抗干擾介紹

干擾問題是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用過程中必須考慮的重要問題。在機(jī)電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)的波動(dòng)、強(qiáng)電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，當(dāng)它們在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時(shí)，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運(yùn)行，輕者造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的精度；重者會引起控制系統(tǒng)死機(jī)或誤動(dòng)作，造成設(shè)備損壞或人身傷亡。

第一節(jié) 產(chǎn)生干擾的因素

一、干擾的定義

干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等，在眾多干擾中，電磁干擾最為普遍，且對控制系統(tǒng)影響最大，而其它干擾因素往往可以通過一些物理的方法較容易地解決。本節(jié)重點(diǎn)介紹電磁干擾的相關(guān)內(nèi)容。

電磁干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。這些有害的電氣變化現(xiàn)象使得信號的數(shù)據(jù)發(fā)生瞬態(tài)變化，增大誤差，出現(xiàn)假象，甚至使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常信號而引起故障。例如傳感器的導(dǎo)線受空中磁場影響產(chǎn)生的感應(yīng)電勢會大于測量的傳感器輸出信號，使系統(tǒng)判斷失靈。

二、形成干擾的三個(gè)要素

干擾的形成包括三個(gè)要素：干擾源、傳播途徑和接受載體。三個(gè)要素缺少任何一項(xiàng)干擾都不會產(chǎn)生。

1、干擾源

產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱作干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁信號。當(dāng)然，雷電、太陽和宇宙射線屬于干擾源。

2、傳播途徑

傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。電磁信號在空中直線傳播，并具有穿透性的傳播叫作輻射方式傳播；電磁信號借助導(dǎo)線傳入設(shè)備的傳播被稱為傳導(dǎo)方式傳播。傳播途徑是干擾擴(kuò)散和無所不在的主要原因。

3、接受載體

接受載體是指受影響的設(shè)備的某個(gè)環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數(shù)。接受載體不能感應(yīng)干擾信號或弱化干擾信號使其不被干擾影響就提高了抗干擾的能力。接受載體的接受過程又成為耦合，耦合分為兩類，傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合是指電磁能量以電壓或電流的形式通過金屬導(dǎo)線或集總元件（如電容器、變壓器等）耦合至接受載體。輻射耦合指電磁干擾能量通過空間以電磁場形式耦合至接受載體。

根據(jù)干擾的定義可以看出，信號之所以是干擾是因?yàn)樗鼘ο到y(tǒng)造成的不良影響，反之，不能稱其為干擾。從形成干擾的要素可知，消除三個(gè)要素中的任何一個(gè)，都會避免干擾?？垢蓴_技術(shù)就是針對三個(gè)要素的研究和處理。

三、電磁干擾的種類

按干擾的耦合模式分類，電磁干擾包括下列類型。

1、靜電干擾

大量物體表面都有靜電電荷的存在，特別是含電氣控制的設(shè)備，靜電電荷會在系統(tǒng)中形成靜電電場。靜電電場會引起電路的電位發(fā)生變化；會通過電容耦合產(chǎn)生干擾。靜電干擾還包括電路周圍物件上積聚的電荷對電路的泄放，大載流導(dǎo)體（輸電線路）產(chǎn)生的電場通過寄生電容對機(jī)電一體化裝置傳輸?shù)鸟詈细蓴_等等。

2、 磁場耦合干擾

大電流周圍磁場對機(jī)電一體化設(shè)備回路耦合形成的干擾。動(dòng)力線、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電源變壓器和繼電器等都會產(chǎn)生這種磁場。產(chǎn)生磁場干擾的設(shè)備往往同時(shí)伴隨著電場的干擾，因此又統(tǒng)一稱為電磁干擾。

3、漏電耦合干擾

絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾。多發(fā)生于工作條件比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。

4、共阻抗干擾

共阻抗干擾是指電路各部分公共導(dǎo)線阻抗、地阻抗和電源內(nèi)阻壓降相互耦合形成的干擾。這是機(jī)電一體化系統(tǒng)普遍存在的一種干擾。如圖7-1所示的串聯(lián)的接地方式，由于接地電阻的存在，三個(gè)電路的接地電位明顯不同。當(dāng)I （或I 、I ）發(fā)生變化時(shí)，A、B、C點(diǎn)的電位隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致各電路的不穩(wěn)定。

