微机控制系统的抗干扰技术的创新
来源：UC论文网2015-11-15 16:26
摘要：
微机控制系统经常工作在环境恶劣的生产现场，会遭受各种干扰的影响。例如：卷烟机烟支重量控制系统周围存在着众多执行机构和控制设备，它们的启停和运行都会产生较大的电磁干
微机控制系统经常工作在环境恶劣的生产现场，会遭受各种干扰的影响。例如：卷烟机烟支重量控制系统周围存在着众多执行机构和控制设备，它们的启停和运行都会产生较大的电磁干扰；又如视频监控所用云台控制系统，也会受到电源波动、雷电放电等干扰的影响。由于干扰的存在，会影响被测信号的精度和程序的正常运行，严重时还会导致系统无法工作[1]。因此，在微机控制系统设计时，必须采取有效的抗干扰措施才能保证系统的可靠运行。
1 抗干扰原则
为保证微机控制系统的测控精度，必须把进入系统的干扰信号抑制到一定强度范围内，常用的抗干扰原则如下：
（1） 消除干扰源，有些干扰可通过采取一定措施予以消除，例如通过合理布线、改进焊接工艺可消除由线间感应、多点接地造成的电位差；
（2） 远离干扰源，可将微机测控系统尽量远离干扰源（如强电场、强磁场），来抑制、衰减干扰；
（3） 防止干扰进入，可采取措施切断干扰进入微机控制系统的途径，避免干扰影响[2]。
2 硬件抗干扰技术
微机控制系统的抗干扰技术包括软件、硬件抗干扰技术两方面。硬件抗干扰技术主要包括：电源系统抗干扰，I/O接口抗干扰，接地系统抗干扰等。下面重点介绍交流、直流电源抗干扰措施及I/O接口抗干扰措施。
2.1 交流电源抗干扰措施
由于大型电气设备的启停、负载变动，会造成电源电压波动和产生尖峰脉冲，而尖峰脉冲的幅值有时可达几千伏，容易造成系统“死机”，甚至损坏硬件电路[3]。为了保证交流电源的稳定性，可采取以下抗干扰措施：
（1） 使用干扰抑制器消除尖峰脉冲，避免微机系统受高频谐波影响。干扰抑制器使用时输入端接220 V交流电源，输出端接微机控制系统，电路如图1所示。图1 干扰抑制器连接电路
（2）对于要求较高的微机控制系统，可采用不间断电源供电，结构如图2所示。当电源正常时，通过交流稳压器、直流稳压器给计算机系统供电，并给电池组充电；当系统检测到电源断电时，控制开关在极短的时间内切换到电池组，通过控制器、逆变器将电池组储存的直流电逆变成交流电，经直流稳压器给计算机系统供电，避免系统受电源掉电等故障干扰。
图2 不间断电源结构图
2.2 直流电源抗干扰措施
当微机系统采用直流电源供电时，可采取以下抗干扰措施：
（1） 使用直流开关电源供电，它是一种采用脉宽调制技术制作的新型电源，与线性电源相比，具有体积小、重量轻和效率高（电源效率可达80%）等优点[4]，同时，开关电源的稳压范围宽、效果好，其初级和次级之间有较强的隔离作用，能有效抑制电网的高频干扰。
（2） 对每个系统功能模块都采用独立的直流电源供电，可防止模块之间的相互干扰，避免因某个模块电源故障导致整个系统无法工作[5]。例如：在卷烟机烟支重量控制系统中，其控制电路以TMS320LF2407A DSP为核心，于是专门设计了3.3 V直流电源为该电路独立供电，电路如图3所示。电源转换芯片选用TPS7333，输入电压5 V，输出电压3.3 V，最大输出电流500 mA。实验证明，采用3.3 V电源独立供电后，不但可以有效减小其他模块对控制电路的干扰，同时当电源欠压时，TPS7333的[RESET]引脚输出低电平，送至DSP复位端[RS]后还可以实现对控制电路的欠压保护。
2.3 I/O接口抗干扰措施
输入/输出通道是微机与现场设备交换信息的必经通路，只有对I/O接口电路采取必要的抗干扰措施，才能防止外界干扰进入微机控制系统。常用的I/O接口抗干扰措施有：
