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【摘要】定型机数据采集器工作在电磁环境非常恶劣的场所，良好的抗干扰技术是数据采集器可靠工作的基本保证。本文分析了定型机数据采集器的干扰信号的主要来源，从硬件技术与软件技术两方面对干扰信号进行了处理。
【关键词】定型机数据采集器；干扰源；抗干扰；可靠性
一、前言
定型机的作用是将布在料槽浸上化工料，被轧辊均匀压榨后，进入烘箱。布料经过烘箱时就会在高温热风作用下烘干定型，经过定型后的布料具有良好的手感及稳定的尺寸。在浙江绍兴的印染企业，布料定型的生产线大部分是从韩国引进的，该生产线具有自动化程度高、可靠性好等优点，其缺点是信息化能力低。为了提高企业的信息化水平，需要对生产线进行信息化改造，因此定型机数据采集器就成为了信息化改造的关键设备。自动化生产线由于大量使用了变频器与PLC进行控制，导致生产线现场电磁环境非常的恶劣，数据采集时的干扰信号非常严重。为了使数据采集器可靠的工作，抗干扰技术成为了数据采集的重点内容。
二、定型机数据采集器的组成
定型机需要采集的数据有，烘箱温度、风扇转速、车速、门幅宽度、上下超喂等。因此，数据采集系统需要由检测电路、人机对话、单片机最小系统、模数转换、计数电路和通信接口等组成。检测电路主要由温度检测、风速车速检测、门幅检测、上下超喂检测等构成。数据采集系统如图1所示。
三、定型机数据采集器干扰信号的主要来源
1.供电系统干扰
定型机由十多台电动机组成，其中主机链条的电机功率最大，为22KW，当众多的电机在启动与停止时不可避免的带来电网电压的波动，有时甚至会出现长时间的欠压、过压和短时尖峰电压。因此，供电系统产生的干扰信号经电源线很方便的进入了数据采集器中。
2.变频器干扰
变频器是将交流电转换成直流电再转换成频率和电压可变的交流电的一种电源变换器，在电源的转换过程中会产生干扰。数据采集器需要采集的车速信号、上下超喂信号、风速等直接由变频器输出，因此信号的干扰非常的严重。
3.数据采集器自身的干扰
数据采集器是以单片机为核心的元器件设计的，单片机在工作时必需要有时钟信号，即振荡器。因此，单片机外接的晶振是一个很强的干扰源。当然，在设计系统时对某些问题考虑不全面，如元器件布局不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等也会形成干扰。
四、定型机数据采集器硬件电路抗干扰设计
1.电源电路的抗干扰设计
定型机由十多台电机构成，对供电电网会造成较大的波动，对数据采集器的干扰较大。为了防止供电电源对数据采集器的干扰，应该在供电电源与数据采集器之间加入交流稳压器，使得数据采集器的供电电源处于稳定状态。定型机为感性负载，在电源中会有高频干扰信号，因此还要在电源电路中加入如图2所示的平行滤波器，消除高频干扰信号通过电源线路对数据采集器的干扰。
另外为了防止数据采集器中的模拟电路、数字电路和单片机之间通过电源进行相互干扰，采取了对上述三大部分电路进行独立供电的方式，如图3所示。
2.数字信号采集端的抗干扰设计
数据采集器需要采集的车速信号、上下超喂信号、风速等直接由变频器输出，导致信号的干扰非常的严重。经过测定，有效信号的峰峰值在4V到12V之间改变，频率在几百赫兹到两千多赫兹改变。干扰信号的峰峰值在1V到4V之间改变，频率在5KHZ左右。干扰信号和有效信号还有另外一个特点，那就是干扰信号和有效信号会随着车速、风速的快慢而改变。抗干扰的方法如图4所示，首先由RC组成的低通滤波器滤除高频干扰信号，并对输入信号的幅值进行限幅与整形，再由光电隔离器件实现数据采集器与变频器之间的隔离，从而实现数字信号通道的抗干扰要求。
3.模拟信号采集端的抗干扰设计
数据采集器需要采集的模拟信号为温度信号，对于模拟信号的抗干扰处理常常采用隔离放大器，如变压器隔离放大器和线性光耦隔离放大器等，该数据采集器应用了线性光耦隔离放大器。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的，电路如图5所示。
