基于射频通信的数据采集系统的抗干扰分析研究

基于射频通信的数据采集系统的抗干扰分析研究

刘富壮

史陶比尔（杭州）精密机械电子有限公司，浙江 杭州 310018

摘要：本文从实际出发，设计了一套可供于大批量设备同时进行数据采集的解决方案。通过对数据传输中受到的干扰情况进行分析，提出相应的抗干扰解决方案。

关键词：数据传输，干扰源，抗干扰

引言

随着近些年设备优质化和管理智能化的发展，以及人工成本上升等多因素的影响，实现实时数据在线监控和产能核算智能化已经成为各种加工厂的迫切需求。我国的工业化发展也是经历多次升级才实现的，大部分工厂都存在设备多代化，设备电控系统逐渐老化等情况，这给布线带来难度，本文提出的通过无线通信方式进行数据传输就成为适合大型工厂进行数据采集的优选方案。

1.数据传输结构设计

对于拥有多个生产车间，生产车间与办公室相互独立的情况，受无线信号传输距离和传输稳定性考量，不能单纯依靠无线传输技术实现PC管理机与设备之间直接进行数据交互处理。需要设计一套车间内进行无线采集，再通过有线的方式实现管理机与采集系统间连接的方案，从而提高采集系统的稳定性。

本文选择了以无线射频传输为主，CAN总线和串口通信为辅的整合传输方式。设计了数据采集器，中间收发器和终端控制器三个硬件模块。数据采集器布置于设备的电控箱，与设备的运行状态检测口相连接；中间收发器布置在车间的天花板上，进行数据的中继传输；终端控制器与PC机或交换机相连接，实现数据交换。系统整体架构，如图1所示。

图1 系统传输架构

在数据采集器与中间收发器之间采用射频传输的方式，结合工厂的工业电磁干扰情况、无线传输类别的稳定性和芯片的性价比，本文的无线传输模块选择了更加适合工业环境下进行无线传输的射频芯片SI4432。

中间收发器和终端控制器之间的数据传输选用了CAN-BUS。本文选择了RS232传输方式，选用常见的CAN控制芯片SJA1000和适合通讯的通用CAN收发器PCA82C250。

终端控制器与PC终端或交换机之间采用串口通信，本文采用了市场常见的MAX232串口通讯芯片。

2.数据传输中存在的干扰

电气设备处于雷电冲击、高压输电、电磁辐射、静电感应和自身辐射的工作状态中，长期遭受这些负面因素的干扰，将会影响设备正常工作。因此，本文针对本设计所处的环境，分析了干扰源情况，设计了相应的消除干扰方案，保证了自身通讯设备良好运行。干扰方式可分为空间磁场辐射干扰、系统外部干扰和系统本身干扰。

2.1源自空间辐射电磁场干扰

主要包括大地磁场、雷电、电视雷达广播和电力系统等产生的电磁信号对本系统的干扰。造成的影响有两方面，一是辐射信号混进信号通路中导致信号产生畸变波形，形成感应干扰；二是直接对传输链路进行干扰，影响数据传输的稳定性。

2.2系统外部的干扰

主要有温湿度影响、瞬态脉冲信号干扰、机械抖动和接地不良等造成的干扰。

A.温湿度影响

受生产车间温湿度的影响，水汽会凝结在电子元器件上，尤其是布置在天花板的中间收发器，会腐蚀电子元器件和造成短路等情况的发生。

B.瞬态脉冲信号干扰

有三方面的形式：马达等设备瞬间启停时对电源系统产生的浪涌干扰；伺服控制器，变频器和变压器等设备产生的脉冲信号造成电容和电感元件的充放电等情况形成的电快速瞬变干扰；受温度或电气元件运行等产生的静电，在释放的过程中，造成的耦合干扰。瞬态干扰的路径如图2所示。