圖 7-1 接地共阻抗干擾

5、電磁輻射干擾

由各種大功率高頻、中頻發(fā)生裝置、各種電火花以及電臺電視臺等產(chǎn)生的高頻電磁波，向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波干擾信號。

四、干擾存在的形式

在電路中，干擾信號通常以串模干擾和共模干擾形式與有用信號一同傳輸。

1、串模信號

串模干擾是疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線傳輸?shù)幕ジ校臻g電磁場引起的磁場耦合，以及50Hz的工頻干擾等。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測信號是直流（或變化比較緩慢），而干擾信號經(jīng)常是一些雜亂的波形和含有尖峰脈沖，如圖7-2c所示，圖中US表示理想測試信號，UC表示實(shí)際傳輸信號，Ug表示不規(guī)則干擾信號。干擾可能來自信號源內(nèi)部（圖7-2a），也可能來源于導(dǎo)線的感應(yīng)（圖7-2b）。

2、共模干擾

共模干擾往往是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號接口斷的共有的信號干擾。如圖7-3所示檢測信號輸入A/D轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端上的公有的電壓干擾。由于輸入信號源與主機(jī)有較長距離，輸入信號Us的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入端參考接地點(diǎn)之間存在電位差Ucm。這個(gè)電位差就在轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端上形成共模干擾。以計(jì)算機(jī)接地點(diǎn)為參考點(diǎn)，加到輸入點(diǎn)A上的信號為Us+Ucm，加到輸入點(diǎn)B上也有信號Ucm。

圖 7-2 串模干擾示意圖

圖 7-3 共模干擾示意圖

第二節(jié) 抗干擾的措施

提高抗干擾的措施最理想的方法是抑制干擾源，使其不向外產(chǎn)生干擾或?qū)⑵涓蓴_影響限制在允許的范圍之內(nèi)。由于車間現(xiàn)場干擾源的復(fù)雜性，要想對所有的干擾源都作到使其不向外產(chǎn)生干擾，幾乎是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的。另外，來自于電網(wǎng)和外界環(huán)境的干擾，機(jī)電一體化產(chǎn)品用戶環(huán)境的干擾源也是無法避免的。因此，在產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用中，除了對一些重要的干擾源，主要是對被直接控制的對象上的一些干擾源進(jìn)行抑制外，更多的則是在產(chǎn)品內(nèi)設(shè)法抑制外來干擾的影響，以保證系統(tǒng)可靠地工作。

抑制干擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法

一、屏蔽

屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。通常用銅和鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬材料作屏蔽體。屏蔽體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量完整嚴(yán)密并保持良好的接地。

磁場屏蔽是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。對靜磁場及低頻交變磁場，可用高磁導(dǎo)率的材料作屏蔽體，并保證磁路暢通。對高頻交變磁場，由于主要靠屏蔽體殼體上感生的渦流所產(chǎn)生的反磁場起排斥原磁場的作用。選用材料也是良導(dǎo)體，如銅、鋁等。

如圖7-4所示的變壓器，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。當(dāng)漏磁通穿過短路環(huán)時(shí)，在銅環(huán)中感生渦流，因此會產(chǎn)生反磁通以抵消部分漏磁通，使變壓器外的磁通減弱。屏蔽的效果與屏蔽層數(shù)量和每層厚度有關(guān)。

圖 7-4 變壓器的屏蔽

如圖7-5所示的同軸電纜中，為防止在信號傳輸過程中受到電磁干擾，在電纜線中設(shè)置了屏蔽層。芯線電流產(chǎn)生的磁場被局限在外層導(dǎo)體和芯線之間的空間中，不會傳播到同軸電纜以外的空間。而電纜外的磁場干擾信號在同軸電纜的芯線和外層導(dǎo)體中產(chǎn)生的干擾電勢方向相同，使電流一個(gè)增大，一個(gè)減小而相互抵消，總的電流增量為零。許多通信電纜還在外面包裹一層導(dǎo)體薄膜以提高屏蔽外界電磁干擾的作用。