4.数据采集器自身的抗干扰设计
数据采集器自身也会带来干扰，在电路设计时也要有针对性的进行处理，尽最大努力将自身的干扰降到最低。数据采集器自身的干扰主要表现以下几个方面：
（1）共地干扰
共地干扰主要指模拟信号地与数字信号地共接一点后带来的干扰。在应用电路中同一个系统电路板上只会有一个“零”电位参考点，因此，“数字地”与“模拟地”就必须接在一起，“数字地”与“模拟地”共地后会出现数字信号干扰模拟信号的情况。为此，解决这一个问题方法就是在“数字地”与“模拟地”之间接一个电感，从而实现系统同“零”电位与抗干扰的作用。
（2）晶体振荡器干扰
数据采集器是以单片机为核心的元器件设计的，这样设计的电路具有电路简单、功能多、控制能力强、成本低等特点，但会带来一个致命的缺点，那就是高频干扰。经研究发现，晶振频率越高，干扰就越严重。解决该干扰的方法一方面是在能够满足控制要求的情况下尽可能选用频率低的晶振。另一方面，单片机接地线与其它电路的接地线要经过电感进行隔离，同时单片机的供电电源与其它电路的供电电源分开。
（3）A/D变换与D/A变换干扰
数据采集器中，需要将模拟信号转换为数字信号，即A/D变换。有时也需要将数字信号变为模拟信号即D/A变换。当A/D或D/A芯片的分辨率越高时，变换后的干扰越明显。特别是A/D变换过程中，如果没有针对性的抗干扰处理，采样得到的数字信号将会是无用的干扰信号。解决此干扰的方法：一是对输入A/D转换芯片的模拟信号进行低通滤波，去除高频干扰；二是将A/D或D/A转换芯片的基准电压输入端与高稳定性的基准稳压电源输出端相连接，如图6所示，高稳定性的基准电源芯片AD586的输出与D/A变换芯片AD7545K的VREF引脚相连接。注意，一定不要将A/D或D/A转换芯片的基准电压输入端直接接电源，那样会产生很大的干扰。
五、定型机数据采集器软件抗干扰设计
定型机数据采集器的软件主要完成脉冲信号、电压信号的采集与存储，并实时的将采集到的信息显示出来，然后根据上位机的命令将采集到的数据通过串行通信发送到上位机中。为了实现数据的采集、存储与传输的可靠性，该数据采集器在数据采集、防死机和通信部分进行了抗干扰处理。
数据采集部分用到的抗干扰技术是数字滤波，即一次采集十个信号，从十个信号中去掉最大值与最小值，然后对剩余的八个值取平均值。
防死机部分用到的抗干扰技术是“软件看门狗”，即在程序中设定了一个固定的运行时间，在该运行时间结束前必须喂“狗”一次，这样“软件看门狗”对程序的运行就没有影响。當程序因为干扰信号的影响不能正常运行，那么就不能够在固定的运行时间结束前喂“狗”，程序就立即跳转到第一条指令重新运行，从而避免死机的情况发生。
通信部分的抗干扰技术是CRC校验和定时通信等。具体做法是将命令、机器号、数据和CRC校验码等编成一帧数据，当上位机接收完一帧数据时，首先记录接收一帧数据所用的时间，并对接收到的数据进行CRC校验，如果CRC校验正确并且在规定时间内完成了数据接收，说明该帧数据接收正确。否则通信错误，再次重发该帧数据。
六、总结
定型机数据采集器工作在电磁环境非常复杂的场所，为了保证数据采集正确、通信无误，必须进行抗干扰技术处理。本文对定型机数据采集器干扰信号的主要来源进行了分析，从硬件和软件两大方面对抗干扰技术进行了研究与实现。实践证明，本文提到的抗干扰措施是行之有效的，它保证了定型机数据采集器的正常运行。
参考文献
[1]李英，张宇红，王健，温上捷.嵌入式系统抗干扰技术研究[J].电子质量，2012（6）：18-19.
[2]魏丽娜，管力锐.单片机在工业现场应用中的几个抗干扰技术问题[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2009，14（1）：33-34.
