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摘要：现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。文章探讨了在工业现场中各种干扰对机电一体化系统的影响和破坏，分析了干扰产生的原因，并从系统软硬件设计上提出了系统抗干扰的措施。
关键词：工业生产；机电一体化；干扰成因；分析；抗干扰措施
中图分类号：TH-39文献标识码： A 文章编号：
1 引言
一般说来，在机电一体化系统中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长，因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。机电一体化系统投入工业环境应用时，由于系统通过电网、空间与周围环境发生了联系而受到干扰。若系统经不起干扰的冲击，各电气功能模块将不能正常工作，计算机系统往往会因干扰产生程序“跑飞”，传感器模块将会输出伪信号，功率驱动模块将会输出畸变的驱动信号，使执行机构动作失常，最终导致系统产生故障，甚至瘫痪。因此，应在系统设计时考虑周全，采取有效的抗干扰措施。
2 干扰源
2.1 供电干扰
大功率设备（特别是大感性负载的启停）会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度的涨落、浪涌。由于大功率开关的通断，电动机的启停等原因，电网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲干扰。由于我国采用高压（220V）高内阻电网，电网污染严重，尽管系统采用了稳压措施，但电网噪声仍会通过整流电路串入计算机系统。据统计，电源的瞬时短路、欠压、过压、电网窜入的噪声引进CPU 误动作及数据丢失占各种干扰的90%以上。因此在抗干扰设计中，应重点考虑电源干扰。
2.2 过程通道干扰
通道干扰主要来源于长线传输。当系统中有电气设备漏电、接地系统不完善、或者传感器测量部件绝缘不好等情况时，都会在通道中直接串入很高的共模电压或差模电压；各通道的传输线如果处于同一根电缆中，各路间会通过分布电感或多或少分布电容产生相互间的干扰，尤其是将0～15V的信号线与交流220V 的电源线同处于一根长达几百米的管道内，其干扰相当严重。多路信号通常要通过多路开关和采样保持器进行数据采集后送入微机，若这部分的电路性能不好，幅值较大的干扰信号也会使邻近通道之间产生信号串扰，这种串扰会使信号产生失真。
2.3 场干扰
系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、静电场，如太阳及天体辐射电磁波；广播、移动电话、通讯发射台的电磁波；周围中频设备（如中频炉、晶闸管变送电源、微波炉等）发出的电磁辐射等。这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。
3 硬件抗干扰措施
3.1 提高系统抗电源干扰的措施
3.1.1 配电方案中的抗干扰措施
抑制电源干扰首先从配电系统的设计上采取措施，可采用图1 所示的配电方案。
图1 系统配电方案
图1 中的交流稳压器用来保证系统供电的稳定性，阻止电网供电的过压或欠压。但交流稳压器并不能抑制电网的瞬态干扰，一般需加一级低通滤波器。高频干扰是通过电源变压器的初级与次级间寄生耦合电容串入系统，因此在电源变压器的初、次线线圈间加静电屏蔽层，断开高频干扰信号，能有效地抑制共模干扰。直流稳压电源广泛采用开关稳压电源，开关电源由于采用反激变换原理设计，对尖脉冲有良好的抑制作用，因此，对来自电网的干扰有较强的抑制能力。
3.1.2 用Watchdog 抗电源干扰
Watchdog 俗称“看门狗”，是微机系统普遍采用的抗干扰措施之一。它实际上是一种监视定时器，本身能独立工作而不依赖与CPU。在正常的情况下，定时器总在一定的时间间隔内被CPU 刷新一次，因而不会产生溢出信号。当系统因干扰产生程序“跑飞”或进入死循环后，定时器因未能被及时刷新而产生溢出，溢出时将发出一个复位脉冲到CPU，强迫CPU 复位，使系统重新初始化。
3.2 过程通道抗干扰措施
3.2.1 光电隔离的长线浮置措施
利用光电耦合器的电流传输特性，在长线传输时可以将模块间两个光电耦合器件用连线“浮置”起来。这种方法不仅有效地消除了气功能模块间的电流流经公共地线时所产生的噪声电压互相窜扰，而且有效地解决了长线驱动和阻抗匹问题。
3.2.2 双绞线传输措施
在长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线，与同轴电缆相比，虽然频带较窄，但阻抗高，降低了共模干扰。由于双绞线构成的各个环路，改变了线间电磁感应的方向，使其相互抵消，如图2 所示，因而对电磁场的干扰有一定的抑制效果。
图2 双绞线降低共模干扰
3.2.3 长线传输的阻抗匹配
长线传输时，若收发两端的阻抗不匹配，则会产生信号反射，使信号失真，其危害程度与传输的频率及传输线长度有关。因此，必须对传输线进行阻抗匹配。