圖7-5 同軸電纜示意圖

1－芯線 2－絕緣體 3－外層導(dǎo)線 4－絕緣外皮

二、隔離

隔離是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使有用信號正常傳輸，而干擾耦合通道被切斷，達(dá)到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。

1、光電隔離

光電隔離是以光作媒介在隔離的兩端間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。由于光電耦合器在傳輸信息時(shí)，不是將其輸入和輸出的電信號進(jìn)行直接耦合，而是借助于光作為媒介物進(jìn)行耦合，因而具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾的能力。如圖7-6a所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。在控制系統(tǒng)中，它既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路。又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，從而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

圖 7-6 光電隔離和變壓器隔離原理

a） 光電隔離 b） 變壓器隔離

由于光耦合器共模抑制比大、無觸點(diǎn)、壽命長、易與邏輯電路配合、響應(yīng)速度快、小型、耐沖擊且穩(wěn)定可靠，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)特別是數(shù)字系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2、變壓器隔離

對于交流信號的傳輸一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強(qiáng)度。如圖7-6b所示變壓器耦合隔離電路。隔離變壓器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來，也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。

如圖7-7所示為一種帶多層屏蔽的隔離變壓器。當(dāng)含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側(cè)端輸入時(shí)，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達(dá)到了抑制干擾的目的。另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用，中間用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場通過變壓器對電路形成干擾，這種隔離變壓器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

3、繼電器隔離

繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上形成聯(lián)系，而沒有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接受電信號，而利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離（如圖7-8）。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)較多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因此應(yīng)用非常廣泛。

圖7-7 多層隔離變壓器

圖 7-8 繼電器隔離

實(shí)際使用中，繼電器隔離指適合于開關(guān)量信號的傳輸。系統(tǒng)控制中，常用弱電開關(guān)信號控制繼電器線圈，使繼電器觸電閉合和斷開。而對應(yīng)于線圈的觸點(diǎn)，則用于傳遞強(qiáng)電回路的某些信號。隔離用的繼電器，主要是一般小型電磁繼電器或干簧繼電器。

三、濾波

濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因此，當(dāng)接受器接收有用信號時(shí)，也會接收到那些不希望有的干擾。這時(shí)，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。

常用濾波器根據(jù)其頻率特性又可分為低通、高通、帶通、帶阻等濾波器。低通濾波器只讓低頻成分通過，而高于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。高通濾波器只通過高頻成分，而低于截止頻率的成分則受抑制、衰減，不讓通過。帶通濾波器只讓某一頻帶范圍內(nèi)的頻率成分通過，而低于下截止和高于上截止頻率的成分均受抑制，不讓通過。帶阻濾波器只抑制某一頻率范圍內(nèi)的頻率成分，不讓其通過，而低于下截止和高于上截止頻率的頻率成分則可通過。

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常用低通濾波器抑制由交流電網(wǎng)侵入的高頻干擾。圖7-9所示為計(jì)算機(jī)電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V工頻電源通過截止頻率為50Hz的濾波器，，其高頻信號被衰減，只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達(dá)電源變壓器，保證正常供電。

圖 7-9 低通濾波器

圖7-10所示電路中，7-10a所示為觸點(diǎn)抖動(dòng)抑制電路，對于抑制各類觸點(diǎn)或開關(guān)在閉合或斷開瞬間因觸點(diǎn)抖動(dòng)所引起的干擾是十分有效的。圖7-10b所示電路是交流信號抑制電路，主要是為了抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢。這種阻容吸收電路，可以將電感線圈的磁場釋放出來的能力，轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量儲存起來，以降低能量的消散速度。圖7-10c所示電路是輸入信號的阻容濾波電路。類似的這種線路，既可作為直流電源的輸入濾波器，亦可作為模擬電路輸入信號的阻容濾波器。

圖7-10 干擾濾波電路

如圖7-11所示為一種雙T型帶阻濾波器，可用來消除工頻（電源）串模干擾。圖中輸入信號U1經(jīng)過兩條通路送到輸出端。當(dāng)信號頻率較低時(shí)，C1、C2和C3阻抗較大，信號主要通過R1、R2傳送到輸出端，當(dāng)信號頻率較高時(shí)，C1、C2和C3容抗很小，接近短路，所以信號主要通過C1、C2傳送到輸出端。只要參數(shù)選擇得當(dāng)，就可以使濾波器在某個(gè)中間頻率f0時(shí)，由C1、C2和R3，支路傳送到輸出端的信號U2’，與由R1、R2和C3支路傳送到輸出端的信號U”2大小相等、相位相反，互相抵消，于是總輸出為零。f0為雙T濾波器的諧振頻率。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，使f0=50Hz，雙T型帶阻濾波器就可濾除工頻干擾信號。

