摘 要：文中結(jié)合綜合布線系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡述了在綜合布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，并論述了抗干擾技術(shù)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的過程通道中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：綜合布線過程通道抗干擾 .

1.綜合布線抗干擾設(shè)計(jì)

綜合布線本身是無源的，但它與各種高頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)成系統(tǒng)后，就成為有源設(shè)備的重要組成部分，其受到的干擾種類較多，在實(shí)際工作中可能同時(shí)或交叉發(fā)生，所以需要抑制措施也較復(fù)雜。一般采取抑制噪聲源、切斷噪聲途徑、提高受擾設(shè)備對(duì)噪聲免疫能力等方法。因此采用屏蔽(抑制噪聲源，減少耦合電容與互感)、濾波(抑制噪聲源)和合理布線(減少耦合電容與電感)，同時(shí)合理接地(必須屏蔽)。對(duì)于傳輸線上的反射波通過阻抗匹配解決，對(duì)導(dǎo)體還要采取特殊的生產(chǎn)工藝(雙絞線)。

1.1雙絞線抗干擾 .

為了消除線對(duì)間的串?dāng)_，綜合布線系統(tǒng)中使用雙絞線作為傳輸媒介，它把電流方向相反流量相等的兩根導(dǎo)線互相擰合。由于電流的方向相反，感應(yīng)磁通引起的噪聲電流互相抵消，不影響傳輸信號(hào)，其抑制線隊(duì)間的串?dāng)_效果與絞距有關(guān)，見表一所示：

表一雙絞線絞距對(duì)抑制串?dāng)_的影響 .

絞距107.552.5 .

噪聲衰減率/dB23374143 .

兩根線絞合在一起，除了可減小或消除串?dāng)_外，還可降低兩導(dǎo)線間的非平衡性互電容，有利于平衡傳輸，還可以降低衰減，并保持恒定的特性阻抗。

1.2非屏蔽與屏蔽線纜的選擇 .

根據(jù)有無屏蔽層，雙絞線可分為非屏蔽雙絞線(UTP)與屏蔽雙絞線(STP)。UTP除了采用合理的絞距消除線對(duì)之間的串?dāng)_外(可認(rèn)為是內(nèi)部干擾)，還利用平衡傳輸特性消除外界的電磁干擾，即外界干擾在一個(gè)線對(duì)的兩根導(dǎo)線上的影響相同而互相抵消，接受器只對(duì)信號(hào)敏感而不受這種共模噪聲的影響，其抗干擾能力≥40dB。在一般電磁環(huán)境中使用UTP已能滿足性能要求。

1.2.1超過6類標(biāo)準(zhǔn)的高速數(shù)據(jù)傳輸中，因TUP的極限是6類標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)現(xiàn)7類標(biāo)準(zhǔn)必須采用屏蔽系統(tǒng)。

1.2.2有信息安全要求的場(chǎng)合，不允許電磁信息往外發(fā)射，若屏蔽系統(tǒng)尚不能達(dá)到要求，應(yīng)采用光纜系統(tǒng)。

1.3屏蔽系統(tǒng) .

屏蔽電纜的芯線外由于有一層屏蔽網(wǎng)，因此其屏蔽效果是很明顯的，但它的做法卻要求很嚴(yán)格：

1.3.1要求全程屏蔽。包括線纜、終端、信息插座、跳接線、配線架、集線器等在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)都需要完全連續(xù)屏蔽，不允許有一絲的間斷或破損。

1.3.2要求有良好、正確的接地。對(duì)系統(tǒng)的接地方式、接地電阻有較高的要求，確保把干擾引入大地，并不把新的干擾引入系統(tǒng)。

以上兩點(diǎn)在實(shí)際工程中均很難完全做到，若不能做到，則其性能可能反而不如UTP，而且屏蔽系統(tǒng)成本較高。目前，對(duì)綜合布線是采用屏蔽與非屏蔽是工程界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

屏蔽系統(tǒng)除了傳輸部分屏蔽外，設(shè)備間(如機(jī)房)也需屏蔽。在高頻時(shí)屏蔽物宜用銅或鋁，其厚度可很小，而低頻時(shí)宜用鐵磁材料作屏蔽層。

1.4傳輸線路的反射抑制 .

