摘 要：文中结合综合布线系统的特点，阐述了在综合布线系统设计中抗干扰技术的应用，并论述了抗干扰技术在自动化控制系统的过程通道中的应用。
关键词：综合布线过程通道抗干扰 .
1.综合布线抗干扰设计
综合布线本身是无源的，但它与各种高频网络设备联成系统后，就成为有源设备的重要组成部分，其受到的干扰种类较多，在实际工作中可能同时或交叉发生，所以需要抑制措施也较复杂。一般采取抑制噪声源、切断噪声途径、提高受扰设备对噪声免疫能力等方法。因此采用屏蔽(抑制噪声源，减少耦合电容与互感)、滤波(抑制噪声源)和合理布线(减少耦合电容与电感)，同时合理接地(必须屏蔽)。对于传输线上的反射波通过阻抗匹配解决，对导体还要采取特殊的生产工艺(双绞线)。
1.1双绞线抗干扰 .
为了消除线对间的串扰，综合布线系统中使用双绞线作为传输媒介，它把电流方向相反流量相等的两根导线互相拧合。由于电流的方向相反，感应磁通引起的噪声电流互相抵消，不影响传输信号，其抑制线队间的串扰效果与绞距有关，见表一所示：
表一双绞线绞距对抑制串扰的影响 .
绞距107.552.5 .
噪声衰减率/dB23374143 .
两根线绞合在一起，除了可减小或消除串扰外，还可降低两导线间的非平衡性互电容，有利于平衡传输，还可以降低衰减，并保持恒定的特性阻抗。
1.2非屏蔽与屏蔽线缆的选择 .
根据有无屏蔽层，双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)与屏蔽双绞线(STP)。UTP除了采用合理的绞距消除线对之间的串扰外(可认为是内部干扰)，还利用平衡传输特性消除外界的电磁干扰，即外界干扰在一个线对的两根导线上的影响相同而互相抵消，接受器只对信号敏感而不受这种共模噪声的影响，其抗干扰能力≥40dB。在一般电磁环境中使用UTP已能满足性能要求。
1.2.1超过6类标准的高速数据传输中，因TUP的极限是6类标准，而实现7类标准必须采用屏蔽系统。
1.2.2有信息安全要求的场合，不允许电磁信息往外发射，若屏蔽系统尚不能达到要求，应采用光缆系统。
1.3屏蔽系统 .
屏蔽电缆的芯线外由于有一层屏蔽网，因此其屏蔽效果是很明显的，但它的做法却要求很严格：
1.3.1要求全程屏蔽。包括线缆、终端、信息插座、跳接线、配线架、集线器等在内的整个系统都需要完全连续屏蔽，不允许有一丝的间断或破损。
1.3.2要求有良好、正确的接地。对系统的接地方式、接地电阻有较高的要求，确保把干扰引入大地，并不把新的干扰引入系统。
以上两点在实际工程中均很难完全做到，若不能做到，则其性能可能反而不如UTP，而且屏蔽系统成本较高。目前，对综合布线是采用屏蔽与非屏蔽是工程界争论的焦点。
屏蔽系统除了传输部分屏蔽外，设备间(如机房)也需屏蔽。在高频时屏蔽物宜用铜或铝，其厚度可很小，而低频时宜用铁磁材料作屏蔽层。
1.4传输线路的反射抑制 .
