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基于称重控制仪表的可靠性及抗干扰设计
点击次数:174 发布时间:2019-01-25
  一、概述
 
  近年来随着电子技术的飞速发展,集成电路工艺的提高,使得称重仪表的设计更加简单、所用元件更少,同时称重控制仪表的性能及可靠性也得到了较快 发展。无论是其称量速度、计量精度、以及稳定性都得到了很大改善。但是,山于称重控制仪表的工作环境比较恶劣,有些是高温高辐射场合、有些是电网严重污染 (比如电网中有大功率可控硅或者大功率电机等)的场合,还有些工作在野外,所有这些场合都可能存在比较强的干扰源。这就对仪表在设计时的抗干扰性提出了更 高的要求。下面根据干扰的类型分别阐述其设计措施。
 
  二、电路本身产生的噪声
 
  (1)电源电路产生的干扰
 
  目前,大部分仪表采用的直流供电方式。
 
  市电经电源变压器,得到所需的交流电压,然后,经整流滤波后进入二端稳压器得到所需的各种直流电压。事实上,这几部分都有可能产生干扰,从电网 窜入的干扰一部分是高频干扰,一部分是低频干扰。低频干扰可在滤波电路中作为波纹一块滤除,高频部分可山噪声滤波器滤除。电源变压器是利用电磁感应原理工 作的,由于磁路并不完全闭合,有一部分泄漏于其周围形成干扰,这部分干扰可采取电磁屏蔽来消除。对于整流电路来说,山于整流一极管为非线性元件,它工作 时,要产生基波为SOHz的多次谐波,如果这些谐波窜入后而的系统,也会对系统构成威胁。解决的方法是在每只一极管的两侧并接一只0.0luF的聚乙烯电 容,另外,在PC B布线时,应使信号放大器尽量远离电源和电源变压器,好将整个系统电源分开做板。
 
  (2)功率接口的干扰
 
  有的仪表本身要驭动某些执行元件,比如电磁阀、电动机、电炉丝等。这些元件是靠继电器或者可控硅来驭动的,而这些元件的开启会产生各种谐波和电 磁波,在设计仪表时必须采取有效措施来屏蔽这些干扰。对于继电器来说,其触点的断开或闭合是干扰的源泉,解决的办法就是在其触点两侧增加阻容吸收回路,对 于可控硅电路也可采取同样的方法。
 
  三、外界干扰
 
  外界干扰主要是电磁干扰和辐射干扰,如果仪表工作在某些特定的场合,比如中频炉或者电焊机附近,这些设备在工作时会向周围辐射出很强的电磁波, 这些强电磁波很容易窜入仪表的前向通道或者窜入数字系统,造成程序跑飞,解决这类问题的办法是用金属外壳来屏蔽这些干扰。国内有些厂家生产的称重仪表就采 用铝合金外壳。还有一种外界干扰是来自太空,这种干扰具有破坏性,它就是雷电,轻者它能损坏元器件,严重时能使整台仪表报废。为避免这种结果的发生,可 在电源的进线上并接一个压敏电阻。以上我们谈了干扰的起因以及简单的抗干扰措施,这些措施在大多数情况下是有效的,但是,仅有这些是远远不够的。我们知 道,称重控制仪表是很精密的一种仪表,人们对它的检测结果非?量,在设计系统时,应引起足够的重视。下面着重谈一卜线路的抗干扰设计。
 
  四、PCB布线的抗干扰设计
 
  这部分设计主要包括模拟部分设计、电源部分设计、中央处理器及接口部分设计、显示及按键部分设计等几个部分。
 
  1.模拟电路设计
 
  称重仪表模拟部分的输入是称重传感器的输出信号,由来于这个信号非常微弱,很容易受到各种干扰,使称量不准确或不稳定。因此,模拟部分的设计是 整个系统设计的重点。模拟部分包括传感器、放大器,A/D转换器。从抗干扰的角度来考虑,可以将放大器和A/D转换器单独做在一起,这样能够减少干扰的引 入。另外,传感器的输出是一个缓慢变化的直流信号,在这个信号上异加了一个相当于桥路电压的共模信号,因此,信号在放大前好加上一级差模放大,在这级放 大器上加入积分环节,就可以起到一定的抗干扰作用。如果传感器工作在电磁干扰比较严重的场合,可以考虑增加一级有源滤波器。在布线时,放大器的输出引线要 尽量靠近A/D转换器的输入。
 
