C8051f064在電力監(jiān)控儀中抗干擾設計
c8051f064是cygnal(現為siliconlab)公司在2000年左右推出的新型單片機,具有運行速度快,與8051指令系統(tǒng)兼容的優(yōu)點,剛一推出就受到國內廣大8031使用者的歡迎,紛紛學習使用,并有一定的商業(yè)應用,但在具體的使用中也發(fā)現了很多問題,抗干擾能力便是其中之一。下面我將在文章中詳細討論。先說明一下我的系統(tǒng)。
在本設計中系統(tǒng)構成為:1.電力監(jiān)控儀---負責采集三項交流電的電壓、電流,LCD顯示,包括鍵盤操作,數據記錄等功能,并根據電壓、電流的變化控制執(zhí)行機構調節(jié)電網的電壓、電流,從而達到節(jié)電的功能,并具有modbus聯網遠傳數據的能力。2.上位機數據庫系統(tǒng)----檢測并記錄個終端的狀態(tài)和電量數據。
顯然電力監(jiān)控儀在本系統(tǒng)中具有核心地位,是系統(tǒng)正常運行的關鍵。核心器件選用了C8051F064單片機,應用了其內部集成的AD和EEPROM等外設。在剛開始設計時只考慮功能的實現,對抗干擾問題并沒有太多的在意,考慮到此產品的功能也不是很復雜,就主要是以前用AT89C51完成產品設計的經驗,隨便畫了PCB,把主要精力放在了軟件的編寫上,很快完成了樣機的開發(fā),進入到調試階段。
在試驗室單獨調試時也是一帆風順,感覺很得意。隨著項目的推進要到系統(tǒng)聯調了,這時意外的情況出現了,在第一次將電力監(jiān)控儀裝入電力調節(jié)柜時,靜態(tài)工作很正常,三項電壓電流顯示正常,數據通信正常,計量準確,可是當接通主回路測試電網補償功能時,出現執(zhí)行機構頻繁跳動,電力監(jiān)控儀屏幕時亮時暗,蜂鳴器長鳴,執(zhí)行機構在頻繁的反復調節(jié)下不堪重負冒出了白煙。
緊急停機!感覺很奇怪,為甚麼呢?不死心再來一次,這次也先不接主回路,空載測試,開機后一切正常,隨即并入主回路,又發(fā)生了上次的情況,這次電力監(jiān)控儀徹底不工作了,決定不能再盲目測試了,將控制器拆下,進行詳細分析,連接上IDE調試線,發(fā)現監(jiān)控儀不工作的原因是內部的EEPROM和存儲程序的FLASH不能進行寫入,IDE調試軟件不能正常接入。換了一片單片機再重新下載程序,又能正常工作。證實了單片機已經損壞,那么是什么原因造成單片機的FLASH和片內EEPROM的損壞呢?,經反復查找DATASHEET,發(fā)現FLASH大約有1000次的察寫壽命,而程序中為了在本地存儲隨即參數,有燒寫片內EEPROM的代碼,在正常情況下是足夠了,是不是由于程序跑飛,變量被改變造成過度擦寫造成呢?有很大的可能。為了證實在程序中加入了隨機寫入次數的限制,再進行試驗故障依舊,但EEPROM沒有損壞,可以確認上述的假設成立。那么是什么造成的干擾呢?經與電力工程師的討論發(fā)現最大的可能來自大功率的交流接觸器,在主回路接通的瞬間主交流接觸器上電工作,會產生巨大的電磁脈沖,由于監(jiān)控儀與交流接觸器空間距離很小,有可能感應到空間的電磁干擾,同時C8051F系列單片機又是3V系統(tǒng)在線可擦寫,抗干擾能力很弱,另外單片機的AD接口有PT,CT互感器,雖然具有隔離作用,但在并網的瞬間具有巨大的電壓電流跳變(di/dt,du/dt)也可能有干擾進入。
針對初次試驗和分析結果對電路做如下更改:
1.在PCB盡可能加寬單片機的電源線寬并盡量縮短長度。
2.在單片機的電源線上盡可能多地使用大容量的濾波電容。
3.在單片機電源線上對地并接瞬態(tài)抑制二極管。
4.盡可能擴大地線的面積,在兩層版之間打比較多的過孔,增大接地效果。
5.在3V電源的兩層版之間也大量打孔同樣增大接觸效果。
6.將單片機的IO都同過光藕控制外設,并使單片機IO腳到光藕的連線盡可能地短,并在實在不能短的線上并入瞬態(tài)抑制二極管。
7.對AD接口也并入瞬態(tài)抑制二極管處理。
8.使用單片機內部的時鐘,不用外部時鐘,并將外部時鐘腳接地。
9.將C8051F064的IDE接口MSO,MSI等調試信號線在不使用時,用跳線接地。
按照上面的幾條,經過很長時間的LAYOUT和反復的修改確認達到滿意的程度了,再制版。
經過實際聯機調試一切OK!,后又經過老化高低溫、震動等試驗都能正常運行。再經過現場的實際運行2年沒有出現任何故障。
經驗總結:
1.在功能相對簡單的產品設計時,在考慮到工程實際使用中可能出現的各種復雜情況,其設計并不簡單。
2.3V供電的單片機在不仔細的設計中抗干擾能力可能不如5V供電的單片機。
3.FLASH的單片機在不仔細的設計中可能不如OTP型的單片機。
4.隨著單片機技術的進步,其硬件集成度越來越高,這就要求設計人員有比較高的綜合運用能力,要將模擬和數字設計綜合運用才能設計出穩(wěn)定可靠的產品。