隨著微處理器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息通訊技術(shù)、電力電子技術(shù)以及人工智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，給傳統(tǒng)電器帶來了新的活力。智能化電器就是在這些相關(guān)新技術(shù)之上發(fā)展起來的新型電器產(chǎn)品。它一方面使電器具有智能化功能，即能夠根據(jù)運行狀態(tài)，通過感知、推理、學(xué)習(xí)、決策手段自動地選擇模式進行控制與保護；另一方面使電器能與中央控制計算機實現(xiàn)雙向通信，提高了配電控制系統(tǒng)的信息化、自動化程度。

　　隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，要求以微處理器為核心技術(shù)的智能化電器具有高的可靠性。由于智能化電器大多運行于惡劣的電磁環(huán)境中，因此，智能化電器抗干擾能力很大程度上決定了整個系統(tǒng)的可靠性。一般侵入系統(tǒng)干擾雖然不能直接造成硬件的損壞，但常使微處理器系統(tǒng)程序運行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)的事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是微機應(yīng)用系統(tǒng)研制中不可忽視的重要內(nèi)容，也是成為微機應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。本文結(jié)合科研經(jīng)驗，歸納出一些智能化電器控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計和抗干擾措施。從總體方案、器件選擇、印刷電路板布線到軟件程序設(shè)計都把抗干擾技術(shù)貫穿于應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的全過程。

　　微型計算機系統(tǒng)中的主要干擾源干擾就是由外部噪聲和無用信號在接收中所造成的騷擾，以路的傳導(dǎo)和以場的耦合形式侵入微計算機控制系統(tǒng)。干擾有多種來源，主要有：電磁輻射。電磁輻射干擾主要指電磁場在線路、導(dǎo)線、殼體上的輻射、吸收與調(diào)制。干擾來自應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部和外部。電流變化大或大電流工作的場合是產(chǎn)生電感性耦合噪聲的主要干擾源。電壓變化大或高電壓工作的場合是產(chǎn)生電容性耦合噪聲的主要干擾源，對于開關(guān)電器，其本身也是一個很強的干擾源。當開關(guān)電器開閉過程中，其通斷主回路電流將產(chǎn)生很強的電磁輻射以及電磁系統(tǒng)操作過電壓都將形成干擾信號。一般，電流di/dt和電壓du/dt大的地方就是干擾源。

　　過程通道。過程通道是指前向接口、后向接口與主機或主機與主機之間進行信息傳輸?shù)耐緩健Ｔ谶^程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。信號在傳輸過程中受串模干擾和共模干擾時會出現(xiàn)畸變、衰減和延時。

　　硬件系統(tǒng)可靠性設(shè)計3.硬件系統(tǒng)可靠性設(shè)計設(shè)計。EMC簡單地說就是指各種電子設(shè)備和系統(tǒng)可以在同一個電磁環(huán)境中相容地工作，既不受周圍電磁環(huán)境的影響，又不影響周圍環(huán)境，也不會因電磁環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差或產(chǎn)生誤動作，而能按原設(shè)計要求可靠工作的能力。對控制系統(tǒng)EMC問題的考慮必須貫穿產(chǎn)品研制的整個過程。

　　根據(jù)電磁性的基本原理，形成的電磁干擾（EMI）必須同時具備三個要素：電磁干擾源，電磁干擾的耦合途徑，對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。微機控制系統(tǒng)所受的EMI有來自內(nèi)部和外部的干擾。

　　EMI主要以兩種方式傳播：輻射（Radiated）方式一能量通過磁場或電場與受擾設(shè)備耦合傳播；傳導(dǎo)（Conducted）方式能量沿電源線或數(shù)據(jù)線傳播。

　　MPU系統(tǒng)可靠性。主要考慮抑制系統(tǒng)內(nèi)部或器件本身所產(chǎn)生的干擾噪聲，如熱噪聲、感應(yīng)噪聲、尖峰噪聲等。MPU系統(tǒng)中，時鐘信號、復(fù)位信號、中斷信號和控制信號對噪聲干擾信號的敏感性最強。MPU系統(tǒng)盡量選擇內(nèi)嵌有程序存儲器、A/D轉(zhuǎn)換、WDT電路的CPU芯片，其抗干擾能力較強；在不影響系統(tǒng)性能要求下，選擇低速、低頻器件以減少高次諧波的產(chǎn)生；外圍電器器件盡量選擇數(shù)字電路、CMOS器件，其噪聲容限大；外圍器件擴展盡量選擇串行擴展方式，其總線易關(guān)閉、傳輸數(shù)據(jù)可靠性高。

