19第十九章 电磁兼容性与可靠性

第十九章 电磁兼容性与可靠性

内容：19.1电磁兼容性19.2干扰的来源、耦合方式和作用方式19.3抗干扰技术19.4可靠性19.5提高可靠性的途径

要求：了解系统电磁兼容性与可靠性的基本概念，了解提高计算机控制系统电磁兼容性与可靠性的措施

计算机控制系统与工作在办公室或良好机房环境下的计算机系统有很大的不同，它的运行环境往往比较恶劣和复杂，不仅环境温度变化大、湿度大，有粉尘、振动和腐蚀气体，而且周围还有电气干扰，这些都会影响到系统的正常工作，轻则影响控制精度，重则使系统失灵瘫痪。计算机控制系统通常要求长期连续工作，不能随意关机、复位或重新启动。当有干扰信号出现时，系统应能抑制干扰的影响；数据被干扰破坏时，系统应能及时发现并能纠正；系统内部或外部出现异常情况时，应能及时给出报警信息；当干扰导致程序脱离正常运行或进入“死循环”，应能及时发现并强制进入正常程序入口或进行系统复位。因此，电磁兼容性与可靠性要求对计算机控制系统来说至关重要，而抗干扰技术是提高电磁兼容性和可靠性的一项关键技术，可以说没有采取抗干扰措施的控制系统是根本不能投入实际使用的。

系统的可靠性也就是系统的正常工作能力，要提高系统的可靠性，首先要分析影响系统正常工作的因素，然后采取适当的措施来消除或抑制这些因素。

本章介绍有关电磁兼容性和可靠性技术的基本概念，在此基础上，介绍硬件和软件的可靠性和抗干扰技术。

19.1电磁兼容性

19.1.1电磁兼容性的概念

电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility， EMC）是指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存的程度。国际电工委员会（IEC）对EMC的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

研究电磁兼容的目的是为了保证电器设备或系统在电磁环境中具有正常工作的能力，以及掌握电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。

按传统的观点，控制系统为保证其正常工作，必须有较强的抗电磁干扰能力，但往往忽略了其本身的许多部件也是产生电磁干扰的发射源。电磁兼容实际有两

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方面的含义，一方面是设备或系统产生的电磁骚扰，不应对周围设备造成不能承受的干扰，也不应对周围环境造成不能承受的“污染”；另一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰，应具有足够的抗御能力。

随着计算机技术、通信技术、自动化控制技术以及电子技术的广泛应用，电磁兼容成为世界工业技术的热点问题。电子元件几乎在所有的设备中都存在，而它们越来越趋于在极微弱的信号下工作，且信号工作频率越来越高，动作时间越来越短，因而更容易受外界电磁场的于扰。电子产品的广泛使用，也意味着电磁发射源也越来越多，而高能量、高频率的发射源使干扰信号不断增强，这些电磁辐射不仅对电子设备本身有干扰作用，更严重的是电磁辐射会对人体健康造成不良影响。电磁辐射污染也已被世界卫生组织列为必须严加控制的现代公害之一，因此，清洁电磁环境，保证电工、电子产品正常工作已受到世界范围的普遍关注。

解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始，并贯穿于整个产品或系统的生产全过程。电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰机制的研究，从干扰源处限制电磁发射是治本的方法，切断电磁噪声的传播途径是提高抗干扰能力的重要手段。 19.1.2电磁兼容标准

电磁兼容技术的讯速发展，也刺激了对电磁兼容标准化工作的需求。许多国家在EMC技术的研究、标准的制定，EMC测试及认证方面做了不少工作，如欧共体成员国关于EMC法律性指令（89/336/EEC指令）要求所有投放市场的电工电子产品，均要求进行EMC认证，认证合格后，贴上CE标志。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission， FCC）颁布了一系列有关EMC的法规，并进行这方面的管理，对于通信发射机、接收机、电视机、计算机，各种医疗设备均有相应的法律要求。任何想出口到美国的这些设备必须取得FCC的某种形式的认可。

IEC（国际电工委员会：International Electro technical Commission）专门从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会，即国际无线电干扰特别委员会（CISPR）和第77技术委员会（TC77）。

我国的EMC测试及标准化工作是20世纪60年代起步的。对应于CISPR成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，对应TC77成立了全国电磁兼容标准化联合工作组，以促进电磁兼容EMC研究和标准化工作。

随着EMC标准化工作的进行，其认证工作作为市场经济发展到一个比较成熟的阶段的产物，就如安全认证和环境保护的绿色认证一样，EMC认证也将是产品的一个重要质量标志。下面是几个我国有关EMC的国家标准：

GB/T4365-1996 电磁兼容术语

CB/T13926.1-4 有关工业过程测量和控制装置的电磁兼容性标准 GB/T7624.1-1998 有关电磁兼容基本术语和定义的应用与解释 GB/T17626.1-12 有关电磁兼容试验和测量技术的标准

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19.1.3常用名词说明

（1）噪声与干扰（Noise & Interfering）

噪声是一种明显不传送信息的信号，它可与有用信号叠加或组合，并使有用信号发生畸变。噪声会损害有用信号的接收，并可引起装置、设备或系统性能降低，甚至不能正常工作，具有危害性的噪声称干扰。“噪声”与“干扰”有时也不严格区分，一般在讨论对有用信号影响程度时，多用“噪声”一词，而讨论危害作用时，多用“干扰”一词。

（2）电磁骚扰和电磁干扰（Electromagnetic disturbance & Electromagnetic interference）

电磁骚扰泛指对装置、设备、系统或者有生命物体产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。电磁干扰（简称EMI）是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

（3）噪声源与受扰体（Noise source & Susceptor）

噪声源就是产生噪声的主体，也称干扰源.如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源，其用数学描述的特征是要didt,dvdt较大的地方都可能是干扰源。受扰体就是受到干扰危害的装置、设备或系统，受扰体亦称受干扰对象或干扰对象，受扰体通常对噪声有较高敏感性（Susceptibility），如A/D，D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等，都可以是受扰体。

（4）耦合与耦合途径（Coupling & Coupling Paths）

耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的现象，此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁产生联系的现象，它通常决定了受扰体受到干扰的方式。耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时，电磁能量的传输介质，亦称耦合通道。耦合途径主有传导、感应和辐射。

（5）传导与辐射（Conduction & Radiation）

传导是通过导线传播电磁能量的耦合方式，具体有电导耦合、电感耦合、电容耦合、公共阻抗耦合等。辐射是通过自由空间传播电磁能量的耦合方式。

（6）系统间干扰和系统内干扰（Inter-system & Intra-system interference）

系统间干扰是指由其他系统对一个系统造成的电磁于扰。系统内干扰是指系统中出现的由本系统内部电磁骚扰（Disturbance）引起的电磁干扰。

（7）内部抗扰性和外部抗扰性（Internal immunity & External immunity） 内部抗扰性是指装置、设备或系统在其输入或天线处存在电磁骚扰时能正常工作而性能没有降低的能力。外部抗扰性是指装置、设备或系统在电磁骚扰经由除常规输入端或天线以外的途径侵入情况下，能正常工作而性能没有降低的能力。

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19.1.4产生干扰的必要条件

由噪声（或电磁骚扰）干扰引起设备或系统性能下降现象的产生，必须满足4个条件：噪声的发生（即有噪声源的存在）、噪声的接收（即有受扰体的存在）、噪声的传播（即有耦合途径的存在）、以及上述三者在时间上的一致性。只要破坏上述4个条件中任何一个，干扰现象就能消除。上述4个条件也可看作是EMC的4个要素，如Fig19.1所示。

噪声源（噪声的发生）耦合途径噪声的传播时间上的一致性受扰体（噪声的接收）

Fig19.1 EMI的4个要素

由于噪声源和受扰体通常是客观存在的且难以消除，只能通过减少噪声源的发射能量，降低受扰体敏感度来达到消除干扰的目的。切断噪声从噪声源到受扰体的耦合途径是消除干扰的常用方法，而调整噪声的产生、传播和接收的时间关系，有时也能起到事半功倍的效果。

19.2干扰的来源、耦合方式和作用方式

19.2.1干扰的来源及产生的原因

1、干扰的来源

干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。对于计算机控制系统来说，干扰既可能来源于外部，也可能来源于内部。

外部干扰是指那些与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰；而内部干扰则是由系统结构、制造工艺等所决定的。

内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声干扰。

外部干扰主要是空间电场或磁场的影响。例如，输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无线电波，太阳或其他天体辐射出的电磁波，空中雷电，火花放电、弧光放电、辉光放电等放电现象，甚至气温、湿度等气象条件。

外部干扰是指从外部侵入装置或系统的噪声，主要有自然噪声和人为噪声二类。

自然噪声包括大气噪声、太阳噪声等。大气噪声如雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪等。其中雷电是经常遇到的，它从较低频率（数千赫兹）

