关键词：微型计算机；控制系统；干扰源；抗干扰措施
中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1674-114511-0167-02
一、概述
随着微型计算机系统的不断发展和完善,越来越多的微型计算机被用于工业过程的实时控制,由于控制系统本身比较复杂,加之现场使用环境较恶劣,使得用于实时控制的微型计算机系统容易受到各种干扰的影响。
所谓干扰即为有用信号以外的噪声或造成恶劣影响的变化部分的总称。例如：在控制系统中,指令信号以外的电变化使批示或指令工作失常；计数器由于干扰脉冲而错乱计数；由于冲击电压等其他原因使机器不能正常工作等等。
干扰的来源一般可分为内部因素和外部因素两种,内部因素是由系统结构布局、生产工艺等决定的,包括机器本身的设计工艺、结构、调试等因素,如元件选择和使用不当、电路结构设计不合理、质量控制不严、调试不良等。外部的因素是指与系统结构无关而由使用条件和外界环境因素决定的,如机械振动、冲击、电器方面的电压稳定性、接地情况、雷击、静电及大电机、变压器功率开关等。
由于上述种种因素的存在,要保证微型计算机系统能长期稳定、可靠地工作,在系统设计时必须对抗干扰能力予以足够的重视。
二、抗干扰措施
对不同的干扰源因地制宜地采取不同的行之有效的措施是抗干扰的根本方法,下面具体地淡谈计算机控制系统的抗干扰措施。
电网对微机系统的干扰及其抑制方法
计算机系统若想稳定运行,为系统提供优质的电源是关键。交流电源线上的各种干扰噪声有时单独出现,有时几种同时出现,除由于自然原因或人为原因所造成的停电事故外,负荷切换引起的高频噪声及浪涌电压,对微机控制系统的影响和危重相当大。这种高频电压迭加在50Hz的电网电压上,其幅值可达电网电压的几倍至十几倍,频率达几百周甚至几兆周。抑制交流电网干扰可采取以下措施：
1.输入电源与强电设备动力线分开。微机控制系统所使用的交流电源要同接有强电设备的动力线分开,这样可以减轻干扰的影响。
2.采用避雷针等防雷击装置。微机应用系统所在的建筑物要设防雷击装置,如安装避雷针或避雷器。另外,当线路附近发生雷击时,线路上感应电荷迅速移动和消失时产生的浪涌电压可达4×106V,破坏性很强,抑制办法是对线路或设备设置静电屏蔽。此项措施对一般的微机控制系统可不予考虑。
3.设置噪声滤波器。低通滤波器是无源四端网络,电源通过它后可保留直流分量和低于其截止频率f0的谐波,而高于f0的谐波则被滤掉。它能抑制电源的高频、脉冲噪声。一般情况下,计算机本身都具有此装置,当采用组件自行设计和装配专用微机应用系统时,必须在电源输入端另外配接该装置,若噪声较强可采用二级滤波器。
4.设置隔离变压器。带多重屏蔽的隔离变压器能有效地抑制浪涌噪声和中频噪声,现在多采用三重屏蔽变压器,一次侧屏蔽层接大地,可有效抑制对地感应噪声；二次侧屏蔽层接系统地。实践证明这样可以使电网中的脉冲浪涌和高频噪声降低到原来的60％－70％。
5.配备不间断电源。UPS可以克服瞬时停电和瞬时电压下降引起的干扰,可靠高效地向系统提供优质电能,在正常时,UPS直接向负载供电,当停电时,UPS内部蓄电池组通过逆变器向负载供电。
但在较大的计算机中心的机房或较大的用于工业控制的计算机系统中,由于要求供电质量高,特别是短暂停电时,也要求能正常运行,同时在连续停电时,要有足够充裕的时间来进行程序保护,为达到这些要求,可采用UPS来为系统提供连续的供电电源。
微机应用系统电源的可靠性
直流稳压电源是微机应用系统的一个重要组成部分。其运行可靠与否,对抗干扰问题是至关重要的。
1.选用稳定可靠、脉动小且波形好的直流稳压电源,电源容量要有一定的余量,一般选取所需容量的1.5倍以上。
2.共电源阻抗及其克服。共电源阻抗是产生共电源噪声的根本原因。由于电源是公用的,因此,任何一个电路工作状态或负载的变化,都可能对另一个电路的工作电压产生影响,造成这种共电源噪声的根本原因是由于存在着公共阻抗。
