摘  要： 討論了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾現(xiàn)象，對(duì)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(cè)控系統(tǒng)的抗干擾措施。提出以主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的抗干擾策略，給出了具體的適用于工業(yè)測(cè)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(cè)控系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)性能。
 關(guān)鍵詞： 電磁干擾；抗干擾；測(cè)控系統(tǒng)；屏蔽；軟件陷阱

　　現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為制造、加工業(yè)或其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供了先進(jìn)的測(cè)量和自動(dòng)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(cè)控系統(tǒng)中的電子電路的可靠性決定系統(tǒng)運(yùn)行的成敗。除去功能設(shè)計(jì)的先天不足和電子元器件、材料的質(zhì)量瑕疵因素，電子測(cè)控系統(tǒng)的抗電磁干擾能力直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，抗干擾設(shè)計(jì)的依據(jù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾環(huán)境的了解和干擾信號(hào)作用于電子電路的物理機(jī)制。因此研究電子電路的電磁干擾現(xiàn)象和抑制措施，無(wú)疑是很有意義的。
1 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾
1．1 電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)電子電路的干擾作用
　　電場(chǎng)和磁場(chǎng)均可分為恒定場(chǎng)和交變場(chǎng)兩類，靜電場(chǎng)、直流電產(chǎn)生的電場(chǎng)屬恒定電場(chǎng)；永久磁鐵、直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)屬恒定磁場(chǎng)。交變的電壓和電流分別產(chǎn)生交變電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)。恒定場(chǎng)會(huì)對(duì)某些電子器件產(chǎn)生作用，例如恒定電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)均會(huì)使示波管中的電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；靜電場(chǎng)會(huì)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(qiáng)度的恒定磁場(chǎng)會(huì)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(huì)隨機(jī)改變電路中電信號(hào)的參數(shù)，故只能稱為影響而不能稱作干擾。而交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)往往會(huì)隨機(jī)地改變極性、強(qiáng)度、頻率等，破壞電路中的正常電信號(hào)，它會(huì)改變模擬電路信號(hào)波形、參數(shù)，擾亂數(shù)字電路的邏輯關(guān)系、隨機(jī)篡改數(shù)字式計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值或者存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。在多數(shù)情況下這些行為表現(xiàn)為隨機(jī)性、擾動(dòng)性，因此稱為干擾[1]。干擾的程度取決于交變電磁場(chǎng)的變化速率和強(qiáng)度，同等強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，變化速率越大則干擾越嚴(yán)重。同等的變化速率，強(qiáng)度越高的電磁場(chǎng)干擾越嚴(yán)重[2]。交變電磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備的干擾最為突出、最為嚴(yán)重，本文的討論主要集中在交變電磁場(chǎng)的干擾產(chǎn)生與抑制方面。
1．2 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾來(lái)源
　　工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的電磁干擾源的數(shù)量和強(qiáng)度，取決于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的組成系統(tǒng)復(fù)雜程度及用電設(shè)備的種類、數(shù)量、功率等因素?？偟膩?lái)說(shuō)，凡是有電流快速變化(或者有突變)的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電壓：
　　
式中，i為用電設(shè)備中的電流，L為電流回路等效電感，感應(yīng)電壓因電流變化而產(chǎn)生[3]。這個(gè)感應(yīng)電壓即為干擾信號(hào)，它以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式由空間傳播或沿傳輸導(dǎo)線傳導(dǎo)進(jìn)入電子電路，使電路中的正常信號(hào)被額外疊加，即被干擾[4]。產(chǎn)生這類干擾信號(hào)的設(shè)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(kāi)關(guān))的帶載合閘與分閘、PWM變頻調(diào)速器運(yùn)行、電焊、中頻感應(yīng)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(chǎng)使用的電源導(dǎo)線往往數(shù)量很多、傳輸功率較大，這些導(dǎo)線載流時(shí)也會(huì)從空間轉(zhuǎn)播50 Hz的電磁場(chǎng)，對(duì)于敏感部件也會(huì)形成干擾。
