摘 要：提出了井下用電設(shè)備智能保護(hù)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的思想，從抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑、提高敏感元?dú)饧垢蓴_性能三個(gè)方面提出了系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)方案，提出了軟件抗干擾設(shè)計(jì)的思想及方法。 關(guān)鍵詞：井下用電設(shè)備 智能保護(hù) 抗干擾 Abstract：Proposed electric equipment under ground intelligence protection system antijamming design thought,from the suppression noise source, the cut-off disturbance dissemination way, enhanced the sensitive vitality resistance to interference three aspects to propose the system hardware antijamming design proposal, proposed the software antijamming design thought and the method. Key words：electric equipment under ground , intelligent protection, antijamming. 0引言 　　智能保護(hù)裝置承擔(dān)著保護(hù)煤礦井下電機(jī)等電氣設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行的重要任務(wù)，因而對(duì)其可靠性和穩(wěn)定性的要求較高。由于智能保護(hù)中被控對(duì)象的功率較大，頻率較高，而保護(hù)裝置的元器件容量與閾值較低，加之電力電子器件廣泛使用，給電力系統(tǒng)造成了大量“污染”，它們所產(chǎn)生的干擾信號(hào)給智能保護(hù)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行造成巨大威脅，不僅對(duì)各模擬電壓和電流采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有影響，還將損壞裝置中的一些元器件，引起裝置功能障礙，程序出軌，若不能及時(shí)正確處理，可能使保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)，甚至造成重大事故。因此，提高智能保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性和抗干擾性能，不容忽視。 1干擾對(duì)智能保護(hù)系統(tǒng)的影響 1. 1干擾的來源 　　由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，存在著強(qiáng)大的干擾源，干擾信號(hào)可能來自保護(hù)裝置的外部（如連片、切換開關(guān)觸點(diǎn)、操作繼電器觸點(diǎn)等），其會(huì)沿各種線路侵入保護(hù)裝置，也會(huì)以場(chǎng)的形式從空間輻射到保護(hù)裝置;供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵的主要途徑;系統(tǒng)接地不良也是引入干擾的主要原因;電流、電壓互感器、輸入輸出線路的絕緣不良等，均有可能引入干擾。以場(chǎng)的形式入侵的干擾主要發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)的附近，它們通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式耦合到保護(hù)裝置中。也可能來自裝置的內(nèi)部（如微機(jī)高頻時(shí)鐘控制信號(hào)對(duì)裝置中的其它回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)），內(nèi)部干擾主要由裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件和某些回路的布局、生產(chǎn)制造裝置的工藝所決定的。干擾的主要耦合方式有電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)禍合、電磁耦合、傳導(dǎo)耦合等。 1.2 干擾的危害 　　干擾信號(hào)對(duì)模擬量輸出執(zhí)行元件的影響可能導(dǎo)致保護(hù)裝置的誤動(dòng)作;干擾信號(hào)對(duì)數(shù)字化的微機(jī)芯片的影響則造成運(yùn)算數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)誤或出現(xiàn)微處理器操作碼錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或功能障礙。干擾對(duì)智能保護(hù)裝置的影響，主要表現(xiàn)在采樣值偏離實(shí)際值、程序運(yùn)行出軌、損壞微機(jī)芯片、運(yùn)算或邏輯錯(cuò)誤等幾個(gè)方面。 2干擾抑制技術(shù)的基本思想 　　系統(tǒng)的抗干擾的設(shè)計(jì)，可以綜合采用硬件和軟件相結(jié)合的方法。硬件抗干擾設(shè)計(jì)的基本思想是抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能;軟件抗干擾設(shè)計(jì)就是采用數(shù)字濾波等軟件方法實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制。