:

1) 盡量采用單字節(jié)指令,以減少因干擾而程序亂飛的機率。

2) 慎用堆棧。在使用堆棧操作指令時,一次不能使用太多,減少子程序的個數(shù),特別注意不要使子程序嵌套層次太多。從抗干擾的角度,堆棧的設(shè)置應(yīng)遠離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū),最好單獨設(shè)置。

3) 硬件看門狗電路的定時觸發(fā)脈沖,最好不用內(nèi)部定時器的中斷方式,因為CPU因干擾有可能使主程序陷入死循環(huán),但定時器中斷仍然發(fā)生,繼續(xù)發(fā)出觸發(fā)脈沖,這樣看門狗電路也就失效了[10]。

4) 對于采用的可編程I/O芯片,原則上在上電啟動后初始化一次即可,但工作模式控制字可能因噪聲干擾等原因受到破壞,使系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)發(fā)生混亂。因此,在應(yīng)用過程中每次用到這種接口時,最好對有關(guān)功能重新設(shè)定一次,確保接口可靠工作。

5結(jié)語

針對艦船嚴酷的使用環(huán)境及嚴格的可靠性要求,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計幾個方面介紹了基于CAN總線結(jié)構(gòu)的智能信號采集模塊的抗干擾設(shè)計方法及措施。實踐驗證了上述設(shè)計方法及措施的有效性。

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中圖分類號TN402

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.043

作者簡介:金晟,男,碩士,工程師,研究方向:計算機網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月27日