第五章 智能化测量控制仪表的抗干扰措施.ppt

1,第五章 智能化测量控制仪表的抗干扰措施,2,智能化测量控制仪表主要应用于实际的工业生产过程功能，而工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰严重。有些干扰有时会严重损坏仪表的器件或程序，导致仪表不能正常运行。为保证仪表的可靠工作，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。主要包括硬件抗干扰和软件抗干扰技术。,3,5.1 干扰源,干扰信号主要通过3个途径进入仪表内部： 电磁感应、传输通道和电源线。一般地，经电磁感应进入仪表的干扰在强度上远远小于从传输通道和电源线进入的干扰，对于电磁干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”来解决。这里面的抗干扰措施主要指的是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。,4,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,串模干扰——干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上，主要来自高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；,5,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图 5.1 串模干扰示意图,6,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,通过电磁和静电耦合所产生的感应电压有可能大到与被测信号相同的数量级，甚至超过；由于测量系统的采样时间短，工频感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压，这种干扰信号与有效直流信号一起被采样和放大，造成有效信号失真。,7,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,串模干扰的其他来源：信号源本身固有的漂移、纹波和噪声以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等。,8,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,共模干扰——输入通道两个输入端上共有的干扰电压。可以是直流电压或交流电压，幅值可达几伏甚至更高，取决于干扰的环境条件和仪表的接地情况。共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。,9,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,由于共模干扰不和信号相叠加，不直接对仪表产生影响。但能通过测量系统形成到地的泄漏电流，这漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。,10,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图 5.2 共模干扰示意图,Vs+Vcm,Vcm,Vcm是转换器输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。,11,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,在测量电路中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种方式。对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，必须采用双端不对地输入方式。,12,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图 5.3 被测信号的输入方式之单端对地输入方式,信号源的内阻,输入阻抗,13,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,,,,,输入通道,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ZS1,ZS2,Zcm2,Zcm1,A,B,,,,,,,ZS1 和ZS2 是信号源的内阻,Zcm1 和Zcm2 是输入阻抗,图 5.3 被测信号的输入方式之双端不对地输入方式,14,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,当ZS1=ZS2和Zcm1=Zcm2时，VAB=0，表示无共模干扰； 但实际是无法满足上述条件的，只能ZS1接近ZS2和Zcm1接近Zcm2，因此VAB不为零，总是存在共模干扰的。,15,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,并且，ZS1和ZS2越小，Zcm1和Zcm2越大，共模干扰的影响就越小。通常，共模干扰电压Vcm总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间,16,5.1.2数字电路的干扰,在数字电路的元件与元件之间、导线与导线之间、导线与元件之间、导线与结构件之间都存在着分布电容。若某个导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，该现象称为电容性耦合。由实际例子分析电容耦合的特点：,17,5.1.2数字电路的干扰,图 5.4 平行导线的电容耦合,,VB,,等效电路,分布电容,对地电阻,18,5.1.2数字电路的干扰,CBD,CAB,VS,,,,,,,,,,,,,,,,,R,VB,,将上式简化：,（1）当R很大时，即,VB与信号电压频率基本无关，正比于CAB和CBD电容比，应设法减小CAB,尽可能增大两导线间的距离、避免导线平行。