DF8B內(nèi)燃機(jī)車微機(jī)控制裝置抗干擾策略研究

宋 升

（呼和浩特鐵路局大板機(jī)務(wù)段錫林浩特檢修車間，內(nèi)蒙古呼和浩特 026000）

0 引言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的產(chǎn)物，微機(jī)控制作為該技術(shù)運(yùn)用的一個(gè)重要技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，各類機(jī)車采用計(jì)算機(jī)控制已成為一個(gè)必然趨勢。機(jī)車采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，既能夠提高機(jī)車性能，又能夠降低運(yùn)用費(fèi)用。ZY5000是新一代結(jié)合了DF11，DF8B內(nèi)燃機(jī)車特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)而成的一種內(nèi)燃機(jī)車計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)，是一種功能齊全、操作簡便、控制效果好、功能易于擴(kuò)展的微機(jī)控制系統(tǒng)。由于微機(jī)控制系統(tǒng)往往需要在惡劣現(xiàn)場使用，會受到各種因素的干擾，影響其運(yùn)行，因此，制定有效的抗干擾策略是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要措施。結(jié)合ZY5000微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析微機(jī)控制裝置的抗干擾策略。

1 微機(jī)控制系統(tǒng)干擾源及抗干擾原則分析

1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)干擾源分析

干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生需要有干擾源、耦合通道及干擾對象3個(gè)要素，干擾源即形成干擾的元器件、設(shè)備、信號等，耦合通道即干擾由干擾源向接受電路傳播的通路；干擾對象即容易被干擾的元器件、系統(tǒng)、信號等。微機(jī)控制系統(tǒng)的干擾源主要來自4個(gè)方面：①靜電干擾，物體表面在常態(tài)下也會生成大量靜電電荷，靜電電荷的聚集會生成一個(gè)小型靜電電場，當(dāng)附近存在電容時(shí)，這一電場還會經(jīng)電容耦合后，產(chǎn)生較大干擾，并積聚更大的能量，達(dá)到一定程度時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)放電，釋放出大量能量，對附近電路或元器件造成損壞。②電源干擾，電源本身即是一個(gè)巨大的電磁場，會影響附近電器。③信號干擾，控制系統(tǒng)中的各種敏感性元件，容易在信號線上的工作過程中遭受噪聲干擾。電流通過敏感性元件時(shí)生成的電磁場會與電流本身磁性相沖，產(chǎn)生干擾；外界雷電、空間磁暴等也會產(chǎn)生電磁場進(jìn)而干擾感性元件信號；此外，供電電壓有一定波動時(shí)，會使敏感性元件不能識別，進(jìn)而生成假信號，干擾系統(tǒng)工作。④接地干擾，設(shè)備接地點(diǎn)電位無法保持絕對均勻，附近接地點(diǎn)會形成一個(gè)小型環(huán)形電路，線路較長時(shí)，還會形成多個(gè)類似電路，進(jìn)而造成靜電干擾與信號干擾，影響系統(tǒng)工作。

1.2 抗干擾原則

抗干擾原則主要包括3個(gè)：①消除干擾源，通過布線的合理化、焊接工藝的改進(jìn)等消除因線間感應(yīng)或多點(diǎn)接地產(chǎn)生的電位差。②遠(yuǎn)離干擾源，將微機(jī)控制系統(tǒng)與干擾源等盡量保持較遠(yuǎn)的距離，從而抑制或衰竭干擾。③阻止干擾侵入，采取強(qiáng)制措施切斷干擾源進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的各種途徑，防止干擾的產(chǎn)生。

2 微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

2.1 交流電源抗干擾策略

大型電氣設(shè)備在啟停或變動負(fù)載時(shí)，會出現(xiàn)電源電壓的波動，形成尖峰脈沖，其幅值甚至可達(dá)到幾千伏，可能會使系統(tǒng)停止運(yùn)行，甚至損毀電路。為確保電源穩(wěn)定，采取了多個(gè)抗干擾策略。

（1）連接干擾抑制器以消除尖峰脈沖，防止高頻諧波對微機(jī)系統(tǒng)的影響。干擾抑制器在使用時(shí)可將輸入端與220 V交流電源連接，輸出端則與微機(jī)控制系統(tǒng)連接（圖1）。

（2）不間斷電源供電法（圖2）。部分微機(jī)控制系統(tǒng)要求較高時(shí)，可采用該方法進(jìn)行抗干擾處理。電源正常時(shí)，交流與直流穩(wěn)壓器能夠直接向系統(tǒng)供電，同時(shí)完成微機(jī)電源電池組的充電工作；電源出現(xiàn)斷電時(shí)，可由控制形狀短時(shí)間內(nèi)迅速切換至電池組進(jìn)行供電，利用控制器與逆變器將電池組中的直流電源轉(zhuǎn)移為交流電源，并由直流穩(wěn)壓器向系統(tǒng)供電，可避免系統(tǒng)因電源斷電等意外故障受到干擾。

