摘  要：  闡述了數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)抗干擾的意義；詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹了干擾的主要來源；從軟、硬件設(shè)計以及EDA抗干擾軟件仿真技術(shù)三個方面全面地描述了抗干擾應(yīng)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(jìn)技術(shù)也進(jìn)行了簡要的介紹。

關(guān)鍵詞：  數(shù)據(jù)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

0．    引 言
　　隨著計算機(jī)技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)也越來越得到了廣泛的應(yīng)用。例如：在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供信息和手段；在科學(xué)研究中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信號，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲得科學(xué)奧秘的重要手段之一?？傊?，不論在哪個應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集與處理越及時，工作效率、性能價格比就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越好。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的工作現(xiàn)場一般較惡劣，彌漫著各種干擾（來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的），這些干擾通常稱之為噪聲。當(dāng)被測信號很微弱時，就會被噪聲 “淹沒”掉，導(dǎo)致很大的數(shù)據(jù)采集與處理誤差，可靠性降低，還可能造成系統(tǒng)失靈，甚至釀成重大事故。因此，噪聲是數(shù)據(jù)采集與處理的主要障礙之一，為了能精確地采集與處理數(shù)據(jù)，必須考慮到存在的各種干擾對系統(tǒng)的影響，把抗干擾問題作為系統(tǒng)設(shè)計的一個至關(guān)重要的內(nèi)容，從軟、硬件設(shè)計以及EDA仿真技術(shù)三個方面采取相應(yīng)的措施以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

 
                     圖1     數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成框圖

1．干擾的主要來源
　　數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)工作環(huán)境的干擾源很多，各有特點。下面從不同的角度對其進(jìn)行分類：
1.1     從干擾的來源劃分
1.1.1  內(nèi)部干擾
　　指系統(tǒng)的內(nèi)部電子電路的各種干擾，如元器件的老化引起的參數(shù)變化，以及電阻的熱噪聲，晶體管、場效應(yīng)管等器件內(nèi)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(tǒng)內(nèi)的各種干擾。如電動機(jī)電刷引起的電火花，其它設(shè)備的脈沖開關(guān)接觸所產(chǎn)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(xiàn)規(guī)律劃分
1.2.1  固定干擾
         指系統(tǒng)附近固定的電氣設(shè)備運行時發(fā)出的干擾。如鄰近的“強電”設(shè)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(shè)備（如行車、電鉆等）引起的干擾，有可預(yù)測性。
1.2.3   隨機(jī)干擾
     指偶發(fā)性干擾，如閃電、供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的動作等干擾，難以預(yù)測發(fā)生時刻。
1.3    從干擾產(chǎn)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(dǎo)線之間的寄生電容所產(chǎn)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(shè)備所產(chǎn)生的干擾。
1.3.2    磁場耦合干擾
     磁場耦合干擾是一種感應(yīng)干擾。是由于動力線、變壓器、電動機(jī)、繼電器、電風(fēng)扇等產(chǎn)生的交變磁場穿過傳輸線或閉合導(dǎo)線形成的回路，而在傳輸線上或閉合導(dǎo)線上感應(yīng)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(fā)生裝置及電火花產(chǎn)生的高頻電磁波向周圍空間輻射產(chǎn)生的干擾。
1.3.4   電導(dǎo)通路耦合干擾
       指電導(dǎo)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(chǎn)生的干擾。因為是多接地點，會在接地環(huán)路上形成環(huán)行電流，這種環(huán)行電流通過接地環(huán)路阻抗把瞬態(tài)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(nèi)部的電路絕緣不良，而出現(xiàn)的漏電流引起的電阻耦合產(chǎn)生的干擾；也可能是由高輸入阻抗器件組成的系統(tǒng)，因其阻抗與電路板絕緣電阻可以相比擬，通過電路板產(chǎn)生漏電流而形成的干擾。
1.4   從干擾輸入信號的關(guān)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(lián)在一起，它成為被測信號的一部分，被送到放大器進(jìn)行放大，影響很大。產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)生的原因：（1）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)附近有大功率的電器設(shè)備，電磁場以電感或電容形式耦合到傳感器和傳輸導(dǎo)線中；（2）電源絕緣不良而引起的漏電或三相動力電網(wǎng)負(fù)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(tǒng)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(shè)備的絕緣性能不良時，動力電源會通過漏電阻耦合到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(gòu)成回路，形成干擾。
 1.5  軟件方面的干擾源
          主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）不正確的算法產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，最主要的原因是由于計算機(jī)處理器中的程序指數(shù)運算是近似計算，產(chǎn)生的結(jié)果有時有較大的誤差，容易產(chǎn)生誤動作；（2）由于計算機(jī)的精度不高，而加減法運算時要對階，大數(shù)“吃掉”了小數(shù) ，產(chǎn)生了誤差積累，導(dǎo)致下溢的出現(xiàn)，也是噪聲的來源之一；（3）由于計算機(jī)處理器是高速數(shù)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(jī)出現(xiàn)的諸如：程序計數(shù)器PC值變化、數(shù)據(jù)采集誤差增大、控制狀態(tài)失靈、RAM數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”等現(xiàn)象。
 