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到VHF射频段（30-300 MHz）或更高的频段内产生干扰，并能传到相当远的距离。太阳噪声是由于太阳黑子或磁暴发射出的电磁噪声，其强度与黑子活动的激烈程度有关。

人为噪声来自其他机器和设备的噪声，如：

 有触点的家用电器和民用设备电冰箱、电熨斗、电磁开关、继电器等；  使用整流子电动机的机器电钻、电动刮胡刀、电按摩器，吸尘器、电动搅拌机、牙科医疗器械；

 家用电力半导体器件装置硅整流调光器、开关电源等；  工业用高频设备塑料热合机、高频加热器、高频电焊机等；

 高频医疗设备甚高频或超高频理疗装置、高频手术刀、电测仪、X光机等；  电力传动设备各种直流、交流伺服电动机、步进电机、电磁何、接触器等；  电力电子器件组成的变流装置可控整流器、逆变器、变频器、斩彼器、交流调压器、UPS电源、商频开关电源等；

 电力传输设备高压电力传输线、高压断路器、变压器等；内燃机中的点火系统、发电机、电压调节器、电刷等；

 无线电发射和接收设备移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等；  高速数字电路设备计算机及其相关设备等。

2、噪声产生的原因

噪声产生的原因非常多，按其分类有热噪声、接触噪声、放电噪声、高频振荡噪声、感应噪声、反射噪声、浪涌噪声、辐射噪声等。

 热噪声是由导体、半导体和电阻中电子热骚动所形成的电子噪声，由于电子热运动具有随机性质，所以热噪声电压也具有随机性质.而且它几乎覆盖整个频谱。

 接触噪声是由两种材料之间的不完全接触，形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动接点以及接线柱和虚焊处。

 放电噪声主要由雷电、静电、电机电刷和大功率开关触点断开等放电现象产生的。

 高频振荡噪声主要由感应电炉，开关电源、逆变器、高频加热器、超声波设备以及电路内部反射引起的高频自激振荡所产生。

 感应噪声是由于器件布局、配线或接地不当所产生的静电感应、电磁感应噪声。

 工频噪声是由电源整流电路滤波不佳、变压器漏磁通感应分量，以及大地漏电等导致有用信号中混入交流分量所产生的交流噪声。

 反射噪声是高速电路长线传输时，由于阻抗不匹配，发生信号传输反射，引起信号波形畸变所形成的。

 浪涌噪声是由大功率设备、晶闸管变流器和电动机启动产生涌流所造成的。

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 辐射噪声是由大功率发射装置、接收装置（如广播设各、霄达、发报机、

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电视机、调频机、调幅机等）产生的噪声，并通过空间辐射形式影响装置或设备。 19.2.2干扰的耦合方式

干扰的耦合方式主要有公共阻抗耦合、直接耦合、电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合和辐射耦合等。

（1）公共阻抗耦合

公共阻抗耦合是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。

常见的情况是信号处理电路和信号输出电路使用公共电源，而电源不是内阻为零的理想电压源，电源内阻就成为了公共阻抗Zc。信号输出电路中的电流变化就会在公共阻抗上产生噪声信号，并通过电源线干扰信号处理电路，如Fig19.2所示。为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过去耦电路可减少公共阻抗耦合引起的干扰。

iS+iNiNiSZCVCC信号处理电路信号输出电路

（a）

Rp1Rp2i1i2Rn1i1Rn2i1+i2

（b）

Fig19.2公共阻抗耦合

在计算机控制系统中，总是通过汇流条将电源引入，又将返回信号引入地线。

，实际上它也有一定的电阻和电感。汇流条不可能是理想的（Rb0,Lb0,Cb0）当流过较大的数字信号电流时，它的作用有如一根天线。同时，各汇流条之间具

有电容，数字脉冲可以通过这个电容耦合过来。印刷电路板上的地，实质上就是公共回流线，由于它仍具有一定的电阻，各电路之间就通过它产生信号的耦合，

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每一个电路的电流在公共阻抗上造成的压降都将成为其它电路的干扰信号。如Fig19.2所示。

在一块印刷电路板上各电路有公共电源线，各独立电路回流通过公共回流线电阻Rpi和Rni(i=1,2,,n)，产生压降：

ni1(Rp1+Rn1),(i1+i2)(Rp2+Rn2),,∑ij(Rpn+Rnn)

j=1RpnRp1Rp2i1i2inRn1i1Rn2nRnni1+i2∑ij=1j

Fig19.3一块印刷电路板上的公共阻抗耦合

（2）传导耦合

传导耦合通常是噪声信号经过导线直接传导到被干扰电路中，也称直接耦合。电源线、输入输出信号线都是干扰经常窜入的途径。Fig19.4（a）中噪声信号uN串接到有用信号uS回路中，形成常模干扰；图Fig19.4（b）中噪声信号uN对有用信号uS形成共模干扰。

000000uSuN00uSuN00(a)Fig19.4传导耦合

(b)

（3）静电耦合

干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。控制系统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间和绕组之间，元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。既然有分布电容存在，就可以对ω频率的干扰信号提供1jωc的电抗通道，电场干扰就可以取道窜入，对系统形成干扰。

静电耦合也称电容性耦合或电场耦合。噪声通过电容耦合的影响程度取决于分布电容大小和噪声的频率。

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导线1uiRC1gC12uiC1gC12导线2C2gC2gRuNuN

Fig19.5电容耦合

Fig19.5给出两平行导体间的电容性耦合的表示方法和等效电路，如某一导体上的信号电压变化通过分布电容影响到其他导体上的电位。图中C12是导体1和导体2之间的分布电容总和，C1g和C2g是导体1和导体2分别对地的总电容，R是导体2对地电阻。如果导体1上有干扰源ui存在，导体2为接受干扰的导体，则导体2上出现的干扰电压uN为：

UN=jωRC12Ui

1+jωR(C12+C2g)UN=jωRC12Ui

当导体2对地电阻R很小，使jωR(C12+C2g)<<1时，上式可近似地表示为：

这表明干扰电压uN与干扰源频率ω和幅值ui、输入阻抗R、耦合电容C12成正比关系。所以只要设法减小R值就能减小耦合到受感回路的噪声电压。

当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g)>>1时，uN的公式可近似地表示为：

uN=C12ui

C12+C2g在这种情况下，干扰电压un由电容C12和C2g的分压关系及ui确定，其幅值比前种情况大得多。因此在布线时应尽量增大两导线之间的距离，并尽量避免两导线平行。

（4）磁场耦合

磁场耦合又称电磁感应耦合。磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体的周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则会对其周围的闭合电路产生感应电势。在设备内部，线圈或变压器的漏磁会引起干扰；在设备外部，当两根导线平行架设时，也会产生干扰。

i1i1L1R2导线1MuiuSu RsL2R1R2导线2uiR1uSR

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Fig19.6电磁感应耦合

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Fig19.6中，信号ui回路的L1与信号uS回路的L2经等效的互感系数M耦合， 从而有可能造成对uS的影响。这是由于感应磁场引起的耦合，其感应电压uN为：

UN=jωMI1

其中，ω为感应磁场的交变角频率，M为两根导线之间的互感，i1为导线1中的电流。

（5）漏电耦合

漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，就会发生漏电耦合现象。Fig19.7中Rab为导线a与导线b之间的绝缘电阻，当电路绝则导线a上的信号uN通过Rab与Rb分压耦合到导线上，缘性能下降时，即Rab变小，从而造成uN对uS的干扰。

a导线1RabZN导线2uNuSb000Rb00

Fig19.7漏电耦合

（6）辐射耦合

辐射耦合主要由电磁场辐射引起。当高频电流流过导体时，在该导体周围产生电力线和磁感应线，它们随着导体各个部分瞬时的电荷变化而变化，从而形成一种在空间传播的电磁波，处于电磁波中的导体，将因受到电磁波的作用而感应出相应频率的电动势。

磁场辐射干扰是一种无规则的干扰，它极易通过电源而耦合到系统中来。另外，过长的信号输入线和输出线以及控制线具有天线效应，它们既能接收干扰波,又能辐射干扰波，既可作为发射天线，也可作为接收天线，这就是所谓的“天线效应”。在一定强度的电磁场辐射条件下，由于天线效应，噪声经辐射耦合入侵电路就难以避免。辐射耦合的示意如Fig19.8所示。

uNuSRZN00000

Fig19.8辐射耦合

19.2.3干扰的作用方式　

从机理上看，无论干扰是外部干扰和内部干扰、传导干扰和辐射干扰，无论

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干扰的偶合途径如，体现在受扰系统上有三类常见的作用方式，即串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。

