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重庆大学硕士学位论文 7 抗干扰设计 51 7 抗干扰设计 7.1 概述 可靠性是对继电保护的基本要求之一，对于10KV高压开关智能综合保护器 而言，它包括两个方面的含义，即不误动和不拒动。造成保护器误动和拒动的主 要原因在于干扰和元件损坏，其中元件损坏不在本章的研究范围之内。 由于10KV高压开关智能综合保护器工作在煤矿井下，现场环境恶劣，各种 各样的干扰大量存在，比如大型电磁设备的启动和停止、电源波形畸变严重等， 这些干扰常常使得控制器系统工作中断，造成严重事故的发生。因此，必须从硬 件和软件设计上设法消除干扰对智能保护系统的影响[47]。 7.2 主要的干扰源及危害 7.2.1 主要的干扰源 ①电源干扰 电源干扰是单片机应用系统的主要干扰源。据统计，实时控制系统的干扰约 70来自电源。如供电线路的各种浪涌入侵、系统接地不良以及电流电压互感器、 输入输出线路的绝缘不良等都会引入干扰。电源干扰呈现出频带难以定量化、干 扰原因复杂、干扰方式多变等特点。 电源的干扰可分为串模干扰和共模干扰两大类。串模干扰是叠加在电源电压 正弦波上的干扰信号，主要产生于供电网络上，负载变动、触点开合及可控硅整 流等均能产生高频信号叠加在基波上引起串模干扰；共模干扰则是叠加在线路和 地线之问的干扰。由于地线的结构及材料选择不当，导致地线电阻过大，当有电 流流过地线时，线路上各处便会产生压降，使I/O接口电路的地线和微机的地线 存在电位差，即存在共模电压。 ②由I/O通道信号引起的干扰 由I/O通道信号引起的干扰主要有外设操作干扰、信号线之间及信号线与电 源线之间的干扰和现场信号干扰三种。当外设操作时，如高爆开关的合闸干扰都 信号通道进入电路， 影响系统CPU的正常工作， 使程序乱飞， 造成系统工作混乱。 另外各导线之间也存在着杂散电容，交变信号可以通过这些电容的耦合传到相邻 的线路而形成干扰。 ③空间电磁干扰 煤矿井下有许多高压电网和变压器， 这些高压设备在空间形成很强的电磁场， 尤其在10KV系统中这种现象十分明显。在进行系统操作，或是操作隔离开关等 重庆大学硕士学位论文 7 抗干扰设计 52 时，系统的主接线形式及参数将发生变化，在系统中形成电磁暂态过程，造成高 频电磁场干扰。以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频电磁场 的附近，它们通过静电感应、电磁感应等方式耦合在单片机控制系统中[48]。 10KV防爆开关智能保护器安装在全封闭防爆壳体内，由于外部的干扰屏蔽 较好。但是对于开关柜内部尤其在合闸瞬间产生的干扰则是相当严重的，如果不 作特殊的处理，会明显看到保护器显示混乱甚至严重到使开关无故分闸，这也是 6KV保护器直接用在10KV开关柜上出现的主要问题之一。 7.2.2 干扰的危害 干扰源对单片机保护系统的危害主要表现在以下三个方面 ①输入通道 输入通道是系统接收数据的主要通道，它包括模拟信号和数字信号等。干扰 能使模拟信号失真，或输入的开关量和数字量出错。保护器根据这种失真的、错 误的输入信息进行运算和处理，必然会给系统带来不可设想的后果。 ②输出通道 输出通道是系统作用于外部动作单元的主要通道，它的正确与否直接关系到 系统动作的可靠性。而干扰会使输出的各个控制信号混乱，不能实现微机系统准 确的输出，从而导致保护误动或拒动。 ③中央处理单元 中央处理单元是整个系统的核心，它对输入通道输送来的数据进行运算和处 理，得到相应的结果。而干扰会使地址或数据总线上的数字信号错乱，引发一系 列意想不到的错误，CPU得到错误的数据信息后，导致运算结果出错[49]。 7.2.3 抑制干扰的有效办法 形成所有的电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的。 它们是①电磁干扰 源；②对该干扰能量敏感的接收器；③将电磁干扰源传输到接收器的媒介，即传 输通道[50]。相应地抑制电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。 经过仔细分析可以得出如下结论 ①井下大的电磁干扰源不在本次设计之列，而且目前也无力改变它的现状。 ②可以尽量切断干扰的传输途径。 对保护器而言， 串线干扰是很常见的途径。 我们曾在发往晋城矿务局王坡矿的一台10KV高压开关柜上，将开关内的连线全 部改用带屏蔽层的双绞线，试验结果证明分合闸时的乱显示和误动作明显减少。 但是开关柜内的配线由各个开关柜厂家完成，我们不能要求每一个开关柜厂家都 按照抗干扰的角度来安排柜子的设计，因此想切断干扰的传播途径只能在保护器 内进行。如电源的隔离、信号的滤波等，让干扰最大限度地不进入CPU系统，以 保证保护器的正常运行。 重庆大学硕士学位论文 7 抗干扰设计 53 ③保护器的抗干扰方面应该是大有可为的，而且必须满足在不同环境下都能 正常工作的要求。 