傳輸線在接有阻抗值不同于其特性阻抗Zc處，其傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)在該處發(fā)生反射，并疊加在傳輸信號(hào)上，造成信號(hào)波形畸變，可能會(huì)使傳送信息產(chǎn)生錯(cuò)誤，或使電壓超過電路極限值，破壞電路的正常工作。

反射包括信號(hào)源的內(nèi)阻抗與傳輸線路的特性阻抗不匹配，以及傳輸線的特性阻抗與負(fù)載阻抗不匹配，或兩種不同的電纜相互連接。綜合布線線纜特性阻抗我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為100Ω與150Ω(新國(guó)標(biāo)只規(guī)定為100歐姆)，其偏差為±15Ω，設(shè)計(jì)時(shí)要注意阻抗匹配，以消除發(fā)射的形成。

 

 

 

1.5濾波

濾波是抗干擾的一項(xiàng)重要手段。濾波器件分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器，它們應(yīng)用于信號(hào)電路時(shí)，都應(yīng)無失真地讓需要的信號(hào)通過，即在通頻帶內(nèi)，其幅頻特性應(yīng)為一常數(shù)，而相頻特性應(yīng)為線性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以此為原則。

模擬濾波器既可用于電源線路，也可用于信號(hào)輸入、輸出電路，能衰減脈沖噪聲、尖峰噪聲、諧波與其他雜波信號(hào)。對(duì)于共模噪聲，濾波器在電源線(信號(hào)線)和地線間構(gòu)成通路，把噪聲電流引入大地;對(duì)于常模噪聲，濾波器在線間構(gòu)成通路，把噪聲電流在線間短路。

在高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，例如前兆位以太網(wǎng)中，近端串?dāng)_嚴(yán)重，而且阻抗匹配也難以作到。在系統(tǒng)中除常見措施外，還需要采用數(shù)字濾波技術(shù)消除串?dāng)_與回波損耗。因?yàn)榕c模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有精度高、穩(wěn)定性好、改變系統(tǒng)特性容易(通過軟件)、易集成等優(yōu)點(diǎn)，隨著高速DSP的發(fā)展，數(shù)字濾波較易實(shí)現(xiàn)。

1.6接地 .

在系統(tǒng)中各種自動(dòng)化裝置的接地種類及接地的技術(shù)指標(biāo)要求,因生產(chǎn)廠及設(shè)備功能不同而不同,下面以通用型自動(dòng)化裝置為例,闡述其接地的設(shè)計(jì)原則:

1.61.系統(tǒng)地應(yīng)為一點(diǎn)地,所有自動(dòng)化設(shè)備的系統(tǒng)地均應(yīng)連接到一點(diǎn)后,再進(jìn)行接地。

1.6.2.為作到等電位,應(yīng)當(dāng)在自動(dòng)化設(shè)備較為集中處,如操作室、控制室、計(jì)算機(jī)室等區(qū)域建立接地網(wǎng)絡(luò)。

1.6.3.在一個(gè)區(qū)域內(nèi),每臺(tái)設(shè)備到區(qū)域接地點(diǎn)應(yīng)呈放射式接線，距離不應(yīng)大于20米。

1.6.4.接地電阻應(yīng)小于自動(dòng)化設(shè)備的要求值,微電子設(shè)備不應(yīng)與非自動(dòng)化設(shè)備共地,也不能利用鋼結(jié)構(gòu)及建筑物的基礎(chǔ)接地。

1.6.5.綜合布線系統(tǒng)的接地種類分為:數(shù)字電源地(DG),模擬電源地(AG),模擬信號(hào)地(SG),同軸電纜地(CXG),機(jī)柜地(CG)。

