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可靠性是微機控制系統(tǒng)的重要性能指標 ,它由多種因素決定。 微機控制系統(tǒng)所在現(xiàn)場的各種干擾是影響可靠性的主要因素。 干擾源有多種 ,干擾會影響傳送信息的正確性 ;擾亂程序的正常運行 ,使程序“飛走”或進入死循環(huán) ,還可能損壞微機的元器件。 干擾是微機控制系統(tǒng)必須認真對待的問題。

1 　 硬件抗干擾技術(shù)

1. 1 　 電源

微機所用的電源一般都由電網(wǎng)的工頻交流電源經(jīng)降壓、整流等環(huán)節(jié)后提供。 由于電網(wǎng)的影響以及生產(chǎn)現(xiàn)場大容量電氣設(shè)備開停 ,會使交流電壓含有高頻成分、浪涌電壓、尖脈沖或發(fā)生較大幅度的波動 ,這種干擾通過電源途徑影響微機系統(tǒng)的正常工作。 抑制交流電源的干擾 ,除了使微機電源盡量與大容量用電設(shè)備分別供電外 ,還經(jīng)常采用濾波、屏蔽、隔離、穩(wěn)壓等措施。

( 1)采用濾波和屏蔽
低通濾波器由電感和電容組成 ,它對工頻交流電的阻抗很小 ,而對于高頻干擾信號具有很強的抑制作用。濾波器加屏蔽外殼 ,并使之良好接地。 濾波器的進線端和出線端要離開一定距離 ,或采用屏蔽線以防止感應和輻射耦合。 電源變壓器采用雙屏蔽形式 ,一次和二次繞組分別加屏蔽層 ,并分別接地。 一次屏蔽層接專用地線 ,二次屏蔽層接即微機系統(tǒng)地。 這樣可阻斷高頻干擾信號經(jīng)變壓器的一、二次側(cè)之間的耦合電容傳播到微機系統(tǒng) ,另外可以消除靜電感應。
( 2)采用隔離和交流穩(wěn)壓措施

對于要求較高的系統(tǒng) ,可在上述交流供電線路的基礎(chǔ)上 ,再增加隔離和交流穩(wěn)壓措施 。隔離變壓器的電壓比等于 1,它做成雙屏蔽形式。 隔離變壓器的作用是阻止浪涌電壓和尖脈沖通過 ,其屏蔽層能抑制高頻干擾和靜電感應作用。 交流穩(wěn)壓器用于補償電網(wǎng)電壓的波動 ,其穩(wěn)壓精度并不需要太高 ,但要求它工作可靠且要有較快的響應速度。

( 3)采用分散的直流供電方式

為了提高微機直流電源系統(tǒng)的供電可靠性 ,可以各模板分別設(shè)置直流穩(wěn)壓電源 ?，F(xiàn)有多 種規(guī)格的三 端集成穩(wěn) 壓塊 ,型 號為78 ××或 79 ×× ,能方便地用來組成直流穩(wěn)壓電源。 采用各自獨立供電還能消除相互之間通過電源產(chǎn)生的干擾。
( 4)采用高抗干擾穩(wěn)壓電源和干擾抑制器

( 5)信號線不能與交流電源并行敷設(shè) ,盡量遠離交流電源線和大功率電氣設(shè)備。

1. 2 　 模擬量輸入通道

( 1)對常態(tài)干擾的抑制

常態(tài)干擾是疊加在測量信號上的干擾信號。 這種干擾信號一般是頻率較高的雜亂的交變信號 ,其來源可能是傳感器電路或傳輸線。

抑制常態(tài)干擾的方法有:

a. 在輸入電路中接入濾波器。常用雙 T濾波器。 這是種帶通濾波器 ,對于高頻和低頻干擾均有抑制作用。
b. 采用雙積分式 A /D轉(zhuǎn)換器 ,由于其積分工作的特點 ,具有一定的消除高頻干擾的作用。

c. 接入光耦合器能有效地阻斷噪聲的傳送。

d. 將電壓信號傳送改為用電流信號傳送方式能提高抗干擾能力。采用4 ～ 20mA電流傳送信號 ,在進入 A/D轉(zhuǎn)換器之前在于 250Ω電阻上產(chǎn)生 1 ～ 5V的電壓信號。
( 2)對共模干擾的抑制