1、串模干扰

串模干扰又称常模干扰又称差动干扰、横向干扰等，串模噪声与有用信号串在一起，噪声电流iN与有用信号电流is在线路中的流向是一致的，噪声电压uN始终叠加在信号电压uS上，如Fig19.9 （a）所示，这种噪声往往较难清除。当噪声的频率范围与有用信号相差较大时，可采用滤波方法来抑制。

2、共模干扰

共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，即输入通道上共有的干扰电压，是由不同的“地”而引起的。共模干扰又称地感应噪声、纵向噪声。

噪声电流iN在一对信号线上各流过一部分，以地为公共回路，只要线路处于平衡状态，即两根信号线对地阻抗一致时（Z1=Z2），则在两根信号线间产生的噪声电压uN基本为0，共模噪声不会对有用信号产生影响，如Fig19.9（b）所示。但线路不平衡，即两根信号线对地阻抗不一致时（Z1≠Z2），噪声电压uN就不为0，相当于在两根信号线存在常模噪声，如图Fig19.9（c）所示。通常输入输出信号线与大地或机壳之间的噪声都为共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。

iNuSuNiNiSiS设备R(a)iN2uSuNiNiSiS

iN1uSuNiNiN2iSiS设备RuN=0ZL设备RuN≠0iN2ZLZ2iN2iN2iNZ1Z2iN2Z1=Z2iN1iNZ1(b)(c)Z1≠Z2

Fig19.9常模干扰和共模干扰

3、长线传输干扰

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计算机控制系统是一个从生产现场的传感器到计算机，再到生产现场执行机构的大系统。由生产现场到计算机的连线往往长达几十米，甚至数百米。即使在中央控制室内，各种连线也有几米到十几米。由于计算机采用高速集成电路，致使长线的“长”是相对的。这里所谓的“长线”其长度并不长，取决于集成电路的运算速度。例如，对于毫微秒级的数字电路来说，l米左右的连线就可以当作长线来看待；而对于十毫微秒级的电路，几米长的连线才可以当作长线处理。

信号在长线中传输会遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。

当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传输线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗也不匹配，也会引起新的反射。这种信号的多次反射现象，使信号波形严重地畸变，并且引起干扰脉冲。

19.3抗干扰技术

干扰是客观存在的，研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机，采取各种预防措施尽量减少干扰对计算机控制系统的影响。本节主要研究干扰的抑制措施。 19.3.1空间抗干扰的措施

空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，对于这类干扰主要采用隔离、良好的屏蔽和正确的接地方法等加以解决。

这里先简要地说明一下屏蔽的基本概念，屏蔽主要用来解决电磁干扰。它将电力线或磁感应线的影响限定在某个范围之内或阻止它们进入某个范围。其目的是隔断场的耦合、抑制场的干扰。按抗干扰性能屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽。

（1）电场屏蔽

电场屏蔽主要解决由于分布电容耦合引入的电场干扰问题，因此屏蔽体应对干扰呈低阻抗，屏蔽层应放在干扰源和敏感电路之间，而且必须将屏蔽体接地。屏蔽体一般用良导体如铜和铝构成，还要注意屏蔽的连续性。

处于高压电场的电阻抗回路，是电场干扰的主要形式，采用电场屏蔽的基本原理是基于静电屏蔽原理。由电学知识可知，任意形状的导体置于电场中，电力线将终止于导体表面，而不能穿过导体进入空腔，导体空腔内各点电势相等，因此，置入在导体空腔内的物体将不受外界电场的影响。利用这一性质，可用屏蔽材料包绕在电子设备和信号传输线外层，形成导体空腔，需注意的是，导体空腔内虽为等电势，但电势值还会随外界电场而变化，因此，实际应用时，须将屏蔽层接地，便导体空腔内的电势值也不受外界电场影响，同时，导体空腔内产生的

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电场也不影响外界，如Fig19.11所示。

电源变压器初、次级之间的屏蔽层和采用金属网的屏蔽传输线都是静电屏蔽的具体实例，如Fig19.12所示。

信号线屏蔽层

Fig19.11静电屏蔽实例

初级次级屏蔽层

Fig19.12静电屏蔽实例

（2）电磁屏蔽

电磁屏蔽主要克服高频电磁场干扰，它利用良好导体在电磁场内产生涡流效应来削弱电磁场的干扰。若将屏蔽接地，则可同时起到电场屏蔽作用。

根据电磁场理论，电磁场变化频率越高，辐射越强，电磁场干扰既包括电磁感应干扰，也包括辐射干扰。电磁场屏蔽可采用屏蔽罩，由于集肤效应，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大，而采用低电阻材料、减小与导体电流方向平行的网孔大小，则有利于增强屏蔽效果。

为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用平行电缆，而是采用同轴电缆或双绞线。在控制系统中，信号传输更多地是采用双绞线。

（3）磁场屏蔽

对一些产生磁场的噪声源需要采用磁场屏蔽措施，常用的方法是使用导磁率高的材料作屏蔽体，如坡莫合金、铁氧体等将敏感电路包围，使干扰磁场短路。例如用铁皮包在变压器的侧面，为漏磁提供回路，以减小对外界的影响；又如为抑制外界磁场对信号电路中受扰体的影响，可用导磁率高的材料将信号电路屏蔽起来。一般来说，磁场干扰以低频磁场干扰为主，高频磁场通常与电场并存，即以电磁场扰动形式出现。

空间感应的抗干扰措施可以有：

 空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。

 屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地，必要时屏蔽层外还要有绝缘层。

 高电平线和低电平线不要走同一电缆，也不要走同一插件。不得已时可以将高电平线和低电平线分立两边，中间留备用线或地线。

 模拟信号线与数字信号线不要走同一根电缆。  信号线与电源线要分开，并尽量避免平行敷设。

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 注意屏蔽的连续性。即不要使屏蔽体中间断开或使屏蔽体与被屏蔽体过早分离。

 采用双纹线（或带屏蔽的双线）或同轴电缆，可以大大减小电磁干扰。有条件的地方，还可以采用性能更优越的光导纤维。 19.3.2过程通道的串模干扰与共模干扰

强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线。而且，首当其冲是A/D和各种输入装置。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。

不管什么样的干扰源，对计算机的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机控制系统的。其耦合的方式有静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁场辐射耦合等。例如，通过容性耦合或感性耦合可把电磁场干扰直接辐射到控制系统中，通过输入输出信号线、电源线和地线把干扰传导到控制系统中。因此，如何抑制干扰是计算机控制系统的重要问题，若不采取抗干扰措施，计算机是无法应用于工业控制现场的。

按干扰的作用方式不同，可以分为串模干扰（常态干扰）和共模干扰（共态干扰）两种。

串模干扰是叠加在被测信号上的干扰噪声。这里的被测信号是指有用的直流信号或者变化缓慢的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号，如Fig19.13 （a）所示。

（a）干扰的情况；（b）干扰的一种形式；（c）干扰的另一种形式

Fig19.13串模干扰示意图

其中：

uS--被测信号的理想波形； uN--常态干扰信号波形； ua--实际测得的信号波形。

由Fig19.13 （b）和（c）可见，串模干扰和被测信号在回路中所处的地位

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是相同的，总是以两者之和作为输入信号。

所谓共模干扰是指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。

Fig19.14共模干扰示意图

因为在计算机控制生产过程时，被控制和被测试的参量可能很多，并且分散在生产现场的各个地方，一般都用很长的导线把计算机发出的控制信号传送到现场中的某个控制对象，或者把安装在某个装置中的传感器所产生的被测信号传送到计算机的A/D转换器。因此被信号uS的参考接地点和计算机输入端信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差ucm （如Fig19.14所示）。由图可见，对于转换器的两个输入端来说，分别有uS+ucm和ucm两个输入信号。显然，ucm是转换器输入端上共有的干扰电压，故称共态干扰电压。 19.3.3过程通道串模干扰的抑制

串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，可以采取以下几种措施。

（1）采用输入滤波器。如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器较为适宜。

一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为A/D转换器的输入滤波器，如Fig19.15所示，它可使50Hz的常态干扰信号衰减600倍左右。该滤波器的时间常数小于200ms，因此，当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。

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计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性

Fig19.15二级阻容低通滤波器

（2）当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双斜率积分式A/D转换器可以削弱常态干扰的影响。因为此类变换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。如果取积分周期等于主要串模干扰的周期或为整数倍，则通过积分比较变换器后，对串模干扰的抑制有更好的效果。

（3）在串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成A/D变换或采取隔离和屏蔽等措施。

（4）从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。此时可以采用高抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低噪声的干扰；也可采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；当然也可以人为地通过附加电容器，以降低某个逻辑电路的工作速度来抑制高频干扰。

对于主要由所选用的元器件内部的热扰动产生的随机噪声所形成的串模干扰，或在数字信号的传送过程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，这种方法是比较有效的。