7.3 系统硬件抗干扰设计 7.3.1 印刷线路板上的抗干扰措施 印制板上的数字电路工作时，有可能造成电路板内的电源电压和地电位的波 动，导致信号波形产生振荡而引起电路误动作[51]。我在设计时主要采取了下列措 施 ①尽量加粗地线以降低导线电阻，使它至少能通过三倍于印制板上的允许电 流。 ②接地线构成闭合回路，能明显地提高抗噪声能力。闭环形状能显著地缩短 线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。 ③电源去耦 就是在印刷线路制板入口处的电源线与地线之间并接去耦电容。 并接的电容为一个20uF的电解电容和一个0.1 u F的磁片电容，并接大电容的目 的是为了去掉低频干扰成份，并接小电容是为了去掉高频干扰成份。 ④集成芯片去耦在每个芯片的电源和地之间都安置了一个0.1uF的陶瓷电 容，这种电容器的高频阻抗特别小。 7.3.2 其它抗干扰措施 ①采用光电隔离开关量输入电路接入光电耦合后，由于光电祸合器的隔离作 用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都挡在输入回路的一侧[52]。 ②继电器隔离输出电路使用了继电器隔离。利用了继电器的线圈和触点间 没有电气上的联系的特点，可避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现抗干扰 隔离。 7.4 软件抗干扰设计 微机系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软件抗干扰措施是对抗干扰措 施的一个重要补充。现在软件抗干扰问题的研究愈来愈引起人们的重视。 本次设计在软件抗干扰上在两个方面进行了处理。 7.4.1 数字滤波 数字滤波的种类很多，象算术平均值滤波、中值滤波、递推平均滤波等。对 于本次设计的数据采集问题，由于采用了初测和详测相结合的方法。在初测时尽 量提高速度，没有采用数字滤波。 ①低通滤波 详测时对于没有相位要求的通道，采用了低通数字滤波，如电压通道。 重庆大学硕士学位论文 7 抗干扰设计 54 低通滤波的表达式为 Y aYn-11-aYn 7.1 其中Yn-1为滤波后的第n-1次采样值 Yn为未经滤波的第n次采样值。 Y为滤波后的第n次采样值。 a为滤波器带数，本系统中a取0.10 低通数字滤波的效果和一般的电阻电容低通滤波器差不多。它的程序比较简 单计算速度较快，能很好地滤除，周期性干扰和频率较高的随机干扰信号。 ②开关信号处理 开关信号处理包括两方面的问题。首先针对输入的开关量信号检测这种情 况下的干扰持续不会太常时间，因此采用多次检测举手表决一致通过的设计原则 确定开关状态。其次是关于开关量信号的输出时的干扰，采用多次重复输出的方 法。 7.4.2 软件拦截 软件拦截技术包括指令冗余、软件陷阱等 ① 指令冗余 指令冗余是避免程序乱飞时造成操作码和操作数混乱的一项技术。将单字节 的指令重复两遍就可以了。最常见的是在重要指令前写两次NOP。在本次设计中 在RET、RETI、DJNZ、JC等指令前都写了两次NOP。 ② 软件陷阱 在程序乱飞的时候，可能会飞到人为设置的返回指令的地方，从而执行返回 指令进入正常状态。设置返回指令的地方就是软件陷阱。实际使用时连续两次压 栈00H,然后执行返回指令可使程序回到起点。 7.4.3 看门狗技术 看门狗实际上就是一个监视定时器，它分为软件看门狗和硬件看门狗两种。 原理大体相当。 程序乱飞如果陷入死循环，指令冗余和软件陷阱均无能为力，这 个时候只能依靠监视定时器（看门狗） 。 本次设计的芯片C8051FO1O自带有硬件看门狗。其内部有一个使用系统时 钟的可编程看门狗定时器（WDT） 。当看门狗定时器溢出时，WDT将强制CPU 进入复位状态。为了防止复位，必须在溢出发生前由应用软件重新触发WDT。 如果系统出现了软件或硬件错误，使应用软件不能重新触发 WDT，则WDT将 溢出并产生复位，这可以防止系统失控。 WDT是一个21位的使用系统时钟的定时器。该定时器检测对其控制寄存器 的两次特定写操作的时间间隔。如果这个时间间隔超过了编程的极限值，将产生 重庆大学硕士学位论文 7 抗干扰设计 55 一个WDT复位。可以根据需要用软件使能和禁止WDT，或根据要求将其设置为 永久性使能状态。看门狗功能可以通过看门狗定时器控制寄存器（WDTCN）控 制，向 WDTCN 寄存器写入A5H将使能看门狗定时器并使其开始减1计数。用 户的应用软件应周期性地向 WDTCN 写入 A5H，以防止看门狗定时器溢出。 WDT定时间隔由式7.1给出 SYSCLCKWDT TWDTCNWDTCNT0 .2 .43 7.2 其中，TSYSCLK为系统时钟周期 7.5 本章小结 本章首先分析了干扰的来源及危害，指出了抗干扰的重要性。然后给出了硬 件和软件相结合的抗干扰方法，制定了相应的抗干扰措施。 井下实践证明，本次设计的抗干扰措施是行之有效的。