共模干擾是指信號的兩根線上共有的干擾信號 ,是由于被測信號的接地端與微機系統(tǒng)的接地端之間存在一定的電位差而引起的。

抑制共模干擾的方法有:

· 采用雙端輸入的差動放大器 ,這種放大器具有很高的共模抑制比。

· 采用隔離方法消除不適當?shù)墓驳貛淼墓材８蓴_ ,如使用帶有光電隔離的測量放大器。 如果信號傳送距離長可以采用頻率信號形式傳送 ,便于實行光電隔離。

1. 3 　 傳輸線

在微機控制系統(tǒng)中 ,從被測信號處和執(zhí)行機構(gòu)微機都有可能有相當長的距離。 由于受空間電磁場的影響 ,會從這些傳輸線給微機系統(tǒng)帶來干擾。 消除這種干擾的措施有:

( 1)敷設(shè)線路時要使被測信號線、控制信號線與交流電源線、電氣設(shè)備驅(qū)動線、大功率電氣設(shè)備離開一定距離。

( 2)信號線使用雙絞線 ,使空間電磁場一個個小環(huán)路中產(chǎn)生的感應電動勢相互抵消;另外還可以采用屏蔽線或?qū)⑿盘柧€穿入金屬管 ,屏蔽層或金屬管的一端良好接地。

( 3)通過光耦合器將長線“浮置”起來 。 這樣能有效地消除從傳輸線帶入微機的干擾。
( 4)為了避免信號失真 ,對于長線傳輸要注意阻抗匹配。 阻抗匹配的方法有:

a. 終端并聯(lián)阻抗;

b. 始端串聯(lián)阻抗;

c. 終端并聯(lián)隔直阻抗;

d. 終端接鉗位二級管
1. 4 　 接地系統(tǒng)

微機系統(tǒng)中的接地是一個重要問題 ,不適當?shù)慕拥貢纬僧a(chǎn)生干擾的回路 ,而正確的接地能消除干擾 ,關(guān)鍵是對于不同的地要有不同的處理方法。

( 1)微機系統(tǒng)的地與信號地、功率地必須分開 ,也避免干擾信號通過地線傳入微機。信號地與功率地也要分開 ,以免影響被測信號。

( 2)數(shù)字地與模擬地必須區(qū)分開 ,且只在一點相連 ,否則兩種回路會相互影響。

( 3)長傳輸線的屏蔽層應一端接屏蔽地。屏蔽地都接到機柜 ,然后單獨接大地。

( 4)當有多個元器件要接在同一地線上時 ,這些元器件應多點就近接地還是統(tǒng)一接地? 在低頻 ( < 1M Hz)電路中 ,因元件和布線的電感不大 ,為減小地線環(huán)路造成的干擾 ,常采用一點接地。 在高頻 (> 10MHz)電路中 ,元件和布線的電感和分布電容將造成各接地線之間的耦合 ,為縮短接地線 ,采用多點就近接地。 當頻率為 1 ～ 10M Hz之間時 ,如采用一點接地 ,其地線長度不應超過波長的 1/20,否則應采用多點接地。

2 　 軟件抗干擾技術(shù)

2. 1 　 消除數(shù)據(jù)采集的干擾誤差

( 1)算術(shù)平均法: 對每一點的數(shù)值連續(xù)采樣多次 (一般取 3 ～ 5次 ) ,計算其平均值 ,以此平均值作為該點的采樣結(jié)果。 這種方法可以減小系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。