圖7-11 雙T型帶阻濾波器

四、接地

將電路、設(shè)備機(jī)殼等與作為零電位的一個(gè)公共參考點(diǎn)（大地）實(shí)現(xiàn)低阻抗的連接，稱之謂接地。接地的目的有兩個(gè)：一是為了安全，例如把電子設(shè)備的機(jī)殼、機(jī)座等與大地相接，當(dāng)設(shè)備中存在漏電時(shí)，不致影響人身安全，稱為安全接地；二是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，例如脈沖數(shù)字電路的零電位點(diǎn)等，或?yàn)榱艘种聘蓴_，如屏蔽接地等。稱為工作接地。工作接地包括一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種方式。

1、一點(diǎn)接地

如圖7-1所示為串聯(lián)一點(diǎn)接地，由于地電阻r1，r2和r3，是串聯(lián)的，所以各電路間相互發(fā)生干擾，雖然這種接地方式很不合理，但由于比較簡單，用的地方仍然很多。當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)還可勉強(qiáng)使用；但當(dāng)各電路的電平相差很大時(shí)就不能使用，因?yàn)楦唠娖綄a(chǎn)生很大的地電流并干擾到低電平電路中去。使用這種串聯(lián)一點(diǎn)接地方式時(shí)還應(yīng)注意把低電平的電路放在距接地點(diǎn)最近的地方，即圖7-1中最接近于地電位的A點(diǎn)上。

圖 7-12 并聯(lián)一點(diǎn)接地

如圖7-12所示是并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。這種方式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是，需要連很多根地線，用起來比較麻煩。

2、多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。如圖7-13所示，各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。

圖7-13 多點(diǎn)接地

3、地線的設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種地線的布局和接地方法。如圖7-14所示是一臺數(shù)控機(jī)床的接地方法。從圖中可以看出，接地系統(tǒng)形成三個(gè)通道：信號接地通道，將所有小信號、邏輯電路的信號、靈敏度高的信號的接地點(diǎn)都接到信號地通道上；功率接地通道，將所有大電流、大功率部件、晶閘管、繼電器、指示燈、強(qiáng)電部分的接地點(diǎn)都接到這一地線上；機(jī)械接地通道，將機(jī)柜、底座、面板、風(fēng)扇外殼、電動(dòng)機(jī)底座等機(jī)床接地點(diǎn)都接到這一地線上，此地線又稱安全地線通道。將這三個(gè)通道再接到總的公共接地點(diǎn)上，公共接地點(diǎn)與大地接觸良好，一般要求地電阻小于4 ～7 。并且數(shù)控柜與強(qiáng)電柜之間有足夠粗的保護(hù)接地電纜，如截面積為5.5～14mm2的接地電纜。因此，這種地線接法有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行。

圖 7-14 數(shù)控機(jī)床的接地

五、軟件抗干擾設(shè)計(jì)

1、軟件濾波

用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號的方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有兩種：

（1）時(shí)間原則 如果掌握了有用信號和干擾信號在時(shí)間上出現(xiàn)的規(guī)律性，在程序設(shè)計(jì)上就可以在接收有用信號的時(shí)區(qū)打開輸入口，而在可能出現(xiàn)干擾信號的時(shí)區(qū)封閉輸入口，從而濾掉干擾信號。

（2）空間原則 在程序設(shè)計(jì)上為保證接收到的信號正確無誤，可將從不同位置、用不同檢測方法、經(jīng)不同路線或不同輸入口接收到的同一信號進(jìn)行比較，根據(jù)既定邏輯關(guān)系來判斷真?zhèn)危瑥亩鵀V掉干擾信號。

（3）屬性原則 有用信號往往是在一定幅值或頻率范圍的信號，當(dāng)接收的信號遠(yuǎn)離該信號區(qū)時(shí)，軟件可通過識別予以剔除。

2、軟件“陷阱”

