第12章 数据采集系统的抗干扰设计

第12章数据采集系统及其抗干扰数据采集是指把被测对象的各种模拟量（如:温度、压力、流量、位移等）通过传感器作适当变化后，再经过信号调理、采样、量化、编码等步骤，最后由计算机进行存储、显示或打印、传输的过程。12.1研究意义12.2系统结构形式典型的数据采集系统由硬件和软件组成。按硬件结构分，有三种结构形式：单个微型计算机数据采集系统、集散型数据采集系统以及分布式数据采集系统。由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。传感器传感器传感器传感器模拟开关程控放大采样/保持器A/D转换器定时与逻辑控制接口计算机显示器打印机绘图机被测物理量微型计算机数据采集系统框图单机控制采集处理系统1、传感器：完成非电量到电量的转换过程。传感器的种类很多，比如：温度检测的金属热电阻、热敏电阻、热电偶；用于位移检测的电容传感器、电感传感器；用于压力检测的电阻应变片、压电传感器等。2、（程控）放大器：用于放大和缓冲输入模拟信号。类型有测量放大器、隔离放大器、程控放大器等。滤波器（除噪声）滤波器的类型有低通、高通、带通滤波器。一般都采用有源滤波器。3、多路模拟开关：多路模拟开关用在转换速率不高的场合。由N个通道选择信号选择2N个模拟通道之一。4、采样/保持器：A/D转换需要一定的时间，在这段时间内希望A/D转换器输入端的模拟信号大小不改变，以保证转换精度。采样／保持器的改进可提高数据采集系统的采样频率。5、A/D转换器：是整个模拟通道部分的核心，其作用是完成模拟采样信号的量化与编码。A/D转换器的输出可以并行或者串行送给计算机。6、数字信号处理：主要由计算机借助不同的软件实现，包括：二次数据计算（平均值、累加值、变化率、差值、最大值和最小值等），时间序列分析，趋势分析，突变情况分析等。处理后的数据需要存储、显示、打印、发送，以便后续控制。一、系统遭受的干扰类型及其危害；二、干扰的来源；三、硬件抗干扰方法；四、软件抗干扰方法；五、系统设计时减少干扰发生的方法；12.3系统的抗干扰技术干扰就是系统内部或外部对有用信号的启不良作用的或无用的信号的统称。数据采集系统常会受到来自外部的各种电气干扰，自身内部相互干扰，以及对工作环境造成干扰。一、干扰的类型及危害一、危害：1、测量结果误差加大干扰信号与有用信号叠加，会加大信号误差，有时甚至淹没有用信号。2、控制系统失灵某些控制信号通常依赖于某些的状态输入信号和对这些信号逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控制失灵。3、程序运行失常外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。如：外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的PC值是随机的，程序将执行一系列毫无意义的指令，这将使输出严重混乱或死机。二、干扰的表现形式1、机械干扰系统所处现场的机械振动、机械冲击，会造成系统中各元件相对位移，导线的扭曲，应变片的变形等。防护：采用各种减震措施，如：利用减震弹簧、减震橡皮垫，加装海绵等。2、热干扰指设备或系统元件由于工作温度波动而引起的电路参数的变化或产生附加电动势等。防护：采用热屏蔽，用导热性能较好的金属材料做成屏蔽罩，将系统某些元件屏蔽起来。如：加电风扇、加恒温槽、采用温度补偿、采用差动输入方式等。二、干扰的表现形式3、光干扰系统中的各种半导体元器件都对光敏感，光电强弱会引起元器件的电动势或阻值变化。防护：采用半导体封闭技术，将其封闭在不透光的壳体内。4、湿度干扰湿度的变化也会引起阻值的变化，漏电流的增加。防护：采用适当的干燥措施。5、化学干扰化学物质对系统器件的腐蚀、损害等。防护：采用良好的密封措施以及注意保持清洁。二、干扰的表现形式6、电磁干扰电或磁通过电路和磁路对系统产生的干扰作用、电磁感应作用、使电场和磁场都会产生感应电动势，感应电流，影响测量结果。防护：加装金属罩，屏蔽电磁场等。7、射线辐射干扰指多种辐射射线使气体电离，使半导体激发出电子-空穴对，金属溢出电子等。防护：射线防护是一门专门技术主要用于原子能工作。干扰产生的三要素干扰产生有三个要素：干扰源、传播路径、敏感元件，三者缺一不可。敏感元件：系统中一些易被干扰元件，如A/D转换器、D/A转换器、信号放大器等。7.2干扰产生原因干扰源：如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号。雷电、太阳和宇宙射线也属于干扰源。传播路径：电磁信号在空中直线传播，并具有穿透性的辐射方式传播；以及借助导线传入设备的传播的传导方式传播；都会受到干扰信号影响。7.3硬件抗干扰技术一、抑制干扰源抑制干扰源的常用措施除选用特殊性能的电源外，重要的措施是屏蔽。为减少交流电源的干扰，可采用交流稳压器、不间断电源（UPS）、隔离变压器、低通滤波器等，以抑制电源电压的波动和干扰噪声。屏蔽技术是利用导电或导磁材料制成的壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。例如：屏蔽双胶线可抵御静电和电磁感应干扰；屏蔽房抵御电磁信号传输。二、隔离技术切断干扰信号通道隔离是指把干扰源与接收系统隔离开来，有用信号可正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。7.3硬件抗干扰技术常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。1、光电隔离它指以光信号在隔离的发送端和接收端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光信号传输信息时，不会和其输入和输出的电信号进行直接耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。二、隔离技术切断干扰信号通道7.3硬件抗干扰技术2、变压器隔离变压器仅能传输交流信号，可用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。除此之外，还要适合具体电路的隔离技术。例如：为防止信号传输过程受到干扰信号影响，采用实时选频、跳频、扩频、高频自适应技术。例如：为工业控制系统的噪声干扰，采用继电器隔离。继电器的线圈传信号，触点接收信号。三、附加滤波电路7.3硬件抗干扰技术滤波电路是抑制干扰的一种重要方法。由于干扰源发出的干扰信号的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，采用滤波的方法，只让有用信号的频率成分通过，而将干扰信号频率成分加以抑制。滤波电路有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。滤波电路信号处理有维纳滤波、卡尔曼滤波等。