淺析智能電表軟硬件的抗干擾設(shè)計

一、引言

智能電表的設(shè)計，由于微控制器的引入，對設(shè)計者提出了更高的要求。這是因為由于電源等引入的干擾可能導(dǎo)致程序指針跳飛，從而引起不可預(yù)測的后果，諸如電量數(shù)據(jù)的丟失、改變或死機等。像家用電腦和普通儀器儀表對死機等現(xiàn)象是允許的，可以通過人工復(fù)位，重新設(shè)置等手段來恢復(fù)，求長年連續(xù)的掛網(wǎng)運行，如果運行中出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，均要求能自動恢復(fù)正常工作。然而，在工程實際中，噪聲和干擾是不可避免的。目前，大多數(shù)智能電表都應(yīng)保證在干擾較強的現(xiàn)場運行，因此如何提高智能電表的抗干擾能力，保證其在規(guī)定條件下正常運行，以及防止儀表內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲對外部的輻射，是智能儀表設(shè)計中必須考慮的問題，也是關(guān)鍵問題。

二、硬件抗干擾設(shè)計

在智能電表研制的初期，我們發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，電表帶上電感性負載(比如電扇)時，在電扇快速插拔的瞬間，容易導(dǎo)致智能電表中單片機數(shù)據(jù)的丟失或死機。如果從設(shè)計上不能把智能電表的抗干擾問題解決好，后果將會非常嚴重。

(1)電源的抗干擾措施

實踐證明，系統(tǒng)失效和硬件損壞大都是由各種干擾引起的，而90％以上的干擾來自于電源?？梢娺@種來自電源的干擾對系統(tǒng)的影響相當大，因此應(yīng)充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好壞，直接影響整個電路的抗干擾能力的好壞。目前有以下幾種電源可供選擇：第一種阻容分壓式，它采用簡單的電阻電容分壓、濾波。但這種電源穩(wěn)壓性能差、電源波動大、帶負載能力小、電網(wǎng)干擾極易串入，一般不采用這種方式。第二種開關(guān)電源，這種電源穩(wěn)壓性能好、紋波小，但成本較高且對外界電網(wǎng)干擾比較嚴重，也不宜采用。第三種線性電源，這種電源由220V經(jīng)交流變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓得到，穩(wěn)壓性能好、隔離特性好，價格適中，在目前應(yīng)用廣泛的多用戶電表設(shè)計中大都采用這種方式。對這種電源的抗干擾措施有以下幾個方面。

1. 對于電源變壓器的設(shè)計，要使其空載電流盡可能小，以降低整表功耗。增加變壓器的容量，能使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，而變壓器的容量受電表空間的限制，變壓器又不能太大。

2. 在電源變壓器的初級串聯(lián)一個電源濾波器，比如采用“雙繞組扼流圈”的濾波線路，它對高頻干擾信號阻抗很大，使整個電子系統(tǒng)與供電網(wǎng)之間得到一定程度的高頻隔離，對于外界空間電磁場的干擾，也起一定的抑制作用。

3. 在各相交流電源的進線端，并聯(lián)一個壓敏電阻(MOV)，其電阻隨電壓的增加而減小。在過壓時形成一個低阻的分流器，從而可以防止被保護電路兩端的電壓進一步上升；當浪涌電壓過后，電路電壓恢復(fù)到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

4. 在為主處理器提供電源之前的三端穩(wěn)壓器前，并接一個瞬變電壓抑制二極管(TVS)，對后面的電路起到保護作用。當TVS兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時，它能以極高的速度成為低阻抗器件，吸收大電流，從而把它兩端的電壓鉗位在一個預(yù)定的數(shù)值上，保護后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。

5. 在變壓器一次側(cè)采取磁珠和電容組成的丌型濾波方法，對高頻干擾起作用，但對幾百赫茲以內(nèi)的低頻干擾作用卻很小。綜上所述，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境，選擇不同的抗干擾措施。

(2)電源檢測及看門狗電路

分析及實踐表明，對來自電網(wǎng)的干擾不僅要采取硬堵的辦法，還要采取容錯措施。使用電源檢測及看門狗電路的目的，就是當電源電壓出現(xiàn)干擾脈沖或單片機受干擾程序運行異常時，產(chǎn)生一復(fù)位信號使單片機復(fù)位?？撮T狗電路實質(zhì)上是一個單穩(wěn)電路。當程序運行正常時，單片機定時給單穩(wěn)電路輸入觸發(fā)信號，使單片機輸出保持暫穩(wěn)態(tài)：當干擾異常時，單片機不能給觸發(fā)信號，單穩(wěn)輸出回到穩(wěn)態(tài)引起單片機硬件夏位：看門狗不僅對來自電網(wǎng)方面的干擾起作用，而且對來自空間等其他方面的干擾也起作用。然而如果沒有電源檢測電路，只有看門狗電路，在電網(wǎng)干擾下，即使不帶電感性負載，當電源快速合閘時，也有可能導(dǎo)致死機。實踐證明，采用電源檢測及看門狗電路之后，死機觀象得到了有效地克服。

