工業(yè)電子秤儀表抗干擾功能在攪拌系統(tǒng)里的應(yīng)用

　　前言
　　
　　作為工業(yè)自動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)模集成電路常常會受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯誤狀態(tài)下運行，造成的后果往往是很嚴(yán)重的。因此對抗干擾性能的了解是稱量儀表選型的關(guān)鍵。我們在對珠海市長陸工業(yè)自動控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的UNI800與TR600和其它同類廠家產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)比較過程中，獲得了一個好單片機(jī)系統(tǒng)（稱重儀表）應(yīng)具備的抗干擾性能方面的分析經(jīng)驗。在此與同行分享，希望以此促進(jìn)行業(yè)技術(shù)水平的提高。
　　
　　儀表電磁兼容性（EMC）是一項重要指標(biāo)，它包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。如果一個單片機(jī)系統(tǒng)符條件合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：
　　
　　1．對其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；
　　
　　2．對其他系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；
　　
　　3．對系統(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。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。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時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)入電路之前必須對其去耦。
　　
　?。?）公共阻抗耦合
　　
　　當(dāng)來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定，來自兩個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，噪聲信號或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路b耦合到電路a。
　　
　?。?）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)體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。
　　
　?。?）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）。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，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。
　　
　　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)時產(chǎn)生電流尖峰信號；在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。
　　
　?。?）接地。在所有EMC問題中，主要問題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時，可采用單點接地方法，但不適宜高頻；在高頻應(yīng)用中，采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點接地，而高頻用多點接地的方法。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。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
　　
　?。?）電源去耦。當(dāng)器件開關(guān)時，在電源線上會產(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，激勵部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降zui小。
　　
　　3．稱量儀表對抗干擾與復(fù)雜工況處理的硬件要求
　　
　　在硬件上我們要求儀表廠家必須具有以下措施：
　　
　?。?）PCB及電路抗干擾措施
　　
　　印刷電路板的抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計的幾項常用措施作一些說明。
　　
　　①電源線設(shè)計
　　
　　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，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
　　
　　在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，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)計中應(yīng)注意以下幾點：
　　
　　a．正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于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)流對干擾影響較大，因而采用一點接地的方式。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。
　　
　　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)盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(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，則接地電位會隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時信號電平不穩(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。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時，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，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地線上產(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，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
　　
　　③退耦電容配置
　　
　　PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一，是在印刷板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙荨Ｍ笋铍娙莸囊话闩渲迷瓌t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．原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10pF的鉭電容。
　　
　　c．對于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，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，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：
　　
　　a．在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產(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，對不用端要接地或接正電源。
　　
　?。?）輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計
　　
　　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的拾檢源，稱重儀表設(shè)計時一般要采取有效的措施：
　　
　?、伲捎帽匾墓材?差模抑制電路，同時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。
　　
　?、冢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
　　
　　在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對整個單片機(jī)的運行起著特別重要的作用，因為所有的干擾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防御的屏障了。常用的復(fù)位系統(tǒng)有以下兩種：
　　
　?、伲獠繌?fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計也可以用專門的“看門狗”芯片來搭建。然而，他們各有優(yōu)缺點，大部分“看門狗”芯片對低頻“喂狗”信號不能響應(yīng)，而高頻“喂狗”信號都能響應(yīng)，使其在低頻“喂狗”信號下產(chǎn)生復(fù)位動作而在高頻的“喂狗”信號下不產(chǎn)生復(fù)位動作，這樣，如果程序系統(tǒng)陷入一個死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號的話，那么該復(fù)位電路就無法實現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計一個具有帶通的“喂狗”電路和其他復(fù)位電路構(gòu)成的系統(tǒng)就是一個很有效外部監(jiān)控系統(tǒng)了。
　　
　?、冢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)位定時器了，但是，有一些型號的單片機(jī)它的復(fù)位指令太過于簡單，這樣也會存在象上述死循環(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”信號做成固定格式的多條指令依順序來執(zhí)行，如果有一定錯誤則該“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)都有一個耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。在PCB上，要求外接是電容、晶體或陶瓷諧振器的引線越短越好。RC振蕩器對干擾信號有潛在的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時鐘周期，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（TransientVoltageSuppression）等。氣體放電管是當(dāng)電源的電壓大于某一數(shù)值時，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣<