信号提升系统抗干扰治理措施
摘要:本文以花园煤矿矿井提升信号系统出现的故障为例,通过采取了一系列硬件和软件的处理措施来解决问题,提高了系统抗干扰能力,满足了提升信号通讯要求。
关键词:矿井信号故障通讯脉冲误差干扰
提升安全是矿井安全链条中的重要一环,关系着矿井的正常提升和上下井人员的生命安全。提升信号是矿井主提升机运行的直接联系方式,保证矿井提升信号的可靠,是保障矿井安全提升的基础。目前矿井主提升机基本全部采用PLC控制系统,在此类系统中,由于来自系统内外部的干扰,有时会造成传输数据错误或丢失,严重时甚至造成系统失灵,引发人身安全事故或矿井财产的损失。为了确保矿井提升系统的正常运转,最大限度的保障人身及财产安全,必须要确保矿井提升信号系统可靠,降低各类干扰的影响。
1 故障表现及系统简介
花园煤矿副井采用唐山智诚电气公司的信号KJD23矿用PLC信号操车控制系统。一段时间前,因设备干扰偶尔出现的误信号,对矿井安全提升造成了极大的安全隐患。具体故障表现:在副井下井口信号台未联系发点的情况下,绞车房与上井口同时出现提升信号点数,并在绞车房显示提升信号。造成副井绞车司机在未注意观察井口实时监控器的情况下,极有可能出现误操作,造成提升安全事故。
- 116 - 杜 川 付会凯 （新乡学院机电工程学院，河南 新乡 453003） 【摘 要】分析了单片机系统的干扰来源，主要从抗干扰和稳定性方面入手，利用硬件与软件相结合的方法，解决了一些单片机系统的抗干扰问题。 【关键词】抗干扰；指令冗余;软件陷阱；定时中断 【中图分类号】TP368 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)02-0116-02 引言 随着微电子技术和信息技术的发展，计算机技术已经深 入到了人们生产和生活的各个领域当中。单片机技术作为基 于计算机的原理而出现的一种新兴的技术手段，在当今的信 息社会中扮演着重要的角色。但是，由于单片机的工作环境 往往比较恶劣，尤其是系统周围存在强烈的电磁干扰情况， 这些因素都将严重影响单片机的可靠性和稳定性，甚至有可 能导致系统瘫痪。因此，提高单片机系统的抗干扰能力尤其 具有现实意义。 （一）单片机干扰来源的分析 所谓干扰就是叠加在有用信号上的不需要的信号。干扰 以某种电信号的形式，通过一定的渠道，混入有用信号中进 入单片机系统，造成系统工作不稳。在各种实际环境中，这 些干扰降低了单片机系统的准确性，要加以避免[1] 。 单片机的干扰主要来自于两个方面的影响： 1.外部环境所产生的干扰 单片机控制系统是为工业生产而设计制造的，所以单片 机系统经常工作于工业生产现场。在实际的生产现场，存在 着大量的电磁干扰信号，对单片机控制系统的正常工作造成极大的危害，甚至有可能带来系统复位乃至失控的危险。 2.单片机系统本身产生的干扰 单片机系统的本身由各种线路互相连接组成，线路之间会产生相互影响的磁场，从而引发干扰；单片机电源的供电方式以及各种元件的电气性能，也是产生干扰的重要来源；还有就是对单片机接地方式的处理。由于社会发展迅速，自动化进程加快，在工业环境较复杂的场所，地下密布着各种电气设备的导线，这些导线之间的相互影响也对单片机的稳定性构成了巨大的威胁。 （二）增强单片机抗干扰能力的方案 单片机抗干扰一般是从硬件和软件两方面入手。硬件抗 干扰设计主要是通过抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高 敏感器件的抗干扰性能方面入手。而软件抗干扰措施主要是 通过对程序区、RAM 空间区、表格区进行特殊处理来实现的，在存储空间允许的条件下，可充分利用软件抗干扰措施，提高单片机系统的程序运行的可靠性和数据的安全性[2] 。 1.硬件抗干扰 （1）电源系统的处理 采用大功率电源，防止从电源系统引入干扰。条件允许的情况下可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。 （2）接地方案的分析 在电路设计中，要尽量减小接地回路中的电阻，同时要尽量保证一点接地，避免多点接地的情况；单片机是小功率器件，要避免和大功率器件接地距离较近而产生干扰[3]。 （3）输入、输出信号的保护 在数字信号的长距离传输时用双绞线，可以对传输过程 中的干扰起到很好的抑制作用。也可以在输入、输出信号上 加光电隔离器，从而切断主机以及各向通道的相互联系，从 而有效的防止干扰进入主机系统。 2.软件抗干扰 （1）指令冗余法 单片机操作流程完全由程序计数器P C 控制，一旦P C 受到干扰，程序便会脱离正常轨道，使程序“跑飞”，从而出现改变操作数数值以及将操作数误认为操作码等情况。为了使“跑飞”的程序能迅速纳入正轨，程序中应该多用单字节指令，并且在关键地方插入一些空操作指令NOP 或者将有效单字节指令重写，这就叫做指令冗余。 这种方法通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的空操作指令NOP，这样即使“跑飞”程序飞到操作 数上，由于NOP 的存在，也可以避免后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此外，对程序执行方向起重要作用的控制转移类指令，如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC 等指令之前插入两条NOP，也可将“跑飞”程序纳入正轨，保证程序的正确执行。 【收稿日期】2009-12-21 【作者简介】杜川（1982－），男，河南新乡人，新乡学院机电工程学院助教，从事信息工程、电气自动化方面的研究；付会凯（1980－），男，河南长葛人，新乡学院机电工程学院讲师，硕士，从事通信、电路与系统教学与研究。
