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基于稱重控制儀表的可靠性及抗干擾設計
點擊次數(shù):1742 更新時間:2019-01-25
  一、概述
 
  近年來隨著電子技術的飛速發(fā)展,集成電路工藝的提高,使得稱重儀表的設計更加簡單、所用元件更少,同時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合、有些是電網(wǎng)嚴重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機等)的場合,還有些工作在野外,所有這些場合都可能存在比較強的干擾源。這就對儀表在設計時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計措施。
 
  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)整流濾波后進入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓。事實上,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。對于整流電路來說,山于整流一極管為非線性元件,它工作 時,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),也會對系統(tǒng)構成威脅。解決的方法是在每只一極管的兩側并接一只0.0luF的聚乙烯電 容,另外,在PC B布線時,應使信號放大器盡量遠離電源和電源變壓器,好將整個系統(tǒng)電源分開做板。
 
  (2)功率接口的干擾
 
  有的儀表本身要馭動某些執(zhí)行元件,比如電磁閥、電動機、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動的,而這些元件的開啟會產(chǎn)生各種諧波和電 磁波,在設計儀表時必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對于繼電器來說,其觸點的斷開或閉合是干擾的源泉,解決的辦法就是在其觸點兩側增加阻容吸收回路,對 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合,比如中頻爐或者電焊機附近,這些設備在工作時會向周圍輻射出很強的電磁波, 這些強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,嚴重時能使整臺儀表報廢。為避免這種結果的發(fā)生,可 在電源的進線上并接一個壓敏電阻。以上我們談了干擾的起因以及簡單的抗干擾措施,這些措施在大多數(shù)情況下是有效的,但是,僅有這些是遠遠不夠的。我們知 道,稱重控制儀表是很精密的一種儀表,人們對它的檢測結果非??量?,在設計系統(tǒng)時,應引起足夠的重視。下面著重談一卜線路的抗干擾設計。
 
  四、PCB布線的抗干擾設計
 
  這部分設計主要包括模擬部分設計、電源部分設計、中央處理器及接口部分設計、顯示及按鍵部分設計等幾個部分。
 
  1.模擬電路設計
 
  稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號,由來于這個信號非常微弱,很容易受到各種干擾,使稱量不準確或不穩(wěn)定。因此,模擬部分的設計是 整個系統(tǒng)設計的重點。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉換器。從抗干擾的角度來考慮,可以將放大器和A/D轉換器單獨做在一起,這樣能夠減少干擾的引 入。另外,傳感器的輸出是一個緩慢變化的直流信號,在這個信號上異加了一個相當于橋路電壓的共模信號,因此,信號在放大前好加上一級差模放大,在這級放 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重的場合,可以考慮增加一級有源濾波器。在布線時,放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉換器的輸入。
 
  2.微處理器及接口電路的設計
 
  應該說數(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,它也會受到干擾。解決的辦法是,在每一個數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對地加 一個0.1 uF的獨立電容,如果空間有限,可以每3~4個芯片加一個10uF的鋇電解電容。布線時芯片的外圍元件應盡量靠近芯片木身,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,后單點連接即可。在焊接時,要采用中性助焊劑焊接,若采用酸性焊劑,系統(tǒng)工作一段時間之后會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,濘致焊點接 觸不良,甚至脫落。在工藝上,要防止虛焊。布線時,布局、結構要合理,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,應采 用電鍍金(或銀)的工藝。布線時還要注意,應避免線與線長距離平行走線,線與線的距離盡量加大。
 
  3.系統(tǒng)引線的選用原則
 
  儀表在設計時,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引線和串行接口引線等 等。在儀表裝配時這些引線不可太長,否則過長的引線容易引入電磁干擾。在使用引線時為了安裝方便,我們一般使用接插件,在選用接插件時,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計
 
  一、概述
 
  近年來隨著電子技術的飛速發(fā)展,集成電路工藝的提高,使得稱重儀表的設計更加簡單、所用元件更少,同時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合、有些是電網(wǎng)嚴重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機等)的場合,還有些工作在野外,所有這些場合都可能存在比較強的干擾源。這就對儀表在設計時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計措施。
 
  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)整流濾波后進入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓。事實上,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。對于整流電路來說,山于整流一極管為非線性元件,它工作 時,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),也會對系統(tǒng)構成威脅。解決的方法是在每只一極管的兩側并接一只0.0luF的聚乙烯電 容,另外,在PC B布線時,應使信號放大器盡量遠離電源和電源變壓器,好將整個系統(tǒng)電源分開做板。
 
