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討論：智能逆變電源系統(tǒng)中監(jiān)控模塊的抗干擾設(shè)計(jì)
2012-07-29
干擾的主要形式
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾通常都是以脈沖的形式進(jìn)入系統(tǒng)，主要渠道有以下三種：空間干擾、供電系統(tǒng)干擾和過(guò)程通道干擾。其中空間干擾主要通過(guò)電磁波輻射的方式竄入系統(tǒng)，供電系統(tǒng)干擾是由于電源和傳輸線內(nèi)阻的存在而產(chǎn)生的疊加干擾，過(guò)程通道干擾是指外界干擾通過(guò)與微處理器相連的通道引入系統(tǒng)。由于逆變電源監(jiān)控模塊通常由專門的輔助電源供電，因此，影響較大的主要為空間干擾和過(guò)程通道干擾。
干擾的主要影響
干擾對(duì)監(jiān)控模塊的影響主要在輸入、輸出以及CPU單元。對(duì)輸入單元而言，干擾可使模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)出錯(cuò)，從而導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)做出錯(cuò)誤的判斷。對(duì)輸出單元而言，干擾可使各種輸出信號(hào)混亂，不能正常反映系統(tǒng)的真實(shí)輸出量。而當(dāng)干擾作用于監(jiān)控模塊的內(nèi)核CPU時(shí)，后果更加嚴(yán)重，最典型的失控故障是破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)，導(dǎo)致程序跑飛，或者進(jìn)入死循環(huán),從而導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的后果。
硬件抗干擾措施
輸入通道的抗干擾措施
模擬輸入通道中的干擾主要是來(lái)自外部的尖峰型串模干擾，因此在信號(hào)提取和轉(zhuǎn)換方面要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。例如：遠(yuǎn)方溫度傳感器與電壓互感器的信號(hào)通過(guò)電壓/電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，采取電流傳輸?shù)男问剑谶M(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，再并聯(lián)一個(gè)250Ω的電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào);同時(shí)，在滿足采樣速率要求的前提下，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分盡量采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器;另外，應(yīng)在輸入電路中加裝低通濾波器。對(duì)于數(shù)字量輸入通道則應(yīng)采取光電隔離的措施。
輸出通道的抗干擾措施
監(jiān)控模塊的輸出信號(hào)中，大多是數(shù)字信號(hào)，例如顯示裝置、打印裝置、通信、各種報(bào)警裝置以及各種繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此采取建立檢測(cè)通道的方法，單片機(jī)可以通過(guò)檢測(cè)通道來(lái)判斷輸出結(jié)果是否正確，并做出相應(yīng)的處理。
微處理器的抗干擾措施
微處理器抗干擾主要是采用看門狗電路和電壓檢測(cè)電路。看門狗電路本身可以看作是一個(gè)可被清除的定時(shí)脈沖發(fā)生器，如果沒有清除脈沖的話，它將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。現(xiàn)以IMP公司的IMP706為例來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。IMP706每隔1.6s發(fā)出一個(gè)脈沖，在1.6s時(shí)間內(nèi)若檢測(cè)到WCI引腳有高低電平跳變信號(hào)，則"看門狗"定時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí);若超出1.6s后，WCI引腳仍無(wú)高低電平跳變信號(hào)，則"看門狗"定時(shí)器溢出，WDO引腳輸出低電平，進(jìn)而觸發(fā)MR手動(dòng)復(fù)位引腳，使IMP706復(fù)位，從而使"看門狗"定時(shí)器清零并重新開始計(jì)時(shí)，WDO引腳輸出高電平，IMP706的RST復(fù)位輸出引腳輸出大約200ms寬度的低電平脈沖，使單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運(yùn)行。
印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)
印刷電路板的布線與工藝對(duì)監(jiān)控模塊的抗干擾性能至關(guān)重要，設(shè)計(jì)印刷電路板與布線時(shí)應(yīng)本著盡量控制噪聲源、盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則。首先印刷板要合理分區(qū)，通常分為三個(gè)區(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(既怕干擾，又產(chǎn)生干擾)，功率區(qū)(干擾源);其次，在監(jiān)控模塊中，通常應(yīng)采取單點(diǎn)接地來(lái)抑制干擾，即將模擬地與數(shù)字地分開，分別做成閉合的環(huán)路，最終將它們與電源地線于一點(diǎn)相連。同時(shí)在每個(gè)單元電路的電源端加裝0.01～1μF的去耦電容，并且連線要盡量地短。另外，對(duì)于不使用的CMOS或TLL電路引腳應(yīng)根據(jù)具體情況接電源或接地。