单片机自身的抗干扰措施 为提高单片机本身的可靠性。近年来单片机的制造商在单片机设计上 采取了一系列措施以期提高可靠性。这些技术主要体现在以下几方面。 1.降低外时钟频率 外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产 生对外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用 系统中，选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一。以8051 单片机为例，最短指令周期1μs时，外时钟是12MHz。而同样速度的Motorola 单片机系统时钟只需4MHz，更适合用于工控系统。近年来，一些生产8051 兼容单片机的厂商也采用了一些新技术，在不牺牲运算速度的前提下将对外时钟的需求 降至原来的1/3。而Motorola 单片机在新推出的68HC08 系列以及其16/32 位单片机中普遍采用了内部琐相环技术，将外部时钟频率降至32KHz，而内部总线速度却提高到8MHz 乃至更高。 2.低噪声系列单片机 传统的集成电路设计中，在电源、地的引出上通常将其安排在对称的两边。如左下角是地，右下角是电源。这使得电源噪声穿过整个硅片。改进的技 术将电源、地安排在两个相邻的引脚上，这样一方面降低了穿过整个硅片的电流，一方面使外部去耦电容在PCB 设计上更容易安排，以降低系统噪声。另一个在集成电路设计上降低噪声的例子是驱动电路的设计。一些单片机提供若干 个大电流的输出引脚，从几十毫安到数百毫安。这些大功率的驱动电路集成到 单片机内部无疑增加了噪声源。而跳变沿的软化技术可消除这方面的影响，办 法是将一个大功率管做成若干个小管子的并联，再为每个管子输出端串上不同 等效阻值的电阻。以降低di/dt。
外军通信抗干扰发展趋势 1、跳频通信装备抗跟踪干扰能力日益提高，抗跟踪干扰已由定频通信抗自动瞄准式干扰发展到跳频抗跟踪干扰 外军提高跳频通信抗跟踪干扰能力的技术动态主要有两个方面，一是适当提高跳速，二是采用变速跳频。外军大部分20世纪80年代的跳频通信装备为中低跳速跳频，较新的跳频通信装备采用了中高跳速跳频，如美国的HF-2000，CHESS，HA VE-QUICKIIA，JTIDS及MILSTAR，瑞典的TRC-350，法国的ALCALTEL111等。值得注意的一点是外军有些跳频通信装备大幅度提高跳速并不是以提高抗跟踪干扰能力为出发点的，其主要目的是利用相应的技术体制，由高跳速提高数据传输速率，如：CHESS系统和JTIDS等。另外，提高跳速后，还将给交织和纠错带来方便。当然，提高跳速也会引起其他问题，需要综合考虑。变速跳频是抵抗跟踪干扰的有效措施之一，外军现役跳频电台中也有所采用，但还多是半自动变速或有限种跳速随机变速，有些是通过信令实现跳速牵引，还没有实现真正意义上的变速跳频，这里将其称为准变速跳频，如法国的ERM-9000，TRC-9600，南非的TRC-1600，TRC-600以及瑞典的SFH-41等。 2、跳频通信装备抗阻塞干扰技术逐步成熟 最初提出跳频抗干扰体制，实际上是基于频率分集原理，并以提高跳速为代价实现抗阻塞干扰为出发点的。后来由于数据传输速率越来越高，常规跳频体制的跳速难以适应，形成了实际上的慢跳频（无论绝对跳速多高）。因此，抗阻塞干扰能力一直是跳频通信的重要问题。长期以来很多国家都致力于跳频通信抗阻塞干扰技术的研究，有些成果已得到成功的应用。外军实用化研究成果主要有短波采用自适应选频与跳频相结合的体制，将经过LQA（链路质量分析）选出的最佳或准最佳频率作为跳频频率表生成的基准，如美国的SCl40、英国PATHER-2000、以色列的HF-2000，TRl78、法国的TRC-350H、南非的HF-6000，TRl78A/B，TR390以及瑞典的TRC-350等；超短波采用具有FCS（free channel searce）功能的跳频体制，在一般窄带干扰情况下，使用常规跳频，在遇到宽带阻塞干扰时，自动转到FCS功能，在当前最佳频点上定频工作，一旦宽带干扰消失，又可回到跳频方式上工作，如法国的PR4G、比利时的BAMS等；UHF波段采用了频率自适应与跳频相结合的体制，即在跳频通信过程中自动检测和删除受干扰频率，使系统在无干扰或干扰较弱的频点上跳频，如瑞典的RL-401系列跳频接力机等，但该跳频机在干扰严重时，无更有效的措施，只是自动回到常规跳频状态。 3、扩展频段成为通信抗干扰新的发展趋势 拓宽现有频段、发展多频段，不仅有利于协同通信和全谱作战，还有利于提高跳频通信抗阻塞干扰能力。在拓宽频段方面，外军少数短波电台的频段范围已拓宽到116～50MHz，如美国的M508，RF-500，AN/PRC-132短波电台等；少数超短波电台的频段范围拓宽到30～108 MHz，如比利时的BAMS、荷兰的PRC/VRC-8600、德国的SEMl73/183/193、以色列的CNR-9000、英国的PANTHER-V、法国的PR4G系列电台等，增加了20MHz的带宽。在开发新频段方面，成效显著，最具代表性的是美国的MILSTAR卫星通信系统，采用宽带亚毫米/毫米波，实现宽带高速跳频，跳频带宽达2 GHz。在研制多频段通信抗干扰装备方面更是如火如荼，电台以HF/VHF/UHF三个频段的综合运用为典型特征。如美国的AM-7177A/ARC-182（V），MBITR，MXF-610，MBMMR，SPEAKEASY，英国的SWORDFISH，BOWMAN，南非的MATADOR，TRC-1600，TR600，加拿大的AN/GRC-512（V）等，多频段接力机主要有美国的AMLD4，AMLA3，AN/GRC-226，法国的TFH-150，TFH-701，瑞典的RL401/422，俄罗斯的捷标坦特系列接力机等。 4、提高短波跳频数据速率取得突破进展 自从短波通信出现以来，由于通信体制、器件、信道带宽及天波传输特性等原因，短波