传输线在接有阻抗值不同于其特性阻抗Zc处，其传输的信号会在该处发生反射，并叠加在传输信号上，造成信号波形畸变，可能会使传送信息产生错误，或使电压超过电路极限值，破坏电路的正常工作。
反射包括信号源的内阻抗与传输线路的特性阻抗不匹配，以及传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配，或两种不同的电缆相互连接。综合布线线缆特性阻抗我国标准规定为100Ω与150Ω(新国标只规定为100欧姆)，其偏差为±15Ω，设计时要注意阻抗匹配，以消除发射的形成。
1.5滤波
滤波是抗干扰的一项重要手段。滤波器件分为模拟滤波器和数字滤波器，它们应用于信号电路时，都应无失真地让需要的信号通过，即在通频带内，其幅频特性应为一常数，而相频特性应为线性，设计时应以此为原则。
模拟滤波器既可用于电源线路，也可用于信号输入、输出电路，能衰减脉冲噪声、尖峰噪声、谐波与其他杂波信号。对于共模噪声，滤波器在电源线(信号线)和地线间构成通路，把噪声电流引入大地;对于常模噪声，滤波器在线间构成通路，把噪声电流在线间短路。
在高速数字传输系统中，例如前兆位以太网中，近端串扰严重，而且阻抗匹配也难以作到。在系统中除常见措施外，还需要采用数字滤波技术消除串扰与回波损耗。因为与模拟滤波相比，数字滤波具有精度高、稳定性好、改变系统特性容易(通过软件)、易集成等优点，随着高速DSP的发展，数字滤波较易实现。
1.6接地 .
在系统中各种自动化装置的接地种类及接地的技术指标要求,因生产厂及设备功能不同而不同,下面以通用型自动化装置为例,阐述其接地的设计原则:
1.61.系统地应为一点地,所有自动化设备的系统地均应连接到一点后,再进行接地。
1.6.2.为作到等电位,应当在自动化设备较为集中处,如操作室、控制室、计算机室等区域建立接地网络。
1.6.3.在一个区域内,每台设备到区域接地点应呈放射式接线，距离不应大于20米。
1.6.4.接地电阻应小于自动化设备的要求值,微电子设备不应与非自动化设备共地,也不能利用钢结构及建筑物的基础接地。
1.6.5.综合布线系统的接地种类分为:数字电源地(DG),模拟电源地(AG),模拟信号地(SG),同轴电缆地(CXG),机柜地(CG)。
尽管系统中各公司生产的自动化装置，对接地的种类规定及接地电阻的阻值要求不尽相同，但设备的系统地要求比其它几种接地要求要严格得多，并有越来越高的趋势。为了避免诸“地”间相互干扰，上述几种地都应设置各自独立的接地网络。其接地线必须采用绝缘铜导线，连接到统一的接地点，以形成一个共同的电位点。为了研究上述各种接地系统间的关系，分析接地网体系的诸多因素及降低接地电阻的有效途径和具体方法，近年来“计算机接地工程学”作为一门崭新的学科，受到自动化控制领域的重视，也为微电子装置的接地系统的研究和实践奠定了理论基础。
1.7电源干扰的抑制 .
电源干扰主要形式是：脉冲干扰与持续干扰。持续干扰主要指电源欠电压、过电压、频率偏移和波形畸变，其持续时间大于10ms。这些主要都是电能质量问题，应按照《计算机站场地技术要求》中对电源供电的要求，必要时采用电源净化器、多个供电电源与UPS结合冗余方式，一确保供电可靠性和质量要求。
脉冲干扰指的是电网脉宽小于1μs的脉冲，主要原因有：线路上断开感性负载、投入补偿电容器、雷击等。其抑制措施是采用瞬变干扰吸收器或浪涌电压保护器、线路滤波器、屏蔽，对感性负载两端并联放电回路，容性负载串联限流元件。
对电子设备损害较大的是电磁脉冲干扰(EMP)，除了合理的屏蔽、滤波与接地之外，还要在电源进线与信号线、电子设备等处装设多级浪涌电压保护器或称为电源避雷器。它的装设与参数选择应根据配电系统形式、接地系统是联合接地还是单独接地以及电源的过载、短路、漏电保护装置等配合。
对于共用接地系统，各接地极之间可不加浪涌保护器，若是单独接地的，应在接地端子间加装保护器。当装设在信号回路中时，应与工作频率、传输线的特性阻抗相匹配。
2.过程通道抗干扰设计 .
