摘  要： 討論了工業現場的電磁干擾現象，對電磁干擾源的性質、產生和傳播等環節作了分析，介紹了工業測控系統的抗干擾措施。提出以主動和被動相結合的抗干擾策略，給出了具體的適用于工業測控系統的屏蔽、吸收、緩沖、濾波、接地、電氣布線、PCB布線、軟件陷阱和軟件消抖等抗干擾措施。提高了電子測控系統的電磁兼容(EMC)性能。
 關鍵詞： 電磁干擾；抗干擾；測控系統；屏蔽；軟件陷阱

　　現代電子和計算機技術為制造、加工業或其他工業生產過程提供了先進的測量和自動控制系統，極大地提高了生產效率和產品質量。然而測控系統中的電子電路的可靠性決定系統運行的成敗。除去功能設計的先天不足和電子元器件、材料的質量瑕疵因素，電子測控系統的抗電磁干擾能力直接關系到系統運行的可靠性，抗干擾設計的依據來源于現場電磁干擾環境的了解和干擾信號作用于電子電路的物理機制。因此研究電子電路的電磁干擾現象和抑制措施，無疑是很有意義的。
1 工業生產現場電磁干擾
1．1 電場和磁場對電子電路的干擾作用
　　電場和磁場均可分為恒定場和交變場兩類，靜電場、直流電產生的電場屬恒定電場；永久磁鐵、直流電流產生的磁場屬恒定磁場。交變的電壓和電流分別產生交變電場和交變磁場。恒定場會對某些電子器件產生作用，例如恒定電場和恒定磁場均會使示波管中的電子束發生偏轉；靜電場會使物體產生電荷聚集，改變物體電位，出現“帶電”現象。一定強度的恒定磁場會使干簧繼電器吸合、儀表指針發生偏轉等等。但這些現象因其行為結果表現為單一不變，不會隨機改變電路中電信號的參數，故只能稱為影響而不能稱作干擾。而交變的電場和磁場往往會隨機地改變極性、強度、頻率等，破壞電路中的正常電信號，它會改變模擬電路信號波形、參數，擾亂數字電路的邏輯關系、隨機篡改數字式計數器的計數值或者存儲器中的數據。在多數情況下這些行為表現為隨機性、擾動性，因此稱為干擾[1]。干擾的程度取決于交變電磁場的變化速率和強度，同等強度的電磁場，變化速率越大則干擾越嚴重。同等的變化速率，強度越高的電磁場干擾越嚴重[2]。交變電磁場對電子設備的干擾最為突出、最為嚴重，本文的討論主要集中在交變電磁場的干擾產生與抑制方面。
1．2 工業生產現場電磁干擾來源
　　工業生產現場產生的電磁干擾源的數量和強度，取決于生產現場設備的組成系統復雜程度及用電設備的種類、數量、功率等因素。總的來說，凡是有電流快速變化(或者有突變)的設備都會產生電磁干擾，根據電磁感應原理，感應電壓：
　　
式中，i為用電設備中的電流，L為電流回路等效電感，感應電壓因電流變化而產生[3]。這個感應電壓即為干擾信號，它以電場和磁場的形式由空間傳播或沿傳輸導線傳導進入電子電路，使電路中的正常信號被額外疊加，即被干擾[4]。產生這類干擾信號的設備和狀態有：繼電器、交流接觸器的吸合與釋放、電力刀閘(開關)的帶載合閘與分閘、PWM變頻調速器運行、電焊、中頻感應加熱、相控調壓、逆變、脈沖放電、高頻電壓發生等。此外，工頻電源頻率雖不高，但在工業現場使用的電源導線往往數量很多、傳輸功率較大，這些導線載流時也會從空間轉播50 Hz的電磁場，對于敏感部件也會形成干擾。
1．3 工業生產現場電磁干擾的抑制
　　一般情況下工業生產現場各種設備的工況以滿足生產要求為前提，不便進行改變，因此應對干擾的主要措施是被動的。可以采取如下對策：(1)優先采用電磁兼容等級高的、被公認為成熟可靠的控制機種，如PLC、高等級的工控機。(2)電子電路單元盡量遠離干擾源，因為由電磁場理論可知：空間某一點的干擾信號強度與該點到干擾源的距離的平方成反比。(3)采用高導磁率材料(如：軟鐵板、矽鋼板、鐵氧體等)和高導電率材料(如：鍍銀銅板、銅網等)進行電磁屏蔽，將電子電路裝在用這些材料做成的密閉的屏蔽空間內。有條件情況下可對現場電磁場進行測試，然后進行電磁抗干擾設計。