2.2 直流電源抗干擾策略

圖1 干擾抑制器的連接方法

圖2 不間斷電源連接結(jié)構(gòu)

（1）直流開關(guān)電源供電法，該電源是利用脈寬調(diào)制技術(shù)所設(shè)計(jì)的一種新型電源，和線性電源相比，體積更小、重量更輕、供電效率達(dá)80%，穩(wěn)壓范圍寬，供電效果佳，初級與次級之間能夠具備較強(qiáng)的隔離效果，能夠有效抑制高頻干擾。在ZY5000微機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛采用了直流模塊的方法進(jìn)行供電（圖3）。

圖3 直流形狀電源連接

（2）系統(tǒng)各模塊采用獨(dú)立直流電源供電，避免各模塊相互干擾，防止某個(gè)模塊因電源故障停止運(yùn)行而使整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)。如，ZY5000微機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)字電路輸入電壓為5 V電源輸出電壓為5 V，最大輸出電流為5 A，通過電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換電源后，就能夠?qū)?shù)字電路進(jìn)行獨(dú)立供電（圖4）。

圖4 ZY5000轉(zhuǎn)速電板控制部分電路

2.3 I/O接口抗干擾策略

微機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信、信息交換的必要途徑就是輸入/輸出通道，要確保數(shù)據(jù)輸入/輸出不受干擾，需要對I/O接口進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，以避免外界干擾侵入系統(tǒng)中。

（1）通過硬件濾波器對信號實(shí)施濾波處理。信號進(jìn)入系統(tǒng)前，可先用低通濾波器將干擾信號全部過濾掉，RC濾波器、雙T濾波器、LC濾波器、有源濾波器等是常用的低通濾波器，在ZY5000系統(tǒng)中多有應(yīng)用（圖5）。

圖5 低通濾波器

（2）采用光電隔離電路抗干擾，該方法對數(shù)字量與開關(guān)量信號的抗干擾適用性良好，光電隔離器輸入阻抗低，在輸入輸出間生成的寄生電容小且絕緣電阻大，增加了干擾經(jīng)光耦侵入系統(tǒng)的難度，提高了抗干擾性能。如，在ZY5000系統(tǒng)中，在CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)總線）總線驅(qū)動器82C250與PCF82C200之間增加了2個(gè)光耦6N137，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，降低了高頻干擾，保證了CAN總線通信功能（圖6）。

（3）一線接地策略。同一個(gè)系統(tǒng)中內(nèi)的不同電路，可通過大信號地線與小信號地線分離的方法，分別進(jìn)行接地供電。如，在ZY5000系統(tǒng)中，采用DY1，DY2，DY的3個(gè)電源板進(jìn)行供電，DY1提供＋24 V，－24 V，＋15 V，+5 V，DY2提供＋24 V，－24 V，－15 V，＋5 V，其中DY1、DY2的＋24 V，－24 V 并聯(lián)工作，為7個(gè)電流傳感器提供所需的＋24 V，－24 V電源，7個(gè)壓力傳感器提供所需的＋24 V 電源。＋24 V，－24 V 共地；DY1的＋15 V，DY2的－15 V，DY1的+5 V為系統(tǒng)的數(shù)字電路部分供電，這3路電源共地。DY2的＋5 V為通信部分提供所需的電源，此路電源與所有電源均不共地。DY為備用電源。DY1，DY2，DY電路完全相同，可以互換。所有電源板均由不同的外部配線完成不同的功能。

3 微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

3.1 信息冗余或指令冗余

信息冗余即按照一定規(guī)律，將一組冗余信息碼加入到傳送數(shù)據(jù)序列中，使原本無相關(guān)性的數(shù)據(jù)具備相關(guān)性，再以這些冗余信息碼元件為監(jiān)督碼與相關(guān)信息碼同時(shí)傳送，接受端根據(jù)發(fā)送端編碼完成譯碼，附加的信息碼元會對傳送中出現(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行自動檢測并糾錯(cuò)。指令冗余即在程序的部分關(guān)鍵位置插入幾條單字節(jié)空指令 NOP（No Operation Performed，無操作)），微機(jī)系統(tǒng)因干擾影響，程序出現(xiàn)跑飛時(shí)，就會執(zhí)行該NOP指令，避免了將操作數(shù)作為指令碼執(zhí)行，連續(xù)執(zhí)行所插入的空指令后，就能夠使后續(xù)程序執(zhí)行恢復(fù)正常。該方法的缺陷在于可能會降低工作效率，但其抗干擾優(yōu)勢仍然較大。

