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)的掛網運行,，如果運行中出現(xiàn)任何異?，F(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,。可見這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,。控制板包括微處理器,、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,。

三,、軟件抗干擾設計

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

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,，程序將出錯,，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，經過一定時間 WDT起作用,，將PC指針復位,，工作恢復正常。如果循環(huán)中包含了清WDT的指令,，則產生死機,。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的內容,。因此在該區(qū)每隔一段地址設一個陷阱,，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部跳轉時可用指令冗余加以解決,，也可以設置一些軟件陷阱，能更有效地抑制程序跑飛,?？梢詫⑾葳逯噶罘胖迷诟髂K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，這時可以采用復位的方法使系統(tǒng)恢復正常,。“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)復位,。在軟件編程中,，設置約1秒訪問一次看門狗芯片，當程序跑飛或大于1．4秒(設置的超時時間)沒有訪問看門狗芯片,，X5045將輸出復位脈沖,，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)器內容被破壞,，因此其它寄存器或片內公羊的內容也有被破壞的可能，會導致把錯誤的數(shù)據(jù)寫入EEPROM,。在電表工作中,，每產電量改變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)巍＝泴嶒炞C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?br />
另外在軟件的編制過程中應注意在執(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,、結束語

在電表設計中,，為了少走彎路和節(jié)省時間，應充分考慮抗干擾性能的要求,，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施,。因此電表設計開發(fā)者應從抑制干擾源，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，采用兩者相結合的方法,，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行,。

參考文獻：

[1]徐愛均等．智能化測量控制儀表原理與設計[M]。北京航空航天大學出版社,，1995
[2]王幸之等．單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術[M],。北京航空航天大學出版社，2000
[3]邱玉春等EEPROM器件在電度表中的應用,。電測與儀表,，2000