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基于称重控制仪表的可靠性及抗干扰设计
点击次数：1529 更新时间：2019-01-25
一、概述
近年来随着电子技术的飞速发展，集成电路工艺的提高，使得称重仪表的设计更加简单、所用元件更少，同时称重控制仪表的性能及可靠性也得到了较快 发展。无论是其称量速度、计量精度、以及稳定性都得到了很大改善。但是，山于称重控制仪表的工作环境比较恶劣，有些是高温高辐射场合、有些是电网严重污染 (比如电网中有大功率可控硅或者大功率电机等)的场合，还有些工作在野外，所有这些场合都可能存在比较强的干扰源。这就对仪表在设计时的抗干扰性提出了更 高的要求。下面根据干扰的类型分别阐述其设计措施。
二、电路本身产生的噪声
(1)电源电路产生的干扰
目前，大部分仪表采用的直流供电方式。
市电经电源变压器，得到所需的交流电压，然后，经整流滤波后进入二端稳压器得到所需的各种直流电压。事实上，这几部分都有可能产生干扰，从电网 窜入的干扰一部分是高频干扰，一部分是低频干扰。低频干扰可在滤波电路中作为波纹一块滤除，高频部分可山噪声滤波器滤除。电源变压器是利用电磁感应原理工 作的，由于磁路并不*闭合，有一部分泄漏于其周围形成干扰，这部分干扰可采取电磁屏蔽来消除。对于整流电路来说，山于整流一极管为非线性元件，它工作 时，要产生基波为SOHz的多次谐波，如果这些谐波窜入后而的系统，也会对系统构成威胁。解决的方法是在每只一极管的两侧并接一只0.0luF的聚乙烯电 容，另外，在PC B布线时，应使信号放大器尽量远离电源和电源变压器，好将整个系统电源分开做板。
(2)功率接口的干扰
有的仪表本身要驭动某些执行元件，比如电磁阀、电动机、电炉丝等。这些元件是靠继电器或者可控硅来驭动的，而这些元件的开启会产生各种谐波和电 磁波，在设计仪表时必须采取有效措施来屏蔽这些干扰。对于继电器来说，其触点的断开或闭合是干扰的源泉，解决的办法就是在其触点两侧增加阻容吸收回路，对 于可控硅电路也可采取同样的方法。
三、外界干扰
外界干扰主要是电磁干扰和辐射干扰，如果仪表工作在某些特定的场合，比如中频炉或者电焊机附近，这些设备在工作时会向周围辐射出很强的电磁波， 这些强电磁波很容易窜入仪表的前向通道或者窜入数字系统，造成程序跑飞，解决这类问题的办法是用金属外壳来屏蔽这些干扰。国内有些厂家生产的称重仪表就采 用铝合金外壳。还有一种外界干扰是来自太空，这种干扰具有破坏性，它就是雷电，轻者它能损坏元器件，严重时能使整台仪表报废。为避免这种结果的发生，可 在电源的进线上并接一个压敏电阻。以上我们谈了干扰的起因以及简单的抗干扰措施，这些措施在大多数情况下是有效的，但是，仅有这些是远远不够的。我们知 道，称重控制仪表是很精密的一种仪表，人们对它的检测结果非常苛刻，在设计系统时，应引起足够的重视。下面着重谈一卜线路的抗干扰设计。
四、PCB布线的抗干扰设计
这部分设计主要包括模拟部分设计、电源部分设计、中央处理器及接口部分设计、显示及按键部分设计等几个部分。
1.模拟电路设计
称重仪表模拟部分的输入是称重传感器的输出信号，由来于这个信号非常微弱，很容易受到各种干扰，使称量不准确或不稳定。因此，模拟部分的设计是 整个系统设计的重点。模拟部分包括传感器、放大器,A/D转换器。从抗干扰的角度来考虑，可以将放大器和A/D转换器单独做在一起，这样能够减少干扰的引 入。另外，传感器的输出是一个缓慢变化的直流信号，在这个信号上异加了一个相当于桥路电压的共模信号，因此，信号在放大前好加上一级差模放大，在这级放 大器上加入积分环节，就可以起到一定的抗干扰作用。如果传感器工作在电磁干扰比较严重的场合，可以考虑增加一级有源滤波器。在布线时，放大器的输出引线要 尽量靠近A/D转换器的输入。
2.微处理器及接口电路的设计
