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1 引言 單片機在工業自動化領域有著廣泛的應用，但是單片機控制系統工作時往往會受到來自系統內部和外部的干擾，對系統的正常應用將帶來不良的影響。為了保證和提高中系統的可靠性和安全性，通過對系統干擾源及干擾的傳播途徑的研究總結出幾種實踐中常用且有效的干擾抑制技術。 2 干擾的途徑和影響 單片機控制系統在工業現場工作時都會或多或少的受到周圍電磁環境的干擾。干擾可以通過3種途徑影響系統的正常工作，即供電系統干擾、空間電磁場干擾和信號傳輸通道干擾。干擾對單片機控制系統的作用及后果也分為3個部位：一是系統的前向通道，干擾疊加在輸入信號上，使數據采集誤差增大，在傳感器小電壓信號輸入時，此現象尤為突出；二是系統的后向通道，干擾耦合在輸出信號上使輸出信號混亂，導致誤操作，并有可能引發嚴重事故；三是控制系統的內核，干擾使微處理器內核三總線上的數字信號出錯，程序指針PC發生錯誤，導致程序“跑飛”，干擾也可能竄改存儲器RAM中的數據，導致死機、系統崩潰或誤操作等嚴重后果。 3 硬件抗干擾設計 3.1 供電系統干擾及其抑制 單片機應用于工業控制系統中的電源往往與工業系統共用一個電源，各種大型電氣設備的啟停和運行都會產生很大的干擾。因此，提高供電系統的質量是非常重要的。通過分析，設計出如圖1所示的供電結構圖。電源通過給系統各個功能模塊分別供電，從而減少了公共電源和公共阻抗的相互耦合，提高了電源的抗干擾性和可靠性。 圖2為電源EMI濾波器網絡結構，是圖1中的變壓器原邊濾波電路的具體實現形式。該濾波器是由參數元件構成的無源低通網絡，其中L1 和L2是繞在同一磁環上的兩只獨立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈， L3、L4 是獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負載端接被干擾設備，那么L1 和Cy ，L2 和Cy 就分別構成L - E和N- E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。L1、L2 兩個線圈所繞匝數相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內電流產生的磁通在磁環內相互抵消，不會使磁環達到磁飽和狀態，從而使兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L1 和L2 的電感量是不相等的，于是 (L1- L2 )形成差模電感，它和L3 與L4 形成的獨立差模抑制電感與Cx 電容器又組成L - N獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。 由于圖2電路是無源網絡，它具有互易性。當它安裝在系統中后，既能有效地抑制電子設備外部的EMI信號傳入設備，又能大大衰減設備本身工作時產生的傳向電網的EMI信號，起到同時衰減兩組共模EMI信號和一組差模EMI信號的作用。 有時電源的開啟關閉、瞬時降壓及瞬時脈沖干擾會造成CPU的誤動作及數據的丟失。因此，單片機控制系統需要有完備的電源保護電路。ICTL7705和ICTL7700是兩種常用的電源電壓監視集成電路芯片，它們具有電源啟停時、瞬時短路及瞬間降壓時產生復位信號的能力，當電源電壓恢復正常后，復位信號會被自動解除，并可以在較大的范圍內設定復位脈沖的寬度。 圖3是ICTL7705與CPU連接示意圖。圖4為被監視的電壓變化及7705輸出狀態的變化。從圖4中可以看出在上電過程、瞬間電壓降和瞬間脈沖干擾，電源監視器都能正確給出復位信號。外部條件正常后，經top時間，復位脈沖解除。top由CT來設定。ts為反應時間，因為7705在500ns的短時間內就可以偵測出壓降及脈沖干擾，對于一般系統過于靈敏，可以外加RC延時網絡。 3.2 場干擾及其抑制 電磁干擾通過空間傳播的實質是干擾能量以場的形式向四周傳播。場分為近場和遠場。近場又稱感應場，如果場源是高電壓小電流的源則近場主要是電場，如果場源是低電壓大電流的源則近場主要是磁場。