C8051f064在電力監(jiān)控儀中抗干擾設(shè)計(jì)

c8051f064是cygnal(現(xiàn)為siliconlab)公司在2000年左右推出的新型單片機(jī)，具有運(yùn)行速度快，與8051指令系統(tǒng)兼容的優(yōu)點(diǎn)，剛一推出就受到國內(nèi)廣大8031使用者的歡迎，紛紛學(xué)習(xí)使用，并有一定的商業(yè)應(yīng)用，但在具體的使用中也發(fā)現(xiàn)了很多問題，抗干擾能力便是其中之一。下面我將在文章中詳細(xì)討論。先說明一下我的系統(tǒng)。

在本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)構(gòu)成為：1.電力監(jiān)控儀---負(fù)責(zé)采集三項(xiàng)交流電的電壓、電流，LCD顯示，包括鍵盤操作，數(shù)據(jù)記錄等功能，并根據(jù)電壓、電流的變化控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓、電流，從而達(dá)到節(jié)電的功能，并具有modbus聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的能力。2.上位機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)----檢測(cè)并記錄個(gè)終端的狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)。

顯然電力監(jiān)控儀在本系統(tǒng)中具有核心地位，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。核心器件選用了C8051F064單片機(jī)，應(yīng)用了其內(nèi)部集成的AD和EEPROM等外設(shè)。在剛開始設(shè)計(jì)時(shí)只考慮功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)抗干擾問題并沒有太多的在意，考慮到此產(chǎn)品的功能也不是很復(fù)雜，就主要是以前用AT89C51完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，隨便畫了PCB，把主要精力放在了軟件的編寫上，很快完成了樣機(jī)的開發(fā)，進(jìn)入到調(diào)試階段。

在試驗(yàn)室單獨(dú)調(diào)試時(shí)也是一帆風(fēng)順，感覺很得意。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)要到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)了，這時(shí)意外的情況出現(xiàn)了，在第一次將電力監(jiān)控儀裝入電力調(diào)節(jié)柜時(shí)，靜態(tài)工作很正常，三項(xiàng)電壓電流顯示正常，數(shù)據(jù)通信正常，計(jì)量準(zhǔn)確，可是當(dāng)接通主回路測(cè)試電網(wǎng)補(bǔ)償功能時(shí)，出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁跳動(dòng)，電力監(jiān)控儀屏幕時(shí)亮?xí)r暗，蜂鳴器長(zhǎng)鳴，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在頻繁的反復(fù)調(diào)節(jié)下不堪重負(fù)冒出了白煙。

緊急停機(jī)!感覺很奇怪，為甚麼呢?不死心再來一次，這次也先不接主回路，空載測(cè)試，開機(jī)后一切正常，隨即并入主回路，又發(fā)生了上次的情況，這次電力監(jiān)控儀徹底不工作了，決定不能再盲目測(cè)試了，將控制器拆下，進(jìn)行詳細(xì)分析，連接上IDE調(diào)試線，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控儀不工作的原因是內(nèi)部的EEPROM和存儲(chǔ)程序的FLASH不能進(jìn)行寫入，IDE調(diào)試軟件不能正常接入。換了一片單片機(jī)再重新下載程序，又能正常工作。證實(shí)了單片機(jī)已經(jīng)損壞，那么是什么原因造成單片機(jī)的FLASH和片內(nèi)EEPROM的損壞呢?，經(jīng)反復(fù)查找DATASHEET，發(fā)現(xiàn)FLASH大約有1000次的察寫壽命，而程序中為了在本地存儲(chǔ)隨即參數(shù)，有燒寫片內(nèi)EEPROM的代碼，在正常情況下是足夠了，是不是由于程序跑飛，變量被改變?cè)斐蛇^度擦寫造成呢?有很大的可能。為了證實(shí)在程序中加入了隨機(jī)寫入次數(shù)的限制，再進(jìn)行試驗(yàn)故障依舊，但EEPROM沒有損壞，可以確認(rèn)上述的假設(shè)成立。那么是什么造成的干擾呢?經(jīng)與電力工程師的討論發(fā)現(xiàn)最大的可能來自大功率的交流接觸器，在主回路接通的瞬間主交流接觸器上電工作，會(huì)產(chǎn)生巨大的電磁脈沖，由于監(jiān)控儀與交流接觸器空間距離很小，有可能感應(yīng)到空間的電磁干擾，同時(shí)C8051F系列單片機(jī)又是3V系統(tǒng)在線可擦寫，抗干擾能力很弱，另外單片機(jī)的AD接口有PT,CT互感器，雖然具有隔離作用，但在并網(wǎng)的瞬間具有巨大的電壓電流跳變(di/dt,du/dt)也可能有干擾進(jìn)入。

針對(duì)初次試驗(yàn)和分析結(jié)果對(duì)電路做如下更改：

1.在PCB盡可能加寬單片機(jī)的電源線寬并盡量縮短長(zhǎng)度。

2.在單片機(jī)的電源線上盡可能多地使用大容量的濾波電容。

3.在單片機(jī)電源線上對(duì)地并接瞬態(tài)抑制二極管。

4.盡可能擴(kuò)大地線的面積，在兩層版之間打比較多的過孔，增大接地效果。

5.在3V電源的兩層版之間也大量打孔同樣增大接觸效果。

6.將單片機(jī)的IO都同過光藕控制外設(shè)，并使單片機(jī)IO腳到光藕的連線盡可能地短，并在實(shí)在不能短的線上并入瞬態(tài)抑制二極管。

7.對(duì)AD接口也并入瞬態(tài)抑制二極管處理。

8.使用單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘，不用外部時(shí)鐘，并將外部時(shí)鐘腳接地。

9.將C8051F064的IDE接口MSO,MSI等調(diào)試信號(hào)線在不使用時(shí)，用跳線接地。

按照上面的幾條，經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的LAYOUT和反復(fù)的修改確認(rèn)達(dá)到滿意的程度了，再制版。

經(jīng)過實(shí)際聯(lián)機(jī)調(diào)試一切OK!,后又經(jīng)過老化高低溫、震動(dòng)等試驗(yàn)都能正常運(yùn)行。再經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行2年沒有出現(xiàn)任何故障。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

1.在功能相對(duì)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮到工程實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況，其設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單。

2.3V供電的單片機(jī)在不仔細(xì)的設(shè)計(jì)中抗干擾能力可能不如5V供電的單片機(jī)。

3.FLASH的單片機(jī)在不仔細(xì)的設(shè)計(jì)中可能不如OTP型的單片機(jī)。

4.隨著單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其硬件集成度越來越高，這就要求設(shè)計(jì)人員有比較高的綜合運(yùn)用能力，要將模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。