（1） 采用硬件滤波器对信号进行滤波。在信号送入微机控制系统前，先用低通滤波器滤掉干扰信号，常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器和有源滤波器等4种，电路如图4所示。
图3 3.3 V直流电源电路
图4 常用低通滤波器电路图
（2） 对于数字量、开关量信号可采用光电隔离电路进行抗干扰设计。由于光电隔离器具有输入阻抗低，输入输出间寄生电容小，绝缘电阻大等特点，使干扰很难通过光耦进入微机控制系统。同时，光耦还可消除地线环绕，提高系统抗干扰能力[6]。例如：在卷烟机烟支重量控制系统的DSP与CAN总线接口电路中，为了提高系统的抗干扰能力和降低射频干扰，在DSP与 CAN驱动器PCA82C250之间增加了高速光耦6N137，有效地保证了系统的CAN总线通信功能，电路如图5所示。
3 软件抗干扰技术
常用的软件抗干扰措施有指令冗余、设置软件陷阱和软件滤波等。
3.1 指令冗余
当微机控制系统受到干扰影响时，程序可能会“跑飞”落入用户程序区内别的位置，此时可采用指令冗余技术使程序恢复正常运行[7]。指令冗余的实现方法：在程序的某些关键位置连续插入几条单字节空操作指令NOP；当程序“跑飞”后执行NOP指令时，就可避免将操作数当作指令码执行的错误，连续执行几条空操作指令后，使后续程序恢复正常执行。
图5 DSP与CAN总线接口电路
3.2 设置软件陷阱
当程序“跑飞”进入非程序区或表格区时，无法通过指令冗余使程序恢复正常运行，此时可通过设置软件陷阱来拦截“跑飞”的程序，使程序恢复正常。软件陷阱的实现方法：在程序的关键位置或非程序区放置一条转移指令，将掉进陷阱的程序强行引入到一段错误处理程序中（设该程序入口地址为ERR），使程序重新纳入正轨运行[8]。软件陷阱由以下三条指令组成：NOP；NOP；LJMP ERR。
3.3 软件滤波
软件滤波就是用编程的方法对输入信号进行数值、逻辑运算，减少干扰在有用信号中的比重。这种滤波方法通过软件实现，不需增加硬件设备；还可针对不同信号，采用不同的滤波方法。常用的软件滤波方法有：
（1） 算术平均值滤波。对被测量连续采样[N]次，以其算术平均值作为采样值，此方法适用于信号在某一数值上下波动的情况。例如：在卷烟机烟支重量控制系统的数据采集程序中，对烟支重量的采样使用了算术平均值滤波算法，流程图如图6所示。程序先控制核扫描器打开快门，当捕获单元3中断产生后，用软件启动SEQ1触发A/D转换；若SEQ1忙状态位=0，表明A/D转换已完成，然后将转换结果右移6位存入数组AD1[[j]]中；当单支烟采够120点后，计算烟支平均重量并存入AD2[[i]]中；最后，清除CAP3中断标志并返回。实验证明，采用算术平均值滤波算法处理后的烟支平均重量能较好地反映实际烟支生产重量且重量波动小。
（2） 中值滤波。对某一被测量连续采样N次（N为奇数），并将N次采样值按大小进行排列，取中间值为采样值；此滤波方法可有效滤除脉冲性干扰，适用于对温度、液位等变化缓慢的参数进行测量[9]。
（3） 去极值平均滤波。对信号进行[N]次采样，去掉最大值和最小值，并取剩余[N-2]次采样值的平均值；此方法可消除偶然出现的脉冲干扰所引起的采样偏差 [10]。
图6 烟支重量控制系统的数据采集程序流程图
4 结 语
为了保证微机控制系统的测控精度和稳定性，在系统设计时不但要进行硬件电路设计和软件编程，还要进行系统的抗干扰设计，使干扰信号被有效地消除或抑制。本文在介绍抗干扰原则的基础上，重点讲述了微机控制系统的软、硬件抗干扰措施，并将部分措施应用于卷烟机烟支重量控制系统设计中，实验结果表明，这些软、硬件抗干扰措施是有效的、正确的。同时，在微机系统抗干扰设计时还应注意根据干扰信号的不同选择合适的抗干扰措施。
参考文献
[1] 赵家升，杨显清.电磁兼容原理与技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.
