浅谈工业现场设备的干扰问题

杨传彤

(中国航空工业空气动力研究院)

1 电磁干扰

(1)传输通道抑制:具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、布线。(2)空间分离:地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。(3)时间分隔:时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。(4)频率管理:频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光电转换。(5)电气隔离:变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换。

在这些方法中，滤波、屏蔽、光电隔离法是目前普遍采用的抗干扰措施之一。

滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。

信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。

电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。

线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。

电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其他设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率(50Hz，60Hz，400Hz)通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。在实际应用中，在设计电路时用4.7～10μF的大电容接在电源和地层之间，用于旁路开关噪音，用足够多的104电容接在电源和地之间以减少高频噪音，把没有布线的地方用铜箔填充，并连接到电源层或地层，可以提高电路的抗干扰能力。

光电隔离法是目前普遍采用的抗干扰措施之一。如图1所示。

由于发光二极管的内阻非常小，只有几百欧。而干扰源的内阻一般比较大，在发光二极管上的得到的干扰电压是非常小的。因此大大削弱了干扰的强度，同时由于发光二极管在有足够的电压和电流时才能发光，尽管干扰信号的电压很高，但其电流很小，能量则很小。因此它不足以驱动发光二极管发光，在光电隔离器的另一端不会有干扰信号输出。在电路设计初期，出现了计数器T0计数不准的现象。这是由于外界的干扰(如电、磁、共阻抗干扰)所造成的。开始采用在信号两端并接一个10μF的电容，想以此来改善其抗干扰能力。但实际上效果并不显著。后采用光电隔离法后，消除了干扰信号，采集数据准确。

图1 光电隔离方法

2 共阻抗干扰

共阻抗干扰是由于信号线屏蔽网双端接地造成的，屏蔽网是用于屏蔽外部干扰信号的，但如果它的两端分别接地后就会造成两端的电动势不一样，在屏蔽网中造成变化的电流流过而成为干扰源。

在实际使用中，为消除共阻抗干扰，我们将仪表的采集部分的信号线采用屏蔽线。然而并不是屏蔽线本身能防止干扰进入，它必须经过正确的接地方法才能有效的抑制干扰的影响。应该注意不要将信号线屏蔽网的两端分别接地。这样做就破坏了屏蔽网的抗干扰能力。这是因为信号线屏蔽网的两端分别接至不同的接地点。两个接地点之间就会形成一定的电压差，这条屏蔽网本身就形成了干扰源，这样做不但没抑制干扰，反而成为了又一干扰源。正确的方法是是信号线屏蔽网的一端接地，而另一端空浮即可。单点接地是共阻抗干扰的有效手段。

3 通讯中的干扰

因为数字信号的传输随着距离的增加和信号传送速率的提高，在传输线上的反射串扰衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变。从而限制了通讯距离。虽然AT89C2051芯片本身具有一个功能很强的串行通讯口，但它的信号是普通的TTL电平，其驱动能力差。输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰性能差。因而传输信号的距离短，只有几米。而以前常用的RS-232接口电路，其驱动器输出信号摆幅比TTL电平大的多，使抗干扰能力大大提高，但RS-232标准规定，驱动器允许有2 500pF的电容负载，通讯距离将因此受到影响，一般通讯距离在15m左右。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰的问题。

(1)因为你在控制＇基准＇电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准，单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统内＇地＇的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与＇地＇的精确值无关，而在某一范围内。

(2)它对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的EMI还要少。因此具有抑制干扰的能力。加上接收器具有高的灵敏度，能监测低达200mV的电压，使传输信号在千米之外得到恢复。

在应用中，通讯芯片用的是MAXIM公司生产的MAX1487。它的运行方式是半双工通讯。与AT89C2051的接口电路如图2所示。

图2 CPU与MAX1487接口设计

A，B是数据线，当MAX1487工作于接收方式时，A，B是接收器的差分式输入端;当MAX1487工作于发送方式时，A，B是驱动器的输出端。

RO是接收器输出端，与AT89C2051的RXD端相连。接收器的电压输入范围为-7V～+12V，输入灵敏度为200mV，如果A〉B200mV，R0为高电平;如果A〈B200mV，R0为低电平。

/RE是接收器输出使能端，当/RE为低电平时，使R0能工作，当/RE为高电平时，R0为高阻抗。DE是驱动器输出使能端。当DE为高电平，驱动器输出端工作。当DE为低电平时，驱动器输出端为高阻抗。在与AT89C2051的连接中，AT89C2051的一总线P3.3经过一非门与这两个使能端连接到一起。用非门是为了确保单片机复位后MAX1487处于接收状态。

DI是驱动器输入端，与AT89C2051的TXD端相连

根据RS-485标准，接收器的输入阻抗为12KΩ(称为单位负载)，总线上最多能连接32个收发器。而我们使用的MAX1487的接收器的输入阻抗为标准输入阻抗的4倍(即1/4个负载)，总线上可挂接128个负载。

在MAX1487的传输线路中，为了实现信号的可靠传送，要选用双绞线作为信号传输线。因为在差分平衡系统中，双绞线在长度、方向上完全对称，所受的外界干扰程度完全相同，干扰信号以共模方式出现。在接收器的输入端共模干扰受到抑制，所以能实现信号的可靠传送。

另外，信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的，从而影响信号的远距离传送。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。双绞线的特性阻抗一般在110～130 Ω之间(主要与双绞线的绝缘材料的厚度及导线的直径有关，一般D/d≤10，D为节距，d为线外径)。

通常在传输末端接120 Ω的电阻进行匹配，中间收发器的接线应尽量短。还应注意的就是长线传输中对信号的衰减。

我们在现场施工时就出现过此类问题。上位机接收不到水电量采集器仪表所传送的数据。开始我们认为是作为信号传输线的双绞线的问题，可能是双绞线不通所引起的。但在对其测试后否定了这个推断。后来经查找资料研究，是由于信号在传输线上传送中，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象而产生干扰。在传输末端接120 Ω的电阻后，水电量采集器仪表的数据终于传送到上位机的数据库中。

在设计电路时，也要注意分布电容对RS-485总线传输性能的影响。分布电容可由下式表达

式中:K为电容系数;A为两极间的相对面积;D为两极间的距离。

电缆的分布电容主要是由双绞线的两条平行导线产生。另外，导线与地之间也存在分布电容，虽然很小，但也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响，主要是因为总线上传输的是基波信号，信号的表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中，例如0X01，信号“0”使得分布电容有足够的充电时间，而信号“1”到来时，由于分布电容中的电荷，来不及放电，使接受器误认为是“0”，而最终导致校验错误，整个数据桢传输错误。因此在设计电路图时，MAX1487的数据线A、B端的连线的线宽不应太宽，以减少分布电容的影响。

4 结论

由于工业现场环境复杂，存在着各种干扰源。对于各种干扰现象要具体问题具体分析，只有分析出其本质并采用正确的抗干扰措施才能收到事半功倍的效果。

[1] 张友德，赵志英，涂时亮.单片微型机原理、应用与实验[M].复旦大学出版社，1993.

[2] 张积东，孙积第，夏华龙.单片机51/98开发与应用[M].电子工业出版社，1994.

[3] 王幸之，王雷，翟成，等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京航空航天大学出版社，2000.

[4] 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社，1990