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1抗干擾研究的必要性
盡管單片機在智能化儀器儀表領域的應用越來越深入和廣泛，有效地提高了儀表生產效率，改善了工作條件，大大提高了控制質量與經濟效益，但是，通常系統(tǒng)儀表的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常儀表突出的問題。干擾會導致控制誤差加大，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的儀表損失。
影響系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干儀表擾，以及系統(tǒng)結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。這些儀表因素對測控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面.
一、數(shù)據(jù)釆集誤差加大
干擾侵入微機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號之上，會儀表使數(shù)據(jù)釆集誤差加大，特別是當傳感器輸出微弱信號時，干擾更加嚴重。
二、控制狀態(tài)失靈
一般微機輸出的控制信號較大，不易受到外界的干擾。但微機輸出的控制信儀表號常依據(jù)某些條件的狀態(tài)輸入信號和這些信號的邏輯處理結果，若這些輸入的狀儀表態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
三、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化
微機系統(tǒng)中，由于RAM存儲器是可以讀/寫的，因此在干擾的侵害下,RAM儀表中的數(shù)據(jù)有可能被竄改。在單片機系統(tǒng)中，程序及表格、常數(shù)存于程序存儲器儀表EPROM中，避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞#但是，對于內RAM,外擴RAM中的儀表數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。根據(jù)干擾竄入的途徑、受干擾數(shù)據(jù)的性質不儀表同，系統(tǒng)受損壞的情況也不同。有的造成數(shù)據(jù)誤差，有的使控制失靈，有的改變儀表程序狀態(tài)，有的改變某些部件（如定時器/計數(shù)器、串行口等）的工作狀態(tài)等。

微機中程序計數(shù)器PC的正常工作，是系統(tǒng)維持程序正常運行的關鍵所在。儀表但若外界干擾導致PC值的改變，破壞了程序的正常運行。由于受干擾后的PC儀表值是隨機的，因而導致程序混亂。通常的情況是程序將執(zhí)行一系列毫無意義的指儀表令，最后進入“死循環(huán)七這將使輸出嚴重混亂或系統(tǒng)失靈。
2控制器硬件上的抗干擾設計
2.1儀表PCB的可靠性設計
目前PCB板的布線采用計算機輔助設計軟件來完成，可以大大減少布線的儀表出錯率，也便于電路檢査^但是使用這些軟件的自動布線是很難能進行可靠性布儀表線設計。例如系統(tǒng)的電源、地線安排，器件布置的考慮，模擬、數(shù)字電路的不同儀表處理要求，時鐘電路的安排考慮等.這些PCB的可靠性設計常常要依靠手工布儀表線完成。同時利用PCB的自動化軟件輔助工具的分析、識別、判斷能力，及時儀表檢查及修正手工布線錯誤。
PCB可靠設計內容主要有PCB的總體設計，電源、地線布置，去耦設計和儀表布線設計。
—、PCB的總體設計
PCB的總體設計中，應滿足以下幾項基本要求，
a）區(qū)域劃分
設計PCB時，首先要按電路類型進行區(qū)域規(guī)劃。即模擬電路與數(shù)字電路分儀表開，以降低數(shù)字噪聲對敏感的模擬電路的耦合;功率驅動部分為大功率電路部分，儀表噪聲能量大，應與模擬和數(shù)字部分分開。在本控制器中PCB設計中，數(shù)字地與儀表模擬地分開，一點相連。功率驅動部分設計在另外獨立的PCB板上。
b）留好地線結構空間
PCB上必須有足夠的地線空間，地線空間應在決定集成電路和器件位置之儀表前考慮。地線設計是PCB設計的重要一環(huán)，切不可忽視，通常采用手工布置.
