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基于稱重控制儀表的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)
點(diǎn)擊次數(shù)：1704 更新時(shí)間：2019-01-25
一、概述
近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路工藝的提高，使得稱重儀表的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、所用元件更少，同時(shí)稱重控制儀表的性能及可靠性也得到了較快 發(fā)展。無論是其稱量速度、計(jì)量精度、以及穩(wěn)定性都得到了很大改善。但是，山于稱重控制儀表的工作環(huán)境比較惡劣，有些是高溫高輻射場(chǎng)合、有些是電網(wǎng)嚴(yán)重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機(jī)等)的場(chǎng)合，還有些工作在野外，所有這些場(chǎng)合都可能存在比較強(qiáng)的干擾源。這就對(duì)儀表在設(shè)計(jì)時(shí)的抗干擾性提出了更 高的要求。下面根據(jù)干擾的類型分別闡述其設(shè)計(jì)措施。
二、電路本身產(chǎn)生的噪聲
(1)電源電路產(chǎn)生的干擾
目前，大部分儀表采用的直流供電方式。
市電經(jīng)電源變壓器，得到所需的交流電壓，然后，經(jīng)整流濾波后進(jìn)入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓。事實(shí)上，這幾部分都有可能產(chǎn)生干擾，從電網(wǎng) 竄入的干擾一部分是高頻干擾，一部分是低頻干擾。低頻干擾可在濾波電路中作為波紋一塊濾除，高頻部分可山噪聲濾波器濾除。電源變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工 作的，由于磁路并不*閉合，有一部分泄漏于其周圍形成干擾，這部分干擾可采取電磁屏蔽來消除。對(duì)于整流電路來說，山于整流一極管為非線性元件，它工作 時(shí)，要產(chǎn)生基波為SOHz的多次諧波，如果這些諧波竄入后而的系統(tǒng)，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。解決的方法是在每只一極管的兩側(cè)并接一只0.0luF的聚乙烯電 容，另外，在PC B布線時(shí)，應(yīng)使信號(hào)放大器盡量遠(yuǎn)離電源和電源變壓器，好將整個(gè)系統(tǒng)電源分開做板。
(2)功率接口的干擾
有的儀表本身要馭動(dòng)某些執(zhí)行元件，比如電磁閥、電動(dòng)機(jī)、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動(dòng)的，而這些元件的開啟會(huì)產(chǎn)生各種諧波和電 磁波，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對(duì)于繼電器來說，其觸點(diǎn)的斷開或閉合是干擾的源泉，解決的辦法就是在其觸點(diǎn)兩側(cè)增加阻容吸收回路，對(duì) 于可控硅電路也可采取同樣的方法。
三、外界干擾
外界干擾主要是電磁干擾和輻射干擾，如果儀表工作在某些特定的場(chǎng)合，比如中頻爐或者電焊機(jī)附近，這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向周圍輻射出很強(qiáng)的電磁波， 這些強(qiáng)電磁波很容易竄入儀表的前向通道或者竄入數(shù)字系統(tǒng)，造成程序跑飛，解決這類問題的辦法是用金屬外殼來屏蔽這些干擾。國(guó)內(nèi)有些廠家生產(chǎn)的稱重儀表就采 用鋁合金外殼。還有一種外界干擾是來自太空，這種干擾具有破壞性，它就是雷電，輕者它能損壞元器件，嚴(yán)重時(shí)能使整臺(tái)儀表報(bào)廢。為避免這種結(jié)果的發(fā)生，可 在電源的進(jìn)線上并接一個(gè)壓敏電阻。以上我們談了干擾的起因以及簡(jiǎn)單的抗干擾措施，這些措施在大多數(shù)情況下是有效的，但是，僅有這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們知 道，稱重控制儀表是很精密的一種儀表，人們對(duì)它的檢測(cè)結(jié)果非常苛刻，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)引起足夠的重視。下面著重談一卜線路的抗干擾設(shè)計(jì)。
四、PCB布線的抗干擾設(shè)計(jì)
