淺析智能電表軟硬件的抗干擾設(shè)計(jì)

一、引言

智能電表的設(shè)計(jì)，由于微控制器的引入，對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。這是因?yàn)橛捎陔娫吹纫氲母蓴_可能導(dǎo)致程序指針跳飛，從而引起不可預(yù)測的后果，諸如電量數(shù)據(jù)的丟失、改變或死機(jī)等。像家用電腦和普通儀器儀表對(duì)死機(jī)等現(xiàn)象是允許的，可以通過人工復(fù)位，重新設(shè)置等手段來恢復(fù)，求長年連續(xù)的掛網(wǎng)運(yùn)行，如果運(yùn)行中出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，均要求能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。然而，在工程實(shí)際中，噪聲和干擾是不可避免的。目前，大多數(shù)智能電表都應(yīng)保證在干擾較強(qiáng)的現(xiàn)場運(yùn)行，因此如何提高智能電表的抗干擾能力，保證其在規(guī)定條件下正常運(yùn)行，以及防止儀表內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲對(duì)外部的輻射，是智能儀表設(shè)計(jì)中必須考慮的問題，也是關(guān)鍵問題。

二、硬件抗干擾設(shè)計(jì)

在智能電表研制的初期，我們發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，電表帶上電感性負(fù)載(比如電扇)時(shí)，在電扇快速插拔的瞬間，容易導(dǎo)致智能電表中單片機(jī)數(shù)據(jù)的丟失或死機(jī)。如果從設(shè)計(jì)上不能把智能電表的抗干擾問題解決好，后果將會(huì)非常嚴(yán)重。

(1)電源的抗干擾措施

實(shí)踐證明，系統(tǒng)失效和硬件損壞大都是由各種干擾引起的，而90％以上的干擾來自于電源?？梢娺@種來自電源的干擾對(duì)系統(tǒng)的影響相當(dāng)大，因此應(yīng)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好壞，直接影響整個(gè)電路的抗干擾能力的好壞。目前有以下幾種電源可供選擇：第一種阻容分壓式，它采用簡單的電阻電容分壓、濾波。但這種電源穩(wěn)壓性能差、電源波動(dòng)大、帶負(fù)載能力小、電網(wǎng)干擾極易串入，一般不采用這種方式。第二種開關(guān)電源，這種電源穩(wěn)壓性能好、紋波小，但成本較高且對(duì)外界電網(wǎng)干擾比較嚴(yán)重，也不宜采用。第三種線性電源，這種電源由220V經(jīng)交流變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓得到，穩(wěn)壓性能好、隔離特性好，價(jià)格適中，在目前應(yīng)用廣泛的多用戶電表設(shè)計(jì)中大都采用這種方式。對(duì)這種電源的抗干擾措施有以下幾個(gè)方面。

1. 對(duì)于電源變壓器的設(shè)計(jì)，要使其空載電流盡可能小，以降低整表功耗。增加變壓器的容量，能使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，而變壓器的容量受電表空間的限制，變壓器又不能太大。

2. 在電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電源濾波器，比如采用“雙繞組扼流圈”的濾波線路，它對(duì)高頻干擾信號(hào)阻抗很大，使整個(gè)電子系統(tǒng)與供電網(wǎng)之間得到一定程度的高頻隔離，對(duì)于外界空間電磁場的干擾，也起一定的抑制作用。

3. 在各相交流電源的進(jìn)線端，并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻(MOV)，其電阻隨電壓的增加而減小。在過壓時(shí)形成一個(gè)低阻的分流器，從而可以防止被保護(hù)電路兩端的電壓進(jìn)一步上升；當(dāng)浪涌電壓過后，電路電壓恢復(fù)到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

4. 在為主處理器提供電源之前的三端穩(wěn)壓器前，并接一個(gè)瞬變電壓抑制二極管(TVS)，對(duì)后面的電路起到保護(hù)作用。當(dāng)TVS兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度成為低阻抗器件，吸收大電流，從而把它兩端的電壓鉗位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。

5. 在變壓器一次側(cè)采取磁珠和電容組成的丌型濾波方法，對(duì)高頻干擾起作用，但對(duì)幾百赫茲以內(nèi)的低頻干擾作用卻很小。綜上所述，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境，選擇不同的抗干擾措施。