c）集成電路及器件的安排應遵循以下原則：最短距離連線要求。盡量縮短

元器件相互間的布線距離；盡量縮短高頻信號的布線距離與區(qū)域；高頻信號的輸儀表入、輸出盡量靠近；盡量縮短與產生電磁干擾信號相關的布線距離；同時應為高儀表頻信號提供一條低阻抗（最小環(huán)路區(qū)域）信號返回路程：在高頻信號線兩邊布上地儀表線，可為其它信號提供屏蔽。
二、電源、地線設計
a）地線設計
地線是信號電流或電源電流的返回路程。地線只要存在阻抗，就會產生信號儀表壓降，形成噪聲。這些噪聲對于與該地線有關的電路要形成干擾。通常，有共地儀表阻抗形成的干擾。
在具體的地線設計中，信號地可分為單點接地、多點接地和混合接地。單點儀表接地防止共地阻抗干擾，適合于低頻信號；多點接地使地線盡可能短，以降低高儀表頻阻抗和輻射能力，多用于高頻系統(tǒng)；混合接地要保證單點接地的同時，有高頻儀表電容接地通道。
PCB上地線設計的原則是：最小的阻抗、最小的回路面積以及最小的公共儀表阻抗。雙層板的地線網格設計中，由于PCB不可能設置地線層，所以設置地線儀表網格則是雙層板中地線設計的最佳方案。它提供了類似地線層效果，可縮小環(huán)路儀表面積，并將地線阻抗降至最低。在PCB的一面水平布線，另一面垂直布線，在儀表地線交錯處通過過孔相連，形成網格，網格面積宜小，最好不要超過1平方英寸。
釆用這樣的網格地線后，信號在板上任何區(qū)域上的返回路徑不超過0.5英寸（25.4mm）。
b）電源設計
在PCB上除了應將模擬電路和數(shù)字電路分開布置外，在供電上也要分別獨儀表立供電，以防止數(shù)字電路噪聲對模擬電路的干擾。電源布線設計應盡可能使電源儀表線布在地線上（下）層或近旁。這有利于將電源線中的噪聲回送到地線上，有于減儀表少噪聲的輻射環(huán)路區(qū)域。如果采用鐵氧體或傳感器等濾波器來降低供電線路上的儀表噪聲，必須讓它們非常接近MCU引腳，才能在抑制MCU噪聲，以及避免噪聲儀表傳至PCB線跡上。
c）產品地線設計
作為一個電子產品應有一個完整的地線系統(tǒng)，產品內部無論是主板、面板、儀表電源板、I/O接口、伺服驅動板都有許多接地點，但所有接地點都應有相同的儀表地電平，即最終這許多接地點都要連在一起。在主線路板上數(shù)字電路、模擬電路儀表和大功率開關電路都有獨立的地線及地線引出端，它們和系統(tǒng)的輸入/輸出通道儀表地線分別與電源系地相連*而且該點還與機殼及電源屏蔽線相連。
三、去耦設計
數(shù)字系統(tǒng)中總是產生和傳遞各種脈沖信號波形，這些波形都由一個基波和許儀表多高次諧波組成。當脈沖信號邊沿很陡時,會有很高的高次諧波，⑵這時，任儀表何一個與之相連的PCB線跡、元器件及連接物都可成為輻射天線。而相鄰的線儀表跡、元器件也可通過輻射或電容耦合接收這些高頻噪聲干擾，數(shù)字系統(tǒng)中最主要儀表的數(shù)字噪聲是數(shù)字集成電路運行的電源電流瞬變噪聲，因此，首先要解決電源去儀表耦設計。如果不采取去耦措施，即在電源和地端并接去耦電容來吸收這個尖峰瞬儀表變電流，就會對系統(tǒng)形成電磁干擾。通常加去耦電容，其容值為0.01PF。對于儀表一個數(shù)字系統(tǒng)，由于總線切換而產生的瞬變電流是很大的，另外，通過電源也會儀表引入一些高頻噪聲，因此，常在數(shù)字系統(tǒng)的電源入口處并接一個W-lOOuF的儀表電容來進一步去耦。
在信號輸入的條件下，對所有的輸入輸出端采用LC電路去耦，特別對無屏儀表蔽的輸入輸出線更為重要。在信號線上可使用RC低通濾波器，盡量減少帶寬。儀表例如，在放大器、比較器的輸入端與地之間并聯(lián)一個小電容（如47pF）去耦，在傳儀表感器小信號輸入到模數(shù)轉換器CS5531以前，加了一儀表RC低通濾波器，目的是濾去儀表髙頻噪聲。
在完成PCB設計的總體布置，畫好電源、地線、器件位置及去耦電容后，儀表具體布線時應遵循下列原則：
a）為了防止信號線間的干擾，無論是多層板還是雙層板，相鄰層的信號線儀表應按相互垂直布線。
b）電源線和地線應盡量粗些。所有未使用空間都設計成地線平面，以減少地線阻抗。