1．3 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的抑制
　　一般情況下工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備的工況以滿足生產(chǎn)要求為前提，不便進(jìn)行改變，因此應(yīng)對(duì)干擾的主要措施是被動(dòng)的。可以采取如下對(duì)策：(1)優(yōu)先采用電磁兼容等級(jí)高的、被公認(rèn)為成熟可靠的控制機(jī)種，如PLC、高等級(jí)的工控機(jī)。(2)電子電路單元盡量遠(yuǎn)離干擾源，因?yàn)橛呻姶艌?chǎng)理論可知：空間某一點(diǎn)的干擾信號(hào)強(qiáng)度與該點(diǎn)到干擾源的距離的平方成反比。(3)采用高導(dǎo)磁率材料(如：軟鐵板、矽鋼板、鐵氧體等)和高導(dǎo)電率材料(如：鍍銀銅板、銅網(wǎng)等)進(jìn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，然后進(jìn)行電磁抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)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(hào)傳輸媒介，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分為模擬量和數(shù)字量(包括開(kāi)關(guān)量)，對(duì)于模擬量信號(hào)應(yīng)當(dāng)采用屏蔽雙絞線傳輸，最好預(yù)先將信號(hào)源的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，再用屏蔽雙絞線的芯線傳輸差分信號(hào)，而將屏蔽層可靠地接大地。現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)實(shí)際為共模信號(hào)，雙絞線有自動(dòng)抵消共模信號(hào)的作用，而有用信號(hào)的差分形式能有效抑制共模干擾信號(hào)[5]。對(duì)于數(shù)字量或開(kāi)關(guān)量信號(hào)可采用多芯雙絞屏蔽電纜、光纜。數(shù)字量信號(hào)的傳輸通常會(huì)采用串行通信方式，串行通信有多種標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線CAN應(yīng)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(cuò)率、長(zhǎng)遠(yuǎn)的傳輸距離(最遠(yuǎn)距離可達(dá)1 km)、強(qiáng)大的總線差分驅(qū)動(dòng)能力(總線可直接掛接110個(gè)通信節(jié)點(diǎn))等突出優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最為理想的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。此外，信號(hào)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?yàn)楦蓴_信號(hào)表現(xiàn)為高阻抗，而電流傳輸為低阻抗，干擾信號(hào)被衰減。(5)合理安裝傳輸線。模擬量和數(shù)字量分開(kāi)走線、信號(hào)線與電源線相隔越遠(yuǎn)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(shí)應(yīng)實(shí)際驗(yàn)證其抗干擾性能或采用已被實(shí)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(wú)觸點(diǎn)、無(wú)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(cè)控系統(tǒng)的電子電路，一方面遭受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)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(duì)象往往在同一塊電路板上，或同在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，距離很近，因此若處理不當(dāng)，其干擾程度可能相當(dāng)嚴(yán)重。電子電路產(chǎn)生電磁干擾的原因和應(yīng)采取的應(yīng)對(duì)措施可歸結(jié)為如下幾個(gè)方面。
2.1 繼電器帶載觸頭動(dòng)作時(shí)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(yán)重的干擾(其嚴(yán)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(diǎn)則效果越好(或者采用固態(tài)繼電器)，但只適用交流負(fù)載。
2.2 電源線串?dāng)_
　　電源線包括在印制電路板(PCB)上的各個(gè)芯片、器件的電源通路。所謂串?dāng)_即干擾信號(hào)與正常信號(hào)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(cè)控電路中最大的電流，電路中各種芯片、器件工作時(shí)會(huì)使電源線中的電流發(fā)生變化，特別是數(shù)字電路工作時(shí)，會(huì)引起較大的電源電流瞬間跳變，這種跳變的電流便會(huì)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(gè)跳變電壓視為干擾信號(hào)，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(jìn)線端加接L-C濾波環(huán)節(jié)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)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(yīng)盡量靠近芯片引腳。
2.3  輸出對(duì)輸入干擾