（5）如果串模干扰的变化速度与被测信号相当，则一般很难通过以上措施来抑制这种干扰。此时可采取下述方法：

 从根本上抑制产生串模干扰的原因。对测量仪表（如热电偶、压力变送器、差压变送器等）进行良好的电磁屏蔽。测量仪表到计算机的信号线应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆线，并应有良好的接地系统。

 利用数字滤波技术对已经进入计算机的带有串模干扰的数据进行处理，从而可以较理想地滤掉难以抑制的串模干扰。 19.3.4过程通道的共模干扰的抑制

共模干扰是常见的干扰源，因此抑制共模干扰就成为微型计算机在上业过程控制中的重要环节，几种常见的共模抑制方法如下所述。

（1）双端输入

利用双端输入的运算放大器作为A/D转换器前面的前置放大器。在计算机控制系统中，待转换的被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式，如Fig19.15所示。对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为常态干扰电压，如图Fig19.16 （a）所示。所以，必须采用双端不对地输入方式，如图Fig19.16 （b）所示。

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=

（a）单端对地输入方式 （b）双端不对地输入方式

Fig19.16单端和双端输入时共模电压的引入

当放大器为单端输入时，由共模电压ucm引入放大器输入端的串模干扰电压uN为：

ucmZs

uNIcZs

+ZZ1==s

因为Z1>>Zs，所以：

ucmZs Z1其中，Zs是信号源内阻，Z1是放大器阻抗。显然，Zs越小，Z1越大，越有利

uN≈于提高抗共模干扰能力。

当放大器为双端输入时，由共模电压ucm引入放大器输入端的串模干扰电压Vn2为：

因为Zcm1>>Zs1,Zcm2ucmZs1uZ−cms2

Zcm1+Zs1Zcm2+Zs2>>Zs2，所以有： uN=Ic1−Ic2=uNZZucms1−s2 Zcm1Zcm2其中，Zs1,Zs2为信号源内阻，Zcm1,Zcm2为放大器输入端对地阻抗。为了提高抗共模干扰的能力，信号引入线要尽量短，Zcm1,Zcm2则要尽量大，而且阻值要相等。理论上，若：

Zs1Z

=s2 Zcm1Zcm2

则：

uN=0

由此可见，双端输入时，抗共模干扰能力很强。

为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR来表示，即：

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ucm(dB) uN其中ucm共模干扰电压，uN是由ucm转换成的串模干扰电压。显然，单端输入方式

CMRR=20lg的CMRR较小，说明它的抗共模干扰能力较差；而双端输入方式，由ucm引入的串模干扰电压ucm较小，而CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强。

（2）隔离

利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。此被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。

利用光电耦合器的开关特性组成的具有串行接口功能的共模抑制线路如Fig19.17所示。在这种线路中，被测信号uS首先由电压-频率A/D转换器VFC变换成不同频率的脉冲信号，然后由光电耦合器和双绞线长线传送此脉冲信息。由于光电耦合器有很高的输入/输出绝缘电阻和较高的输出阻抗，因此能抑制较大的共模干扰电压ucm。

Fig19.17光电耦合器隔离

利用光电耦合器的线性耦合，直接对模拟信号进行抗共模传送的方法，如Fig19.18所示。由于光电耦合器的线性耦合区一般只能在某一个特定的范围内，因此应保证被测信号的变化范围始终在此线性区域内。不过，光电耦合器“线性区”实际上仍有非线性失真，故应适当采取非线性校正措施，否则将产生较大的误差。

Fig19.18线性光电耦合器的应用

线性光电耦合器的抗共模能力仍然是利用光电耦合器较高的输入/输出绝缘电阻把“输入地”和“输出地”隔离开来，以使共模干扰电压ucm不成回路。

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计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性

模拟信号的隔离还可以用隔离放大器。

Fig19.19隔离放大器

附：光电耦合器能隔离干扰的原因

光电耦合器是由于发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号传输是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传送给光敏三极管来完成的。

光电耦合器有以下几个特点：

 首先，由于是密封在一个管壳内，或是模压塑料封装的，所以不会受到外界光的干扰。

 其次，由于是靠光传送信号，切断了各部件电路之间的地线联系。

 第三，发光二极管的动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号就变得很小。

 第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那样灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使在干扰电压幅值很高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制干扰信号。

（3）浮地输入双层屏蔽放大器

采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如Fig19.17所示。

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Fig19.18浮地输入双层屏蔽放大器

这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。图中Z1和Z2分别为模拟地与内屏蔽盒之间和内屏蔽盒与外屏蔽层（机壳）之间的绝缘屏蔽线的阻抗，它们由漏电阻和分布电容组成，所以此阻抗值很大。图中，用于传送信号的屏蔽层和Z2为共模电压ucm提供了共模电流icm1的通路，但此电流不会产生常态干扰，因为此时模拟地与内屏蔽盒是隔离的。由于屏蔽线的屏蔽层存在电阻Rc，因此共模电压ucm在Rc，电阻上会产生较小的共模信号，它将在模拟量输入回路中产生共态电流icm2，此icm2在模拟量输入回路中产生常态干扰电压。显然，由于Rc<（4）用仪表放大器提高共模抑制比。仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等特点，是种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。

19.3.5过程通道的长线传输干扰的抑制

采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。

1、终端匹配

为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗Rp，波阻抗的测量如Fig19.19所示。调节可变电阻R，并用示波器观察电路A的波形，当达到完全匹配时，即R=Rp时，电路A输出的波形不畸变，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗。

为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻抗一般在100Ω至200Ω之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约50Ω至100Ω。根据传输线的基本理论，无损耗导线的波阻抗R=Rp为：

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=Rp=L0 C0其中，L0为单位长度的电感[H]，C0为单位长度的电容[F]。

Fig19.19测量传输线波阻抗

最简单的终端匹配方法如Fig19.20 (a)所示。如果传输线的波阻抗是Rp，那==么当R=Rp时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状一致，只是时间上迟后。由于终端电阻变低，负载加大，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。

为了克服上述匹配方法的缺点，可采用Fig19.20 (b)所示的终端匹配方法。其等效电阻R为

RRR=12

R1+R2适当调整R1和R2的阻值。可使R=Rp。这种匹配方法也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R1R2Rp，此时等效电阻R=Rp。实践中宁可使高电平降低得稍多点，而让低电平抬高得少点，可通过适当选取电阻R1和R2，使R1>R2达到此目的，当然还要保证等效电阻R=Rp。

Fig19.20终端匹配

2、始端匹配

在传输线始端串入电阻R，如Fig19.21所示，也能基本上消除波反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R为

RRp−Rsc

其中，Rsc为电路A输出低电平时的输出阻抗。

这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺点是波形低电平会抬高。其原

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计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性

因是终端电路B的输入电流Isc在始端匹配电阻R上的压降所造成的。显然，终端所带负载电路个数越多，则低电平抬高得越显著。

Fig19.21始端匹配

19.3.6系统供电的抗干扰措施

计算机控制系统一般由交流电网供电（AC220V，50 Hz）。电网的干扰、频率的波动将直接影响到系统的可靠性与稳定性。此外，在系统正常运行过程中，计算机的供电不允许中断，否则不但会使计算机丢失数据，而且还会影响生产。因此，必须考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电。

（1）供电系统的一般保护

供电设备抗干扰是计算机控制系统抗干扰的重要组成部分。Fig19.22给出一个供电系统抗干扰的设计实例。

Fig19.22电源系统的抗干扰措施

计算机中有许多干扰是来自电源或由电源回路产生的，因此实际系统中对电源都要仔细设计，常可以采用以下一些措施。

 在逻辑电路板上的电源线与地线的布线应合理，做到布线尽可能短，防止布成回路型和“菊花”链环状型。

 在每一块集成电路芯片的电源与地引入端间接一个无感的瓷片电容器，其容量一般在0.01-0.1µF。

 若一个装置中有多块逻辑电路板，则一般应在电源和地线的引入处附近并接一个10- 100µF的大电容和一个0.01-0.1µF的无感瓷片电容，以防止板与板之间的相互十扰。但此时最好在每块逻辑电路板上装一片或几片“稳压块”，形成独立的供电系统，这样能较好地防止板间的相互十扰。

 防止驱动器通过逻辑电路板的电源线和地线引入干扰。

一般说来，输出电路很少有干扰问题，但当存在大功率的开关驱动器时，应防止输出电路产生干扰，此时可采取下列措施加以抑制。

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 把同一类型的所有输出驱动器的输出线以及交流、直流供电线等聚集在一起，套以独立的铁壳屏蔽管，并远离其它类型的输入输出等信号线。

