摘  要： 討論了工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾現(xiàn)象，對電磁干擾源的性質(zhì)、產(chǎn)生和傳播等環(huán)節(jié)作了分析，介紹了工業(yè)測控系統(tǒng)的抗干擾措施。提出以主動和被動相結(jié)合的抗干擾策略，給出了具體的適用于工業(yè)測控系統(tǒng)的屏蔽、吸收、緩沖、濾波、接地、電氣布線、PCB布線、軟件陷阱和軟件消抖等抗干擾措施。提高了電子測控系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)性能。
 關鍵詞： 電磁干擾；抗干擾；測控系統(tǒng)；屏蔽；軟件陷阱

　　現(xiàn)代電子和計算機技術(shù)為制造、加工業(yè)或其他工業(yè)生產(chǎn)過程提供了先進的測量和自動控制系統(tǒng)，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。然而測控系統(tǒng)中的電子電路的可靠性決定系統(tǒng)運行的成敗。除去功能設計的先天不足和電子元器件、材料的質(zhì)量瑕疵因素，電子測控系統(tǒng)的抗電磁干擾能力直接關系到系統(tǒng)運行的可靠性，抗干擾設計的依據(jù)來源于現(xiàn)場電磁干擾環(huán)境的了解和干擾信號作用于電子電路的物理機制。因此研究電子電路的電磁干擾現(xiàn)象和抑制措施，無疑是很有意義的。
1 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場電磁干擾
1．1 電場和磁場對電子電路的干擾作用
　　電場和磁場均可分為恒定場和交變場兩類，靜電場、直流電產(chǎn)生的電場屬恒定電場；永久磁鐵、直流電流產(chǎn)生的磁場屬恒定磁場。交變的電壓和電流分別產(chǎn)生交變電場和交變磁場。恒定場會對某些電子器件產(chǎn)生作用，例如恒定電場和恒定磁場均會使示波管中的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；靜電場會使物體產(chǎn)生電荷聚集，改變物體電位，出現(xiàn)“帶電”現(xiàn)象。一定強度的恒定磁場會使干簧繼電器吸合、儀表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)等等。但這些現(xiàn)象因其行為結(jié)果表現(xiàn)為單一不變，不會隨機改變電路中電信號的參數(shù)，故只能稱為影響而不能稱作干擾。而交變的電場和磁場往往會隨機地改變極性、強度、頻率等，破壞電路中的正常電信號，它會改變模擬電路信號波形、參數(shù)，擾亂數(shù)字電路的邏輯關系、隨機篡改數(shù)字式計數(shù)器的計數(shù)值或者存儲器中的數(shù)據(jù)。在多數(shù)情況下這些行為表現(xiàn)為隨機性、擾動性，因此稱為干擾[1]。干擾的程度取決于交變電磁場的變化速率和強度，同等強度的電磁場，變化速率越大則干擾越嚴重。同等的變化速率，強度越高的電磁場干擾越嚴重[2]。交變電磁場對電子設備的干擾最為突出、最為嚴重，本文的討論主要集中在交變電磁場的干擾產(chǎn)生與抑制方面。
1．2 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場電磁干擾來源
　　工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)生的電磁干擾源的數(shù)量和強度，取決于生產(chǎn)現(xiàn)場設備的組成系統(tǒng)復雜程度及用電設備的種類、數(shù)量、功率等因素?？偟膩碚f，凡是有電流快速變化(或者有突變)的設備都會產(chǎn)生電磁干擾，根據(jù)電磁感應原理，感應電壓：
　　
式中，i為用電設備中的電流，L為電流回路等效電感，感應電壓因電流變化而產(chǎn)生[3]。這個感應電壓即為干擾信號，它以電場和磁場的形式由空間傳播或沿傳輸導線傳導進入電子電路，使電路中的正常信號被額外疊加，即被干擾[4]。產(chǎn)生這類干擾信號的設備和狀態(tài)有：繼電器、交流接觸器的吸合與釋放、電力刀閘(開關)的帶載合閘與分閘、PWM變頻調(diào)速器運行、電焊、中頻感應加熱、相控調(diào)壓、逆變、脈沖放電、高頻電壓發(fā)生等。此外，工頻電源頻率雖不高，但在工業(yè)現(xiàn)場使用的電源導線往往數(shù)量很多、傳輸功率較大，這些導線載流時也會從空間轉(zhuǎn)播50 Hz的電磁場，對于敏感部件也會形成干擾。
