數據采集與處理系統中的干擾問題及解決方法
摘 要： 闡述了數據采集與處理系統抗干擾的意義；詳細、系統地介紹了干擾的主要來源；從軟、硬件設計以及EDA抗干擾軟件仿真技術三個方面全面地描述了抗干擾應采取的一些措施，提出了抗干擾的原則方法；對電磁兼容方面的一些先進技術也進行了簡要的介紹。
關鍵詞： 數據采集與處理；噪聲；抗干擾；
軟件與硬件措施；EDA仿真；電磁兼容
中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A
0． 引 言
隨著計算機技術、電磁兼容技術、傳感器技術和信息技術的飛速發展和普及，數據采集與處理系統也越來越得到了廣泛的應用。例如：在生產過程中，應用這一系統可對生產現場的工藝參數進行采集、監視和記錄，為提高產品質量、降低生產成本提供信息和手段；在科學研究中，應用這一系統可獲得大量的動態信號，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲得科學奧秘的重要手段之一?？傊?，不論在哪個應用領域，數據采集與處理越及時，工作效率、性能價格比就越高，取得的經濟效益就越好。數據采集與處理系統的工作現場一般較惡劣，彌漫著各種干擾（來自系統內部和外部的），這些干擾通常稱之為噪聲。當被測信號很微弱時，就會被噪聲 “淹沒”掉，導致很大的數據采集與處理誤差，可靠性降低，還可能造成系統失靈，甚至釀成重大事故。因此，噪聲是數據采集與處理的主要障礙之一，為了能精確地采集與處理數據，必須考慮到存在的各種干擾對系統的影響，把抗干擾問題作為系統設計的一個至關重要的內容，從軟、硬件設計以及EDA仿真技術三個方面采取相應的措施以增強系統的抗干擾能力。
圖1 數據采集與處理系統組成框圖
1．干擾的主要來源
數據采集與處理系統工作環境的干擾源很多，各有特點。下面從不同的角度對其進行分類：
1.1 從干擾的來源劃分
1.1.1 內部干擾
指系統的內部電子電路的各種干擾，如元器件的老化引起的參數變化，以及電阻的熱噪聲，晶體管、場效應管等器件內部分配噪聲和閃爍噪聲，放大電路正反饋引起的自激振蕩等。
1.1.2 外部干擾
指外界竄入系統內的各種干擾。如電動機電刷引起的電火花，其它設備的脈沖開關接觸所產生的電磁信號，自然界的雷電、宇宙輻射的電磁波等。
1.2 按干擾的出現規律劃分
1.2.1 固定干擾
指系統附近固定的電氣設備運行時發出的干擾。如鄰近的“強電”設備的啟停所引入的一個固定時刻的干擾。
1.2.2 半固定干擾
指某些偶然使用的電氣設備（如行車、電鉆等）引起的干擾，有可預測性。
1.2.3 隨機干擾
指偶發性干擾，如閃電、供電系統繼電保護的動作等干擾，難以預測發生時刻。
1.3 從干擾產生和傳播的方式分類
1.3.1 靜電干擾
指電場通過電容耦合的干擾，是由于元器件及導線之間的寄生電容所產生的。此外，也包括化纖、纖維之間的摩擦而使人體帶電，從而由人體對電子設備所產生的干擾。
1.3.2 磁場耦合干擾
磁場耦合干擾是一種感應干擾。是由于動力線、變壓器、電動機、繼電器、電風扇等產生的交變磁場穿過傳輸線或閉合導線形成的回路，而在傳輸線上或閉合導線上感應出的交流干擾電壓。
1.3.3 電磁輻射干擾
由各種大功率高頻、中頻發生裝置及電火花產生的高頻電磁波向周圍空間輻射產生的干擾。
1.3.4 電導通路耦合干擾