克服共电源噪声一般可采用以下措施：设计或选用内阻低的稳压电源,且容量要在1.5倍以上；电源引线要短而粗。以降低阻抗；微处理器接口电路以及灯、继电器等要用不同的稳压电源或整流电源供电,以免线路公用。
微型计算机系统的接地
接地设计的两个基本目的是消除电路电流流经一公共地线阻抗时产生噪声电压及避免磁场和地位差的影响形成地环路,如接地方式处理不好,就会形成地环路,造成噪声耦合。
1.共接地阻抗。当许多电路共地时,存在着共接地阻抗,它也会引起噪声干扰。减少共接地阻抗的措施：接地线要短而粗,以减小接地阻抗；要避免功率电路和弱信号电路共用地线；要尽量避免不同电路的电流流经公用地线。
2.信号线接地和机柜接地的连接。在微机应用系统中,若SG与FG连接不当也常常引起噪声危害。将sc与FG断开,即把装置的公共接地点悬空,这种悬浮地系统,对于抑制由电器耦合而形成的静电感应噪声有较好效果。有些装置将SG与FG连起以使动作稳定,针对这种情况,可采用光耦合元件或变压器隔离的方法来避免形成闭环路。
3.接地原则：一点接地与多点接地的原则。低频电路应遵循“一点接地”的原则,采用放射式或干线式。工作频率超过30MHZ的高频电路应采用平面式多点接地,各部分就近接到一导电平面。
交流地与信号地不能共用,因为在一段电源电线的两点间会有数毫伏甚至几伏电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因而要加以预防。
输入/输出通道的抗干扰措施
输入、输出通道是微机应用系统的重要组成部分,同时也是影响系统可靠性的关键环节。因此,对输入、输出通道的抗干扰措施,必须予以足够的重视。
1.长线传输干扰的排除。计算机控制系统是一个由传感器到执行机构的庞大自动控制系统,起主导作用的计算机不但要接收从传感器等检测仪表发来的信息,而且要将控制命令送往执行机构,由现场到主机的连接线往往长达几十米甚至数百米,就是在中央控制器内,各种连线也往往在十几米的范围内。信息在长线上的传输很容易受外界和其他传输线的干扰,因而必须采取一系列有效措施,以提高系统的可靠性。
双绞线的使用。电磁感应噪声是磁通在一来一往的导线构成的闭环路中链接产生的,采用双绞线可以克服这种噪声。双绞线中感应电流的方向前后相反,所以就整体来看,感应相互抵消了。根据一般经验,必须使用双绞线的是：指示灯以及继电器电路等,这些电路电流一般比信号电流要大很多,而且其频率为市电频率,因而形成交流噪声的可能性极大,所以这些电路除了必须远离信号电路外,其导线要用双绞线。
长线传输过程中的串扰。计算机系统连线中横线和竖线规则排列,相邻线平行度极高,由于平行线间存在着互感和分布电容,因而进行信息传送时会产生串扰,影响系统的可靠性。消除这些干扰的主要方法：分开走线,长线传送时,功率线、载流线和信号线分开,尤其是小信号时更应如此。
2.A/D和D/A抗干扰措施。A/D和D/A转换器是较精密的测量设备,环境条件、电气条件和时间等都直接影响转换的正确程度,现场使用的转换器,首要问题就是干扰的排除。抗干扰措施：对常态噪声干扰严重的场合,可用积分或双积分式MD转换器,这种转换的是平均值,瞬间干扰和高频干扰对转换的影响较小,同时,由同一积分电路进行正反两次积分,使积分电路的非线性误差得以补偿,所以转换精度较高,动态性能好。缺点是速度慢；对共态噪声干扰,可采用电容记忆法和用屏蔽法。电容记忆法：采用这种方法,A/D转换器为工作将在脱开信号连线的情况下进行,测量的是存储在电容器上的电压,它将不受共态噪声的影响；屏蔽法：它的作用在于使噪声电压作用于屏蔽上,使线路不受噪声的干扰。
三、结 语
近些年来,自动化技术高度发展,抗干扰技术也有所提高,使微机控制设备能在现场严酷的电磁环境中长期稳定可靠地运行,本文只是粗浅地谈了些硬件设计及应用中抗干扰措施,仅供参考。
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