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基于稱重控制儀表的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)
一,、概述
近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，集成電路工藝的提高,，使得稱重儀表的設(shè)計(jì)更加簡單、所用元件更少,，同時(shí)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(jì)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(yán)重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機(jī)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(qiáng)的干擾源,。這就對(duì)儀表在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓。事實(shí)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(yīng)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(duì)于整流電路來說,，山于整流一極管為非線性元件，它工作 時(shí),，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(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅,。解決的方法是在每只一極管的兩側(cè)并接一只0.0luF的聚乙烯電 容,，另外,，在PC B布線時(shí)，應(yīng)使信號(hào)放大器盡量遠(yuǎn)離電源和電源變壓器,，好將整個(gè)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(dòng)某些執(zhí)行元件，比如電磁閥,、電動(dòng)機(jī),、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動(dòng)的,，而這些元件的開啟會(huì)產(chǎn)生各種諧波和電 磁波,，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對(duì)于繼電器來說,，其觸點(diǎn)的斷開或閉合是干擾的源泉,，解決的辦法就是在其觸點(diǎn)兩側(cè)增加阻容吸收回路，對(duì) 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(jī)附近,，這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向周圍輻射出很強(qiáng)的電磁波， 這些強(qiáng)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(yán)重時(shí)能使整臺(tái)儀表報(bào)廢。為避免這種結(jié)果的發(fā)生,，可 在電源的進(jìn)線上并接一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)它的檢測(cè)結(jié)果非常苛刻，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),，應(yīng)引起足夠的重視,。下面著重談一卜線路的抗干擾設(shè)計(jì)。
四,、PCB布線的抗干擾設(shè)計(jì)
這部分設(shè)計(jì)主要包括模擬部分設(shè)計(jì),、電源部分設(shè)計(jì)、中央處理器及接口部分設(shè)計(jì),、顯示及按鍵部分設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分,。
1.模擬電路設(shè)計(jì)
稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號(hào)，由來于這個(gè)信號(hào)非常微弱,，很容易受到各種干擾,，使稱量不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定。因此,，模擬部分的設(shè)計(jì)是 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉(zhuǎn)換器,。從抗干擾的角度來考慮,，可以將放大器和A/D轉(zhuǎn)換器單獨(dú)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(gè)緩慢變化的直流信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)上異加了一個(gè)相當(dāng)于橋路電壓的共模信號(hào),，因此,，信號(hào)在放大前好加上一級(jí)差模放大，在這級(jí)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(yán)重的場合，可以考慮增加一級(jí)有源濾波器,。在布線時(shí)，放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉(zhuǎn)換器的輸入,。
2.微處理器及接口電路的設(shè)計(jì)
應(yīng)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(huì)受到干擾,。解決的辦法是,，在每一個(gè)數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對(duì)地加 一個(gè)0.1 uF的獨(dú)立電容，如果空間有限,，可以每3~4個(gè)芯片加一個(gè)10uF的鋇電解電容,。布線時(shí)芯片的外圍元件應(yīng)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(diǎn)連接即可,。在焊接時(shí)，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(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，濘致焊點(diǎn)接 觸不良,，甚至脫落,。在工藝上，要防止虛焊,。布線時(shí),，布局、結(jié)構(gòu)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(yīng)采 用電鍍金(或銀)的工藝,。布線時(shí)還要注意，應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)引線和串行接口引線等 等,。在儀表裝配時(shí)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(shí)為了安裝方便,，我們一般使用接插件，在選用接插件時(shí),，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(shè)計(jì)
一,、概述