  2.微处理器及接口电路的设计
 
  应该说数字电路木身就有抗干扰作用,但如果干扰超过了器件的噪声容限,它也会受到干扰。解决的办法是,在每一个数字电路的电源弓}脚旁边对地加 一个0.1 uF的独立电容,如果空间有限,可以每3~4个芯片加一个10uF的钡电解电容。布线时芯片的外围元件应尽量靠近芯片木身,还要尽量减小芯片电源与地的公 共阻抗,模拟地与数字地分开布线,后单点连接即可。在焊接时,要采用中性助焊剂焊接,若采用酸性焊剂,系统工作一段时间之后会出现腐蚀现象,泞致焊点接 触不良,甚至脱落。在工艺上,要防止虚焊。布线时,布局、结构要合理,各种走线要尽量短,并且将发热量大的元件与其它元件分开,如果印刷板有引出脚,应采 用电镀金(或银)的工艺。布线时还要注意,应避免线与线长距离平行走线,线与线的距离尽量加大。
 
  3.系统引线的选用原则
 
  仪表在设计时,不可避免的要用到引线,常见的有电源引线,显示及按键引线,模拟部分与数字部分引线,有的仪表还有打印机引线和串行接口引线等 等。在仪表装配时这些引线不可太长,否则过长的引线容易引入电磁干扰。在使用引线时为了安装方便,我们一般使用接插件,在选用接插件时,尽量选用接触可靠 的元件,防止因接触不良而引入干扰。
 
  3.基于称重控制仪表的可靠性及抗干扰设计
 
  一、概述
 
  近年来随着电子技术的飞速发展,集成电路工艺的提高,使得称重仪表的设计更加简单、所用元件更少,同时称重控制仪表的性能及可靠性也得到了较快 发展。无论是其称量速度、计量精度、以及稳定性都得到了很大改善。但是,山于称重控制仪表的工作环境比较恶劣,有些是高温高辐射场合、有些是电网严重污染 (比如电网中有大功率可控硅或者大功率电机等)的场合,还有些工作在野外,所有这些场合都可能存在比较强的干扰源。这就对仪表在设计时的抗干扰性提出了更 高的要求。下面根据干扰的类型分别阐述其设计措施。
 
  二、电路本身产生的噪声
 
  (1)电源电路产生的干扰
 
  目前,大部分仪表采用的直流供电方式。
 
  市电经电源变压器,得到所需的交流电压,然后,经整流滤波后进入二端稳压器得到所需的各种直流电压。事实上,这几部分都有可能产生干扰,从电网 窜入的干扰一部分是高频干扰,一部分是低频干扰。低频干扰可在滤波电路中作为波纹一块滤除,高频部分可山噪声滤波器滤除。电源变压器是利用电磁感应原理工 作的,由于磁路并不完全闭合,有一部分泄漏于其周围形成干扰,这部分干扰可采取电磁屏蔽来消除。对于整流电路来说,山于整流一极管为非线性元件,它工作 时,要产生基波为SOHz的多次谐波,如果这些谐波窜入后而的系统,也会对系统构成威胁。解决的方法是在每只一极管的两侧并接一只0.0luF的聚乙烯电 容,另外,在PC B布线时,应使信号放大器尽量远离电源和电源变压器,好将整个系统电源分开做板。
 
  (2)功率接口的干扰
 
  有的仪表本身要驭动某些执行元件,比如电磁阀、电动机、电炉丝等。这些元件是靠继电器或者可控硅来驭动的,而这些元件的开启会产生各种谐波和电 磁波,在设计仪表时必须采取有效措施来屏蔽这些干扰。对于继电器来说,其触点的断开或闭合是干扰的源泉,解决的办法就是在其触点两侧增加阻容吸收回路,对 于可控硅电路也可采取同样的方法。
 
  三、外界干扰
 
  外界干扰主要是电磁干扰和辐射干扰,如果仪表工作在某些特定的场合,比如中频炉或者电焊机附近,这些设备在工作时会向周围辐射出很强的电磁波, 这些强电磁波很容易窜入仪表的前向通道或者窜入数字系统,造成程序跑飞,解决这类问题的办法是用金属外壳来屏蔽这些干扰。国内有些厂家生产的称重仪表就采 用铝合金外壳。还有一种外界干扰是来自太空,这种干扰具有破坏性,它就是雷电,轻者它能损坏元器件,严重时能使整台仪表报废。为避免这种结果的发生,可 在电源的进线上并接一个压敏电阻。以上我们谈了干扰的起因以及简单的抗干扰措施,这些措施在大多数情况下是有效的,但是,仅有这些是远远不够的。我们知 道,称重控制仪表是很精密的一种仪表,人们对它的检测结果非?量,在设计系统时,应引起足够的重视。下面着重谈一卜线路的抗干扰设计。
 
