抗干擾技術(shù)在智能信號采集模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

金　晟　姚　丹

(91550部隊(duì)　大連　116041)

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抗干擾技術(shù)在智能信號采集模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

金晟姚丹

(91550部隊(duì)大連116041)

摘要介紹了抗干擾技術(shù)在基于CAN總線通訊的智能信號采集模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,旨在解決艦船設(shè)備信號采集的可靠性問題。從軟硬件設(shè)計(jì)方面分別討論了系統(tǒng)的抗干擾措施,建立的雙總線冗余架構(gòu)進(jìn)一步提高了模塊工作的可靠性。

關(guān)鍵詞信號采集; 抗干擾設(shè)計(jì); 可靠性; CAN總線

Application of Anti-interference Technology in Design of Intellectualized Data Collection Module

JIN ShengYAO DAN

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIn order to improve reliability of marine equipment for signal collection, a series of anti-interference methods are presented. The hardware and software anti-interference designs are introduced in detail. An architecture of dual redundancy is adopted to further enhance reliability of the system.

Key Wordssignal collection, anti-interference design, reliability, CAN Fieldbus

Class NumberTN402

1引言

隨著現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜嚴(yán)酷,對軍用裝備的可靠性要求愈加嚴(yán)格。為提高艦船設(shè)備的可靠性,許多軍用測控裝備常常需要對現(xiàn)場采集的各類信號采取抗干擾處理措施,并進(jìn)行數(shù)字化傳輸[1～2]。本文針對基于CAN總線技術(shù)的某艦用監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸?shù)目煽啃詥栴},從系統(tǒng)架構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方面提出了抗干擾設(shè)計(jì)及措施。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由一個(gè)上位機(jī)及多個(gè)智能信號采集節(jié)點(diǎn)組成,所有智能節(jié)點(diǎn)通過CAN總線與上位機(jī)相連,對監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息采集。雖然CAN總線的抗干擾能力和可靠性較強(qiáng),但由于機(jī)艙環(huán)境極為惡劣,艦船航行過程中只能進(jìn)行艦員級維修,一旦出現(xiàn)故障很難及時(shí)修復(fù),所以對監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求很高,有必要對總線采取冗余設(shè)計(jì)[3～4],如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該監(jiān)測系統(tǒng)采用兩條總線電纜,每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用兩個(gè)總線控制器。正常情況下主通訊鏈路投入運(yùn)行,當(dāng)主通訊鏈路發(fā)生故障時(shí),啟動(dòng)備用通訊鏈路,保證整個(gè)系統(tǒng)的通信功能正常。為進(jìn)一步提高鏈路可靠性,在鏈路冗余設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣,每條鏈路上的節(jié)點(diǎn)均有左右兩個(gè)通道接入網(wǎng)絡(luò),即使一條通道故障,也可通過另一條通道與其他節(jié)點(diǎn)保持通信。

3硬件抗干擾措施

艦船機(jī)艙內(nèi)的電磁干擾現(xiàn)象特別嚴(yán)重[5],在機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的抗干擾措施。

3.1電源抗干擾措施

通過船用蓄電池供電可提供持續(xù)穩(wěn)定的24VDC輸出。24V輸入電壓經(jīng)過EMC濾波穩(wěn)壓處理后,由隔離型DC/DC模塊TEN5-2413降壓為+15V,為傳感器模擬板供電,該模塊為主電源模塊,選用TRACO公司的5W模塊,具有良好的EMC特性。

數(shù)字板需要3.3V、1.8V、隔離5V三種電源,其中,非隔離型電源模塊K7803-1500(L)將+15V電源降壓為3.3V給DSP的IO部分供電,+3.3V電源經(jīng)過線性電源AMS1117-1.8變換為1.8V為DSP內(nèi)核供電。同時(shí),+3.3V經(jīng)過隔離型升壓DC/DC模塊B0305D-2W生成隔離5V電源,給CAN總線收發(fā)器供電。電源部分設(shè)計(jì)框圖如圖2所示[6]。

圖2　電源模塊框圖

為解決電源中噪聲和紋波,在DC/DC模塊輸出端和輸入端外加濾波電容,以減少紋波值。輸出濾波電容器的容值要適當(dāng),電容太大,很可能會造成啟動(dòng)問題。為了獲得非常低的紋波值,可在DC/DC模塊TEN5-2413輸入輸出端聯(lián)接一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)應(yīng)注意電感值的大小及LC濾波網(wǎng)絡(luò)其自身的頻率應(yīng)與TEN5-2413模塊固有頻率錯(cuò)開,避免相互干擾。為了確保TEN5-2413模塊能夠高效可靠的工作,除了規(guī)定最大負(fù)載(即滿負(fù)載),同時(shí)也規(guī)定了一個(gè)最小負(fù)載。在使用時(shí),要確保在規(guī)定輸入電壓范圍內(nèi),其輸出最小負(fù)載不能小于滿負(fù)載的10%,嚴(yán)禁空載使用,在調(diào)試時(shí)應(yīng)特別注意。若電路中實(shí)際負(fù)載功率確實(shí)較小,可在輸出端并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻以增加負(fù)載。