2.     系統(tǒng)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(tǒng)的各個部分抗干擾措施進(jìn)行介紹：
2.1  電源系統(tǒng)的抗干擾
     供電部分是非常重要的一環(huán)。系統(tǒng)中的設(shè)備大多數(shù)使用220V，50HZ的市電，由于電網(wǎng)的頻率與電壓波動較大，會直接對數(shù)采系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)采系統(tǒng)與電網(wǎng)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(huán)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(wǎng)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(jìn)入磁飽和，應(yīng)在濾波器前面加設(shè)一個分布參數(shù)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(yīng)注意以下幾點：（1）低通濾波器本身應(yīng)屏蔽，且屏蔽盒與系統(tǒng)的機(jī)殼要保持良好的接觸；（2）為減少耦合，所用導(dǎo)線要靠近地面走線；（3）濾波器的輸入與輸出端要進(jìn)行隔離；（4）濾波器的位置應(yīng)盡量靠近需要濾波的地方，其間的連線也要進(jìn)行屏蔽。（5）用先進(jìn)的磁粉芯材料構(gòu)成電源濾波器。
2.1.3   采用交流穩(wěn)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(wěn)壓器。
2.1.4   系統(tǒng)分別供電
          為了阻止從供電系統(tǒng)竄入的干擾，可采用交流穩(wěn)壓電源串接隔離變壓器、分布參數(shù)噪聲衰減器和低通濾波器的方法；當(dāng)系統(tǒng)中使用感性設(shè)備時，應(yīng)將數(shù)采系統(tǒng)與感性設(shè)備的供電系統(tǒng)分開，以避免在供電線路之間出現(xiàn)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(xiàn)代的芯片制造技術(shù)發(fā)展很快，各種電源模塊層出不窮，如：DC—DC、三端穩(wěn)壓等模塊。采用單獨供電有以下一些優(yōu)點：（1）每個電源模塊單獨對相應(yīng)板卡進(jìn)行電壓過載保護(hù)，不會因為某個穩(wěn)壓器的故障使系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)要合理布線
          數(shù)采系統(tǒng)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(jīng)開關(guān)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(yīng)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(shù)
          采用氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管（TVS）等元件進(jìn)行保護(hù)，也可以在設(shè)備的外殼涂屏蔽層、加金屬纖維等辦法。
2.2    數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)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(shù)
           包括：（1）光電隔離（利用光電耦合器件實現(xiàn)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(shù)采電路的模擬信號不接機(jī)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(jī)的外圍電路、接口電路、數(shù)字量采集電路等數(shù)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(shù)
            應(yīng)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(shù)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(yīng)就近接地；（3）不同性質(zhì)接地線的連線原則：應(yīng)將弱信號模擬、數(shù)字電路和大功率驅(qū)動地線分開，模擬地與數(shù)地分開，高電平數(shù)字地與低電平信號分開，各個子系統(tǒng)地只在電源供電處才相接成一點入地；（4）接地線應(yīng)盡量加粗原則。
 2.6   其它的一些硬件抗干擾方法
           在計算機(jī)中（單片機(jī)）加入看門狗（WDT）電路，可有效地防止程序“跑飛”，避免系統(tǒng)“死機(jī)”。用數(shù)字式多路開關(guān)代替機(jī)械開關(guān)，可避免電火花干擾。用數(shù)字式濾波器（它采用的是軟件濾波方法）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬式濾波器可提高抗干擾強度。