兩者有機(jī)結(jié)合可構(gòu)成效率高且廉價(jià)的抗干擾系統(tǒng)。 3硬件抗干擾設(shè)計(jì) 　　硬件措施是抗干擾的第一道防線，一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。 3. 1抑制干擾源 　　抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt、di/dt。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn);減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。另外還可采取以下三種措施，繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾;電路板上每個(gè)IC并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小電源對(duì)IC的影響;布線盡量縮短印制線的長度、避免90度折線，減少高頻干擾發(fā)射。 3. 2切斷干擾傳播路徑 　　切斷及阻礙干擾的耦合通道是抑制干擾的有效途徑之一。對(duì)于以“路”形式耦合的干擾，可以采取切斷傳輸通道的方法;對(duì)于以“場(chǎng)”的形式耦合的干擾，可增加干擾源與敏感器件的距離、用地線把它們隔離、在敏感器件上加屏蔽罩等方法。針對(duì)微機(jī)智能綜合裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體采取的措施如下： [align=center] 圖1 單片機(jī)系統(tǒng)的外圍電路[/align] 　?。?）模擬量輸入通道 　　智能保護(hù)裝置需要采集一次系統(tǒng)的電壓、電流等模擬量，為防止交流回路的干擾信號(hào)進(jìn)入邏輯部分，精密互感器的初級(jí)和次級(jí)線圈之間均用屏蔽層隔離，減少初、次級(jí)之間的分布電容，并且將初級(jí)屏蔽層接大地，給共模干擾提供通路，次級(jí)屏蔽層接系統(tǒng)地，因此有很高的共模抑制比，能有效地防止電網(wǎng)中干擾進(jìn)入系統(tǒng)。 　　另外采用防頻率混疊的二階有源低通濾波器，吸收差模浪涌，使傳輸線上的不需要的高頻成分干擾在送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前得到了消除或減弱。 　?。?） 開關(guān)量輸入通道 　　采用整形、光電耦合器等方法限制或切斷干擾途徑。光電耦合器的原邊和副邊之間完全沒有電的聯(lián)系。但須注意，被隔離的通道兩側(cè)必須單獨(dú)使用電源。 　　（3） 開關(guān)量輸出通道 　　為了防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到保護(hù)系統(tǒng)，采用光電耦合器件隔離電信號(hào);開關(guān)量輸出通過兩個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)，以提高裝置的抗干擾能力。開關(guān)量輸出通道電路如圖2所示。 [align=center] 圖2 開關(guān)量輸出的抗干擾電路[/align] 　?。?） 電源系統(tǒng)干擾的抑制 　　實(shí)際電源通過電源內(nèi)阻將造成各元件和組件間的耦合形成干擾源，有時(shí)甚至造成低頻振蕩。在電源輸入端并聯(lián)較大的電解電容和0.01μF～0.047 pF的高頻電容，從而可以使某個(gè)信號(hào)頻譜的公共阻抗大大減少，避免耦合干擾;另外使用電源濾波器，以減小來自電網(wǎng)干擾。 　　（5） 通信端口抑制干擾的措施 　　采用雙絞通信傳輸線抑制共模干擾進(jìn)入保護(hù)裝置中，并在通信端口串接適當(dāng)鐵氧體磁環(huán)抑制瞬變騷擾。 　?。?） 其他措施 　　晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定;盡可能把干擾源與敏感元件遠(yuǎn)離;單片機(jī)和大功率器件的地線單獨(dú)接地;大功率器件盡可能放在電路板邊緣，以減小相互干擾。 　　將整個(gè)智能保護(hù)裝置主電路板用金屬盒包圍起來，再將金屬盒接地進(jìn)行屏蔽，這樣能消除、減弱靜電場(chǎng)與信號(hào)線之間的分布電容，抑制通過靜電感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電壓。 3.3提高敏感器件的抗干擾性能 　　布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)干擾;布線時(shí)電源線和地線要盡量粗，以減小壓降、降低耦合噪聲;對(duì)于單片機(jī)閑置的I/0空置的管腳不要懸空，應(yīng)加上拉或下拉電阻。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源;盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路;IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。 4軟件抗干擾的措施 　　智能保護(hù)裝置應(yīng)用于煤礦井下，由于環(huán)境惡劣，電壓高，電流大，真空接觸器頻繁吸合，以致地線中的雜散電流會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號(hào)。當(dāng)干擾信號(hào)通過三總線作用到CPU時(shí)，CPU將不能按照正常狀態(tài)去執(zhí)行程序，從而引起混亂。軟件抗干擾措施就是要及時(shí)發(fā)現(xiàn)CPU受到的干擾，攔截失去控制的程序流向，恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。 