徐希華1 鄭月節(jié)2 徐金鋒2

（1.中國(guó)聯(lián)合工程公司上海分公司，200011上海 ；

2.江蘇安科瑞電器制造有限公司， 214405江蘇無(wú)錫）

    隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各種儀器儀表被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和社會(huì)生活的各個(gè)方面，其中電力儀表尤為突出。

    電力儀表的可靠性要求是智能電表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力儀表的可靠性提出了平均壽命不低于10a的要求，因此電力儀表設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的可靠性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱(chēng)為平均無(wú)故障工作時(shí)間，也稱(chēng)平均故障間隔時(shí)間。平均無(wú)故障工作時(shí)間是衡量可靠性的常見(jiàn)指標(biāo)。電力儀表的可靠性設(shè)計(jì)就是為了提高產(chǎn)品的平均無(wú)故障工作時(shí)間，保證產(chǎn)品的正常運(yùn)行。

    1 硬件可靠性設(shè)計(jì)

    1.1 電源的抗干擾設(shè)計(jì)

    據(jù)工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，電力儀表系統(tǒng)70%的干擾都是通過(guò)電源耦合進(jìn)入系統(tǒng)的。因此，電源供電質(zhì)量的提高對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著十分重要的意義。由于系統(tǒng)的電源一般都是由市電轉(zhuǎn)換得到，所以電源部分的抗干擾設(shè)計(jì)主要集中在電源輸入端口的濾波和瞬態(tài)干擾的抑制方面。圖1是電源抗干擾的一個(gè)典型設(shè)計(jì)，其中，RV1為熱敏電阻，VZ1為壓敏電阻，LA1為共模扼流圈。該電路可以有效抑制浪涌和群脈沖干擾。

圖1 電源抗干擾設(shè)計(jì)電路

    此外，分模塊供電是電源設(shè)計(jì)的另外一個(gè)準(zhǔn)則。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：可以有效避免強(qiáng)電設(shè)備工作時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他模塊造成干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

    1.2 接地設(shè)計(jì)

    接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的抗干擾能力，好的設(shè)計(jì)可以阻斷外部環(huán)境的干擾，對(duì)內(nèi)部的耦合噪聲進(jìn)行有效抑制。以下兩個(gè)方面的考慮，可以提高系統(tǒng)的可靠性：

    (1) 數(shù)字地和模擬地。由于數(shù)字信號(hào)具有陡峭的邊緣，造成數(shù)字電路的地電流表現(xiàn)出脈沖式變化，因此在電力儀表系統(tǒng)中模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別設(shè)計(jì)，兩者僅在一點(diǎn)連接，并將電路板上的模擬電路與數(shù)字電路分別連接在對(duì)應(yīng)的“地”上。這樣可以有效的避免數(shù)字電路地電流的脈沖信號(hào)通過(guò)公共地阻抗耦合進(jìn)入模擬電路，形成瞬態(tài)干擾。當(dāng)系統(tǒng)中存在高頻的大信號(hào)時(shí)，這種干擾影響會(huì)越大。

    (2) 單點(diǎn)和多點(diǎn)接地。在低頻系統(tǒng)中，接地一般采用并聯(lián)單點(diǎn)接地與串聯(lián)單點(diǎn)接地結(jié)合的方式，以提高系統(tǒng)的性能。其中并聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊的地線匯合到一處，每個(gè)模塊的地點(diǎn)位置與自身的電流和電阻有關(guān)。這種接地方式的優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有公共地線電阻的耦合干擾，劣勢(shì)是地線使用太多。串聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊使用同一段地線。因?yàn)殡娏髟诘鼐�上的等效電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，所以模塊和地線的連接點(diǎn)對(duì)大地的電位有所不同，所有模塊的電流變化都會(huì)對(duì)接地點(diǎn)的電位產(chǎn)生影響，使電路的輸出改變，最終導(dǎo)致公共地線電阻耦合干擾。該方法具有布線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。多點(diǎn)接地常被用于高頻系統(tǒng)中，其原則是各模塊的地線就近連接到地線匯流排上，優(yōu)勢(shì)是接地線短、阻抗小、無(wú)公共地線阻抗造成的干擾噪聲。

    1.3 隔離設(shè)計(jì)

    將噪聲源與敏感的電路隔離開(kāi)來(lái)是隔離設(shè)計(jì)的主要目的之一。隔離設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是電力儀表與工作環(huán)境既保持信號(hào)的聯(lián)系，又不發(fā)生電的交互。隔離設(shè)計(jì)主要的實(shí)現(xiàn)手段有變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、隔離放大器，以及布線隔離等。

    (1) 變壓器隔離。脈沖變壓器具有匝數(shù)少、繞組分布電容�。▋H幾皮法）、一二次繞組分別纏繞于磁芯的兩側(cè)等特點(diǎn)，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離。

