緩速器微機測控系統抗干擾處理方法

在緩速器微機測控系統試驗臺現場，影響微機測控系統可靠、安全運行的主要原因是來自系統內外的各種電氣干擾。干擾源產生的干擾通過耦合通道對測控系統發生電磁干擾。干擾作用于緩速器微機測控系統的輸入通道，能使模擬信號失真，數字信號出錯；干擾作用于緩速器微機測控系統的輸出通道，能使輸出信號混亂，不能正常反應系統工作的真實輸出。干擾作用于緩速器微機測控系統核心，能使計算機的CPU得到錯誤的地址信息，引起程序計數器PC出錯，導致程序失控。微機測控系統常用的抗干擾技術主要有硬件抗干擾和軟件抗干擾。

一、硬件抗干擾方法

消除干擾的主要方法是抑制干擾源，阻斷干擾侵入的途徑，降低系統對干擾的敏感性以及提高系統自身的抗干擾能力。

1.選擇抗干擾性能好的設備

在選擇緩速器的微機測控系統時，首先要考慮有較高抗干擾能力的產品，尤其是抗外部干擾的能力。其次還應了解生產廠家給出的抗干擾指標，系統能承受的電場強度和頻率的范圍等。

2.電源部分防干擾措施

電源的質量直接影響緩速器微機測控系統的可靠性。在干擾較強或對可靠性要求較高的場合，可以在測控系統的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器。隔離變壓器可以抑制從電源線竄人的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層應可靠接地。考慮到高頻諧波干擾不是通過變壓器繞組的互感耦合，而是靠初、次級寄生電容耦合，因此，隔離變壓器的初、次級之間應采用三層屏蔽層保護，這樣可明顯提高對共模干擾信號的抑制能力。

3.微機測控系統裝置的接地設計

接地是為了安全和抑制干擾。完善的接地系統是微機測控系統抗電磁干擾的重要措施之一。良好的接地可以在很大的程度上抑制系統內部噪聲耦合防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。反之，若接地處理得不好，則會導致噪聲耦合，形成嚴重干擾。因此，在抗干擾設計中，對接地方式應予以認真考慮。

實際接地時，采取浮地—屏蔽接地方案，即將試驗臺臺架、控制臺、計算機外殼、電源外殼、信號變送器外殼、信號線屏蔽層接在大地；將數字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準地浮空，且在一點連接。浮地方式使控制系統不受大地電流的影響，同時，數/模一點接地，避免了地線上產生環流，提高了系統的抗干擾性能。

4.防外部配線干擾

為了防止或減小外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應分別使用各自的電纜。對于集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線，必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側懸空，而在控制側接地。

二、軟件的抗干擾技術

軟件抗干擾技術是當系統受干擾后使系統恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。但由于軟件設計靈活，節省了硬件資源，所以軟件抗干擾技術越來越引起人們的重視。

竄入微機測控系統的干擾引起的負面影響主要有兩種：一是干擾噪聲疊加在系統被測模擬輸入信號上，導致較大的測量誤差，從而得出錯誤的控制輸出；二是竄入微機系統的干擾信號作用于CPU 時，將會導致系統的失控。對于微機測控系統來說，這兩種影響都將是致命的。對于第一種干擾，由于這些噪聲的隨機性，可以通過軟件濾波剔除虛假信號， 求取真值；對于第二種干擾，導致系統失控的根本原因是干擾“損壞”了程序計數器PC 的值， 使程序在地址空間內“亂飛”，從一個區域跳轉到另一個區域，給出非“預想”的輸出，或者陷入“死循環”。為了確保被干擾的程序能恢復到所要求的控制狀態，就必須對受干擾后“走飛”的程序采取一定的技術措施， 使其能自動恢復到正常的軌道運行。

根據對不同干擾所采取的方法和手段的不同，軟件抗干擾措施主要分為：數字濾波方法，輸入/輸出口信號重復檢測方法，軟件攔截方法及看門狗技術等。

1.數字濾波方法

數字濾波器是將一組輸入數字序列進行一定的運算而轉換成另一組輸出數字序列的裝置， 主要用于濾去疊加在采樣值之上的干擾成分。

輸入序列X(n)和輸出序列Y(n)之間的關系可用差分方程式表示為：

式（1）中，ak、bk為濾波系數；X(n)、Y(n)為數字濾波器的輸入，輸出信號；X(n-k)、Y(n-k)分別是往前遞推k(k>0)項的測量值和輸出值；n是遞推的項數。

根據參數ak、bk的選擇不同，可以實現低通、高通、帶通、帶阻等數字濾波器。本試驗臺的測控系統采用了遞推平均濾波方法。其基本算式為：

式（2）中，Y(n-k)是往前遞推第k項的測量值；n是遞推的平均項數，n值的選擇對采樣平均值的平滑度與反應靈敏度有直接的關系。n選得過大，雖然平均效果較好，但占用機器時間長且對參數的變化反應很不靈敏；若n選得過小，效果就不顯著，尤其對脈沖干擾更是如此。n值的選取要根據系統實際的采樣參數和生產情況而定。當采樣信號出現頻繁的振蕩時，用此濾波法可以使信號變得平滑。

2.輸入/輸出口信號重復檢測方法

對于輸入的數字信號，可以通過重復檢測的方法，將隨機干擾引起的虛假輸入狀態信號濾除掉。其工作原理是對接口中的數據信息進行多次檢測，若檢測結果完全一致，則是“真”信號；若相鄰的檢測內容不一致， 或多次檢測結果不一致，則是“偽”信號，應予以剔除。

3.軟件攔截方法

竄入微機系統的干擾作用于CPU部位時，后果更加嚴重，將使系統失控。最典型的故障是破壞程序計數器PC的狀態，導致程序從一個區域跳轉到另一個區域，或者程序在地址空間內“亂飛”，甚至陷入“死循環”。在工業應用中，因PC受干擾而引起程序失控的后果是嚴重的，因此，必須盡可能早地發現并采取補救措施。常用的方法之一是指令冗余，即在程序關鍵地方人為插入一些單字節空操作指令或將有效單字節指令重寫；常用的方法之二是軟件陷阱，即在程序之間或程序空處人為插入一些跳轉指令到指定程序入口處，從而強行將捕獲的“亂飛”程序引向指定程序入口處。

4.“看門狗”技術

當“亂飛”程序被攔截，或程序擺脫“死循環”后，運行程序納入正規，轉到指定程序入口。為了確保程序被干擾后能恢復到所要求的控制狀態，就要對干擾后程序自動恢復入口實施正確設定。軟件“看門狗”技術的基本思路是：利用T0定時器，其作用與硬件“看門狗”定時器相當。將定時器T0的中斷級別設定為高級中斷，系統中其他中斷均設定低級中斷。當程序進入死循環時，不能在規定的軟件“看門狗”定時器定時時間內對該定時器重新置初值，則該定時器時間溢出，進入“看門狗”中斷處理程序，跳出死循環，進入指定入口處。

三、結論

一個系統的實施必須要考慮到干擾可能帶來的影響以及采取必要的抗干擾措施。最好是將干擾抑制在發生前，如果干擾不能避免就必須從傳播途徑或用其他方法來抑制干擾。本文主要介紹了緩速器微機測控系統中采取的硬件和軟件的抗干擾處理方法，并簡單介紹了其采取的措施，保證緩速器微機測控系統能夠長期、穩定、可靠地運行。

（作者單位：浙江省杭州市蕭山區技工學校）

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