由自动化装置构成控制系统中必须妥善解决好接口信号的隔离，抑制传输过程中产生的各种干扰，才能使系统稳定可靠运行。接口与过程通道是自动化装置和外部设备、被控对象进行信息交换的渠道，对于接口和过程通道侵入的干扰主要是因公共地线所引起，其次，在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电和电磁波的干扰。目前在自动化控制系统中，对于数字输入信号，大部分都利用光电隔离器，也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离;对于数字输出信号也是主要采用光电隔离器。对于模拟量输入信号，则许多场合下采用调制—解调式隔离放大器、运算放大器等，模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等。
2.1光电耦合技术
光电偶合器件是利用光传递信息的，它是由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成，输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积小、使用简便，可视现场干扰情况的不同，可以组成各种不同的线路对共模和长模干扰进行抑制。
2.1.1应用于输入输出的隔离。光电耦合器用在输入、输出间隔离情况下，线路是很简单的，由于避免形成地环路，而输入与输出的接地点也可以任意选择。这种隔离的作用不仅可以用在数字电路中，也可以用在线性(模拟)电路中。
2.1.2用于消除与抑制噪声
光电耦合器用于消除噪声是从两个方面体现的：一方面是使输入端的噪声不传递给输出端，只是把有用信号传送到输出端。另一方面，由于输入端到输出端的信号传递是利用光来实现的，极间电容很小，绝缘电阻很大，因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。
使用光电耦合器时，应注意这种光电耦合器本身有10—30pF的分布电容，所以频率不能太高;另外在接点输入时，应注意加RC滤波环节，抑制接点的抖动。另外，用于低电压时，其传输距离以100米以内为限、传输速率在10Kbps以下为宜。
2.2脉冲变压器隔离 .
脉冲变压器原付边绕组匝数很少，分别绕制在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几微微法，可作为脉冲信号的隔离器件。对于模拟量输入信号，由于每点的采样周期很短，实际上的采样波形也为一脉冲波形，也可实现隔离作用。这种脉冲变压器隔离方式，线路中也应加滤波环节抑制动态常模干扰和静态常模干扰，这种脉冲变压器隔离方式已被用于几兆赫的信号电路中。
2.3模/数变换隔离 .
模/数变换隔离电路，在自动化控制系统中常在现场就地进行模/数转换，利用模/数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输，在接收端在采用光电隔离，以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。而模/数转换器的安装位置，怎样才能有效地抑制干扰，是实际应用中很具体的问题。对于在工业生产现场应用的环境中，一是可以考虑将模/数转换器远离生产现场，放置主控室，二是将模/数转换器放在生产现场，远离主控室，两者各有利弊。
将模/数转换器放置于主控室，便于把模/数转换器产生的数字信息传送到控制系统的处理器，而主机的控制信息传送给模/数转换器也很方便，因而利于转换器的管理。但由于模/数转换器远离生产现场，使得模拟量传输线路过长，分布参数以及干扰的影响增加，而且易引起模拟信号衰减，直接影响转换器的工作精度和速度。将转换器放置于生产现场，虽然可解决上述问题，但数字信息传输线路过长，也不便于转换器的管理。
这两种方案的主要问题还在于，在控制系统与控制对象之间存在公共地线，即使采用同轴电缆作为传输媒介，也会有产生现场的干扰进入计算机中，影响整个系统的可靠稳定工作。显然这两种方案都不适合于在现场环境工作。为了有效的解决工业生产环境下，采用光电隔离是比较行之有效的方案。为保证模/数转换器能可靠运行，并获得精确的测量结果，把模/数转换器放在靠近现场一侧。为了有效抑制干扰，采用双套光电偶合器，使得模/数转换器与主机之间的信息交换均经过两次电—光—电的转换。如图1所示;一套光电耦合器放在模/数转换器一侧，一套光电耦合器放在主机一侧。系统中有三个不同的地端，一是主机与I/O接口公用的“计算机地”，一个是传输长线使用的“浮空地”，另一个是模/数转换器和被控对象公用的“现场地”。采用这种两次光电隔离的办法，把传输长线隔浮在主机与被控对象之间，不仅有效地消除了公共地线，抑制了由其引进的干扰，而且也有利于解决长线驱动与阻抗匹配的问题这样就保证了整个控制系统的可靠运行。
