智能车浅谈——抗干扰技术硬件篇

前言

前面使用计算机控制技术简单分析了控制规律和过程通道，今天接着记录一下有关抗干扰技术的内容，参考书籍还是计算控制技术与应用（第二版）。

干扰

什么是干扰

干扰：是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素，它的存在会使得整个控制系统变得不可靠，严重影响系统的性能，因此需要设计和使用一些手段去降低干扰的影响。
干扰系统的三个要素：干扰源（产生干扰信号的原因）、传播途径及干扰对象（干扰源通过传播途径影响的器件或系统）。 抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。

干扰窜入的主要途径

（1）空间感应的干扰；空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播。例如，电磁组中电机对电磁信号的干扰现象。
（2）过程通道窜入的干扰；过程通道的干扰常常沿着过程通道进入计算机，主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线，要设法削弱和斩断这些来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰能力。过程通道的干扰按照其作用方式，一般分为串模干扰和共模干扰。
（3）电源系统窜入的干扰；电压不稳、频率波动、突然掉电事故难免发生，这些都会直接影响系统的可靠性与稳定性。
（4）地电位波动窜入的干扰；计算机控制系统分散的很广，地线与地线之间存在一定的电位差，地线间电位差存在就会使得整个电路运行出现bug。
（5）反射波干扰； 电信号（电流、电压）在沿导线传输过程中，由于分布电容、电感和电阻的存在，导线上各点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电流波到达的时间越晚。这样，电波在线路上以一定的速度传播开来，从而形成行波。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。

干扰的分类

按干扰作用的方式分类
1.常态干扰
是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。 常态干扰可能是信号源的一部分，也可能是由长线引入的。由于它和信号所处地位相同，因此又称为串模干扰，也叫正态干扰。
产生差模干扰的原因：分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。

2.共模干扰
共模干扰是测控系统模拟量输入通道的A/D 转换器两个输入端上共有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。
产生共模干扰的原因：系统（或信号放大器）的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。

按干扰特性分类
1.直流干扰：是指以直流电压或直流电流的形式出现，一般由热电效应和电化学效应引起的干扰。
2.交流干扰：由交流电感应引起，因为过程通道往往处于杂散电场和磁场分布较多的场所，当信号反馈线与动力线在电缆槽中平行布线时，经耦合进入通道的干扰尤为明显。
3.随机干扰：一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式，多由电感负载的间断工作引起，如各种电源整流器和电动工具的电火花都是这种干扰的来源。这种干扰的时间短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
有关干扰的相关知识就介绍到这，接下来主要记录一些抗干扰的措施如：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。

硬件抗干扰技术

控制系统的电源保护技术

在智能车系统中由于没有使用到交流电源（无线充电组除外），所以在此主要记录一些直流电源的保护措施：
1.采用电源滤波器
直流电源的输出接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。
此处可以参考淘宝商家主板原理图，可以发现，每个电源的输入输出端都会并联一个电容到地，这里电容的作用就是滤除高次谐波，降低电压输出的纹波。

2.采用分布式独立供电
整个系统不是统一变压、滤波、稳压后供各单元电路使用，而是变压后直接送给各单元电路的整流、滤波、稳压。这样可以有效地消除各单元电路间的电源线、地线间的耦合干扰，又提高了供电质量，增大了散热面积，在智能车中我们整个电源系统包括5V、3.3V、12V等，需要使用不同工作电压的器件很多，为了保证每个元器件都工作正常，往往会采取分模块单独供电，而不是所有的元器件都从同一条电源线引出。
类似下图这些器件都是使用的3.3V电源，但并不是所有的元器件都共用同一个稳压电路输出的电压，而是每个器件都单独配备了一个电源转换芯片，这样就可以保证各个模块在工作过程中不会受到其他器件对电源的干扰。

3.分类供电方式
整个智能车系统中既有模拟电源也有数字电源，一般将走模拟信号的电路及其外设分为一类供电网络，走数字信号的电路分为另外一类供电网络，以避免不同信号设备工作时对系统的干扰，数字电源和模拟电源的连接一般采取0Ω电阻连接模拟地(GGND)和数字地(GND)。
4.采用直流开关电源
直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达20 kHz，甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（>90%）、电网电压范围大［（-20%～10%）×220 V］、电 网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。
5.采用DC-DC变换器
如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，可以采用DC-DC变换器。
6.每块电路板的直流电源
系统有几块逻辑电路板时(智能车一般分为电磁运放板、主控板、电机驱动板)，可以采取以下措施来降低电源干扰:
①用短线向印刷线路板并行供电，而且印刷线路板里的电源线采用格子形状或多层板，即做成网眼结构以降低线路的阻抗。
②在每块板的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～ 0.1 F的瓷片电容。
③每块板上装一个或几个稳压块，使每块板形成独立的供电环境，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破坏。