图2 瞬态干扰进入系统的方式

3）机械抖动干扰

主要是布置在设备电控箱里的数据采集器受机器的震动影响，会导致接口松动，引起的数据采集不准确。

4）接地不良干扰

若接地不良，就会导致各个接地点之间产生电位差，进而会产生地环路电流，从而造成数据传输紊乱。

2.3系统本身干扰

电气设备中的电感和电容元件在充电和放电时会产生相应的辐射信号，这些信号会对系统本身造成干扰。如：耦合干扰和自身射频干扰等。

a.耦合干扰又分为两种:

一种是数据传输时，在信号线上生成的寄生电容或电感带来的耦合干扰；另一种是电路板的分布电容产生的耦合干扰。

b.自身射频干扰：

当多个采集器通过射频通讯向同一中间收发器发送信号时，会造成相互之间的谐波干扰。包含组合频率干扰和副波道干扰。

3.抗干扰的方式

通过对干扰源的分析，既需要消除外部干扰的影响还要内防自身干扰。本文设计的抗干扰方案是在硬件和软件方面同时进行抗干扰处理，以保证系统的运行稳定。

3.1硬件抗干扰

通过以上分析，大部分的干扰情况是在硬件设备上直接产生。本文针对出现的干扰情况，设计了相应的硬件抗干扰方案。具体如下：

1)为了去除脉冲和浪涌对电源的干扰，选用具有滤波功能的集成电源盒进行供电。

2)为了避免数据采集前端信号通道干扰，选用线性光电耦合器PC817进行电气隔离。

3)为了避免射频信号的自我干扰与外界干扰，选用具有滤波和抗干扰性能的射频组件SI4432。

4)选择具有电压监控功能的硬件看门狗芯片MAX813L，对系统提供双层保护。

5)对于CAN通讯，采取了三种抗干扰方式：

--选用带屏蔽层的双绞线，双绞线可以抑制电磁场感应的差模电压，屏蔽层能阻断共模电压和差模电压的影响；

--在CAN总线的信号线上并联LC滤波器，该滤波器的电感元件可以消除高频共模干扰，电容元件可以消除高频差模干扰；

--在信号线和地线之间并联瞬态抑制二极管，当浪涌高压或者静电放电等瞬间产生的电压超过一定的峰值后，该TVS二极管导通，信号恢复到阈值之内。

6)在控制器的串口通信处，选用具有2500V隔离作用的高速光电耦合器6N137隔绝数据采集系统与交换机或PC机间的相互干扰。

7）通过配置去藕电容，消除电路上的分布电容和信号线上的耦合信号干扰。

8）在集成芯片的正负极间配置去耦电容，起到滤波、耦合和旁路等作用。

9）为了去静电的影响，在接地点将一只102电容和一只兆欧级电阻并联后接地。采用并联一点接地，可以减小因不同接地点的相对电势不同而形成的环地电流的发生。

3.2软件抗干扰

在软件方面加入相应的抗干扰指令，可以避免采集的数据包被打散，或者被当做错误指令来执行，导致系统运行紊乱。采取的方案主要有以下几个方面。

1.在数据采集端，执行多次采集求平均值，降低随机干扰对采集结果带来的影响，可以提高数据准确性。

2.在调用程序前加入单字节空指令，避免调用程序时，把数据包当做操作指令来执行。

3.加入软件看门狗软件，在设定时间内进行强制复位功能，避免程序进入死循环。

总结

本文根据工厂对大批量设备进行数据采集的需求，基于无线传输的特点设计了相应的数据传输结构。设计的硬件和软件抗干扰结构能很好的解决数据采集中出现的干扰项。在实际应用中，取得了很好的效果。

参考文献

[1]谷亚宁等.基于无线通信技术的远程监控系统的设计[D].浙江:浙江大学,2006(0801):7-53；

[2]周立功.PC82C250CAN收发器应用指南[M],广州:周立功单片机发展有限公司.

[3]李秀峰,邱扬,丁高.静电放电及其防护设计[J].国外电子测量技术,2006,25(2):9-12.