滤波电路不仅适合硬件方法，也适合软件方法。四、修改设计1、系统电路板（PCB）的设计时，应符合抗干扰设计要求。电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号，干扰源尽可能远离敏感元件。D/A、A/D转换电路要特别注意地线的正确连接。系统内部的变频电源、开关电源等可以采用屏蔽保护，隔离空间辐射，以减少噪声源对单片机的干扰。电路板上每个集成电路模块（IC）要并接一个0.01～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。这些高频电容连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，这会影响滤波效果。布线时避免90°折线，减少高频噪声发射。7.3硬件抗干扰技术2、电子线路设备正确接地也是抑制干扰噪声的重要方法。①在低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地。在高频电路中，寄生电抗的影响不容忽视，要采用多点接地，以避免各接地点之间的耦合。②应用系统中数字地和模拟地应分别接地，然后再在一起把两种地分别连接起来。③印刷电路板对地线的分布、形状、长度和宽度也有一定的要求，比如地线要呈辐射状，避免环行，地线要宽，连接旁路电容的地线不要太长等。④应用系统中的数字地、模拟地、强电设备的地、机壳或其他金属构件的屏蔽地应分开布置并在一点上和电源地相连。⑤在采用屏蔽双绞线传送信号时，应将屏蔽地与工作地连在一起。要注意只能在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体上产生较大的噪声。7.3硬件抗干扰技术一、数字滤波1、数字滤波是通过特定的计算程序处理，降低干扰信号在有用信号中的比例，故实质上是一种程序滤波。2、数字滤波器有以下优点：①不需要增加任何硬件设备，需数据处理和控制前，附加一段数字滤波程序即可；②不存在阻抗匹配问题；③适宜的滤波频率范围宽，而模拟RC滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低；④对于多路信号输入通道，可以共用一个滤波器，只要适当改变滤波器程序或参数，就可以方便地改变滤波特性，这对于低频脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效。7.4软件抗干扰技术软件抗干扰技术主要包括：信号处理前的数字滤波，削弱干扰信号的影响；信号处理后程序编程，避免干扰信号的误操作。3、数字滤波方法1）限幅滤波如果一输入信号增量变化有限度，可采用限幅滤波。所谓限幅滤波，就是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），如果增量超过限度（最大允许差值△y），则仍取上次采样值作为采样值；如果小于或等于△y，则取本次采样值。适用范围：主要用于变化缓慢的参数测量，如温度、液位等。无法抑制增量变化较大的信号。2）中位值滤波中位值滤波是对某一被测量连续采样n次(一般n取为奇数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。适用范围：同限幅滤波。7.4软件抗干扰技术3）平滑滤波噪声在很多情况下可以近似地认为是白噪声。白噪声具有一个很重要的统计特性，即其统计平均值为零。因此，可以用求平均值的办法来消除随机误差，这就是所谓的平滑滤波。二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施1.采用指令冗余处理程序“跑飞”所谓程序“跑飞”，是单片机正常运行过程中，遇外界干扰使CPU发生混乱引起“死机”。程序“跑飞”后，最简单的方法是让CPU复位，让程序重启。通常采用“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复到正常的状态中。即在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。例如：对于51单片机来说，通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前插入两条NOP指令。这些指令有RET、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、JBNZ、DJNZ等。值得注意的是，程序中，“指令冗余”不能过多，否则会降低程序的执行效率。7.4软件抗干扰技术2．采用软件陷阱处理程序“跑飞”采用“指令冗余”，使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的。首先，“跑飞”的程序必须落到程序区；其次，必须执行到所设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区(如EPROM或RAM中未用完的空间或某些数据表格区等)，或在执行到冗余指令前已经形成一个死循环，则“指令冗余”措施失效。这时可采用另一种抗干扰措施，即所谓的“软件陷阱”。“软件陷阱”是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门处理错误的程序。假设这段处理错误的程序入口地址为ERROR，则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”。NOPNOPLJMPERROR；转到预先设计的入口执行二、单片机执行过程中的软件抗干扰措施2．采用软件陷阱处理程序“跑飞”“软件陷阱”一般安排在下列4种地方。（1）未使用的中断向量区AT89S51单片机的中断向量区为0003H～002FH。如果系统程序未使用完全部中断向量区，则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”。例如，某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0，它们的中断服务子程序入口地址分别为T0_INT0、T0_INT1和T0_T0，即可按下面的方式来设置中断向量区：ORG0000HSTART：LJMPTO_MAIN；引向主程序入口ORG0003HLJMPTO_INT0；INT0中断服务程序入口NOP；冗余指令LJMPERROR；陷阱ORG000BHLJMPTO_T0；T0中断服务程序入口NOP；冗余指令NOPLJMPERROR；陷阱ORG0013HLJMPTO_INT1；INTl中断服务程序入门NOP；冗余指令NOPLJMPERROR；陷阱ORG00lBHLJMPERROR；未使用T1中断，设陷阱NOP；冗余指令NOPLJMPERROR；陷阱ORG0023HLJMPERROR；未使用串口中断，设陷阱NOP；冗余指令NOPLJMPERROR；陷阱ORG002BHLJ