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智能仪器仪表的硬件抗干扰研究与设计

人气: 发表时间:2016-02-27 00:55

单片机以其体积小、功能强、价格低等优点,在工业过程控制、机器人、智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用。以单片机为核心构成的工业测控系统,由于大多工作在工业现场,存在着电网电压波动和周围空间的高频干扰等大量的干扰因素所以对其可靠性提出了严格的要求。

可靠性是指系统在规走的条件下和规走的时间内芫成规走功能的能力。从某种意义讲单片机系统的可靠性主要是设计出来的,包括硬件设计和软件设计。本文以单片机为核心的智能仪器仪表为例对其硬件设计上进行抗干扰研究与设计。系统的抗干扰设计是整个系统设计中不可缺少的一部分,是保证仪器正常工作的前提,也是仪器电磁兼容性能指标合格的保证。

2系统的干拢源种类进入测控系统的干扰多种多样按照来源主要有以下5种类型:公共电源。对于单片机系统来说危害最大的是尖峰脉冲信号和衰减振荡形式的干扰信号其直接后果是程序错误、存储损失甚至系统损坏。

通道干扰。开关量的输入、输出是微机控制系统与外界不可缺少的联系手段。但是电磁干扰也不可避免地通过这些通道进入系统造成输入、输出信号混乱和数据的错误传输最绔使系统无法正常工作。

辐射干扰。外部空间中存在电磁场纟虽烈的电磁场干扰信号会影响系统的运行。

印制板及电路间产生的相互干扰。主要是由于系统内部印制电路板设计中走线不合理元件布局不正确及接地有误等原因引起的自身性干扰。

地电流干扰。由于实际地电阻不为零、接地点不同,使不同地线之间存在着一走的电位差从而造成接地环流。

3硬件系统的抗干拢设计3.1硬件抗干扰设计的原则系统总体方案可靠性设计应遵循的原则:采用基于硬件平台的系统设计方法。该法具有基本的可靠性保证且每经过一个新的应用实践又将使硬件平台的可靠性升级。

尽可能选择数字系统利用数字信号抗干扰能力强,易远传易处理的优点。

⑶最大的系统集成。大限度的简化、优化系统结构以最简洁的方案芫成设计任务尽量提高集成度少元器件数量小系统的面积和体积。

(4)可靠的供电。采用电源管理和硬件“看门狗‘加本系统采用了DSI232电源监视管理芯片。

电源的抗干扰设计普遍使用的直流电电源有+5V、+12V.通常+5V提供整个微机电路(数字电路)的电源+12V提供继电器线圈(开关电路和部分数字电路)工作电流的电源。选用开关式直流稳压电源,其容量和稳定度基本上能保证仪器可靠的工作,因直流供电电压会随交流电压、负载电流、环境温度、元件老化等因素的变化而变化这就引起电源发生脉冲出现噪声。应在电源的输入、输出端采用电源滤波技术任何电源线上的传导干扰信号都可以用共模信号和差模信号来表示,并可把共模干扰和差模干扰信号都看作独立的电磁干扰源单片机应用系统的电源交流端的滤波器应简单可靠并能同时抑制两种干扰信号。对于交流端的滤波,可采用电容电感滤波器见它是一种使用双绕组扼流圈的滤波电路。

中L1以为共模扼流圈具有抵制低频共模噪声的作用;电容C1具有抑制低频差模噪声的作用;电容C2C3具有抑制高频共模和差模噪声的作用。这种滤波器不仅能抑制来自电网的噪声干扰进入电源也可以阻止电源本身的噪声返回到电网。

交流电源线引入的高频干扰通常频带很竞,仅在交流端采取抗干扰措施往往难以保证干扰信号绝对不进入系统。而且,电源本身产生的干扰交流侧的抗干扰措施只能抑制其不向外界传播,不能抑制其对系统工作的影响。因此芫全有必要在直流测采取一走的抗干扰措施。故在单片机应用系统电源直流侧采用电容滤波,用来抑制开关电路所产生的高频干扰。

总线的抗干扰措施总线是单片机和外部各种接口芯片进行数据交换的通道总线的可靠性直接关系到系统的可靠性。对于P0口扩展用TTL型三态缓冲门电路74LS245作为总线驱动器,可以减少分布电容与电感对总线工作的影响提高了总线的抗干扰能力。