1．3 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場電磁干擾的抑制
　　一般情況下工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場各種設備的工況以滿足生產(chǎn)要求為前提，不便進行改變，因此應對干擾的主要措施是被動的?？梢圆扇∪缦聦Σ撸?1)優(yōu)先采用電磁兼容等級高的、被公認為成熟可靠的控制機種，如PLC、高等級的工控機。(2)電子電路單元盡量遠離干擾源，因為由電磁場理論可知：空間某一點的干擾信號強度與該點到干擾源的距離的平方成反比。(3)采用高導磁率材料(如：軟鐵板、矽鋼板、鐵氧體等)和高導電率材料(如：鍍銀銅板、銅網(wǎng)等)進行電磁屏蔽，將電子電路裝在用這些材料做成的密閉的屏蔽空間內(nèi)。有條件情況下可對現(xiàn)場電磁場進行測試，然后進行電磁抗干擾設計。根據(jù)實際情況，屏蔽空間可以做成屏蔽盒、屏蔽箱、屏蔽室、屏蔽籠等[3]。(4)合理使用信號傳輸媒介，現(xiàn)場信號分為模擬量和數(shù)字量(包括開關量)，對于模擬量信號應當采用屏蔽雙絞線傳輸，最好預先將信號源的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，再用屏蔽雙絞線的芯線傳輸差分信號，而將屏蔽層可靠地接大地?，F(xiàn)場的干擾信號實際為共模信號，雙絞線有自動抵消共模信號的作用，而有用信號的差分形式能有效抑制共模干擾信號[5]。對于數(shù)字量或開關量信號可采用多芯雙絞屏蔽電纜、光纜。數(shù)字量信號的傳輸通常會采用串行通信方式，串行通信有多種標準，現(xiàn)場總線CAN應為首選，因CAN的總線仲裁技術(shù)、高效率的傳輸、極低的數(shù)據(jù)出錯率、長遠的傳輸距離(最遠距離可達1 km)、強大的總線差分驅(qū)動能力(總線可直接掛接110個通信節(jié)點)等突出優(yōu)點，是工業(yè)現(xiàn)場最為理想的數(shù)據(jù)通信標準。此外，信號以電流形式傳輸和以電壓形式傳輸，前者的抗干擾性能比后者佳，因為干擾信號表現(xiàn)為高阻抗，而電流傳輸為低阻抗，干擾信號被衰減。(5)合理安裝傳輸線。模擬量和數(shù)字量分開走線、信號線與電源線相隔越遠越好。(6)優(yōu)選主控芯片，若自行研發(fā)控制系統(tǒng)，則主控芯片的抗干擾性能尤為重要，目前可用于控制系統(tǒng)的微處理器芯片的品種很多，其抗干擾性能差別很大，選型時應實際驗證其抗干擾性能或采用已被實踐證明抗干擾性能優(yōu)越的芯片。(7)將交流接觸器改用固態(tài)繼電器(無觸點、無電弧)。
2 電子電路本身產(chǎn)生的電磁干擾和抑制方法
　　作為測控系統(tǒng)的電子電路，一方面遭受工業(yè)現(xiàn)場的用電設備產(chǎn)生的電磁干擾，另一方面其本身也產(chǎn)生電磁干擾，即自己干擾著自己。由于這種干擾源和被干擾對象往往在同一塊電路板上，或同在一個機箱內(nèi)，距離很近，因此若處理不當，其干擾程度可能相當嚴重。電子電路產(chǎn)生電磁干擾的原因和應采取的應對措施可歸結(jié)為如下幾個方面。
2.1 繼電器帶載觸頭動作時產(chǎn)生的電壓、電流快速變化引起的干擾及其抑制
　　這種干擾是電子電路產(chǎn)生的最為嚴重的干擾(其嚴重程度還與電路中繼電器數(shù)量成正比)。抑制這種干擾最有效的方法是在繼電器觸頭上并接R-C吸收回路或連接L-C緩沖回路。如圖1所示。

　　R取值為10~100 Ω，C取值為0.2~0.01 μ， L取值為1~50 μH。這些元件的連接越靠近觸點則效果越好(或者采用固態(tài)繼電器)，但只適用交流負載。
2.2 電源線串擾
　　電源線包括在印制電路板(PCB)上的各個芯片、器件的電源通路。所謂串擾即干擾信號與正常信號是串聯(lián)疊加的。因電源通路存在分布參數(shù)，即存在一定的阻抗，又承載著測控電路中最大的電流，電路中各種芯片、器件工作時會使電源線中的電流發(fā)生變化，特別是數(shù)字電路工作時，會引起較大的電源電流瞬間跳變，這種跳變的電流便會在電源線的阻抗上產(chǎn)生跳變電壓，即：

　　 式中ΔI為電流變化量，Z為電源線阻抗。這個跳變電壓視為干擾信號，經(jīng)芯片電源端一方面耦合到芯片本身，另一方面耦合到連接在電源線上的所有其他芯片，即相互影響造成干擾。解決的方法是在電源進線端加接L-C濾波環(huán)節(jié)，同時應當在各芯片引腳處的電源與地之間(VCC與GND之間)并接高頻電容器，取值在0.047~0.47 μF范圍內(nèi)。該電容器應盡量靠近芯片引腳。
2.3  輸出對輸入干擾