,19,5.1.2数字电路的干扰,（2）当R很小时，即,VB正比于CAB、R和信号幅值Vs，而且与信号电压频率w有关。应设法降低R值就能减小耦合受感回路的噪声电压。,20,5.2 硬件抗干扰措施,5.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制能力用串模抑制比NMR衡量，一般要求NMR≥40~80db。,其中，Vnm为串模干扰电压；Vnm1为仪表输入端由串模干扰引起的等效差模电压。,21,5.2.1 串模干扰的抑制,智能测控仪表中，主要的抗串模干扰措施是用低通滤波器滤除交流干扰，而对直流串模干扰则采用补偿措施。常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、 双T滤波器及有源滤波器，原理如图：,22,5.2.1 串模干扰的抑制,RC滤波器结构简单、成本低，不需调整。但串模抑制比不高，需要2～3级串联使用才能达到规定要求。且RC过大会影响系统的动态特性。,LC滤波器的串模抑制比较高，但需要绕制电感，体积大、成本高。,23,5.2.1 串模干扰的抑制,（c）双T滤波器,双T滤波器对固定频率的干扰具有很高的抑制比，但偏离该频率后NMR迅速减小。主要用来滤除工频干扰，对高频干扰无能为力。结构虽简单，但难调整。,（d）有源滤波器,有源滤波器具有较理想的频率特性，但作为输入端，有源器件的共模抑制比一般难以满足要求，本身噪声也较大。,24,5.2.1 串模干扰的抑制方法,1、 通常采用RC滤波器。选择R值时，除了满足NMR的要求，还要考虑信号源的内阻抗，兼顾共模抑制比和放大器件的动态特性要求。常采用2级阻容低通滤波器网络作为输入通道的滤波器,,屏蔽层,图5.8 两级阻容滤波网络,25,5.2.1 串模干扰的抑制,2、 用积分式 A/D转换器可以消弱周期性的串模干扰的影响。因为积分式A/D转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，当取积分周期等于主要干扰的周期或整数倍时，则可更大程度的消弱干扰信号。 3、 对主要来自于电磁感应的串模干扰，应尽可能早得对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信号噪声比；或早采取A/D转换；或采取隔离措施。,26,5.2.1 串模干扰的抑制,4、选取高抗扰度的逻辑器件，并提高其阈值电压；采取低速逻辑器件来抑制高频干扰；采用附加电容器； 5、对测量元件或变送器进行良好的电磁屏蔽，同时信号线应选用带屏蔽层的双绞线或电缆线，和良好的接地系统。,27,5.2.2 共模干扰的抑制,共模抑制能力用共模抑制比CMR表示，即式中Vcm为共模干扰电压，Vcm1是仪表输入端由共模干扰引起的等效电压。共模干扰是一种常见的干扰源，采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法。一般地，CMR可达100～160db,28,5.2.2 共模干扰的抑制方法,1、接地。通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。但是如果接地方式不恰当，将形成地回路导入干扰。如图：因此，通常，仪表回路采用在系统处单点接地。但是事实上，信号源侧对地不可能绝缘，因此，从这个意义上来说，不可能彻底的消除地电位差引进的干扰。,,29,5.2.2 共模干扰的抑制,两点接地，由于存在地电位差，因此产生共模干扰,,30,5.2.2 共模干扰的抑制,为了提高仪表的抗干扰能力，通常在低电平测量仪表中都把二次仪表“浮地”，即将二次仪表与地绝缘。以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进入。,31,5.2.2 共模干扰的抑制,2、 隔离利用变压器或光电耦合器把各种模拟信号与数字信号分开，即“模拟地”与“数字地”断开。如图：,32,5.2.2 共模干扰的抑制,图5.9 输入隔离,由于被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。,33,5.2.2 共模干扰的抑制,在实际应用中，通常将屏蔽和接地结合起来应用，往往能够解决大部分的干扰问题。将屏蔽层在信号侧与仪表侧均接地，且屏蔽层也必须一点接地。并且，信号导线屏蔽层接地应与系统接地同侧。,34,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,开关量输入/输出通道和模拟量输入/输出通道，都是干扰窜入的通道。要切断该渠道，就要去掉对象与输入/输出通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。最常见的隔离器件就是光电耦合器。,35,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,36,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,已知发光二极管的导通电流IF=10mA，正向压降VF≤1.3V，光敏三极管导通时压降VCE=0.4V。设输入“1”时，Vi=12V，并取光敏三极管导通电流IC=2mA,则： Ri=(Vi-VF)/IF=(12-1.3)/10mA=1.07k欧 RL=(VCC-VCE)/IC=(5-0.4)/2mA=2.3k欧,若光耦器选用GO103，限流电阻Ri和负载电阻RL的取值确定方法：,37,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,注意：光电耦合器的输入端和输出端必须分别采用独立的电源，否则隔离作用失去意义。变压器也可作为隔离器，但性能不及光电耦合器，但结构简单。,38,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,39,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PC1,,,,PC2,,,,,,,,,,,,+5V,+5V,+5V,+5V,,,AD14433,74LS244,CD4052,. . .,,,40,5.2.3 输入/输出通道干扰的抑制,注意：当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有信号（包括数字信号、控制信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。