這部分設(shè)計(jì)主要包括模擬部分設(shè)計(jì)、電源部分設(shè)計(jì)、中央處理器及接口部分設(shè)計(jì)、顯示及按鍵部分設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。
1.模擬電路設(shè)計(jì)
稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號(hào)，由來于這個(gè)信號(hào)非常微弱，很容易受到各種干擾，使稱量不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定。因此，模擬部分的設(shè)計(jì)是 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉(zhuǎn)換器。從抗干擾的角度來考慮，可以將放大器和A/D轉(zhuǎn)換器單獨(dú)做在一起，這樣能夠減少干擾的引 入。另外，傳感器的輸出是一個(gè)緩慢變化的直流信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)上異加了一個(gè)相當(dāng)于橋路電壓的共模信號(hào)，因此，信號(hào)在放大前好加上一級(jí)差模放大，在這級(jí)放 大器上加入積分環(huán)節(jié)，就可以起到一定的抗干擾作用。如果傳感器工作在電磁干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，可以考慮增加一級(jí)有源濾波器。在布線時(shí)，放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。
2.微處理器及接口電路的設(shè)計(jì)
應(yīng)該說數(shù)字電路木身就有抗干擾作用，但如果干擾超過了器件的噪聲容限，它也會(huì)受到干擾。解決的辦法是，在每一個(gè)數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對(duì)地加 一個(gè)0.1 uF的獨(dú)立電容，如果空間有限，可以每3~4個(gè)芯片加一個(gè)10uF的鋇電解電容。布線時(shí)芯片的外圍元件應(yīng)盡量靠近芯片木身，還要盡量減小芯片電源與地的公 共阻抗，模擬地與數(shù)字地分開布線，后單點(diǎn)連接即可。在焊接時(shí)，要采用中性助焊劑焊接，若采用酸性焊劑，系統(tǒng)工作一段時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，濘致焊點(diǎn)接 觸不良，甚至脫落。在工藝上，要防止虛焊。布線時(shí)，布局、結(jié)構(gòu)要合理，各種走線要盡量短，并且將發(fā)熱量大的元件與其它元件分開，如果印刷板有引出腳，應(yīng)采 用電鍍金(或銀)的工藝。布線時(shí)還要注意，應(yīng)避免線與線長(zhǎng)距離平行走線，線與線的距離盡量加大。
3.系統(tǒng)引線的選用原則
儀表在設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免的要用到引線，常見的有電源引線，顯示及按鍵引線，模擬部分與數(shù)字部分引線，有的儀表還有打印機(jī)引線和串行接口引線等 等。在儀表裝配時(shí)這些引線不可太長(zhǎng)，否則過長(zhǎng)的引線容易引入電磁干擾。在使用引線時(shí)為了安裝方便，我們一般使用接插件，在選用接插件時(shí)，盡量選用接觸可靠 的元件，防止因接觸不良而引入干擾。
3.基于稱重控制儀表的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)
一、概述
近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路工藝的提高，使得稱重儀表的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、所用元件更少，同時(shí)稱重控制儀表的性能及可靠性也得到了較快 發(fā)展。無論是其稱量速度、計(jì)量精度、以及穩(wěn)定性都得到了很大改善。但是，山于稱重控制儀表的工作環(huán)境比較惡劣，有些是高溫高輻射場(chǎng)合、有些是電網(wǎng)嚴(yán)重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機(jī)等)的場(chǎng)合，還有些工作在野外，所有這些場(chǎng)合都可能存在比較強(qiáng)的干擾源。這就對(duì)儀表在設(shè)計(jì)時(shí)的抗干擾性提出了更 高的要求。下面根據(jù)干擾的類型分別闡述其設(shè)計(jì)措施。
二、電路本身產(chǎn)生的噪聲
(1)電源電路產(chǎn)生的干擾
目前，大部分儀表采用的直流供電方式。