3.2.4 长线的电流传输
长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。图3 所示为传感器的长线电流传输。传感器直接输出0 ~ 10mA 电流在长线上传输，在接收端可并上500Ω（或1kΩ）的精密金属膜电阻，将此电流转换为0 ~ 5V（或0 ~ 10V）的电压，然后送入A/ D 转换通道。
图3 传感器的长线电流传输
3.2.5 传输线的合理布局
强电馈线必须单独走线，不能与信号线混扎在一起；强信号与弱信号线应尽量分开走向，有条件的场合，应努力使二者正交；强弱信号平行走线时，线间距离应为干扰线内径的40 倍以上。
3.3 空间干扰的抑制
防止空间干扰的主要方法是屏蔽和接地，要做到良好屏蔽和正确接地，必须注意以下问题：
（1）消除静电干扰最简单的方法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路。
（2）为了防止电磁场干扰，可采用带屏蔽层的信号线（绞线型最佳），并将屏蔽层单端接地。
（3）不要把导线的屏蔽层当作信号线或共用线来使用。
（4）在布线方面，不要在电源电路和检测、控制电路之间使用共用线，也不要在模拟电路和数字脉冲电路之间使用共用线，以免互相串扰。
4 软件抗干扰措施
各种形式的干扰最终会反映在系统的微机模块中，导致数据采集误差、控制状态失灵、存储数据窜改以及程序运行失常等后果，虽然在系统硬件上采取了上述各种抗干扰措施，但由于干扰存在的随机性，尤其在一些较恶劣的外部工作环境下，并不能保證万无一失，必须采用各种软件抗干扰措施，软硬兼施，提高整个系统工作的可靠性。
4.1 抑制工频干扰
工频干扰侵入微机系统的前向通道后，往往会将干扰信号迭加在被测信号上，特别当传感器模拟量输出是小电压信号时，这种串联迭加会使被测信号淹没。要消除这种串联干扰，可使采样周期等于电网工频周期的整数倍，使工频干扰信号在采样周期内自相抵消。
4.2 数字滤波
软件采取的抗干扰措施就是把采集到计算机中的采样信号，采用数字滤波的方法，消除和削弱干扰信号。数字滤波有许多优点，能够完成模拟滤波器难以实现的某些功能，不需要啬任何硬设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前附加一段数字滤波软件即可。数字滤波使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波方法和滤波参数。
4.2.1 算术平均值滤波法
算术平均值法是按输入的N个采样数据（=1～N），选择一个y 值，使y 与各采样值之间的偏差平方和为最小，即
求极值得
式中 ------第次采样值
N-----采样次数
--------第次N个采样值的算术平均值
该方法适用与对一般具有随机干扰的信号滤波，特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。
4.2.2 加权平均值滤波法
算术平均值滤波法对于N 次内的所有采样值，在结果中所占的比例是相等的。为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，即为加权平均值滤波法。其公式表示为：
式中，为常数（ = l，2，3，⋯N），且满足0 <<<…<，+ +…+= l
4.2.3 中值滤波法
对一个采样点连续采样多次，并对这些采样值进行比较，取采样数据的中间值作为采样的最终结果。该方法能有效地消除由于偶然因数引入的波动或采样器不稳定造成的误码等脉冲干扰。
4.2.4 一阶递推数字滤波法
此方法是利用软件实现RC 低通滤波器的功能，能很好地消除周期性干扰和频率较高的随机干扰，适用于对变化过程比较慢的参数进行采样。其公式为：
式中——— 滤波系数
——— 第次采样时滤波器输入值
——— 第次采样时滤波器输出值
——— 第次采样时滤波器输出值
4.3 程序运行失常的软件抗干扰措施
系统因受到干扰侵害致使程序运行失常，是由于程序指针PC被窜改，当程序指针指向操作数，将操作数作为指令码执行时，或程序指针值超过程序区的地址空间，将非程序区中的数据作为指令码执行时，都将造成程序的盲目运行，或进入死循环。对程序运行失常的对策是：
（l）设置“watchdog”功能，由硬件配合，监视软件的运行情况，遇到故障进行相应的处理。
（2）设置“软件陷阱”，当程序指针失控而使程序进入非程序空间时，在该空间中设置拦截指令，使程序进入陷阱，然后强迫其转入寝状态。例如对于MCS - 5l 系列的单片机，可利用“LJMP 0000H”或“JB BIT REL”指令，在非程序区反复用“020000002000000⋯⋯H”填满，这样，不论PC失控指向任一字节，最后都能使程序回到复位状态。
参考文献
［l］ 魏俊民等。机电一体化系统设计［M］. 北京：中國纺织出版社，l998.
［2］ 徐爱钧等. 计算机过程控制系统的抗干扰技术［J］. 电气自动化，l999，（l）：52 ~ 55.