抗干扰技术 在电路设计当中，抗干扰占有一个特别重要的地位。在一切的电子技术当中，都是重点。（或许你会说你是玩单片机的，感觉没这方面的必要，其实是因为数字电路就两种信号，一个高电平，一个低电平，本身就有一定的抗干扰性能，而模拟信号是连续的，容易被干扰，这也是现在的产品都数字化的原因之一，但是玩单片机的就不玩模拟信号？加点抗干扰技术以防万一也没错吧！）举个例子来说，如果要放大一个微弱的信号，当电源不是很好，有较大的纹波，经常4.5V到6V之间跳，工频信号又很强，你的电路有没有什么防护措施，你想想，当这个信号到最后，还是你想要的信号吗？打个比方，如果唐僧身边没有那么多能干的徒弟，菩萨，神仙，他到得了西天吗？那些妖精就是干扰源，徒弟什么的就是抗干扰措施，当然唐僧自身也有一定的抗干扰能力。这就是我们要讲的抗干扰技术。（请各位懒人直接跳到最后的总结） 理论上来说，抗干扰分为3个方面：1、干扰源。2、传输途径。3、敏感原件。也就是我们需要下功夫的地方。按照优先考虑的顺序，也是如上的1、2、3。你要是能把干扰抑制在源头，扼杀在摇篮里，那就不用其他的措施了。但是干扰源来自四面八方，说不定自己后院还起火（比如运放的自激振荡），所以3个方面都是需要加强的。 一般来说，电源的干扰时最普遍的，所以电源做得好就是一切的基础，尽量降低电源的纹波系数，电容可以滤去交流信号，因此在一些用运放的地方电源和地端可以并联10uF、1uF、0.1uF的电容，以滤去不同频率的波。小电容通低频，大电容通高频，但注意电解电容不要正负极接反了，那样也会产生噪声。再就是布线时，电源线和地线要尽量粗点（减小导线的电阻），避免90°折线；模拟电路和数字电路用不同的电源，；数字电路与模拟电路避免使用公共地线；最多模拟地与数字地仅有一点相连，信号连接时，可用光电隔离，防止互相干扰。接地线越短越好，避免地线形成环路。 在传输途径上下功夫，各模块之间连接线尽量短，远离干扰；高频信号传输可使用同轴电缆或多芯屏蔽电缆，对可能的干扰源输出线进行滤波，产生噪声的导线与地线绞合，信号地线、其它可能造成干扰的电路的地线分开，敏感电路加屏蔽罩（屏蔽罩是要接地才有用的），把干扰源围闭在屏蔽罩内也是允许的。隔离也是常用的，隔离分变压器隔离，继电器隔离，光电隔离，光电隔离比较常用。 有的继承电路 而加强自身的抗干扰性能，大部分是靠原件本省的性质和所用的材料等等，我们自己难以决定。 总而言之，想要抗干扰，可采取以下措施： 1、提高电源的稳定性，减小纹波。各个模块的电源可以和地之间用不同的电容 相连。 2、在信号线容易受到干扰的地方，使用滤波电路。 3、各级模块相连的信号线尽量短，也可以用同轴电缆相连。 4、使用屏蔽盒屏蔽各个模块，或者干扰源。 5、模拟电路与数字电路使用不同的电源，信号之间使用光电隔离。 6、布线时，避免地线成环状，接线尽量短，但避免交叉、飞线。各种模块布局 时分开，模拟电路与数字电路分开。电源线与地线要尽量粗一点。原件排列
如何提高抗干扰性能 搞过产品的朋友都有体会，一个设计看似简单，硬件设计和代码编写很快就搞定，但在调试过程中却或多或少的意外，这些都是抗干扰能力不够的体现。 下面讨论一下如何让你的设计避免走弯路： 抗干扰体现在2个方面，一是硬件设计上，二是软件编写上。 这里重点提醒：在MCU设计中主要抗干扰设计是在硬件上，软件为辅。因为MCU的计算能力有限，所以要在硬件上花大工夫。 看看干扰的途径： 1：干扰信号干扰MCU的主要路径是通过I/O口，一是影响了MCU的数据采集，二是影响内部其它寄存器。 解决方法：后面讨论。 2：电源干扰：MCU虽然适应电压较宽（3-5。5V），但对于电源的波动却很敏感，比如说MCU可以在3V电压下稳定工作，但却不能在电压在3V-5。5V波动的情况下稳定工作。 解决方法：用电源稳压块，做好电源的滤波等工作，提示：一定要在电源旁路并上0。1UF 的瓷片电容来滤除高频干扰，因为电解电容对超过几十KHZ的高频干扰不起作用。 3：上下电干扰：但每个MCU系统在上电时候都要经过这样一个过程，所以要尤其注意。MCU虽然可以在3V电压下稳定工作，但并不是说它不能在3V以下的电压下工作，当然在如此低的电压下MCU是超不稳定状态的。在系统加电时候，系统电源电压是从0V上升到额定电压的，比如当电压到2V时候，MCU开始工作了，但这时是超不稳定的工作，极容易跑飞。 解决方法：1让MCU在电源稳定后才开始工作。PIC在片内集成了POR（内部上电延时复位），这功能一定要在配置位中打开。 外部上电延时复位电路。有多种形式，低成本的就是在复位脚接个阻容电路。高成本的是用专用芯片。这方面的资料特多，到处都可以查找。 最难排除的就是上面第一种干扰，并且干扰信号随时可以发生，干扰信号的强度也不尽相同。但它们也有相同点：干扰信号也遵循欧姆定律，干扰信号偶合路径无非是电磁干扰，一是电火花，二是磁场。 其中干扰最厉害的是电火花干扰，其次是磁场干扰。电火花干扰表现场合主要是附近有大功率开关、继电器、接触器、有刷电机等。磁场干扰表现场合主要是附近有大功率的交流电机、变压器等。 解决方法： 第一点：也是最经典的，就是在PCB步线和元件位置安排上下工夫，这中间学问很多，说几天都说不完^^。 二：综合考虑各I/O口的输入阻抗，采集速率等因素设计I/O口的外围电路。 一般决定一个I/O口的输入阻抗有3种情况： A：I/O口有上拉电阻，上拉电阻值就是I/O口的输入阻抗。 一般大家都用4K-20K电阻做上拉，（PIC的B口内部上拉电阻约20K）。 由于干扰信号也遵循欧姆定律，所以在越存在干扰的场合，选择上拉电阻就要越小,因为干扰信号在电阻上产生的电压就越小。 由于上拉电阻越小就越耗电，所以在家用设计上，上拉电阻一般都是10-20K，而在强干扰场合上拉电阻甚至可以低到1K。 （如果在强干扰场合要抛弃B口上拉功能，一定要用外部上拉。）
