DF8B內燃機車微機控制裝置抗干擾策略研究

宋 升

（呼和浩特鐵路局大板機務段錫林浩特檢修車間，內蒙古呼和浩特 026000）

0 引言

計算機控制技術是現代科技飛速發展的產物，微機控制作為該技術運用的一個重要技術，在各個領域的應用越來越廣泛，各類機車采用計算機控制已成為一個必然趨勢。機車采用計算機控制系統后，既能夠提高機車性能，又能夠降低運用費用。ZY5000是新一代結合了DF11，DF8B內燃機車特點后，設計而成的一種內燃機車計算機分布式控制系統，是一種功能齊全、操作簡便、控制效果好、功能易于擴展的微機控制系統。由于微機控制系統往往需要在惡劣現場使用，會受到各種因素的干擾，影響其運行，因此，制定有效的抗干擾策略是確保系統可靠運行的重要措施。結合ZY5000微機控制系統結構分析微機控制裝置的抗干擾策略。

1 微機控制系統干擾源及抗干擾原則分析

1.1 微機控制系統干擾源分析

干擾現象的產生需要有干擾源、耦合通道及干擾對象3個要素，干擾源即形成干擾的元器件、設備、信號等，耦合通道即干擾由干擾源向接受電路傳播的通路；干擾對象即容易被干擾的元器件、系統、信號等。微機控制系統的干擾源主要來自4個方面：①靜電干擾，物體表面在常態下也會生成大量靜電電荷，靜電電荷的聚集會生成一個小型靜電電場，當附近存在電容時，這一電場還會經電容耦合后，產生較大干擾，并積聚更大的能量，達到一定程度時甚至會出現放電，釋放出大量能量，對附近電路或元器件造成損壞。②電源干擾，電源本身即是一個巨大的電磁場，會影響附近電器。③信號干擾，控制系統中的各種敏感性元件，容易在信號線上的工作過程中遭受噪聲干擾。電流通過敏感性元件時生成的電磁場會與電流本身磁性相沖，產生干擾；外界雷電、空間磁暴等也會產生電磁場進而干擾感性元件信號；此外，供電電壓有一定波動時，會使敏感性元件不能識別，進而生成假信號，干擾系統工作。④接地干擾，設備接地點電位無法保持絕對均勻，附近接地點會形成一個小型環形電路，線路較長時，還會形成多個類似電路，進而造成靜電干擾與信號干擾，影響系統工作。

1.2 抗干擾原則

抗干擾原則主要包括3個：①消除干擾源，通過布線的合理化、焊接工藝的改進等消除因線間感應或多點接地產生的電位差。②遠離干擾源，將微機控制系統與干擾源等盡量保持較遠的距離，從而抑制或衰竭干擾。③阻止干擾侵入，采取強制措施切斷干擾源進入微機控制系統的各種途徑，防止干擾的產生。

2 微機控制系統的硬件抗干擾技術

2.1 交流電源抗干擾策略

大型電氣設備在啟停或變動負載時，會出現電源電壓的波動，形成尖峰脈沖，其幅值甚至可達到幾千伏，可能會使系統停止運行，甚至損毀電路。為確保電源穩定，采取了多個抗干擾策略。

（1）連接干擾抑制器以消除尖峰脈沖，防止高頻諧波對微機系統的影響。干擾抑制器在使用時可將輸入端與220 V交流電源連接，輸出端則與微機控制系統連接（圖1）。

（2）不間斷電源供電法（圖2）。部分微機控制系統要求較高時，可采用該方法進行抗干擾處理。電源正常時，交流與直流穩壓器能夠直接向系統供電，同時完成微機電源電池組的充電工作；電源出現斷電時，可由控制形狀短時間內迅速切換至電池組進行供電，利用控制器與逆變器將電池組中的直流電源轉移為交流電源，并由直流穩壓器向系統供電，可避免系統因電源斷電等意外故障受到干擾。

2.2 直流電源抗干擾策略

圖1 干擾抑制器的連接方法

圖2 不間斷電源連接結構

（1）直流開關電源供電法，該電源是利用脈寬調制技術所設計的一種新型電源，和線性電源相比，體積更小、重量更輕、供電效率達80%，穩壓范圍寬，供電效果佳，初級與次級之間能夠具備較強的隔離效果，能夠有效抑制高頻干擾。在ZY5000微機控制系統中廣泛采用了直流模塊的方法進行供電（圖3）。

圖3 直流形狀電源連接

（2）系統各模塊采用獨立直流電源供電，避免各模塊相互干擾，防止某個模塊因電源故障停止運行而使整個系統停機。如，ZY5000微機控制系統中數字電路輸入電壓為5 V電源輸出電壓為5 V，最大輸出電流為5 A，通過電源轉換芯片轉換電源后，就能夠對數字電路進行獨立供電（圖4）。

圖4 ZY5000轉速電板控制部分電路

2.3 I/O接口抗干擾策略

微機系統與現場設備進行通信、信息交換的必要途徑就是輸入/輸出通道，要確保數據輸入/輸出不受干擾，需要對I/O接口進行抗干擾設計，以避免外界干擾侵入系統中。

（1）通過硬件濾波器對信號實施濾波處理。信號進入系統前，可先用低通濾波器將干擾信號全部過濾掉，RC濾波器、雙T濾波器、LC濾波器、有源濾波器等是常用的低通濾波器，在ZY5000系統中多有應用（圖5）。

