图1 滤波器正确安装方法
朱前伟
(中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015)
摘要：针对现有煤矿安全监控系统及组成设备抗干扰能力较差的问题，根据国家煤矿安全监察局对煤矿安全监控系统升级改造提出的“增强系统及组成设备的抗电磁干扰能力”的要求，从设备机械结构设计、硬件电路设计、软件设计等方面阐述如何提高目前安全监控系统及组成设备的抗干扰能力。实际应用结果表明，采用本文所述抗干扰设计的设备可通过3级静电放电抗扰度试验、2级射频电磁场辐射抗扰度试验等试验项目。
关键词：煤矿安全监控系统； 升级改造； 抗电磁干扰； 机械结构； 电路抗干扰； 软件抗干扰
AQ 6201-2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》对煤矿安全监控系统及组成设备的抗干扰性能作出了要求[1]，如设备应该满足3级静电放电抗扰度试验、2级射频电磁场辐射抗扰度试验、3级电快速瞬变脉冲群抗扰度、3级浪涌(冲击)抗扰度试验等。2016年12月29日，国家煤矿安全监察局发布了《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》(以下简称为《方案》)，其中又提到要增强煤矿安全监控系统及组成设备的抗电磁干扰能力，其要求与AQ 6201-2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》类似。目前，我国各煤矿均按要求安装了煤矿安全监控系统，但是监控系统及组成设备技术不够先进，生产工艺相对落后，稳定性和可靠性欠佳，抗干扰能力欠缺，在煤矿井下复杂的电磁干扰环境中，数据的采集、传输等都存在误码的可能性。
由于技术实力相对较弱，许多煤矿安全监控系统及设备生产厂家在设计产品时，无论是从单机层面，还是从系统层面，大多没有考虑抗干扰设计，所开发的产品仅能完成正常的功能[2]，抗干扰能力较差。这造成煤矿安全监控系统性能不可靠，容易受外部恶劣环境(强电场、磁场等)的影响，采集的数据不能真实反映现场的情况[3]。为了能达到《方案》的要求，目前各煤矿安全监控系统生产厂家都在进行系统及组成设备抗干扰方面的升级改造工作。
形成干扰必须具备的三要素是干扰源、耦合路径、敏感器，其中敏感器是安全监控系统的组成设备，主要包括传输接口、隔爆兼本安型电源箱、监控分站、传感器等。针对上述三要素，常用的抗干扰方法有滤波、接地和屏蔽等[4]。滤波、接地和屏蔽是针对不同的干扰形式和途径采取的不同的抗干扰措施，各有特点。滤波设计的目的是减小系统通过接口及电缆对外产生的传导骚扰与辐射骚扰，同时抑制外界辐射和传导噪声(主要是共模噪声)通过信号接口进入产品内部电路而造成干扰。接地主要包括工作地直接接地和通过Y电容接地，接地是改变共模电流方向的重要因素，当干扰信号以共模形式注入设备时(典型的例子是EFT/B抗扰度测试)，干扰电流总是流向电势较低的点，即阻抗最低的接地点[5]。屏蔽是对2个空间区域之间进行金属隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域向另一个区域感应和辐射。屏蔽包括2个方面：用屏蔽体将元部件、电路、电缆等干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备等包围起来，防止其受到外界电磁场的影响。本文综合考虑3种抗干扰方法，从设备机械结构、硬件电路设计、软件设计3个方面介绍如何提高煤矿安全监控系统及组成设备的抗干扰性能[3]。
一个接地及屏蔽良好的设备，可以将外界很多干扰(如电快速瞬变脉冲群等)消除。当干扰试图通过设备的各个输入、输出信号端口进入时，可以通过设备机械结构及地线的合理设计，使产生的共模电流流向结构地(设备的接地点、金属外壳、金属板等)，而不是流向设备内部电路的数字工作地(GND)或模拟工作地(PGND)，从而使内部电路得到保护。针对煤矿安全监控系统及设备的抗干扰要求，常用的接地类型有防雷接地、防静电接地、屏蔽接地、逻辑接地等，传输接口是安全监控系统数据传输的关键通道，也是对接地要求最高的设备[6]，本文以传输接口为例说明如何通过接地提高安全监控系统及设备的抗干扰能力。
传输接口外壳应尽量采用金属外壳，以避免静电的积聚，另外，应设计符合接地要求的内接地和外接地部件。供电的电源线和数据传输的信号线均应采用屏蔽电缆，屏蔽电缆接地时，不可将屏蔽层的编织网拧成一段，芯线有很长一段露出屏蔽层，这样会产生“猪尾巴效应”，不能很好地抑制共模辐射干扰，大大降低了屏蔽层的屏蔽效果；屏蔽电缆的屏蔽层一定要进行360°搭接，搭接面积越大越好，并良好接地。
为了增强传输接口的抗干扰能力，应在传输接口的电源进线端安装一个电源滤波器，滤波器输入端与输出电缆不能捆扎在一起。如果是板载滤波器，其输入端与输出端应分开布置，以防止输入与输出之间的电磁耦合，形成串扰，破坏滤波器和传输接口屏蔽对干扰信号的抑制能力。滤波器应安装在塑料板或其他绝缘体上，接地线不宜过长，因为接地电感和电阻随接地线长度增加而增加，会破坏滤波器的共模抑制能力，应该用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽紧固在传输接口电源入口处[7]，如图1所示。
