淺談工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的干擾問題

楊傳彤

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院)

1 電磁干擾

(1)傳輸通道抑制:具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。(2)空間分離:地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。(3)時間分隔:時間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。(4)頻率管理:頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。(5)電氣隔離:變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換。

在這些方法中，濾波、屏蔽、光電隔離法是目前普遍采用的抗干擾措施之一。

濾波技術(shù)的基本用途是選擇信號和抑制干擾，為實現(xiàn)這兩大功能而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)都稱為濾波器。通常按功用可把濾波器分為信號選擇濾波器和電磁干擾(EMI)濾波器兩大類。

信號選擇濾波器是以有效去除不需要的信號分量，同時是對被選擇信號的幅度相位影響最小的濾波器。

電磁干擾濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標(biāo)的濾波器。電磁干擾濾波器常常又分為信號線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等幾類。

線路板上的導(dǎo)線是最有效的接收和輻射天線，由于導(dǎo)線的存在，往往會使線路板上產(chǎn)生過強的電磁輻射。同時，這些導(dǎo)線又能接受外部的電磁干擾，使電路對干擾很敏感。在導(dǎo)線上使用信號濾波器是一個解決高頻電磁干擾輻射和接收很有效的方法。脈沖信號的高頻成分很豐富，這些高頻成分可以借助導(dǎo)線輻射，使線路板的輻射超標(biāo)。信號濾波器的使用可使脈沖信號的高頻成分大大減少，由于高頻信號的輻射效率較高，這個高頻成分的減少，線路板的輻射將大大改善。

電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備主要途徑。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。同樣，設(shè)備的干擾也可以通過電源線傳到電網(wǎng)上，對網(wǎng)上其他設(shè)備造成干擾。為了防止這兩種情況的發(fā)生，必須在設(shè)備的電源入口處安裝一個低通濾波器，這個濾波器只容許設(shè)備的工作頻率(50Hz，60Hz，400Hz)通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，由于這個濾波器專門用于設(shè)備電源線上，所以稱為電源線濾波器。在實際應(yīng)用中，在設(shè)計電路時用4.7～10μF的大電容接在電源和地層之間，用于旁路開關(guān)噪音，用足夠多的104電容接在電源和地之間以減少高頻噪音，把沒有布線的地方用銅箔填充，并連接到電源層或地層，可以提高電路的抗干擾能力。

光電隔離法是目前普遍采用的抗干擾措施之一。如圖1所示。

由于發(fā)光二極管的內(nèi)阻非常小，只有幾百歐。而干擾源的內(nèi)阻一般比較大，在發(fā)光二極管上的得到的干擾電壓是非常小的。因此大大削弱了干擾的強度，同時由于發(fā)光二極管在有足夠的電壓和電流時才能發(fā)光，盡管干擾信號的電壓很高，但其電流很小，能量則很小。因此它不足以驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，在光電隔離器的另一端不會有干擾信號輸出。在電路設(shè)計初期，出現(xiàn)了計數(shù)器T0計數(shù)不準(zhǔn)的現(xiàn)象。這是由于外界的干擾(如電、磁、共阻抗干擾)所造成的。開始采用在信號兩端并接一個10μF的電容，想以此來改善其抗干擾能力。但實際上效果并不顯著。后采用光電隔離法后，消除了干擾信號，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖1 光電隔離方法

2 共阻抗干擾

共阻抗干擾是由于信號線屏蔽網(wǎng)雙端接地造成的，屏蔽網(wǎng)是用于屏蔽外部干擾信號的，但如果它的兩端分別接地后就會造成兩端的電動勢不一樣，在屏蔽網(wǎng)中造成變化的電流流過而成為干擾源。

在實際使用中，為消除共阻抗干擾，我們將儀表的采集部分的信號線采用屏蔽線。然而并不是屏蔽線本身能防止干擾進入，它必須經(jīng)過正確的接地方法才能有效的抑制干擾的影響。應(yīng)該注意不要將信號線屏蔽網(wǎng)的兩端分別接地。這樣做就破壞了屏蔽網(wǎng)的抗干擾能力。這是因為信號線屏蔽網(wǎng)的兩端分別接至不同的接地點。兩個接地點之間就會形成一定的電壓差，這條屏蔽網(wǎng)本身就形成了干擾源，這樣做不但沒抑制干擾，反而成為了又一干擾源。正確的方法是是信號線屏蔽網(wǎng)的一端接地，而另一端空浮即可。單點接地是共阻抗干擾的有效手段。

3 通訊中的干擾

因為數(shù)字信號的傳輸隨著距離的增加和信號傳送速率的提高，在傳輸線上的反射串?dāng)_衰減和共地噪聲等影響將引起信號的畸變。從而限制了通訊距離。雖然AT89C2051芯片本身具有一個功能很強的串行通訊口，但它的信號是普通的TTL電平，其驅(qū)動能力差。輸入電阻小，靈敏度不高以及抗干擾性能差。因而傳輸信號的距離短，只有幾米。而以前常用的RS-232接口電路，其驅(qū)動器輸出信號擺幅比TTL電平大的多，使抗干擾能力大大提高，但RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2 500pF的電容負(fù)載，通訊距離將因此受到影響，一般通訊距離在15m左右。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾的問題。