移动通信的基本技术之抗干扰措施 在第三代移动通信系统中除了大量的环境噪声和干扰以外，还有大量的电台产生的干扰，如邻道干扰、公道干扰和互调干扰，更重要的是第三代移动通信系统的主流标准（WCDMA、CDMA2000等）都采用了码分多址方式，CDMA码分多址系统是一个干扰受限制系统，在信息的传输中，存在着多址干扰，多径干扰和远近效应。那么为了保证网络的畅通运行，我们也采用了第三代移动通信系统采用的相关抗干扰技术进行处理。这些技术包括：空分多址（SDMA）智能天线技术，用于抗多径干扰的RAKE接收技术，抗多址干扰的联合检测技术，并对这些技术在特定系统中的性能进行了仿真。 首先介绍一下智能天线技术，智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线是一种空分多址技术,主要包括两个方面：空域滤波和波达方向（DOA）估计。空域滤波（也称波束赋形）的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。 智能天线通过自适应算法控制加权，自动调整天线的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而在有用信号方向形成主波束，达到抑制干扰的目的。加权系数的自动调整就是波束的形成过程。智能天线波束成型大大降低了多用户干扰，同时也减少了小区间干扰。 比起只能智能天线技术抗多径干扰的RAKE接受技术又有哪些技术有点呢？智能天线抑制干扰的能力在多数情况下受天线阵元个数的限制，且当感兴趣信号存在多个非相关多径时，阵列只保留其中的一路信号，而把零陷对准其它信号，这样，阵列能够减小由非相关多径带来的干扰，但未能发挥路径分集的优势，因而是次最优的。为此，联合时域和空域处理的接收技术成为研究的热点。 当信道存在多径时延扩展，且时延大于一个码片周期时，这些多径信号既是多径干扰，又是一些有价值的分集源,由此产生了2D-RAKE接收机。目前2D-RAKE接收机讨论最多的是应用在WCDMA上行链路。 空时RAKE接收机首先对存在角度扩展的多个路径分量进行波束成型，以降低DOA可分辨的其它用户信号产生的多址干扰或期望信号的非相关多径分量，然后将经过空间滤波后的信号送入RAKE合并器，以充分利用延迟可分辨的期望信号的多个路径的能量。空间波束形成旨在衰减干扰信号，而时间多径合并旨在利用有用信号。 与时域和空域一维干扰抑制不同的是，空时二维干扰抑制不再使用强迫置零条件，而是考虑噪声的存在，使用优化准则。空时处理有名的优化准则有两个，一个是空时最小均方误差准则，另外一个是空时最大似然准则 我们介绍的第三种抗干扰技术是联合检测技术 传统的接收技术是针对某一用户进行信号检测而把其他用户作为噪声加以处理，在用户数增多时，导致了信噪比恶化，系统性能和容量都不如人意。联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号及其多径的先验信息（信号之间的相关性时已知的：如确知的用户信道码，各用户的信道估计），把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量，并削弱了“远近效应”的影响。 每一样技术都有其优缺点，那么我们是否能将其结合，使技术更优化，让其在抗干扰方面体现的效果更为明显呢？ 那就是智能天线与联合检测的结合（ＳＡ＋ＪＤ）， 其主要用于ＴＤ－SCDMA系统中，TD-SCDMA系统结合使用了智能天线和联合检测技术：1）智能天线消除小区间干扰，联合检测消除小区内干扰，两者配合使用；2）智能天线缓解了联合检测过程中信道估计的不准确对系统性能恶化的影响；3）当用户增多时，联合检测的计算量非常大，智能天线的使用减少了潜在的多用户; 4）智能天线的阵元数有限，对于M个阵元的智能天线只能抑制M-1个干扰源，而且所形成的副瓣对其它用户而言仍然是干扰，只能结合联合检测来减少这些干扰；5）在用户高速移动下，TDD模式上下行采用同样空间参数使得波束成型有偏差；用户在同一方向时，智能天线不能起到作用；还
如何解决单片机的抗干扰问题 随着单片机的发展，单片机在家用电器、工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域的应用越来越广泛。然而处于同一电力系统中的各种电气设备通过电或磁的联系彼此紧密相连，相互影响，由于运行方式的改变，故障，开关操作等引起的电磁振荡会波及很多电气设备。这对我们单片机系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大损失。因此单片机的抗干扰问题已经成为不容忽视的问题。 1 干扰对单片机应用系统的影响 1.1测量数据误差加大 干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在测量信号上，会使数据采集误差加大。特别是检测一些微弱信号，干扰信号甚至淹没测量信号。 1.2 控制系统失灵 单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制误差加大，甚至控制失灵。 