3．   系統(tǒng)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(shè)計時應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵處插入一些空操作指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)幾次，這樣可保護(hù)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(dāng)PC值失控使程序失控后，CPU進(jìn)入非程序區(qū)，這時可用一條引導(dǎo)指令，強迫程序進(jìn)入初始入口狀態(tài)，進(jìn)入程序區(qū)。可每隔一段設(shè)置一個陷阱。（3）軟件復(fù)位：當(dāng)程序“走飛”時，運行監(jiān)視系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動復(fù)位而重新初始化。
3.2     設(shè)立標(biāo)志判斷
       定義某單元為標(biāo)志，在模塊主程序中把該單元的值設(shè)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(zhuǎn)入錯誤處理子程序。
3.3   增加數(shù)據(jù)安全備份
       重要的數(shù)據(jù)用兩個以上的存儲區(qū)存放，還可以用大容量的外部RAM，將數(shù)據(jù)作備份。永久性數(shù)據(jù)制成表格固化在EPROM中，這樣既能防止數(shù)據(jù)和表格遭破壞，又能保證程序邏輯混亂時不將數(shù)據(jù)當(dāng)指令去運行。編寫專門的數(shù)據(jù)保護(hù)子程序，對于由指令改變結(jié)果性質(zhì)的數(shù)據(jù)，在每次改變后都盡可能保存起來，以便在需要時能夠恢復(fù)正確值。
3.4    采用主動初始化及數(shù)據(jù)冗余化技術(shù)
對單片機(jī)及片外擴(kuò)展器的各種功能端口或方式、狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，保證在上電或復(fù)位后軟件能正確實現(xiàn)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(yīng)的控制寄存器設(shè)定動作模式；給重要的數(shù)據(jù)加冗余位，延長數(shù)據(jù)—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(nèi)軟“看門狗”（WDT）與重復(fù)執(zhí)行程序技術(shù)
           利用微處理器內(nèi)部閑置的定時/計數(shù)器，配合適當(dāng)?shù)某绦驑?gòu)成WDT，在系統(tǒng)異常時能夠及時有效地強制“軟復(fù)位”，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；將重要的指令設(shè)計成定時掃描模塊，使其在整個程序循環(huán)運行過程中反復(fù)執(zhí)行，這樣即使干擾信號改寫了指令內(nèi)容，也能在受控數(shù)采系統(tǒng)的反應(yīng)時間內(nèi)自動恢復(fù)正常。采取多次讀輸入腳數(shù)據(jù)方法，取多次讀出值的平均值作為該引腳的正確數(shù)據(jù)。
3.6   對未使用的內(nèi)存區(qū)的設(shè)置方法
            為了防止程序計數(shù)器跳進(jìn)未使用的存儲區(qū)而誤動作，在未使用的存儲區(qū)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(qū)域后，它就會讀SWI矢量，而事先將該矢量設(shè)置成跳轉(zhuǎn)到程序的起始位置，所以程序的運行就正常了。

4．    在PCB設(shè)計時用EDA軟件對系統(tǒng)的EMC性能模擬仿真
 在 PCB設(shè)計中，從EMC角度主要考慮的是：（1）要保證布線網(wǎng)絡(luò)本身的信號的完整性、可能在PCB中產(chǎn)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(jù)設(shè)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(shù)據(jù)庫的支持，對電路板上的眾多元器件的 IBIS（免費提供）數(shù)據(jù)進(jìn)行電氣特性分析，為達(dá)到電磁兼容的目的，用EDA工具進(jìn)行模擬仿真。（2）將設(shè)計者的經(jīng)驗與利用EDA工具模擬仿真技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，在布局、布線階段就考慮系統(tǒng)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(shè)計者在 EMC方面的需求，改進(jìn)PCB的設(shè)計流程，簡化后期繁雜的硬件調(diào)試工作。

5．結(jié) 束 語
       干擾的來源是多方面的，有時是錯綜復(fù)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(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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(shù)、新的元器件材料才能使電子設(shè)備永遠(yuǎn)是最先進(jìn)的。例如：現(xiàn)在出現(xiàn)的智能布線系統(tǒng)，它的技術(shù)發(fā)展非常迅猛，幾乎是每半年出現(xiàn)一個新的熱點。我們相信電磁兼容的理論與技術(shù)的發(fā)展會越來越快。