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工業(yè)電子稱(chēng)儀表的抗干擾與處理攪拌系統復雜工況的要求
西安筑路機械有限公司攪拌事業(yè)部 趙飛

前言
作為工業(yè)自動(dòng)化核心部件的稱(chēng)重儀表，不同于商用衡器，往往面臨更復雜的工況。對于拌和站電磁環(huán)境比較惡劣的情況下，一些大規模集成電路常常會(huì )受到干擾，導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?chē)乐氐?。因此對抗干擾性能的了解是稱(chēng)量?jì)x表選型的關(guān)鍵。我們在對珠海市長(cháng)陸工業(yè)自動(dòng)控制系統有限公司生產(chǎn)的UNI800與TR600和其它同類(lèi)廠(chǎng)家產(chǎn)品進(jìn)行反復比較過(guò)程中，獲得了一個(gè)好單片機系統（稱(chēng)重儀表）應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，它包含系統的發(fā)射和敏感度兩方面的問(wèn)題。如果一個(gè)單片機系統符條件合下面三個(gè)條件，則該系統是電磁兼容的：
1． 對其他系統不產(chǎn)生干擾；
2． 對其他系統的發(fā)射不敏感；
3． 對系統本身不產(chǎn)生干擾；
假若干擾不能完全消除，但也要使干擾減少到最小。干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過(guò)導體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過(guò)串擾或輻射耦合）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過(guò)導體和通過(guò)輻射，很多磁電發(fā)射源、如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可以引起干擾；AC電源線(xiàn)、互連電纜、金屬電纜和子系統的內部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速單片機系統中，時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源，這些電路可產(chǎn)生高達300MHz的諧波失真，在系統中應該把他們去掉。另外，在單片機系統中最容易受影響的是復位線(xiàn)，中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)。

1． 干擾的耦合方式
（1） 傳導性EMI
一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過(guò)導體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導線(xiàn)可檢拾噪聲并把噪聲送到其他電路引起干擾。設計人員必須避免導線(xiàn)檢拾噪聲和在噪聲引起干擾前用去耦辦法去除噪聲。最普通的例子是噪聲通過(guò)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(xiàn)進(jìn)入電路之前必須對其去耦。
（2） 公共阻抗耦合
當來(lái)自?xún)蓚€(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(lái)自?xún)蓚€(gè)電路的地電流流過(guò)共地阻抗。電路a的地電位被電流b調制，噪聲信號或DC補償經(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(chēng)串擾。串擾發(fā)生在電流流經(jīng)導體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)在鄰近的導體中感應瞬態(tài)電流。
（4） 輻射發(fā)射
輻射發(fā)射有兩種基本類(lèi)型；差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線(xiàn)輻射是由無(wú)意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統電地位之上。就電場(chǎng)大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問(wèn)題。為使CM輻射最小，必須用切合實(shí)際的設計使共模電流降到零。

2． 影響EMC的因數
（1） 電壓。電源電壓越高，意味著(zhù)電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。
（2） 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。在高頻單片機系統中，當器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號；在模擬系統中，當負載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號。
（3） 接地。在所有EMC問(wèn)題中，主要問(wèn)題是不適當的接地引起的。有三種信號接地方法：?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；在高頻應用中，最好采用多點(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(xiàn)布局是關(guān)鍵，高頻數字電路和低電平模擬電路的接地電路絕不能混合。
（4） PCB設計。適當的印刷電路板（PCB）布線(xiàn)對防止EMI是至關(guān)重要的。
（5） 電源去耦。 當器件開(kāi)關(guān)時(shí)，在電源線(xiàn)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(lái)自高di/dt源的瞬態(tài)電流導致地和線(xiàn)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(xiàn)纜輻射。流經(jīng)導線(xiàn)的電流變化和電感會(huì )導致壓降，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小。

3．稱(chēng)量?jì)x表對抗干擾與復雜工況處理的硬件要求
在硬件上我們要求儀表廠(chǎng)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計與具體電路有著(zhù)密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施作一些說(shuō)明。
① 電源線(xiàn)設計
根據印刷線(xiàn)路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻；同時(shí)，使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。
② 地線(xiàn)設計
在單片機系統設計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。單片機系統中地線(xiàn)結構大致有系統地、機殼地（屏蔽地）、數字地（邏輯地）和模擬地等。
在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：
a．正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)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(diǎn)接地的方式。當信號工作頻率大于10MHz，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。當工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。
b. 數字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。低頻電路的地應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
C．接地線(xiàn)應盡量加粗。若接地線(xiàn)用很細的線(xiàn)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)信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3 mm。
d．接地線(xiàn)構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)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(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降；若將接地線(xiàn)構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
③ 退耦電容配置
PCB設計的常規做法之一，是在印刷板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當的退耦電容。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存儲器件，應在芯片的電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間直接接入退耦電容。
d． 電容引線(xiàn)不能太長(cháng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線(xiàn)。
此外，還應注意以下兩點(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(lái)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，因此在使用時(shí)，對不用端要接地或接正電源。

（2） 輸入/輸出的電磁兼容性設計
在單片機系統中輸入/輸出也是干擾源的傳導線(xiàn)，和接收射頻干擾信號的拾檢源，稱(chēng)重儀表設計時(shí)一般要采取有效的措施：
①． 采用必要的共模/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。
②． 在條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。

（3） 單片機復位電路的設計
在單片機系統中，看門(mén)狗系統對整個(gè)單片機的運行起著(zhù)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，那么復位系統結合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯防御的屏障了。常用的復位系統有以下兩種：
①． 外部復位系統。外部“看門(mén)狗”電路可以自己設計也可以用專(zhuān)門(mén)的“看門(mén)狗”芯片來(lái)搭建。然而，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，大部分專(zhuān)用“看門(mén)狗”芯片對低頻“喂狗”信號不能響應，而高頻“喂狗”信號都能響應，使其在低頻“喂狗”信號下產(chǎn)生復位動(dòng)作而在高頻的“喂狗”信號下不產(chǎn)生復位動(dòng)作，這樣，如果程序系統陷入一個(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著(zhù)“喂狗”信號的話(huà)，那么該復位電路就無(wú)法實(shí)現它的應有的功能了。然而，我們自己可以設計一個(gè)具有帶通的“喂狗”電路和其他復位電路構成的系統就是一個(gè)很有效外部監控系統了。
②． 現在越來(lái)越多的單片機都帶有自己的片上復位系統，這樣用戶(hù)就可以很方便的使用其內部的復位定時(shí)器了，但是，有一些型號的單片機它的復位指令太過(guò)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，使其失去監控作用。有一些單片機的片上復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(lái)執行，如果有一定錯誤則該“喂狗”操作無(wú)效，這樣就大大提高了復位電路的可靠性。

（4） 振蕩器
大部分的單片機都有一個(gè)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(xiàn)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(shí)鐘周期，因而最好選晶體或陶瓷諧振器。另外，石英晶體的外殼要接地。

（5） 防雷擊措施
室外使用的單片機系統或從室外架空引入室內的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)，要考慮系統的防雷擊問(wèn)題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS（Transient Voltage Suppression）等。氣體放電管是當電源的電壓大于某一數值時(shí)，通常為數十V或數百V，氣體擊穿放電，將電源線(xiàn)上強沖擊脈沖導入大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當兩端電壓高于某一值時(shí)導通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數百乃上千A的電流。

（6） 電源系統抗干擾
由于工業(yè)電源特別是攪拌設備的電源工況復雜，因此如何在不穩定電源場(chǎng)合確保儀表工作穩定尤為重要