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智能电表设计中的抗干扰措

关键字： EEPROM 智能电表 看门狗
摘要：文章分析了智能电表设计中可能出现的各种问题，并介绍了相应的软硬件抗干扰措施。对从事电表的研发人员有重要的指导意义。
关键词：智能电表；软硬件；抗干扰
一、引言
智能电表的设计，由于微控制器的引入，对设计者提出了更高的要求。这是因为由于电源等引入的干扰可能导致程序指针跳飞，从而引起不可预测的后果，诸如电量数据的丢失、改变或死机等。像家用电脑和普通仪器仪表对死机等现象是允许的，可以通过人工复位，重新设置等手段来恢复，求长年连续的挂网运行，如果运行中出现任何异常现象，均要求能自动恢复正常工作。然而，在工程实际中噪声和干扰是不可避免的。目前，大多数智能电表都应保证在干扰较强的现场运行，因此如何提高智能电表的抗干扰能力，保证其在规定条件下正常运行，以及防止仪表内部产生的噪声对外部的辐射，是智能仪表设计中必须考虑的问题，也是关键问题。
二、硬件抗干扰设计
在智能电表研制的初期，我们发现这样一种现象，电表带上电感性负载(比如电扇)时，在电扇快速插拔的瞬间，容易导致智能电表中单片机数据的丢失或死机。如果从设计上不能把智能电表的抗干扰问题解决好，后果将会非常严重。
(1)电源的抗干扰措施
实践证明，系统失效和硬件损坏大都是由各种干扰引起的，而90％以上的干扰来自于电源。可见这种来自电源的干扰对系统的影响相当大，因此应充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好坏，直接影响整个电路的抗干扰能力的好坏。目前有以下几种电源可供选择：第一种阻容分压式，它采用简单的电阻电容分压、滤波。但这种电源稳压性能差、电源波动大、带负载能力小、电网干扰极易串入，一般不采用这种方式。第二种开关电源，这种电源稳压性能好、纹波小，但成本较高且对外界电网干扰比较严重，也不宜采用。第三种线性电源，这种电源由220V经交流变压、整流、滤波及稳压得到，稳压性能好、隔离特性好，价格适中，在目前应用广泛的多用户电表设计中大都采用这种方式。对这种电源的抗干扰措施有以下几个方面。
1. 对于电源变压器的设计，要使其空载电流尽可能小，以降低整表功耗。增加变压器的容量，能使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，而变压器的容量受电表空间的限制，变压器又不能太大。
2. 在电源变压器的初级串联一个电源滤波器，比如采用“双绕组扼流圈”的滤波线路，它对高频干扰信号阻抗很大，使整个电子系统与供电网之间得到一定程度的高频隔离，对于外界空间电磁场的干扰，也起一定的抑制作用。
3. 在各相交流电源的进线端，并联一个压敏电阻(MOV)，其电阻随电压的增加而减小。在过压时形成一个低阻的分流器，从而可以防止被保护电路两端的电压进一步上升；当浪涌电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。
4. 在为主处理器提供电源之前的三端稳压器前，并接一个瞬变电压抑制二极管(TVS)，对后面的电路起到保护作用。当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度成为低阻抗器件，吸收大电流，从而把它两端的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。
5. 在变压器一次侧采取磁珠和电容组成的丌型滤波方法，对高频干扰起作用，但对几百赫兹以内的低频干扰作用却很小。综上所述，设计人员应根据具体的工作环境，选择不同的抗干扰措施。
(2)电源检测及看门狗电路
分析及实践表明，对来自电网的干扰不仅要采取硬堵的办法，还要采取容错措施。使用电源检测及看门狗电路的目的，就是当电源电压出现干扰脉冲或单片机受干扰程序运行异常时，产生一复位信号使单片机复位。看门狗电路实质上是一个单稳电路。当程序运行正常时，单片机定时给单稳电路输入触发信号，使单片机输出保持暂稳态：当干扰异常时，单片机不能给触发信号，单稳输出回到稳态引起单片机硬件夏位：看门狗不仅对来自电网方面的干扰起作用，而且对来自空间等其他方面的干扰也起作用。然而如果没有电源检测电路，只有看门狗电路，在电网干扰下，即使不带电感性负载，当电源快速合闸时，也有可能导致死机。实践证明，采用电源检测及看门狗电路之后，死机观象得到了有效地克服。