 对直流输出驱动器来说，大电流直流信号线应采用外接线，有时还用独立的直流电源来提供电流，从而使驱动器的大电流输出不通过逻辑电路板的电源线与地线。

（2）电源异常的保护

由于计算机控制系统的供电不允许中断，所以一般采用不间断电源UPS，其原理如Fig19.23所示。正常情况下由交流电网供电，同时给电池组充电。如果交流电供电中断，电池组经逆变器输出交流代替外界交流供电，这是一种无触点的不间断的切换。UPS是用电池组作为后备电源。如果外界交流电中断时间长，就需要大容量的蓄电池组。为了确保供电安全，可以采用交流发电机或第二路交流供电线路。

Fig19.23其有不间断电源的供电结构

19.3.7系统接地的抗干扰措施

计算机系统接地的目的有两个：一是抑制干扰，使计算机稳定地工作；二是保护计算机、电器设备和操作人员的安全。但不恰当的接地不但不能抑制干扰，反而会造成极其严重的干扰，因此，正确的接地对计算机控制系统极为重要。通常接地可分为工作接地和保护接地两大类。保护接地主要是为了避免操作人员因绝缘层的损坏而发生触电危险以及保证设备的安全；工作接地则主要是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地形成环路引起干扰。本小节主要介绍工作接地。

1、计算机控制系统中的地线

计算机控制系统中的“地”有多种，接地线主要分为以下几类：模拟地、数字地、交流地、直流、安全地、系统地。

（1）模拟地：是系统中的传感器、变送器、放大器、采样/保持器(S/H)、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。由于模拟信号往往有精度要求，有时信号比较小且直接与生产现场相连接，所以必须认真地对待。

（2）数字地：也叫逻辑地，是计算机中各种数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开。

（3）直流地：指直流电源的地线。

（4）交流地：交流50Hz 电源的地线，这种地是噪声地。

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（5）安全地：又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳（包括机架、外壳、屏蔽翠等）与大地等电位，以免因机壳带电而影响人身及设备安全。

（6）系统地是上述几类地的最终回流点：直接与大地相连。

如Fig19.21所示。由于地球是体积非常大的导体，其静电容量也非常大.电位比较恒定.所以人们将它的电位作为基准电位，即零电位。

交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在，还容易带来各种干扰。因此，交流电绝对不允许与上述几类地相连，并且交流电源变压器的绝缘性能要好，以绝对避免漏电现象。

由上可见，正确的接地十分重要。根据接地理论，低频电路（频率小于1 MHz）应单点接地，高频电路（频率大于10 MHz）应就近多点接地。介于低频与高频之间时，单点接地的地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内线形成干扰。

在计算机控制系统中，一般对上述各类地均采用分别回流法单点接地，如Fig19.24所示。

Fig19.24分别回流法接地示例

回流线往往采用由多层铜导体构成的汇流条而不是一般的地线，这种汇流条的截面呈矩形，各层之间有绝缘层，可以减少自感。在要求较高的系统中，分别采用横向及纵向汇流条，机柜内各层机架间分别设置汇流条，以最大限度地减少公共阻抗的影响。在空间上将数字地汇流条与模拟地汇流条间隔开来，以避免通过汇流条间电容产生耦合。安全地（机壳地）始终是与信号地（数字地、模拟地）分离的。这些地只在最后汇聚一点，并常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋于地下。关于接地板的要求及工程实现还可参考有关资料。

2、常用的接地方法（低频接地技术）

接地问题处理得正确与否，将直接影响系统的正常工作。在一个实际的计算机控制系统中，通道的信号频率绝大部分在1MHz 以下，因此，本节只讨论低频接地而不涉及高频问题。接地的方式可以分为三种：一点接地，多点接地和混合

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接地。

（1） 一点接地

一点接地指所有电路的地线接到公共地线的同一点，以减少地回路之间的相互干扰。信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地)，如Fig19.25所示。

从防止噪声角度看，Fig19.25 (a)所示的串联接地方式是最不适用的。由于地电阻R1、R2 和R3 是串联的，所以各电路间相互发生干扰。虽然这种接地方式很不合理，但由于比较简单，用的地方仍然很多。各电路的电平相差不大时还可勉强使用，但当各电路的电平相差很大时就不能使用，因为高电平将会产生很大的地电流并干扰到低电平电路中去。使用这种串联一点接地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方，即图Fig19.25 (a)中最接近于地电位的A 点上。

串联一点接地将所有的器件的地都连接到地总线上，然后通过总线连接到地汇接点，由于大家共用一根总线，会出现较严重的共模耦合噪声，同时由于对地分布电容的影响，会产生并联谐振现象，大大增加地线的阻抗。

并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。

并联一点接地指所有的器件的地直接接到地汇接点，不共用地总线，可以减少耦合噪声，但是由于各自的地线较长，地回路阻抗不同，会加剧地噪声的影响，同样也会受到并联谐振的影响。

实际的情况中可以灵活采用这两种一点接地方式，可以将电路按照信号特性分组，例如，低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。这样，既解决了公共阻抗耦合的问题，又避免了地线过多的问题。

注意不要把功率相差很多、噪声电平相差很大的电路接入同一组地线接地。

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Fig19.25一点接地方式

（2）多点接地—实用的低频接地

为防止共阻抗耦合引入的干扰，都希望采用一点接地。为兼顾噪声标准和简单易行，一般在低频时采用串联一点接地的综合多点接地。多点接地指系统内各部分电路就近接地，采用分组接法，将低电平电路经一组共同的地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地，也就是说在同一组中的电路功率、噪声电平均相差不大。

在一般的过程计算机控制系统中至少有三条分开的地线（为避免噪声耦合，三种地线应分开），如Fig19.26所示。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线（称为“噪声”地线）；一条是设备机壳地线（称为“金属件”地线）。若设备使用交流电源.则电源地线应和金属件地线相连。这三条地线应在一点连接接地。使用这种接地方法可解决计算机控制系统的大部分接地问题。

Fig19.26实用的低频接地方式

这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短；而且多根导线并联能够降低接地导体的总电阻。多层PCB 设计时采用的接地方法就属于多点接地。

（3）混合接地

混合接地则是一点接地和多点接地的综合应用，一般是在一点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地(Fig19.27)，它是利用电感、电容元件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率下具有不同的接地结构，主要适用于工作在混合频率下的电路系统。比如对于电容耦合的混合接地策略中，在低频情况时，等效为一点接地，而在高频情况下则利用电容对交流信号的低阻抗特性，整个电路表现为多点接地。

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Fig19.27 多点接地和混合接地

3、数字地和模拟地的连接技术

数字地和模拟地：在计算机控制系统中，数字地和模拟地都是直流工作地，但在系统内部必须分别接地。即使同一芯片上有两种地也要分别进行接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电路，将会对模拟信号产生影响。

数字地主要是指 TTL 或CMOS 芯片、I/O 接口芯片、CPU 芯片等数字逻辑电路的地端，以及A/D、D/A 转换器的数字地。而模拟地则是指放大器、采样保持放大器(现在多集成在A/D 转换器中)和A/D、D/A 中模拟信号的接地端。在基于计算机的测试系统中，数字地和模拟地必须分别接地。即使是同一芯片上有两种地也要分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，对模拟信号产生干扰。例如计算机控制系统中数据采样部分的接地如Fig19.28所示。

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Fig19.28计算机控制系统中数据采样部分的接地

接地技术中一个很重要的部分就是数字电路与模拟电路的共地处理，即电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，数字信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件，同样，彼此的信号回路也要相互隔离，这就牵涉到模拟地和数字地的划分问题。一般的做法是，模拟地和数字地分离，仅在一点处把两种地连接起来，这一点通常是在PCB 总的地线接口处，或者在D/A 转换器的下方，必要时可以使用磁性器件连接，如片式磁珠，防止两边的噪声互相干扰，如Fig19.29所示。

Fig19.29数字地和模拟地分开

磁珠有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈电阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频率点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪声点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠是不适合的。

另外，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙(见Fig19.30)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感，如果流经大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰，这些都会引起严重的EMI 问题。

另外一种统一地的处理方法，也就是不进行地分割，但规定各自的范围，保证数字和模拟走线及回流不会经过对方的区域。这种策略一般适用于数模器件比例相当，并存在多个D/A 转换器件的情况，有利于降低地平面的阻抗，参考地线设计如Fig19.31所示。

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Fig19.30信号线不能跨越地间隙或分割电源之间的间隙图

Fig19.30信号线不能跨越地间隙或分割电源之间的间隙

Fig19.31规定模拟和数字的范围

4、输入通道的接地技术  电路一点地基准

实际的模拟量输入通道可以简化成由信号源、输入馈线和输入放大器三部分组成。这部分接地常见的错误是将信号源与输入放大器分别接地形成双端接地。由于各处接地体几何形状、材料、埋地深度不可能完全相同，土壤的电阻率等因地层结构各异也相差较大，使接地电阻和接地电位可能产生很大差异。这种接地电位的不相等，不仅会有磁场辐合的影响，而且还会引起环流噪声干扰。正确的接地方法是单端接地，即当接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当接地点位于放大器端时，信号源不接地。

