計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中硬件抗干擾技術(shù)的分析與研究

俞峰

摘 要 針對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行中的常見問題——系統(tǒng)干擾，在闡述干擾信號入侵途徑的基礎(chǔ)上，提出抗干擾設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)，旨在為實(shí)際的系統(tǒng)抗干擾工作提供技術(shù)參考，使系統(tǒng)盡可能不受或少受干擾的不利影響。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);系統(tǒng)干擾;抗干擾設(shè)計(jì);硬件抗干擾技術(shù)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會受到不同因素的影響而被干擾，系統(tǒng)一旦被干擾，將影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，出現(xiàn)運(yùn)行出錯(cuò)等問題。因此，在實(shí)際工作中應(yīng)在掌握干擾特點(diǎn)和規(guī)律的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)與實(shí)際工作兩個(gè)方面入手制定有效的抗干擾技術(shù)。

1干擾信號入侵途徑

干擾信號通常會通過以下途徑入侵到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中：

（1）直接耦合：控制系統(tǒng)和現(xiàn)場的硬件設(shè)備間采用導(dǎo)線的連接作為主要信號通路，而這樣也會為干擾信號創(chuàng)造入侵條件，事實(shí)上很多干擾信號都是通過這種途徑入侵到控制系統(tǒng)中的。

（2）公共阻抗耦合：在公共阻抗中，電源內(nèi)阻為重要組成部分之一，電路發(fā)生電流變化，會通過耦合對其他電路造成影響[1]。

（3）電容耦合：電路中不同元器件間會有分布電容存在，在分布電容作用下，干擾信號將通過耦合入侵到系統(tǒng)當(dāng)中，尤其是高頻信號。

（4）空間磁場耦合：無論是電流磁場還是空間電磁波，都會通過感應(yīng)進(jìn)入到導(dǎo)線及元器件當(dāng)中，造成不同程度的干擾。

2抗干擾設(shè)計(jì)

干擾信號可使用相位、頻率與幅值等基本參數(shù)進(jìn)行描述，主要有下列三種：第一種為持續(xù)正弦波，干擾來源于電源等系統(tǒng)設(shè)備，近似且斷續(xù)，可利用特征值進(jìn)行表示;第二種為偶發(fā)脈沖電壓波，可利用脈寬、幅值與前沿的上升陡度進(jìn)行描述;第三種為脈沖序列波，主要來自于系統(tǒng)及其他設(shè)備的持續(xù)動作，可利用脈寬、幅值與前沿的上升陡度進(jìn)行描述。

基于干擾類型和特點(diǎn)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中要充分考慮下列幾點(diǎn)：

（1）做好元器件篩選：對于系統(tǒng)的各類元器件，其可靠性和性能是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)，基于此，元器件使用前必須進(jìn)行仔細(xì)的篩選。另外，若能采用集成度相對較高的器件，則除了能簡化PCB制作，還能大幅減少焊接點(diǎn)與連線點(diǎn)，以此降低故障發(fā)生率與受干擾的概率[2]。

（2）PCB制作方面：對印刷電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：對元器件做合理布局，充分考慮包含電流、功耗和發(fā)熱量等在內(nèi)的各項(xiàng)因素;適當(dāng)加寬地線，同時(shí)增設(shè)地線層，這樣能在增加電流容量的基礎(chǔ)上，起到屏蔽的作用;對于高頻信號線，應(yīng)盡量避免高密度與長距離敷設(shè)，盡量選擇Z形或蛇形布置，也可使用地線進(jìn)行間隔布置，以此減少貫穿和高頻折射的產(chǎn)生;另外，在保證布線密度的基礎(chǔ)上，通過對印制線條的適當(dāng)加寬，能獲得更好的穩(wěn)定性與傳導(dǎo)效果。

（3）保證電磁兼容性：不論在模板中還是在模板間，都有可能產(chǎn)生電磁干擾與敏感度問題，對此，要在設(shè)計(jì)中保證電磁兼容性，可采用屏蔽、隔離等方法進(jìn)行。

（4）保證結(jié)構(gòu)合理性：當(dāng)有良好模板時(shí)，也無法保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對此，在系統(tǒng)構(gòu)成過程中，應(yīng)充分考慮以下內(nèi)容：回路模板具體位置應(yīng)盡可能靠近相關(guān)部件;模塊之間的走向和連線必須按照電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布置，優(yōu)先選擇標(biāo)準(zhǔn)總線;在系統(tǒng)運(yùn)行前，要對運(yùn)行場所進(jìn)行細(xì)致的前期調(diào)查，包括周邊其他設(shè)備、電氣環(huán)境與空間環(huán)境[3]。

3干擾解決方法

硬件措施是抗干擾的基礎(chǔ)，必須消除不少于95%的干擾，其他干擾則要使用軟件進(jìn)行消除，但這樣會增加很多開銷。根據(jù)以往相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，提出下列幾種抗干擾方法。