,41,5.2.4 电源与电网干扰的抑制,对于电源干扰,传统上采取加交流稳压器、隔离变压器和低通电源滤波器等措施,但这些措施仍不能去掉所有的电源干扰。当单片机系统电源发生瞬态欠压、瞬态脉冲干扰时,电源电压监视器能自动地检测出这些干扰脉冲,及时向单片机系统发出复位脉冲, 使单片机可靠复位。,42,5.2.4 电源与电网干扰的抑制,抑制电网干扰，采取的措施有： （1）采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源；,隔离 变压器,变阻二极管,电抗器,43,5.2.5 地线系统干扰的抑制,接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地电位差的影响，即不使其形成环路。 保证人身和设备安全的需要 抑制干扰的需要,44,5.2.5 地线系统干扰的抑制,单片机应用系统及智能化测控仪表中的地线主要有以下几种： (1) 数字地，即系统数字电路的零电位。 (2) 模拟地，是放大器、A/D转换器输入信号及采样/保持器等模拟电路的零电位。 (3) 信号地，是传感器的地。 (4) 功率地，指大电流网络部件的零电位。 (5) 交流地，50 Hz交流市电的地，它是噪声地。 (6) 直流地，即直流电源的地线。 (7) 屏蔽地，为防止静电感应和电磁感应而设计的，有时也称机壳地。,45,5.2.5 地线系统干扰的抑制,接地设计应注意以下： 低频电路的一点接地原则 高频电路的多点就近一点接地原则 强电地线与信号地线分开设置 模拟信号地线与数字信号地分开设置 电缆和接插件的屏蔽,46,5.2.5 地线系统干扰的抑制,电缆和接插件的屏蔽（1）高电平线和低电平线不要走同一条电缆。（2）高电平线和低电平线不要使用同一接插件。不得已，应分立两端，中间接高低电平引地线的备用端子。（3）设备的进出电缆的屏蔽应保持完整。电缆和屏蔽线要经接插件连接。两条以上屏蔽电缆公用一个插件时，每条电缆的屏蔽层均用一个单独接线端子，以免电流在各屏蔽层流动。,47,1．系统监控技术虽然采取了各种抗干扰措施，但由于各种原因，仍然可能出现掉电、飞程序、死机等系统完全失灵的情况。系统监控是针对上述情况而设置的一道防线，用以确保系统的可靠性。,5.3 软件抗干扰措施,48,系统监控电路完成以下任务：(1) 上电复位；(2) 监控电压变化；(3) Watchdog，即程序运行监控功能；(4) 片使能；(5) 备份电池切换；(6) 掉电保护等。,49,软件对系统的危害主要表现在：数据采集不可靠、控制失灵、程序运行失常等几个方面。为了避免上述情况发生，人们研究了许多对策。在这一节中，我们介绍几种简单易行又行之有效的软件抗干扰方法。,50,2．数字滤波提高数据采集的可靠性(1) 算术平均法。对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。一般取3-5次平均值即可。,(2) 比较取舍法。(3) 中值法。(4) 一阶递推数字滤波法。,51,3．控制状态失常的软件抗干扰措施软件冗余在条件控制中，对控制条件的一次采样、处理、控制输出，改为循环地采样、处理、控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统有良好的抗偶然因素干扰的作用。对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在不影响实时性的前提下，可采取多次读入的方法（至少读两次），认为无误后（例如两次读入结果相同）再行输入。,52,5.3.1 数字量输入输出中的软件抗干扰,数字量输入过程中的干扰，作用时间较短，因此在采集数字量信号时，可以重复采集，直到若干次采样结果一致时，才认为其有效。对于AD转换的数字量可以取平均值。对于开关量信号，必须每次采样结果一致才可。,53,5.3.2程序运行失常的软件抗干扰措施,如果干扰信号已经通过某种途径作用到仪表内部了，导致CPU不能够正常运行，引起混乱，俗称程序跑飞。,简单方法：CPU复位指令冗余,54,指令冗余：,在一些关键的地方人为的插入一些单字节的空操作指令NOP,这样当程序跑飞到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。,在对程序流向起关键作用的指令前插入2条NOP指令。,条件：1 跑飞的程序必须落到程序区；2 必须执行到所设置的冗余指令,55,1) 设立软件陷阱所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行或使飞出的程序恢复到初始状态的一系列指令。（引导指令）,例如：NOPNOPLJMP ERR,56,软件陷阱一般安排的地方：,1 未使用的中断向量区；0003H-----002FH2 未使用的大片EPROM区；3 表格-----一般在表格的最后设置；4 程序区在程序的一些断点处设置,57,例如：,JNZ XYZ . . . AJMP ABC ;断裂点 NOP NOP LJMP ERR ；陷阱 。 。 。,58,2) “看门狗”,Watchdog 的特征：（1）本身能独立工作，基本不依赖CPU。CPU只在固定时间间隔内与之打一次交道，表明整个系统“目前尚属正常”。 （2）当CPU进入死循环后，能及时发现并使整个系统复位。,59,图5.19 硬件WATCHDOG电路,硬件看门狗,60,软件看门狗：使用定时器T0设置10ms来形成软件看门狗,MOV TMOD ,#01H ;置T0方式1 SETB ET0 ；允许T0中断 SETB PT0 ；设置为高级中断 MOV TH0,#0E0H ；设初值 SETB TR0 ；启动T0 SETB EA ;开中断,在小与10ms时间内执行一次MOV TH0,#0E0H 指令，即重新设置初值。,61,本章完！！,