 电缆屏蔽层的接地

当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。

一个实际的信号采集系统接地示意图如Fig19.32所示。多个模拟输入信号采用屏蔽双绞线接至工业控制数据采集处理机。所有模拟信号源都浮置，这对于多数工业变送器(传感器)来说，都能够满足这个要求。模拟输入信号采用一点接地，接地点选在微处理器的输入接口的模拟地GA上。屏蔽层也采用一点接地，接在模拟地上。这种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰，屏蔽层屏蔽电场干扰。虽然抑制dB 数不算高，但它不会引入其他噪声，可靠性较好，不论在什么现场环境都可用。

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所有的模拟电路的地线并联于GA点，然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将模拟地连接到专为工业控制机埋设的独立接地体的线鼻上。

工业控制数据采集处理机的数字地也应并联于一点GD，仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将数字地GD连接到专为工业控制机埋设的独立接地体的线鼻上。

工业控制机的外设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上。对于一般的工业现场，外设的保护地线、工业控制机柜、传感器柜、执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的线鼻上。但是要求高的项目应当埋设专门的独立的安全保护地线，并把设备和机柜的保护地线并联地接于那里。

国家标准规定，计算机的安全保护地线接地电阻不应大于4Ω，严禁使用建筑物的避雷地做工业控制系统的任何地线使用。如果把计算机采集系统直流地悬浮运行，那么它的模拟地、数字地仍然要用低阻抗导线短接，只是不要接大地。

目前的工业控制机厂商提供的大部分产品都没有模拟地和数字地的接大地端子，它们的模拟地和数字地已在电路板上妥善短接，用户最简单的应用就是使用浮地运行。这对于使用标准变送器，检测标准模拟信号是没有大问题的。

Fig19.32信号采集系统接地示意图

5、主机外壳接地

机芯浮空是为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大子50MΩ，即机内信号地浮空，如Fig19.33所示。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，而且绝缘电阻降低就会引入干扰。

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计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性

Fig19.33主机外壳接地.机芯浮空

6、多机系统的接地

在计算机网络系统中，多台计算机相互通信、资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。若几台计算机的距离比较近（如安装在同一机房内），可采用类似Fig19.34所示的多机一点接地的方法。各机柜用绝缘板垫起来，以防多点接地。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术等。

Fig19.34多机系统的接地

19.3.7采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施

在计算机控制系统内部使用监控定时器Watchdog技术是一种防止尖峰脉冲于扰的有效方法。当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位（或数位）发生改变时，程序所呈现的外在表现可能为“飞掉”。此时：利用监控定时器Watch-dog技术可以帮助系统自动地恢复正常运行。

采用软件抗干扰技术的前提是在干扰的作用下硬件不会损坏，同时RAM/ROM区也不会被破坏。软件抗干扰通常采用外加定时器对计算机控制系统周期性地发出复位信号。如果系统工作正常，则计算机控制系统在外加定时器对其复位前先主动使定时器的时间常数清零井重新定时，因此如果计算机控制系统工作正常，则定时器永远无法复位计算机。一旦计算机受干扰出现程序飞失，通过定时器对其复位时根据RAM中记录的当前工作状态，计算机将自动返回到原工作点继续工作。当然，计算机系统需要许多软件的配合工作。

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计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性

Fig19.35监控定时器Watch-dog技术

19.4可靠性

计算机控制系统已大量应用于工业生产过程的控制和管理。随着工业规模的不断扩大，对计算机控制系统可靠性的要求也越来越高，算机控制系统硬件和软件的可靠性设计具有极其重要的意义。

计算机控制系统的发展史就是一部不断提高系统可靠性的历史。可以说，计算机控制系统的每一个重大改进和进步都与可靠性设计有关。从DDC到DCS，FCS的设计思想就是把危险分散，使局部故障的发生不影响全局的运行；高集成度的LSI是提高MTBF的重要措施；标准化、冗余技术、自诊断技术、容错技术、加密技术等新技术的开发都大大提高了系统的可靠性。因此，计算机控制系统的可靠性是一个极重要的技术性能指标。 19.4.1可靠性的概念

（1）可靠性（Reliability）定义

可靠性指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。狭义的可靠性指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。例如照明灯具的使用寿命是指狭义的可靠性。

计算机控制系统的可靠性是指广义的可靠性，即指在一定条件下，在规定时间段完成规定功能的能力。它是可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之具有经常使用的性能。因此，它还包含了可维修性。

一定的条件包括环境条件（如温度、湿度、粉尘、气体、振动、电磁干扰等）、工作条件（如电源电压、频率允许波动的范围、负载阻抗、允许连接的用户终端数等）、操作和维护条件（如开机关机过程、正常操作步骤、维修时间和次数等）。

规定的时间是可靠性的重要特征，常以数学形式表示可靠性的基本参量，如可靠度、失效率、平均故障间隔时间（MTBF）、平均维护时间（MTIR）等。

规定的功能是指控制系统能完成任务的各项性能指标。对于不同的系统，规定的功能是不同的，如对温度控制系统，规定的功能有温度控制范围、控制精度

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=计算机控制系统讲义 第十九章 电磁兼容性与可靠性 和过渡过程时间等。影响系统完成规定功能的干扰因素有多种，外部因素有温度、

湿度、振动、电源的波动、电磁千扰、操作失误、维修时间超期等；内部因素有器件的偶发性失效、长时间使用后性能老化以及经过试验未能发现的软件与硬件缺陷等。

（2）故障（Failure）

在干扰的作用下，系统会产生非正常工作状态.也称异常状态。瞬时性的、功能上出现偏差、必要操作能力稍失的异常状态，称之为故障，故障只有通过修理才能恢复到正常状态。

错误的发生并不可怕，可伯的是发生了错误，系统仍一无所知，因此，错误的自动检测、纠正和指示，对控制系统来说非常重要。为消除错误对系统影响，可采用一些有效方法：如增设抗干扰电路，消除来自电源、信号、空间的电磁干扰；通过附加冗余码实现自动检错、纠错等。

故障按其发生时期通常分为早期故障、耗损故障和偶发故障。

早期故障的发生是由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善等原因所造成的，可通过系统试运行，更换质量不好的元器件、修改硬件电路、改正软件错误来排除早期故障。

耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。如果已知元器件使用寿命的统计分布规律，那么，预先更换元器件，就可防止耗损故障的发生。另外，定期检查或更换关键元件和部件，也可防止耗损故障的发生。

偶发故障是随机的，通常发生于早期故障和耗损故障之间，在故障发生后，需进行应急维修。

由于故障的发生（特别是偶发故障的发生）既难以预见又不可避免，为尽可能减少由于故障发生所造成的损失，尽快恢复系统正常工作，就需要采取故障恢复技术，如要使系统仍然继续运行，需要采取特殊措施，这也是可靠性技术应研究的课题。

综上所述，可靠性的概念有两层含义：一是系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生；二是发生了故障和错误后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。

另外，若考虑人为的干扰因素，如控制系统中有关数据和程序的非法窃取、修改等，则安全性也属于系统可靠性应考虑的内容。 19.4.2可靠性指标

衡量可靠性的指标，常用的有可靠度、MTBF、 MTTF及故障率。现分述如下。 （1）可靠度（Reliability）

指机器、零件或系统，从开始工作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达到所规定的性能，即无故障正常状态的概率，用R(t)表示。即

R(t)

P(X>t)

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可靠度具有下列性质：  R(0)=1  limR(t)=0

t→∞

 0≤R(t)≤1

 R(t)是时间t的单调递减函数

（2）MTBF（Mean Time Between Failures）

==平均无故障时间指可以边修理边使用的机器、零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的平均值。 =（3）MTTF（Mean Time To Failures）

到发生故障的平均时间指不能修理的机器、零件或系统至发生故障为止的工作时间的平均值，即指不可修理产品的平均寿命。

（4）故障率（Failure Rate）

通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的机器、零件或系统，在连续=

单位时间内发生故障的比例。用λ(t)表示。又称失效率、风险率。

设N个同类型元件，到t时刻有Ns个元件仍正常工作，NF

效，当N→∞时，有：

Ns

N

设X是该元件能正常使用的期限，即从开始使用到出现第一次故障的时间为止的时间间隔。则X是随机变量， 设它的分布函数为F(t)，分布密度函数为f(t)，

R(t)≈

则有：

R(t)1−F(t)