1.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM等 在单片机系统中，程序及表格、数据存在程序存储器EPROM或FLASH中，避免了这些数据受干扰破坏。但是，对于片内RAM、外扩RAM、E2PROM 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。 1.4 程序运行失常 外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的PC 值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或死机。 2 如何提高我们设备的抗干扰能力 2.1 解决来自电源端的干扰
从六方面提高单片机系统的抗干扰能力 干扰问题，一直是电力设备仪器的一个难点。对于单片机也不例外。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大损失。因此单片机的抗干扰问题已经成为不容忽视的问题。单片机的干扰问题，一般可以从六个方面来解决。 模拟信号采样干扰 单片机应用系统中通常要对一个或多个模拟信号进行采样，并将其通过A/D转换成数字信号进行处理。为了提高测量精度和稳定性，不仅要保证传感器本身的转换精度、传感器供电电源的稳定、测量放大器的稳定、A/D转换基准电压的稳定，而且要防止外部电磁感应噪声的影响，如果处理不当，微弱的有用信号可能完全被无用的噪音信号淹没。在实际工作中，可以采用具有差动输入的测量放大器，采用屏蔽双胶线传输测量信号，或将电压信号改变为电流信号，以及采用阻容滤波等技术。 数字信号传输通道的干扰 数字输出信号可作为系统被控设备的驱动信号（如继电器等），数字输入信号可作为设备的响应回答和指令信号（如行程开关、启动按钮等）。数字信号接口部分是外界干扰进入单片机系统的主要通道之一。在工程设计中，对数字信号的输入/输出过程采取的抗干扰措施有：传输线的屏蔽技术，如采用屏蔽线、双胶线等；采用信号隔离措施；合理接地，由于数字信号在电平转换过程中形成公共阻抗干扰，选择合适的接地点可以有效抑制地线噪声。 硬件监控电路的干扰 在单片机系统中，为了保证系统可靠、稳定地运行，增强抗干扰能力，需要配置硬件监控电路，硬件监控电路从功能上包括以下几个方面： （1）上电复位：保证系统加电时能正确地启动； （2）掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，产生复位信号对系统进行复位； （3）电源监测：供电电压出现异常时，给出报警指示信号或中断请求信号； （4）硬件看门狗：当处理器遇到干扰或程序运行混乱产生“死锁”时，对系统进行复位。 解决来自电源端的干扰 单片机系统中的各个单元都需要使用直流电源，而直流电源一般是市电电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后产生的，因此电网上的各种干扰便会引入系统。除此之外，由于交流电源共用，各电子设备之间通过电源也会产生相互干扰，因此抑制电源干扰尤其重要。电源干扰主要有以下几类： 1.电源线中的高频干扰（传导骚扰） 供电电力线相当于一个接受天线，能把雷电、电弧、广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合到次级，形成对单片机系统的干扰；解决这种干扰，一般通过接口防护；在接口增加滤波器、或者使用隔离电源模块解决。 2.感性负载产生的瞬变噪音（EFT） 切断大容量感性负载时，能产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪音干扰，成为电磁干扰的主要形式；解决这种干扰，一般通过屏蔽线与双胶线，或在电源接口、信号接口进行滤波处理。这二种方法都需要在系统接地良好的情况下进行，滤波器、接口滤波电路都必须良好的接地，这样才能有效的将干扰泄放。 软件抗干扰原理及方法 尽管我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因错综复杂，且具有很大的
提高变电所自动化系统可靠性的措施 一、概述 变电所综合自动化系统具有功能强、自动化水平高、可节约占地面积、减轻值班员操作及监视的工作量、缩短维修周期以及可实现无人值班等优越性。这已为越来越多的电力部门的专家和技术人员所共识。但一方面，由于它是高技术在变电所的应用，是一种新生事物，很多人对它还不够了解，因此也不放心。特别是目前不少工作在变电所第一线的技术人员与运行人员，对综合自动化系统的技术和系统结构还不了解，对其可靠性问题比较担心。另一方面，变电所综合自动化系统内部各个子系统都为低电平的弱电系统，但它们的工作环境是电磁干扰极其严重的强电场所，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，没有采取必要的措施，这样的综合自动化系统在强电磁场干扰下，也确实很容易不能正工作，甚至损坏元器件。因此，综合自动化系统的可靠性是个很重要的问题。 可靠性是指综合自动化系统内部各子系统的部件、元器件在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的能力。不同功能的自动装置有不同的反映其可靠性的指标和术语。例如，保护子系统的可靠性通常是指在严重干扰情况下，不误动、不拒动。远动子系统的可靠性通常以平均无故障间隔时间MTBF来表示。 提高综合自动化系统可靠性的措施涉及的内容和方面较多，本章将从电磁兼容性、抗电磁干扰的措施和自动化系统本身的自纠错和故障自诊断等方面讨论提高变电所综合自动化系统的可靠性措施问题。 二、变电所内的电磁兼容 (一)电磁兼容意义 变电所内高压电器设备的操作、低压交、直流回路内电气设备的操作、雷电引起的浪涌电压、电气设备周围静电场、电磁波辐射和输电线路或设备短路故障所产生的瞬变过程等都会产生电磁干扰。这些电磁干扰进入变电所内的综合自动化系统或其他电子设备，就可能引起自动化系统工作不正常，甚至损坏某些部件或元器件。 电磁兼容的意义是，电气或电子设备或系统能够在规定的电磁环境下不因电磁干扰而降低工作性能，它们本身所发射的电磁能量不影响其他设备或系统的正常工作，从而达到互不干扰，在共同的电磁环境下一起执行各自功能的共存状态。
