賈振國(guó)+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(diǎn)，提出了針對(duì)電源系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的實(shí)用抗干擾技術(shù)手段，給出了具體的抗干擾電路。

關(guān)鍵詞：智能化；儀器儀表；抗干擾

中圖分類號(hào)：TN973.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0035-03

智能化儀器儀表一般應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，承擔(dān)著監(jiān)視或控制生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的任務(wù)，在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)遇到高溫、高濕、低氣壓、有害氣體、沖擊、振動(dòng)、輻射、電磁干擾等各種復(fù)雜的環(huán)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(tǒng)的干擾及其抗干擾措施

儀器儀表采用的穩(wěn)壓電源本身就是一個(gè)干擾源。在由變壓器、整流管、調(diào)整管組成的線性穩(wěn)壓電源內(nèi)，因整流形成的單向脈沖電流，本身就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。如果采用開(kāi)關(guān)電源，更要慎重地選擇。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源是利用電子器件的高頻開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行工作的，一般開(kāi)關(guān)頻率都在20kHz以上，電壓和電流的急劇變化會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓和其他各種噪聲，形成一個(gè)較強(qiáng)的電磁干擾源，對(duì)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(yīng)干擾、開(kāi)關(guān)干擾和電網(wǎng)干擾等。可以采取的抗干擾措施包括以下兩點(diǎn)：

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(shè)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(lái)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(jiǎn)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(jìn)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(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-10～10-12s量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)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(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限和體積小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、智能化儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。TVS的在電源系統(tǒng)中的配置如圖3所示。

2 主機(jī)系統(tǒng)的抗干擾措施

智能化儀器儀表的主機(jī)系統(tǒng)都由微處理器構(gòu)成，大多工作于高頻狀態(tài)，不論是微處理器各輸入輸出過(guò)程通道，還是通信接口，都很容易受到來(lái)自各個(gè)方面的電磁干擾，因此，抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)該貫穿于整個(gè)智能化儀器儀表的設(shè)計(jì)過(guò)程中。智能化儀器儀表主機(jī)系統(tǒng)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(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。抑制干擾源的常用措施如下：

（1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。

（2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路，一般是RC串聯(lián)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(gè)集成電路芯片的電源盒地引腳間都要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF的高頻電容，以減小集成電路對(duì)電源的影響，并且高頻電容的布線應(yīng)靠近電源端并盡量的粗和短，否則會(huì)影響效果。

（4）印制線路板布線時(shí)要避免90度折線，90度的直角相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射天線，會(huì)向外輻射高頻噪聲，對(duì)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(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)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(duì)整機(jī)的影響，可參照前面介紹的方法來(lái)處理電源，電源的抗干擾問(wèn)題處理得好，整機(jī)的抗干擾問(wèn)題就解決了一大半。

（2）如果微處理器的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)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(yīng)盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼應(yīng)可靠接地。

（4）設(shè)計(jì)線路板時(shí)要進(jìn)行合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱電信號(hào)分開(kāi)區(qū)域布線；數(shù)字、模擬信號(hào)憤慨區(qū)域布線等，盡可能使干擾源遠(yuǎn)離敏感元件。

（5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離設(shè)置，最后在一點(diǎn)接于電源地。

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

（7）在微處理器遠(yuǎn)傳I/O口線、電源線，線路板連接線等關(guān)鍵部位使用磁珠、磁環(huán)、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(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)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(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)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(yīng)采用多層印制線路板設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)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(tài)，以避免由于干擾產(chǎn)生數(shù)字邏輯的混亂。endprint

（4）對(duì)微處理器可使用硬件看門狗電路和電源監(jiān)控電路，常用的如前面介紹過(guò)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(jī)，大幅度提高整個(gè)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(jī)的晶振和選用低速數(shù)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(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、地址總線應(yīng)采用總線驅(qū)動(dòng)器來(lái)提高總線的抗干擾能力，同時(shí)要考慮總線的負(fù)載平衡與時(shí)延等問(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中經(jīng)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(zhǔn)確無(wú)誤，在讀入數(shù)據(jù)或狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)軟件采取多次讀入的方法來(lái)避免干擾的影響，如果讀入的是數(shù)據(jù)，那么可以通過(guò)比較兩次讀取結(jié)果的數(shù)據(jù)偏差是否在允許范圍內(nèi)來(lái)判定讀入數(shù)據(jù)的真實(shí)性；如果讀入的是外部開(kāi)關(guān)狀態(tài)，則可以通過(guò)比較在規(guī)定時(shí)限內(nèi)多次讀入的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是否一致來(lái)判定讀入開(kāi)關(guān)狀態(tài)的真實(shí)性。