[3]王幸之.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
作者简介：刘友澈（1978—），男，湖南人，硕士，实验师，主要从事嵌入式技术应用研究与教学工作。
【关键词】定型机数据采集器；干扰源；抗干扰；可靠性
一、前言
定型机的作用是将布在料槽浸上化工料，被轧辊均匀压榨后，进入烘箱。布料经过烘箱时就会在高温热风作用下烘干定型，经过定型后的布料具有良好的手感及稳定的尺寸。在浙江绍兴的印染企业，布料定型的生产线大部分是从韩国引进的，该生产线具有自动化程度高、可靠性好等优点，其缺点是信息化能力低。为了提高企业的信息化水平，需要对生产线进行信息化改造，因此定型机数据采集器就成为了信息化改造的关键设备。自动化生产线由于大量使用了变频器与PLC进行控制，导致生产线现场电磁环境非常的恶劣，数据采集时的干扰信号非常严重。为了使数据采集器可靠的工作，抗干扰技术成为了数据采集的重点内容。
二、定型机数据采集器的组成
定型机需要采集的数据有，烘箱温度、风扇转速、车速、门幅宽度、上下超喂等。因此，数据采集系统需要由检测电路、人机对话、单片机最小系统、模数转换、计数电路和通信接口等组成。检测电路主要由温度检测、风速车速检测、门幅检测、上下超喂检测等构成。数据采集系统如图1所示。
三、定型机数据采集器干扰信号的主要来源
1.供电系统干扰
定型机由十多台电动机组成，其中主机链条的电机功率最大，为22KW，当众多的电机在启动与停止时不可避免的带来电网电压的波动，有时甚至会出现长时间的欠压、过压和短时尖峰电压。因此，供电系统产生的干扰信号经电源线很方便的进入了数据采集器中。
2.变频器干扰
变频器是将交流电转换成直流电再转换成频率和电压可变的交流电的一种电源变换器，在电源的转换过程中会产生干扰。数据采集器需要采集的车速信号、上下超喂信号、风速等直接由变频器输出，因此信号的干扰非常的严重。
3.数据采集器自身的干扰
数据采集器是以单片机为核心的元器件设计的，单片机在工作时必需要有时钟信号，即振荡器。因此，单片机外接的晶振是一个很强的干扰源。当然，在设计系统时对某些问题考虑不全面，如元器件布局不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等也会形成干扰。
四、定型机数据采集器硬件电路抗干扰设计
1.电源电路的抗干扰设计
定型机由十多台电机构成，对供电电网会造成较大的波动，对数据采集器的干扰较大。为了防止供电电源对数据采集器的干扰，应该在供电电源与数据采集器之间加入交流稳压器，使得数据采集器的供电电源处于稳定状态。定型机为感性负载，在电源中会有高频干扰信号，因此还要在电源电路中加入如图2所示的平行滤波器，消除高频干扰信号通过电源线路对数据采集器的干扰。
另外为了防止数据采集器中的模拟电路、数字电路和单片机之间通过电源进行相互干扰，采取了对上述三大部分电路进行独立供电的方式，如图3所示。
2.数字信号采集端的抗干扰设计
数据采集器需要采集的车速信号、上下超喂信号、风速等直接由变频器输出，导致信号的干扰非常的严重。经过测定，有效信号的峰峰值在4V到12V之间改变，频率在几百赫兹到两千多赫兹改变。干扰信号的峰峰值在1V到4V之间改变，频率在5KHZ左右。干扰信号和有效信号还有另外一个特点，那就是干扰信号和有效信号会随着车速、风速的快慢而改变。抗干扰的方法如图4所示，首先由RC组成的低通滤波器滤除高频干扰信号，并对输入信号的幅值进行限幅与整形，再由光电隔离器件实现数据采集器与变频器之间的隔离，从而实现数字信号通道的抗干扰要求。
3.模拟信号采集端的抗干扰设计
数据采集器需要采集的模拟信号为温度信号，对于模拟信号的抗干扰处理常常采用隔离放大器，如变压器隔离放大器和线性光耦隔离放大器等，该数据采集器应用了线性光耦隔离放大器。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的，电路如图5所示。
