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1  概述

    隨著科學技術的發展，現代工業程度的提高，微處理器（單片機、PLC、DCS等）在工業控制領域得到廣泛應用，其系統運行直接控制影響著工業企業的安全生產和經濟運行等方面，其可靠性得到普遍的關注，而抗干擾性能是當中不容忽視的重要因素。工業現場運行環境復雜惡劣，干擾因素較多，對微控制器系統的干擾是多方面的，如何采取有效的抗干擾措施，以保障系統的穩定運行是一大技術要點。

2  干擾成因分析

    干擾又叫噪聲，是竄入或疊加在系統線路上和器件上，與系統要求無關的電信號。干擾會造成測量和控制的誤差，嚴重時會造成設備損壞。常見的干擾有如下幾種：

2.1  輻射磁場干擾

    伴隨現代工業的蓬勃發展，大氣環境充斥著各式各樣的電磁信號，而雷電波、無線電廣播、電視、雷達、高壓電纜、高頻設備等產生的輻射能量較強，對設備影響較大，通常稱為輻射干擾。輻射干擾與現場設備布局和所處位置的電磁場大小密切相關，置于強輻射磁場內的微控制系統幾乎不能正常運行。筆者曾作過以下測試：將一小型微控制器系統置于10W/230MHz的無線微波輻射磁場內（距離發射點4米范圍），原采集值為2.5V的信號上升至5V，且通信網絡出現明顯的不穩定現象，所以微控制器系統應盡量遠離輻射較強的磁場環境或采取有效的屏蔽保護措施。

2.2  傳導耦合干擾

傳導干擾在我國工業環境中相當普遍而且較為嚴重，根據傳導來源的不同可分為電源干擾和信號干擾兩種。

(1)  電源部分

    我國電網覆蓋范圍廣、傳輸距離遠，輸電質量不可避免受到污染，加上電網內部如開關操作浪涌、大型電力設備起停、電網短路暫態沖擊、交直流傳動設備等都會令供電電壓波動較大，高頻諧波嚴重，對于隔離性能較差的變壓器、電源等，必將影響到微控制器系統的供電質量，從而導致系統的不正常運行。

(2)  信號部分

    在工業控制現場往往有很多信號電纜經電纜槽溝或電纜管同時接入微控制器系統，這些信號電纜絞纏在一起，相互間存在一定的分布電容，信號電纜間便通過分布電容進行相互干擾，特別是信號電纜和動力電纜混纏一起的系統更為嚴重，交變的動力電纜周圍產生交變的磁場，而這些交變的磁場會通過并行的導體間產生電動勢，造成線路上的干擾。另外通過共用儀表供電電源竄入的電網干擾和由于各儀器儀表質量技術不一導致儀表間的干擾也不能忽視。

2.3  接地干擾

    微控制器系統的接地有供電地、保護地、邏輯地、屏蔽地等。但由于各接地要求不一或接地混亂導致各接地點電位分布不均，不同接地點間存在較大的電位差，引起地環路電流和基準電位不穩定，變化的環路電流會對屏蔽層內信號導線產生耦合干擾；而基準電位的不穩定會令微控制器系統邏輯系統混亂，數據運算出錯或宕機和模擬測量控制精度下降或誤動作等情況。

3  措施和方法

    微控制器系統抗干擾措施可分為硬件措施和軟件措施兩種。軟件措施作為后備技術可進一步消除進入系統的干擾，但會耗費一定的系統資源，影響CPU的工作效率，而事實上采取適當的硬件處理措施可消除絕大部分的干擾，因此現代微控制器系統抗干擾措施基本上以硬件措施為主。通過上述地分析，筆者認為系統的抗干擾措施應從傳導、輻射、耦合、接地等方面入手，以抑制和切斷干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道和降低對干擾信號的敏感性等為措施方法，具體的措施和方法如下：