　　印刷電路板（PCB）可靠性。PCB是EMI傳播的重要途徑。正確設(shè)計PCB合理布線是提高微機系統(tǒng)EMC的最主要措施。PCB設(shè)計原則：將EMC敏感元件和非敏感元件分開處理；單點接地減少地線公共阻抗耦合；地線應(yīng)盡量加粗，可采用網(wǎng)格狀地線系統(tǒng)；布線應(yīng)盡量短，不要有分支和突然拐彎，那樣可能會導(dǎo)致反射和產(chǎn)生諧波；盡量減小電源線走線的有效包圍面積，以減小電磁耦合；集成電路和運算放大器電源引腳加接去耦旁路電容；晶振及諧振電容布線要盡量靠近CPU芯片，晶振外殼要接地。

　　穩(wěn)壓電源可靠性。主要考慮抑制系統(tǒng)外部的干擾噪聲，如脈沖噪聲、電弧放電、雷電波等。

　　由分立元件搭成常規(guī)的交流穩(wěn)壓、隔離、濾波、直流穩(wěn)壓、電源去耦、尖峰脈沖抑制的直流電源，雖然也能夠抑制干擾，但不是的MEC方案。要求嚴格的系統(tǒng)可選擇開關(guān)電源或增加標準電源濾波器。電源濾波器對串模、共模干擾信號具有很強雙向抑制作用，不僅對各種來自外部的干擾進行有效衰減，并且衰減設(shè)備自身向外的干擾，從而提高了應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和自身品質(zhì)并符合EMC要求。

　　3.2硬件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段，一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。其總原則是：抑制或消除干擾源；切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道；降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。具體措施有隔離、接地、屏蔽、濾波、鑒幅、提高信噪比等常用方法。

　　電源隔離變壓器應(yīng)選用噪聲隔離變壓器。這種變壓器初級和次級線圈之間均用屏蔽層隔離，減少初、次級之間的分布電容，而且初級屏蔽層接大地給共模噪聲提供通路，次級屏蔽層接系統(tǒng)地，因此有很高的共模抑制比，能有效地防止電網(wǎng)中噪聲干擾進入控制系統(tǒng)。

　　（2）屏蔽。所謂屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間加以金屬隔離，是抑制電磁場耦合最有效的方法。屏蔽又分靜電屏蔽和電磁屏蔽。對電容性耦合可將金屬殼接大地進行靜電屏蔽，對電感性耦合則采用低電阻金屬殼進行電磁屏蔽。遠距離通信所采用的雙絞線也是電磁屏蔽的一種形式，它的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數(shù)的增加而提高。雙絞線若再外加金屬編織網(wǎng)就可克服靜電感應(yīng)，使其屏蔽效果更好。在低頻1MHz）時屏蔽雙絞線采用一端接地，避免因兩端接地產(chǎn)生的接地電位差所造成的流經(jīng)屏蔽體的電流，這種電流將嚴重影響屏蔽效果。實踐表明，屏蔽效果好壞與接地系統(tǒng)有著密切相關(guān)的聯(lián)系，故應(yīng)重視接地系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)。

　　超過元件的崩潰電壓，TVS二極管能以ns級的速度，將其兩極間高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路。TVS特別適合于不需要旁路大能量的低電壓電路的二級保護，如電源線、信號線、通信線等。在直流穩(wěn)壓電源輸入端和輸出端可分別增加雙極性TVS和單極TVS瞬態(tài)電壓抑制器來消除電源線上暫態(tài)波，如雷電、電磁脈沖（EMP）、靜電放電（ESD）、電瞬變（EFT）等。對于TVS的正確選用可參閱有關(guān)產(chǎn)品說明書。

　　傳輸線架于戶外使用場合，其接口芯片乃至整個系統(tǒng)經(jīng)常會遭致雷電的襲擊，即使選用抗靜電或抗雷擊的芯片（MAX1487E、SN75LBC184）也不可避免此類損失。因此，還必須加裝集限流、箝位、高能泄放功能于一體的防雷保護器。

　　接地。微機應(yīng)用系統(tǒng)的接地方式有浮地、單點接地和多點接地，地線結(jié)構(gòu)有系統(tǒng)地、機殼地、數(shù)字地和模擬地。良好而正確的接地常常可以消除或至少可以降低各種形式的干擾。接地原則為：單點接地；數(shù)字地和模擬地分別與電源端地線相連；地線應(yīng)盡量加粗。

　　軟件系統(tǒng)可靠性技術(shù)4.1軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計提高微機系統(tǒng)運行的可靠性主要采取兩種方法：一是提高硬件系統(tǒng)可靠性設(shè)計來抵御外界干擾的影響；二是提高軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計來增強微機系統(tǒng)的自身防御能力。因為微機系統(tǒng)在運行過程中，難免會受到種種不可預(yù)知的干擾，因此系統(tǒng)的故障和錯誤是客觀存在的。有些故障無法用硬件措施來解決的，只能采取軟件方法來抑制、消除其影響。軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計主要內(nèi)容有：系統(tǒng)初始化識別的可靠性；系統(tǒng)自診斷和處理方案；系統(tǒng)界限參數(shù)的可靠性；系統(tǒng)控制狀態(tài)容錯對策；系統(tǒng)程序失控?zé)o擾動自恢復(fù)的安全性；系統(tǒng)數(shù)據(jù)抗干擾措施。

