摘 要：文中結合綜合布線系統的特點，闡述了在綜合布線系統設計中抗干擾技術的應用，并論述了抗干擾技術在自動化控制系統的過程通道中的應用。

關鍵詞：綜合布線過程通道抗干擾 .

1.綜合布線抗干擾設計

綜合布線本身是無源的，但它與各種高頻網絡設備聯成系統后，就成為有源設備的重要組成部分，其受到的干擾種類較多，在實際工作中可能同時或交叉發生，所以需要抑制措施也較復雜。一般采取抑制噪聲源、切斷噪聲途徑、提高受擾設備對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)，同時合理接地(必須屏蔽)。對于傳輸線上的反射波通過阻抗匹配解決，對導體還要采取特殊的生產工藝(雙絞線)。

1.1雙絞線抗干擾 .

為了消除線對間的串擾，綜合布線系統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線互相擰合。由于電流的方向相反，感應磁通引起的噪聲電流互相抵消，不影響傳輸信號，其抑制線隊間的串擾效果與絞距有關，見表一所示：

表一雙絞線絞距對抑制串擾的影響 .

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擾外，還可降低兩導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之間的串擾外(可認為是內部干擾)，還利用平衡傳輸特性消除外界的電磁干擾，即外界干擾在一個線對的兩根導線上的影響相同而互相抵消，接受器只對信號敏感而不受這種共模噪聲的影響，其抗干擾能力≥40dB。在一般電磁環境中使用UTP已能滿足性能要求。

1.2.1超過6類標準的高速數據傳輸中，因TUP的極限是6類標準，而實現7類標準必須采用屏蔽系統。

1.2.2有信息安全要求的場合，不允許電磁信息往外發射，若屏蔽系統尚不能達到要求，應采用光纜系統。

1.3屏蔽系統 .

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

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、集線器等在內的整個系統都需要完全連續屏蔽，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。對系統的接地方式、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。

以上兩點在實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，而且屏蔽系統成本較高。目前，對綜合布線是采用屏蔽與非屏蔽是工程界爭論的焦點。

屏蔽系統除了傳輸部分屏蔽外，設備間(如機房)也需屏蔽。在高頻時屏蔽物宜用銅或鋁，其厚度可很小，而低頻時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，其傳輸的信號會在該處發生反射，并疊加在傳輸信號上，造成信號波形畸變，可能會使傳送信息產生錯誤，或使電壓超過電路極限值，破壞電路的正常工作。

反射包括信號源的內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標準規定為100Ω與150Ω(新國標只規定為100歐姆)，其偏差為±15Ω，設計時要注意阻抗匹配，以消除發射的形成。

 

 

 

1.5濾波

濾波是抗干擾的一項重要手段。濾波器件分為模擬濾波器和數字濾波器，它們應用于信號電路時，都應無失真地讓需要的信號通過，即在通頻帶內，其幅頻特性應為一常數，而相頻特性應為線性，設計時應以此為原則。

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

在高速數字傳輸系統中，例如前兆位以太網中，近端串擾嚴重，而且阻抗匹配也難以作到。在系統中除常見措施外，還需要采用數字濾波技術消除串擾與回波損耗。因為與模擬濾波相比，數字濾波具有精度高、穩定性好、改變系統特性容易(通過軟件)、易集成等優點，隨著高速DSP的發展，數字濾波較易實現。

1.6接地 .

在系統中各種自動化裝置的接地種類及接地的技術指標要求,因生產廠及設備功能不同而不同,下面以通用型自動化裝置為例,闡述其接地的設計原則:

1.61.系統地應為一點地,所有自動化設備的系統地均應連接到一點后,再進行接地。

1.6.2.為作到等電位,應當在自動化設備較為集中處,如操作室、控制室、計算機室等區域建立接地網絡。

1.6.3.在一個區域內,每臺設備到區域接地點應呈放射式接線，距離不應大于20米。

1.6.4.接地電阻應小于自動化設備的要求值,微電子設備不應與非自動化設備共地,也不能利用鋼結構及建筑物的基礎接地。

1.6.5.綜合布線系統的接地種類分為:數字電源地(DG),模擬電源地(AG),模擬信號地(SG),同軸電纜地(CXG),機柜地(CG)。

盡管系統中各公司生產的自動化裝置，對接地的種類規定及接地電阻的阻值要求不盡相同，但設備的系統地要求比其它幾種接地要求要嚴格得多，并有越來越高的趨勢。為了避免諸“地”間相互干擾，上述幾種地都應設置各自獨立的接地網絡。其接地線必須采用絕緣銅導線，連接到統一的接地點，以形成一個共同的電位點。為了研究上述各種接地系統間的關系，分析接地網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“計算機接地工程學”作為一門嶄新的學科，受到自動化控制領域的重視，也為微電子裝置的接地系統的研究和實踐奠定了理論基礎。

1.7電源干擾的抑制 .