指電導通路由于接地電位的不同而在各單元回路之間的公共阻抗上產生的干擾。因為是多接地點，會在接地環路上形成環行電流，這種環行電流通過接地環路阻抗把瞬態噪聲干擾耦合到下一級電路。
1.3.5 漏電耦合干擾
是由于儀器內部的電路絕緣不良，而出現的漏電流引起的電阻耦合產生的干擾；也可能是由高輸入阻抗器件組成的系統，因其阻抗與電路板絕緣電阻可以相比擬，通過電路板產生漏電流而形成的干擾。
1.4 從干擾輸入信號的關系劃分
1.4.1 串模（差模）干擾
串模干擾是指干擾信號與被測信號串聯在一起，它成為被測信號的一部分，被送到放大器進行放大，影響很大。產生的原因：外部高壓供電線交變電磁場通過寄生電容耦合進傳感器一端；電源交變電磁場對傳感器一端的漏電流耦合。
1.4.2 共模干擾
共模干擾指在信號地和儀器地（大地）之間的干擾。產生的原因：（1）在數據采集系統附近有大功率的電器設備，電磁場以電感或電容形式耦合到傳感器和傳輸導線中；（2）電源絕緣不良而引起的漏電或三相動力電網負載不平衡致使零線有較大的電流時，存在著較大的地電流和地電位差。如果系統有兩個以上的接地點，則地電位差就會造成共模干擾；（3）電氣設備的絕緣性能不良時，動力電源會通過漏電阻耦合到數據采集系統的信號回路，形成干擾；（4）在交流供電的儀器中，交流電會通過原、副邊繞組間的寄生電容、整流濾波電路、信號電路與地之間的寄生電容到地構成回路，形成干擾。
1.5 軟件方面的干擾源
主要表現在以下幾個方面：（1）不正確的算法產生錯誤的結果，最主要的原因是由于計算機處理器中的程序指數運算是近似計算，產生的結果有時有較大的誤差，容易產生誤動作；（2）由于計算機的精度不高，而加減法運算時要對階，大數“吃掉”了小數 ，產生了誤差積累，導致下溢的出現，也是噪聲的來源之一；（3）由于計算機處理器是高速數字器件，所長它的運算器、控制器及控制寄存器易受電磁干擾。以上硬件受到干擾引起的計算機出現的諸如：程序計數器PC值變化、數據采集誤差增大、控制狀態失靈、RAM數據受干擾發生變化以及系統出現“死鎖”等現象。
2. 系統抗干擾的硬件措施
總的方針是：屏蔽、接地、濾波、隔離與吸收。下面對系統的各個部分抗干擾措施進行介紹：
2.1 電源系統的抗干擾
供電部分是非常重要的一環。系統中的設備大多數使用220V，50HZ的市電，由于電網的頻率與電壓波動較大，會直接對數采系統產生干擾，可采取以下一些措施：
2.1.1 采用隔離變壓器
由于數采系統與電網分別有各自的地線，如直接把兩者相連，它們的地線之間存在電位差，會形成環流，造成共模干擾，采用隔離變壓器將兩者隔離。并且為了消除高頻噪聲，將變壓器的初、次級之間用屏蔽層隔離。這樣寄生電容減少了，抗共模干擾能力提高了。
2.1.2 采用電源低通濾波器
由于電網的干擾大部分是高次諧波，采用低通濾波器來濾除大于50Hz的高次諧波，改善電源的性能。為了防止濾波器進入磁飽和，應在濾波器前面加設一個分布參數噪聲衰減器（它由近50米長的雙絞線組成）。使用低通濾波器時應注意以下幾點：（1）低通濾波器本身應屏蔽，且屏蔽盒與系統的機殼要保持良好的接觸；（2）為減少耦合，所用導線要靠近地面走線；（3）濾波器的輸入與輸出端要進行隔離；（4）濾波器的位置應盡量靠近需要濾波的地方，其間的連線也要進行屏蔽。（5）用先進的磁粉芯材料構成電源濾波器。
2.1.3 采用交流穩壓器