3.1 確定現(xiàn)場干擾源

這是抗干擾工作中最為重要和基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，如果干擾源無法確定，則后續(xù)工作可能根本無法正常開展，因此，硬件抗干擾需要以確定現(xiàn)場干擾源為前提。實(shí)際產(chǎn)生的干擾，其情況都十分復(fù)雜，需要以系統(tǒng)反應(yīng)為依據(jù)進(jìn)行逐步分離，確定干擾源屬于系統(tǒng)內(nèi)干擾源還是系統(tǒng)外干擾源，而干擾源的定位可使用二分法進(jìn)行。如果干擾源有很高的重復(fù)頻率，則可借助示波器進(jìn)行觀測，在沒有確定干擾源頻率時(shí)，先將示波器上X軸掃描關(guān)閉，然后在Y軸上選擇適宜的電壓量程，就能確定干擾源，之后開啟X軸掃描，使波形完全展開，對其特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)的觀察[4]。

3.2 抑制串模干擾

串模干擾如圖1所示，串模干擾一般是在輸入與輸出通道上疊加的，在這種情況下應(yīng)采用隔離的方法來處理，比如利用變壓器或光電隔離器對系統(tǒng)和外界之間的電氣連接進(jìn)行切斷。為避免電源串?dāng)_，在信號線與動力線間，要根據(jù)動力線的容量確定足夠的間隔距離。當(dāng)動力線的容量為125V10A時(shí)，動力線與信號線之間的距離應(yīng)達(dá)到30m以上;當(dāng)動力線的容量為250V50A時(shí)，動力線與信號線之間的距離應(yīng)達(dá)到45m以上;當(dāng)動力線的容量為440V200A時(shí)，動力線與信號線之間的距離應(yīng)達(dá)到60m以上;當(dāng)動力線的容量為5kV800A時(shí)，動力線與信號線之間的距離應(yīng)達(dá)到120m以上。根據(jù)實(shí)際要求，在保證間隔距離的基礎(chǔ)上，配備金屬套管，并進(jìn)行可靠接地，充分利用電感器與電容器對頻率表現(xiàn)出的特征曲線，形成頻帶各異的濾波器。

3.3 抑制共模干擾

對于共模干擾，它主要針對平衡輸入信號，實(shí)際工作要對信號源進(jìn)行調(diào)整，使其保持平衡與對稱，防止差模信號的產(chǎn)生;在輸入電路中，借助差動放大器，最大限度利用它的寬頻和低噪等優(yōu)勢，或形成運(yùn)算放大器，能有效抑制共模。

3.4 雙絞線使用方面

雙絞線主要有兩種，即有屏蔽層的雙絞線與無屏蔽層的雙絞線，在使用過程中要注意下列幾點(diǎn)：節(jié)距會對感應(yīng)噪聲實(shí)際抑制造成很大影響，需根據(jù)現(xiàn)場具體情況，經(jīng)測試和調(diào)整之后準(zhǔn)確確定;在選擇終端電阻時(shí)，可采用廠家給出的推薦值，在條件方便時(shí)，可先進(jìn)行實(shí)測，再根據(jù)反射理論，如果傳輸線自身特性阻抗和負(fù)載阻抗相匹配，則無反射;在處理屏蔽層的過程中，原則上要進(jìn)行單端接地，部分情況下可采用浮空處理方式，其效果要比接地好很多。

3.5 抑制電源干擾

交流供電要與工業(yè)大負(fù)載相分開，通過交流穩(wěn)壓器的設(shè)置避免電網(wǎng)波動，并在電源處增設(shè)濾波器避免瞬間干擾;對于直流的部分，應(yīng)充分去耦，借助TVS期間來消除浪涌電壓與瞬間干擾，以上都有十分顯著的作用效果[5]。

3.6 做好系統(tǒng)接地處理

在A/D芯片與D/A芯片中，通常都有兩類接地引腳，分別為數(shù)字地與模擬地，將數(shù)字地連接到一起，同時(shí)也將模擬地連接到一起，再于和電源相靠近的部位將數(shù)字地和模擬地連接到一起。在接地處理時(shí)應(yīng)注意不可為了便于走線而將相同或不同的芯片上的兩類地連接到一起。

4結(jié)束語

綜上所述，不僅僅是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其他各類不同的控制系統(tǒng)，都會在實(shí)際應(yīng)用中受到一定程度的現(xiàn)場干擾，以上只是對一些共性問題進(jìn)行了分析和討論，介紹了干擾途徑與消除干擾的措施。而想要從根本上解決干擾，實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，要以系統(tǒng)應(yīng)用過程中的具體情況為依據(jù)，采取合理有效的解決措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡月玥，范勇.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，（8）：35-37.

[2] 張文浩.探究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電腦迷，2018，（8）：58-59，161.

[3] 吳興純，楊燕云，吳瑞武.計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的故障分析以及抗干擾技術(shù)研究[J].自動化與儀器儀表，2011，（5）：26-29.

[4] 張家葉子，呂游.計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)研究[J].電子制作，2018，（17）：70-71，111.

[5] 王銳剛，吳興純，龍志文.計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)研究[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2017，（1）：44-48.