1  概述

    随着科学技术的发展，现代工业程度的提高，微处理器（单片机、PLC、DCS等）在工业控制领域得到广泛应用，其系统运行直接控制影响着工业企业的安全生产和经济运行等方面，其可靠性得到普遍的关注，而抗干扰性能是当中不容忽视的重要因素。工业现场运行环境复杂恶劣，干扰因素较多，对微控制器系统的干扰是多方面的，如何采取有效的抗干扰措施，以保障系统的稳定运行是一大技术要点。

2  干扰成因分析

    干扰又叫噪声，是窜入或叠加在系统线路上和器件上，与系统要求无关的电信号。干扰会造成测量和控制的误差，严重时会造成设备损坏。常见的干扰有如下几种：

2.1  辐射磁场干扰

    伴随现代工业的蓬勃发展，大气环境充斥着各式各样的电磁信号，而雷电波、无线电广播、电视、雷达、高压电缆、高频设备等产生的辐射能量较强，对设备影响较大，通常称为辐射干扰。辐射干扰与现场设备布局和所处位置的电磁场大小密切相关，置于强辐射磁场内的微控制系统几乎不能正常运行。笔者曾作过以下测试：将一小型微控制器系统置于10W/230MHz的无线微波辐射磁场内（距离发射点4米范围），原采集值为2.5V的信号上升至5V，且通信网络出现明显的不稳定现象，所以微控制器系统应尽量远离辐射较强的磁场环境或采取有效的屏蔽保护措施。

2.2  传导耦合干扰

传导干扰在我国工业环境中相当普遍而且较为严重，根据传导来源的不同可分为电源干扰和信号干扰两种。

(1)  电源部分

    我国电网覆盖范围广、传输距离远，输电质量不可避免受到污染，加上电网内部如开关操作浪涌、大型电力设备起停、电网短路暂态冲击、交直流传动设备等都会令供电电压波动较大，高频谐波严重，对于隔离性能较差的变压器、电源等，必将影响到微控制器系统的供电质量，从而导致系统的不正常运行。

(2)  信号部分

    在工业控制现场往往有很多信号电缆经电缆槽沟或电缆管同时接入微控制器系统，这些信号电缆绞缠在一起，相互间存在一定的分布电容，信号电缆间便通过分布电容进行相互干扰，特别是信号电缆和动力电缆混缠一起的系统更为严重，交变的动力电缆周围产生交变的磁场，而这些交变的磁场会通过并行的导体间产生电动势，造成线路上的干扰。另外通过共用仪表供电电源窜入的电网干扰和由于各仪器仪表质量技术不一导致仪表间的干扰也不能忽视。

2.3  接地干扰

    微控制器系统的接地有供电地、保护地、逻辑地、屏蔽地等。但由于各接地要求不一或接地混乱导致各接地点电位分布不均，不同接地点间存在较大的电位差，引起地环路电流和基准电位不稳定，变化的环路电流会对屏蔽层内信号导线产生耦合干扰；而基准电位的不稳定会令微控制器系统逻辑系统混乱，数据运算出错或宕机和模拟测量控制精度下降或误动作等情况。

3  措施和方法

    微控制器系统抗干扰措施可分为硬件措施和软件措施两种。软件措施作为后备技术可进一步消除进入系统的干扰，但会耗费一定的系统资源，影响CPU的工作效率，而事实上采取适当的硬件处理措施可消除绝大部分的干扰，因此现代微控制器系统抗干扰措施基本上以硬件措施为主。通过上述地分析，笔者认为系统的抗干扰措施应从传导、辐射、耦合、接地等方面入手，以抑制和切断干扰源、切断干扰对系统的耦合通道和降低对干扰信号的敏感性等为措施方法，具体的措施和方法如下：

3.1  电源部分的措施和做法

    电网污染在工业发展的同时日趋严重，污染电源在提供能源的同时亦将噪音叠加到微控制器系统上，因此如何抑制过滤电源噪音是系统抗干扰的首要条件。

    首先对系统供电线路进行选择，采用专线供电或设备负荷变化较少、启停次数不多的供电电网，可避免电压波动太
大对系统造成的影响。在电源进线端可适当加装低通滤波器，可阻止高频噪音通过，抑制吸收大部分的高频差模共模干扰，在低通滤波器后再设隔离变压器，可更好地抑制隔离高频共模干扰的引入，但要注意的是，隔离变压器的隔离层要良好接地，而且其次级线圈最好使用双绞线，这样效果更为明显。对于目前的微控制器供电，建议采用隔离性能较高的24VDC开关电源，这样可进一步减少末级的共模差模干扰。而对于稳定性能要求更高的系统，可采用在线式不间断电源（UPS）供电，其具有较高的安全可靠性，具备较强的抗干扰隔离性能，能保证供电电源的纯净和连续。

3.2  电缆的选择和敷设

    电缆在工业控制现场应用很多，安装又分散，如果不注意规范，往往是传导耦合干扰的主要途径，因此电缆的选择和敷设是系统抗干扰的关键。

    在工业控制现场，电缆主要有动力电缆和信号电缆两种。动力电缆可根据负载情况适当选择带铠装屏蔽电缆，这样可降低动力电缆的电磁干扰的同时亦减少电缆意外损坏。而信号电缆可根据所传输的信号类型不同进行划分：

(1)  模拟量信号（4~20mA，0~20mA等）建议采用屏蔽双绞线。

(2)  低电平的开关信号（状态干结点信号）、数据通信线路（RS-232、EIA485等）建议采用屏蔽双绞线（至少双绞线）。

(3)  高电平的开关量输入输出、CATV、电话线等建议采用双绞线。

    敷设时尽量将动力电缆和信号电缆隔离，将它们置于不同的电缆沟中或用导体隔离板，隔离板必须严格接地（放于同一电缆沟中）。对于模拟量和开关量等不同的信号电缆应分别放于不同的电缆管（槽）中，并使其有尽可能大的空间距离。

3.3  处理好接地系统

    接地作用有两个，一个是保护人员和设备不受损坏－保护接地；另一个是抑制干扰，保障设备正常运作－工作接地。正确良好的接地是微控制器系统减少干扰、抑制噪声的重要措施。

    在工业控制现场，有多种不同的接地系统：供电系统地、避雷地、微控制系统地等。为避免相互间造成干扰，原则上各接地系统应独自分开，但由于受现场条件所限，可适当将供电系统地和微控制器系统地两者共地，但要考虑以下因素：

(1)  供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大。

(2)  供电系统地的接地电阻是否足够小，地网各部分间的电位差是否很小，地网各部分间的阻值是否很小（＜1Ω）。

(3)  微控制器系统的信号传输的抗干扰能力是否够大，如有无小信号（热电偶、热电阻等）的直接传输。

    而对于微控制器系统内部接地则建议采用一点接地方式。将系统的模拟地、屏蔽地、逻辑地、保护地等在机柜内分别接地并汇于一点，然后用较粗的导体将各汇地点连接起来，再将各机柜的汇流点通过绝缘的铜导体以辐射状连接到公共接地点。

4  结语

    微控制器系统抗干扰是一个复杂的工程，问题的解决在工业控制要求较高的今天尤显迫切，因此在系统设计时应综合考虑各方面的因素，合理有效地运用各种抗干扰措施，对有些干扰情况还需做具体分析、特殊处理，才能够保证微控制器系统的正常运作。