智能化仪器仪表实用抗干扰技术

学术论文 2017-11-14 11:13:40
    智能化仪器仪表一般应用于工业测控现场,承担着监视或控制生产过程参数的任务,在运行过程中,可能会遇到高温、高湿、低气压、有害气体、冲击、振动、辐射、电磁干扰等各种复杂的环境因素,其中抗电磁干扰是提高智能化仪器仪表可靠性的有效途径之一。
    1 电源系统的干扰及其抗干扰措施
    仪器仪表采用的稳压电源本身就是一个干扰源。在由变压器、整流管、调整管组成的线性稳压电源内,因整流形成的单向脉冲电流,本身就会产生电磁干扰。如果采用开关电源,更要慎重地选择。因为开关电源是利用电子器件的高频开关来进行工作的,一般开关频率都在20kHz以上,电压和电流的急剧变化会产生很大的浪涌电压和其他各种噪声,形成一个较强的电磁干扰源,对仪器仪表的工作有很大的危害。
    供电线耦合干扰包括雷电干扰、高频感应干扰、开关干扰和电网干扰等。可以采取的抗干扰措施包括以下两点:
    1.1 交流电源滤波器的使用
    采用交流电源滤波器是抑制电源噪声的有效方法,可以提高电子设备的抗干扰能力。交流电源滤波器一般用在交流输入端或交流输出端,主要用来抑制30MHz以下频率范围的噪声。交流电源滤波器有电容式滤波器和电容电感式滤波器两种形式。图1所示是在智能化仪器仪表中常用而又简单有效的电容式滤波器,图中的电容C1=C2,取值为0.01~0.02μF之间,耐压400V以上。图2是改进的电容电感式滤波器。
    1.2 瞬变电压抑制器TVS的使用
    TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-10~10-12s量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,使其免受各种浪涌脉冲的损坏。由于TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限和体积小等优点,已广泛应用于计算机系统、通讯设备、智能化仪器仪表等各个领域。TVS的在电源系统中的配置如图3所示。
    2 主机系统的抗干扰措施
    智能化仪器仪表的主机系统都由微处理器构成,大多工作于高频状态,不论是微处理器各输入输出过程通道,还是通信接口,都很容易受到来自各个方面的电磁干扰,因此,抗干扰设计应该贯穿于整个智能化仪器仪表的设计过程中。智能化仪器仪表主机系统采取抗干扰措施的基本原则是:抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。
    2.1 抑制干扰源
    抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的电压变化率(du/dt)和电流变化率(di/dt)。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下:
    (1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
    (2)在继电器接点两端并接火花抑制电路,一般是RC串联电路,电阻一般选几KΩ~几十KΩ,电容一般选0.01uF左右。
    (3)电路板上的每个集成电路芯片的电源盒地引脚间都要并接一个0.01μF~0.1μF的高频电容,以减小集成电路对电源的影响,并且高频电容的布线应靠近电源端并尽量的粗和短,否则会影响效果。
    (4)印制线路板布线时要避免90度折线,90度的直角相当于一个发射天线,会向外辐射高频噪声,对其他电路造成高频干扰。
    (5)如果控制中采用了可控硅原件,可控硅两端最好并接RC抑制电路,减小可控硅开关过程中产生的干扰。
    2.2 切断干扰传播路径的常用措施
    (1)充分考虑电源对整机的影响,可参照前面介绍的方法来处理电源,电源的抗干扰问题处理得好,整机的抗干扰问题就解决了一大半。
    (2)如果微处理器的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离电路,如增加π形滤波电路等。
    (3)注意晶振的布线。晶振与微处理器引脚应尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳应可靠接地。
    (4)设计线路板时要进行合理分区,如强、弱电信号分开区域布线;数字、模拟信号愤慨区域布线等,尽可能使干扰源远离敏感元件。
    (5)用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离设置,最后在一点接于电源地。
    (6)微处理器和大功率器件要采取单独接地处理,以减小相互干扰。大功率器件应尽可能放在电路板边缘。
    (7)在微处理器远传I/O口线、电源线,线路板连接线等关键部位使用磁珠、磁环、滤波器、屏蔽罩、等抗干扰器件,可显著提高电路的抗干扰性能。
    2.3 提高敏感器件的抗干扰性能
    提高敏感器件的抗干扰性能,是指从敏感器件考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。常用提高敏感器件抗干扰性措施有:
    (1)印制板布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
    (2)印制板上的电源线和地线要尽量的粗,这样除可减少电源线和底线的压降外,更重要的是还可以降低干扰耦合的几率,如果可能应采用多层印制线路板设计。
    (3)对于微处理器闲置的I/O口引脚,最好做接地或接电源处理,不要使其处于浮空状态,以避免由于干扰产生数字逻辑的混乱。endprint
    (4)对微处理器可使用硬件看门狗电路和电源监控电路,常用的如前面介绍过的DS1232和其他类似功能的芯片如X25045等,看门狗电路的使用,可以避免微处理器的死机,大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
    (5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
    (6)非必须器件,集成电路尽量不用集成电路插座,直接焊在电路板上,可降低从集成电路引脚引入干扰的概率。
    (7)对于复杂系统的数据、地址总线应采用总线驱动器来提高总线的抗干扰能力,同时要考虑总线的负载平衡与时延等问题。
    3 常用软件抗干扰措施
    智能化仪器仪表的很多功能都是靠软件来实现的。在智能化仪器仪表中,软件的抗干扰能力与硬件抗干扰能力具有同样重要的地位,这里介绍一些在实际应用中经常使用的软件抗干扰措施的基本思路。
    3.1 多次读入抗干扰
    为了确保读入信息的准确无误,在读入数据或状态时,可以通过软件采取多次读入的方法来避免干扰的影响,如果读入的是数据,那么可以通过比较两次读取结果的数据偏差是否在允许范围内来判定读入数据的真实性;如果读入的是外部开关状态,则可以通过比较在规定时限内多次读入的开关状态是否一致来判定读入开关状态的真实性。
    3.2 指令冗余抗干扰
    对于程序流向起决定作用或对工作状态有重要作用的指令后边,人为地将指令重写。这种方法一般用在开关量输出控制上,以保证输出结果的正确性,因此,可以说指令冗余是动作冗余。指令冗余可以用在以下场合:
    (1)微处理器输入输出口的动作。
    (2)带锁存功能的LED或LCD的显示器。
    (3)中断使能标志的设置。
    (4)重要标志字和参数寄存器等。
    3.3 软件陷阱抗干扰
    針对基于MCS-51单片机的智能化仪器仪表而言,软件陷阱就是用引导指令强行将捕获到的“跑飞”的程序引向复位入口地址0000H或处理错误的程序入口地址处。例如,在MCS-51未使用的程序存储区中间隔性地填入“0000020000”,则当程序“跑飞”到这个区域时,便会被自动的拉回到0000H处重新执行。这里“00”为空操作指令的机器码,“02”为无条件转移指令“LJMP”的机器码,“02”后面的“0000”是要转移的地址。
    3.4 “看门狗”技术抗干扰
    “看门狗”有硬件“看门狗”和软件“看门狗”,关于硬件“看门狗”,可以参考有关文献资料的介绍,这里只对软件“看门狗”设计思路加以说明。
    以MCS-51系列单片机为例。在MCS-51内部有两个定时计数器,可以用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。
简单的软件“看门狗”可以这样设计:
    (1)定时器T0设置为“看门狗”定时器
    在初始化程序中设置T0的工作方式为方式1即16位定时器方式,并开启中断和定时功能。系统fosc=12MHz,T0最大计数值为65535,T0输入计数频率是fosc/12,则溢出周期为65536μs。
    (2)计算主程序循环一次的时间
    考虑系统各功能模块及其循环次数,假定系统主程序的运行时间约为20ms。设置“看门狗”定时器T0定时30ms。主程序的每次循环都将复位T0的初值。如果程序进入“死循环”而T0的初值在30ms内未被刷新,作为“看门狗”定时器使用的T0将产生溢出并申请中断。
    (3)设计T0中断服务程序
    T0的中断服务程序只须一条指令,即在T0对应的中断向量地址(MCS-51单片机为000BH)写入无条件转移指令,把程序拉回到复位处,重新进行初始化并获得正确的执行顺序。
    有些情况下,还可以使用两个定时计数器构成软件“看门狗”。例如,在主程序中对T0中断服务程序进行监视;在T1中断服务程序中对主程序进行监视;再用T0中断监视T1中断,从而保证系统的稳定运行。当然,这样构成的软件“看门狗”占用了过多的资源和时间,应该慎重使用。MCS-51系列单片机中有些型号内部已经增加了硬件看门狗电路,选择时应该加以注意。
    4 结束语
    在智能化仪器仪表设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都应充分地考虑干扰和抗干扰问题,采取主动预防、整体规划、“对抗”与“疏导”相结合的策略和方法,才能收到事半功倍的效果。
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