圖5 低通濾波器

（2）采用光電隔離電路抗干擾，該方法對數字量與開關量信號的抗干擾適用性良好，光電隔離器輸入阻抗低，在輸入輸出間生成的寄生電容小且絕緣電阻大，增加了干擾經光耦侵入系統的難度，提高了抗干擾性能。如，在ZY5000系統中，在CAN（Controller Area Network，控制器局域網總線）總線驅動器82C250與PCF82C200之間增加了2個光耦6N137，提高了系統抗干擾能力，降低了高頻干擾，保證了CAN總線通信功能（圖6）。

（3）一線接地策略。同一個系統中內的不同電路，可通過大信號地線與小信號地線分離的方法，分別進行接地供電。如，在ZY5000系統中，采用DY1，DY2，DY的3個電源板進行供電，DY1提供＋24 V，－24 V，＋15 V，+5 V，DY2提供＋24 V，－24 V，－15 V，＋5 V，其中DY1、DY2的＋24 V，－24 V 并聯工作，為7個電流傳感器提供所需的＋24 V，－24 V電源，7個壓力傳感器提供所需的＋24 V 電源。＋24 V，－24 V 共地；DY1的＋15 V，DY2的－15 V，DY1的+5 V為系統的數字電路部分供電，這3路電源共地。DY2的＋5 V為通信部分提供所需的電源，此路電源與所有電源均不共地。DY為備用電源。DY1，DY2，DY電路完全相同，可以互換。所有電源板均由不同的外部配線完成不同的功能。

3 微機控制系統的軟件抗干擾技術

3.1 信息冗余或指令冗余

信息冗余即按照一定規律，將一組冗余信息碼加入到傳送數據序列中，使原本無相關性的數據具備相關性，再以這些冗余信息碼元件為監督碼與相關信息碼同時傳送，接受端根據發送端編碼完成譯碼，附加的信息碼元會對傳送中出現的差錯進行自動檢測并糾錯。指令冗余即在程序的部分關鍵位置插入幾條單字節空指令 NOP（No Operation Performed，無操作)），微機系統因干擾影響，程序出現跑飛時，就會執行該NOP指令，避免了將操作數作為指令碼執行，連續執行所插入的空指令后，就能夠使后續程序執行恢復正常。該方法的缺陷在于可能會降低工作效率，但其抗干擾優勢仍然較大。

3.2 軟件陷阱

在程序跑飛至非程序區或表格區內時，若無法由指令冗余方法恢復程序正常運行時，可利用軟件陷阱法攔截該程序，確保程序恢復正常。該方法是在程序關鍵區或非程序區插入一條引導指令或轉移指令，將進入陷阱中的程序強行引導至一段錯誤處理程序內，引導程序恢復正軌，其指令內容主要是NOP；NOP LJMP ERR。這種方法是對程序設置了返回功能，重新初始化系統以引導程序恢復正常，但無法徹底根治跑飛的程序。因此，可在內在代碼的非存儲位置，設置并執行一條中斷指令，分級處理各類中斷指令，可同時接收同等級程序指令，重置同等級多個指令，以達到中斷程序指令的最優化使用。不同區的中斷指令代碼有所不同。

中斷向量區

圖6 光耦連接

3.3 開關量軟件抗干擾技術

形狀量信號輸入時，會出現較短時間的毛刺狀干擾信號，可在采集某一種開關量信號時，多次重復采集，當出現兩次或兩次以上相同數據時，即可停止采集，并報警。在保證實時性的前提下，各類數據采集信號間有一定間隔時，結果準確度也更高，也就增加了抗干擾能力。開關量輸出信號的抗干擾方法亦可采用這種重復輸出相同數據的方法，但需減少重復周期。當外設設備在接收到一個錯誤信息時，未給予相應的傳送就接收到正確信息，表明錯誤操作的風險得到了有效的降低。

3.4 軟件濾波技術

軟件濾波即通過編程計算輸入信號的數值與邏輯思路，降低干擾信號在有用信號中的比例，該方法可通過軟件技術實現，且無需增加新的硬件設備，主要方法包括3個：①算術平均值濾波，連續采樣被測量值多次后，取其算術平均值為最終采樣值，當信號在某個數值上下出現波動時，可采用該方法。②中值濾波，連續采樣被測量值多次后，取其中間值作為采樣值，該方法能夠有效清除脈沖干擾，測量溫度或液位等變化較慢的參數更為適用。③去極值平均濾波，連續采樣被測量值多次后，去掉其最大與最小值，取其他N-2次采樣值平均值作為最終采樣值，該方法的目的在于消除偶然性出現的脈沖干擾引發的采樣偏差。

3.5 軟件看門狗技術

軟件看門狗即程序運行監視系統，是一種軟件、硬件融合的抗干擾技術，用單穩觸發器或定時器計數或定時，完成定時后，可觸動程序或系統復位原件，并定時清零。運行看門狗后，可在設定時間內完成跑飛程序的有效清零。在受到干擾后，該程序會出現讀取順序的錯位，不能完成定時清零操作，進而造成定時溢出，此時，程序就會立刻清零，引導系統擺脫因程序跑飛而出現的癱瘓狀態。

4 結語

微機控制系統的抗干擾設計是其可靠性、穩定性的基礎之一，要清除、抑制或隔離干擾源，可從硬件、軟件技術上進行抗干擾處理。結合ZY5000微機控制系統，分析了部分抗干擾技術，實際使用中效果良好。