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，諸如電量數據的丟失、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，求長年連續的掛網運行，如果運行中出現任何異?，F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，大多數智能電表都應保證在干擾較強的現場運行，因此如何提高智能電表的抗干擾能力，保證其在規定條件下正常運行，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，我們發現這樣一種現象，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據的丟失或死機。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、濾波及穩壓得到，穩壓性能好、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。
- 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。
- 在電源變壓器的初級串聯一個電源濾波器，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。
- 在各相交流電源的進線端，并聯一個壓敏電阻(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。
- 在為主處理器提供電源之前的三端穩壓器前，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值上，保護后面的電路元件不因瞬態高電壓的沖擊而損壞。
- 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，設計人員應根據具體的工作環境，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。看門狗電路實質上是一個單穩電路。當程序運行正常時，單片機定時給單穩電路輸入觸發信號，使單片機輸出保持暫穩態：當干擾異常時，單片機不能給觸發信號，單穩輸出回到穩態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
因為電表數據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據和參數不丟夫，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：
- 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。
- 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。數字地與模擬地應通過一點方式連接來提高抗干擾性能。
- 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電阻，會影響濾波效果。
- 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、地線走向與數據信息傳送方向一致，將有助于增強抗噪聲的能力。布線時避免小于90度折線，減少高頻噪聲發射。不要在印制板上留下空白銅箔層，因為它們可以充當發射天線或接收天線，因此可將它們接地以減小電磁干擾。
- 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。
- 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，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
在提高硬件系統抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、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程序跑飛時，可能會出現將操作數數值改變及將操作數誤當作操作碼的情況。當“跑飛”到某雙字節或三字節指令的操作數上時，會將操作數當作操作碼，程序將出錯，因此可在雙字節和三字節指令之后插入兩個或三個單字節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)和對系統工作狀態起重要作用的指令(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，可能會陷入某種循環不能跳出。如果循環中無清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。如果循環中包含了清WDT的指令，則產生死機。對于后者可在非程序區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：
- 未使用的中斷區。如果設計的智能電表未使用全部的中斷向量區，則可在剩余的中斷區安排軟件陷阱，以便能捕捉到錯誤的中斷。
- 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，相當于單字節指令MOV R7，A。當程序跑飛入該區后，不僅無法迅速入軌，而且破壞R7的內容。因此在該區每隔一段地址設一個陷阱，就一定能捕捉到跑飛的程序。
- 在表格的最后安排陷阱。注意表格中不應被放入。
- 在程序區。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。可以將陷阱指令放置在各模塊之間的空余單元里。在正常運行中不執行這些陷阱指令，一旦程序跑飛落入這些陷阱區，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行不到的地方，故不會影響程序的執行效率。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落入死循環之后，能及時發現并使整個系統復位。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數據寫入的可靠性措施
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，會導致把錯誤的數據寫入EEPROM。在電表工作中，每產電量改變0．1度寫入一次EEPROM，如果出現將錯誤的數據寫入EEPROM,這是不允許的。采取以下措施可很好的解決此問題：
- 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。
- 數據雙備份。當由于干擾使微處理器中的寄存器數據改變時，鑒于三組數據在同一值出錯的概率較小，故在寫入之前，將三組數據比較，若相等則寫入，若不相等則將相等的兩組數據寫入。
- 寫入之前對數據的合法性進行判別，即對電量或參數的數據格式進行判別。有了這樣的限制，可進一步提高可靠性。
- 定時設置I／0口狀態；微處理器受到干擾，I／0口狀態可能改變，比如電脈沖輸入口若改變為輸出態，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／輸出狀態對于干擾環境下運行的電表是有好處的。
(5)串行通信數據的冗余校驗
在抄表通信過程中，由于信道上各種因素的影響，所傳輸的信號受一定程度的干擾，PC機、集中器、電表間的性能參數不完全一致，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，將所傳數據系列看成高次多項式G(x)，將此多項式用預先規定的生成多項式P(x)去除，再將其余數碼BCC附加在所傳數據的尾部一并傳送：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據是正確的。在發送端的一方，即電表先將發送數據轉換，連同原數據一同發給集中器，集中器不做校驗，直接發給PC機，在接收端，PC機用高級語言實行CRC算法解碼；以確定數據的真偽。經實驗證明，冗余校驗使誤碼率大為降低，確保了數據傳輸的可靠性。
另外在軟件的編制過程中應注意在執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，只要認真分析系統所處環境的干擾來源以及傳播途徑，采用兩者相結合的方法，就能保證系統長期穩定可靠地運行。
參考文獻：
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