智能化仪器仪表实用抗干扰技术1贺凯

智能化仪器仪表实用抗干扰技术1贺凯

1贺凯2刘兴斌

(1生态环境部华北核与辐射安全监督站北京100029;2中国核电工程有限公司北京100840)

摘要：在改革开放的新时期，随着科学技术的不断发展，我国工程方面的施工过程变得逐渐复杂。施工技术不断完善，施工过程中使用的仪器设备也在不断发展，其中智能化仪器仪表就是工业中广泛运用的一种设备，抗干扰技术是其最突出的特点之一，它常常运用于主机系统、软件系统和电源系统中。

关键词：仪器设备；抗干扰；智能化；仪器仪表

引言

目前,智能化仪器仪表在我国的各个领域已普遍应用。在实验室或干扰源较少的环境中应用的这类仪器仪表其可靠性基本上能够满足要求,而应用于工业环境中的这类仪器仪表则有些不尽人意。因为工业生产环境往往比较恶劣,干扰比较多,有些干扰会严重破坏程序或器件性能改变或严重损坏器件,甚至可能会涉及到经济效益和操作人员的生命安全。

1电源系统的干扰及其抗干扰措施

1）交流电源滤波器的使用采用交流电源滤波器是抑制电源噪声的有效方法，可以提高电子设备的抗干扰能力。交流电源滤波器一般用在交流输入端或交流输出端，主要用来抑制30MHz以下频率范围的噪声。交流电源滤波器有电容式滤波器和电容电感式滤波器两种形式。2）瞬变电压抑制器TVS的使用TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-10～10-12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，使其免受各种浪涌脉冲的损坏。由于TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限和体积小等优点，已广泛应用于计算机系统、通讯设备、智能化仪器仪表等各个领域。2主机系统的抗干扰措施在主机系统当中，其主要都是由微处理器构成，所以很容易受到来自各个方面的电磁的干扰，无论是通信的接口还是微处理器的输入输出通道。所以，在设计智能化仪器仪表时，抗干扰技术就显得尤为重要，而抗干扰的基本原则是，要能够提高敏感器件的抗干扰性能、抑制干扰源以及切断干扰传播的路径，从而从各个方面来抑制干扰的出现，以达到智能化仪器仪表的设计原则。抑制干扰源：要抑制干扰源首先就要尽最大限度去降低干扰源的电压变化率以及它的电流的变化率，只要实现了这一点，那么智能化仪器仪表就能够起到比较理想的效果，那么如何降低干扰源的电压以及电流变化率呢？它们分别运用不同的方法来实现，首先电压变化率是通过干扰源两端的并联电容实现的，而电流变化率是通过干扰源回路当中的串联电感、电阻以及二极管来实现。提高敏感器件的抗干扰性能：提高高敏感器件的抗干扰能力也是增强智能化仪器仪表的抗干扰能力的方法之一，让这些高敏感器件能够尽量少拾取干扰噪音，从而尽快恢复到正常状态，一下列出了一些提高高敏感器件抗干扰性的一些措施，根据这些措施就能够有效的提高其抗干扰的性能。一是印制板布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。二是印制板上的电源线和地线尽量要粗，这样除可减少电源线和底线的压降外，更重要的是还可以降低干扰耦合的概率，如果可能应采用多层印制线路板设计。三是对于微处理器闲置的I/O口引脚，最好做接地或接电源处理，不要使其处于浮空状态，以避免由于干扰产生数字逻辑的混乱。

3地线系统的抗干扰措施

在智能化仪器仪表中,对于超过10MHz以上的高频电路,应该采用就近多点接地的方式。而在1MHz以下的频率时应采用一点接地方式。因为在低频电路中接地电路形成的回路对干扰影响很大。在一点接地方式上还有并联一点接地和串联一点接地,并联一点接地可使各电路的电流流经导线时不产生压降影响,但是实现比较麻烦。串联一点接地简便,引线较少,但它不能为各电路提供等电位。这样,当各个电路的电流流经一个公共阻抗时,会对各电路造成不同程度的干扰。因此,在使用串联一点接地时要使各电路地线尽可能短,并适当加粗,使电压最低的电路距地最近以减少影响。为使在输入和输出间不形成地回路,一般采用的隔离措施为变压器隔离和光电隔离。实践证明,光电隔器比变压器能更有效地抑制干扰脉冲,因此光隔离器件作为输入和输出间的抗干扰器件正在逐步取代变压器隔离方式。对输入输出接口的地线必须保证其绝缘性,如果可能最好分开。交流地、信号地、功率地不能接在一起。在我们的工作中曾将提供给微型打印机的直流电源地与信号地误接至一处,结果每当启动打印机时都会引起信号采样的变化,当把这两种地线分开以后,变化消除了。

4常用软件抗干扰措施

1）多次读入抗干扰为了确保读入信息的准确无误，在读入数据或状态时，可以通过软件采取多次读入的方法来避免干扰的影响，如果读入的是数据，那么可以通过比较两次读取结果的数据偏差是否在允许范围内来判定读入数据的真实性；如果读入的是外部开关状态，则可以通过比较在规定时限内多次读入的开关状态是否一致来判定读入开关状态的真实性。2）指令冗余抗干扰对于程序流向起决定作用或对工作状态有重要作用的指令后边，人为地将指令重写。这种方法一般用在开关量输出控制上，以保证输出结果的正确性，因此，可以说指令冗余是动作冗余。指令冗余可以用在以下场合：（1）微处理器输入输出口的动作。（2）带锁存功能的LED或LCD的显示器。（3）中断使能标志的设置。（4）重要标志字和参数寄存器等。3）软件陷阱抗干扰针对基于MCS-51单片机的智能化仪器仪表而言，软件陷阱就是用引导指令强行将捕获到的“跑飞”的程序引向复位入口地址0000H或处理错误的程序入口地址处。例如，在MCS-51未使用的程序存储区中间隔性地填入“0000020000”，则当程序“跑飞”到这个区域时，便会被自动的拉回到0000H处重新执行。这里“00”为空操作指令的机器码，“02”为无条件转移指令“LJMP”的机器码，“02”后面的“0000”是要转移的地址。4）“看门狗”技术抗干扰“看门狗”有硬件“看门狗”和软件“看门狗”，关于硬件“看门狗”，可以参考有关文献资料的介绍，这里只对软件“看门狗”设计思路加以说明。以MCS-51系列单片机为例。在MCS-51内部有两个定时计数器，可以用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。简单的软件“看门狗”可以这样设计：（1）定时器T0设置为“看门狗”定时器在初始化程序中设置T0的工作方式为方式1即16位定时器方式，并开启中断和定时功能。系统fosc=12MHz，T0最大计数值为65535，T0输入计数频率是fosc/12，则溢出周期为65536μs。（2）计算主程序循环一次的时间考虑系统各功能模块及其循环次数，假定系统主程序的运行时间约为20ms。设置“看门狗”定时器T0定时30ms。主程序的每次循环都将复位T0的初值。如果程序进入“死循环”而T0的初值在30ms内未被刷新，作为“看门狗”定时器使用的T0将产生溢出并申请中断。

结语

在对智能化的仪器仪表进行设计时，要充分考虑到干扰和抗干扰的问题，从而保证智能化仪器仪表的设计、研发以及投入生产和使用，要进行整体的规划才能够采取相应的措施和策略，才能够达到预期的效果。

参考文献:

[1]贾振国，许琳.智能化仪器仪表原理及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[3]林国荣，张友德.电磁干扰及控制[M].北京：电子工业出版社，2013.