4. 1 I /0通道上的軟件抗干擾措施 　　（1） 開關(guān)量信號(hào)輸入抗干擾 　　干擾信號(hào)一般都是很窄的脈沖，而開關(guān)量信號(hào)持續(xù)的有效時(shí)間較長。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以對(duì)同一開關(guān)量連續(xù)多次采樣，連續(xù)兩次或兩次以上采集的結(jié)果完全相同才認(rèn)為有效。 　?。?） 開關(guān)量信號(hào)輸出抗干擾 　　開關(guān)量輸出電路控制的繼電器、接觸器等器件動(dòng)作時(shí)，所產(chǎn)生的電弧會(huì)引發(fā)較強(qiáng)的干擾信號(hào)，可能改變輸出寄存器的內(nèi)容，造成誤動(dòng)作。最有效的軟件解決方法是重復(fù)輸出相同的數(shù)據(jù)給外部負(fù)載。重復(fù)周期盡可能的短，使外部設(shè)備受到干擾信號(hào)還來不及做出反應(yīng)，正確的輸出信息又送到了，這樣就可以防止誤動(dòng)作。 　　（3） 模擬量信號(hào)輸入抗干擾 　　對(duì)于輸入通道中沒有被硬件完全消除的干擾，在信號(hào)數(shù)據(jù)被使用之前，對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，以平均值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果?？梢詼p少系統(tǒng)隨機(jī)干擾對(duì)采樣結(jié)果的影響。 4. 2單片機(jī)RST指令抗干擾的應(yīng)用 　　在單片機(jī)的RST指令操作碼為FF，程序在執(zhí)行到這條指令時(shí)，將使PSW初始化為0，PC初始化為2080， I/0寄存器置為初始值，在復(fù)位引腳上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖。在軟件抗干擾設(shè)計(jì)中在不用的存儲(chǔ)空間中送上FF操作碼，當(dāng)程序“走飛”到不用的程序存儲(chǔ)器單元時(shí)，就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行RST指令，從而轉(zhuǎn)到2080開始執(zhí)行程序，有助于修復(fù)軟件故障。 4. 3系統(tǒng)復(fù)位措施 　?。?） 人工復(fù)位 　　在單片機(jī)的RESET端接復(fù)位電路，上電復(fù)位電路和人工復(fù)位電路均能為RESET端提供大于1ms的高電平復(fù)位信號(hào)，使失控的CPU復(fù)位，程序自動(dòng)從0000H開始執(zhí)行， 　　（2） 程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng) 　　在系統(tǒng)中設(shè)置運(yùn)行監(jiān)視程序，通過芯片X5045的看門狗定時(shí)器和Vcc電壓監(jiān)視器對(duì)CPU提供獨(dú)立的保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，當(dāng)看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)達(dá)到其可編程的超時(shí)極限，當(dāng)電源電壓Vcc降至最小值以下時(shí)，該芯片在系統(tǒng)電源上電或掉電時(shí)也芯片的RESET引腳都會(huì)立即自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這樣，在電源的接通和關(guān)斷、瞬時(shí)的電源電壓不穩(wěn)時(shí)就不會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)、數(shù)據(jù)誤寫及誤動(dòng)作等現(xiàn)象。 4. 4設(shè)置軟件陷阱 　　在程序設(shè)計(jì)中設(shè)置軟件陷阱，用于捕捉“跑飛”的指令指針，是監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行是否異常的一種設(shè)計(jì)手段。通常安排在系統(tǒng)中空的ROM區(qū)、數(shù)據(jù)表格的頭尾處、程序中未用的中斷向量處、程序內(nèi)如跳轉(zhuǎn)指令等語句后等位置，能夠截獲一定的程序異常。對(duì)于因受干擾而混亂的程序，單字節(jié)指令則可使混亂的PC指針重新理順，使混亂現(xiàn)象得到控制。其中NOP指令加得越多，捕捉能力越強(qiáng)。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于煤礦下電機(jī)保護(hù)裝置干擾的來源、傳播途徑及干擾的接收方式的研究，提出了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的思想，從抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑、提高敏感元?dú)饧垢蓴_性能三個(gè)方面提出了系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)方案，提出了軟件抗干擾設(shè)計(jì)的思想及方法。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的軟硬件抗干擾設(shè)計(jì)方案很大程度上提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，更加便于系統(tǒng)的維護(hù)。 參考文獻(xiàn)： 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