集中式智能電表的抗干擾設(shè)計(jì)

為了提高集中式智能電表的抗干擾性能，在設(shè)計(jì)中綜合采用了硬件和軟件措施：硬件上主要選用MAX691A電源監(jiān)控和看門狗電路；軟件上主要采用了數(shù)據(jù)校驗(yàn)、備份，插入空操作和軟件陷阱等方法。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該系統(tǒng)具有很好的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：智能電表 單片機(jī) 抗干擾

引言

     目前，我國(guó)絕大多數(shù)城鄉(xiāng)居民用電抄表還采取人工方式。這種落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大，準(zhǔn)確度低。因此，國(guó)家有關(guān)部門規(guī)定以后將逐步用自動(dòng)抄表系統(tǒng)取代人工抄表。但是這樣以來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)械電表在性能上就不能適應(yīng)要求。因此我們采用單片機(jī)自動(dòng)測(cè)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種既能獨(dú)立使用又能面向自動(dòng)抄表系統(tǒng)的集中式智能電表。為了使其長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全可靠地運(yùn)行，必須進(jìn)行全面的系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)。下面就將有關(guān)內(nèi)容作以介紹：

系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的必要性

     由于集中式智能電表工作于居民住宅區(qū)內(nèi)，很容易受到系統(tǒng)內(nèi)、外各種電氣和電磁干擾，其中以供電系統(tǒng)干擾為主。在家用電器中，許多為電感性負(fù)載，它們的快速切換會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生噪聲干擾，進(jìn)而可能導(dǎo)致單片機(jī)數(shù)據(jù)混亂或死機(jī)，規(guī)律如下：

     （1）干擾脈沖的幅度較小時(shí)，對(duì)單片機(jī)基本無(wú)影響；

     （2）干擾脈沖的幅度較大時(shí)，使單片機(jī)復(fù)位；

     （3）干擾脈沖的幅度較大，且瞬間有很多脈沖，可能導(dǎo)致單片機(jī)數(shù)據(jù)混亂或死機(jī)。

     智能電表要求長(zhǎng)年連續(xù)地掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行中出現(xiàn)的任何異?，F(xiàn)象（數(shù)據(jù)混亂、死機(jī)等）均要求其能安全恢復(fù)，故對(duì)抗干擾要求很高。如果不采取有效的抗干擾措施，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)遭遇到較強(qiáng)的干擾信號(hào)時(shí)，其性能的可靠性與運(yùn)行的安全性均會(huì)降低，會(huì)給用戶、物業(yè)管理或電業(yè)部門造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)糾紛。

     抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。由此可見，要確保該智能電表系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，主要包括硬件抗干擾和軟件抗干擾兩個(gè)方面。

系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

     1．硬件抗干擾設(shè)計(jì)

     電量信號(hào)的采集和輸出部分采用光電耦合器，光電耦合器的一次側(cè)和二次側(cè)是電絕緣的，因此對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，同時(shí)也具有很強(qiáng)的抑制電磁干擾的能力。電源在向系統(tǒng)提供電能的同時(shí)，也會(huì)把干擾噪聲直接由供電端加在控制電路上，而單片機(jī)的復(fù)位線、中斷線等控制線，最易受到這種外界噪聲的干擾，因此必須采取一定措施來(lái)加以抑制、消除這種干擾。具體方法為：加屏蔽罩、隔離變壓器、磁環(huán)和π形濾波電路等，但這些只能使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，難以從根本上解決。所以，還必須使用單片機(jī)專用的電源監(jiān)控芯片，提高敏感器件的抗干擾能力。

     本系統(tǒng)在硬件抗干擾方面的一個(gè)突出特點(diǎn)就是選用單片機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控芯片MAX691A，設(shè)計(jì)了CPU安全監(jiān)控電路。MAX691A具有：復(fù)位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫保護(hù)、后備電池切換、看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等功能。連接電路如圖1所示。

     MAX691A主要引腳及其功能說(shuō)明：

     （1） VBATT：備用電源輸入端，可接3.6V鋰電池或充電電路。如果不用，應(yīng)連接到GND。

     （2） VOUT： 電源輸出端，當(dāng)VCC高于復(fù)位上限電壓時(shí)，VOUT = VCC；當(dāng)VCC低于復(fù)位上限電壓時(shí)，VOUT與VBATT相連。VOUT與GND之間需加一個(gè)0.1μF的電容。

     （3） VCC ：工作電源接入端，接+5V。

     （4） GND：電源接地端，是所有信號(hào)的參考點(diǎn)。

     （5） PFI：電源電壓比較器輸入端。當(dāng)此端電壓輸入低于1.25V時(shí)，PFO（————）將變?yōu)榈碗娖健?/p>

     （6） PFO（————）：掉電輸出端，低電平有效。在圖1中，它觸發(fā)INT（————）0中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⒆鱿到y(tǒng)掉電前的緊急處理。