  四、PCB布线的抗干扰设计
 
  这部分设计主要包括模拟部分设计、电源部分设计、中央处理器及接口部分设计、显示及按键部分设计等几个部分。
 
  1.模拟电路设计
 
  称重仪表模拟部分的输入是称重传感器的输出信号,由来于这个信号非常微弱,很容易受到各种干扰,使称量不准确或不稳定。因此,模拟部分的设计是 整个系统设计的重点。模拟部分包括传感器、放大器,A/D转换器。从抗干扰的角度来考虑,可以将放大器和A/D转换器单独做在一起,这样能够减少干扰的引 入。另外,传感器的输出是一个缓慢变化的直流信号,在这个信号上异加了一个相当于桥路电压的共模信号,因此,信号在放大前好加上一级差模放大,在这级放 大器上加入积分环节,就可以起到一定的抗干扰作用。如果传感器工作在电磁干扰比较严重的场合,可以考虑增加一级有源滤波器。在布线时,放大器的输出引线要 尽量靠近A/D转换器的输入。
 
  2.微处理器及接口电路的设计
 
  应该说数字电路木身就有抗干扰作用,但如果干扰超过了器件的噪声容限,它也会受到干扰。解决的办法是,在每一个数字电路的电源弓}脚旁边对地加 一个0.1 uF的独立电容,如果空间有限,可以每3~4个芯片加一个10uF的钡电解电容。布线时芯片的外围元件应尽量靠近芯片木身,还要尽量减小芯片电源与地的公 共阻抗,模拟地与数字地分开布线,后单点连接即可。在焊接时,要采用中性助焊剂焊接,若采用酸性焊剂,系统工作一段时间之后会出现腐蚀现象,泞致焊点接 触不良,甚至脱落。在工艺上,要防止虚焊。布线时,布局、结构要合理,各种走线要尽量短,并且将发热量大的元件与其它元件分开,如果印刷板有引出脚,应采 用电镀金(或银)的工艺。布线时还要注意,应避免线与线长距离平行走线,线与线的距离尽量加大。
 
  3.系统引线的选用原则
 
  仪表在设计时,不可避免的要用到引线,常见的有电源引线,显示及按键引线,模拟部分与数字部分引线,有的仪表还有打印机引线和串行接口引线等 等。在仪表装配时这些引线不可太长,否则过长的引线容易引入电磁干扰。在使用引线时为了安装方便,我们一般使用接插件,在选用接插件时,尽量选用接触可靠 的元件,防止因接触不良而引入干扰。
 
  五、软件抗干扰措施
 
  窜入微机测控系统的干扰,其频谱往往很宽,并且具有随机性,采用硬件抗干扰措施,只能抑制某个频段的干扰,仍有一部分干扰会侵入到系统。这就要采取软件抗干扰措施。软件抗干扰方法有以下几种:
 
  1.指令冗余
 
  在编写系统程序时,可在双字节指令和二字节指令之后插入两个空操作指令NOP,这样可以保证其后的指令不被拆开。从而使跑飞的程序纳入正规。对 于决定程序流向的指令(如RET,ACALL,LCALL,LJMP ,Jz等)和某些对系统工作有重要作用的指令(SETB P1.0等)的后面,可重复写这些指令2~3次,以确保这些指令的正确执行。
 
  2.软件陷阱技术
 
  所谓软件陷阱,就是用引泞指令强行将捕获的乱飞程序引向入口地址OOOOH ,在此处将程序转向错误处理程序.使程序纳入正规一方法是:对跑飞的程序将未使用的中断开放时,可在其对应的中断服务程序中设置软件陷阱,来及时捕捉到错 误中断。对于跑飞到未使用的EPROM空间的程序,可以在未使用的空间用0000020000数据填满,后一条数据应为020000当程序跑飞到此区 后,便会迅速落入正规。
 
  3.技术看门狗
 
  微处理器受到干扰后,程序可能飞入“死循环”。这样指令冗余,软件陷阱都不能使程序摆脱“死循环”,我们可采用程序监视技术,即通常所说的“看 门狗”技术。在程序正常执行时,程序跟它打一次交道,即“喂狗”。如果程序跑飞以后,程序不能按时“喂狗”,跟“看门狗”有关电路就会强迫系统复位或者使 系统进入错误处理程序,使系统纳入正规。常用的硬件“看门狗”有单稳态型、计数器型,另外还有专用芯片,比如美信公司的MAX690A , MAX692A ,MAX705等。现在很多新型51系列单片机在芯片内部集成了“看门狗”,使用时用指令将其打开即可。
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