電源干擾主要形式是：脈沖干擾與持續干擾。持續干擾主要指電源欠電壓、過電壓、頻率偏移和波形畸變，其持續時間大于10ms。這些主要都是電能質量問題，應按照《計算機站場地技術要求》中對電源供電的要求，必要時采用電源凈化器、多個供電電源與UPS結合冗余方式，一確保供電可靠性和質量要求。

脈沖干擾指的是電網脈寬小于1μs的脈沖，主要原因有：線路上斷開感性負載、投入補償電容器、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器、線路濾波器、屏蔽，對感性負載兩端并聯放電回路，容性負載串聯限流元件。

對電子設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，還要在電源進線與信號線、電子設備等處裝設多級浪涌電壓保護器或稱為電源避雷器。它的裝設與參數選擇應根據配電系統形式、接地系統是聯合接地還是單獨接地以及電源的過載、短路、漏電保護裝置等配合。

對于共用接地系統，各接地極之間可不加浪涌保護器，若是單獨接地的，應在接地端子間加裝保護器。當裝設在信號回路中時，應與工作頻率、傳輸線的特性阻抗相匹配。

2.過程通道抗干擾設計 .

由自動化裝置構成控制系統中必須妥善解決好接口信號的隔離，抑制傳輸過程中產生的各種干擾，才能使系統穩定可靠運行。接口與過程通道是自動化裝置和外部設備、被控對象進行信息交換的渠道，對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，在信號微弱和傳輸線路較長時還會受到靜電和電磁波的干擾。目前在自動化控制系統中，對于數字輸入信號，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算放大器隔離;對于數字輸出信號也是主要采用光電隔離器。對于模擬量輸入信號，則許多場合下采用調制—解調式隔離放大器、運算放大器等，模擬量輸出信號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

光電偶合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發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、使用簡便，可視現場干擾情況的不同，可以組成各種不同的線路對共模和長模干擾進行抑制。

2.1.1應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，線路是很簡單的，由于避免形成地環路，而輸入與輸出的接地點也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數字電路中，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方面體現的：一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用信號傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號傳遞是利用光來實現的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。

使用光電耦合器時，應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;另外在接點輸入時，應注意加RC濾波環節，抑制接點的抖動。另外，用于低電壓時，其傳輸距離以100米以內為限、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很少，分別繞制在鐵氧體磁芯的兩側，分布電容僅幾微微法，可作為脈沖信號的隔離器件。對于模擬量輸入信號，由于每點的采樣周期很短，實際上的采樣波形也為一脈沖波形，也可實現隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線路中也應加濾波環節抑制動態常模干擾和靜態常模干擾，這種脈沖變壓器隔離方式已被用于幾兆赫的信號電路中。

2.3模/數變換隔離 .

模/數變換隔離電路，在自動化控制系統中常在現場就地進行模/數轉換，利用模/數轉換器將易受干擾的模擬信號轉換為數字信號進行傳輸，在接收端在采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過程中的抗干擾能力。而模/數轉換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑制干擾，是實際應用中很具體的問題。對于在工業生產現場應用的環境中，一是可以考慮將模/數轉換器遠離生產現場，放置主控室，二是將模/數轉換器放在生產現場，遠離主控室，兩者各有利弊。

將模/數轉換器放置于主控室，便于把模/數轉換器產生的數字信息傳送到控制系統的處理器，而主機的控制信息傳送給模/數轉換器也很方便，因而利于轉換器的管理。但由于模/數轉換器遠離生產現場，使得模擬量傳輸線路過長，分布參數以及干擾的影響增加，而且易引起模擬信號衰減，直接影響轉換器的工作精度和速度。將轉換器放置于生產現場，雖然可解決上述問題，但數字信息傳輸線路過長，也不便于轉換器的管理。

這兩種方案的主要問題還在于，在控制系統與控制對象之間存在公共地線，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會有產生現場的干擾進入計算機中，影響整個系統的可靠穩定工作。顯然這兩種方案都不適合于在現場環境工作。為了有效的解決工業生產環境下，采用光電隔離是比較行之有效的方案。為保證模/數轉換器能可靠運行，并獲得精確的測量結果，把模/數轉換器放在靠近現場一側。為了有效抑制干擾，采用雙套光電偶合器，使得模/數轉換器與主機之間的信息交換均經過兩次電—光—電的轉換。如圖1所示;一套光電耦合器放在模/數轉換器一側，一套光電耦合器放在主機一側。系統中有三個不同的地端，一是主機與I/O接口公用的“計算機地”，一個是傳輸長線使用的“浮空地”，另一個是模/數轉換器和被控對象公用的“現場地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長線隔浮在主機與被控對象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進的干擾，而且也有利于解決長線驅動與阻抗匹配的問題這樣就保證了整個控制系統的可靠運行。