    (2) 光電隔離。加光電耦合器可以抑制尖峰脈沖及各種噪聲的干擾。采用光電隔離可以使上位機(jī)系統(tǒng)與電力儀表的通信口之間沒(méi)有電的交互，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。光電耦合器可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，但是對(duì)模擬信號(hào)不適用。對(duì)模擬信號(hào)隔離的常用方法包括：①轉(zhuǎn)換光電隔離電路，此電路復(fù)雜；②差分放大器，所隔離的電壓較低；③隔離放大器，性能雖好但是價(jià)格貴。

    (3) 繼電器隔離。由于繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間無(wú)電氣關(guān)聯(lián)，因此可以利用線圈接收信號(hào)，再通過(guò)其觸點(diǎn)傳送信號(hào)，這樣可以有效解決強(qiáng)電與弱電信號(hào)彼此接觸的問(wèn)題，完成干擾隔離。

    (4) 布線隔離。通過(guò)電路板的布局，實(shí)現(xiàn)隔離，主要是強(qiáng)電與弱電之間的隔離。

    1.4 印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)

    印制電路板是電路元器件的載體，提供元器件之間的電氣連接。印制電路板設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到系統(tǒng)的抗干擾能力。在進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，一般遵循以下原則：

    (1) 晶振布線時(shí)，盡量與中央處理器的引腳靠近，其外殼接地并固定，最后用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離，此方法可以避免很多的疑難問(wèn)題；

    (2) 滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求的條件下，中央處理器盡量采用低頻率的晶振，數(shù)字電路盡可能低速；

    (3) 對(duì)于中央處理器未使用的輸入、輸出口資源，不能懸空不處理，應(yīng)使其連接系統(tǒng)電源或接地，其他芯片同樣如此；

    (4) 高頻元器件之間的連線盡量縮短，具有輸入、輸出功能的元器件盡量遠(yuǎn)離，容易受干擾的元器件不能靠太近；

    (5) 電流環(huán)路不能出現(xiàn)在低頻以及弱信號(hào)電路中，若確實(shí)無(wú)法規(guī)避，則盡可能的使環(huán)路變小，降低感應(yīng)噪聲；

    (6) 系統(tǒng)布線時(shí)應(yīng)杜絕90°折線，以防高頻噪聲發(fā)射；

    (7) 系統(tǒng)中的輸入、輸出線盡量不要平行，并在兩條導(dǎo)線之間添加地線，這樣可以有效防止反饋耦合的發(fā)生。

    2 軟件可靠性設(shè)計(jì)

    2.1 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

    目前，電力儀表已廣泛的應(yīng)用了各種計(jì)量芯片，中央處理器與計(jì)量芯片之間通過(guò)串行外設(shè)借口或通用異步收發(fā)傳送器方式通訊，以獲得電力系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)。若在通訊的過(guò)程中，總線受到干擾，或者計(jì)量芯片處于非正常狀態(tài)， 中央處理器將得到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因此，在軟件程序中加入濾波處理，顯得非常重要。對(duì)普通的電力參數(shù)可以采用均值法，在計(jì)算有效值時(shí)候，采集五到六個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)，去除最大值和最小然后做平均值；對(duì)于電能數(shù)據(jù)，可以根據(jù)儀表的額定運(yùn)行環(huán)境，估計(jì)出單位時(shí)間內(nèi)電能的動(dòng)態(tài)范圍，若出現(xiàn)電能數(shù)據(jù)異常，軟件可以將此次數(shù)據(jù)丟棄。除此以外，還有中值法、算術(shù)平均值法、一階低通濾波器法等。實(shí)踐證明，軟件濾波的使用，可以最大化的保證每次讀取參數(shù)的可靠性。

    2.2 數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)

    為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)以及校表參數(shù)可以采用多備份設(shè)計(jì)，當(dāng)一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)紊亂后，可以啟用另一組備份數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，提高數(shù)據(jù)在錯(cuò)誤的操作生存的概率，應(yīng)當(dāng)將幾組數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)。

    2.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)及操作的冗余設(shè)計(jì)

    中央處理器在向存儲(chǔ)空間中寫(xiě)入設(shè)置參數(shù)或校表參數(shù)的時(shí)候，可能會(huì)受到干擾，導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)空間中，但此時(shí)中央處理器是無(wú)法判斷寫(xiě)入的數(shù)據(jù)正確與否的。為了確保數(shù)據(jù)的正常寫(xiě)入，在設(shè)計(jì)軟件程序時(shí)，把要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)做“校驗(yàn)和”處理，并將“校驗(yàn)和”也一并寫(xiě)入儲(chǔ)存空間中，當(dāng)每次寫(xiě)操作完成后，再進(jìn)行一次讀操作，將讀出的數(shù)據(jù)做“校驗(yàn)和”，與寫(xiě)入“校驗(yàn)和”做比較判斷。若兩次數(shù)據(jù)不一致則重新進(jìn)行寫(xiě)操作，直到數(shù)據(jù)被正確寫(xiě)入為止，若超出設(shè)定的重寫(xiě)次數(shù)，則進(jìn)行寫(xiě)操作錯(cuò)誤顯示。