討論：智能逆變電源系統中監控模塊的抗干擾設計
2012-07-29
干擾的主要形式
工業現場的干擾通常都是以脈沖的形式進入系統，主要渠道有以下三種：空間干擾、供電系統干擾和過程通道干擾。其中空間干擾主要通過電磁波輻射的方式竄入系統，供電系統干擾是由于電源和傳輸線內阻的存在而產生的疊加干擾，過程通道干擾是指外界干擾通過與微處理器相連的通道引入系統。由于逆變電源監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程通道干擾。
干擾的主要影響
干擾對監控模塊的影響主要在輸入、輸出以及CPU單元。對輸入單元而言，干擾可使模擬信號失真，數字信號出錯，從而導致監控系統做出錯誤的判斷。對輸出單元而言，干擾可使各種輸出信號混亂，不能正常反映系統的真實輸出量。而當干擾作用于監控模塊的內核CPU時，后果更加嚴重，最典型的失控故障是破壞程序計數器PC的狀態，導致程序跑飛，或者進入死循環,從而導致一系列嚴重的后果。
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自外部的尖峰型串模干擾，因此在信號提取和轉換方面要進行特殊設計。例如：遠方溫度傳感器與電壓互感器的信號通過電壓/電流轉換器轉換成4～20mA的電流信號，采取電流傳輸的形式，在進入A/D轉換器時，再并聯一個250Ω的電阻，將電流信號轉換成1～5V的電壓信號;同時，在滿足采樣速率要求的前提下，模數轉換部分盡量采用雙積分式A/D轉換器;另外，應在輸入電路中加裝低通濾波器。對于數字量輸入通道則應采取光電隔離的措施。
輸出通道的抗干擾措施
監控模塊的輸出信號中，大多是數字信號，例如顯示裝置、打印裝置、通信、各種報警裝置以及各種繼電器的驅動信號。因此采取建立檢測通道的方法，單片機可以通過檢測通道來判斷輸出結果是否正確，并做出相應的處理。
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電路。看門狗電路本身可以看作是一個可被清除的定時脈沖發生器，如果沒有清除脈沖的話，它將產生一個復位信號。現以IMP公司的IMP706為例來說明其工作過程。IMP706每隔1.6s發出一個脈沖，在1.6s時間內若檢測到WCI引腳有高低電平跳變信號，則"看門狗"定時器清零并重新開始計時;若超出1.6s后，WCI引腳仍無高低電平跳變信號，則"看門狗"定時器溢出，WDO引腳輸出低電平，進而觸發MR手動復位引腳，使IMP706復位，從而使"看門狗"定時器清零并重新開始計時，WDO引腳輸出高電平，IMP706的RST復位輸出引腳輸出大約200ms寬度的低電平脈沖，使單片機控制系統可靠復位，重新投入正常運行。
印刷電路板的抗干擾設計
印刷電路板的布線與工藝對監控模塊的抗干擾性能至關重要，設計印刷電路板與布線時應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，通常分為三個區，即模擬電路區(怕干擾)，數字電路區(既怕干擾，又產生干擾)，功率區(干擾源);其次，在監控模塊中，通常應采取單點接地來抑制干擾，即將模擬地與數字地分開，分別做成閉合的環路，最終將它們與電源地線于一點相連。同時在每個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，對于不使用的CMOS或TLL電路引腳應根據具體情況接電源或接地。
傳輸線的抗干擾設計
在傳輸線路上，采用具有差分傳輸方式的RS485通信，并在其端口進行了阻抗匹配。
軟件抗干擾措施
數字濾波和數字調零技術
1)數字濾波技術即通過簡單的計算或者判斷程序，對采樣信號進行平滑處理，分離出有用的信號，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、算術平均濾波法、加權平均濾波法等。對逆變電源監控模塊而言，由于對采集的速度要求不是特別高，但對精度有較高的要求，同時由于被采集的模擬量變化緩慢，因此采用將算術平均濾波和中值濾波結合的復合濾波方法效果較好。其方法是，首先把采樣值按大小排隊，然后去掉最大和最小值，最后把剩余采集值加起來取平均值。
2)數字調零技術采用這種方法主要是為了消除模擬開關、放大電路以及A/D轉換器本身的偏差，削弱各種隨時間和溫度變化的漂移的影響。具體方法是先把模擬開關接到所需測量的輸入信號上，轉換后得到測量值為X1，然后把多路開關的輸入接地，測出零輸入時的測量值為X0，將X1減去X0即為實際輸入值X。
開關量和控制信號的冗余輸出
對于開關量，利用干擾信號與有效輸入信號脈寬不同的特點，采取讀兩次的辦法，即第一次讀入數據后延時1段時間后再讀一次，兩次結果相同才予以確認;在輸出的開關量控制中，也采取重復輸出數據的方法。這樣即使發生錯誤控制，也可以及時的得到彌補。
指令冗余和陷阱捕捉技術
由于失控的程序可能將操作數當作操作碼，使程序完全沖亂，但當遇到單字節指令時則會納入正軌。利用這一特點，可以在程序中對程序流向起決定性作用的指令(如LCALL、JNC、DJNZ等)或某些對系統工作狀態至關重要的指令(如SETBEA等)之前加入兩條NOP指令，以確保該指令不被沖散。
陷阱的設置就是采用一條引導指令，強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的處理程序，從而使系統重新正常運行。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LJMP0202。
利用“時間片"解決系統死鎖問題
在逆變電源監控模塊中，A/D轉換、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，而這些設備或接口對干擾很敏感，干擾一旦破壞了某一接口的狀態字后，就會導致CPU誤認為該接口有輸入/輸出請求而停止工作，轉去執行相應的輸入/輸出服務程序。但由于該接口本身并沒有輸入/輸出數據，從而使CPU資源被該服務程序長期占用而不釋放，其它任務程序無法執行，造成整個系統出現“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”現象，可以采用“時間片”的方法來解決。其具體步驟如下：
(1)根據不同的輸入/輸出外設對時間的要求，分配相應的最大正常的輸入/輸出時間;
(2)在每一輸入/輸出的任務模塊中，加入相應的超時判斷程序。這樣當干擾破壞了接口狀態而造成CPU誤操作時，由于該外設準備好信息長期無效，經過一定時間后，系統會從該外設的服務程序中自動返回，保證了整個軟件的周期性不受影響，從而避免了“死鎖”現象的發生。
以上討論的各種抗干擾措施，已經成功地在作者研制的智能化逆變電源監控模塊中得到了應用。實踐證明，采取了上述的措施以后，系統的抗干擾性能明顯增強，以前的一些故障現象，比如液晶顯示屏在工作過程中有時出現抖動、不穩，嚴重時無顯示的現象，完全消失。
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