根据国际电工委员会IEC1158定义,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。当今全球最流行的现总线有FF总线(FieldbusFoundation）、Profibus、Modbus等,在造纸行业,ABB公司AF100应用也很多。但是无论哪一种现场总线,都是数字信号,当在介质上传输时,由于干扰噪音的原因,使得“1”变成了“0”,“0”变成了“1”,从而影响现场总线性能,以至于不能正常工作。因此研究现场总线的抗干扰问题并提高现场总线的抗干扰能力非常重要。 1 纸机车间存在的干扰源 (1)纸机传动系统是纸机车间最大的干扰源。纸机传动系统的总负荷约占造纸车间总负荷的1/3以上,在系统的整流和逆变中,大功率电力电子元器件(IGBT等)高速开和关转换,产生大量的高频电磁波,污染整个车间,并且产生大量高次谐波,污染工频电网。 (2)变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备。这些设备均为工频,频率较低,干扰一般发生在近场,而近场中随着干扰源的特性不同,电场分量和磁场分量有很大差别。特别是动力设备启动时,瞬间电流能够达到额定电流的6~1倍,会产生大电流冲击的暂态干扰。 (3)来自工频电源的干扰。工频电源波形畸变和高次谐波若未加隔离或滤波,便会通过向纸机控制系统供电而进入控制系统,影响现场总线的信号。 (4)导线接触不良产生的火花、电弧等。 (5)三相供电不平衡产生的地电流、屏蔽层不共地产生的接地环流。 2 干扰的传播途径 (1)由导线传输,称为传导干扰。在现场总线中,主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。 (2)通过空间以辐射的形式传输,称为辐射干扰。 3 现场总线的抗干扰措施 (1)远离干扰源动力设备和电力电缆对现场总线的干扰,与距离的平方成反比,即随距离的增大,干扰衰减非常快。所以,现场总线设备远离用电设备,现场总线电缆与动力缆分层桥架布置,都能起到很好的防干扰作用。远离干扰源,是防止辐射干扰的重要措施。 (2)现场总线设备和电缆的屏蔽现场总线屏蔽的机理,一是外来电磁波在金属表面产生涡流,从而抵消原来的磁场;二是电磁波在金属表面产生反射损耗,另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中,衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地,来切断干扰源。 (3)采用UPS电源或隔离变压器可防止来自工频电源的干扰。 (4)采用光缆传输信号在现场总线传输速度高!传输距离远干扰大的情况下,尽可能地采用光缆。采用光缆后,有效解决了辐射扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间,或者在
单片机系统的抗干扰 抗干扰问题是单片机控制系统工程实现中须解决的关键问题之一。对干扰产生的机理及其抑制技术的研究，受到国内外普遍重视。大约在50年代，就开始了对电磁干扰的系统研究，逐步形成了以研究干扰的产生、传播、抑制和使装臵在其所处电磁环境中既不被干扰又不干扰周围设备，从而都能长期稳定运行等为主要内容的技术学科—电磁兼容技术、EMC技术。 按国家军用标准GJB 72—85《电磁场干扰和电磁兼容性名词术语》其定义为：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一齐执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统），因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。” 一、干扰的作用机制及后果 干扰对单片机系统的作用可分为三个部分，第一个部位是输入系统，它使模拟信号失真，数字信号出错，系统如根据该信号做出的反应必然是错误的。第二个部位是输出系统，使各输出信号混乱，不能正常反映系统的真实输出量，从而导致一系列严重后果。第三个部位是单片机的内核，干扰使三总线上的数字信号错乱，使CPU工作出错。 对单片机系统而言，抗干扰有硬件和软件措施，硬件如设臵得当，可将绝大多数的干扰拒之门外，但仍然有部分的干扰窜入系统，引起不良后果，因此，软件抗干扰也是必不可少的。但软件抗干扰是以CPU的开销为代价的，如果没有硬件措施消除大部分的干扰，CPU将忙于应付，会影响到系统的实时性和工作效率。成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合而构成的。硬件抗干扰具有效率高的优点，但要增加系统的成本和体积，软件抗干扰具有投资低的优点，但要降低系统的工作效率。 