智能化儀器儀表實用抗干擾技術

賈振國+張勝寶+楊忠亮+李巖松

摘 要：分析了智能化儀器儀表的干擾源及其特點，提出了針對電源系統、主機系統和軟件系統的實用抗干擾技術手段，給出了具體的抗干擾電路。

關鍵詞：智能化；儀器儀表；抗干擾

中圖分類號：TN973.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0035-03

智能化儀器儀表一般應用于工業測控現場，承擔著監視或控制生產過程參數的任務，在運行過程中，可能會遇到高溫、高濕、低氣壓、有害氣體、沖擊、振動、輻射、電磁干擾等各種復雜的環境因素，其中抗電磁干擾是提高智能化儀器儀表可靠性的有效途徑之一。

1 電源系統的干擾及其抗干擾措施

儀器儀表采用的穩壓電源本身就是一個干擾源。在由變壓器、整流管、調整管組成的線性穩壓電源內，因整流形成的單向脈沖電流，本身就會產生電磁干擾。如果采用開關電源，更要慎重地選擇。因為開關電源是利用電子器件的高頻開關來進行工作的，一般開關頻率都在20kHz以上，電壓和電流的急劇變化會產生很大的浪涌電壓和其他各種噪聲，形成一個較強的電磁干擾源，對儀器儀表的工作有很大的危害。

供電線耦合干擾包括雷電干擾、高頻感應干擾、開關干擾和電網干擾等。可以采取的抗干擾措施包括以下兩點：

1.1 交流電源濾波器的使用

采用交流電源濾波器是抑制電源噪聲的有效方法，可以提高電子設備的抗干擾能力。交流電源濾波器一般用在交流輸入端或交流輸出端，主要用來抑制30MHz以下頻率范圍的噪聲。交流電源濾波器有電容式濾波器和電容電感式濾波器兩種形式。圖1所示是在智能化儀器儀表中常用而又簡單有效的電容式濾波器，圖中的電容C1=C2，取值為0.01～0.02μF之間，耐壓400V以上。圖2是改進的電容電感式濾波器。

1.2 瞬變電壓抑制器TVS的使用

TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10-10～10-12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，使其免受各種浪涌脈沖的損壞。由于TVS具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限和體積小等優點，已廣泛應用于計算機系統、通訊設備、智能化儀器儀表等各個領域。TVS的在電源系統中的配置如圖3所示。

2 主機系統的抗干擾措施

智能化儀器儀表的主機系統都由微處理器構成，大多工作于高頻狀態，不論是微處理器各輸入輸出過程通道，還是通信接口，都很容易受到來自各個方面的電磁干擾，因此，抗干擾設計應該貫穿于整個智能化儀器儀表的設計過程中。智能化儀器儀表主機系統采取抗干擾措施的基本原則是：抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑和提高敏感器件的抗干擾性能。

2.1 抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能地減小干擾源的電壓變化率（du/dt）和電流變化率（di/dt）。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯電容來實現。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯電感或電阻以及增加續流二極管來實現。抑制干擾源的常用措施如下：

（1）繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。

（2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，一般是RC串聯電路，電阻一般選幾KΩ～幾十KΩ，電容一般選0.01uF左右。

（3）電路板上的每個集成電路芯片的電源盒地引腳間都要并接一個0.01μF～0.1μF的高頻電容，以減小集成電路對電源的影響，并且高頻電容的布線應靠近電源端并盡量的粗和短，否則會影響效果。

（4）印制線路板布線時要避免90度折線，90度的直角相當于一個發射天線，會向外輻射高頻噪聲，對其他電路造成高頻干擾。

（5）如果控制中采用了可控硅原件，可控硅兩端最好并接RC抑制電路，減小可控硅開關過程中產生的干擾。

2.2 切斷干擾傳播路徑的常用措施

（1）充分考慮電源對整機的影響，可參照前面介紹的方法來處理電源，電源的抗干擾問題處理得好，整機的抗干擾問題就解決了一大半。

（2）如果微處理器的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離電路，如增加π形濾波電路等。

（3）注意晶振的布線。晶振與微處理器引腳應盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼應可靠接地。

（4）設計線路板時要進行合理分區，如強、弱電信號分開區域布線；數字、模擬信號憤慨區域布線等，盡可能使干擾源遠離敏感元件。

（5）用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地要分離設置，最后在一點接于電源地。

（6）微處理器和大功率器件要采取單獨接地處理，以減小相互干擾。大功率器件應盡可能放在電路板邊緣。

（7）在微處理器遠傳I/O口線、電源線，線路板連接線等關鍵部位使用磁珠、磁環、濾波器、屏蔽罩、等抗干擾器件，可顯著提高電路的抗干擾性能。

2.3 提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能，是指從敏感器件考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態盡快恢復的方法。常用提高敏感器件抗干擾性措施有：

