單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

隨著工業(yè)控制的發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)以其高性價(jià)比逐步取代模擬式控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)存在著各種干擾源，對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作影響很大，在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)，安裝調(diào)試時(shí)完全符合設(shè)計(jì)要求，而置入現(xiàn)場(chǎng)后，系統(tǒng)常常無(wú)法正常穩(wěn)定地工作。干擾雖不能直接造成硬件的損壞，但常使計(jì)算機(jī)不能正常運(yùn)行以致控制失靈，造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，為了保證設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始就必須充分考慮到對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能的要求。

1 干擾源、干擾途徑和干擾的影響

1.1 應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源及干擾途徑

應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源是因在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對(duì)某些問(wèn)題考慮不全面，如元器件布局不合理、電路工作不可靠、元器件質(zhì)量差等，形成諸如電阻熱噪聲干擾、半導(dǎo)體散粒噪聲干擾、接觸噪聲干擾、過(guò)程通道干擾、公共電阻形成的干擾等。這些干擾現(xiàn)象隨流動(dòng)元器件電流增大越加明顯，這些噪聲電流通過(guò)系統(tǒng)自身電路和通道而影響系統(tǒng)，其結(jié)果是使系統(tǒng)控制精度下降。

1.2 電磁干擾源及干擾途徑

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾源很多，如動(dòng)力斷路器斷弧過(guò)程中的多次復(fù)燃、電磁鐵線圈電感和分布電容的諧振、大電流電弧的電磁輻射、工頻輸電線附近所存在的強(qiáng)大交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及來(lái)源于太陽(yáng)等天體輻射的電磁波、雷電和地磁場(chǎng)的變化都可歸結(jié)為電磁干擾。干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線或回路之間的互感耦合、電容耦合進(jìn)入控制系統(tǒng)。電磁干擾造成的后果輕者使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，重者將使系統(tǒng)不能正常工作。

1.3 供電系統(tǒng)干擾

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的大功率設(shè)備眾多，特別是大感性負(fù)載設(shè)備的啟停，使得電網(wǎng)電壓大幅度浪涌與下陷，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)壓、欠壓和短時(shí)間的尖峰電壓，他們十分方便地以線路傳輸形式經(jīng)電源線進(jìn)入控制系統(tǒng)，其中過(guò)壓干擾是單片機(jī)控制系統(tǒng)最為惡劣的干擾。

1.4 干擾產(chǎn)生的后果

干擾常使系統(tǒng)程序跑飛，造成死機(jī)，數(shù)據(jù)采集誤差加大或數(shù)據(jù)發(fā)生變化，控制狀態(tài)失靈，系統(tǒng)被控對(duì)象不穩(wěn)定或誤操作等。

2 應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

硬件抗干擾總的原則是消除干擾源、切斷干擾侵入途徑和設(shè)計(jì)低噪聲電路。

2.1 電磁干擾的抑制措施

工業(yè)微機(jī)系統(tǒng)比一般計(jì)算機(jī)更多地受著各種電磁場(chǎng)干擾的影響。電磁場(chǎng)干擾可能來(lái)自系統(tǒng)外部，也可能來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部，抑制電磁干擾的主要手段就是采取屏蔽。方式有兩種：一是將易干擾的電路或設(shè)備等屏蔽起來(lái)，以防接收輻射干擾；另一種是將輻射源屏蔽起來(lái)，防止輻射出干擾影響其他電路。另外，系統(tǒng)可以浮置(如信號(hào)地不接機(jī)殼或大地)來(lái)阻斷干擾電流的通路，設(shè)備內(nèi)部具有輻射能力的電路要獨(dú)立遠(yuǎn)置，以減少對(duì)其他電路的影響。

2.2過(guò)程通道干擾的抑制

(1) 光電耦合隔離，采用光電耦合可以切斷主機(jī)與前向、后向通道電路以及其他主機(jī)電路的聯(lián)系，能有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機(jī)，同時(shí)對(duì)抗共地干擾也有好處。

(2)雙絞線傳輸，雙絞線能使各小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對(duì)電磁場(chǎng)干擾、共模噪聲有一定的抑制效果。

(3)長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洌笮盘?hào)源的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗與接收端的輸入阻抗相等。否則，信號(hào)在傳輸線上會(huì)產(chǎn)生反射，造成失真。

2.3 印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)

電路板是微機(jī)系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線高密度集合體，對(duì)抗干擾性能影響很大，電路板設(shè)計(jì)、布線及接地不妥可能使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

(1)印制電路板：大小要適中。過(guò)大時(shí)，印刷線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高；過(guò)小，散熱不好，且易受干擾。盡量使用多層印制板，保證良好的接地網(wǎng)，減少地電位差。