铁路燃油计量系统的抗干扰设计

黑龙江 王天一

铁路燃油计量系统的抗干扰设计

黑龙江 王天一

铁路燃油计量系统现场条件恶劣，易受到各种干扰的侵入，因此系统的抗干扰特性的好坏关系到整个控制系统的稳定性和可靠性。干扰对加油装置产生作用具备三个条件，即干扰的三要素：噪音源、耦合通道、接收电路。在解决加油装置的干扰问题时，可针对干扰传播的三要素着手，即抑制或削弱噪音源的能量，减少或防止耦合通道的生成，消除或屏蔽对干扰信号敏感的接收回路等等。

一、硬件系统抗干扰措施

在一般情况下对加油装置电子控制系统影响最大的干扰信号有三种，即：开关触点的抖动和加油装置振动、感性负载的通断、交流电网的波动和电路板的抗干扰。

1.开关触点抖动和加油装置振动引起干扰的防治

任何一种开关或触点在闭合或断开时都不是一次性动作，而是要产生抖动现象。从而在电子线路中产生干扰脉冲。这个脉冲信号就会叠加在原来的有用信号上，对电路产生干扰，使电子线路出现误动作。

（1）采用RC网络防治触点抖动的干扰

在理想状态下，WK每接通一次就应O点输出为低电平，但在实际过程中WK每接通一次O点输出要抖动若干几次，且次数不等。经示波器查看输出端O的波形时发现异常，比正常情况下多了一些附加脉冲。经分析知这是由微动开关的触点在接通和断开时产生的抖动而引起的干扰脉冲，它破坏了电路的正常工作。增加了一个RC网络，在WK接通和断开的过程中，电路里存在着RC的充电和放电的过渡过程。这样电路就可以有效地抑制触点抖动时引起的干扰，使电路正常工作。

（2）信号线抖动干扰的克服

尽量缩短信号线的长度，避免信号线振动；对信号线进行屏蔽，采用双芯屏蔽线或双绞屏蔽线，必要时可将信号线穿在金属管中；尽量使信号线沿箱体或壳体走线，并且远离高电压、大电流的导线以及动力线、电源线和变压器等；安装调试时使加油装置走线尽量避开现场周围的强干扰磁场，防止产生磁祸合，提高加油装置抗干扰能力。

2.感性负载引起的干扰及其防治措施

感性负载一般是指各种交直流继电器、接触器、交直流电磁铁、电磁阀、交直流电磁离合器、电动机等等。感性负载都是通过控制元件将它接通的。它的控制元件如按钮开关将它和电源接通或断开的瞬间，将在感性负载电感线圈的两端产生高于电源电压数倍到数十倍的反向电动势(简称反电势)。当开关在接通和断开感性负载的瞬间，实质上是RL串联电路的两种过渡过程。在过渡过程刚开始的瞬间将趋向无穷大，以至于将开关触点间的空气隙击穿出现火花放电和辉光现象。这样会对电子电路及电子控制系统产生强大的干扰脉冲，破坏电子电路及电子控制系统工作的稳定性。

感性负载产生的干扰有两种形式：一种是在触点两端产生火花放电，另一种是在电感线圈两端产生反电势。这些干扰信号若和低电平信号线或低电平敏感电路相邻近，就可能通过分布电容和线间电容对它们进行干扰，同时还可能通过电源线和控制线对其它电子电路进行干扰。

抑制这些干扰可以在电子电路内部设置层层防线，如滤波、屏蔽等减小它的干扰。但是最好的办法是对干扰源本身采取措施，在电感线圈加一个放电网络，防止电火花的产生，减小反电势干扰的能量。

目前较为常用的放电网络有两种：一种称为完备网络，是指设计的一种理想网络，一般多用在高频情况下；另一种是经验网络，仅从抗干扰的角度出发，根据一些经验公式和经验数据组成简单网络，这种网络组成简单、实用。经验网络主要有三种，即D网络，R-D网络，R-C网络。前两种只能应用在直流电路中，而后一种网络既可用于直流电路，也可用于交流电路中。