根據實際情況，屏蔽空間可以做成屏蔽盒、屏蔽箱、屏蔽室、屏蔽籠等[3]。(4)合理使用信號傳輸媒介，現場信號分為模擬量和數字量(包括開關量)，對于模擬量信號應當采用屏蔽雙絞線傳輸，最好預先將信號源的單端信號轉換為差分信號，再用屏蔽雙絞線的芯線傳輸差分信號，而將屏蔽層可靠地接大地。現場的干擾信號實際為共模信號，雙絞線有自動抵消共模信號的作用，而有用信號的差分形式能有效抑制共模干擾信號[5]。對于數字量或開關量信號可采用多芯雙絞屏蔽電纜、光纜。數字量信號的傳輸通常會采用串行通信方式，串行通信有多種標準，現場總線CAN應為首選，因CAN的總線仲裁技術、高效率的傳輸、極低的數據出錯率、長遠的傳輸距離(最遠距離可達1 km)、強大的總線差分驅動能力(總線可直接掛接110個通信節點)等突出優點，是工業現場最為理想的數據通信標準。此外，信號以電流形式傳輸和以電壓形式傳輸，前者的抗干擾性能比后者佳，因為干擾信號表現為高阻抗，而電流傳輸為低阻抗，干擾信號被衰減。(5)合理安裝傳輸線。模擬量和數字量分開走線、信號線與電源線相隔越遠越好。(6)優選主控芯片，若自行研發控制系統，則主控芯片的抗干擾性能尤為重要，目前可用于控制系統的微處理器芯片的品種很多，其抗干擾性能差別很大，選型時應實際驗證其抗干擾性能或采用已被實踐證明抗干擾性能優越的芯片。(7)將交流接觸器改用固態繼電器(無觸點、無電弧)。
2 電子電路本身產生的電磁干擾和抑制方法
　　作為測控系統的電子電路，一方面遭受工業現場的用電設備產生的電磁干擾，另一方面其本身也產生電磁干擾，即自己干擾著自己。由于這種干擾源和被干擾對象往往在同一塊電路板上，或同在一個機箱內，距離很近，因此若處理不當，其干擾程度可能相當嚴重。電子電路產生電磁干擾的原因和應采取的應對措施可歸結為如下幾個方面。
2.1 繼電器帶載觸頭動作時產生的電壓、電流快速變化引起的干擾及其抑制
　　這種干擾是電子電路產生的最為嚴重的干擾(其嚴重程度還與電路中繼電器數量成正比)。抑制這種干擾最有效的方法是在繼電器觸頭上并接R-C吸收回路或連接L-C緩沖回路。如圖1所示。

　　R取值為10~100 Ω，C取值為0.2~0.01 μ， L取值為1~50 μH。這些元件的連接越靠近觸點則效果越好(或者采用固態繼電器)，但只適用交流負載。
2.2 電源線串擾
　　電源線包括在印制電路板(PCB)上的各個芯片、器件的電源通路。所謂串擾即干擾信號與正常信號是串聯疊加的。因電源通路存在分布參數，即存在一定的阻抗，又承載著測控電路中最大的電流，電路中各種芯片、器件工作時會使電源線中的電流發生變化，特別是數字電路工作時，會引起較大的電源電流瞬間跳變，這種跳變的電流便會在電源線的阻抗上產生跳變電壓，即：

　　 式中ΔI為電流變化量，Z為電源線阻抗。這個跳變電壓視為干擾信號，經芯片電源端一方面耦合到芯片本身，另一方面耦合到連接在電源線上的所有其他芯片，即相互影響造成干擾。解決的方法是在電源進線端加接L-C濾波環節，同時應當在各芯片引腳處的電源與地之間(VCC與GND之間)并接高頻電容器，取值在0.047~0.47 μF范圍內。該電容器應盡量靠近芯片引腳。
2.3  輸出對輸入干擾
　　  電路板上的輸出級相對能量較大，如空間位置安排不當，會使輸出級對輸入級形成信號反饋，造成干擾。尤其是高頻率信號成份，如數字信號的方波邊沿、時鐘信號、快速脈沖信號、高頻模擬信號等極易從空間形成反饋。避免這種干擾的措施是元件排列和印制板走線應按照輸入到輸出一個方向走線，輸出線不可與輸入線平行。
2.4 模/數地線未分開引起的干擾 
　　模擬信號和數字信號使用同一根公共地線，會引起干擾，尤其表現為數字信號對模擬信號造成干擾，原因是數字信號電流在地線阻抗上形成干擾信號，再疊加到模擬信號中。模擬電路和數字電路混合的電路板在設計PCB時務必要使模擬地和數字地分開，盡管從電源出發時僅1根地線。如圖2所示。
