讨论：智能逆变电源系统中监控模块的抗干扰设计
2012-07-29
干扰的主要形式
工业现场的干扰通常都是以脉冲的形式进入系统，主要渠道有以下三种：空间干扰、供电系统干扰和过程通道干扰。其中空间干扰主要通过电磁波辐射的方式窜入系统，供电系统干扰是由于电源和传输线内阻的存在而产生的叠加干扰，过程通道干扰是指外界干扰通过与微处理器相连的通道引入系统。由于逆变电源监控模块通常由专门的辅助电源供电，因此，影响较大的主要为空间干扰和过程通道干扰。
干扰的主要影响
干扰对监控模块的影响主要在输入、输出以及CPU单元。对输入单元而言，干扰可使模拟信号失真，数字信号出错，从而导致监控系统做出错误的判断。对输出单元而言，干扰可使各种输出信号混乱，不能正常反映系统的真实输出量。而当干扰作用于监控模块的内核CPU时，后果更加严重，最典型的失控故障是破坏程序计数器PC的状态，导致程序跑飞，或者进入死循环,从而导致一系列严重的后果。
硬件抗干扰措施
输入通道的抗干扰措施
模拟输入通道中的干扰主要是来自外部的尖峰型串模干扰，因此在信号提取和转换方面要进行特殊设计。例如：远方温度传感器与电压互感器的信号通过电压/电流转换器转换成4～20mA的电流信号，采取电流传输的形式，在进入A/D转换器时，再并联一个250Ω的电阻，将电流信号转换成1～5V的电压信号;同时，在满足采样速率要求的前提下，模数转换部分尽量采用双积分式A/D转换器;另外，应在输入电路中加装低通滤波器。对于数字量输入通道则应采取光电隔离的措施。
输出通道的抗干扰措施
监控模块的输出信号中，大多是数字信号，例如显示装置、打印装置、通信、各种报警装置以及各种继电器的驱动信号。因此采取建立检测通道的方法，单片机可以通过检测通道来判断输出结果是否正确，并做出相应的处理。
微处理器的抗干扰措施
微处理器抗干扰主要是采用看门狗电路和电压检测电路。看门狗电路本身可以看作是一个可被清除的定时脉冲发生器，如果没有清除脉冲的话，它将产生一个复位信号。现以IMP公司的IMP706为例来说明其工作过程。IMP706每隔1.6s发出一个脉冲，在1.6s时间内若检测到WCI引脚有高低电平跳变信号，则"看门狗"定时器清零并重新开始计时;若超出1.6s后，WCI引脚仍无高低电平跳变信号，则"看门狗"定时器溢出，WDO引脚输出低电平，进而触发MR手动复位引脚，使IMP706复位，从而使"看门狗"定时器清零并重新开始计时，WDO引脚输出高电平，IMP706的RST复位输出引脚输出大约200ms宽度的低电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常运行。
印刷电路板的抗干扰设计
印刷电路板的布线与工艺对监控模块的抗干扰性能至关重要，设计印刷电路板与布线时应本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合，尽量减小噪声的吸收这三大原则。首先印刷板要合理分区，通常分为三个区，即模拟电路区(怕干扰)，数字电路区(既怕干扰，又产生干扰)，功率区(干扰源);其次，在监控模块中，通常应采取单点接地来抑制干扰，即将模拟地与数字地分开，分别做成闭合的环路，最终将它们与电源地线于一点相连。同时在每个单元电路的电源端加装0.01～1μF的去耦电容，并且连线要尽量地短。另外，对于不使用的CMOS或TLL电路引脚应根据具体情况接电源或接地。
传输线的抗干扰设计
在传输线路上，采用具有差分传输方式的RS485通信，并在其端口进行了阻抗匹配。
软件抗干扰措施
数字滤波和数字调零技术
1)数字滤波技术即通过简单的计算或者判断程序，对采样信号进行平滑处理，分离出有用的信号，消除或减少各种干扰和噪声。目前常用的方法有程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法等。对逆变电源监控模块而言，由于对采集的速度要求不是特别高，但对精度有较高的要求，同时由于被采集的模拟量变化缓慢，因此采用将算术平均滤波和中值滤波结合的复合滤波方法效果较好。其方法是，首先把采样值按大小排队，然后去掉最大和最小值，最后把剩余采集值加起来取平均值。
2)数字调零技术采用这种方法主要是为了消除模拟开关、放大电路以及A/D转换器本身的偏差，削弱各种随时间和温度变化的漂移的影响。具体方法是先把模拟开关接到所需测量的输入信号上，转换后得到测量值为X1，然后把多路开关的输入接地，测出零输入时的测量值为X0，将X1减去X0即为实际输入值X。
开关量和控制信号的冗余输出
对于开关量，利用干扰信号与有效输入信号脉宽不同的特点，采取读两次的办法，即第一次读入数据后延时1段时间后再读一次，两次结果相同才予以确认;在输出的开关量控制中，也采取重复输出数据的方法。这样即使发生错误控制，也可以及时的得到弥补。
指令冗余和陷阱捕捉技术
由于失控的程序可能将操作数当作操作码，使程序完全冲乱，但当遇到单字节指令时则会纳入正轨。利用这一特点，可以在程序中对程序流向起决定性作用的指令(如LCALL、JNC、DJNZ等)或某些对系统工作状态至关重要的指令(如SETBEA等)之前加入两条NOP指令，以确保该指令不被冲散。
陷阱的设置就是采用一条引导指令，强行将捕获的程序引向指定的入口，在该地址处放置程序出错的处理程序，从而使系统重新正常运行。由于LJMP指令的操作码为02，所以把陷阱程序的入口固定在0202H，即陷阱指令为LJMP0202。
利用“时间片"解决系统死锁问题
在逆变电源监控模块中，A/D转换、显示等输入/输出接口是必不可少的。这些接口与CPU之间采用查询或中断方式工作，而这些设备或接口对干扰很敏感，干扰一旦破坏了某一接口的状态字后，就会导致CPU误认为该接口有输入/输出请求而停止工作，转去执行相应的输入/输出服务程序。但由于该接口本身并没有输入/输出数据，从而使CPU资源被该服务程序长期占用而不释放，其它任务程序无法执行，造成整个系统出现“死锁”。对这种干扰造成的“死锁”现象，可以采用“时间片”的方法来解决。其具体步骤如下：
(1)根据不同的输入/输出外设对时间的要求，分配相应的最大正常的输入/输出时间;
(2)在每一输入/输出的任务模块中，加入相应的超时判断程序。这样当干扰破坏了接口状态而造成CPU误操作时，由于该外设准备好信息长期无效，经过一定时间后，系统会从该外设的服务程序中自动返回，保证了整个软件的周期性不受影响，从而避免了“死锁”现象的发生。
以上讨论的各种抗干扰措施，已经成功地在作者研制的智能化逆变电源监控模块中得到了应用。实践证明，采取了上述的措施以后，系统的抗干扰性能明显增强，以前的一些故障现象，比如液晶显示屏在工作过程中有时出现抖动、不稳，严重时无显示的现象，完全消失。