     （7） WDI：看門狗喂入端。當(dāng)其保持高電平或低電平的時(shí)間達(dá)到1.6 s（典型值）時(shí)，內(nèi)部看門狗定時(shí)器溢出，并觸發(fā)WDO（——————）信號(hào)輸出。

     （8） CE（————） OUT：片選信號(hào)輸出端。只有當(dāng)CE（————） IN是低電平而且VCC 正常時(shí)，CE（————） OUT才輸出低電平，可有效防止對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的誤操作。

     （9） CE（————） IN：片選信號(hào)輸入端。

     （10） WDO（——————）：看門狗輸出端，低電平有效。如果WDI懸空，WDO（——————）保持高電平。

     （11） RESET（——————————）：低電平有效復(fù)位端，當(dāng)VCC低于4.65V時(shí)，RESET（——————————）變?yōu)榈碗娖?。?fù)位信號(hào)典型值為200ms 。

     （12） RESET：高電平有效復(fù)位端，集電極開路輸出。

     另外，MAX691A還具有振蕩頻率選擇（7、8引腳）等功能，可以調(diào)節(jié)復(fù)位和看門狗定時(shí)器的時(shí)間。在圖1中，增加了微分電路和反相器，使WDO（——————）直接引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位，大大簡(jiǎn)化了軟件的抗干擾設(shè)計(jì)。

     2．軟件抗干擾設(shè)計(jì)

     本系統(tǒng)采取的軟件抗干擾措施如下所述：

     （1）對(duì)輸入信號(hào)采用電平檢測(cè)而非邊沿檢測(cè)，以減少的各種隨機(jī)干擾脈沖的影響。

     （2）對(duì)重要的狀態(tài)寄存單元備份，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)受干擾破壞后，能及時(shí)查詢備份寄存單元的信息，進(jìn)行狀態(tài)糾正。

     （3）電量數(shù)據(jù)存放之前，對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

     （4）電量數(shù)據(jù)在6264和2465中都采取多址存放，互為備份，以確保萬(wàn)無(wú)一失。

     （5）設(shè)置自檢程序，在某些內(nèi)存單元設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志，在開機(jī)運(yùn)行后，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證信息存儲(chǔ)、傳輸、運(yùn)算的高可靠性。

     （6）插入空操作指令：在比較條件轉(zhuǎn)移指令、絕對(duì)轉(zhuǎn)移指令、中斷、堆棧指令前，以及數(shù)據(jù)表格后，插入空指令，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

     （7）當(dāng)程序運(yùn)行失常，發(fā)生諸如：程序“跑飛”、數(shù)據(jù)區(qū)和工作寄存器中的數(shù)據(jù)遭到破壞,采取措施如下：

     （a） 設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時(shí)器

     因本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有CPU安全監(jiān)控電路，所以可通過(guò)使用MAX691A的定時(shí)中斷即看門狗（Watchdog）來(lái)監(jiān)視程序的運(yùn)行。只要程序正常運(yùn)行，定時(shí)器就不會(huì)出現(xiàn)定時(shí)中斷。而當(dāng)程序運(yùn)行失常，因“跑飛”等原因不能對(duì)WDI進(jìn)行及時(shí)刷新時(shí)，看門狗定時(shí)器就會(huì)引發(fā)崩潰復(fù)位。

     （b） 設(shè)置軟件陷井

     在程序存儲(chǔ)器的空白處，填滿空操作指令和長(zhǎng)轉(zhuǎn)移指令（LJMP ERR），來(lái)截獲跑飛的程序，最后通過(guò)軟件強(qiáng)制復(fù)位，使程序返回到初始狀態(tài)。在MCS-51單片機(jī)的軟件復(fù)位過(guò)程中，必須連續(xù)執(zhí)行兩次中斷返回指令RETI才能確保清除中斷標(biāo)志，使系統(tǒng)恢復(fù)正常。出錯(cuò)處理程序如下：

     ERR:   CLR EA ;   正確的軟件復(fù)位入口，關(guān)中斷

     MOV 66H,#0AAH ; 重建上電標(biāo)志

     MOV 67H,#55H

     MOV DPTR,#ERR1 ;準(zhǔn)備第一次返回地址

     PUSH DPL

     PUSH DPH

     RETI ;    清除高級(jí)中斷激活標(biāo)志

     ERR1: CLR A

     PUSH ACC

     PUSH ACC

     RETI ;   清除低級(jí)中斷激活標(biāo)志

結(jié)論

     本集中式智能電表系統(tǒng)進(jìn)行了全面有效的系統(tǒng)軟、硬件抗干擾設(shè)計(jì)，特別是充分利用了MAX691A芯片的強(qiáng)大監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)三狀況（上電、掉電、崩潰）復(fù)位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫保護(hù)、后備電池切換、看門狗定時(shí)和電源監(jiān)視等功能。從而極大的提高了系統(tǒng)的抗強(qiáng)干擾能力，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，為該智能電表實(shí)際的應(yīng)用與推廣提供了可靠的技術(shù)保障。