智能仪表的可靠性

[摘 要]通过对智能仪表和常规仪表的具体工作情况的分析,我认为智能仪表可靠性设计中一项很重要的工作是进行抗干扰设计.文中分析了干扰来源和抗干扰方法,重点分析了瞬间断电时的干扰过程和具有良好抗干扰性能的复位电路.

[关 键 词]可靠性设计；智能仪表；抗干扰

引言

随着微型计算机技术的迅速发展,它已经被越来越多地应用于各种仪表,构成智能仪表,使其性能得到很大改善,例如：提高精度、扩展量程、增加功能、方便使用等,因此智能仪表受到广泛的欢迎.它在我厂应用已经有较长一段时间了,在具体应用中,我发现了一些问题,例如,在我厂#5机组的运行过程中,用智能巡检仪表测量发电机静子线圈温度时,在机组停运的情况下,都能正常显示温度值,而当机组启动时,所有显示温度值都比实际温度值高很多,超出误差允许的使用范围,经过反复校验通道,查找原因,发现还是由于现场干扰信号过大造成的,因此,如何提高智能仪表的可靠性是一个不容忽视且急待解决的课题.通过实践与研究,我认为由于智能仪表与常规仪表的工作机理不同,在进行智能仪表可靠性设计时特别重要的是进行抗干扰设计.以下将对此问题进行探讨.

1.智能仪表进行抗干扰设计的必要性

首先,我们来分析一下常规仪表可靠工作的过程.如图1所示,F（x）是仪表的运算电路,x是广义的输入信号,它不仅包括各测量对象的信号,还包括供电电源；y是仪表输出信号,对于常规仪表而言,如果将仪表各部分看成一个串联系统,则只要元气件完好,各单元正常,则系统能有正确输出,且保证y等于F（x）的正确运算.如果发生干扰,x成为x’,仪表仍进行F（x’）的运算,输出发生错误；一旦干扰消失,只要仪表中各元器件完好,仪表输出就会恢复正常.可见,对于常规仪表而言,仪表可靠性工作的关键是构成仪表的各个元器件均可靠工作.

对于智能仪表而言,情况就不完全一样,常可见到一些智能仪表不能长期可靠地运行,但是仪表的元器件并没有损坏.

为了研究造成这种情况的原因,下面就以Intel8031为核心的典型智能仪表为例分析其工作过程.

智能仪表由于内置单片机,实际上是一种单片机系统.工作时它依据CPU中程序存储器的程序指令进行工作：CPU中的程序计数器Pc给出将要执行的指令地址,该地址反映在A1-A15,16条地址线上选通程序存储器中该地址的指令,指令内容通过DO-D7八条数据线送入CPU执行相应的操作,其中还有若干条控制线进行控制.这样一个指令操作仅需几us的时间.一般智能仪表的一个工作循环要执行几千至几万条这样的指令,才能完全一次从采样到输出的测量任务.

从以上分析可见,对于智能仪表而言,要使其工作正常,必须要按正确的顺序运行每一条指令,正确运行指令的每一个环节,即16条地址线、8条数据线、若干条控制线上的信号必须准确无误,不允许出现哪怕是短暂到几个us的错误.如此短暂时间的错误在常规仪表中几乎是无碍大局的,大都可以被滤波网络滤掉；而在智能仪表中如执行了若干条错误指令就可能造成灾难性的后果,比如地址总线上给出一个错误的地址,该地址上恰是一条输出指令,输出结果必然是错误的,而仪表的输出可能在控制着一个工艺过程,必然导致生产的混乱.对于单片机系统而言,一个错误指令的执行就很可能完全打乱程序正确运行的顺序而落入死循环,单片机是十分敏感的.可见智能仪表之所以造成工作失误的原因只能有两种可能：一为元器件损坏,二为外界干扰.集成电路芯片可以认为具有较长的使用寿命,在元器件损坏之前造成工作不可靠,只能是由于干扰而使单片机系统不能正常工作,故对智能仪表而言,全面严格的进行抗干扰设计是提高其运行可靠性的重要手段.