3.2 指令冗余抗干擾

對(duì)于程序流向起決定作用或?qū)ぷ鳡顟B(tài)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(kāi)關(guān)量輸出控制上，以保證輸出結(jié)果的正確性，因此，可以說(shuō)指令冗余是動(dòng)作冗余。指令冗余可以用在以下場(chǎng)合：

（1）微處理器輸入輸出口的動(dòng)作。

（2）帶鎖存功能的LED或LCD的顯示器。

（3）中斷使能標(biāo)志的設(shè)置。

（4）重要標(biāo)志字和參數(shù)寄存器等。

3.3 軟件陷阱抗干擾

針對(duì)基于MCS-51單片機(jī)的智能化儀器儀表而言，軟件陷阱就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的“跑飛”的程序引向復(fù)位入口地址0000H或處理錯(cuò)誤的程序入口地址處。例如，在MCS-51未使用的程序存儲(chǔ)區(qū)中間隔性地填入“0000020000”，則當(dāng)程序“跑飛”到這個(gè)區(qū)域時(shí)，便會(huì)被自動(dòng)的拉回到0000H處重新執(zhí)行。這里“00”為空操作指令的機(jī)器碼，“02”為無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令“LJMP”的機(jī)器碼，“02”后面的“0000”是要轉(zhuǎn)移的地址。

3.4 “看門狗”技術(shù)抗干擾

“看門狗”有硬件“看門狗”和軟件“看門狗”，關(guān)于硬件“看門狗”，可以參考有關(guān)文獻(xiàn)資料的介紹，這里只對(duì)軟件“看門狗”設(shè)計(jì)思路加以說(shuō)明。

以MCS-51系列單片機(jī)為例。在MCS-51內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，可以用這兩個(gè)定時(shí)器來(lái)對(duì)主程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。

簡(jiǎn)單的軟件“看門狗”可以這樣設(shè)計(jì)：

（1）定時(shí)器T0設(shè)置為“看門狗”定時(shí)器

在初始化程序中設(shè)置T0的工作方式為方式1即16位定時(shí)器方式，并開(kāi)啟中斷和定時(shí)功能。系統(tǒng)fosc=12MHz，T0最大計(jì)數(shù)值為65535，T0輸入計(jì)數(shù)頻率是fosc/12，則溢出周期為65536μs。

（2）計(jì)算主程序循環(huán)一次的時(shí)間

考慮系統(tǒng)各功能模塊及其循環(huán)次數(shù)，假定系統(tǒng)主程序的運(yùn)行時(shí)間約為20ms。設(shè)置“看門狗”定時(shí)器T0定時(shí)30ms。主程序的每次循環(huán)都將復(fù)位T0的初值。如果程序進(jìn)入“死循環(huán)”而T0的初值在30ms內(nèi)未被刷新，作為“看門狗”定時(shí)器使用的T0將產(chǎn)生溢出并申請(qǐng)中斷。

（3）設(shè)計(jì)T0中斷服務(wù)程序

T0的中斷服務(wù)程序只須一條指令，即在T0對(duì)應(yīng)的中斷向量地址（MCS-51單片機(jī)為000BH）寫入無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，把程序拉回到復(fù)位處，重新進(jìn)行初始化并獲得正確的執(zhí)行順序。

有些情況下，還可以使用兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器構(gòu)成軟件“看門狗”。例如，在主程序中對(duì)T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視；在T1中斷服務(wù)程序中對(duì)主程序進(jìn)行監(jiān)視；再用T0中斷監(jiān)視T1中斷，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)然，這樣構(gòu)成的軟件“看門狗”占用了過(guò)多的資源和時(shí)間，應(yīng)該慎重使用。MCS-51系列單片機(jī)中有些型號(hào)內(nèi)部已經(jīng)增加了硬件看門狗電路，選擇時(shí)應(yīng)該加以注意。

4 結(jié)束語(yǔ)

在智能化儀器儀表設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都應(yīng)充分地考慮干擾和抗干擾問(wèn)題，采取主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃、“對(duì)抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的策略和方法，才能收到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈振國(guó)，許琳.智能化儀器儀表原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[2]劉光斌，流動(dòng)，姚志成.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[3]林國(guó)榮，張友德.電磁干擾及控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4]白同云，李曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.endprint