從軟件的運(yùn)行來看，瞬時(shí)電磁干擾可能會使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的 RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見的。為了有效地排除這種干擾故障，常用軟件“陷阱法”。這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲器（RAM和ROM）中沒有使用的單元用某一種重新啟動(dòng)的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當(dāng)CPU執(zhí)行該條指令時(shí)，程序就自動(dòng)轉(zhuǎn)到某一起始地址，而從這一起始地址開始，存放一段使程序重新恢復(fù)運(yùn)行的熱啟動(dòng)程序，該熱啟動(dòng)程序掃描現(xiàn)場的各種狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)判斷程序應(yīng)該轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序的哪個(gè)入口，使系統(tǒng)重新投入正常運(yùn)行。

3、軟件“看門狗”

“看門狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或軟件）的辦法要求使用監(jiān)控定時(shí)器定時(shí)檢查某段程序或接口，當(dāng)超過一定時(shí)間系統(tǒng)沒有檢查這段程序或接口時(shí)，可以認(rèn)定系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)（干擾發(fā)生），可通過軟件進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位或按事先預(yù)定方式運(yùn)行 ?！翱撮T狗”，是工業(yè)控制機(jī)普遍采用的一種軟件抗干擾措施。當(dāng)侵入的尖鋒電磁干擾使計(jì)算機(jī)“飛程序”時(shí)，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

第三節(jié) 提高系統(tǒng)抗干擾的措施

從整體和邏輯線路設(shè)計(jì)上提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的抗干擾能力是整體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，對提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能關(guān)系極大。對于一個(gè)新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，如果把抗干擾性能作為一個(gè)重要的問題來考慮，則系統(tǒng)投入運(yùn)行后，抗干擾能力就強(qiáng)。反之，如等到設(shè)備到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題才來修修補(bǔ)補(bǔ)，往往就會事倍功半。因此，在總體設(shè)計(jì)階段，有幾個(gè)方面必須引起特別重視。

一、邏輯設(shè)計(jì)力求簡單可靠

對于一個(gè)具體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在滿足生產(chǎn)工藝控制要求的前提下，邏輯設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡單，以便節(jié)省元件，方便操作。因?yàn)樵谠骷|(zhì)量已定的前提下，整體中所用到的元器件數(shù)量愈少，系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)故障的概率就愈小，亦即系統(tǒng)的穩(wěn)定性愈高。但值得注意的是，對于一個(gè)具體的線路，必須擴(kuò)大線路的穩(wěn)定儲備量，留有一定的負(fù)載容度。因?yàn)榫€路的工作狀態(tài)是隨電源電壓、溫度、負(fù)載等因素的大小而變的。當(dāng)這些因素由額定情況向惡化線路性能方向變化，最后導(dǎo)致線路不能正常工作時(shí)，這個(gè)范圍稱為穩(wěn)定儲備量。此外，工作在邊緣狀態(tài)的線路或元件，最容易接受外界干擾而導(dǎo)致故障。因此，為了提高線路的帶負(fù)載能力，應(yīng)考慮留有負(fù)載容度。比如一個(gè)TTL集成門電路的負(fù)載能力是可以帶8個(gè)左右同類型的邏輯門，但在設(shè)計(jì)時(shí)，一般最多只考慮帶5—6個(gè)門，以便留有一定裕度。

二、硬件自檢測和軟件自恢復(fù)的設(shè)計(jì)

由于干擾引起的誤動(dòng)作多是偶發(fā)性的，因此應(yīng)采取某種措施，使這種偶發(fā)的誤動(dòng)作不致直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在總體設(shè)計(jì)上必須設(shè)法使干擾造成的這種故障能夠盡快地恢復(fù)正常。通常的方式是，在硬件上設(shè)置某些自動(dòng)監(jiān)測電路。這主要是為了對一些薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)控，以便縮小故障范圍，增強(qiáng)整體的可靠性。在硬件上常用的監(jiān)控和誤動(dòng)作檢出方法通常有數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠媾紮z驗(yàn)（如輸入電路有關(guān)代碼的輸入奇偶校驗(yàn)），存儲器的奇偶校驗(yàn)以及運(yùn)算電路、譯碼電路和時(shí)序電路的有關(guān)校驗(yàn)等。