(3)串行E2PROM的選擇

因為電表數(shù)據(jù)存儲的可靠性至關(guān)重要，為了保證在掉電時以及在因干擾導(dǎo)致單片機復(fù)位時，智能電表中的主要數(shù)據(jù)和參數(shù)不丟夫，存儲器的選擇上要有所考慮。使用并行存儲器．雖然有速度快的特點，但讀寫信號容易受到干擾從而造成錯誤。而采用串行E2PROM存儲器時，其讀寫時序相當嚴格，受到干擾出錯的幾率就小得多。

(4)布線布局上的抗干擾設(shè)計

在用電負荷很小時，220V的電壓與幾個μV的小信號會共集于一塊電路板上，如果電源布局不當，有用信號會被噪聲所淹沒，以多用戶電表為例，在布線布局上的抗干擾措施有：

1. 電源與控制分兩塊板。在多用戶智能電表中分三部分：電源板，主機控制板和電能采集傳感器板。電源板包括變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等?？刂瓢灏ㄎ⑻幚砥鳌@示驅(qū)動、看門狗電路、串行E2PROM、電能脈沖采集等。電能采集傳感器板包括A、B、C三相上各用戶的電能采集模塊及其外圍電路。對變壓器的設(shè)計要求其漏磁要小，一般其空載電流不大于10mA，若仍不能滿足要求，可變換變壓器位置改變磁場方向，減小漏磁對小信號的影響。

2. 印刷電路板應(yīng)有良好的絕緣性，絕緣電阻大于1011ΩV。在電路設(shè)計中，必須嚴格保證強電與弱電的隔離，除了電路有直接連接外，100V以上的強電印刷布線與弱電印刷布線距離應(yīng)大于4—5mm。數(shù)字地與模擬地應(yīng)通過一點方式連接來提高抗干擾性能。

3. 在每個印刷電路扳入口處的電源線與地線之間并接退耦電容。并接的電容應(yīng)為一個大容量的電解電容(10～100μF)和一個0．01～0．1μF的非電解電窖，電路板上的大中規(guī)模IC要并接一個0．0lμF一0．1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。

4. 印刷線走線要科學(xué)，高壓走線盡量短，盡量遠離小信號走線。對于電能采集傳感器板的印刷板布線要求一面走線．另一面銅鉑既作電磁屏蔽用、又作地線用，以減少干擾信號。除了要根據(jù)電流大小，盡量加大導(dǎo)線寬度外，采取使電源線、地線走向與數(shù)據(jù)信息傳送方向一致，將有助于增強抗噪聲的能力。布線時避免小于90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。不要在印制板上留下空白銅箔層，因為它們可以充當發(fā)射天線或接收天線，因此可將它們接地以減小電磁干擾。

5. 在線路無法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，干脆用絕緣“飛線”連接，而不用印刷線，或采用雙面印刷“飛線”或阻容元件直接跨接。

6. 對印刷板上容易受干擾的信號線，不能與產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行鋪設(shè)。必要時可在它們之間設(shè)置一根地線，以實現(xiàn)屏蔽。

當然，這些布線與布局的抗干擾設(shè)計一般不能由自動布線軟件來實現(xiàn)，必須有設(shè)計者親自參與并設(shè)計有關(guān)電路。

三、軟件抗干擾設(shè)計

在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設(shè)計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好越來越受到重視。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取如下軟件抗干擾措施。

(1)指令冗余技術(shù)

當指針受到干擾出現(xiàn)程序跑飛時，可能會出現(xiàn)將操作數(shù)數(shù)值改變及將操作數(shù)誤當作操作碼的情況。當“跑飛”到某雙字節(jié)或三字節(jié)指令的操作數(shù)上時，會將操作數(shù)當作操作碼，程序?qū)⒊鲥e，因此可在雙字節(jié)和三字節(jié)指令之后插入兩個或三個單字節(jié)NOP指令，這可保證其后的指令不被拆散。對程序流向起決定作用的指令(如浸水使柔軟、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、．INC等)和對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入兩條NOP指令，可保證跑飛程序迅速納入軌道；或者在其后面重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確運行。

(2)軟件陷阱

當微處理器受到各種干擾時，若PC指針跳到非程序區(qū)，可能會陷入某種循環(huán)不能跳出。如果循環(huán)中無清WDT指令，在給定看門狗定時器條件下，經(jīng)過一定時間 WDT起作用，將PC指針復(fù)位，工作恢復(fù)正常。如果循環(huán)中包含了清WDT的指令，則產(chǎn)生死機。對于后者可在非程序區(qū)放置軟件陷阱加以解決。

軟件陷阱有三條指令組成：

* NOP

* NOP

* LJMP EER

安排軟件陷阱的位置有：

1. 未使用的中斷區(qū)。如果設(shè)計的智能電表未使用全部的中斷向量區(qū)，則可在剩余的中斷區(qū)安排軟件陷阱，以便能捕捉到錯誤的中斷。

2. 未使用的大片EPROM空間。對于單片機未編程的空間，其初始值為OFFH。OFFH對51指令來說，相當于單字節(jié)指令MOV R7，A。當程序跑飛入該區(qū)后，不僅無法迅速入軌，而且破壞R7的內(nèi)容。因此在該區(qū)每隔一段地址設(shè)一個陷阱，就一定能捕捉到跑飛的程序。

