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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)：1701 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常苛刻，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?qū)⑽词褂玫闹袛嚅_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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