图1 滤波器正确安装方法
逻辑接地分为单点接地、多点接地、混合接地。单点接地从噪声抑制角度考虑不是最好的，但是是最简单的，适用于频率为1 MHz以下的电路中。目前，煤矿安全监控系统总线式传输的设备工作频率一般小于1 MHz，故传输接口硬件电路的逻辑接地设计可以是单点接地。如果有的传输接口工作频率大于10 MHz，应多点接地，减少接地线可能出现的高频驻波现象[8]。
以上的接地设计同样适用于煤矿安全监控系统中其他需要接地的设备，如关联设备隔爆兼本质安全型电源箱等。
煤矿安全监控系统中以本质安全设备为主，本质安全设备中多数是各种类型的传感器和分站。以传感器为例，主要从电源部分、微处理器部分、A/D采样部分、显示部分、传输部分来分析如何从抗干扰的角度设计电路板元件，其他本质安全或非本质安全设备可以参考设计[9]。
2.1 电源部分
当整机难以满足2级脉冲群抗扰度试验时，可以把电源进线绕在铁氧体磁环上，形成低通滤波器，一般2～3匝为宜，只要传感器电源进行了抗干扰设计，一般不需要加铁氧体磁环[10]。电源部分典型电路如图2所示。电路板上的电源进线应串联共模扼流圈L1，共模扼流圈的电感量应小于关联设备所允许的值，两端应并联差模电容C3，C4，电容值应为1 μF左右(依据关联设备电源箱的参数而定)。在电源芯片输入端再并联一个约0.01 μF的电容C5，由于电容有自谐振特性，所以，并联使用的2只电容的容量相差100倍左右。最好使用贴片电容，减少电容引脚所产生的电感，可以更好地降低自谐振并滤除高频干扰。电源芯片输出端的电容也应是电容量相差100倍的2只电容C6，C7。
图2 电源处理部分典型电路
2.2 微处理器部分
微处理器的电源和地之间应并联高频旁路滤波电容，电容值以0.01 μF为宜，且引线越短越好，尽量使用贴片电容。电容距离微处理器越近，则电容围成的环路面积越小，去耦效果越好。微处理器的时钟电路应避免使用RC振荡器，应使用晶体振荡器，晶体振荡器、外接电容的引线越短越好，晶体振荡器下不能有过孔和印制线。微处理器应尽量放在整个电路板的中心位置，以最大限度地增强设备的抗干扰能力。
微处理器的复位电路可以采用RC复位电路，一般是低电平复位。电容不能采用电解电容，最好采用陶瓷电容。微处理器除了应启用其内部软件看门狗外，应增加外部硬件看门狗，以提高抗干扰性能。
微处理器未使用的悬空端子(尤其是IRQ等引脚)必须连接到一个高电平或低电平上，以防止电流漂移，同时也防止悬空端子受干扰的影响[11]。悬空端子可直接接入低电平或通过电阻接入低电平，但同时应该考虑上拉或下拉引起的微处理器的功耗，根据其内部具体电路构造，有些接高电平时静态功耗较小，而接地时静态功耗较大，因此，悬空端子通过电阻接电源为好，电阻值推荐为1～10 kΩ。
2.3 A/D采样部分
传感器件一般输出的模拟信号都比较小，可以先放大，再进行AD转换，但线路要短，避免模拟信号长距离传输时引入线路干扰。AD转换器件、电源与地应做到模拟与数字分离，应有良好的接地分区，防止数字地上的干扰进入模拟区，干扰模拟电路。
若共模电流不可避免地要流向AD转换电路的数字地或模拟地，则要保证数字地和模拟地有良好的低阻抗地平面，一般会在模拟地与数字地之间串联磁珠来抑制噪声的传播。磁珠是耗能元件，且在高频下呈现高阻抗，当电流流过时产生较大的压降，破坏了地平面的平衡。实践证明，在模拟地与数字地之间跨接1 nF/1 kV的旁路高压电容更有效[12]。
为了更好地抑制瞬态脉冲干扰的影响，可以在A/D采样数字输出管脚与微处理器管脚之间的连线上串联电阻(如100 Ω)，起功率耗散作用。在微处理器输入管脚增加2只箝位二极管和1只滤波电容，可以同时抑制正负极性的瞬态电压，将电压大约箝位在VCC(+0.7 V)和GND(-0.7 V)之间。A/D采样输入抗干扰典型电路如图3所示，其中R17=100 Ω，D1，D2为箝位二极管，C7为滤波电容。
图3 A/D采样输入抗干扰典型电路
2.4 显示部分
显示一般用数码管或液晶显示屏实现，如果显示部分单独做成一块电路板，则信号必须进行滤波处理。主板与显示板之间应尽量避免排线和用扁平电缆连接[13]，如果允许，最好取消互连线，将主板与显示板集中在一块电路板上。
2.5 传输部分
《方案》中很重要的一个要求是将传感器(模拟量)与分站之间的传输升级为数字传输，以实现煤矿安全监控系统的数字化，促进智能传感器发展。从抗干扰的角度出发，也应该这样设计。目前，常用的数字传输方式是总线式RS485差分传输。从抗干扰、抗静电、抗浪涌等方面考虑，RS485总线最好有上、下拉电阻，以保证总线浮空时能处于一个有效电平；总线应串联共模扼流圈和电阻；总线的A，B线之间应并联TVS瞬态抑制二极管和气体放电管，如果允许，A，B线与地之间可以并联旁路电容。
煤矿安全监控系统不仅有上位机软件，还有监控分站和传感器等设备的软件。在硬件电路和机械结构都不能消除干扰信号的情况下，可以通过数字滤波消除信号中的噪声，通过软件陷阱抵御因干扰造成的微处理器程序跑飞，通过合理的软件处理避免干扰效果的呈现。