從軟件的運(yùn)行來看，瞬時(shí)電磁干擾會影響：堆棧指針SP、數(shù)據(jù)區(qū)或程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容，使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些如死機(jī)、死循環(huán)和程序“飛掉”等現(xiàn)象，因此，要合理設(shè)置軟件“陷阱”和“看門狗”并在檢測環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字濾波（如粗大誤差處理）等。

三、從安裝和工藝等方面采取措施以消除干擾

1、合理選擇接地 許多機(jī)電一體化產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)思想到具體電路原理都是比較完美的。但在工作現(xiàn)場卻經(jīng)常無法正常工作，暴露出許多由于工藝安裝不合理帶來的問題，從而使系統(tǒng)容易接受干擾，對此，必須引起足夠的重視。如選擇正確的接地方式方面考慮交流接地點(diǎn)與直流接地點(diǎn)分離；保證邏輯地浮空（是指控制裝置的邏輯地和大地之間不用導(dǎo)體連接）；保證使機(jī)身、機(jī)柜的安全地的接地質(zhì)量；甚至分離模擬電路的接地和數(shù)字電路的接地等等。

2、合理選擇電源 合理選擇電源對系統(tǒng)的抗干擾也是至關(guān)重要的。電源是引進(jìn)外部干擾的重要來源。實(shí)踐證明，通過電源引入的干擾噪聲是多途徑的，如控制裝置中各類開關(guān)的頻繁閉合或斷開，各類電感線圈（包括電機(jī)、繼電器、接觸器以及電磁閥等）的瞬時(shí)通斷，晶閘管電源及高頻、中頻電源等系統(tǒng)中開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止等都會引起干擾，這些干擾幅值可達(dá)瞬時(shí)千伏級，而且占有很寬的頻率。顯而易見，要想完全抑制如此寬頻帶范圍的干擾，必須對交流電源和直流電源同時(shí)采取措施。

大量實(shí)踐表明，采用壓敏電阻和低通濾波器可使頻率范圍在20kHz～100MHz之間的干擾大大衰減。采用隔離變壓器和電源變壓器的屏蔽層可以消除20kHz以下的干擾，而為了消除交流電網(wǎng)電壓緩慢變化對控制系統(tǒng)造成的影響，可采取交流穩(wěn)壓等措施。

對于直流電源通常要考慮盡量加大電源功率容限和電壓調(diào)整范圍。為了使裝備能適應(yīng)負(fù)載在較大范圍變化和防止通過電源造成內(nèi)部噪聲干擾，整機(jī)電源必須留有較大的儲備量，并有較好的動(dòng)態(tài)特性。習(xí)慣上一般選取0.5～1倍的余量。另外，盡量采用直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源不僅可以進(jìn)一步抑制來自交流電網(wǎng)的干擾，而且還可以抑制由于負(fù)載變化所造成的電路直流工作電壓的波動(dòng)。

3、合理布局

對機(jī)電一體化設(shè)備及系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行合理的布局，能有效地防止電磁干擾的危害。合理布局的基本原則是使干擾源與干擾對象盡可能遠(yuǎn)離，輸入和輸出端口妥善分離，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)等。

對企業(yè)環(huán)境的各設(shè)備之間也存在合理布局問題。不同設(shè)備對環(huán)境的干擾類型、干擾強(qiáng)度不同，抗干擾能力和精度也不同，因此，在設(shè)備位置布置上要考慮設(shè)備分類和環(huán)境處理，如精密檢測儀器應(yīng)放置在恒溫環(huán)境，并遠(yuǎn)離有機(jī)械沖擊的場所，弱電儀器應(yīng)考慮工作環(huán)境的電磁干擾強(qiáng)度等。

一般來說，除了上述方案以外，還應(yīng)在安裝、布線等方面采取嚴(yán)格的工藝措施，如布線上注意整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)線的分類布置，接插件的可靠安裝與良好接觸，注意焊接質(zhì)量等。實(shí)踐表明，對于一個(gè)具體的系統(tǒng)，如果工藝措施得當(dāng)，不僅可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，而且還可以彌補(bǔ)某些設(shè)計(jì)上的不足之處。