(2)電源檢測及看門狗電路

分析及實(shí)踐表明，對(duì)來自電網(wǎng)的干擾不僅要采取硬堵的辦法，還要采取容錯(cuò)措施。使用電源檢測及看門狗電路的目的，就是當(dāng)電源電壓出現(xiàn)干擾脈沖或單片機(jī)受干擾程序運(yùn)行異常時(shí)，產(chǎn)生一復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單穩(wěn)電路。當(dāng)程序運(yùn)行正常時(shí)，單片機(jī)定時(shí)給單穩(wěn)電路輸入觸發(fā)信號(hào)，使單片機(jī)輸出保持暫穩(wěn)態(tài)：當(dāng)干擾異常時(shí)，單片機(jī)不能給觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)輸出回到穩(wěn)態(tài)引起單片機(jī)硬件夏位：看門狗不僅對(duì)來自電網(wǎng)方面的干擾起作用，而且對(duì)來自空間等其他方面的干擾也起作用。然而如果沒有電源檢測電路，只有看門狗電路，在電網(wǎng)干擾下，即使不帶電感性負(fù)載，當(dāng)電源快速合閘時(shí)，也有可能導(dǎo)致死機(jī)。實(shí)踐證明，采用電源檢測及看門狗電路之后，死機(jī)觀象得到了有效地克服。

(3)串行E2PROM的選擇

因?yàn)殡姳頂?shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性至關(guān)重要，為了保證在掉電時(shí)以及在因干擾導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位時(shí)，智能電表中的主要數(shù)據(jù)和參數(shù)不丟夫，存儲(chǔ)器的選擇上要有所考慮。使用并行存儲(chǔ)器．雖然有速度快的特點(diǎn)，但讀寫信號(hào)容易受到干擾從而造成錯(cuò)誤。而采用串行E2PROM存儲(chǔ)器時(shí)，其讀寫時(shí)序相當(dāng)嚴(yán)格，受到干擾出錯(cuò)的幾率就小得多。

(4)布線布局上的抗干擾設(shè)計(jì)

在用電負(fù)荷很小時(shí)，220V的電壓與幾個(gè)μV的小信號(hào)會(huì)共集于一塊電路板上，如果電源布局不當(dāng)，有用信號(hào)會(huì)被噪聲所淹沒，以多用戶電表為例，在布線布局上的抗干擾措施有：

1. 電源與控制分兩塊板。在多用戶智能電表中分三部分：電源板，主機(jī)控制板和電能采集傳感器板。電源板包括變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等?？刂瓢灏ㄎ⑻幚砥?、顯示驅(qū)動(dòng)、看門狗電路、串行E2PROM、電能脈沖采集等。電能采集傳感器板包括A、B、C三相上各用戶的電能采集模塊及其外圍電路。對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)要求其漏磁要小，一般其空載電流不大于10mA，若仍不能滿足要求，可變換變壓器位置改變磁場方向，減小漏磁對(duì)小信號(hào)的影響。

2. 印刷電路板應(yīng)有良好的絕緣性，絕緣電阻大于1011ΩV。在電路設(shè)計(jì)中，必須嚴(yán)格保證強(qiáng)電與弱電的隔離，除了電路有直接連接外，100V以上的強(qiáng)電印刷布線與弱電印刷布線距離應(yīng)大于4—5mm。數(shù)字地與模擬地應(yīng)通過一點(diǎn)方式連接來提高抗干擾性能。

3. 在每個(gè)印刷電路扳入口處的電源線與地線之間并接退耦電容。并接的電容應(yīng)為一個(gè)大容量的電解電容(10～100μF)和一個(gè)0．01～0．1μF的非電解電窖，電路板上的大中規(guī)模IC要并接一個(gè)0．0lμF一0．1μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

4. 印刷線走線要科學(xué)，高壓走線盡量短，盡量遠(yuǎn)離小信號(hào)走線。對(duì)于電能采集傳感器板的印刷板布線要求一面走線．另一面銅鉑既作電磁屏蔽用、又作地線用，以減少干擾信號(hào)。除了要根據(jù)電流大小，盡量加大導(dǎo)線寬度外，采取使電源線、地線走向與數(shù)據(jù)信息傳送方向一致，將有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。布線時(shí)避免小于90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。不要在印制板上留下空白銅箔層，因?yàn)樗鼈兛梢猿洚?dāng)發(fā)射天線或接收天線，因此可將它們接地以減小電磁干擾。

5. 在線路無法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線”連接，而不用印刷線，或采用雙面印刷“飛線”或阻容元件直接跨接。

6. 對(duì)印刷板上容易受干擾的信號(hào)線，不能與產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行鋪設(shè)。必要時(shí)可在它們之間設(shè)置一根地線，以實(shí)現(xiàn)屏蔽。

當(dāng)然，這些布線與布局的抗干擾設(shè)計(jì)一般不能由自動(dòng)布線軟件來實(shí)現(xiàn)，必須有設(shè)計(jì)者親自參與并設(shè)計(jì)有關(guān)電路。