3.2 軟件陷阱

在程序跑飛至非程序區(qū)或表格區(qū)內(nèi)時(shí)，若無法由指令冗余方法恢復(fù)程序正常運(yùn)行時(shí)，可利用軟件陷阱法攔截該程序，確保程序恢復(fù)正常。該方法是在程序關(guān)鍵區(qū)或非程序區(qū)插入一條引導(dǎo)指令或轉(zhuǎn)移指令，將進(jìn)入陷阱中的程序強(qiáng)行引導(dǎo)至一段錯(cuò)誤處理程序內(nèi)，引導(dǎo)程序恢復(fù)正軌，其指令內(nèi)容主要是NOP；NOP LJMP ERR。這種方法是對程序設(shè)置了返回功能，重新初始化系統(tǒng)以引導(dǎo)程序恢復(fù)正常，但無法徹底根治跑飛的程序。因此，可在內(nèi)在代碼的非存儲位置，設(shè)置并執(zhí)行一條中斷指令，分級處理各類中斷指令，可同時(shí)接收同等級程序指令，重置同等級多個(gè)指令，以達(dá)到中斷程序指令的最優(yōu)化使用。不同區(qū)的中斷指令代碼有所不同。

中斷向量區(qū)

圖6 光耦連接

3.3 開關(guān)量軟件抗干擾技術(shù)

形狀量信號輸入時(shí)，會出現(xiàn)較短時(shí)間的毛刺狀干擾信號，可在采集某一種開關(guān)量信號時(shí)，多次重復(fù)采集，當(dāng)出現(xiàn)兩次或兩次以上相同數(shù)據(jù)時(shí)，即可停止采集，并報(bào)警。在保證實(shí)時(shí)性的前提下，各類數(shù)據(jù)采集信號間有一定間隔時(shí)，結(jié)果準(zhǔn)確度也更高，也就增加了抗干擾能力。開關(guān)量輸出信號的抗干擾方法亦可采用這種重復(fù)輸出相同數(shù)據(jù)的方法，但需減少重復(fù)周期。當(dāng)外設(shè)設(shè)備在接收到一個(gè)錯(cuò)誤信息時(shí)，未給予相應(yīng)的傳送就接收到正確信息，表明錯(cuò)誤操作的風(fēng)險(xiǎn)得到了有效的降低。

3.4 軟件濾波技術(shù)

軟件濾波即通過編程計(jì)算輸入信號的數(shù)值與邏輯思路，降低干擾信號在有用信號中的比例，該方法可通過軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，且無需增加新的硬件設(shè)備，主要方法包括3個(gè)：①算術(shù)平均值濾波，連續(xù)采樣被測量值多次后，取其算術(shù)平均值為最終采樣值，當(dāng)信號在某個(gè)數(shù)值上下出現(xiàn)波動時(shí)，可采用該方法。②中值濾波，連續(xù)采樣被測量值多次后，取其中間值作為采樣值，該方法能夠有效清除脈沖干擾，測量溫度或液位等變化較慢的參數(shù)更為適用。③去極值平均濾波，連續(xù)采樣被測量值多次后，去掉其最大與最小值，取其他N-2次采樣值平均值作為最終采樣值，該方法的目的在于消除偶然性出現(xiàn)的脈沖干擾引發(fā)的采樣偏差。

3.5 軟件看門狗技術(shù)

軟件看門狗即程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，是一種軟件、硬件融合的抗干擾技術(shù)，用單穩(wěn)觸發(fā)器或定時(shí)器計(jì)數(shù)或定時(shí)，完成定時(shí)后，可觸動程序或系統(tǒng)復(fù)位原件，并定時(shí)清零。運(yùn)行看門狗后，可在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成跑飛程序的有效清零。在受到干擾后，該程序會出現(xiàn)讀取順序的錯(cuò)位，不能完成定時(shí)清零操作，進(jìn)而造成定時(shí)溢出，此時(shí)，程序就會立刻清零，引導(dǎo)系統(tǒng)擺脫因程序跑飛而出現(xiàn)的癱瘓狀態(tài)。

4 結(jié)語

微機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)是其可靠性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之一，要清除、抑制或隔離干擾源，可從硬件、軟件技術(shù)上進(jìn)行抗干擾處理。結(jié)合ZY5000微機(jī)控制系統(tǒng)，分析了部分抗干擾技術(shù)，實(shí)際使用中效果良好。