  (2)功率接口的干擾
 
  有的儀表本身要馭動某些執(zhí)行元件,比如電磁閥、電動機、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動的,而這些元件的開啟會產(chǎn)生各種諧波和電 磁波,在設計儀表時必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對于繼電器來說,其觸點的斷開或閉合是干擾的源泉,解決的辦法就是在其觸點兩側增加阻容吸收回路,對 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合,比如中頻爐或者電焊機附近,這些設備在工作時會向周圍輻射出很強的電磁波, 這些強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,嚴重時能使整臺儀表報廢。為避免這種結果的發(fā)生,可 在電源的進線上并接一個壓敏電阻。以上我們談了干擾的起因以及簡單的抗干擾措施,這些措施在大多數(shù)情況下是有效的,但是,僅有這些是遠遠不夠的。我們知 道,稱重控制儀表是很精密的一種儀表,人們對它的檢測結果非??量?,在設計系統(tǒng)時,應引起足夠的重視。下面著重談一卜線路的抗干擾設計。
 
  四、PCB布線的抗干擾設計
 
  這部分設計主要包括模擬部分設計、電源部分設計、中央處理器及接口部分設計、顯示及按鍵部分設計等幾個部分。
 
  1.模擬電路設計
 
  稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號,由來于這個信號非常微弱,很容易受到各種干擾,使稱量不準確或不穩(wěn)定。因此,模擬部分的設計是 整個系統(tǒng)設計的重點。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉換器。從抗干擾的角度來考慮,可以將放大器和A/D轉換器單獨做在一起,這樣能夠減少干擾的引 入。另外,傳感器的輸出是一個緩慢變化的直流信號,在這個信號上異加了一個相當于橋路電壓的共模信號,因此,信號在放大前好加上一級差模放大,在這級放 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重的場合,可以考慮增加一級有源濾波器。在布線時,放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉換器的輸入。
 
  2.微處理器及接口電路的設計
 
  應該說數(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,它也會受到干擾。解決的辦法是,在每一個數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對地加 一個0.1 uF的獨立電容,如果空間有限,可以每3~4個芯片加一個10uF的鋇電解電容。布線時芯片的外圍元件應盡量靠近芯片木身,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,后單點連接即可。在焊接時,要采用中性助焊劑焊接,若采用酸性焊劑,系統(tǒng)工作一段時間之后會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,濘致焊點接 觸不良,甚至脫落。在工藝上,要防止虛焊。布線時,布局、結構要合理,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,應采 用電鍍金(或銀)的工藝。布線時還要注意,應避免線與線長距離平行走線,線與線的距離盡量加大。
 
  3.系統(tǒng)引線的選用原則
 
  儀表在設計時,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引線和串行接口引線等 等。在儀表裝配時這些引線不可太長,否則過長的引線容易引入電磁干擾。在使用引線時為了安裝方便,我們一般使用接插件,在選用接插件時,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
 
  竄入微機測控系統(tǒng)的干擾,其頻譜往往很寬,并且具有隨機性,采用硬件抗干擾措施,只能抑制某個頻段的干擾,仍有一部分干擾會侵入到系統(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,可在雙字節(jié)指令和二字節(jié)指令之后插入兩個空操作指令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 于決定程序流向的指令(如RET,ACALL,LCALL,LJMP ,Jz等)和某些對系統(tǒng)工作有重要作用的指令(SETB P1.0等)的后面,可重復寫這些指令2~3次,以確保這些指令的正確執(zhí)行。
 
  2.軟件陷阱技術
 
  所謂軟件陷阱,就是用引濘指令強行將捕獲的亂飛程序引向入口地址OOOOH ,在此處將程序轉向錯誤處理程序.使程序納入正規(guī)一方法是:對跑飛的程序將未使用的中斷開放時,可在其對應的中斷服務程序中設置軟件陷阱,來及時捕捉到錯 誤中斷。對于跑飛到未使用的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)應為020000當程序跑飛到此區(qū) 后,便會迅速落入正規(guī)。
 
  3.技術看門狗
 
  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,即通常所說的“看 門狗”技術。在程序正常執(zhí)行時,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“喂狗”,跟“看門狗”有關電路就會強迫系統(tǒng)復位或者使 系統(tǒng)進入錯誤處理程序,使系統(tǒng)納入正規(guī)。常用的硬件“看門狗”有單穩(wěn)態(tài)型、計數(shù)器型,另外還有芯片,比如美信公司的MAX690A , MAX692A ,MAX705等?,F(xiàn)在很多新型51系列單片機在芯片內(nèi)部集成了“看門狗”,使用時用指令將其打開即可。
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