关键词：工业生产；机电一体化；干扰成因；分析；抗干扰措施
中图分类号：TH-39文献标识码： A 文章编号：
1 引言
一般说来，在机电一体化系统中，用专用或通用微型计算机组成的控制器，其硬件经过筛选和老化处理，可靠性非常高，平均无故障工作时间较长，因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于从各种渠道进入控制器的干扰信号。机电一体化系统投入工业环境应用时，由于系统通过电网、空间与周围环境发生了联系而受到干扰。若系统经不起干扰的冲击，各电气功能模块将不能正常工作，计算机系统往往会因干扰产生程序“跑飞”，传感器模块将会输出伪信号，功率驱动模块将会输出畸变的驱动信号，使执行机构动作失常，最终导致系统产生故障，甚至瘫痪。因此，应在系统设计时考虑周全，采取有效的抗干扰措施。
2 干扰源
2.1 供电干扰
大功率设备（特别是大感性负载的启停）会造成电网的严重污染，使得电网电压大幅度的涨落、浪涌。由于大功率开关的通断，电动机的启停等原因，电网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲干扰。由于我国采用高压（220V）高内阻电网，电网污染严重，尽管系统采用了稳压措施，但电网噪声仍会通过整流电路串入计算机系统。据统计，电源的瞬时短路、欠压、过压、电网窜入的噪声引进CPU 误动作及数据丢失占各种干扰的90%以上。因此在抗干扰设计中，应重点考虑电源干扰。
2.2 过程通道干扰
通道干扰主要来源于长线传输。当系统中有电气设备漏电、接地系统不完善、或者传感器测量部件绝缘不好等情况时，都会在通道中直接串入很高的共模电压或差模电压；各通道的传输线如果处于同一根电缆中，各路间会通过分布电感或多或少分布电容产生相互间的干扰，尤其是将0～15V的信号线与交流220V 的电源线同处于一根长达几百米的管道内，其干扰相当严重。多路信号通常要通过多路开关和采样保持器进行数据采集后送入微机，若这部分的电路性能不好，幅值较大的干扰信号也会使邻近通道之间产生信号串扰，这种串扰会使信号产生失真。
2.3 场干扰
系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、静电场，如太阳及天体辐射电磁波；广播、移动电话、通讯发射台的电磁波；周围中频设备（如中频炉、晶闸管变送电源、微波炉等）发出的电磁辐射等。这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。
3 硬件抗干扰措施
3.1 提高系统抗电源干扰的措施
3.1.1 配电方案中的抗干扰措施
抑制电源干扰首先从配电系统的设计上采取措施，可采用图1 所示的配电方案。
图1 系统配电方案
图1 中的交流稳压器用来保证系统供电的稳定性，阻止电网供电的过压或欠压。但交流稳压器并不能抑制电网的瞬态干扰，一般需加一级低通滤波器。高频干扰是通过电源变压器的初级与次级间寄生耦合电容串入系统，因此在电源变压器的初、次线线圈间加静电屏蔽层，断开高频干扰信号，能有效地抑制共模干扰。直流稳压电源广泛采用开关稳压电源，开关电源由于采用反激变换原理设计，对尖脉冲有良好的抑制作用，因此，对来自电网的干扰有较强的抑制能力。
3.1.2 用Watchdog 抗电源干扰
Watchdog 俗称“看门狗”，是微机系统普遍采用的抗干扰措施之一。它实际上是一种监视定时器，本身能独立工作而不依赖与CPU。在正常的情况下，定时器总在一定的时间间隔内被CPU 刷新一次，因而不会产生溢出信号。当系统因干扰产生程序“跑飞”或进入死循环后，定时器因未能被及时刷新而产生溢出，溢出时将发出一个复位脉冲到CPU，强迫CPU 复位，使系统重新初始化。
3.2 过程通道抗干扰措施
3.2.1 光电隔离的长线浮置措施
利用光电耦合器的电流传输特性，在长线传输时可以将模块间两个光电耦合器件用连线“浮置”起来。这种方法不仅有效地消除了气功能模块间的电流流经公共地线时所产生的噪声电压互相窜扰，而且有效地解决了长线驱动和阻抗匹问题。
3.2.2 双绞线传输措施
在长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线，与同轴电缆相比，虽然频带较窄，但阻抗高，降低了共模干扰。由于双绞线构成的各个环路，改变了线间电磁感应的方向，使其相互抵消，如图2 所示，因而对电磁场的干扰有一定的抑制效果。
图2 双绞线降低共模干扰
3.2.3 长线传输的阻抗匹配
长线传输时，若收发两端的阻抗不匹配，则会产生信号反射，使信号失真，其危害程度与传输的频率及传输线长度有关。因此，必须对传输线进行阻抗匹配。
3.2.4 长线的电流传输