(3)串行E2PROM的选择
因为电表数据存储的可靠性至关重要，为了保证在掉电时以及在因干扰导致单片机复位时，智能电表中的主要数据和参数不丢夫，存储器的选择上要有所考虑。使用并行存储器．虽然有速度快的特点，但读写信号容易受到干扰从而造成错误。而采用串行E2PROM存储器时，其读写时序相当严格，受到干扰出错的几率就小得多。
(4)布线布局上的抗干扰设计
在用电负荷很小时，220V的电压与几个μV的小信号会共集于一块电路板上，如果电源布局不当，有用信号会被噪声所淹没，以多用户电表为例，在布线布局上的抗干扰措施有：
1.电源与控制分两块板。在多用户智能电表中分三部分：电源板，主机控制板和电能采集传感器板。电源板包括变压器、整流、滤波、稳压等。控制板包括微处理器、显示驱动、看门狗电路、串行E2PROM、电能脉冲采集等。电能采集传感器板包括A、B、C三相上各用户的电能采集模块及其外围电路。对变压器的设计要求其漏磁要小，一般其空载电流不大于10mA，若仍不能满足要求，可变换变压器位置改变磁场方向，减小漏磁对小信号的影响。
2.印刷电路板应有良好的绝缘性，绝缘电阻大于1011ΩV。在电路设计中，必须严格保证强电与弱电的隔离，除了电路有直接连接外，100V以上的强电印刷布线与弱电印刷布线距离应大于4—5mm。数字地与模拟地应通过一点方式连接来提高抗干扰性能。
3.在每个印刷电路扳入口处的电源线与地线之间并接退耦电容。并接的电容应为一个大容量的电解电容(10～100μF)和一个0．01～0．1μF的非电解电窖，电路板上的大中规模IC要并接一个0．0lμF一0．1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
4.印刷线走线要科学，高压走线尽量短，尽量远离小信号走线。对于电能采集传感器板的印刷板布线要求一面走线．另一面铜铂既作电磁屏蔽用、又作地线用，以减少干扰信号。除了要根据电流大小，尽量加大导线宽度外，采取使电源线、地线走向与数据信息传送方向一致，将有助于增强抗噪声的能力。布线时避免小于90度折线，减少高频噪声发射。不要在印制板上留下空白铜箔层，因为它们可以充当发射天线或接收天线，因此可将它们接地以减小电磁干扰。
5.在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下，干脆用绝缘“飞线”连接，而不用印刷线，或采用双面印刷“飞线”或阻容元件直接跨接。
6.对印刷板上容易受干扰的信号线，不能与产生干扰或传递干扰的线路长距离平行铺设。必要时可在它们之间设置一根地线，以实现屏蔽。
当然，这些布线与布局的抗干扰设计一般不能由自动布线软件来实现，必须有设计者亲自参与并设计有关电路。
三、软件抗干扰设计
在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取如下软件抗干扰措施。
(1)指令冗余技术
当指针受到干扰出现程序跑飞时，可能会出现将操作数数值改变及将操作数误当作操作码的情况。当“跑飞”到某双字节或三字节指令的操作数上时，会将操作数当作操作码，程序将出错，因此可在双字节和三字节指令之后插入两个或三个单字节NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。对程序流向起决定作用的指令(如浸水使柔软、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、．INC等)和对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入两条NOP指令，可保证跑飞程序迅速纳入轨道；或者在其后面重复写上这些指令，以确保这些指令的正确运行。
(2)软件陷阱
当微处理器受到各种干扰时，若PC指针跳到非程序区，可能会陷入某种循环不能跳出。如果循环中无清WDT指令，在给定看门狗定时器条件下，经过一定时间 WDT起作用，将PC指针复位，工作恢复正常。如果循环中包含了清WDT的指令，则产生死机。对于后者可在非程序区放置软件陷阱加以解决。
软件陷阱有三条指令组成：
· NOP
· NOP
· LJMP EER
安排软件陷阱的位置有：
1.未使用的中断区。如果设计的智能电表未使用全部的中断向量区，则可在剩余的中断区安排软件陷阱，以便能捕捉到错误的中断。
