第9章 计算机控制系统中的抗干扰技术 ● 本章的教学目的与要求
掌握各种干扰的传播途径与作用方式以及软硬件抗干扰技术。
● 授课主要内容
● 干扰的传播途径与作用方式
● 软硬件抗干扰技术
● 主要外语词汇
● 重点、难点及对学生的要求
说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容
●
● 干扰的类型*** 干扰的传播途径***☆
● 各类干扰的抑制方法***
● 辅助教学情况
多媒体教学课件（POWERPOINT ）
● 复习思考题
● 干扰的类型
●
● 干扰的传播途径 各类干扰的抑制方法
● 参考资料
刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义
干扰是客观存在的，研究抗干扰技术就是要分清干扰的来源，探索抑制或消除干扰的措施，以提高计算机控制系统的可靠性和稳定性。
9.1 干扰的传播途径与作用方式
干扰是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。产生干扰信号的原因称为信号源。干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。
9.1.1 干扰的来源
1．外部干扰
2．内部干扰
9.1.2 干扰传播途径
干扰传播途径主要有：静电耦合、磁场耦合、公共阻抗耦合。
1. 静电耦合
静电耦合是通过电容耦合窜入其他线路的。
2. 磁场耦合
在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰，它是通过导体间互感耦合进来的。
3公共阻抗耦合
公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。
9.1.3 干扰的作用方式
按干扰作用方式的不同，可分为串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。
1. 串模干扰
串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统
.
图9.6 串模干扰示意图 图9.7 共模干扰示意图
产生串模干扰的原因主要有分布电容的静电耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，50Hz 工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。
2. 共模干扰
共模干扰是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压，可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。
图9.8 两种输入方式时共模电压的引入
(a) 单端对地输入方式 (b) 双端不对地输入方式
3. 长线传输干扰
在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。对于高速信号传输的线路，即在高频信号电路中，多长的导线可作为长线，取决于电路信号频率的大小，在有些情况下，可能1米左右的线就应作为长线看待。
9.2 硬件抗干扰技术
9.2.1电源系统的抗干扰技术
1. 供电方式
为了防止产生电源干扰，计算机控制系统的供电一般由图9.9所示结构。
图9.9 计算机控制系统的供电方式
2. 尖峰脉冲干扰的抑制
抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器) ；在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。
3. 掉电保护
过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。为此，计算机系统应加装UPS （不间断电源），或增加电源电压监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。对于没有使用UPS 的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM 中的信息丢失，经常采用镍电池对RAM 进行数据保护。图9.12所示为一种掉电保护电路。系统电源正常时，VD1导通，VD2截止，RAM 由主电源（＋5V ）供电。系统掉电后，A 点电位低于电池电压，VD2导通，VD1截止，RAM 由备用电池供电。
图9.12 掉电保护电路
4. 直流侧的抗干扰措施
电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。
（1）去耦法
（2）增设稳压块法
9.2.2接地系统的抗干扰技术
计算机控制系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。
1. 地线系统分析
在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。
模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场相连。因此，必须认真对待模拟地。
数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。
系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连，如图9.14所示。
图9.14 分别回流法接地示意图 图9.15 单点接地与多点接地
交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易有几伏甚至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许与上述几种地相连，而且，交流电源变压器的绝缘性要好，要避免漏电现象。
2. 输入系统的接地
在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。输入信号源有接地和浮地两种情况。图9.16（a ）中，信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地。图9.16（b ）中，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地。这种接地方式是为了避免流过屏蔽层的电流通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。一般输入信号比较小，而模拟信号又容易受到干扰。因此，对输入系统的接地和屏蔽应格外重视。
图9.16 输入接地方式
3. 主机系统的接地
为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M Ω，即机内信号地浮地。
图9.17 主机与外部设备的一点接地方式
9.2.3过程通道的抗干扰技术
1. 共模干扰的抑制