市電經(jīng)電源變壓器，得到所需的交流電壓，然后，經(jīng)整流濾波后進(jìn)入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓。事實(shí)上，這幾部分都有可能產(chǎn)生干擾，從電網(wǎng) 竄入的干擾一部分是高頻干擾，一部分是低頻干擾。低頻干擾可在濾波電路中作為波紋一塊濾除，高頻部分可山噪聲濾波器濾除。電源變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工 作的，由于磁路并不*閉合，有一部分泄漏于其周圍形成干擾，這部分干擾可采取電磁屏蔽來消除。對(duì)于整流電路來說，山于整流一極管為非線性元件，它工作 時(shí)，要產(chǎn)生基波為SOHz的多次諧波，如果這些諧波竄入后而的系統(tǒng)，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。解決的方法是在每只一極管的兩側(cè)并接一只0.0luF的聚乙烯電 容，另外，在PC B布線時(shí)，應(yīng)使信號(hào)放大器盡量遠(yuǎn)離電源和電源變壓器，好將整個(gè)系統(tǒng)電源分開做板。
(2)功率接口的干擾
有的儀表本身要馭動(dòng)某些執(zhí)行元件，比如電磁閥、電動(dòng)機(jī)、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動(dòng)的，而這些元件的開啟會(huì)產(chǎn)生各種諧波和電 磁波，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對(duì)于繼電器來說，其觸點(diǎn)的斷開或閉合是干擾的源泉，解決的辦法就是在其觸點(diǎn)兩側(cè)增加阻容吸收回路，對(duì) 于可控硅電路也可采取同樣的方法。
三、外界干擾
外界干擾主要是電磁干擾和輻射干擾，如果儀表工作在某些特定的場(chǎng)合，比如中頻爐或者電焊機(jī)附近，這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向周圍輻射出很強(qiáng)的電磁波， 這些強(qiáng)電磁波很容易竄入儀表的前向通道或者竄入數(shù)字系統(tǒng)，造成程序跑飛，解決這類問題的辦法是用金屬外殼來屏蔽這些干擾。國(guó)內(nèi)有些廠家生產(chǎn)的稱重儀表就采 用鋁合金外殼。還有一種外界干擾是來自太空，這種干擾具有破壞性，它就是雷電，輕者它能損壞元器件，嚴(yán)重時(shí)能使整臺(tái)儀表報(bào)廢。為避免這種結(jié)果的發(fā)生，可 在電源的進(jìn)線上并接一個(gè)壓敏電阻。以上我們談了干擾的起因以及簡(jiǎn)單的抗干擾措施，這些措施在大多數(shù)情況下是有效的，但是，僅有這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們知 道，稱重控制儀表是很精密的一種儀表，人們對(duì)它的檢測(cè)結(jié)果非常苛刻，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)引起足夠的重視。下面著重談一卜線路的抗干擾設(shè)計(jì)。
四、PCB布線的抗干擾設(shè)計(jì)
這部分設(shè)計(jì)主要包括模擬部分設(shè)計(jì)、電源部分設(shè)計(jì)、中央處理器及接口部分設(shè)計(jì)、顯示及按鍵部分設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。
1.模擬電路設(shè)計(jì)
稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號(hào)，由來于這個(gè)信號(hào)非常微弱，很容易受到各種干擾，使稱量不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定。因此，模擬部分的設(shè)計(jì)是 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉(zhuǎn)換器。從抗干擾的角度來考慮，可以將放大器和A/D轉(zhuǎn)換器單獨(dú)做在一起，這樣能夠減少干擾的引 入。另外，傳感器的輸出是一個(gè)緩慢變化的直流信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)上異加了一個(gè)相當(dāng)于橋路電壓的共模信號(hào)，因此，信號(hào)在放大前好加上一級(jí)差模放大，在這級(jí)放 大器上加入積分環(huán)節(jié)，就可以起到一定的抗干擾作用。如果傳感器工作在電磁干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，可以考慮增加一級(jí)有源濾波器。在布線時(shí)，放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。