　　  電路板上的輸出級(jí)相對(duì)能量較大，如空間位置安排不當(dāng)，會(huì)使輸出級(jí)對(duì)輸入級(jí)形成信號(hào)反饋，造成干擾。尤其是高頻率信號(hào)成份，如數(shù)字信號(hào)的方波邊沿、時(shí)鐘信號(hào)、快速脈沖信號(hào)、高頻模擬信號(hào)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(yīng)按照輸入到輸出一個(gè)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(kāi)引起的干擾 
　　模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)使用同一根公共地線，會(huì)引起干擾，尤其表現(xiàn)為數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)造成干擾，原因是數(shù)字信號(hào)電流在地線阻抗上形成干擾信號(hào)，再疊加到模擬信號(hào)中。模擬電路和數(shù)字電路混合的電路板在設(shè)計(jì)PCB時(shí)務(wù)必要使模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，盡管從電源出發(fā)時(shí)僅1根地線。如圖2所示。
2．5 數(shù)字信號(hào)方波邊沿振蕩產(chǎn)生干擾
　　數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中如果負(fù)載阻抗不匹配，其邊沿會(huì)產(chǎn)生振蕩，這種振蕩會(huì)使數(shù)字電路發(fā)生誤動(dòng)作，如使電路多次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)、計(jì)數(shù)錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)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(dāng)?shù)难訒r(shí)，躲避振蕩時(shí)間。此法可以不添加任何硬件且可靈活調(diào)節(jié)躲避時(shí)間，但對(duì)于純硬件電路則只能用硬件方法處理。
2．6 輸入設(shè)備或傳感器誤動(dòng)作干擾
　　一些靈敏的開(kāi)關(guān)型輸入設(shè)備或傳感器會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，如鍵盤被按動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，使得單次按鍵動(dòng)作變?yōu)槎啻伟存I動(dòng)作；溫度開(kāi)關(guān)、液位開(kāi)關(guān)在受到振動(dòng)時(shí)，其觸點(diǎn)會(huì)誤接通或誤斷開(kāi)。這些誤動(dòng)作若不能加以識(shí)別必然導(dǎo)致控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的處理結(jié)果。解決的方法是設(shè)計(jì)去抖程序判別動(dòng)作的真?zhèn)?，其原理是抖?dòng)的時(shí)間總是短暫的，可利用軟件插入1次或幾次延時(shí)，每次延時(shí)后讀取輸入值，如每次讀入值皆為真即為有效，否則為無(wú)效。
3  工程實(shí)踐中值得推薦的防干擾方法
　　工程實(shí)踐中對(duì)于測(cè)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(duì)于提高測(cè)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(kāi)走線，各自單獨(dú)接電源公共端。(3)CPU的I/O口線、電源線、電路板連接線等關(guān)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(shí)，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(guò)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(yīng)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(shí)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(chǔ)單元的最后存放1條長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句“LJMP 0000H”，可使程序跑飛時(shí)歸位。(9)在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個(gè)“NOP”語(yǔ)句。(10)涉及外部器件參數(shù)調(diào)整或設(shè)置時(shí)，可定時(shí)將參數(shù)重新發(fā)送1遍，以利于當(dāng)外部器件受干擾出錯(cuò)時(shí)能盡快恢復(fù)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(yīng)定義成低電平有效。
　　 電磁干擾無(wú)處不在，只是程度不同，不可能將干擾信號(hào)完全消除。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)抗干擾目標(biāo)是設(shè)法使電子設(shè)備遭受電磁干擾的程度減至能使設(shè)備可靠正常運(yùn)行的程度。如文中所述，抗干擾對(duì)策總是主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合，主動(dòng)策略表現(xiàn)為對(duì)干擾源進(jìn)行抑制，使干擾源產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度降至最低，被動(dòng)策略表現(xiàn)為對(duì)干擾信號(hào)采取規(guī)避行為，使干擾無(wú)效。兩種策略均不失為上策，只是要針對(duì)具體情況采取相應(yīng)措施。
　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾對(duì)策是一項(xiàng)重要而復(fù)雜的技術(shù)，抗干擾效果取決于實(shí)施者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和測(cè)控電路產(chǎn)生的干擾源的了解程度、電子技術(shù)運(yùn)用技巧以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
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