盡管系統(tǒng)中各公司生產(chǎn)的自動(dòng)化裝置，對(duì)接地的種類規(guī)定及接地電阻的阻值要求不盡相同，但設(shè)備的系統(tǒng)地要求比其它幾種接地要求要嚴(yán)格得多，并有越來越高的趨勢(shì)。為了避免諸“地”間相互干擾，上述幾種地都應(yīng)設(shè)置各自獨(dú)立的接地網(wǎng)絡(luò)。其接地線必須采用絕緣銅導(dǎo)線，連接到統(tǒng)一的接地點(diǎn)，以形成一個(gè)共同的電位點(diǎn)。為了研究上述各種接地系統(tǒng)間的關(guān)系，分析接地網(wǎng)體系的諸多因素及降低接地電阻的有效途徑和具體方法，近年來“計(jì)算機(jī)接地工程學(xué)”作為一門嶄新的學(xué)科，受到自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重視，也為微電子裝置的接地系統(tǒng)的研究和實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)。

1.7電源干擾的抑制 .

電源干擾主要形式是：脈沖干擾與持續(xù)干擾。持續(xù)干擾主要指電源欠電壓、過電壓、頻率偏移和波形畸變，其持續(xù)時(shí)間大于10ms。這些主要都是電能質(zhì)量問題，應(yīng)按照《計(jì)算機(jī)站場(chǎng)地技術(shù)要求》中對(duì)電源供電的要求，必要時(shí)采用電源凈化器、多個(gè)供電電源與UPS結(jié)合冗余方式，一確保供電可靠性和質(zhì)量要求。

脈沖干擾指的是電網(wǎng)脈寬小于1μs的脈沖，主要原因有：線路上斷開感性負(fù)載、投入補(bǔ)償電容器、雷擊等。其抑制措施是采用瞬變干擾吸收器或浪涌電壓保護(hù)器、線路濾波器、屏蔽，對(duì)感性負(fù)載兩端并聯(lián)放電回路，容性負(fù)載串聯(lián)限流元件。

對(duì)電子設(shè)備損害較大的是電磁脈沖干擾(EMP)，除了合理的屏蔽、濾波與接地之外，還要在電源進(jìn)線與信號(hào)線、電子設(shè)備等處裝設(shè)多級(jí)浪涌電壓保護(hù)器或稱為電源避雷器。它的裝設(shè)與參數(shù)選擇應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)形式、接地系統(tǒng)是聯(lián)合接地還是單獨(dú)接地以及電源的過載、短路、漏電保護(hù)裝置等配合。

對(duì)于共用接地系統(tǒng)，各接地極之間可不加浪涌保護(hù)器，若是單獨(dú)接地的，應(yīng)在接地端子間加裝保護(hù)器。當(dāng)裝設(shè)在信號(hào)回路中時(shí)，應(yīng)與工作頻率、傳輸線的特性阻抗相匹配。

2.過程通道抗干擾設(shè)計(jì) .

由自動(dòng)化裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)中必須妥善解決好接口信號(hào)的隔離，抑制傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。接口與過程通道是自動(dòng)化裝置和外部設(shè)備、被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的渠道，對(duì)于接口和過程通道侵入的干擾主要是因公共地線所引起，其次，在信號(hào)微弱和傳輸線路較長(zhǎng)時(shí)還會(huì)受到靜電和電磁波的干擾。目前在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，對(duì)于數(shù)字輸入信號(hào)，大部分都利用光電隔離器，也有一些使用脈沖變壓器隔離和運(yùn)算放大器隔離;對(duì)于數(shù)字輸出信號(hào)也是主要采用光電隔離器。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，則許多場(chǎng)合下采用調(diào)制—解調(diào)式隔離放大器、運(yùn)算放大器等，模擬量輸出信號(hào)隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔離法等。

2.1光電耦合技術(shù)