对于设备类的软件，要想做一款健壮的软件，首先，软件的架构要合理；其次，软件最好采用模块化的C语言设计，对实时性要求高的场所，可以采用汇编语言。软件抗干扰设计包括：对所有输入数据进行类型和范围检查；对A/D采样的输入数据进行滤波，常用的滤波算法有算术平均滤波法、递推平均滤波法、加权递推平均滤波法等；对输入数字信号同样应进行滤波处理；对总线传输过程中的所有数据，应规定一个完善的传输协议，不仅对单个数据要有奇、偶校验和，对每帧数据也要有校验；对于存储器中数据区，可开辟一些存储单元放置关键数据，每个单元有存储在里面的“校验和”保护，一旦诊断出错，随时可进行数据修正，保护数据块；尽量使用电平触发，避免使用沿触发；软件看门狗可以设计为双对限看门狗和定时复位看门狗，设计巧妙的喂狗软件可以大大减少因干扰信号导致的死机现象。
从煤矿安全监控系统组成设备的机械结构设计、硬件电路设计、软件设计等方面阐述了如何提高其抗干扰性能。实际应用结果表明，采用本文所述抗干扰设计的设备通过了《方案》中要求的抗干扰测试、3级静电干扰度试验、2级电磁辐射抗扰度试验、2级脉冲群抗扰度试验、2级浪涌(冲击)抗扰度试验等试验项目。电磁兼容包括产品的发射特性和产品的抗扰度2个方面，而目前煤矿产品和系统的设计、测试和检验都只关注了抗干扰方面，将来，还应关注煤矿产品所产生的干扰，包括对电网的影响(电压波动和闪烁)、产品的辐射骚扰、产品的发射骚扰等。
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Anti-interference design for coal mine safety monitoring system and composition equipment
ZHU Qianwei
(CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China)
Abstract：In view of problem of poor anti-interference capability of existing coal mine safety monitoring system and composition equipment, and requirements of "strengthening the anti-electromagnetic interference ability of the system and the equipments" of the National Coal Mine Safety Supervision Bureau on the upgrading of coal mine safety monitoring system, the paper expounded how to improve anti- interference capability of current safety monitoring system and composition equipment from aspects of mechanical structure design, hardware circuit design and software design. The practical application results show that the device applying the described anti-interference designs can pass three-stage electrostatic discharge immunity test, two-stage radio frequency electromagnetic radiation immunity test and other test items.
Key words：coal mine safety monitoring system; upgrading; anti-electromagnetic interference; mechanical structure; circuit anti-interference; software anti-interference
文章编号：1671-251X(2017)06-0018-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.06.005
收稿日期：2017-01-20；
修回日期：2017-04-20；责任编辑：胡娴。
基金项目：国家安全生产监督管理总局矿用新装备新材料安全准入分析验证中心实验室建设项目(发改投资[2014] 744-010)。
作者简介：朱前伟(1979-)，男，江苏徐州人，高级工程师，硕士，现主要从事防爆产品检验工作，E-mail:zhucongwei@126.com。
中图分类号：TD76
文献标志码：A 网络出版时间：2017-05-26 09:29
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170526.0929.005.html
朱前伟.煤矿安全监控系统及组成设备抗干扰设计[J].工矿自动化，2017,43(6)：18-21.