3.1  電源部分的措施和做法

    電網污染在工業發展的同時日趨嚴重，污染電源在提供能源的同時亦將噪音疊加到微控制器系統上，因此如何抑制過濾電源噪音是系統抗干擾的首要條件。

    首先對系統供電線路進行選擇，采用專線供電或設備負荷變化較少、啟停次數不多的供電電網，可避免電壓波動太
大對系統造成的影響。在電源進線端可適當加裝低通濾波器，可阻止高頻噪音通過，抑制吸收大部分的高頻差模共模干擾，在低通濾波器后再設隔離變壓器，可更好地抑制隔離高頻共模干擾的引入，但要注意的是，隔離變壓器的隔離層要良好接地，而且其次級線圈最好使用雙絞線，這樣效果更為明顯。對于目前的微控制器供電，建議采用隔離性能較高的24VDC開關電源，這樣可進一步減少末級的共模差模干擾。而對于穩定性能要求更高的系統，可采用在線式不間斷電源（UPS）供電，其具有較高的安全可靠性，具備較強的抗干擾隔離性能，能保證供電電源的純凈和連續。

3.2  電纜的選擇和敷設

    電纜在工業控制現場應用很多，安裝又分散，如果不注意規范，往往是傳導耦合干擾的主要途徑，因此電纜的選擇和敷設是系統抗干擾的關鍵。

    在工業控制現場，電纜主要有動力電纜和信號電纜兩種。動力電纜可根據負載情況適當選擇帶鎧裝屏蔽電纜，這樣可降低動力電纜的電磁干擾的同時亦減少電纜意外損壞。而信號電纜可根據所傳輸的信號類型不同進行劃分：

(1)  模擬量信號（4~20mA，0~20mA等）建議采用屏蔽雙絞線。

(2)  低電平的開關信號（狀態干結點信號）、數據通信線路（RS-232、EIA485等）建議采用屏蔽雙絞線（至少雙絞線）。

(3)  高電平的開關量輸入輸出、CATV、電話線等建議采用雙絞線。

    敷設時盡量將動力電纜和信號電纜隔離，將它們置于不同的電纜溝中或用導體隔離板，隔離板必須嚴格接地（放于同一電纜溝中）。對于模擬量和開關量等不同的信號電纜應分別放于不同的電纜管（槽）中，并使其有盡可能大的空間距離。

3.3  處理好接地系統

    接地作用有兩個，一個是保護人員和設備不受損壞－保護接地；另一個是抑制干擾，保障設備正常運作－工作接地。正確良好的接地是微控制器系統減少干擾、抑制噪聲的重要措施。

    在工業控制現場，有多種不同的接地系統：供電系統地、避雷地、微控制系統地等。為避免相互間造成干擾，原則上各接地系統應獨自分開，但由于受現場條件所限，可適當將供電系統地和微控制器系統地兩者共地，但要考慮以下因素：

(1)  供電系統地上是否干擾很大，如大電流設備啟停是否頻繁，對地產生的干擾是否大。

(2)  供電系統地的接地電阻是否足夠小，地網各部分間的電位差是否很小，地網各部分間的阻值是否很小（＜1Ω）。

(3)  微控制器系統的信號傳輸的抗干擾能力是否夠大，如有無小信號（熱電偶、熱電阻等）的直接傳輸。

    而對于微控制器系統內部接地則建議采用一點接地方式。將系統的模擬地、屏蔽地、邏輯地、保護地等在機柜內分別接地并匯于一點，然后用較粗的導體將各匯地點連接起來，再將各機柜的匯流點通過絕緣的銅導體以輻射狀連接到公共接地點。

4  結語

    微控制器系統抗干擾是一個復雜的工程，問題的解決在工業控制要求較高的今天尤顯迫切，因此在系統設計時應綜合考慮各方面的因素，合理有效地運用各種抗干擾措施，對有些干擾情況還需做具體分析、特殊處理，才能夠保證微控制器系統的正常運作。