应该说数字电路木身就有抗干扰作用，但如果干扰超过了器件的噪声容限，它也会受到干扰。解决的办法是，在每一个数字电路的电源弓}脚旁边对地加 一个0.1 uF的独立电容，如果空间有限，可以每3~4个芯片加一个10uF的钡电解电容。布线时芯片的外围元件应尽量靠近芯片木身，还要尽量减小芯片电源与地的公 共阻抗，模拟地与数字地分开布线，后单点连接即可。在焊接时，要采用中性助焊剂焊接，若采用酸性焊剂，系统工作一段时间之后会出现腐蚀现象，泞致焊点接 触不良，甚至脱落。在工艺上，要防止虚焊。布线时，布局、结构要合理，各种走线要尽量短，并且将发热量大的元件与其它元件分开，如果印刷板有引出脚，应采 用电镀金(或银)的工艺。布线时还要注意，应避免线与线长距离平行走线，线与线的距离尽量加大。
3.系统引线的选用原则
仪表在设计时，不可避免的要用到引线，常见的有电源引线，显示及按键引线，模拟部分与数字部分引线，有的仪表还有打印机引线和串行接口引线等 等。在仪表装配时这些引线不可太长，否则过长的引线容易引入电磁干扰。在使用引线时为了安装方便，我们一般使用接插件，在选用接插件时，尽量选用接触可靠 的元件，防止因接触不良而引入干扰。
3.基于称重控制仪表的可靠性及抗干扰设计
一、概述
近年来随着电子技术的飞速发展，集成电路工艺的提高，使得称重仪表的设计更加简单、所用元件更少，同时称重控制仪表的性能及可靠性也得到了较快 发展。无论是其称量速度、计量精度、以及稳定性都得到了很大改善。但是，山于称重控制仪表的工作环境比较恶劣，有些是高温高辐射场合、有些是电网严重污染 (比如电网中有大功率可控硅或者大功率电机等)的场合，还有些工作在野外，所有这些场合都可能存在比较强的干扰源。这就对仪表在设计时的抗干扰性提出了更 高的要求。下面根据干扰的类型分别阐述其设计措施。
二、电路本身产生的噪声
(1)电源电路产生的干扰
目前，大部分仪表采用的直流供电方式。
市电经电源变压器，得到所需的交流电压，然后，经整流滤波后进入二端稳压器得到所需的各种直流电压。事实上，这几部分都有可能产生干扰，从电网 窜入的干扰一部分是高频干扰，一部分是低频干扰。低频干扰可在滤波电路中作为波纹一块滤除，高频部分可山噪声滤波器滤除。电源变压器是利用电磁感应原理工 作的，由于磁路并不*闭合，有一部分泄漏于其周围形成干扰，这部分干扰可采取电磁屏蔽来消除。对于整流电路来说，山于整流一极管为非线性元件，它工作 时，要产生基波为SOHz的多次谐波，如果这些谐波窜入后而的系统，也会对系统构成威胁。解决的方法是在每只一极管的两侧并接一只0.0luF的聚乙烯电 容，另外，在PC B布线时，应使信号放大器尽量远离电源和电源变压器，好将整个系统电源分开做板。
(2)功率接口的干扰
有的仪表本身要驭动某些执行元件，比如电磁阀、电动机、电炉丝等。这些元件是靠继电器或者可控硅来驭动的，而这些元件的开启会产生各种谐波和电 磁波，在设计仪表时必须采取有效措施来屏蔽这些干扰。对于继电器来说，其触点的断开或闭合是干扰的源泉，解决的办法就是在其触点两侧增加阻容吸收回路，对 于可控硅电路也可采取同样的方法。
三、外界干扰
外界干扰主要是电磁干扰和辐射干扰，如果仪表工作在某些特定的场合，比如中频炉或者电焊机附近，这些设备在工作时会向周围辐射出很强的电磁波， 这些强电磁波很容易窜入仪表的前向通道或者窜入数字系统，造成程序跑飞，解决这类问题的办法是用金属外壳来屏蔽这些干扰。国内有些厂家生产的称重仪表就采 用铝合金外壳。还有一种外界干扰是来自太空，这种干扰具有破坏性，它就是雷电，轻者它能损坏元器件，严重时能使整台仪表报废。为避免这种结果的发生，可 在电源的进线上并接一个压敏电阻。以上我们谈了干扰的起因以及简单的抗干扰措施，这些措施在大多数情况下是有效的，但是，仅有这些是远远不够的。我们知 道，称重控制仪表是很精密的一种仪表，人们对它的检测结果非常苛刻，在设计系统时，应引起足够的重视。下面着重谈一卜线路的抗干扰设计。
四、PCB布线的抗干扰设计
这部分设计主要包括模拟部分设计、电源部分设计、中央处理器及接口部分设计、显示及按键部分设计等几个部分。
1.模拟电路设计
