數(shù)據(jù)采集中的干擾及抗干擾措施

李喜鴿 趙乾

在數(shù)據(jù)采集器的使用過程中，一般會存在一些干擾，如磁場耦合干擾、靜電干擾、電磁輻射干擾等。針對數(shù)據(jù)采集器的干擾，需要從數(shù)據(jù)采集器的硬件和軟件設(shè)計(jì)時就采取措施實(shí)現(xiàn)有效的防范。

【關(guān)鍵詞】干擾；抗干擾；硬件措施；軟件措施

1 數(shù)據(jù)采集器干擾的主要來源

干擾的方式多種多樣，主要有下面分類，分電導(dǎo)通路耦合干擾、為靜電干擾、漏電耦合干擾、磁場耦合干擾、電磁輻射干擾等。對數(shù)據(jù)采集器干擾的來源進(jìn)行分析和明確才能夠在數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)過程中做好防范措施。

2 系統(tǒng)抗干擾的硬件措施

在數(shù)據(jù)采集器的抗干擾硬件措施方面，本研究將從電源系統(tǒng)抗干擾、模擬信號采集端的抗干擾設(shè)計(jì)和A/D 變換與D/A 變換干擾三個方面來進(jìn)行。

2.1 電源系統(tǒng)的抗干擾

2.1.1 采用隔離變壓器

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電網(wǎng)之間有不同的地線，干擾信號使兩個輸入端的電位相對某一公共端一起變化的。因此，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時，要將寄生耦合干擾消除可以通過采用隔離變壓器隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地線和電網(wǎng)的地線的方法實(shí)現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電網(wǎng)的抗共模抑制比能力。

2.1.2 采用電源低通濾波器

電源低通濾波器的使用是重要的硬件抗干擾措施。一般情況下，干擾通道的頻率是大于電網(wǎng)的工作頻率50赫茲的，采用低通濾波器只讓低頻信號通過，使用這種方法過程中，為了防止濾波器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，應(yīng)該在濾波器前面增加布設(shè)一個大約50米廠的雙絞線組成的分布參數(shù)噪聲衰減器，，從而保證了低通濾波器能夠在干擾進(jìn)入前就實(shí)現(xiàn)了干擾的衰減作用。

2.1.3 采用交流穩(wěn)壓源

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過足夠輸出功率的穩(wěn)壓源防止電源的過壓和欠壓。交流穩(wěn)壓源可以通過無源四端網(wǎng)絡(luò)的干擾抑制器實(shí)現(xiàn)將尖峰干擾消除的目的。

2.1.4 供電系統(tǒng)要合理布線

為了使電磁干擾進(jìn)一步的降低，需要科學(xué)合理的布線。

2.2 模擬信號采集端的抗干擾設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器能夠采集電壓信號、電流信號、溫度信號等不同類型的信號，需要采用線性光耦隔離放大器配置的方式實(shí)現(xiàn)模擬信號端采集抗干擾，從而在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中就選擇合適的、科學(xué)的線性光耦隔離放大器提升系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的抗干擾性能。當(dāng)然，其他數(shù)據(jù)采集器也可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況采用變壓器隔離放大器。

2.3 A/D 變換與D/A 變換干擾

本文采用的解決方法有連個方面：一是通過低通濾波除去輸入A/D轉(zhuǎn)化芯片模擬信號的高頻干擾；二是通過連接A/D芯片和D/A芯片的高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓源輸出端和基準(zhǔn)電壓源輸入端。當(dāng)然，A/D變換和D/A變化過程中采用抗干擾設(shè)計(jì)需要注意的問題就是禁止將A/D和D/A芯片的基準(zhǔn)電壓輸入端直接與電源相連接，避免產(chǎn)生更大的干擾。

3 系統(tǒng)抗干擾的軟件措施

3.1 數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)

在數(shù)據(jù)采集器中的軟件抗干擾措施中，數(shù)字濾波器抗干擾技術(shù)和程序正常運(yùn)行技術(shù)等都是常用的軟件措施。首先，由軟件來代替硬件可以降低硬件故障。并且數(shù)字濾波器的高可靠性和穩(wěn)定性也有效的避免了各回路之間的匹配問題。另外軟件的靈活性和可操作性更高，實(shí)現(xiàn)濾波參數(shù)的改變，可以增強(qiáng)數(shù)字濾波器使用的實(shí)用性。包含的方法包括：中值法，算數(shù)平均法，加權(quán)平均濾波法和復(fù)合濾波法。