　　  電路板上的輸出級相對能量較大，如空間位置安排不當，會使輸出級對輸入級形成信號反饋，造成干擾。尤其是高頻率信號成份，如數(shù)字信號的方波邊沿、時鐘信號、快速脈沖信號、高頻模擬信號等極易從空間形成反饋。避免這種干擾的措施是元件排列和印制板走線應按照輸入到輸出一個方向走線，輸出線不可與輸入線平行。
2.4 模/數(shù)地線未分開引起的干擾 
　　模擬信號和數(shù)字信號使用同一根公共地線，會引起干擾，尤其表現(xiàn)為數(shù)字信號對模擬信號造成干擾，原因是數(shù)字信號電流在地線阻抗上形成干擾信號，再疊加到模擬信號中。模擬電路和數(shù)字電路混合的電路板在設計PCB時務必要使模擬地和數(shù)字地分開，盡管從電源出發(fā)時僅1根地線。如圖2所示。
2．5 數(shù)字信號方波邊沿振蕩產(chǎn)生干擾
　　數(shù)字信號在傳輸過程中如果負載阻抗不匹配，其邊沿會產(chǎn)生振蕩，這種振蕩會使數(shù)字電路發(fā)生誤動作，如使電路多次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)、計數(shù)錯誤、邏輯錯誤等。消除方波邊沿振蕩的方法有2種：(1)在傳輸線終端并接吸收電阻(阻值范圍為數(shù)十歐姆~數(shù)百歐姆)或吸收電容(容量為數(shù)十皮法~數(shù)千皮法)，目的是在硬件上消除振蕩。(2)用程序指令產(chǎn)生適當?shù)难訒r，躲避振蕩時間。此法可以不添加任何硬件且可靈活調(diào)節(jié)躲避時間，但對于純硬件電路則只能用硬件方法處理。
2．6 輸入設備或傳感器誤動作干擾
　　一些靈敏的開關型輸入設備或傳感器會產(chǎn)生誤動作，如鍵盤被按動時會發(fā)生抖動，使得單次按鍵動作變?yōu)槎啻伟存I動作；溫度開關、液位開關在受到振動時，其觸點會誤接通或誤斷開。這些誤動作若不能加以識別必然導致控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的處理結(jié)果。解決的方法是設計去抖程序判別動作的真?zhèn)?，其原理是抖動的時間總是短暫的，可利用軟件插入1次或幾次延時，每次延時后讀取輸入值，如每次讀入值皆為真即為有效，否則為無效。
3  工程實踐中值得推薦的防干擾方法
　　工程實踐中對于測控電路硬件與軟件方面也有一些值得推薦的抗干擾方法，對于提高測控系統(tǒng)抗干擾水平均有作用。這些方法包括：(1)晶振與CPU引腳盡量靠近，晶振外殼接地并固定。(2)功率器件與CPU的地線分開走線，各自單獨接電源公共端。(3)CPU的I/O口線、電源線、電路板連接線等關鍵部位，使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器。(4)PCB布線時，電源線和地線盡量粗，盡量減少環(huán)路面積。(5)將CPU閑置的I/O口接地或通過電阻接正電源。其他IC的閑置端在不改變正常邏輯的情況下也應同樣處理，決不可懸空。(6)CPU使用電源監(jiān)控及看門狗電路。(7)在滿足要求的前提下，盡量降低CPU的時鐘頻率和選用低速數(shù)字電路。(8)將程序中不用的代碼空間用“0”填充，等效于空操作指令“NOP”，在程序存儲單元的最后存放1條長跳轉(zhuǎn)語句“LJMP 0000H”，可使程序跑飛時歸位。(9)在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個“NOP”語句。(10)涉及外部器件參數(shù)調(diào)整或設置時，可定時將參數(shù)重新發(fā)送1遍，以利于當外部器件受干擾出錯時能盡快恢復正確。(11)邏輯狀態(tài)盡量采用電平控制而不使用邊沿觸發(fā)(除非不得已)。(12)邏輯電路或邏輯芯片的輸入、輸出端應定義成低電平有效。
　　 電磁干擾無處不在，只是程度不同，不可能將干擾信號完全消除。工業(yè)現(xiàn)場抗干擾目標是設法使電子設備遭受電磁干擾的程度減至能使設備可靠正常運行的程度。如文中所述，抗干擾對策總是主動與被動相結(jié)合，主動策略表現(xiàn)為對干擾源進行抑制，使干擾源產(chǎn)生的干擾強度降至最低，被動策略表現(xiàn)為對干擾信號采取規(guī)避行為，使干擾無效。兩種策略均不失為上策，只是要針對具體情況采取相應措施。
　　工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾對策是一項重要而復雜的技術(shù)，抗干擾效果取決于實施者對現(xiàn)場設備和測控電路產(chǎn)生的干擾源的了解程度、電子技術(shù)運用技巧以及工程實踐經(jīng)驗。
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