c）數(shù)字系統(tǒng)的的每條信號線應盡量靠近地線，以減少噪聲阻抗。然而，對于大量的地址線，數(shù)據(jù)線來說，不可能都滿足這一要求，則盡可能安排好低位地儀表址線、數(shù)據(jù)線。
d）全部布線設計完畢后，再次檢査地線，將地線盡量加粗，特別是較細的地線。
2.2電源干擾的抑制
除強電被控設備外，控制器的各個單元都需要直流電源供電。是由市電電網儀表的交流電經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后向系統(tǒng)提供直流電源。由于變壓器的初儀表級繞組接在市電電網上，電網上的各種干擾便會引入系統(tǒng)。因此，交流電源既是儀表計算機使用的電源，又是一個嚴重污染的干擾源。這種污染通過設備的電源線傳儀表入系統(tǒng)的內部，對計算機產生影響。除此之外，由于電源共用，各電子設備之間儀表通過電源也會產生相互干擾。
根據(jù)工程統(tǒng)計分析，微機系統(tǒng)有70%的干擾是通過電源耦合進來的。因此,儀表提高電源系統(tǒng)的供電質量，對確保系統(tǒng)安全可靠運行是非常重要的。電源抗干擾儀表的基本途徑有以下幾點：
a）采用交流穩(wěn)壓器.當電網電壓波動范圍較大時，應使用交流穩(wěn)壓器.若釆用磁飽和式交流穩(wěn)壓器，對來自電源的噪聲干擾也有很好的抑制作用。    :
b）電源濾波器。交流電源引線上的濾波器可以抑制輸入端的瞬態(tài)干擾。直流電源的輸出也接入電容濾波器，以使輸出電壓的紋波限制在一定范圍內，并能抑儀表制數(shù)字信號產生的脈沖干擾。
c）在要求供電質量很高的特殊情況下，可以釆用發(fā)電機組或逆變器供電，如采用在線式UPS不間斷電源供電，
d）電源變壓器釆取屏蔽措施。利用幾毫米厚的高導磁材料（如坡莫合金）將變壓器嚴密的屏蔽起來，以減少漏磁通的影響。
e）在每塊印刷電路板的電源與地之間并接去耦電容，即5—10uF的電解電容儀表和一個0.01-0,19的電容，這可以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾。
f）釆用分立式供電。整個系統(tǒng)不是統(tǒng)一變壓、濾波、穩(wěn)壓后供各單元電路使用，而是變壓后直接送給各單元電路的整流、濾波、穩(wěn)壓。這樣可以有效地消除儀表各單元電路間的電源線、地線間的耦合干擾，又提高了供電質量，增大了散熱面儀表積。
g）分類供電方式“把空調、照明、動力設備分為一類供電方式，把微機及其儀表外設分為一類供電方式，以避免強電設備工作時對微機系統(tǒng)的干擾。
在本控制器的設計中，市電經交流穩(wěn)壓器后，采用分立式供電，通過穩(wěn)壓、儀表濾波后供各單元電路使用。同時，由于傳感器將非電物理量轉換成微弱電信號時,儀表其供電電源精度對轉換后的輸出信號影響極大，單獨供應一組±15V電源。
2.3傳感器外部噪聲干擾的抑制
傳感器最大的外部噪聲源是連接在交流電源上的電動機、電焊機等產生電火花的機器以及繼電器、電磁閥門等°這些噪聲源通過電容、電磁耦合對傳感器形成干擾。測量電路往往是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。數(shù)字電路工作電流的變化也會影響模擬電路而產生噪聲，因而測控裝置的配線技術是首先要考慮的。對于靜電感應噪聲，可在信號線或箱體上包一層金屬導體屏蔽層，并將屏蔽層端點接地，對于電磁感應噪聲，配線時應盡量使信號線遠離強電線，以減小互感，減小電磁感應噪聲；為了降低電磁感應噪聲，信號電纜還可用金屬導體層來屏蔽,并且使屏蔽層端點接地除此之外，還釆用雙絞信號線，它對抑制噪聲也很有效,因為它們產生方向相反的感應電壓，所產生的磁通相互抵消。抑制外部噪聲對傳感器的干擾，也可釆用物理隔離，即對小信號低電平的隔離，傳感器及其信號連線應盡量遠離高電子大功率的導線和元器件（如變壓器），以減少噪聲和電磁場的干擾。為了實行物理隔離，即使同一設備內部也應當把這兩類信號導線分開走線。遠距離走線時，更應注意把信號電纜和功率電纜分開，并保持一定的距離◎必要時還可以用鋼管或金屬蛇皮管把它們分別套起來，以增加屏蔽效果。
 

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