2.智能仪表复位电路研究

工作现场的工作环境恶劣,现场干扰因素很多,如电机运转噪声、大型设备的强电磁场干扰、温度、湿度的变化等都会造成对单片机系统工作的干扰.我在多年的实践工作中认为：在诸多干扰源中,来自于电网电压的波动、尖脉冲干扰、瞬间断电对于单片机的工作是一个很重要的干扰源,它使单片机不能连续正常工作.

由于工业现场的智能仪表大都要求上电后自动进入状态,所以一般均采用上电自动复位电路,其工作原理是：上电时由于电容的耦合,使RST端出现足够长时间的高电平,单片机处于复位状态,随着电容充电过程的完结,RST端变为低电平,程序计数器指箱000H地址开始执行程序.若电源Vcc突然出现一个短脉冲的瞬间断电,由于脉冲时间太短,电容没有完全放电,因此RST端仍为低电平,单片机没有复位,仍处于工作状态,然而在td期间,Vcc已为低电平,前文叙述的各地址线、数据线、控制线上就可能出现错误的电平信号,程序的执行不再正确,产生失控.因此无论掉电时间多么短暂,上电必须复位,显然图3所示的复位电路是无法胜任的.因此我们向厂家提出了这个存在的问题,目前厂家已经对此进行了改进,设计并生产了具有这一功能的微处理器运行监控集成电路,图4为它的复位程序,可见它使单片机上电后保持两种确定的状态：要么复位,要么工作.电源Vcc突然出现的短脉冲不会再造成异常状态,保证了系统的正常工作.

3.抗干扰措施的研讨

3.1电源的净化

前面已经提过：由于干扰可能造成复位不正确,进而造成程序失控.电源的干扰还可能通过其他途径对单片机的工作造成干扰,所以电源的净化是一个十分重要的问题.实践证明：完善的电源滤波是一个很好的方法,首先在变压器右边一侧加装电源滤波器是必要的,而且质量一定要好,因为曾有过因电源滤波器击穿而产生事故的经历.另外在直流端进行CLC的II型滤波也是行之有效的方法.

3.2时间的填充

从前面的论述可见,对于常规仪表,输出“永远”与输入与有着确定的关系,而智能仪表则不然,输入与输出是由不同时间的一条或几条语句实现的,其时间仅为几us,不具有“永远”对应的关系.可见在执行这些语句时发生干扰,会造成错误的结果,在其他时间发生干扰,也可能会使存在输出锁存器中的输出信号发生错误.实际上,在现场工作中被测对象如流量、温度、压力等其变化速度相对于单片机的运行速度而言要慢的多,因而造成了单片机运行的很多空余时间.这些空余时间用输入输出语句将其填满,并辅以必要的软件处理,使智能仪表的输入输出关系类似于常规仪表那样具有近似“永远”的特性,而非“瞬间”的特性,以提高仪表可靠性.

3.3光电隔离

智能仪表中输入、输出通道与单片机系统之间进行光电隔离,我认为是十分必要的.它可以使单片机系统与外界完全没有电的联系,具有很好的抗干扰性.对于数字信号的光电隔离比较简单,可以直接用光电耦合器即可.对于模拟信号而言,由于检测对象变化比较缓慢,我认为采用电压／频率和频率／电压式的转换比较合适,不仅易于光电隔离,而且低廉.

3.4监控定时器

程序运行的监控定时器（俗称看门狗）,近年来已用的很普遍了,但它要求程序运行必须稳定.我认为在智能仪表中监控定时器电路是非常必要的,但只是作为辅助手段,因为程序一旦跑飞,在它起作用之前,单片机可能已经干了“坏事”.所以只有在整台仪表具有十分完善的抗干扰措施的基础上辅以监控定时器电路才能使仪表具有高可靠性.

4.结论

智能仪表较普通仪表在性能上有了很大的改善,给我们日常应用带来了很大的方便,但发电机组的现场运行情况都比较复杂,出现干扰信号的情况也都不一样,因此,智能仪表的抗干扰性仍然是我们未来需要继续探讨和研究的一个课题,只有全面解决了抗干扰问题,才能使发电机组安全稳定的运行,提高机组经济效益,使它的应用越来越广泛,