过程通道的抗干扰措施过程通道是前向、后向接口与主机相互之间信息传输的路径,是现场干扰进入的主要通道,一般系统前向通道是信号的采集电路后向通道是伺服驱动控制通道过程通道中采用光电耦合器来实现电气隔离有效抑制尖峰脉冲及各种干扰。

光电耦合器通过光线实现耦合,输入和输出间没有直接的电气联系具有很强的隔离作用。是光耦的一种典型应用电路。当输入端有电流流过时发光二极管发光使光电三极管导通其集电极有电流IC流过对于开关量当输入为低电平“0”时光电三极管截止。当输入高电平为“1”时光电三极管饱和导通输出为低电平“0”。

3.5印制板(PCB)的抗干扰设计单片机印制板是系统中器件、信号、电源的高度集合体印制板电路设计的好坏对数据采集与处理系统的抗干扰能力影响很大。为了避免高频信号通过印制导线时产生电磁辐射在印制电路板布线时应注意以下几点:充分使用新型贴片元器件,可使连线长度下降以减少电流回路提高电磁兼容性。

时钟电路是CPU正常工作的关键。它不仅是噪声干扰最敏感的部位也是单片机系统的主要噪声源。设计时注意:时钟电路尽量靠近CPUf引线尽量短而粗却制板上大电流信号线、电源变压铟远离滕信号的连线;于信号引猫容易产生电鹏射干扰走线时应与地线回路相靠近用地线把时钟区隔离起来鼐振外壳接地并固走。

两条平行的导线之间存在寄生电容与耦合电感会产生相互干扰。为了抑制这类干扰在线路布局上尽炻合理。如避免出现大的信号回路尽炻减少线路所包围的面积以降低寄生耦合所产生的电磁干扰相邻信号线尽炻垂直布置必须平行布置的长导线中间以地线平行地隔开。

尽量避免印制导线的不连续性和尖角。例如导线S度不要突变且导线不能突然拐角转弯的地方应有孤度或加竞狺号线上的过孔不宜过多导线弯折越少越好。因为印制线方向的突变会导致阻抗的不连续和辐射而产生射频干扰(RFI)。

电源线走向应尽炻与数据传递方向一致,并且电源线、地线都应尽量加竞傻其承受功率增大。一般情况下地线应比电源线S,它们之间的关系是地线>电源线>信号线,通常信号线竞为的竞度应大于3mm,使它能逋过三倍于印制电路板的最大允许电流元件引脚上的接地线宽度应该在1.5竞度左右。

地线抗干扰设计。在处理由数字电路和模拟电路混合构成的PCB板时布线时要特别注意地线上的噪音干扰。数字信号电流比较强,而且都是一些高低电平的跳变所以数字地上有很大的噪声和电流尖峰,而模拟信号电流较弱为避免两者之间的共阻抗耦合干扰两者地线应分设置。逻辑地和以地要分开布线它们各自地线分与相应的电源地线相连。尽量加粗徵以地尽炻加理工科研大其引出端的接地面积。

合理设置去眺容。好的高频塍电容可以去除高到lGHz的高频成分。瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时海个集成电路的电源与地之间都要加一耦电容。去耦电容有两个作用:一方面是本集成电路的烀能电容提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的宛玫电能另一方面旁路掉该器件的高频嗓声。数字电路中典型的去尤电容为0.01|F有5nH分布电感,它的并行频率大约在7MHz,对于10MHz以下的噪声有较好的苗作用对40著2以上的噪声几乎不起作用。1|,10|电容,并行瓶癖在20MHzIU±,去除高频率噪声的赌要好一些。在电源进入印制板的地方并联一个1|F或10|F的去高频电容往越有利的即使朝电池供电的系统也铟鹕电容海10片左右的集成电路要加一片充放电电容或称为蓄放电容容大小可选lMF. 4结论以上从实用的角度出发详细阐述了智能仪器仪表设计中干扰源的种类、产生原因以及相应的硬件抗干扰的措施。随着科学技术和制作工艺的不断发展,一些具有很强抗干扰能力的新材料和新器件不断滴现欺件技术的应用、EFT(ElectricalFastTransient)技未、低噪声系列单片机的应用、时钟监控电路、看门狗技术与低电压复位技术的应用以及从集成电路的制造技术和系统制咄两方面解决电磁兼容性问题等都将为提高以单片机为核心的智能仪器仪表系统的抗干扰性能提供更加便捷有效的途径。

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