由于感應場傳輸能量，有隨距離成平方衰減的本性，因而其能量隨傳播距離的增加而衰減甚速；并且其強度存在方向性。所以不難想到消除這種干擾的方法，只能是調整受害設備與源之間的相對位置或屏蔽來實現。 無論場源是什么性質，當離場源距離大于λ/2π以后的場都變成了遠場，又稱輻射場。電磁輻射場能量的特點與電磁感應場的能量傳輸完全不同。輻射場能量存在方式是：電場與磁場在空間位置上共存一處、矢量上相互垂直、時間上同位相。因此可以把它看成為一能量團獨立存在，并依據左手定則永遠向前傳播，而形成輻射場，并且它的能量損耗只與其傳播距離成反比，所以它的傳播要比感應場遠得多。消除輻射干擾只能藉助于屏蔽一法。所以，對于距離較遠的系統間的電磁兼容問題，一般都用遠場輻射來分析。對于系統內，特別是同一設備內的問題基本上是近場耦合問題。 3.2.1 遠場輻射 干擾源向周圍空間的輻射發射需要根據天線與電波傳播理論來計算，下面主要介紹單片機系統中常見的幾種輻射方式。 （1）單點輻射。單點輻射主要指各向同性的較小的干擾源。 如果印制板上有多條高頻率長軌線則可能產生嚴重的輻射。由上式可知減小信號環路的面積可以減小輻射，或者增加信號的最大波長，這可以通過延長信號的上升時間來實現。同樣當供電電源環路中有高頻電流流過時，電源環路也是很好的輻射源，所以應該在高頻噪聲源處加去耦電容。給噪聲一條高頻旁路，以免流入電源環路，產生輻射。 （3）單導線輻射。當平行雙線環路中環路面積足夠小時，其差模電流產生的輻射可以忽略，而共模電流產生的輻射將成為主要因素，稱為單導線輻射。 （4）感應。周圍空間的干擾電場和磁場都會在閉合環路中產生感應電壓，從而對環路產生干擾。閉合環路產生的感應電壓于環路面積成正比，環路面積越大感應電壓越大，所以要避免外界噪聲場的干擾應盡量減小環路面積。同時還可看到頻率越高產生的感應電壓也越大，即高頻噪聲容易對 環路產生干擾。 3.2.2 近場耦合 同一設備內各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場耦合的方式處理。近場條件是離干擾源的距離小于λ/2π。近場有電場和磁場，通常把干擾源通過電場的耦合看成是電容耦合，通過磁場的耦合看成是互感耦合。對于近場耦合主要采取屏蔽的方法來減小耦合程度。 3.2.3 屏蔽 通過上面的分析，對于場的干擾可以通過屏蔽的方法加以抑制，下面將針對電場干擾，磁場干擾，電磁場干擾分別討論各自的屏蔽方法。 (1) 電場屏蔽 使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線，金屬體可以是很薄的金屬箔，屏蔽體必須接地，最好直接接地。對于屏蔽體的形狀，最好是盒形和全封閉的。 (2) 磁場屏蔽 磁場屏蔽通常指對直流磁場或甚高頻磁場的屏蔽，其屏蔽的效果比電場屏蔽和電磁場屏蔽要差得多。磁場屏蔽主要是利用高磁導率、低磁阻特性的屏蔽體對磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內部的磁場大大減小。 在磁場頻率比較低時(100 kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片等進行磁場屏蔽。鐵磁性物質的磁導率很大，所以可把磁力線集中在其內部通過。高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導體，例如銅、鋁等。當高頻磁場穿過金屬板時在金屬板上產生感應電動勢，由于金屬板的電導率很高，所以產生很大的渦流，渦流又產生反磁場，與穿過金屬板的原磁場相互抵消，同時又增加了金屬板周圍的原磁場，總的效果是使磁力線在金屬板四周繞行而過。 在設計磁場屏蔽時，應遵循如下準則：磁屏蔽體應選用高磁導率的鐵磁性材料，防止磁飽和；被屏蔽物與屏蔽體內壁應留有一定間隙，防止磁短路現象發生；可增加屏蔽體壁厚，單層屏蔽體壁厚不宜超過2. 5 mm。若單層屏蔽體的屏蔽效果不好，可采用雙層屏蔽或多層屏蔽，也可防止磁飽和；應使屏蔽體的接縫與孔洞的長邊平行于磁場分布的方向，圓孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是盡可能不阻斷磁通的通過；屏蔽體加工成型后都要進行退火處理；從磁屏蔽的機理而言，屏蔽體不需接地，但為了防止電場感應，一般還是要接地。 （3）電磁場屏蔽 電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播。電磁場屏蔽是靠對電磁波的反射和吸收來完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無關，這與電場屏蔽和磁場屏蔽不同。因為屏蔽體對來自導線、電纜、元器件、電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。 在設計電磁場屏蔽時，選擇屏蔽體材料的原則是：當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產生的渦流（ ，電阻率越低，消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果；當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料和磁材料組成多層屏蔽體。 3.3 I／O接口的硬件抗干擾 由于單片機控制系統中的I／0接口多數負責數據采集、控制執行等工作。其受到干擾的機會比別的單元更多，通常情況下可采用： (1) 光電耦合隔離。通過光電耦合器可以切斷2個電路間的電氣聯系，信號通過光路進行傳遞，發光管和晶體管之間無導線連接，能有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，從而能有效地防止干擾從過程通道進入主機。光耦的抗干擾能力很強，主要有以下三方面的原因：光耦的輸入阻抗很低，一般在100"1000Ω，而干擾源的內阻一般都很大，通常為105"106Ω，根據分壓原理可知，這時能饋送到光耦輸入端的噪聲很小。即使有時干擾電壓的幅值很高，但所提供的能量卻很小，只能形成微弱的電流，而光耦輸入部分的發光二極管，只有通過一定強度的電流時才能發光，輸出部分的光敏三極管只在一定的光強下才能工作，因此電壓幅值很高的干擾，會由于沒有足夠的能量使發光二極管發光而被抑制掉；其次，光耦的輸入回路和輸出回路之間是光耦合的，而且又是在密封的條件下進行的，故不會受到外界光的干擾；最后，光耦的輸入回路和輸出回路之間的分布電容極小，絕緣電阻阻抗很大，因此回路一邊的各種噪聲很難通過光耦饋送到另一邊去。而且光耦隔離由于采用的是電流環路傳輸，所以能避免在長線傳輸的時候，在傳輸線上積累高壓和感應信號，使得數據紊亂甚至損壞TTL接口芯片，或者干擾單片機控制系統的正常運行。但是在使用光耦時，它的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源供電，如果兩端共用一個電源，則光耦的隔離作用將失去意義。 (2) 雙絞線傳輸。雙絞線能使各個小環路的電磁感應干擾相抵消，對電磁場干擾有一定的抑制作用。 (3)長線傳輸的阻抗匹配。要求源的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗與接受端的輸入阻抗三者相等。否則信號在傳輸線上會產生反射，造成失真，其危害程度與系統工作速度、傳輸線長度以及不匹配的程度有關。 (4)用電流傳輸代替電壓傳輸。其結果可獲得較好的抗干擾性能。例如：RS-485的抗干擾能力明顯高于RS-232。 另外，單片機不用的I/O口定義成輸出；閑置不用的門電路輸入端不要懸空，要接高電平或者接地；閑置不用的運算放大器正輸入端要接地，負輸入端接輸出端。 4 結束語 除了前面所講的硬件抗干擾設計外，還應該采用軟件抗干擾措施，如數字濾波技術，軟件陷阱技術，軟件看門狗技術等等，通過綜合軟件和硬件抗干擾技術各自的特點、優點，使得設計出來的系統達到最優的性價比。總之，干擾的產生和傳遞是很復雜的，各種措施的有效性也不盡相同，在系統設計過程中，一開始便著手考慮干擾的抑制，精心進行硬件電路設計和軟件程序編寫。成功的抗干擾設計需要一定的理論指導，更需要實踐經驗的積累，做到二者相結合，便能在短期內設計出高質量，高可靠性，連續穩定運行的單片機控制系統。 本文的創新點是：通過分析單片機控制系統中電磁干擾產生的機理，總結出了一些實用的抑制電磁干擾的方法。 |
