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工業(yè)稱重儀表的抗干擾與處理攪拌系統(tǒng)復(fù)雜工況
發(fā)布日期：
2014-04-30
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作為工業(yè)自動(dòng)化核心部件的稱重儀表，不同于商用衡器，往往面臨更復(fù)雜的工況。對(duì)于拌和站電磁環(huán)境比較惡劣的情況下，一些大規(guī)模集成電路常常會(huì)受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯(cuò)誤狀態(tài)下運(yùn)行，造成的后果往往是很嚴(yán)重的。因此對(duì)抗干擾性能的了解是稱量?jī)x表選型的關(guān)鍵。稱重儀表電磁兼容性是一項(xiàng)重要指標(biāo)，它包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。如果一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)符條件合下面三個(gè)條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：
1．對(duì)其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；
2．對(duì)其他系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；
3．對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。
假若干擾不能*消除，但也要使干擾減少到zui小。電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過串?dāng)_或輻射耦合）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導(dǎo)體和通過輻射，很多磁電發(fā)射源、如光照、繼電器、DC電機(jī)和日光燈都可以引起干擾；AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號(hào)。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的zui大產(chǎn)生源，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300MHz的諧波失真，在系統(tǒng)中應(yīng)該把他們?nèi)サ?。另外，在單片機(jī)系統(tǒng)中zui容易受影響的是復(fù)位線，中斷線和控制線。
1、干擾的耦合方式
?。?）傳導(dǎo)性EMI
一種zui明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可檢拾噪聲并把噪聲送到其他電路引起干擾。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線檢拾噪聲和在噪聲引起干擾前用去耦辦法去除噪聲。zui普通的例子是噪聲通過電源進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其他電路是干擾源，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦。
?。?）公共阻抗耦合
當(dāng)來自兩個(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定，來自兩個(gè)電路的地電流流過共地阻抗。電路a的地電位被電流b調(diào)制，噪聲信號(hào)或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路b耦合到電路a。
（3）輻射耦合
經(jīng)輻射的耦合通稱串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。
（4）輻射發(fā)射
輻射發(fā)射有兩種基本類型；差分模式(DM)和共模(CM)。電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)電地位之上。就電場(chǎng)大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問題。為使CM輻射zui小，必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)使共模電流降到零。
2、影響EMC的因數(shù)
?。?）電壓。電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。
?。?）頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號(hào)產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)；在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。
?。?）接地。在所有EMC問題中，主要問題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適宜高頻；在高頻應(yīng)用中，采用多點(diǎn)接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的接地電路絕不能混合。
?。?）PCB設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娮佑?jì)數(shù)臺(tái)秤電路布線對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。
?。?）電源去耦。當(dāng)器件開關(guān)時(shí)，在電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di/dt產(chǎn)生大范圍的高頻電流，激勵(lì)部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降z(mì)ui小。
3、稱量?jī)x表對(duì)抗干擾與復(fù)雜工況處理的硬件要求
在硬件上要求儀表廠家必須具有以下措施：
（1）PCB及電路抗干擾措施
印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施作一些說明。
?、匐娫淳€設(shè)計(jì)
根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻；同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
?、诘鼐€設(shè)計(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合來使用，可解決大部分干擾問題。單片機(jī)系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。
在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
a．正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。
b.數(shù)字地與模擬地分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線性電路的接地面積。
c．接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。