(1)因為你在控制＇基準(zhǔn)＇電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準(zhǔn)，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的精確值依賴系統(tǒng)內(nèi)＇地＇的一致性。信號源和信號接收器距離越遠(yuǎn)，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復(fù)的信號值在很大程度上與＇地＇的精確值無關(guān)，而在某一范圍內(nèi)。

(2)它對外部電磁干擾(EMI)是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導(dǎo)體上出現(xiàn)的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的EMI還要少。因此具有抑制干擾的能力。加上接收器具有高的靈敏度，能監(jiān)測低達(dá)200mV的電壓，使傳輸信號在千米之外得到恢復(fù)。

在應(yīng)用中，通訊芯片用的是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1487。它的運行方式是半雙工通訊。與AT89C2051的接口電路如圖2所示。

圖2 CPU與MAX1487接口設(shè)計

A，B是數(shù)據(jù)線，當(dāng)MAX1487工作于接收方式時，A，B是接收器的差分式輸入端;當(dāng)MAX1487工作于發(fā)送方式時，A，B是驅(qū)動器的輸出端。

RO是接收器輸出端，與AT89C2051的RXD端相連。接收器的電壓輸入范圍為-7V～+12V，輸入靈敏度為200mV，如果A〉B200mV，R0為高電平;如果A〈B200mV，R0為低電平。

/RE是接收器輸出使能端，當(dāng)/RE為低電平時，使R0能工作，當(dāng)/RE為高電平時，R0為高阻抗。DE是驅(qū)動器輸出使能端。當(dāng)DE為高電平，驅(qū)動器輸出端工作。當(dāng)DE為低電平時，驅(qū)動器輸出端為高阻抗。在與AT89C2051的連接中，AT89C2051的一總線P3.3經(jīng)過一非門與這兩個使能端連接到一起。用非門是為了確保單片機復(fù)位后MAX1487處于接收狀態(tài)。

DI是驅(qū)動器輸入端，與AT89C2051的TXD端相連

根據(jù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)，接收器的輸入阻抗為12KΩ(稱為單位負(fù)載)，總線上最多能連接32個收發(fā)器。而我們使用的MAX1487的接收器的輸入阻抗為標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的4倍(即1/4個負(fù)載)，總線上可掛接128個負(fù)載。

在MAX1487的傳輸線路中，為了實現(xiàn)信號的可靠傳送，要選用雙絞線作為信號傳輸線。因為在差分平衡系統(tǒng)中，雙絞線在長度、方向上完全對稱，所受的外界干擾程度完全相同，干擾信號以共模方式出現(xiàn)。在接收器的輸入端共模干擾受到抑制，所以能實現(xiàn)信號的可靠傳送。

另外，信號在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的，從而影響信號的遠(yuǎn)距離傳送。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。雙絞線的特性阻抗一般在110～130 Ω之間(主要與雙絞線的絕緣材料的厚度及導(dǎo)線的直徑有關(guān)，一般D/d≤10，D為節(jié)距，d為線外徑)。

通常在傳輸末端接120 Ω的電阻進行匹配，中間收發(fā)器的接線應(yīng)盡量短。還應(yīng)注意的就是長線傳輸中對信號的衰減。

我們在現(xiàn)場施工時就出現(xiàn)過此類問題。上位機接收不到水電量采集器儀表所傳送的數(shù)據(jù)。開始我們認(rèn)為是作為信號傳輸線的雙絞線的問題，可能是雙絞線不通所引起的。但在對其測試后否定了這個推斷。后來經(jīng)查找資料研究，是由于信號在傳輸線上傳送中，若遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象而產(chǎn)生干擾。在傳輸末端接120 Ω的電阻后，水電量采集器儀表的數(shù)據(jù)終于傳送到上位機的數(shù)據(jù)庫中。

在設(shè)計電路時，也要注意分布電容對RS-485總線傳輸性能的影響。分布電容可由下式表達(dá)

式中:K為電容系數(shù);A為兩極間的相對面積;D為兩極間的距離。

電纜的分布電容主要是由雙絞線的兩條平行導(dǎo)線產(chǎn)生。另外，導(dǎo)線與地之間也存在分布電容，雖然很小，但也不能忽視。分布電容對總線傳輸性能的影響，主要是因為總線上傳輸?shù)氖腔ㄐ盘?，信號的表達(dá)方式只有“1”和“0”。在特殊的字節(jié)中，例如0X01，信號“0”使得分布電容有足夠的充電時間，而信號“1”到來時，由于分布電容中的電荷，來不及放電，使接受器誤認(rèn)為是“0”，而最終導(dǎo)致校驗錯誤，整個數(shù)據(jù)楨傳輸錯誤。因此在設(shè)計電路圖時，MAX1487的數(shù)據(jù)線A、B端的連線的線寬不應(yīng)太寬，以減少分布電容的影響。

4 結(jié)論

由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在著各種干擾源。對于各種干擾現(xiàn)象要具體問題具體分析，只有分析出其本質(zhì)并采用正確的抗干擾措施才能收到事半功倍的效果。

[1] 張友德，趙志英，涂時亮.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗[M].復(fù)旦大學(xué)出版社，1993.

[2] 張積東，孫積第，夏華龍.單片機51/98開發(fā)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，1994.

[3] 王幸之，王雷，翟成，等.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[4] 何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1990