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工业电子称仪表的抗干扰与处理搅拌系统工况的要求 |
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| 工业电子称仪表的抗干扰与处理搅拌系统工况的要求 |
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作者：佚名 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2009-5-30 22:22:30  |
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前言
作为工业自动化核心部件的称重仪表，不同于商用衡器，往往面临更复杂的工况。对于拌和站电磁环境比较恶劣的情况下，一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作或在错误状态下运行，造成的后果往往是很严重的。因此对抗干扰性能的了解是称量仪表选型的关键。我们在对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司生产的UNI800与TR600和其它同类厂家产品进行反复比较过程中，获得了一个好单片机系统（称重仪表）应具备的抗干扰性能方面的分析经验。在此与同行分享，希望以此促进行业技术水平的提高。
仪表电磁兼容性(EMC)是一项重要指标，它包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符条件合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的：
1． 对其他系统不产生干扰；
2． 对其他系统的发射不敏感；
3． 对系统本身不产生干扰；
假若干扰不能完全消除，但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的（通过导体、公共阻抗耦合等），就是间接的（通过串扰或辐射耦合）。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射，很多磁电发射源、如光照、继电器、DC电机和日光灯都可以引起干扰；AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中，时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源，这些电路可产生高达300MHz的谐波失真，在系统中应该把他们去掉。另外，在单片机系统中最容易受影响的是复位线，中断线和控制线。
1． 干扰的耦合方式
（1） 传导性EMI
一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可检拾噪声并把噪声送到其他电路引起干扰。设计人员必须避免导线检拾噪声和在噪声引起干扰前用去耦办法去除噪声。最普通的例子是噪声通过电源进入电路。若电源本身或连接到电源的其他电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦。
（2） 公共阻抗耦合
当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定，来自两个电路的地电流流过共地阻抗。电路a的地电位被电流b调制，噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路b耦合到电路a。
（3） 辐射耦合
经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。
（4） 辐射发射
辐射发射有两种基本类型；差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统电地位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。
2． 影响EMC的因数
（1） 电压。电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。
（2） 频率。高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
（3）接地。在所有EMC问题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1MHz时，可采用单点接地方法，但不适宜高频；在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路绝不能混合。
（4） PCB设计。适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。
（5） 电源去耦。当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di/dt产生大范围的高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。
3．称量仪表对抗干扰与复杂工况处理的硬件要求
在硬件上我们要求仪表厂家必须具有以下措施：
（1） PCB及电路抗干扰措施
印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。
① 电源线设计
根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻；同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
② 地线设计
在单片机系统设计中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合来使用，可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点：
a．正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz 时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
b. 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，要尽量加大线性电路的接地面积。
C．接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3 mm。
d．接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印刷电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降；若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
③ 退耦电容配置
PCB设计的常规做法之一，是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是：
a． 电源输入端跨接10～100μF的电解电容器。如有可能，接100μF以上的更好。
b． 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1～10pF的钽电容。
c． 对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。
d． 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外，还应注意以下两点：
a． 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2kΩ，C取2.2～47μF。
b． CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时，对不用端要接地或接正电源。
（2） 输入/输出的电磁兼容性设计
在单片机系统中输入/输出也是干扰源的传导线，和接收射频干扰信号的拾检源，称重仪表设计时一般要采取有效的措施：
①． 采用必要的共模/差模抑制电路，同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进入。
②． 在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施（如光电隔离或者磁电隔离），从而阻断干扰的传播。
（3） 单片机复位电路的设计
在单片机系统中，看门狗系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用，因为所有的干扰源不可能全部被隔离或去除，一旦进入CPU干扰程序的正常运行，那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种：