[2] 侯永春.智能仪器的抗干扰技术研究[J].电子测试，2013（4）：85?89.
[3] 海玉，陈军，钱献芬.一种单片机数据采集系统的数字滤波器设计[J].信息技术，2012（9）：175?177.
1 抗干扰原则
为保证微机控制系统的测控精度，必须把进入系统的干扰信号抑制到一定强度范围内，常用的抗干扰原则如下：
（1） 消除干扰源，有些干扰可通过采取一定措施予以消除，例如通过合理布线、改进焊接工艺可消除由线间感应、多点接地造成的电位差；
（2） 远离干扰源，可将微机测控系统尽量远离干扰源（如强电场、强磁场），来抑制、衰减干扰；
（3） 防止干扰进入，可采取措施切断干扰进入微机控制系统的途径，避免干扰影响[2]。
2 硬件抗干扰技术
微机控制系统的抗干扰技术包括软件、硬件抗干扰技术两方面。硬件抗干扰技术主要包括：电源系统抗干扰，I/O接口抗干扰，接地系统抗干扰等。下面重点介绍交流、直流电源抗干扰措施及I/O接口抗干扰措施。
2.1 交流电源抗干扰措施
由于大型电气设备的启停、负载变动，会造成电源电压波动和产生尖峰脉冲，而尖峰脉冲的幅值有时可达几千伏，容易造成系统“死机”，甚至损坏硬件电路[3]。为了保证交流电源的稳定性，可采取以下抗干扰措施：
（1） 使用干扰抑制器消除尖峰脉冲，避免微机系统受高频谐波影响。干扰抑制器使用时输入端接220 V交流电源，输出端接微机控制系统，电路如图1所示。图1 干扰抑制器连接电路
（2）对于要求较高的微机控制系统，可采用不间断电源供电，结构如图2所示。当电源正常时，通过交流稳压器、直流稳压器给计算机系统供电，并给电池组充电；当系统检测到电源断电时，控制开关在极短的时间内切换到电池组，通过控制器、逆变器将电池组储存的直流电逆变成交流电，经直流稳压器给计算机系统供电，避免系统受电源掉电等故障干扰。
图2 不间断电源结构图
2.2 直流电源抗干扰措施
当微机系统采用直流电源供电时，可采取以下抗干扰措施：
（1） 使用直流开关电源供电，它是一种采用脉宽调制技术制作的新型电源，与线性电源相比，具有体积小、重量轻和效率高（电源效率可达80%）等优点[4]，同时，开关电源的稳压范围宽、效果好，其初级和次级之间有较强的隔离作用，能有效抑制电网的高频干扰。
（2） 对每个系统功能模块都采用独立的直流电源供电，可防止模块之间的相互干扰，避免因某个模块电源故障导致整个系统无法工作[5]。例如：在卷烟机烟支重量控制系统中，其控制电路以TMS320LF2407A DSP为核心，于是专门设计了3.3 V直流电源为该电路独立供电，电路如图3所示。电源转换芯片选用TPS7333，输入电压5 V，输出电压3.3 V，最大输出电流500 mA。实验证明，采用3.3 V电源独立供电后，不但可以有效减小其他模块对控制电路的干扰，同时当电源欠压时，TPS7333的[RESET]引脚输出低电平，送至DSP复位端[RS]后还可以实现对控制电路的欠压保护。
2.3 I/O接口抗干扰措施
输入/输出通道是微机与现场设备交换信息的必经通路，只有对I/O接口电路采取必要的抗干扰措施，才能防止外界干扰进入微机控制系统。常用的I/O接口抗干扰措施有：
（1） 采用硬件滤波器对信号进行滤波。在信号送入微机控制系统前，先用低通滤波器滤掉干扰信号，常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器和有源滤波器等4种，电路如图4所示。
图3 3.3 V直流电源电路
图4 常用低通滤波器电路图