為防止電源的過壓與欠壓，必須采用有足夠輸出功率的穩壓器。
2.1.4 系統分別供電
為了阻止從供電系統竄入的干擾，可采用交流穩壓電源串接隔離變壓器、分布參數噪聲衰減器和低通濾波器的方法；當系統中使用感性設備時，應將數采系統與感性設備的供電系統分開，以避免在供電線路之間出現相互干擾；同樣要注意變壓器與低通濾波器的屏蔽，以抑制靜電干擾。
2.1.5 采用電源模塊單獨供電
現代的芯片制造技術發展很快，各種電源模塊層出不窮，如：DC—DC、三端穩壓等模塊。采用單獨供電有以下一些優點：（1）每個電源模塊單獨對相應板卡進行電壓過載保護，不會因為某個穩壓器的故障使系統癱瘓；（2）有利于減小公共阻抗的相互耦合及公共電源的相互耦合，大大提高供電系統的可靠性，也有助于電源的散熱；（3）總線上電壓的變化，不會影響板卡上的電壓，有助于提高板卡的工作可靠性。
2.1.6 供電系統要合理布線
數采系統的電源引入線和輸出線以及公共線的布置要遵循以下幾點：（1）從電源引入口經開關器件至低通濾波器之間的饋線盡量用粗線；（2）電源后面的一段均應用雙絞線且要短，還要分開布線；（3）盡量避免公共線。
2.1.7 其它的一些技術
采用氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管（TVS）等元件進行保護，也可以在設備的外殼涂屏蔽層、加金屬纖維等辦法。
2.2 數據采集卡、計算機、多路開關、A/D轉換器及傳感器之間的模擬部分的抗干擾
這部分的一些抗干擾方法與電源的抗干擾方法有共性，所以只將不同的地方作介紹。
2.2.1 采用隔離技術
包括：（1）光電隔離（利用光電耦合器件實現電路上的隔離）；（2）電磁隔離（在傳感器與采集電路之間加入一個隔離放大器）。
2.2.2 采用濾波器濾除干擾
在信號傳輸線上加濾波器。但要注意，對于微弱信號因為被衰減的大，所以不采用。
2.2.3 采用浮置措施抑制干擾
即數采電路的模擬信號不接機殼或大地，阻斷干擾電流的通路。
2.3 印刷電路板的抗干擾
注意以下幾點：（1）合理布置板上的元器件；（2）合理分配板上的插腳；（3）合理布線，電源線要寬；（4）對印刷電路板同樣要采用屏蔽方法。
2.4 計算機的外圍電路、接口電路、數字量采集電路等數字部分的干擾
采用以下措施：（1）用積分電路抑制干擾；（2）用脈沖隔離門抑制干擾；（3）用削波器抑制干擾。
2.5 接地技術
應遵循的原則為：（1）一點地原則：在輸入端一點接地，避免共模干擾。電路中的數字地與模擬地僅在一點相連；（2）多點地原則：接地線越短越好，且每個電路應就近接地；（3）不同性質接地線的連線原則：應將弱信號模擬、數字電路和大功率驅動地線分開，模擬地與數地分開，高電平數字地與低電平信號分開，各個子系統地只在電源供電處才相接成一點入地；（4）接地線應盡量加粗原則。
2.6 其它的一些硬件抗干擾方法
在計算機中（單片機）加入看門狗（WDT）電路，可有效地防止程序“跑飛”，避免系統“死機”。用數字式多路開關代替機械開關，可避免電火花干擾。用數字式濾波器（它采用的是軟件濾波方法）代替傳統的模擬式濾波器可提高抗干擾強度。
3． 系統的抗干擾軟件措施
3.1 采用攔截失控程序的方法