长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。图3 所示为传感器的长线电流传输。传感器直接输出0 ~ 10mA 电流在长线上传输，在接收端可并上500Ω（或1kΩ）的精密金属膜电阻，将此电流转换为0 ~ 5V（或0 ~ 10V）的电压，然后送入A/ D 转换通道。
图3 传感器的长线电流传输
3.2.5 传输线的合理布局
强电馈线必须单独走线，不能与信号线混扎在一起；强信号与弱信号线应尽量分开走向，有条件的场合，应努力使二者正交；强弱信号平行走线时，线间距离应为干扰线内径的40 倍以上。
3.3 空间干扰的抑制
防止空间干扰的主要方法是屏蔽和接地，要做到良好屏蔽和正确接地，必须注意以下问题：
（1）消除静电干扰最简单的方法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路。
（2）为了防止电磁场干扰，可采用带屏蔽层的信号线（绞线型最佳），并将屏蔽层单端接地。
（3）不要把导线的屏蔽层当作信号线或共用线来使用。
（4）在布线方面，不要在电源电路和检测、控制电路之间使用共用线，也不要在模拟电路和数字脉冲电路之间使用共用线，以免互相串扰。
4 软件抗干扰措施
各种形式的干扰最终会反映在系统的微机模块中，导致数据采集误差、控制状态失灵、存储数据窜改以及程序运行失常等后果，虽然在系统硬件上采取了上述各种抗干扰措施，但由于干扰存在的随机性，尤其在一些较恶劣的外部工作环境下，并不能保證万无一失，必须采用各种软件抗干扰措施，软硬兼施，提高整个系统工作的可靠性。
4.1 抑制工频干扰
工频干扰侵入微机系统的前向通道后，往往会将干扰信号迭加在被测信号上，特别当传感器模拟量输出是小电压信号时，这种串联迭加会使被测信号淹没。要消除这种串联干扰，可使采样周期等于电网工频周期的整数倍，使工频干扰信号在采样周期内自相抵消。
4.2 数字滤波
软件采取的抗干扰措施就是把采集到计算机中的采样信号，采用数字滤波的方法，消除和削弱干扰信号。数字滤波有许多优点，能够完成模拟滤波器难以实现的某些功能，不需要啬任何硬设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前附加一段数字滤波软件即可。数字滤波使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波方法和滤波参数。
4.2.1 算术平均值滤波法
算术平均值法是按输入的N个采样数据（=1～N），选择一个y 值，使y 与各采样值之间的偏差平方和为最小，即
求极值得
式中 ------第次采样值
N-----采样次数
--------第次N个采样值的算术平均值
该方法适用与对一般具有随机干扰的信号滤波，特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。
4.2.2 加权平均值滤波法
算术平均值滤波法对于N 次内的所有采样值，在结果中所占的比例是相等的。为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，即为加权平均值滤波法。其公式表示为：
式中，为常数（ = l，2，3，⋯N），且满足0 <<<…<，+ +…+= l
4.2.3 中值滤波法
对一个采样点连续采样多次，并对这些采样值进行比较，取采样数据的中间值作为采样的最终结果。该方法能有效地消除由于偶然因数引入的波动或采样器不稳定造成的误码等脉冲干扰。
4.2.4 一阶递推数字滤波法
此方法是利用软件实现RC 低通滤波器的功能，能很好地消除周期性干扰和频率较高的随机干扰，适用于对变化过程比较慢的参数进行采样。其公式为：
式中——— 滤波系数
——— 第次采样时滤波器输入值
——— 第次采样时滤波器输出值
——— 第次采样时滤波器输出值
4.3 程序运行失常的软件抗干扰措施
系统因受到干扰侵害致使程序运行失常，是由于程序指针PC被窜改，当程序指针指向操作数，将操作数作为指令码执行时，或程序指针值超过程序区的地址空间，将非程序区中的数据作为指令码执行时，都将造成程序的盲目运行，或进入死循环。对程序运行失常的对策是：
（l）设置“watchdog”功能，由硬件配合，监视软件的运行情况，遇到故障进行相应的处理。
（2）设置“软件陷阱”，当程序指针失控而使程序进入非程序空间时，在该空间中设置拦截指令，使程序进入陷阱，然后强迫其转入寝状态。例如对于MCS - 5l 系列的单片机，可利用“LJMP 0000H”或“JB BIT REL”指令，在非程序区反复用“020000002000000⋯⋯H”填满，这样，不论PC失控指向任一字节，最后都能使程序回到复位状态。
参考文献
［l］ 魏俊民等。机电一体化系统设计［M］. 北京：中國纺织出版社，l998.
［2］ 徐爱钧等. 计算机过程控制系统的抗干扰技术［J］. 电气自动化，l999，（l）：52 ~ 55.