由于应用系统的工作现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程将对单片机产生强烈的干扰；也由于被控制对象和被测信号往往分布在不同的地方，即整个控制系统的各部分之间有较远的距离，信号线和控制线均可能是长线，这样电磁干扰就很容易以不同的途径和方式混入应用系统之中。如果上述来源于生产现场的干扰称为系统内部的干扰源的话，那么还有来源于现场以外的所谓外部干扰源，如外电源（如雷电）对电网的冲击，外来的电磁辐射等。 不管哪种干扰源，对单片机的干扰总是以辐射、电源和直接传导等三种方式进入的，其途径主要是空间、电源和过程通道。按干扰的作用形式分类，干扰一般有串模干扰和共模干扰两种。抗干扰的方法则针对干扰传导的源特征和传导方式，采取抑制源噪声，切断干扰路径，和强化系统抵抗干扰等三种方式。 控制干扰源的发射，除了从源的机理着手降低其产生电磁噪声的电平之外，广泛的应用着屏蔽（包括隔离）、滤波与接地技术。屏蔽主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。此三种耦合分别对应于采取的静电屏
【摘要】短波电台是部队通信装备中应用最多的设备，针对日益复杂的电磁应用环境和通信对抗挑战，本文从技术和使用角度阐述了电台通信抗干扰的几点措施。 【关键词】短波电台通信抗干扰 短波通信通常是指利用波长为100―10m （频率为3―30mhz）的电磁波进行的无线电通信。目前也有把中波的高频段（1.5―3mhz）归到短波波段中去，所以现有的许多短波通信设备，其波段范围往往扩展到1.5―30mhz。在许多国家，也把短波通信认为是高频（hf）无线电通信。 多年来，短波通信被广泛地用于政府、军事、气象、商业等部门，用以传送语言、文字、图像、数据等信息。尤其在军事部门，它始终是军事指挥通信的重要手段之一，是军事指挥决策部门与下级所属单位有效沟通和信息传递的重要工具，也是构建我军c4i指挥体系的重要环节，在现代日益复杂的战场环境下，如何提高电台抗干扰能力，保护己方通信畅通尤为迫切。 一、短波通信干扰类型 能够对设备形成干扰的前提是在时间域对齐，频率域对准，空间域相同，能量域足够，这是干扰的总体原则，具体到各个干扰样式和原理，则有不同的表现形式，通信干扰主要有以下几种类型： 以上几种干扰措施是以前常用的干扰方式，随着通信设备的发展，有些干扰方式现在已基本不再使用，比如单频干扰或窄带连续波干扰，随着军事电台大量采用抗干扰措施，现在已少见单频电台干扰，但宽带噪声干扰、多音干扰和脉冲干扰、扫频干扰仍然应用较多。 此外，为了对抗跳频扩频通信、直接伪码序列扩频通信和混合扩频通信抗干扰能力强的新体制通信系统，出现了一些新的通信对抗技术样式，如宽带拦阻式干扰、跟踪引导式干扰、快速转发式干扰、部分频带噪声干扰等。这些新的干扰样式必须引起我们足够的重视，寻扎相应的对抗策略。 二、短波通信抗干扰技术 通信抗干扰技术的体系、方法、措施可分为4类： （1）以扩频技术为主的频域抗干扰技术，如直接序列扩频（ ds-ss），其关键参量是时间函数的相位；跳频（ fh）的关键参量是时间函数的载频；ds/ fh混合扩频技术；自适应选频技术，当通信信道干扰严重时，通信双方同时改换到最优化频道；自适应频域滤波技术。其中，跳频技术是目前军事通信抗干扰技术中应用最广泛、最有效措施之一，其原理是信息码同伪随机码模相加后，去离散地控制射频载波振荡器输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。跳频技术抗干扰能力得益于信号载波频率在很宽的频带内跳变，使干扰方难以跟瞄，但其瞬时带宽同定频一样。现阶段，中高速跳频技术仍是对付跟踪（引导）式和宽带阻拦式干扰的有效措施。有效提高跳频抗干扰效率的方法是：提高跳频速率、加大跳频带宽、变速跳频、适当增加跳频组网数目。跳频带宽宽，可跳频道数多，抗干扰能力就愈强。对于宽带阻拦式干扰来说，干扰效率与干扰的带宽成正比。例如对于10mhz中频带宽，信道间隔25 khz，共400信道，当干扰机对该跳频台实施10 mhz拦阻式干扰时，干扰功率平分在400个信道上，干扰强度仅为定频干扰的1/ 400。若带宽再增加，抗干扰力会更强。当前，跳频通信电台朝着跳频速率更快，跳频带宽更宽、智能化跳频的方向发展。 （2）以自适应时变和处理技术为主的时域抗干扰技术，含猝发通信、低速率通信技术、跳时（th）技术、自适应信号功率管理技术。跳时就是一种时分信道，用伪随机码随机选择信道工作时间，可视为一种伪码调制系统，它具有很好的远近效应一致性，模拟和数字体制都可使用。跳时的优点是用时间的合理分配来避开干扰，干扰机必须连续发射才可能收到效果，增大了干扰代价，也就具有一定的抗干扰能力。猝发通信是首先将正常速率的信息存贮
抗干扰措施的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。 1、抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源的常用措施如下： （1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。 （2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。 （3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 （4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。 （5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。 （6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。 2、切断干扰传播路径的常用措施 （1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。 （3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。 （4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。 （5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。 （7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。
单片机和数字电路怎么抗干扰 形成干扰的基本要素有三个： (1)干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 (2)传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 (3)敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。 抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。(类似于传染病的预防) 1、抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源的常用措施如下： (1)继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。 (2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF)，减小电火花影响。 (3)给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 (4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。 (5)布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。 (6)可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，
时间：来源： 前言 作为工业自动化核心部件地称重仪表，不同于商用衡器，往往面临更复杂地工况.对于拌和站电磁环境比较恶劣地情况下，一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作或在错误状态下运行，造成地后果往往是很严重地.因此对抗干扰性能地了解是称量仪表选型地关键.我们在对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司生产地与和其它同类厂家产品进行反复比较过程中，获得了一个好单片机系统（称重仪表）应具备地抗干扰性能方面地分析经验.在此与同行分享，希望以此促进行业技术水平地提高.资料个人收集整理，勿做商业用途 仪表电磁兼容性（）是一项重要指标，它包含系统地发射和敏感度两方面地问题.如果一个单片机系统符条件合下面三个条件，则该系统是电磁兼容地：资料个人收集整理，勿做商业用途 .对其他系统不产生干扰； .对其他系统地发射不敏感； .对系统本身不产生干扰； 假若干扰不能完全消除，但也要使干扰减少到最小.干扰地产生不是直接地（通过导体、公共阻抗耦合等），就是间接地（通过串扰或辐射耦合）.电磁干扰地产生是通过导体和通过辐射，很多磁电发射源、如光照、继电器、电机和日光灯都可以引起干扰；电源线、互连电缆、金属电缆和子系统地内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望地信号.在高速单片机系统中，时钟电路通常是宽带噪声地最大产生源，这些电路可产生高达地谐波失真，在系统中应该把他们去掉.另外，在单片机系统中最容易受影响地是复位线，中断线和控制线.资料个人收集整理，勿做商业用途 .干扰地耦合方式 （）传导性 一种最明显而往往被忽略地能引起电路中噪声地路径是经过导体.一条穿过噪声环境地导线可检拾噪声并把噪声送到其他电路引起干扰.设计人员必须避免导线检拾噪声和在噪声引起干扰前用去耦办法去除噪声.最普通地例子是噪声通过电源进入电路.若电源本身或连接到电源地其他电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦.资料个人收集整理，勿做商业用途 （）公共阻抗耦合 当来自两个不同电路地电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合.阻抗上地压降由两个电路决定，来自两个电路地地电流流过共地阻抗.电路地地电位被电流调制，噪声信号或补偿经共地阻抗从电路耦合到电路.资料个人收集整理，勿做商业用途 （）辐射耦合 经辐射地耦合通称串扰.串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近地导体中感应瞬态电流. （）辐射发射 辐射发射有两种基本类型；差分模式（）和共模（）.共模辐射或单极天线辐射是由无意地压降引起地，它使电路中所有地连接抬高到系统电地位之上.就电场大小而言，辐射是比辐射更为严重地问题.为使辐射最小，必须用切合实际地设计使共模电流降到零.资料个人收集整理，勿做商业用途 .影响地因数