（1）印制板布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。

（2）印制板上的電源線和地線要盡量的粗，這樣除可減少電源線和底線的壓降外，更重要的是還可以降低干擾耦合的幾率，如果可能應采用多層印制線路板設計。

（3）對于微處理器閑置的I/O口引腳，最好做接地或接電源處理，不要使其處于浮空狀態，以避免由于干擾產生數字邏輯的混亂。endprint

（4）對微處理器可使用硬件看門狗電路和電源監控電路，常用的如前面介紹過的DS1232和其他類似功能的芯片如X25045等，看門狗電路的使用，可以避免微處理器的死機，大幅度提高整個電路的抗干擾性能。

（5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字電路。

（6）非必須器件，集成電路盡量不用集成電路插座，直接焊在電路板上，可降低從集成電路引腳引入干擾的概率。

（7）對于復雜系統的數據、地址總線應采用總線驅動器來提高總線的抗干擾能力，同時要考慮總線的負載平衡與時延等問題。

3 常用軟件抗干擾措施

智能化儀器儀表的很多功能都是靠軟件來實現的。在智能化儀器儀表中，軟件的抗干擾能力與硬件抗干擾能力具有同樣重要的地位，這里介紹一些在實際應用中經常使用的軟件抗干擾措施的基本思路。

3.1 多次讀入抗干擾

為了確保讀入信息的準確無誤，在讀入數據或狀態時，可以通過軟件采取多次讀入的方法來避免干擾的影響，如果讀入的是數據，那么可以通過比較兩次讀取結果的數據偏差是否在允許范圍內來判定讀入數據的真實性；如果讀入的是外部開關狀態，則可以通過比較在規定時限內多次讀入的開關狀態是否一致來判定讀入開關狀態的真實性。

3.2 指令冗余抗干擾

對于程序流向起決定作用或對工作狀態有重要作用的指令后邊，人為地將指令重寫。這種方法一般用在開關量輸出控制上，以保證輸出結果的正確性，因此，可以說指令冗余是動作冗余。指令冗余可以用在以下場合：

（1）微處理器輸入輸出口的動作。

（2）帶鎖存功能的LED或LCD的顯示器。

（3）中斷使能標志的設置。

（4）重要標志字和參數寄存器等。

3.3 軟件陷阱抗干擾

針對基于MCS-51單片機的智能化儀器儀表而言，軟件陷阱就是用引導指令強行將捕獲到的“跑飛”的程序引向復位入口地址0000H或處理錯誤的程序入口地址處。例如，在MCS-51未使用的程序存儲區中間隔性地填入“0000020000”，則當程序“跑飛”到這個區域時，便會被自動的拉回到0000H處重新執行。這里“00”為空操作指令的機器碼，“02”為無條件轉移指令“LJMP”的機器碼，“02”后面的“0000”是要轉移的地址。

3.4 “看門狗”技術抗干擾

“看門狗”有硬件“看門狗”和軟件“看門狗”，關于硬件“看門狗”，可以參考有關文獻資料的介紹，這里只對軟件“看門狗”設計思路加以說明。

以MCS-51系列單片機為例。在MCS-51內部有兩個定時計數器，可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監控。

簡單的軟件“看門狗”可以這樣設計：

（1）定時器T0設置為“看門狗”定時器

在初始化程序中設置T0的工作方式為方式1即16位定時器方式，并開啟中斷和定時功能。系統fosc=12MHz，T0最大計數值為65535，T0輸入計數頻率是fosc/12，則溢出周期為65536μs。

（2）計算主程序循環一次的時間

考慮系統各功能模塊及其循環次數，假定系統主程序的運行時間約為20ms。設置“看門狗”定時器T0定時30ms。主程序的每次循環都將復位T0的初值。如果程序進入“死循環”而T0的初值在30ms內未被刷新，作為“看門狗”定時器使用的T0將產生溢出并申請中斷。

（3）設計T0中斷服務程序

T0的中斷服務程序只須一條指令，即在T0對應的中斷向量地址（MCS-51單片機為000BH）寫入無條件轉移指令，把程序拉回到復位處，重新進行初始化并獲得正確的執行順序。

有些情況下，還可以使用兩個定時計數器構成軟件“看門狗”。例如，在主程序中對T0中斷服務程序進行監視；在T1中斷服務程序中對主程序進行監視；再用T0中斷監視T1中斷，從而保證系統的穩定運行。當然，這樣構成的軟件“看門狗”占用了過多的資源和時間，應該慎重使用。MCS-51系列單片機中有些型號內部已經增加了硬件看門狗電路，選擇時應該加以注意。

4 結束語

在智能化儀器儀表設計、研制、生產、使用與維護的各階段都應充分地考慮干擾和抗干擾問題，采取主動預防、整體規劃、“對抗”與“疏導”相結合的策略和方法，才能收到事半功倍的效果。

參考文獻：

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