3. 在表格的最后安排陷阱。注意表格中不應(yīng)被放入。

4. 在程序區(qū)。前面曾指出，跑飛的程序在用戶程序內(nèi)部跳轉(zhuǎn)時可用指令冗余加以解決，也可以設(shè)置一些軟件陷阱，能更有效地抑制程序跑飛。可以將陷阱指令放置在各模塊之間的空余單元里。在正常運行中不執(zhí)行這些陷阱指令，一旦程序跑飛落入這些陷阱區(qū)，馬上將亂飛的程序拉入正確軌道。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不會影響程序的執(zhí)行效率。所以在EPROM容量允許的條件下，這種陷阱多一點為好。

(3)“看門狗”措施

如果跑飛的程序落入一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力，這時可以采用復(fù)位的方法使系統(tǒng)恢復(fù)正常。“看門狗”電路的功能就是對 CPU進行實時檢測，當CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復(fù)位。在軟件編程中，設(shè)置約1秒訪問一次看門狗芯片，當程序跑飛或大于1．4秒(設(shè)置的超時時間)沒有訪問看門狗芯片，X5045將輸出復(fù)位脈沖，直至程序正常運行。

(4)保證EEPROM數(shù)據(jù)寫入的可靠性措施

需要注意的是，看門狗如果起作用說明程序計數(shù)器內(nèi)容被破壞，因此其它寄存器或片內(nèi)公羊的內(nèi)容也有被破壞的可能，會導(dǎo)致把錯誤的數(shù)據(jù)寫入EEPROM。在電表工作中，每產(chǎn)電量改變0．1度寫入一次EEPROM，如果出現(xiàn)將錯誤的數(shù)據(jù)寫入EEPROM,這是不允許的。采取以下措施可很好的解決此問題：

1. 正常寫入EEPROM之前，要進行一系列操作，可將其分成幾部分。每一部分設(shè)置一寫入口令。只有程序正常一步一步運行，口令才會逐一被賦予正確的值，到最后寫入時再判斷所有的口令是否正確。若正確，寫入，否則退出。寫入完成，口令清除。

2. 數(shù)據(jù)雙備份。當由于干擾使微處理器中的寄存器數(shù)據(jù)改變時，鑒于三組數(shù)據(jù)在同一值出錯的概率較小，故在寫入之前，將三組數(shù)據(jù)比較，若相等則寫入，若不相等則將相等的兩組數(shù)據(jù)寫入。

3. 寫入之前對數(shù)據(jù)的合法性進行判別，即對電量或參數(shù)的數(shù)據(jù)格式進行判別。有了這樣的限制，可進一步提高可靠性。

4. 定時設(shè)置I／0口狀態(tài)；微處理器受到干擾，I／0口狀態(tài)可能改變，比如電脈沖輸入口若改變?yōu)檩敵鰬B(tài)，會造成用戶用了電但微處理器卻檢測不到的可能。所以周期性地重復(fù)定義I／0口的輸入／輸出狀態(tài)對于干擾環(huán)境下運行的電表是有好處的。

(5)串行通信數(shù)據(jù)的冗余校驗

在抄表通信過程中，由于信道上各種因素的影響，所傳輸?shù)男盘柺芤欢ǔ潭鹊母蓴_，PC機、集中器、電表間的性能參數(shù)不完全一致，在串行通信中僅靠奇偶校驗是不夠的。而采用國際上較為流行的傳輸碼校驗方法——循環(huán)冗余碼校驗(CRC)，可收到了很好的效果。CRC是一種多用于同步通訊方式中的差錯檢出方式，在該方式中，將所傳數(shù)據(jù)系列看成高次多項式G(x)，將此多項式用預(yù)先規(guī)定的生成多項式P(x)去除，再將其余數(shù)碼BCC附加在所傳數(shù)據(jù)的尾部一并傳送：在接收方，用同樣的生成多項式去除，若除得結(jié)果為零，則可判斷所接收到的數(shù)據(jù)是正確的。在發(fā)送端的一方，即電表先將發(fā)送數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，連同原數(shù)據(jù)一同發(fā)給集中器，集中器不做校驗，直接發(fā)給PC機，在接收端，PC機用高級語言實行CRC算法解碼；以確定數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。?jīng)實驗證明，冗余校驗使誤碼率大為降低，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

另外在軟件的編制過程中應(yīng)注意在執(zhí)行各功能子模塊之前，可先進行功能標志冗余判斷，以增強其程序運行可靠性。

四、結(jié)束語

在電表設(shè)計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應(yīng)充分考慮抗干擾性能的要求，避免在設(shè)計完成后再去進行抗干擾的補救措施。因此電表設(shè)計開發(fā)者應(yīng)從抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能等方面采取各種措施來提高系統(tǒng)性能。在抗干擾設(shè)計中，軟件抗干擾是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施，只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用兩者相結(jié)合的方法，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。