近年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，集成電路工藝的提高，使得稱重儀表的設(shè)計(jì)更加簡單,、所用元件更少,，同時(shí)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(jì)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(yán)重污染 (比如電網(wǎng)中有大功率可控硅或者大功率電機(jī)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(qiáng)的干擾源,。這就對(duì)儀表在設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)入二端穩(wěn)壓器得到所需的各種直流電壓,。事實(shí)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(yīng)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(duì)于整流電路來說,，山于整流一極管為非線性元件,，它工作 時(shí)，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(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。解決的方法是在每只一極管的兩側(cè)并接一只0.0luF的聚乙烯電 容,，另外,，在PC B布線時(shí),，應(yīng)使信號(hào)放大器盡量遠(yuǎn)離電源和電源變壓器,，好將整個(gè)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(dòng)某些執(zhí)行元件，比如電磁閥,、電動(dòng)機(jī),、電爐絲等。這些元件是靠繼電器或者可控硅來馭動(dòng)的,，而這些元件的開啟會(huì)產(chǎn)生各種諧波和電 磁波,，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)必須采取有效措施來屏蔽這些干擾。對(duì)于繼電器來說,，其觸點(diǎn)的斷開或閉合是干擾的源泉,，解決的辦法就是在其觸點(diǎn)兩側(cè)增加阻容吸收回路，對(duì) 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(jī)附近,，這些設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向周圍輻射出很強(qiáng)的電磁波， 這些強(qiáng)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(yán)重時(shí)能使整臺(tái)儀表報(bào)廢。為避免這種結(jié)果的發(fā)生,，可 在電源的進(jìn)線上并接一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)它的檢測(cè)結(jié)果非常苛刻,，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),，應(yīng)引起足夠的重視。下面著重談一卜線路的抗干擾設(shè)計(jì),。
四,、PCB布線的抗干擾設(shè)計(jì)
這部分設(shè)計(jì)主要包括模擬部分設(shè)計(jì),、電源部分設(shè)計(jì)、中央處理器及接口部分設(shè)計(jì),、顯示及按鍵部分設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分,。
1.模擬電路設(shè)計(jì)
稱重儀表模擬部分的輸入是稱重傳感器的輸出信號(hào)，由來于這個(gè)信號(hào)非常微弱,，很容易受到各種干擾,，使稱量不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定。因此,，模擬部分的設(shè)計(jì)是 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。模擬部分包括傳感器、放大器,A/D轉(zhuǎn)換器,。從抗干擾的角度來考慮,，可以將放大器和A/D轉(zhuǎn)換器單獨(dú)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(gè)緩慢變化的直流信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)上異加了一個(gè)相當(dāng)于橋路電壓的共模信號(hào),，因此,，信號(hào)在放大前好加上一級(jí)差模放大，在這級(jí)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(yán)重的場合，可以考慮增加一級(jí)有源濾波器,。在布線時(shí),，放大器的輸出引線要 盡量靠近A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。
2.微處理器及接口電路的設(shè)計(jì)
應(yīng)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(huì)受到干擾。解決的辦法是,，在每一個(gè)數(shù)字電路的電源弓}腳旁邊對(duì)地加 一個(gè)0.1 uF的獨(dú)立電容,，如果空間有限，可以每3~4個(gè)芯片加一個(gè)10uF的鋇電解電容,。布線時(shí)芯片的外圍元件應(yīng)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(diǎn)連接即可,。在焊接時(shí)，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(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,，濘致焊點(diǎn)接 觸不良，甚至脫落,。在工藝上，要防止虛焊,。布線時(shí),，布局、結(jié)構(gòu)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(yīng)采 用電鍍金(或銀)的工藝,。布線時(shí)還要注意，應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)引線和串行接口引線等 等,。在儀表裝配時(shí)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(shí)為了安裝方便,，我們一般使用接插件，在選用接插件時(shí),，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(jī)測(cè)控系統(tǒng)的干擾,，其頻譜往往很寬，并且具有隨機(jī)性,，采用硬件抗干擾措施,，只能抑制某個(gè)頻段的干擾，仍有一部分干擾會(huì)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(shí)，可在雙字節(jié)指令和二字節(jié)指令之后插入兩個(gè)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(duì) 于決定程序流向的指令(如RET,ACALL,LCALL,LJMP ,Jz等)和某些對(duì)系統(tǒng)工作有重要作用的指令(SETB P1.0等)的后面，可重復(fù)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(shù)
所謂軟件陷阱，就是用引濘指令強(qiáng)行將捕獲的亂飛程序引向入口地址OOOOH ,在此處將程序轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理程序.使程序納入正規(guī)一方法是:對(duì)跑飛的程序?qū)⑽词褂玫闹袛嚅_放時(shí),，可在其對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱,，來及時(shí)捕捉到錯(cuò) 誤中斷。對(duì)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(yīng)為020000當(dāng)程序跑飛到此區(qū) 后，便會(huì)迅速落入正規(guī),。
3.技術(shù)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(shù)，即通常所說的“看 門狗”技術(shù),。在程序正常執(zhí)行時(shí),，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(shí)“喂狗”，跟“看門狗”有關(guān)電路就會(huì)強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位或者使 系統(tǒng)進(jìn)入錯(cuò)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(jì)數(shù)器型,，另外還有芯片,，比如美信公司的MAX690A , MAX692A ,MAX705等。現(xiàn)在很多新型51系列單片機(jī)在芯片內(nèi)部集成了“看門狗”,，使用時(shí)用指令將其打開即可,。