称重仪表模拟部分的输入是称重传感器的输出信号，由来于这个信号非常微弱，很容易受到各种干扰，使称量不准确或不稳定。因此，模拟部分的设计是 整个系统设计的重点。模拟部分包括传感器、放大器,A/D转换器。从抗干扰的角度来考虑，可以将放大器和A/D转换器单独做在一起，这样能够减少干扰的引 入。另外，传感器的输出是一个缓慢变化的直流信号，在这个信号上异加了一个相当于桥路电压的共模信号，因此，信号在放大前好加上一级差模放大，在这级放 大器上加入积分环节，就可以起到一定的抗干扰作用。如果传感器工作在电磁干扰比较严重的场合，可以考虑增加一级有源滤波器。在布线时，放大器的输出引线要 尽量靠近A/D转换器的输入。
2.微处理器及接口电路的设计
应该说数字电路木身就有抗干扰作用，但如果干扰超过了器件的噪声容限，它也会受到干扰。解决的办法是，在每一个数字电路的电源弓}脚旁边对地加 一个0.1 uF的独立电容，如果空间有限，可以每3~4个芯片加一个10uF的钡电解电容。布线时芯片的外围元件应尽量靠近芯片木身，还要尽量减小芯片电源与地的公 共阻抗，模拟地与数字地分开布线，后单点连接即可。在焊接时，要采用中性助焊剂焊接，若采用酸性焊剂，系统工作一段时间之后会出现腐蚀现象，泞致焊点接 触不良，甚至脱落。在工艺上，要防止虚焊。布线时，布局、结构要合理，各种走线要尽量短，并且将发热量大的元件与其它元件分开，如果印刷板有引出脚，应采 用电镀金(或银)的工艺。布线时还要注意，应避免线与线长距离平行走线，线与线的距离尽量加大。
3.系统引线的选用原则
仪表在设计时，不可避免的要用到引线，常见的有电源引线，显示及按键引线，模拟部分与数字部分引线，有的仪表还有打印机引线和串行接口引线等 等。在仪表装配时这些引线不可太长，否则过长的引线容易引入电磁干扰。在使用引线时为了安装方便，我们一般使用接插件，在选用接插件时，尽量选用接触可靠 的元件，防止因接触不良而引入干扰。
五、软件抗干扰措施
窜入微机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，并且具有随机性，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频段的干扰，仍有一部分干扰会侵入到系统。这就要采取软件抗干扰措施。软件抗干扰方法有以下几种:
1.指令冗余
在编写系统程序时，可在双字节指令和二字节指令之后插入两个空操作指令NOP，这样可以保证其后的指令不被拆开。从而使跑飞的程序纳入正规。对 于决定程序流向的指令(如RET,ACALL,LCALL,LJMP ,Jz等)和某些对系统工作有重要作用的指令(SETB P1.0等)的后面，可重复写这些指令2~3次，以确保这些指令的正确执行。
2.软件陷阱技术
所谓软件陷阱，就是用引泞指令强行将捕获的乱飞程序引向入口地址OOOOH ,在此处将程序转向错误处理程序.使程序纳入正规一方法是:对跑飞的程序将未使用的中断开放时，可在其对应的中断服务程序中设置软件陷阱，来及时捕捉到错 误中断。对于跑飞到未使用的EPROM空间的程序，可以在未使用的空间用0000020000数据填满，后一条数据应为020000当程序跑飞到此区 后，便会迅速落入正规。
3.技术看门狗
微处理器受到干扰后，程序可能飞入“死循环”。这样指令冗余，软件陷阱都不能使程序摆脱“死循环”，我们可采用程序监视技术，即通常所说的“看 门狗”技术。在程序正常执行时，程序跟它打一次交道，即“喂狗”。如果程序跑飞以后，程序不能按时“喂狗”，跟“看门狗”有关电路就会强迫系统复位或者使 系统进入错误处理程序，使系统纳入正规。常用的硬件“看门狗”有单稳态型、计数器型，另外还有芯片，比如美信公司的MAX690A , MAX692A ,MAX705等。现在很多新型51系列单片机在芯片内部集成了“看门狗”，使用时用指令将其打开即可。
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