　　4.2軟件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)干擾對微機系統(tǒng)造成的后果有：①程序運行跑飛進入死循環(huán)；②竄改數(shù)據(jù)信息內(nèi)容；③前向通道數(shù)據(jù)采集誤差增大；④后向通道控制狀態(tài)失靈。因此，在軟件編程時應(yīng)加入軟件抗干擾措施，及時發(fā)現(xiàn)、攔截和糾正其造成的影響。

　　（1）自診斷。自診斷一般分為：開機自診斷、周期性自診斷和鍵控自診斷。

　　開機自診斷內(nèi)容：RAM區(qū)數(shù)據(jù)、定時器功能、相互通道的讀寫等。檢查RAM是否讀寫正確或運行過程RAM區(qū)數(shù)據(jù)是否遭破壞，若有將RAM數(shù)據(jù)的備份自動恢復(fù)；檢查相互通道（如8155、8250及通信接口芯片等）是否讀寫正確，若不正常給出報警提示。

　　周期性自診斷內(nèi)容：零漂自檢、自動校零、自動補償?shù)取？刂葡到y(tǒng)在運行過程中有關(guān)器件性能參數(shù)將受其他因素影響，造成零點偏移和漂移，它們會影響測量數(shù)據(jù)的準確性。因此，系統(tǒng)程序運行中要自動調(diào)入零漂自檢、自動補償?shù)茸映绦颍詫崿F(xiàn)自動校準功能。

　　鍵控自診斷內(nèi)容：通過人機對話接口設(shè)定特殊的自診斷功能。

　　（2）程序容錯。包括捕獲陷阱、程序卷回、指令冗余、WDT、定時器熱復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位處理等內(nèi)容。用于解決程序飛跑或進入死循后能重新恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。這方面內(nèi)容有關(guān)介紹很多，本文不再贅述。但需要強調(diào)兩點：一是系統(tǒng)復(fù)位處理時注意識別不同的復(fù)位狀態(tài)，對系統(tǒng)熱啟動首先要關(guān)中斷清除中斷響應(yīng)標志位并將I/O口設(shè)置為安全狀態(tài)避免誤操作；二是系統(tǒng)無擾動重恢復(fù)至失控發(fā)生時的那個程序模塊入口，重入時必須保證重要數(shù)據(jù)的正確性（冗余數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）和輸出口狀態(tài)的安全性（輸出口鎖定）。

　　微機系統(tǒng)中常用的奇偶校驗碼、累加和碼、漢明碼和循環(huán)校驗碼（CRC校驗）等都有很強的檢錯糾錯能力。其中循環(huán)校驗碼是一種最有效的冗余校驗方法，它是在發(fā)送端把信息碼用一特定的生成多項式去除，把余數(shù)附在信息碼后面作為冗余位，構(gòu)成一幀新的信息碼，如傳輸無錯，此幀能被這一特定生成多項式除盡，否則說明有錯。CRC校驗的檢錯能力取決于生成多項式的冪次，國際標準CRC-CCITT推薦使用16次多項式，它對16bit內(nèi)的信息碼錯誤檢出率為100%其他突發(fā)性錯誤檢出率為99.99%因此，CRC校驗已成為數(shù)據(jù)傳輸差錯控制的標準方式。CRC校驗由硬件電路和軟件編程都可以實現(xiàn)，硬件電路是利用移位寄存器作除法電路。

　　（4）數(shù)字濾波。數(shù)字濾波就是通過一定的方法計算或判斷程序減少疊加在有用信號中噪聲干擾的比重，從而提高采集信號的質(zhì)量。數(shù)字濾波是由程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件，可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，所以具有穩(wěn)定性好、功能強的特點。常用的數(shù)字濾波方法有：①算術(shù)平均值法。對數(shù)據(jù)采集N次計算其平均值。適用于具有隨機干擾信號的濾波。②防脈沖干擾平均值法。對數(shù)據(jù)采集N次去掉其中最大值和最小值，然后計算余下的N―2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。適用于具有脈沖干擾和隨機干擾信號的濾波。③一階遞推數(shù)字濾波法。利用程序完成RC低通濾波器的算法。因為有用信號的頻率均較低，而噪聲或干擾信號的頻率較高，所以低通濾波器適用于具有周期性干擾和頻率較高的隨機干擾信號的濾波。