N−Ns个元件失

根据定义，有

MTBFt→∞∫∞0tdF(t)∞0∫∞0tf(t)dtlimtR(t)+∫R(t)dt根据R(t)的性质，第一项为零，因此有

MTBF=∫R(t)dt

0∞

同样，对故障率有

λ(t)=因为

f(t) R(t) 33

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R(t)≈NsN

dR(t)1dNs(t)≈dtNdtdF(t) f(t)=dt故

1dNF(t) λ(t)≈Nsdt上式表明，故故障率λ(t)等于t以后的单位时间内失效元件数与t时刻仍有效的元件数之比。

19.5提高可靠性的途径

计算机控制系统的可靠性是评估计算机控制系统的一个重要性能指标。由于可靠性指标具有统计特性，因此在评估系统可靠性时，可以通过分析系统采用的可靠性的措施进行。通常可以从可靠性设计和维修性两方面进行分析。 19.5.1可靠性设计的准则

可靠性设计是完全新型的一种设计。它是用于实现设计质量，即可靠性、性能、效率、安全、经济等项指标的设计。采用了可靠性设计，就能设计出在使用过程中不易发生故障、即使发生故障也易修复的产品。

为了保证设计出的控制系统能达到预定的可靠性要求，设计时应有明确的可靠性指标及可靠性评估方案。可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节，在满足基本功能的同时，全面地考虑影响可靠性的各种因素，应最大限度地消除元器件在控制系统寿命周期内可能出现的故障。设计时若采用新技术、新型元器件、新工艺、新材料，都必须提前试验，充分论证其对可靠性的影响。因此，在系统方案设计时应遵循如下可靠性设计的原则：

（1）简化系统方案：系统的可靠性是由系统中的各个元件的可靠性决定的。从失效率的角度看，系统的失效率是其所有组成元件失效率的总和，避免一个元件失效的最好办法是在系统中省去这个元件。所以只要能满足系统的性能和功能指标，就应尽可能地简化系统结构，尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数。

（2）有效地利用以前的经验，避免片面追求高性能指标和过多的系统功能：提出过高的性能指标和要求过多的系统功能势必导致系统复杂化，从而使用更多的元器件，直接降低了系统的可靠性。

（3）采用标准化的产品：检查、调试和互换容易实现；零件互换性好。

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（4）合理划分软硬件的功能：设计系统方案时，在CPU时间资源允许的前提下，能够方便地用软件完成的功能尽量不要使用硬件。

（5）防热设计：半导体器件对温度变化有一定的敏感性，它们的参数值往往随温度而变化。根据大量统计得知，半导体器件的结温每升高l0℃，它的失效率会提高一倍。另外随着温度的升高，电路的绝缘电阻相应下降，大气中的腐蚀性气体腐蚀金属的速度也会加快。所以，防热设计是影响系统工作稳定性及可靠性的主要因素之一。对于电子电路，防热设计中通常要作如下考虑

 对功率器件要根据其对散热面积的要求使用散热片。

 合理安排机箱、机柜、电路板上元器件的布局，功率发热器件应尽量安装于上部，并且应尽量远离其他部件。

 在保证防尘要求的条件下开设通风孔及设置大功率器件的散热风扇。  选择低功耗器件。

（6）电气互连的可靠性设计：电气互连主要指元器件的引脚焊点、模块间的接插件、总线插件等，它是电子电路中故障率较高的部分，需要高度重视。合理地设计系统模块、采用先进可靠的连接技术和选用质量可靠的连接器件是电气互连可靠性设计的要求。

（7）机械防震设计：震动会对系统的元器件及整机结构造成机械性损坏，因此必须注意机械防震设计，重点是系统接插件和质量较大的器件的固定。

（8）气候环境防护设计：系统设计时，需根据系统的工作环境进行环境防护设计。一般需要考虑的环境因素是温度、湿度、气压、雨、雪、盐雾、腐蚀性气体、沙尘及辐射等，要尽量防止这些因素使系统失效或加速系统失效。

（9）可靠性特殊设计方法：例如，可靠度合理分配、冗余设计、安全装置设计、可靠性预测等。

日本横河公司对集散系统的可靠性设计提出了3个准则。  系统运行不受故障影响的准则

这条准则包含两方面的内容。冗余设计可以使系统某一部件发生故障时能够自动切换。多级操作可以使系统某一部件发生故障时能够旁路或者降级使用。

 系统不易发生故障的准则

这条准则是重要的可靠性设计准则。即从系统的基本部件着手，提高系统的MTBF。

 迅速排除故降的准则

这是一条重要的维修性设计准则。它包括故障诊断、系统运行状态监视、部件更换等设计。

19.5.2提高计算机控制系统硬件可靠性的措施

提高控制系统可靠性的基本方法有两大类：故障预防(Fault Prevention)和故障容错(Fault Tolerance)。故障预防是抑制故障的产生，即选择优质的元器件，

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采用严格的工艺和良好的设计方案，并提供一套较完善的故障诊断措施，以减少故障的发生时间。故障容错是利用冗余的元器件来屏蔽已发生的故障对系统的影响。提高计算机控制系统硬件可靠性可从下述几方面考虑。

1、冗余结构设计

冗余结构设计可以保证系统运行时不受故障的影响。按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分为工作冗余（热后备）和后备冗余（冷后备）两类。按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重化（n：1）冗余。

工作冗余是对关键设备以双重或三重的原则来重复配置，这些设备同时处于运行状态，工作过程中若某一台设备出现故障，它会自动脱离系统，但并不影响系统的正常工作。后备冗余方式是使一台设备投入运行，另一台冗余设备处于热备用状态，但不投入运行，在线运行设备一旦出现故障，后备设备立即投入运行。常用的冗余系统按其结构可分为并联系统、备用系统和表决系统三种。

（1）并联系统

并联系统的逻辑结构图如Fig19.36所示。该系统采用的冗余原理是使若干个同样装置并联运行。只要其中一个装置正常工作，系统就能维持其功能。对于有N个并联装置组成系统来说，只有当N个装置全部失效时，系统才不能工作。若设备装置可靠性分别为Ri(i=1,2,,N)，且它们都是相互独立的，则系统总的可靠性R为：

R1−∏(1−Ri)

iN

如果每个装置的可靠性都相同，即Ri=R0，则

R=1−(1−R0)

显然，R>R0，说明并行系统的可靠性比每个子系统的可靠性要高。

N

Fig19.36并联系统的逻辑结构图

（2）备用系统

由n个单元组成的备用系统，其逻辑结构如Fig19.37所示。图中的S1,S2,SN

为工作单元；D1,D2,DN为每个单元上的失效检测器；K为转换器。在备用系统中，仅有一个单元在工作，其余各单元处于准备状态。一旦工作单元出现故障，失效检测器发出信号，通过转换器K投入一个备用单元，而整个系统继续运行。

若假定每个备用单元不工作时的失效率为零，且失效检测器和转换器是绝对可靠的，从理论上讲，备用系统的连续工作时间可以无限长。

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Fig19.37备用冗余系统的逻辑结构图

（3）表决系统

Fig19.38所示为表决系统的逻辑结构图。图中的为工作单元；M为表决器。每个单元的信息输入表决器中，与其余信号相比较，只有当有效的单元数超过失效的单元数时，才能判断为输入正确。

Fig19.38表决系统的逻辑结构图

设计冗余结构的范围应与系统的可靠性要求、自动化水平以及经济性一起考虑。为了便于多级操作，实现分散控制、集中管理的目标，在计算机控制系统应用时，越是处于下层的部件、装置或系统越需要冗余，而且冗余度也越高。

计算机控制系统的供电系统、通信系统，可以组成冗余结构。此外，系统输入输出信号的插卡部件、上位机也可以组成冗余结构。冗余设计是以投入相同的装置、部件为代价来提高系统可靠性的。在设计选型时，应该根据工艺过程特点、自动化水平、系统可靠性要求提出合理的冗余要求，要进行经济分析。应该指出，对于一个高可靠性的系统，采用冗余结构后，系统可靠性虽然提高，但相对值可能不大。而对于可靠性较低的系统，采用冗余结构，可以大大提高可靠性指标。

2、提高元器件和部件的可靠性

为提高单机系统可靠性，对元部件进行严格筛选，使用可靠的单个元件，并对元件进行多道老化和严格检验，按可靠性标准检查全部元器件。

（1）元器件的故障规律

元器件是构成计算机控制系统的最小单位。多数控制系统的故障都是出现在元器件上，因此提高控制系统的可靠性应从元器件级入手，正确地筛选和使用元器件。

统计规律表明，元器件的失效曲线是一个“浴盆曲线”，如Fig19.39所示，可分为三个区间：

 初始失效期：这一期间故障随时间增加而明显减少，故障是由于元器件质量的先天缺陷所致。通过系统试运行，及时发现和更换掉质量不好的元器件，可

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排除早期故障。在这一阶段，选用高质量的元件可有效地减少故障。