主要有：（1）在程序設計時應多采用單字節指令，并在關鍵處插入一些空操作指令，或將有效單字節指令重復幾次，這樣可保護其后的指令不被拆散，使程序運行走上正軌；（2）加入軟件陷阱：當PC值失控使程序失控后，CPU進入非程序區，這時可用一條引導指令，強迫程序進入初始入口狀態，進入程序區。可每隔一段設置一個陷阱。（3）軟件復位：當程序“走飛”時，運行監視系統，使系統自動復位而重新初始化。
3.2 設立標志判斷
定義某單元為標志，在模塊主程序中把該單元的值設為某個特征值，然后在主程序的最后判斷該單元的值是否不變，不同了說明有誤，程序就轉入錯誤處理子程序。
3.3 增加數據安全備份
重要的數據用兩個以上的存儲區存放，還可以用大容量的外部RAM，將數據作備份。永久性數據制成表格固化在EPROM中，這樣既能防止數據和表格遭破壞，又能保證程序邏輯混亂時不將數據當指令去運行。編寫專門的數據保護子程序，對于由指令改變結果性質的數據，在每次改變后都盡可能保存起來，以便在需要時能夠恢復正確值。
3.4 采用主動初始化及數據冗余化技術
對單片機及片外擴展器的各種功能端口或方式、狀態進行設置，保證在上電或復位后軟件能正確實現各級的初始化，且在程序每次使用某種功能前都再一次對相應的控制寄存器設定動作模式；給重要的數據加冗余位，延長數據—代碼之間的漢敏（hamming）距離以增強檢測和糾正錯誤的能力。
3.5 采用片內軟“看門狗”（WDT）與重復執行程序技術
利用微處理器內部閑置的定時/計數器，配合適當的程序構成WDT，在系統異常時能夠及時有效地強制“軟復位”，使系統恢復正常工作；將重要的指令設計成定時掃描模塊，使其在整個程序循環運行過程中反復執行，這樣即使干擾信號改寫了指令內容，也能在受控數采系統的反應時間內自動恢復正常。采取多次讀輸入腳數據方法，取多次讀出值的平均值作為該引腳的正確數據。
3.6 對未使用的內存區的設置方法
為了防止程序計數器跳進未使用的存儲區而誤動作，在未使用的存儲區加入像“SWI”這樣的指令來填充。這樣在PC值被破壞且跳入這些區域后，它就會讀SWI矢量，而事先將該矢量設置成跳轉到程序的起始位置，所以程序的運行就正常了。
4． 在PCB設計時用EDA軟件對系統的EMC性能模擬仿真
在 PCB設計中，從EMC角度主要考慮的是：（1）要保證布線網絡本身的信號的完整性、可能在PCB中產生的電磁輻射、電磁干擾以及PCB本身抵抗外部電磁干擾的能力；（2）依據設計者的要求提出布局和布線的原則。采取的方法有：（1）利用IBIS和SPICE等數據庫的支持，對電路板上的眾多元器件的 IBIS（免費提供）數據進行電氣特性分析，為達到電磁兼容的目的，用EDA工具進行模擬仿真。（2）將設計者的經驗與利用EDA工具模擬仿真技術有機地結合起來，在布局、布線階段就考慮系統的EMC性能因素。例如：可用德國INCASES公司的軟件包EMC—WORKBENCH，它能夠滿足電路設計者在 EMC方面的需求，改進PCB的設計流程，簡化后期繁雜的硬件調試工作。
5．結 束 語
干擾的來源是多方面的，有時是錯綜復雜的，必須從減少噪聲源、抑制噪聲在傳播路徑上的傳播、抑制電路對噪聲的感受能力幾方面入手，才能保證數據采集與處理系統的正常工作。這里特別要提出的是：必須不斷利用新的電磁兼容理論、新的技術、新的元器件材料才能使電子設備永遠是最先進的。例如：現在出現的智能布線系統，它的技術發展非常迅猛，幾乎是每半年出現一個新的熱點。我們相信電磁兼容的理論與技術的發展會越來越快。