2.未使用的大片EPROM空间。对于单片机未编程的空间，其初始值为OFFH。OFFH对51指令来说，相当于单字节指令MOV R7，A。当程序跑飞入该区后，不仅无法迅速入轨，而且破坏R7的内容。因此在该区每隔一段地址设一个陷阱，就一定能捕捉到跑飞的程序。
3.在表格的最后安排陷阱。注意表格中不应被放入。
4.在程序区。前面曾指出，跑飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余加以解决，也可以设置一些软件陷阱，能更有效地抑制程序跑飞。可以将陷阱指令放置在各模块之间的空余单元里。在正常运行中不执行这些陷阱指令，一旦程序跑飞落入这些陷阱区，马上将乱飞的程序拉入正确轨道。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。所以在EPROM容量允许的条件下，这种陷阱多一点为好。
(3)“看门狗”措施
如果跑飞的程序落入一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，这时可以采用复位的方法使系统恢复正常。“看门狗”电路的功能就是对 CPU进行实时检测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。在软件编程中，设置约1秒访问一次看门狗芯片，当程序跑飞或大于1．4秒(设置的超时时间)没有访问看门狗芯片，X5045将输出复位脉冲，直至程序正常运行。
(4)保证EEPROM数据写入的可靠性措施
需要注意的是，看门狗如果起作用说明程序计数器内容被破坏，因此其它寄存器或片内公羊的内容也有被破坏的可能，会导致把错误的数据写入EEPROM。在电表工作中，每产电量改变0．1度写入一次EEPROM，如果出现将错误的数据写入EEPROM,这是不允许的。采取以下措施可很好的解决此问题：
1.正常写入EEPROM之前，要进行一系列操作，可将其分成几部分。每一部分设置一写入口令。只有程序正常一步一步运行，口令才会逐一被赋予正确的值，到最后写入时再判断所有的口令是否正确。若正确，写入，否则退出。写入完成，口令清除。
2.数据双备份。当由于干扰使微处理器中的寄存器数据改变时，鉴于三组数据在同一值出错的概率较小，故在写入之前，将三组数据比较，若相等则写入，若不相等则将相等的两组数据写入。
3.写入之前对数据的合法性进行判别，即对电量或参数的数据格式进行判别。有了这样的限制，可进一步提高可靠性。
4.定时设置I／0口状态；微处理器受到干扰，I／0口状态可能改变，比如电脉冲输入口若改变为输出态，会造成用户用了电但微处理器却检测不到的可能。所以周期性地重复定义I／0口的输入／输出状态对于干扰环境下运行的电表是有好处的。
(5)串行通信数据的冗余校验
在抄表通信过程中，由于信道上各种因素的影响，所传输的信号受一定程度的干扰，PC机、集中器、电表间的性能参数不完全一致，在串行通信中仅靠奇偶校验是不够的。而采用国际上较为流行的传输码校验方法——循环冗余码校验(CRC)，可收到了很好的效果。CRC是一种多用于同步通讯方式中的差错检出方式，在该方式中，将所传数据系列看成高次多项式G(x)，将此多项式用预先规定的生成多项式P(x)去除，再将其余数码BCC附加在所传数据的尾部一并传送：在接收方，用同样的生成多项式去除，若除得结果为零，则可判断所接收到的数据是正确的。在发送端的一方，即电表先将发送数据转换，连同原数据一同发给集中器，集中器不做校验，直接发给PC机，在接收端，PC机用高级语言实行CRC算法解码；以确定数据的真伪。经实验证明，冗余校验使误码率大为降低，确保了数据传输的可靠性
另外在软件的编制过程中应注意在执行各功能子模块之前，可先进行功能标志冗余判断，以增强其程序运行可靠性。
四、结束语
在电表设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑抗干扰性能的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。因此电表设计开发者应从抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能等方面采取各种措施来提高系统性能。在抗干扰设计中，软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施，只要认真分析系统所处环境的干扰来源以及传播途径，采用两者相结合的方法，就能保证系统长期稳定可靠地运行