 偶然失效期：这个时期故障率较低，而且与时间无关，对应浴盆曲线的底部。出现故障的原因主要是意外的冲击和一些偶然因素，一般故障发生后要紧急维修。

 损耗失效期：这一期间故障随时间增加而明显增加，失效的原因是元器件的老化和磨损等。若已知元器件的寿命分布规律，可提前更换元器件。

Fig19.39元器件的失效曲线

（2）正确使用元器件

 元器件的老化：由Fig19.39可以看出，元器件的稳定运行期位于偶然失效期。因此，可以对元器件进行老化处理，使其提前通过初始失效期而进入稳定运行期。例如，对74系列芯片，以8h为周期在0～70C°之间循环工作三～十天再进行筛选，元器件基本上可进入偶然失效期。

 留有裕量：电子元器件都有额定工作参数和极限工作参数，包括电气条件、机械条件、环境条件等，选用时应在额定值以下留有一定的裕量。特别对于功率元器件，更要留有较大的裕量。

 充分重视元部件安装的机械强度，以使机械运动（如振动）不会引起导线或焊接区的断裂。此外，对必要的元器件应机械加固。对组件采取浸漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性。

 插座是发生故障的最常见因素，因此，应尽全少用插座，并采用大的插座。  抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，因此，设计足够的通风系统和采用温度补偿措施是有价值的。

3、合理设计系统结构

一个控制系同经常由若干个部分组成，合理设计系统结构就是适当分解系统，然后建立相互的连接关系。分解系统除了按功能划分外，还应考虑噪声源与受扰体尽可能分开，各组成部分尽可能采用成熟技术，各组成部分之间的连接要着重考虑便于维护和更换。

4、采用抗干扰技术

采用抗干扰技术，提高系统对环境的适应能力。常见的硬件抗干扰措施有滤波与去耦、隔离与屏蔽、电源与接地、停电保护与热插拔技术等，软件抗干扰措施有数字滤波、数据检错和纠错、开机自检与故障诊断等。抗干扰技术也是可靠性技术的重要组成部分。

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19.5.3提高计算机控制系统软件可靠性的措施

提高计算机控制系统软件可靠性可从下述几方面着手。 （1）分散结构设计

把整体的软件设计分散成各子系统的设计，各自独立，又共享资源。这种分散结构的软件设计既有利于设计工作的开展也有利于软件的调试。如把整体设计分为控制器模件、历史数据模件、打印模件、报警事件模件等子系统的软件。

（2）容错技术

在软件设计中的容错技术是指在软件设计时，对误操作不予响应的技术。这里的不予响应是指对于操作人员的误操作，如不按设计顺序则软件不输出操作指令，输出有关提示操作出错的信息。

要防止软件出错，首先应当严格按照软件工程的要求进行软件开发，然后弄清软件失效的机理并采取相应的措施。

软件失效的机理是：由于软件错误引起软件缺陷，当软件缺陷被激发时产生软件故障，严重的导致软件失效。因此软件容错的作用是及时发现软件故障，并采取有效的措施限制，减小乃至消除故障的影响，防止软件失效的产生。软件容错的众多研究基本上沿袭了硬件容错的思路。目前软件容错有两种基本方法：恢复块方法和N文本方法。前者对应于硬件动态冗余，后者对应于硬件静态冗余。

实现软件容错的基本活动有4个：故障检测、损坏估计、故障恢复和缺陷处理。

 故障检测：就是检查软件是否处于故障状态。这其中有两个问题需要考虑，一个是检测点安排的问题,另一个是判定软件故障的准则。软件故障检测可以从两个方面进行：一个方面检查系统操作是否满意。如果不满意，则表明系统处于故障状态；另一方面是检查某些特定的（可预见的）故障是否出现。

 损坏估计：从故障显露到故障检测需要一定的时间（潜伏期）。这期问故障被传播，系统的一个或多个变量被改变.因此需进行损坏估计，以便进行故障恢复。

 故障恢复：是指将软件从故障状态转移到非故障状态。

 缺陷处理：是指确定有缺陷的软件部件（导致软件故障的部件），并采用一定方法将其排除，使软件继续正常运行。排除软件可以有两种方法：替换和重构（缺陷软件不再使用，系统降级使用）。

恢复块方法：程序的执行过程可以看成由一系列操作构成，这些操作又可由更小的操作构成。恢复块设计就是选择一组操作作为容错设计单元，从而把普通的程序块变成恢复块。一个恢复块包含有若干个功能相同、设计差异的程序块文本，每一时刻有一个文本处于运行状态。一旦该文本出现故降，则以备件文本加以替换，从而构成“动态冗余”。软件容错的恢复块方法就是使软件包含有一系列恢复块。恢复块的流程如Fig19.40所示。

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Fig19.40恢复块的流程

N文本方法：要求设计N个功能相同，但内部差异的文本程序，文本功能即为软件功能。N个文本分别运行，以“静态冗余”方式实现软件容错。每个文本程序中设置一个或多个交叉检测点，每当文本执行到一个交叉检测点时，便产生一个比较向量，并将比较向量交给驱动程序，自己则进入等待状态，等待来自驱动程序的指令。驱动程序任务就是管理N个文本的运行。

值得注意的是，如果一个软件在某种激励下出现故障，那么其拷贝软件在这种激励下必然会出现故障。故软件的拷贝不能作为软件备件。软件备件只能是功能相同，而内部含有差异的软件模块，因此，软件容错必须以“差异设计”为基础。所谓差异设计就是对一个软件部件，采用不同的算法，由不同的程序员，甚至用不同的程序设计语言，设计出功能相同而内部结构尽可能不同的多个文本，使这些文本出现相同设计缺陷的概率尽可能地小，从而达到相互冗余的目的。一般工程上也称为非相似余度系统。

另外一个软件部件虽然在某一特定的输入条件下出现故障，但在绝大多数其他输入条件下仍能正常工作，因此与替换故障硬件不同，对软件部件的替换是暂时性的，即故障处理后，被替换的软件部件仍可再次被投入使用。

目前，在一般工程中，为提高软件使用的可靠性，常采用一些实用的办法。如软件固化，建立RAM数据保护区以及使用自诊断程序等。

软件固化是对调试好的软件.根据它们的不同用途及性质固化在相应类型的只读存储器中。常用的只读存储器有只读存储器（ROM），存放计算机系统的操作程序及监控程序，由生产厂家一次完成；可编程只读存储器（PROM），存放已调试好的应用程序或常数，由用户一次写入；可抹掉的只读存储器（EPROM），由用户存放试运行的应用程序，必要时可进行修改，然后重新写入。

采取软件固化措施可以防止各种偶然因素将程序抹掉丢失，即使停电，其内容也保持不变，从而提高了软件的可靠性。

为了防止程序运行过程中随机存储器出错，丢失重要数据，对重要的输入输

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出数据应开辟2--3个存储区同时保存（即采用余度存储的方法），取数时采用多数表决方法，使数据“去伪存真”，从而提高了数据的可靠性。

采用自诊断程序是提高计算机软件可靠性的重要手段。所谓自诊断就是设计一个程序使其能对系统进行检查，如发现错误则自动报告并采取相应措施。其基本方法是根据被校验的程序功能（如数字控制算法），事先编好一个程序，使其能够向被校验的程序输入一组常数，把输出值与标准值进行比较，并根据比较的结果进行显示报警。

（3）指令冗余

指令冗余是利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的。当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行。从而引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节时，便自动纳入正轨。当弹飞到双字节或三字节时，则将继续出错。因此，应当多采用单字节指令，并在关键的地方人为地多插入一些单字节指令（NOP）或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余，指令冗余必然要以时间为代价，从而降低了系统的效率，大多数情况下，CPU还不至于忙到不能多执行几条指令的程度，故这种方法还是被广泛采用。指令冗余技术仅可减少程序弹飞的次数，使其很快纳入程序轨道，但并不能保证系统在失控之间能正常运行，也不能保证程序纳入正常轨道后太平无事。

（4）信息冗余

计算机控制系统中的信息偏差一般发生在：数据的传递；数据对存储器的读写；数据的运算等场合。

信息冗余就是利用增加信息的多余度来提高可靠性，具体做法是在数据（信息）中附加检错码或纠错码以检查数据是否发生偏差，并在有偏差时纠正偏差。常用的检错码有奇偶校验码、循环码、定比传输码等。常用的纠错码有海明码、循环码等。

（5）标准化

采用标准化的软件可以提高软件运行的可靠性，它还为其他软件公司的软件产品移植、应用提供条件。

作业：

71. 简述干扰的主要来源及其传播途径。产生干扰的必要条件有哪些？

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72. 共模干扰和串模干扰以什么形式对信号形成干扰？简述抑制共模干扰和串模干扰的措施。

73. 什么是控制系统中的可靠性？其含义有哪些？ 74. 解释并联冗余系统如何提高系统可靠性。

参考资料：

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