（2） 对于数字量、开关量信号可采用光电隔离电路进行抗干扰设计。由于光电隔离器具有输入阻抗低，输入输出间寄生电容小，绝缘电阻大等特点，使干扰很难通过光耦进入微机控制系统。同时，光耦还可消除地线环绕，提高系统抗干扰能力[6]。例如：在卷烟机烟支重量控制系统的DSP与CAN总线接口电路中，为了提高系统的抗干扰能力和降低射频干扰，在DSP与 CAN驱动器PCA82C250之间增加了高速光耦6N137，有效地保证了系统的CAN总线通信功能，电路如图5所示。
3 软件抗干扰技术
常用的软件抗干扰措施有指令冗余、设置软件陷阱和软件滤波等。
3.1 指令冗余
当微机控制系统受到干扰影响时，程序可能会“跑飞”落入用户程序区内别的位置，此时可采用指令冗余技术使程序恢复正常运行[7]。指令冗余的实现方法：在程序的某些关键位置连续插入几条单字节空操作指令NOP；当程序“跑飞”后执行NOP指令时，就可避免将操作数当作指令码执行的错误，连续执行几条空操作指令后，使后续程序恢复正常执行。
图5 DSP与CAN总线接口电路
3.2 设置软件陷阱
当程序“跑飞”进入非程序区或表格区时，无法通过指令冗余使程序恢复正常运行，此时可通过设置软件陷阱来拦截“跑飞”的程序，使程序恢复正常。软件陷阱的实现方法：在程序的关键位置或非程序区放置一条转移指令，将掉进陷阱的程序强行引入到一段错误处理程序中（设该程序入口地址为ERR），使程序重新纳入正轨运行[8]。软件陷阱由以下三条指令组成：NOP；NOP；LJMP ERR。
3.3 软件滤波
软件滤波就是用编程的方法对输入信号进行数值、逻辑运算，减少干扰在有用信号中的比重。这种滤波方法通过软件实现，不需增加硬件设备；还可针对不同信号，采用不同的滤波方法。常用的软件滤波方法有：
（1） 算术平均值滤波。对被测量连续采样[N]次，以其算术平均值作为采样值，此方法适用于信号在某一数值上下波动的情况。例如：在卷烟机烟支重量控制系统的数据采集程序中，对烟支重量的采样使用了算术平均值滤波算法，流程图如图6所示。程序先控制核扫描器打开快门，当捕获单元3中断产生后，用软件启动SEQ1触发A/D转换；若SEQ1忙状态位=0，表明A/D转换已完成，然后将转换结果右移6位存入数组AD1[[j]]中；当单支烟采够120点后，计算烟支平均重量并存入AD2[[i]]中；最后，清除CAP3中断标志并返回。实验证明，采用算术平均值滤波算法处理后的烟支平均重量能较好地反映实际烟支生产重量且重量波动小。
（2） 中值滤波。对某一被测量连续采样N次（N为奇数），并将N次采样值按大小进行排列，取中间值为采样值；此滤波方法可有效滤除脉冲性干扰，适用于对温度、液位等变化缓慢的参数进行测量[9]。
（3） 去极值平均滤波。对信号进行[N]次采样，去掉最大值和最小值，并取剩余[N-2]次采样值的平均值；此方法可消除偶然出现的脉冲干扰所引起的采样偏差 [10]。
图6 烟支重量控制系统的数据采集程序流程图
4 结 语
为了保证微机控制系统的测控精度和稳定性，在系统设计时不但要进行硬件电路设计和软件编程，还要进行系统的抗干扰设计，使干扰信号被有效地消除或抑制。本文在介绍抗干扰原则的基础上，重点讲述了微机控制系统的软、硬件抗干扰措施，并将部分措施应用于卷烟机烟支重量控制系统设计中，实验结果表明，这些软、硬件抗干扰措施是有效的、正确的。同时，在微机系统抗干扰设计时还应注意根据干扰信号的不同选择合适的抗干扰措施。
参考文献
[1] 赵家升，杨显清.电磁兼容原理与技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.
[2] 侯永春.智能仪器的抗干扰技术研究[J].电子测试，2013（4）：85?89.
[3] 海玉，陈军，钱献芬.一种单片机数据采集系统的数字滤波器设计[J].信息技术，2012（9）：175?177.
