工業(yè)電子稱儀表的抗干擾與處理攪拌系統(tǒng)復(fù)雜工況的要求 西安筑路機(jī)械有限公司攪拌事業(yè)部 趙飛 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(yùn)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(yàn)。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(xiàng)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最大產(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)中最容易受影響的是復(fù)位線，中斷線和控制線。 1．干擾的耦合方式 （1）傳導(dǎo)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(jì)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。最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。 （2）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。 （3）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。 （4）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輻射最小，必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)使共模電流降到零。 2．影響EMC的因數(shù) （1）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。 （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(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。 （3）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(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適宜高頻；在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地。混合接地是低頻用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)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。 （4）PCB設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。 （5）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最小。 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： （1） PCB及電路抗干擾措施 印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施作一些說明。 ① 電源線設(shè)計(jì) 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。 ② 地線設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)中應(yīng)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(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(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)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3 mm。 d．接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)： 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。 （2）輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計(jì) 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(jì)時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(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對整個單片機(jī)的運(yùn)行起著特別重要的作用，因?yàn)樗械母蓴_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(yùn)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： ①．外部復(fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計(jì)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(diǎn)，大部分專用“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(shí)現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計(jì)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。 ②．現(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。 （4）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(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（Transient Voltage Suppression）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，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地。TVS可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。 （6）電源系統(tǒng)抗干擾 由于工業(yè)電源特別是攪拌設(shè)備的電源工況復(fù)雜，因此如何在不穩(wěn)定電源場合確保儀表工作穩(wěn)定尤為重要。 常用的開關(guān)電源與線性