光電偶合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡(jiǎn)便，可視現(xiàn)場(chǎng)干擾情況的不同，可以組成各種不同的線路對(duì)共模和長(zhǎng)模干擾進(jìn)行抑制。

2.1.1應(yīng)用于輸入輸出的隔離。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離情況下，線路是很簡(jiǎn)單的，由于避免形成地環(huán)路，而輸入與輸出的接地點(diǎn)也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數(shù)字電路中，也可以用在線性(模擬)電路中。

2.1.2用于消除與抑制噪聲

光電耦合器用于消除噪聲是從兩個(gè)方面體現(xiàn)的：一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用信號(hào)傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號(hào)傳遞是利用光來實(shí)現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號(hào)與噪聲也不會(huì)反饋到輸入端。

使用光電耦合器時(shí)，應(yīng)注意這種光電耦合器本身有10—30pF的分布電容，所以頻率不能太高;另外在接點(diǎn)輸入時(shí)，應(yīng)注意加RC濾波環(huán)節(jié)，抑制接點(diǎn)的抖動(dòng)。另外，用于低電壓時(shí)，其傳輸距離以100米以內(nèi)為限、傳輸速率在10Kbps以下為宜。

2.2脈沖變壓器隔離 .

脈沖變壓器原付邊繞組匝數(shù)很少，分別繞制在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分布電容僅幾微微法，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，由于每點(diǎn)的采樣周期很短，實(shí)際上的采樣波形也為一脈沖波形，也可實(shí)現(xiàn)隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線路中也應(yīng)加濾波環(huán)節(jié)抑制動(dòng)態(tài)常模干擾和靜態(tài)常模干擾，這種脈沖變壓器隔離方式已被用于幾兆赫的信號(hào)電路中。

2.3模/數(shù)變換隔離 .

模/數(shù)變換隔離電路，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常在現(xiàn)場(chǎng)就地進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，在接收端在采用光電隔離，以增強(qiáng)其在信號(hào)傳輸過程中的抗干擾能力。而模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑制干擾，是實(shí)際應(yīng)用中很具體的問題。對(duì)于在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的環(huán)境中，一是可以考慮將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，放置主控室，二是將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)離主控室，兩者各有利弊。

將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放置于主控室，便于把模/數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信息傳送到控制系統(tǒng)的處理器，而主機(jī)的控制信息傳送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器也很方便，因而利于轉(zhuǎn)換器的管理。但由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使得模擬量傳輸線路過長(zhǎng)，分布參數(shù)以及干擾的影響增加，而且易引起模擬信號(hào)衰減，直接影響轉(zhuǎn)換器的工作精度和速度。將轉(zhuǎn)換器放置于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，雖然可解決上述問題，但數(shù)字信息傳輸線路過長(zhǎng)，也不便于轉(zhuǎn)換器的管理。

這兩種方案的主要問題還在于，在控制系統(tǒng)與控制對(duì)象之間存在公共地線，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會(huì)有產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)的干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作。顯然這兩種方案都不適合于在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作。為了有效的解決工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，采用光電隔離是比較行之有效的方案。為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能可靠運(yùn)行，并獲得精確的測(cè)量結(jié)果，把模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放在靠近現(xiàn)場(chǎng)一側(cè)。為了有效抑制干擾，采用雙套光電偶合器，使得模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與主機(jī)之間的信息交換均經(jīng)過兩次電—光—電的轉(zhuǎn)換。如圖1所示;一套光電耦合器放在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器一側(cè)，一套光電耦合器放在主機(jī)一側(cè)。系統(tǒng)中有三個(gè)不同的地端，一是主機(jī)與I/O接口公用的“計(jì)算機(jī)地”，一個(gè)是傳輸長(zhǎng)線使用的“浮空地”，另一個(gè)是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和被控對(duì)象公用的“現(xiàn)場(chǎng)地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長(zhǎng)線隔浮在主機(jī)與被控對(duì)象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進(jìn)的干擾，而且也有利于解決長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)與阻抗匹配的問題這樣就保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。