3.2CAN總線抗干擾措施

監(jiān)控系統(tǒng)的采用的雙CAN總線冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍屬于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?總線的兩端需連接一個(gè)終端電阻。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中采用一種改良的總線終端來改善總線的電磁輻特性[7],如圖3所示。具體做法是把每個(gè)終端電阻分成兩個(gè)等值的電阻,例如用兩個(gè)62Ω的電阻代替一個(gè)124Ω的電阻,中間分接點(diǎn)通過一個(gè)10nF或100nF電容連接到地,這種終端結(jié)構(gòu)被稱為分離終端。這種方法的特點(diǎn)是可以在兩個(gè)分離終端的中間抽頭上得到所謂的共模信號。理想情況下共模信號就是DC電壓信號,可以通過一個(gè)電容(10nF～100nF)將中間抽頭接地。實(shí)際應(yīng)用過程中只將一個(gè)終端電阻接地,這樣總線在中頻和低頻的范圍內(nèi)電磁輻射特性可以獲得很大的改善。而如果兩個(gè)終端均采用分離形式并單獨(dú)接地,雖然能優(yōu)化高頻性能,但可能會通過地電流產(chǎn)生干擾性的回路電流,反而降低了分離終端所能帶來的好處。

圖3　分離終端設(shè)計(jì)

3.3去耦電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流,并在傳輸線和供用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降,形成嚴(yán)重的干擾。為了抑制這種干擾,在電路中要適當(dāng)配置去禍電路,采取的措施主要有[8]:

1) 在印刷電路板布線時(shí),使雜散電容最小,盡量加大電源線和地線的走線寬度,同時(shí)布線導(dǎo)線盡量不彎成90°。

2) 在每個(gè)印制板入口處的電源線和地線之間并接一個(gè)大容量的電解電容(10μF～100μF)和一個(gè)0.01μF～0.1μF旅的非電解電容作為推耦電容。大電容用于去掉低頻干擾成分,小電容濾掉高頻干擾成分。

3) 在每個(gè)集成芯片電源和地之間都安置一個(gè)0.lμF的陶瓷電容器,當(dāng)印制電路板空隙小裝不下時(shí),每隔4～10個(gè)芯片安置一個(gè)1μF～10μF的限噪聲用的膽電容。

4軟件抗干擾措施

串入監(jiān)控系統(tǒng)的干擾,其頻譜往往很寬,且具有隨機(jī)性,硬件抗干擾措施只能抑制某些頻率段的干擾,仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)。因此,還要采取軟件抗干擾措施。

4.1數(shù)字濾波

當(dāng)系統(tǒng)中由于存在隨機(jī)干擾使被測信號中混入了無用成份時(shí),可以采用濾波器濾掉信號中的無用成份提高信號質(zhì)量。模擬濾波器在低頻和甚低頻時(shí)實(shí)現(xiàn)是比較困難的,而數(shù)字濾波器則不存在這些問題。它具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn),因此在智能化測量控制系統(tǒng)中被廣泛用于克服隨機(jī)誤差。

本系統(tǒng)采用中值濾波法對采集到的模擬量信號進(jìn)行軟件抗干擾處理。對目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣,然后將這些采樣進(jìn)行排序,選取中間位置的采樣值為有效值。

4.2軟件陷阱

軟件陷阱,就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的跑飛的程序引向復(fù)位入口程序,使程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序[9]。程序設(shè)計(jì)常采用模塊化設(shè)計(jì),按照程序的要求一個(gè)模塊、一個(gè)模塊的執(zhí)行,可將陷阱指令組分散放置在用戶程序各個(gè)模塊之間空余的單元中。在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令,保證用戶程序正常運(yùn)行。但當(dāng)程序跑飛,一旦落入這些陷阱區(qū),馬上將程序拉到正確的軌道上。陷阱的多少一般依據(jù)用戶程序大小而定,一般每1KB有幾個(gè)陷阱就夠。

4.3指令冗余抗干擾措施

指令冗余是指在關(guān)鍵的地方人為地插入一些重復(fù)指令或空操作指令。在采用C語言編程時(shí)采用重寫關(guān)鍵指令與冗余語句結(jié)束符來實(shí)現(xiàn);在采用匯編語言編程時(shí)采用在關(guān)鍵的地方的雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個(gè)字節(jié)以上的空操作NOP指令來實(shí)現(xiàn)。

4.4其他抗干擾措施

除了采取上述這些抗干擾方法,在編程時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1) 盡量采用單字節(jié)指令,以減少因干擾而程序亂飛的機(jī)率。

2) 慎用堆棧。在使用堆棧操作指令時(shí),一次不能使用太多,減少子程序的個(gè)數(shù),特別注意不要使子程序嵌套層次太多。從抗干擾的角度,堆棧的設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū),最好單獨(dú)設(shè)置。

3) 硬件看門狗電路的定時(shí)觸發(fā)脈沖,最好不用內(nèi)部定時(shí)器的中斷方式,因?yàn)镃PU因干擾有可能使主程序陷入死循環(huán),但定時(shí)器中斷仍然發(fā)生,繼續(xù)發(fā)出觸發(fā)脈沖,這樣看門狗電路也就失效了[10]。

4) 對于采用的可編程I/O芯片,原則上在上電啟動(dòng)后初始化一次即可,但工作模式控制字可能因噪聲干擾等原因受到破壞,使系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)發(fā)生混亂。因此,在應(yīng)用過程中每次用到這種接口時(shí),最好對有關(guān)功能重新設(shè)定一次,確保接口可靠工作。

5結(jié)語

針對艦船嚴(yán)酷的使用環(huán)境及嚴(yán)格的可靠性要求,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)幾個(gè)方面介紹了基于CAN總線結(jié)構(gòu)的智能信號采集模塊的抗干擾設(shè)計(jì)方法及措施。實(shí)踐驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)方法及措施的有效性。

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中圖分類號TN402

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.043

作者簡介:金晟,男,碩士,工程師,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

*收稿日期:2015年7月10日,修回日期:2015年8月27日