傳輸線的抗干擾設(shè)計(jì)
在傳輸線路上，采用具有差分傳輸方式的RS485通信，并在其端口進(jìn)行了阻抗匹配。
軟件抗干擾措施
數(shù)字濾波和數(shù)字調(diào)零技術(shù)
1)數(shù)字濾波技術(shù)即通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算或者判斷程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑處理，分離出有用的信號(hào)，消除或減少各種干擾和噪聲。目前常用的方法有程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法等。對(duì)逆變電源監(jiān)控模塊而言，由于對(duì)采集的速度要求不是特別高，但對(duì)精度有較高的要求，同時(shí)由于被采集的模擬量變化緩慢，因此采用將算術(shù)平均濾波和中值濾波結(jié)合的復(fù)合濾波方法效果較好。其方法是，首先把采樣值按大小排隊(duì)，然后去掉最大和最小值，最后把剩余采集值加起來(lái)取平均值。
2)數(shù)字調(diào)零技術(shù)采用這種方法主要是為了消除模擬開關(guān)、放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器本身的偏差，削弱各種隨時(shí)間和溫度變化的漂移的影響。具體方法是先把模擬開關(guān)接到所需測(cè)量的輸入信號(hào)上，轉(zhuǎn)換后得到測(cè)量值為X1，然后把多路開關(guān)的輸入接地，測(cè)出零輸入時(shí)的測(cè)量值為X0，將X1減去X0即為實(shí)際輸入值X。
開關(guān)量和控制信號(hào)的冗余輸出
對(duì)于開關(guān)量，利用干擾信號(hào)與有效輸入信號(hào)脈寬不同的特點(diǎn)，采取讀兩次的辦法，即第一次讀入數(shù)據(jù)后延時(shí)1段時(shí)間后再讀一次，兩次結(jié)果相同才予以確認(rèn);在輸出的開關(guān)量控制中，也采取重復(fù)輸出數(shù)據(jù)的方法。這樣即使發(fā)生錯(cuò)誤控制，也可以及時(shí)的得到彌補(bǔ)。
指令冗余和陷阱捕捉技術(shù)
由于失控的程序可能將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，使程序完全沖亂，但當(dāng)遇到單字節(jié)指令時(shí)則會(huì)納入正軌。利用這一特點(diǎn)，可以在程序中對(duì)程序流向起決定性作用的指令(如LCALL、JNC、DJNZ等)或某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令(如SETBEA等)之前加入兩條NOP指令，以確保該指令不被沖散。
陷阱的設(shè)置就是采用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向指定的入口，在該地址處放置程序出錯(cuò)的處理程序，從而使系統(tǒng)重新正常運(yùn)行。由于LJMP指令的操作碼為02，所以把陷阱程序的入口固定在0202H，即陷阱指令為L(zhǎng)JMP0202。
利用“時(shí)間片"解決系統(tǒng)死鎖問(wèn)題
在逆變電源監(jiān)控模塊中，A/D轉(zhuǎn)換、顯示等輸入/輸出接口是必不可少的。這些接口與CPU之間采用查詢或中斷方式工作，而這些設(shè)備或接口對(duì)干擾很敏感，干擾一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后，就會(huì)導(dǎo)致CPU誤認(rèn)為該接口有輸入/輸出請(qǐng)求而停止工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入/輸出服務(wù)程序。但由于該接口本身并沒有輸入/輸出數(shù)據(jù)，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長(zhǎng)期占用而不釋放，其它任務(wù)程序無(wú)法執(zhí)行，造成整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”。對(duì)這種干擾造成的“死鎖”現(xiàn)象，可以采用“時(shí)間片”的方法來(lái)解決。其具體步驟如下：
(1)根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對(duì)時(shí)間的要求，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時(shí)間;
(2)在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時(shí)判斷程序。這樣當(dāng)干擾破壞了接口狀態(tài)而造成CPU誤操作時(shí)，由于該外設(shè)準(zhǔn)備好信息長(zhǎng)期無(wú)效，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動(dòng)返回，保證了整個(gè)軟件的周期性不受影響，從而避免了“死鎖”現(xiàn)象的發(fā)生。
以上討論的各種抗干擾措施，已經(jīng)成功地在作者研制的智能化逆變電源監(jiān)控模塊中得到了應(yīng)用。實(shí)踐證明，采取了上述的措施以后，系統(tǒng)的抗干擾性能明顯增強(qiáng)，以前的一些故障現(xiàn)象，比如液晶顯示屏在工作過(guò)程中有時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)、不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)無(wú)顯示的現(xiàn)象，完全消失。
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