7.集成电路块的VCC加旁路电容
低频滤波电容，平常应用最多的是钽电容，电解电容，陶瓷电容，起到去除电源低频纹波，稳定电源的作用。
高频滤波电容，电源附近，通常用104电容来进行去除高频干扰。10*104pf

具体有关电源设计参考此博文《智能车四轮组打工日记（一）——主板的硬件设计》——传送门。

输入/输出传输线的抗干扰措施

1.信号采用电流传送
信号采用电流传送是抗干扰的基本措施。干扰信号主要是通过输入线侵入微机测控系统的，尤其是当变送器远离微处理器时，长距离的传输线十分容易接受干扰。这些干扰包括共模干扰和电磁感应电压，在多对数的电缆中还会相互干扰。用电流方式传送信号，负载串联在变送器内部的电路中，在传输线上形成一个来回，电磁场相互抵消，共模电压和电磁感应电压很难产生，可以大大提高信息在传送中的信噪比。
2.采用双绞线传送抑制串模干扰
双绞线每一个小环路上感应的电势会互相抵消，可以使干扰抑制比达到几十分贝。
3.采用屏蔽信号线
在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽信号线。
4.利用光导纤维克服电磁干扰的影响
对周围电磁干扰比较大的系统可以采用光导纤维进行传送。用光导纤维传送数字脉冲，传输过程可以不受任何形式的电磁干扰影响，而且光导纤维具有很高的绝缘强度，传输损耗又极小。
5.长线传输干扰的抑制
在计算机系统中，1 m左右的传输线就要算作长线了。长线传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能产生波反射。如果传输线的终端阻抗和传输线的波阻抗不匹配，入射波达到终端时会引起反射，反射波达到始端后，如果和始端阻抗不匹配，又会引起新的反射。如此反复，在信号中引进许多干扰。
6.信号线的敷设
选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设要注意以下事项:
（1）要绝对避免信号线与电源线合用同一股电缆。
（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。
（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。
（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件:
①电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接.
②电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在15 cm以上。如果电源电缆无屏蔽，交流电压220 V、电流10 A 时，两者间距应在60 m以上。
③电源电缆使用屏蔽罩。
此处与智能车有关的主要是：
1.电磁信号的线材，建议选取网线，并且电感与运放间线长不宜过长;
2.在PCB走线时注意信号线尽量不要与电源线相交或者重叠。

I/O接口的抗干扰措施

1.对信号加硬件滤波器
将信号加到输入通道之前，可先用硬件低通滤波器滤除交流干扰。在微机测控系统中，常用的低通滤波器有 RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器，它们的原理图如图所示。

2…脉冲信号、数字量、开关量信号采用光电隔离
图中，A/D转换器输出的数字量通过光电耦合器施加到单片机的I/O接口上，使主机和输入通道实现了隔离;同样，单片机输出的数字量通过光电耦合器施加到D/A转换器的数字量输入端，使主机和输出通道又实现了隔离。这样就组成了所谓全浮空系统。

接地技术

“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。”
模拟地和数字地单点接地只要是地，最终都要接到一起，然后入大地。
如果不接在一起就是”浮地”，存在压差，容易积累电荷，造成静电。地是参考0电位，所有电压都是参考地得出的。
接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。
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引起干扰。
地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。
低频接地技术 ：
一点接地方式
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) 。

各自的优缺点：
从防止噪声角度看，如图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 。
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。

总结

以上是关于抗干扰技术中的硬件部分介绍，主要是参照计算及控制系统进行的，后面很多只是没有实际举例说明，主要是PCB设计过程中需要注意的细节，比如并联接地、电源旁路电容的布局、这些都是需要在PCB绘制过程中去注意的，这里博主推荐负责硬件的同学去学习有关知识，有关PCB的教学，可以查看B站凡亿教育的讲解。