淺析智能電表軟硬件的抗干擾設計

一、引言

智能電表的設計，由于微控制器的引入，對設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致程序指針跳飛，從而引起不可預測的后果，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，可以通過人工復位，重新設置等手段來恢復，求長年連續(xù)的掛網(wǎng)運行，如果運行中出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，均要求能自動恢復正常工作。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，以及防止儀表內部產生的噪聲對外部的輻射，是智能儀表設計中必須考慮的問題，也是關鍵問題。

二、硬件抗干擾設計

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，容易導致智能電表中單片機數(shù)據(jù)的丟失或死機。如果從設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，在目前應用廣泛的多用戶電表設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，電路電壓恢復到正常工作電壓，壓敏電阻又恢復到高阻狀態(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，但對幾百赫茲以內的低頻干擾作用卻很小。綜上所述，設計人員應根據(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，產生一復位信號使單片機復位?？撮T狗電路實質上是一個單穩(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)存儲的可靠性至關重要，為了保證在掉電時以及在因干擾導致單片機復位時，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?、顯示驅動、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. 印刷電路板應有良好的絕緣性，絕緣電阻大于1011ΩV。在電路設計中，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大于4—5mm。數(shù)字地與模擬地應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，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，不能與產生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行鋪設。必要時可在它們之間設置一根地線，以實現(xiàn)屏蔽。

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