3.交流电网波动引起干扰的抑制

对加油机电子控制系统的干扰，从其出现的区域可分为外部干扰和内部干扰。前面提到的触点抖动干扰和感性负载通断的干扰，一般都属于内部干扰，而由交流电网侵入的干扰则属于外部干扰。交流电网波动引起的干扰主要是指通过交流电源引线传到加油装置里来的那些电网中的高频信号。由交流电源线侵入的这种频带较宽的高频干扰信号一般都是在电网中的大型设备开启或关闭时产生的。对这种干扰信号的抑制可采取以下几种方法：

（1）低通滤波器低通滤波器是一种无源四端网络，是一种只允许直流分量和低频电流分量通过的滤波器，可以有效地抑制电网中的高频干扰分量。

（2）隔离变压器隔离变压器是变比为1：1的变压器国。一般在它的初级和次级外面分别各有一层屏蔽层。使用时将两屏蔽层分别可靠地接地。这样的隔离变压器对于由电网侵入的干扰脉冲显然是一道障碍，对于抑制电网进入的干扰能起一定的作用。

（3）分相使用在加油装置的控制系统中把强电执行机构的电源和弱电控制部分的电源分别接在三相交流电源的不同相序上，安装时也分开安装，则可以抑制或减少强电部分对弱电部分干扰。

4.印制电路板抗干扰设计技术

印制电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，布线和布局好坏对可靠性影响很大。印制电路板大小要适中，板面过大印制线路太长，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板间相互连线增加，易增加干扰环境；印制板元件布局时相关元件尽量靠近。如晶振、时钟发生器及CPU时钟输入端相互靠近，大电流电路要远离主板，或另做一块板；考虑电路板在机箱内的位置，发热大的元器件放置在易通风散热的位置；电源线和地线与数据线传输方向一致，有助于增强抗干扰能力。接地线可环绕印制板一周安排，尽可能就近接地，地线尽量加宽，数字地、模拟地要分开，根据实际情况考虑一点或多点接地。

二、软件抗干扰设计

硬件电路的抗干扰能够显著地增加系统的稳定性和可靠性，但并不能杜绝干扰的发生。而软件抗干扰设计主要借助于计算机的计算能力，运用适当的数学方法和理论，进行数字滤波和程序运行监控。

1.看门狗技术

单片机系统设计看门狗电路，给当喂狗端即WDI端在超过1.65没有被喂，RST端就会发出一个脉冲信号，使单片机复位。喂狗程序如下，即向WDI端发送一个方波信号。

2.MCU口线刷新在MCU结构中，I/O电路一般靠近管芯边缘，外部噪声容易对其逻辑电路产生影响。因此，在用户程序中，定期刷新I/O口的数据寄存器和方向寄存器有利于减少系统产生误动作。

3.数字滤波技术在微机应用系统的输入信号中，一般都含有种种噪音和干扰，它们主要来自于被测信号本身或外界干扰。数字滤波程序就是通过一定的计算或判断来提高信噪比。同硬件RC滤波器相比，不需增加任何硬件设备，灵活性好，可用不同的滤波程序实现不同的滤波方法。

4.对模拟量输出的抗干扰设计D/A转换之前，与模拟量输出信号对应的信号保存在锁存器中，锁存器一旦受到干扰，模拟输出信号就会受到破坏，为此可对该数字锁存信号进行重复输出处理。

5.对开关量输入、输出的抗干扰设计开关量输入采用多次读入和延时查询的方法。多次读入法是开关量输入时，为了确保读入信号准确无误，在开关输入程序设计上采用多次读入，至少要求连续两次读入内容一致。延时查询方法是对输入状态进行一定延时的不间断扫描，以便判别输入信号的真伪。开关量输出的抗干扰措施是将存放开关输出的锁存器进行重复输出，不管此锁存器的内容有没有受到干扰，定时给它送信号，直至相应功能执行完毕为止。

(作者单位：哈尔滨铁道职业技术学院)

（编辑 王旸）