4.数据采集器自身的抗干扰设计
数据采集器自身也会带来干扰，在电路设计时也要有针对性的进行处理，尽最大努力将自身的干扰降到最低。数据采集器自身的干扰主要表现以下几个方面：
（1）共地干扰
共地干扰主要指模拟信号地与数字信号地共接一点后带来的干扰。在应用电路中同一个系统电路板上只会有一个“零”电位参考点，因此，“数字地”与“模拟地”就必须接在一起，“数字地”与“模拟地”共地后会出现数字信号干扰模拟信号的情况。为此，解决这一个问题方法就是在“数字地”与“模拟地”之间接一个电感，从而实现系统同“零”电位与抗干扰的作用。
（2）晶体振荡器干扰
数据采集器是以单片机为核心的元器件设计的，这样设计的电路具有电路简单、功能多、控制能力强、成本低等特点，但会带来一个致命的缺点，那就是高频干扰。经研究发现，晶振频率越高，干扰就越严重。解决该干扰的方法一方面是在能够满足控制要求的情况下尽可能选用频率低的晶振。另一方面，单片机接地线与其它电路的接地线要经过电感进行隔离，同时单片机的供电电源与其它电路的供电电源分开。
（3）A/D变换与D/A变换干扰
数据采集器中，需要将模拟信号转换为数字信号，即A/D变换。有时也需要将数字信号变为模拟信号即D/A变换。当A/D或D/A芯片的分辨率越高时，变换后的干扰越明显。特别是A/D变换过程中，如果没有针对性的抗干扰处理，采样得到的数字信号将会是无用的干扰信号。解决此干扰的方法：一是对输入A/D转换芯片的模拟信号进行低通滤波，去除高频干扰；二是将A/D或D/A转换芯片的基准电压输入端与高稳定性的基准稳压电源输出端相连接，如图6所示，高稳定性的基准电源芯片AD586的输出与D/A变换芯片AD7545K的VREF引脚相连接。注意，一定不要将A/D或D/A转换芯片的基准电压输入端直接接电源，那样会产生很大的干扰。
五、定型机数据采集器软件抗干扰设计
定型机数据采集器的软件主要完成脉冲信号、电压信号的采集与存储，并实时的将采集到的信息显示出来，然后根据上位机的命令将采集到的数据通过串行通信发送到上位机中。为了实现数据的采集、存储与传输的可靠性，该数据采集器在数据采集、防死机和通信部分进行了抗干扰处理。
数据采集部分用到的抗干扰技术是数字滤波，即一次采集十个信号，从十个信号中去掉最大值与最小值，然后对剩余的八个值取平均值。
防死机部分用到的抗干扰技术是“软件看门狗”，即在程序中设定了一个固定的运行时间，在该运行时间结束前必须喂“狗”一次，这样“软件看门狗”对程序的运行就没有影响。當程序因为干扰信号的影响不能正常运行，那么就不能够在固定的运行时间结束前喂“狗”，程序就立即跳转到第一条指令重新运行，从而避免死机的情况发生。
通信部分的抗干扰技术是CRC校验和定时通信等。具体做法是将命令、机器号、数据和CRC校验码等编成一帧数据，当上位机接收完一帧数据时，首先记录接收一帧数据所用的时间，并对接收到的数据进行CRC校验，如果CRC校验正确并且在规定时间内完成了数据接收，说明该帧数据接收正确。否则通信错误，再次重发该帧数据。
六、总结
定型机数据采集器工作在电磁环境非常复杂的场所，为了保证数据采集正确、通信无误，必须进行抗干扰技术处理。本文对定型机数据采集器干扰信号的主要来源进行了分析，从硬件和软件两大方面对抗干扰技术进行了研究与实现。实践证明，本文提到的抗干扰措施是行之有效的，它保证了定型机数据采集器的正常运行。
参考文献
[1]李英，张宇红，王健，温上捷.嵌入式系统抗干扰技术研究[J].电子质量，2012（6）：18-19.
[2]魏丽娜，管力锐.单片机在工业现场应用中的几个抗干扰技术问题[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2009，14（1）：33-34.
[3]王幸之.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
作者简介：刘友澈（1978—），男，湖南人，硕士，实验师，主要从事嵌入式技术应用研究与教学工作。