d．接地線構(gòu)成閉環(huán)路。電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降；若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
?、弁笋铍娙菖渲?br />
PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一，是在印刷板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙?。退耦電容的一般配置原則是：
a．電源輸入端跨接10～100μF的電解電容器。如有可能，接100μF以上的更好。
b．原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠，可每4～8個(gè)芯片布置一個(gè)1～10pF的鉭電容。
c．對(duì)于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退耦電容。
d．電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。
此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
a．在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。一般R取1～2kΩ，C取2.2～47μF。
b．CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時(shí)，對(duì)不用端要接地或接正電源。
輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計(jì)：
在單片機(jī)系統(tǒng)中輸入/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線，和接收射頻干擾信號(hào)的拾檢源，稱重儀表設(shè)計(jì)時(shí)一般要采取有效的措施：
?、俨捎帽匾墓材?差模抑制電路，同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)入。
?、谠跅l件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施（如光電隔離或者磁電隔離），從而阻斷干擾的傳播。
?。?）單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對(duì)整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)行起著特別重要的作用，因?yàn)樗械母蓴_源不可能全部被隔離或去除，一旦進(jìn)入CPU干擾程序的正常運(yùn)行，那么復(fù)位系統(tǒng)結(jié)合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯(cuò)防御的屏障了。常用的復(fù)位系統(tǒng)有以下兩種：
?、偻獠繌?fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計(jì)也可以用專門的“看門狗”芯片來搭建。然而，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，大部分“看門狗”芯片對(duì)低頻“喂狗”信號(hào)不能響應(yīng)，而高頻“喂狗”信號(hào)都能響應(yīng)，使其在低頻“喂狗”信號(hào)下產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作而在高頻的“喂狗”信號(hào)下不產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，這樣，如果程序系統(tǒng)陷入一個(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號(hào)的話，那么該復(fù)位電路就無法實(shí)現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有帶通的“喂狗”電路和其他復(fù)位電路構(gòu)成的系統(tǒng)就是一個(gè)很有效外部監(jiān)控系統(tǒng)了。
?、诂F(xiàn)在越來越多的單片機(jī)都帶有自己的片上復(fù)位系統(tǒng)，這樣用戶就可以很方便的使用其內(nèi)部的復(fù)位定時(shí)器了，但是，有一些型號(hào)的單片機(jī)它的復(fù)位指令太過于簡(jiǎn)單，這樣也會(huì)存在象上述死循環(huán)那樣的“喂狗”指令，使其失去監(jiān)控作用。有一些單片機(jī)的片上復(fù)位指令就做的比較好，一般他們把“喂狗”信號(hào)做成固定格式的多條指令依順序來執(zhí)行，如果有一定錯(cuò)誤則該“喂狗”操作無效，這樣就大大提高了復(fù)位電路的可靠性。
?。?）振蕩器
大部分的單片機(jī)都有一個(gè)耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。要求外接是電容、晶體或陶瓷諧振器的引線越短越好。RC振蕩器對(duì)干擾信號(hào)有潛在的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時(shí)鐘周期，因而選晶體或陶瓷諧振器。另外，石英晶體的外殼要接地。
?。?）防雷擊措施
室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外架空引入室內(nèi)的電源線、信號(hào)線，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS等。氣體放電管是當(dāng)電源的電壓大于某一數(shù)值時(shí)，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。
（6）電源系統(tǒng)抗干擾
由于工業(yè)電源特別是攪拌設(shè)備的電源工況復(fù)雜，因此如何在不穩(wěn)定電源場(chǎng)合確保儀表工作穩(wěn)定尤為重要。
常用的開關(guān)電源與線性電源相比各有優(yōu)缺點(diǎn)：開關(guān)電源作為恒功率器件，外部供電電壓高則輸出電流小，電壓低則輸出電流大，從而維持輸入到儀表內(nèi)部的功率恒定，從而減少儀表內(nèi)部溫度差，更不會(huì)因過熱造成元件損壞。而線性電源在電壓升高時(shí)，電流將增大，特別是電壓運(yùn)行高于240VAC時(shí)，內(nèi)部溫升加快，會(huì)造成變壓器或三端穩(wěn)壓器等損壞，在低于220VAC時(shí)，會(huì)造成運(yùn)行不可靠或停止運(yùn)行。所以一般工業(yè)控制采用開關(guān)電源方式，而試驗(yàn)或商用設(shè)備采用線性電源較為合理。電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤由于電源波動(dòng)會(huì)造成儀表輸出的激勵(lì)電壓波動(dòng)，因此稱量值會(huì)隨之變化，故應(yīng)采用較為保險(xiǎn)的多級(jí)穩(wěn)壓方案。部分稱重儀表均采用二級(jí)穩(wěn)壓，當(dāng)外部電壓波動(dòng)，對(duì)儀表讀數(shù)影響甚小；而有些儀表采用一級(jí)穩(wěn)壓，稱重?cái)?shù)值隨外部電壓波動(dòng)而異常變化根本無法滿足要求。
（7）模擬信號(hào)輸出