2．5 數字信號方波邊沿振蕩產生干擾
　　數字信號在傳輸過程中如果負載阻抗不匹配，其邊沿會產生振蕩，這種振蕩會使數字電路發生誤動作，如使電路多次觸發翻轉、計數錯誤、邏輯錯誤等。消除方波邊沿振蕩的方法有2種：(1)在傳輸線終端并接吸收電阻(阻值范圍為數十歐姆~數百歐姆)或吸收電容(容量為數十皮法~數千皮法)，目的是在硬件上消除振蕩。(2)用程序指令產生適當的延時，躲避振蕩時間。此法可以不添加任何硬件且可靈活調節躲避時間，但對于純硬件電路則只能用硬件方法處理。
2．6 輸入設備或傳感器誤動作干擾
　　一些靈敏的開關型輸入設備或傳感器會產生誤動作，如鍵盤被按動時會發生抖動，使得單次按鍵動作變為多次按鍵動作；溫度開關、液位開關在受到振動時，其觸點會誤接通或誤斷開。這些誤動作若不能加以識別必然導致控制系統產生錯誤的處理結果。解決的方法是設計去抖程序判別動作的真偽，其原理是抖動的時間總是短暫的，可利用軟件插入1次或幾次延時，每次延時后讀取輸入值，如每次讀入值皆為真即為有效，否則為無效。
3  工程實踐中值得推薦的防干擾方法
　　工程實踐中對于測控電路硬件與軟件方面也有一些值得推薦的抗干擾方法，對于提高測控系統抗干擾水平均有作用。這些方法包括：(1)晶振與CPU引腳盡量靠近，晶振外殼接地并固定。(2)功率器件與CPU的地線分開走線，各自單獨接電源公共端。(3)CPU的I/O口線、電源線、電路板連接線等關鍵部位，使用抗干擾元件，如磁珠、磁環、電源濾波器。(4)PCB布線時，電源線和地線盡量粗，盡量減少環路面積。(5)將CPU閑置的I/O口接地或通過電阻接正電源。其他IC的閑置端在不改變正常邏輯的情況下也應同樣處理，決不可懸空。(6)CPU使用電源監控及看門狗電路。(7)在滿足要求的前提下，盡量降低CPU的時鐘頻率和選用低速數字電路。(8)將程序中不用的代碼空間用“0”填充，等效于空操作指令“NOP”，在程序存儲單元的最后存放1條長跳轉語句“LJMP 0000H”，可使程序跑飛時歸位。(9)在跳轉指令前加幾個“NOP”語句。(10)涉及外部器件參數調整或設置時，可定時將參數重新發送1遍，以利于當外部器件受干擾出錯時能盡快恢復正確。(11)邏輯狀態盡量采用電平控制而不使用邊沿觸發(除非不得已)。(12)邏輯電路或邏輯芯片的輸入、輸出端應定義成低電平有效。
　　 電磁干擾無處不在，只是程度不同，不可能將干擾信號完全消除。工業現場抗干擾目標是設法使電子設備遭受電磁干擾的程度減至能使設備可靠正常運行的程度。如文中所述，抗干擾對策總是主動與被動相結合，主動策略表現為對干擾源進行抑制，使干擾源產生的干擾強度降至最低，被動策略表現為對干擾信號采取規避行為，使干擾無效。兩種策略均不失為上策，只是要針對具體情況采取相應措施。
　　工業現場的抗干擾對策是一項重要而復雜的技術，抗干擾效果取決于實施者對現場設備和測控電路產生的干擾源的了解程度、電子技術運用技巧以及工程實踐經驗。
參考文獻
[1] 張建明.光電設備電子機柜布線工藝研究[J].電子工藝技術，2003(2)：73-77.
[2] 陳窮.電磁兼容性工程設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1993.
[3] 顧林衛.控制機柜電磁屏蔽分析[J].艦船電子對抗，2000(1)：32-37.
[4] 毛楠，孫瑛.電子電路抗干擾實用技術[M].北京：國防工業出版社，1996.
[5] 蔡仁鋼.電磁兼容原理、設計和預測技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1997.