2.微處理器及接口電路的設(shè)計(jì)
應(yīng)該說數(shù)字電路木身就有抗干擾作用，但如果干擾超過了器件的噪聲容限，它也會(huì)受到干擾。解決的辦法是，在每一個(gè)數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對(duì)地加 一個(gè)0.1 uF的獨(dú)立電容，如果空間有限，可以每3~4個(gè)芯片加一個(gè)10uF的鋇電解電容。布線時(shí)芯片的外圍元件應(yīng)盡量靠近芯片木身，還要盡量減小芯片電源與地的公 共阻抗，模擬地與數(shù)字地分開布線，后單點(diǎn)連接即可。在焊接時(shí)，要采用中性助焊劑焊接，若采用酸性焊劑，系統(tǒng)工作一段時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，濘致焊點(diǎn)接 觸不良，甚至脫落。在工藝上，要防止虛焊。布線時(shí)，布局、結(jié)構(gòu)要合理，各種走線要盡量短，并且將發(fā)熱量大的元件與其它元件分開，如果印刷板有引出腳，應(yīng)采 用電鍍金(或銀)的工藝。布線時(shí)還要注意，應(yīng)避免線與線長(zhǎng)距離平行走線，線與線的距離盡量加大。
3.系統(tǒng)引線的選用原則
儀表在設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免的要用到引線，常見的有電源引線，顯示及按鍵引線，模擬部分與數(shù)字部分引線，有的儀表還有打印機(jī)引線和串行接口引線等 等。在儀表裝配時(shí)這些引線不可太長(zhǎng)，否則過長(zhǎng)的引線容易引入電磁干擾。在使用引線時(shí)為了安裝方便，我們一般使用接插件，在選用接插件時(shí)，盡量選用接觸可靠 的元件，防止因接觸不良而引入干擾。
五、軟件抗干擾措施
竄入微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，并且具有隨機(jī)性，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻段的干擾，仍有一部分干擾會(huì)侵入到系統(tǒng)。這就要采取軟件抗干擾措施。軟件抗干擾方法有以下幾種:
1.指令冗余
在編寫系統(tǒng)程序時(shí)，可在雙字節(jié)指令和二字節(jié)指令之后插入兩個(gè)空操作指令NOP，這樣可以保證其后的指令不被拆開。從而使跑飛的程序納入正規(guī)。對(duì) 于決定程序流向的指令(如RET,ACALL,LCALL,LJMP ,Jz等)和某些對(duì)系統(tǒng)工作有重要作用的指令(SETB P1.0等)的后面，可重復(fù)寫這些指令2~3次，以確保這些指令的正確執(zhí)行。
2.軟件陷阱技術(shù)
所謂軟件陷阱，就是用引濘指令強(qiáng)行將捕獲的亂飛程序引向入口地址OOOOH ,在此處將程序轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理程序.使程序納入正規(guī)一方法是:對(duì)跑飛的程序?qū)⑽词褂玫闹袛嚅_放時(shí)，可在其對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，來及時(shí)捕捉到錯(cuò) 誤中斷。對(duì)于跑飛到未使用的EPROM空間的程序，可以在未使用的空間用0000020000數(shù)據(jù)填滿，后一條數(shù)據(jù)應(yīng)為020000當(dāng)程序跑飛到此區(qū) 后，便會(huì)迅速落入正規(guī)。
3.技術(shù)看門狗
微處理器受到干擾后，程序可能飛入“死循環(huán)”。這樣指令冗余，軟件陷阱都不能使程序擺脫“死循環(huán)”，我們可采用程序監(jiān)視技術(shù)，即通常所說的“看 門狗”技術(shù)。在程序正常執(zhí)行時(shí)，程序跟它打一次交道，即“喂狗”。如果程序跑飛以后，程序不能按時(shí)“喂狗”，跟“看門狗”有關(guān)電路就會(huì)強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位或者使 系統(tǒng)進(jìn)入錯(cuò)誤處理程序，使系統(tǒng)納入正規(guī)。常用的硬件“看門狗”有單穩(wěn)態(tài)型、計(jì)數(shù)器型，另外還有芯片，比如美信公司的MAX690A , MAX692A ,MAX705等。現(xiàn)在很多新型51系列單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成了“看門狗”，使用時(shí)用指令將其打開即可。
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