有些稱重儀表廠家為降低成本，往往采用12位脈寬調(diào)制方法輸出模擬信號(hào)，這有幾個(gè)壞處：①由于脈沖來自單片機(jī)系統(tǒng)，占用晶振資源，往往造成輸出模擬值滯后儀表讀數(shù)很多；②低位數(shù)的脈寬調(diào)制往往在重復(fù)性、線性上較差，再加上信號(hào)給上位機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換又有精度損失，故此方案用于配料精度高場(chǎng)合不可行。部分稱重儀表由于采用16位DA轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)而成為較佳的選擇。
（8）來自稱體的干擾
由于秤體的結(jié)構(gòu)變化或物料的粘附等造成稱重?cái)?shù)值漂移，因此必須在啟動(dòng)配料時(shí)須有自動(dòng)清零功能，部分稱重儀表的此功能確保每次配料的準(zhǔn)確性。
?。?）信號(hào)輸入范圍
很多添加量較小的材料因秤體自重較重，零位信號(hào)較高，放大信號(hào)也由于使用3mv/v電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤傳感器而接近30mv，對(duì)于此要求很多儀表由于放大器設(shè)計(jì)所限zui大只能接受25m號(hào)而導(dǎo)致不能調(diào)校，只能通過加高精度電阻下拉信號(hào)電壓，但這往往對(duì)于野外作業(yè)的工地是個(gè)難題。因此有合理的適合攪拌系統(tǒng)使用信號(hào)輸入范圍也應(yīng)成為選型要求之一。部分稱重儀表產(chǎn)品，零位可調(diào)電壓在0-15mv，放大可調(diào)zui大至35mv，非常適合瀝青秤、外加劑秤使用。
4、對(duì)干擾措施的軟件處理方法
電磁干擾源所產(chǎn)生的干擾信號(hào)在一些特定的情況下比如在一些電磁環(huán)境比較惡劣的情況下是無法*消除的，zui終將會(huì)進(jìn)入CPU處理的的核心單元，這樣在一些大規(guī)模集成電路常常會(huì)受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯(cuò)誤狀態(tài)下工作。特別是像RAM這種利用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)的器件，往往會(huì)在強(qiáng)干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來存儲(chǔ)的“0”變?yōu)?ldquo;1”，或者“1”變?yōu)?ldquo;0”；一些串行傳輸?shù)臅r(shí)序及數(shù)據(jù)會(huì)因干擾而發(fā)生改變；更嚴(yán)重的會(huì)破壞一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)等；造成的后果往往是很嚴(yán)重的。在這種情況下軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力的高低。
程序會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_大致會(huì)一下幾種情況：
程序跑飛
這種情況是zui常見的干擾結(jié)果，一般來說有一個(gè)好的復(fù)位系統(tǒng)或軟件幀測(cè)系統(tǒng)即可，對(duì)整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。
死循環(huán)或不正常程序代碼運(yùn)行
當(dāng)然這種死循環(huán)和不正常程序代碼并非設(shè)計(jì)人員有意寫入的，知道程序的指令是由字節(jié)組成的，有的是單字節(jié)指令而有的是多字節(jié)指令，當(dāng)干擾產(chǎn)生后使得PC指針發(fā)生變化，從而使原來的程序代碼發(fā)生了重組產(chǎn)生了不可預(yù)測(cè)的可執(zhí)行的程序代碼，那么，這種錯(cuò)誤是致命的，它會(huì)有可能會(huì)去修改重要的數(shù)據(jù)電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤參數(shù)，有可能產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的控制輸出等一系列錯(cuò)誤狀態(tài)。
對(duì)重要參數(shù)儲(chǔ)存的措施
一般情況下，我們可以采用錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正來有效地減少或避免這種情況的出現(xiàn)。根據(jù)檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的原理，主要思想是在數(shù)據(jù)寫入時(shí)，根據(jù)寫入的數(shù)據(jù)生成一定位數(shù)的校驗(yàn)碼，與相應(yīng)的數(shù)據(jù)一起保存起來；當(dāng)讀出時(shí)，同時(shí)也將校驗(yàn)碼讀出，進(jìn)行判決。如果出現(xiàn)一位錯(cuò)誤則自動(dòng)糾正，將正確的數(shù)據(jù)送出，并同時(shí)將改正以后的數(shù)據(jù)回寫覆蓋原來錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)；如果出現(xiàn)兩位錯(cuò)誤則產(chǎn)生中斷報(bào)告，通知CPU進(jìn)行異常處理。所有這一切動(dòng)作都是靠軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)完成的，具有實(shí)時(shí)性和自動(dòng)完成的特點(diǎn)。通過這樣的設(shè)計(jì)，能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
檢錯(cuò)與糾錯(cuò)原理：
首先來看看檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的基本原理。進(jìn)行差錯(cuò)控制的基本思想是在信息碼組中以一定規(guī)則加入不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時(shí)候依靠多余的監(jiān)督碼或校碼碼來發(fā)現(xiàn)或自動(dòng)糾正錯(cuò)誤。
針對(duì)誤碼發(fā)生的特點(diǎn)，即錯(cuò)誤發(fā)生的隨機(jī)性和小概率性，它幾乎總是隨機(jī)地影響某個(gè)字節(jié)中的某一位，因此，如果能夠設(shè)計(jì)自動(dòng)糾正一位錯(cuò)誤，而檢查兩位錯(cuò)誤的編碼方式。就可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。
在編制程序時(shí)我們是寫入一些檢測(cè)程序來測(cè)試和的數(shù)據(jù)代碼，看有無發(fā)生錯(cuò)誤，一旦發(fā)生要立即糾正，糾正不了的要及時(shí)給出錯(cuò)誤指示，以便用戶去處理。
另外，在編制程序時(shí)加入程序冗余是*的。在一定的地方加入三條或三條以上NOP指令對(duì)程序的重組有著很有效防止作用。同時(shí)，在程序的運(yùn)行狀態(tài)中要引入標(biāo)志數(shù)據(jù)和檢測(cè)狀態(tài)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤產(chǎn)生。
總的來說為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性，不僅要合理電子計(jì)數(shù)臺(tái)秤設(shè)計(jì)板，而且要在稱重儀表的電路結(jié)構(gòu)上及軟硬件中采取相應(yīng)的措施。