3.2 程序正常運(yùn)行技術(shù)

3.2.1 采用攔截失控程序的方法

采用攔截失控程序的方法抗干擾，也是本文使用的主要軟件抗干擾措施，主要體現(xiàn)在以下三個方面：一方面在采用C語言進(jìn)行系統(tǒng)編程軟件配置過程中可以較多的采用單字節(jié)指令，特別是在語言程序中的一些關(guān)鍵位置和區(qū)域?qū)⑦@些單字節(jié)的、有效的指令插入其中，通過這種多次重復(fù)有效的單字節(jié)指令的形式以對后面的指令進(jìn)行保護(hù)，防止其被拆散，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序運(yùn)行的正常化、穩(wěn)定化；第二方面是將一些軟件陷阱加入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過設(shè)置軟件陷阱防止PC值失控引發(fā)的CUP進(jìn)入非程序區(qū)的情況下，將強(qiáng)制性指令引入到程序中的關(guān)鍵點(diǎn)不能從而使系統(tǒng)程序強(qiáng)制性的進(jìn)入初始入口狀態(tài)，從而推動了程序系統(tǒng)的CPU回歸到程序區(qū)。本文采用每隔一段的方式設(shè)計(jì)了多個軟件陷阱，有效的防止了干擾；三是進(jìn)行軟件復(fù)位，也就是當(dāng)處理器進(jìn)入到非程序區(qū)時，可以通過運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，從而保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動復(fù)位而重新初始化。

3.2.2 增加數(shù)據(jù)安全備份

本參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還增加了數(shù)據(jù)安全備份，以提升抗干擾性能。為了更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份，本數(shù)據(jù)采集智能儀器設(shè)備設(shè)置了三個存儲區(qū)提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份，并且在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中安裝了外部RAM應(yīng)用備份數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)采集和分析提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)備份功能。借助于三個內(nèi)置的存儲區(qū)和外部大容量的RAM將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要永久保存的數(shù)據(jù)以表格的形式固化在EPRMOM，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)和表格的保護(hù)，防止程序邏輯混亂。編寫了專門的數(shù)據(jù)保護(hù)子程序?qū)?shù)據(jù)提供進(jìn)一步的保護(hù)。

3.2.3 采用主動初始化及數(shù)據(jù)冗余化技術(shù)

數(shù)據(jù)冗余化技術(shù)和主動初始化技術(shù)都本研究的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用到的主要抗干擾措施。通過對使用的單片機(jī)中的各種功能端口設(shè)置和通過擴(kuò)展器的狀態(tài)和方式，從而保證數(shù)據(jù)采集器快速直接的實(shí)現(xiàn)各級系統(tǒng)的初始化。此外，為了提升系統(tǒng)檢測能力對重要的數(shù)據(jù)增加冗余位，從而延長了數(shù)據(jù)和代碼之間的漢敏距離也使系統(tǒng)的糾正錯誤能力得到提升。

3.2.4 采用片內(nèi)軟“看門狗”（WDT）與重復(fù)執(zhí)行程序技術(shù)

由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是AD7891微處理芯片，在軟件配置過程中配置了適當(dāng)?shù)某绦蚓幋a構(gòu)成了WDT，這就為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生異常的情況下及時有效的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制性的系統(tǒng)“軟復(fù)位”，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的、正常的運(yùn)行和工作。

3.2.5 對未使用的內(nèi)存區(qū)的設(shè)置方法

在本次設(shè)計(jì)過程中，為了有效的防止程序計(jì)數(shù)器跳進(jìn)沒有使用的存儲區(qū)引發(fā)進(jìn)一步的誤動作本次設(shè)計(jì)中未使用的存儲區(qū)內(nèi)加入“SWI”指令填充。這樣就有效的防止了一旦PC值遭受破壞或者由于無操作進(jìn)入到存儲區(qū)，額會將SWI矢量設(shè)置到起始位置，從而防止了程序的錯誤，保證系統(tǒng)程序的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文對數(shù)據(jù)采集器的電流有效值的測量和抗干擾措施進(jìn)行分析，探討了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的干擾來源，分別從硬件措施和軟件措施方面解決了電流有效值測量問題，從硬件和軟件抗干擾措施方面探討了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾措施。并且介紹了本數(shù)據(jù)采集智能儀表在硬件和軟件設(shè)計(jì)時采取的抗干擾措施。

作者單位

新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830021