共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。
2. 串模干扰的抑制
串模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对串模干扰的抑制较为困难。对串模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。
（1）对于来自空间电磁耦合所产生的串模干扰，可采用双绞线作为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。
（2）根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，串模信号往往比被测仪器变化快。故在A/D转换器前采用低通滤波器，如选用无源RC 滤波电路，或采用有源低通滤波器，都可以较好的对其滤除。
（3）当对称性交变的串模干扰电压或尖峰型串模干扰成为主要干扰时，选用积分式或双积分式A/D转换器可以消弱串模干扰的影响。因为这种转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以，对于尖峰型串模干扰具有抑制作用；对称性交变的串模干扰，可在积分过程中相互抵消。
（4）当被测信号与干扰信号的频谱相互交错时，通常的滤波电路很难将其分开，可采用调制解调器技术。选用远离干扰频谱的某一特定频率对信号进行调制，然后再进行传输，传输途中混入的各种干扰很容易被滤波环节滤除，被调制的被测信号经硬件解调后，可恢复原来的有用信号频谱。
3. 长线传输干扰的抑制
长线传输干扰主要是空间电磁耦合干扰和传输线上的波反射干扰。
（1）采用同轴电缆或双绞线作为传输线
（2）终端阻抗匹配
（3）始端阻抗匹配
9.3 软件抗干扰技术
9.3.1数字滤波
数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的功能。
9.3.2数字信号的软件抗干扰措施
1. 输入数字信号的抗干扰
在满足实时性要求的前提下，应根据信号的特点，适当地设置各次采集数字信号之间的延时，以适应不同宽度的干扰信号。对于每次采集的最高次数限额和连续相同次数均可按实际情况适当调整。如果数字信号超过8个，可按8个一组进行分组处理。
2. 输出数字信号的抗干扰
在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：
（1）重复输出同一数据。在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。
（2）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分配器和功率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。
（3）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。因为在干扰作用下，这些芯片的编程状态有可能发生变化。为了确保输出功能正确实现，输出功能模块在执行具体的数据输出之前，应该先执行芯片的编程指令，再输出有关数据。
（4）采用抗干扰编码。按一定规约，将需传输的数据进行编码，在智能接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。
9.3.3 CPU的抗干扰技术
1．复位
2．掉电保护
3．指令冗余
4．软件陷阱
5．Watchdog 技术
第9章 计算机控制系统中的抗干扰技术 ● 本章的教学目的与要求
掌握各种干扰的传播途径与作用方式以及软硬件抗干扰技术。
● 授课主要内容
● 干扰的传播途径与作用方式
● 软硬件抗干扰技术
● 主要外语词汇
● 重点、难点及对学生的要求
说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容
●
● 干扰的类型*** 干扰的传播途径***☆
● 各类干扰的抑制方法***
● 辅助教学情况
多媒体教学课件（POWERPOINT ）
● 复习思考题
● 干扰的类型
●
● 干扰的传播途径 各类干扰的抑制方法
● 参考资料
刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义
干扰是客观存在的，研究抗干扰技术就是要分清干扰的来源，探索抑制或消除干扰的措施，以提高计算机控制系统的可靠性和稳定性。
9.1 干扰的传播途径与作用方式
干扰是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。产生干扰信号的原因称为信号源。干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。
9.1.1 干扰的来源
1．外部干扰
2．内部干扰
9.1.2 干扰传播途径
干扰传播途径主要有：静电耦合、磁场耦合、公共阻抗耦合。
1. 静电耦合
静电耦合是通过电容耦合窜入其他线路的。
2. 磁场耦合
在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰，它是通过导体间互感耦合进来的。
3公共阻抗耦合
公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。
9.1.3 干扰的作用方式
按干扰作用方式的不同，可分为串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。
1. 串模干扰
串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统
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图9.6 串模干扰示意图 图9.7 共模干扰示意图
产生串模干扰的原因主要有分布电容的静电耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，50Hz 工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。
2. 共模干扰
共模干扰是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压，可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。
图9.8 两种输入方式时共模电压的引入
(a) 单端对地输入方式 (b) 双端不对地输入方式
3. 长线传输干扰
在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。对于高速信号传输的线路，即在高频信号电路中，多长的导线可作为长线，取决于电路信号频率的大小，在有些情况下，可能1米左右的线就应作为长线看待。
9.2 硬件抗干扰技术
9.2.1电源系统的抗干扰技术
1. 供电方式
为了防止产生电源干扰，计算机控制系统的供电一般由图9.9所示结构。
图9.9 计算机控制系统的供电方式
2. 尖峰脉冲干扰的抑制
抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器) ；在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。
3. 掉电保护
过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。为此，计算机系统应加装UPS （不间断电源），或增加电源电压监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。对于没有使用UPS 的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM 中的信息丢失，经常采用镍电池对RAM 进行数据保护。图9.12所示为一种掉电保护电路。系统电源正常时，VD1导通，VD2截止，RAM 由主电源（＋5V ）供电。系统掉电后，A 点电位低于电池电压，VD2导通，VD1截止，RAM 由备用电池供电。
图9.12 掉电保护电路
4. 直流侧的抗干扰措施
电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。
（1）去耦法
（2）增设稳压块法
9.2.2接地系统的抗干扰技术
计算机控制系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。
1. 地线系统分析
在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。
模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场相连。因此，必须认真对待模拟地。
数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。
系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连，如图9.14所示。
图9.14 分别回流法接地示意图 图9.15 单点接地与多点接地
交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易有几伏甚至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许与上述几种地相连，而且，交流电源变压器的绝缘性要好，要避免漏电现象。
2. 输入系统的接地
在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。输入信号源有接地和浮地两种情况。图9.16（a ）中，信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地。图9.16（b ）中，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地。这种接地方式是为了避免流过屏蔽层的电流通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。一般输入信号比较小，而模拟信号又容易受到干扰。因此，对输入系统的接地和屏蔽应格外重视。
图9.16 输入接地方式
3. 主机系统的接地
为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M Ω，即机内信号地浮地。
图9.17 主机与外部设备的一点接地方式
9.2.3过程通道的抗干扰技术
1. 共模干扰的抑制
共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。
2. 串模干扰的抑制
串模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对串模干扰的抑制较为困难。对串模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。
（1）对于来自空间电磁耦合所产生的串模干扰，可采用双绞线作为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。
（2）根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，串模信号往往比被测仪器变化快。故在A/D转换器前采用低通滤波器，如选用无源RC 滤波电路，或采用有源低通滤波器，都可以较好的对其滤除。
（3）当对称性交变的串模干扰电压或尖峰型串模干扰成为主要干扰时，选用积分式或双积分式A/D转换器可以消弱串模干扰的影响。因为这种转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以，对于尖峰型串模干扰具有抑制作用；对称性交变的串模干扰，可在积分过程中相互抵消。
（4）当被测信号与干扰信号的频谱相互交错时，通常的滤波电路很难将其分开，可采用调制解调器技术。选用远离干扰频谱的某一特定频率对信号进行调制，然后再进行传输，传输途中混入的各种干扰很容易被滤波环节滤除，被调制的被测信号经硬件解调后，可恢复原来的有用信号频谱。
3. 长线传输干扰的抑制
长线传输干扰主要是空间电磁耦合干扰和传输线上的波反射干扰。
（1）采用同轴电缆或双绞线作为传输线
（2）终端阻抗匹配
（3）始端阻抗匹配
9.3 软件抗干扰技术
9.3.1数字滤波
数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的功能。
9.3.2数字信号的软件抗干扰措施
1. 输入数字信号的抗干扰
在满足实时性要求的前提下，应根据信号的特点，适当地设置各次采集数字信号之间的延时，以适应不同宽度的干扰信号。对于每次采集的最高次数限额和连续相同次数均可按实际情况适当调整。如果数字信号超过8个，可按8个一组进行分组处理。
2. 输出数字信号的抗干扰
在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：
（1）重复输出同一数据。在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。
（2）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分配器和功率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。
（3）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。因为在干扰作用下，这些芯片的编程状态有可能发生变化。为了确保输出功能正确实现，输出功能模块在执行具体的数据输出之前，应该先执行芯片的编程指令，再输出有关数据。
（4）采用抗干扰编码。按一定规约，将需传输的数据进行编码，在智能接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。
9.3.3 CPU的抗干扰技术
1．复位
2．掉电保护
3．指令冗余
4．软件陷阱
5．Watchdog 技术