①．外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。然而，他们各有优缺点，大部分专用“看门狗”芯片对低频“喂狗”信号不能响应，而高频“喂狗”信号都能响应，使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作，这样，如果程序系统陷入一个死循环，而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话，那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而，我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。
②．现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统，这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了，但是，有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单，这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令，使其失去监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好，一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行，如果有一定错误则该“喂狗”操作无效，这样就大大提高了复位电路的可靠性。
（4） 振荡器
大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上，要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性，它能产生很短的时钟周期，因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外，石英晶体的外壳要接地。
（5） 防雷击措施
室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线，要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有：气体放电管、TVS（Transient Voltage Suppression）等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时，通常为数十V或数百V，气体击穿放电，将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管，当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。
（6） 电源系统抗干扰
由于工业电源特别是搅拌设备的电源工况复杂，因此如何在不稳定电源场合确保仪表工作稳定尤为重要。
常用的开关电源与线性电源相比各有优缺点：开关电源作为恒功率器件，外部供电电压高则输出电流小，电压低则输出电流大，从而维持输入到仪表内部的功率恒定，从而减少仪表内部温度差，更不会因过热造成元件损坏。而线性电源在电压升高时，电流将增大，特别是电压运行高于240VAC时，内部温升加快，会造成变压器或三端稳压器等损坏，在低于220VAC时，会造成运行不可靠或停止运行。所以一般工业控制采用开关电源方式，而试验或商用设备采用线性电源较为合理。
由于电源波动会造成仪表输出的激励电压波动，因此称量值会随之变化，故应采用较为保险的多级稳压方案。UNI800与TR600均采用二级稳压，当外部电压波动，对仪表读数影响甚小；而有些仪表采用一级稳压，称重数值随外部电压波动而异常变化根本无法满足要求。
（7） 模拟信号输出
有些称重仪表厂家为降低成本，往往采用12位脉宽调制方法输出模拟信号，这有几个坏处：①由于脉冲来自单片机系统，占用晶振资源，往往造成输出模拟值滞后仪表读数很多；②低位数的脉宽调制往往在重复性、线性上较差，再加上信号给上位机进行A/D转换又有精度损失，故此方案用于配料精度高场合不可行。 UNI800及TR600由于采用16位DA转换输出模拟信号而成为较佳的选择。
（8） 来自称体的干扰
由于秤体的结构变化或物料的粘附等造成称重数值漂移，因此必须在启动配料时须有自动清零功能，UNI800与TR600的此功能确保每次配料的准确性。
（9） 信号输入范围
很多添加量较小的材料因秤体自重较重，零位信号较高，放大信号也由于使用3mv/v传感器而接近30mv，对于此要求很多仪表由于放大器设计所限最大只能接受25mv信号而导致不能调校，只能通过加高精度电阻下拉信号电压，但这往往对于野外作业的工地是个难题。因此有合理的适合搅拌系统使用信号输入范围也应成为选型要求之一。UNI800及TR600产品，零位可调电压在0-15mv，放大可调最大至35mv，非常适合沥青秤、外加剂秤使用。
4．对干扰措施的软件处理方法
电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下（比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下）是无法完全消除的，最终将会进入CPU处理的的核心单元，这样在一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件，往往会在强干扰下发生翻转，使原来存储的“0”变为“1”，或者“1”变为“0”；一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变；更严重的会破坏一些重要的数据参数等；造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。
⑴ 程序会因为电磁干扰大致会一下几种情况：
① 程序跑飞。
这种情况是最常见的干扰结果，一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可，对整个运行系统的不会产生太大的影响。
② 死循环或不正常程序代码运行。
当然这种死循环和不正常程序代码并非设计人员有意写入的，我们知道程序的指令是由字节组成的，有的是单字节指令而有的是多字节指令，当干扰产生后使得PC 指针发生变化，从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可预测的可执行的程序代码，那么，这种错误是致命的，它会有可能会去修改重要的数据参数，有可能产生不可预测的控制输出等一系列错误状态。
⑵ 对重要参数储存的措施
一般情况下，我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理，主要思想是在数据写入时，根据写入的数据生成一定位数的校验码，与相应的数据一起保存起来；当读出时，同时也将校验码读出，进行判决。如果出现一位错误则自动纠正，将正确的数据送出，并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据；如果出现两位错误则产生中断报告，通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的，具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计，能大大提高系统的抗干扰能力，从而提高系统的可靠性。
检错与纠错原理：
首先来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加入不同方式的冗余码，以便在信息读出的时候依靠多余的监督码或校码码来发现或自动纠正错误。
针对误码发生的特点，即错误发生的随机性和小概率性，它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位（bit），因此，如果能够设计自动纠正一位错误，而检查两位错误的编码方式。就可以大大提高系统的可靠性。
⑵ 对RAM和FLASH(ROM)的检测
在编制程序时我们最好是写入一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码，看有无发生错误，一旦发生要立即纠正，纠正不了的要及时给出错误指示，以便用户去处理。
另外，在编制程序时加入程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加入三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时，在程序的运行状态中要引入标志数据和检测状态，从而及时发现和纠正错误产生。
后记
总的来说为了提高单片机系统的电磁兼容性，不仅要合理设计PCB板，而且要在电路结构上及软硬件中采取相应的措施。最后我们还对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司在冶金、混凝土、粮油饲料、化工、等行业国内外用户应用情况进行了广泛考察，在作为单片机系统的称重控制仪表UNI800和TR600系列的设计、制造、安装和运行的各个阶段，正是通过以上各种抗干扰手段的运用，并经过形形色色的现场环境模拟及实际工作实验，造就了“金刚不坏之躯”，保证称重仪表在各种工况下长期稳定、可靠、安全地运行。该公司并因此获得同类产品中为数不多的由著名认证企业SGS公司签发的CE认证，由此获得进入发达国家工业自动化市场的通行证，拥有与世界老牌企业同类产品竞争的利器。因此我公司决定选用该公司产品，实际应用证明我们的选择是正确的，是西筑搅拌设备可靠保证的重要因素之一。
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