( 2)比較取舍法: 這種方法用來剔除采樣數(shù)據(jù)中較大的偏差。 具體做法是對每個采樣點連續(xù)采樣幾次 ,根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律 ,確定舍取辦法來剔除偏差數(shù)據(jù)。例如 ,對每個采樣點連續(xù)采樣 3次 ,取其中 2次相同數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。

(3)中值法: 對一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣 N次(一般 N為奇數(shù) ) ,把 N次的采樣值依大小次序排列 ,取其中間值作為該點的采樣結(jié)果。中值濾波對于偶然因素造成的波動或采樣器件不穩(wěn)定所引起的脈動干擾比較有效。

( 4)一階遞推數(shù)字濾波法: 這種方法是利用軟件完成 RC低通濾波器的算法 ,代替硬件 RC濾波 ,計算公式為:

Y K = ( 1- α ) Y K- 1 + α X K

式中 ,X K 為第 K次采樣值; Y K- 1 為第 ( K- 1)次濾波結(jié)果輸出值; Y K 為第 K次濾波結(jié)果輸出值;α 為濾波平滑系數(shù):

α ≈ T /τ

式中 ,τ 為 RC濾波器時間常數(shù); T為采樣周期。

2. 2 　 確保正?？刂茽顟B(tài)

( 1)對于開關(guān)量的輸入 ,為了確保信息無誤 ,在軟件中可采取重復讀入的方法 (至少兩次 )。 認為無誤后再輸入。 開關(guān)量輸出時 ,應將輸出量回讀 (要有硬件配合 ) ,以便確認輸出無誤。

( 2)采用軟件冗余方法。 在條件控制系統(tǒng)中 ,對于控制條件的一次采樣、處理、控制輸出改為循環(huán)地采樣、處理、控制輸出。 這種方法對于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因素干擾的作用。

( 3)設(shè)置當前輸出狀態(tài)寄存單元。 當干擾侵入輸出通道破壞輸出狀態(tài)時 ,系統(tǒng)以及時查詢該寄存單元的輸出狀態(tài)信息 ,以便及時糾正輸出狀態(tài)。

2. 3 　 程序運行失常后的恢復

( 1)設(shè)置軟件陷阱: 這種方法是在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施。當 PC失控、程序“飛走”進入非程序區(qū)時 ,使程序進入陷阱 ,從而迫使程序返回初始狀態(tài)。

( 2)設(shè)置時間監(jiān)視器: 設(shè)置軟件陷阱能解決一部分程序失控問題 ,但當程序失控后進入某種死循環(huán)時 ,軟件陷阱可能不起作用。 使程序從死循環(huán)中恢復到正常狀態(tài)的有效方法是設(shè)置時間監(jiān)視器。 定時時間稍大于正常執(zhí)行一次程序循環(huán)所需的時間。 當程序未受到干擾時 , CPU定時輸出脈沖信號 ,使時間監(jiān)視器復位 ,重新計時 ,即重新監(jiān)視。 一旦程序受到干擾 ,飛走而陷入死循環(huán)就沒有復位脈沖信號加到時間監(jiān)視器上。 時間監(jiān)視器便連續(xù)計時 ,直到超出定時范圍 ,輸出一個信號。

利用這一信號 ,可以使程序恢復到初始狀態(tài) ,重新啟動。

3 　 結(jié)束語

工業(yè)控制計算機工作在生產(chǎn)現(xiàn)場 ,各種電氣設(shè)備的頻繁起停造成的高低頻電磁干擾和大幅度電網(wǎng)電壓波動都直接影響計算機的正常運行。 另外 ,生產(chǎn)現(xiàn)場還可能存在振動、粉塵以及濕度、溫度等問題。 因此 ,微機控制系統(tǒng)必須具有很強的抗干擾能力和適應環(huán)境的能力 ,以保證在惡劣的環(huán)境下正常工作。

 

作者：皇禎平

 

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