集中式智能電表的抗干擾設計

為了提高集中式智能電表的抗干擾性能，在設計中綜合采用了硬件和軟件措施：硬件上主要選用MAX691A電源監(jiān)控和看門狗電路；軟件上主要采用了數(shù)據(jù)校驗、備份，插入空操作和軟件陷阱等方法。經(jīng)實踐檢驗，該系統(tǒng)具有很好的安全性與可靠性。

關(guān)鍵詞：智能電表 單片機 抗干擾

引言

     目前，我國絕大多數(shù)城鄉(xiāng)居民用電抄表還采取人工方式。這種落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集數(shù)據(jù)的時間跨度大，準確度低。因此，國家有關(guān)部門規(guī)定以后將逐步用自動抄表系統(tǒng)取代人工抄表。但是這樣以來，傳統(tǒng)的機械電表在性能上就不能適應要求。因此我們采用單片機自動測控技術(shù)，設計了一種既能獨立使用又能面向自動抄表系統(tǒng)的集中式智能電表。為了使其長期穩(wěn)定、安全可靠地運行，必須進行全面的系統(tǒng)抗干擾設計。下面就將有關(guān)內(nèi)容作以介紹：

系統(tǒng)抗干擾設計的必要性

     由于集中式智能電表工作于居民住宅區(qū)內(nèi)，很容易受到系統(tǒng)內(nèi)、外各種電氣和電磁干擾，其中以供電系統(tǒng)干擾為主。在家用電器中，許多為電感性負載，它們的快速切換會對電網(wǎng)產(chǎn)生噪聲干擾，進而可能導致單片機數(shù)據(jù)混亂或死機，規(guī)律如下：

     （1）干擾脈沖的幅度較小時，對單片機基本無影響；

     （2）干擾脈沖的幅度較大時，使單片機復位；

     （3）干擾脈沖的幅度較大，且瞬間有很多脈沖，可能導致單片機數(shù)據(jù)混亂或死機。

     智能電表要求長年連續(xù)地掛網(wǎng)運行，運行中出現(xiàn)的任何異?，F(xiàn)象（數(shù)據(jù)混亂、死機等）均要求其能安全恢復，故對抗干擾要求很高。如果不采取有效的抗干擾措施，系統(tǒng)在運行過程中，當遭遇到較強的干擾信號時，其性能的可靠性與運行的安全性均會降低，會給用戶、物業(yè)管理或電業(yè)部門造成較大的經(jīng)濟損失，甚至導致經(jīng)濟糾紛。

     抗干擾設計的基本原則是：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。由此可見，要確保該智能電表系統(tǒng)運行安全可靠，一個重要的環(huán)節(jié)就是進行單片機系統(tǒng)的抗干擾設計，主要包括硬件抗干擾和軟件抗干擾兩個方面。

系統(tǒng)抗干擾設計

     1．硬件抗干擾設計

     電量信號的采集和輸出部分采用光電耦合器，光電耦合器的一次側(cè)和二次側(cè)是電絕緣的，因此對地電位差干擾有很強的抑制能力，同時也具有很強的抑制電磁干擾的能力。電源在向系統(tǒng)提供電能的同時，也會把干擾噪聲直接由供電端加在控制電路上，而單片機的復位線、中斷線等控制線，最易受到這種外界噪聲的干擾，因此必須采取一定措施來加以抑制、消除這種干擾。具體方法為：加屏蔽罩、隔離變壓器、磁環(huán)和π形濾波電路等，但這些只能使干擾脈沖的數(shù)量和幅度有所減少，難以從根本上解決。所以，還必須使用單片機專用的電源監(jiān)控芯片，提高敏感器件的抗干擾能力。

     本系統(tǒng)在硬件抗干擾方面的一個突出特點就是選用單片機系統(tǒng)監(jiān)控芯片MAX691A，設計了CPU安全監(jiān)控電路。MAX691A具有：復位、數(shù)據(jù)存儲器寫保護、后備電池切換、看門狗定時器和電源監(jiān)視器等功能。連接電路如圖1所示。

     MAX691A主要引腳及其功能說明：

     （1） VBATT：備用電源輸入端，可接3.6V鋰電池或充電電路。如果不用，應連接到GND。

     （2） VOUT： 電源輸出端，當VCC高于復位上限電壓時，VOUT = VCC；當VCC低于復位上限電壓時，VOUT與VBATT相連。VOUT與GND之間需加一個0.1μF的電容。

     （3） VCC ：工作電源接入端，接+5V。

     （4） GND：電源接地端，是所有信號的參考點。

     （5） PFI：電源電壓比較器輸入端。當此端電壓輸入低于1.25V時，PFO（————）將變?yōu)榈碗娖健?/p>

     （6） PFO（————）：掉電輸出端，低電平有效。在圖1中，它觸發(fā)INT（————）0中斷，中斷服務程序?qū)⒆鱿到y(tǒng)掉電前的緊急處理。

     （7） WDI：看門狗喂入端。當其保持高電平或低電平的時間達到1.6 s（典型值）時，內(nèi)部看門狗定時器溢出，并觸發(fā)WDO（——————）信號輸出。

     （8） CE（————） OUT：片選信號輸出端。只有當CE（————） IN是低電平而且VCC 正常時，CE（————） OUT才輸出低電平，可有效防止對數(shù)據(jù)存儲器的誤操作。

     （9） CE（————） IN：片選信號輸入端。

     （10） WDO（——————）：看門狗輸出端，低電平有效。如果WDI懸空，WDO（——————）保持高電平。

     （11） RESET（——————————）：低電平有效復位端，當VCC低于4.65V時，RESET（——————————）變?yōu)榈碗娖?。復位信號典型值?00ms 。

     （12） RESET：高電平有效復位端，集電極開路輸出。

     另外，MAX691A還具有振蕩頻率選擇（7、8引腳）等功能，可以調(diào)節(jié)復位和看門狗定時器的時間。在圖1中，增加了微分電路和反相器，使WDO（——————）直接引發(fā)系統(tǒng)復位，大大簡化了軟件的抗干擾設計。

     2．軟件抗干擾設計

     本系統(tǒng)采取的軟件抗干擾措施如下所述：

     （1）對輸入信號采用電平檢測而非邊沿檢測，以減少的各種隨機干擾脈沖的影響。

     （2）對重要的狀態(tài)寄存單元備份，當系統(tǒng)狀態(tài)受干擾破壞后，能及時查詢備份寄存單元的信息，進行狀態(tài)糾正。

     （3）電量數(shù)據(jù)存放之前，對其進行校驗，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

     （4）電量數(shù)據(jù)在6264和2465中都采取多址存放，互為備份，以確保萬無一失。

     （5）設置自檢程序，在某些內(nèi)存單元設置狀態(tài)標志，在開機運行后，對其進行監(jiān)測，保證信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。

     （6）插入空操作指令：在比較條件轉(zhuǎn)移指令、絕對轉(zhuǎn)移指令、中斷、堆棧指令前，以及數(shù)據(jù)表格后，插入空指令，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

     （7）當程序運行失常，發(fā)生諸如：程序“跑飛”、數(shù)據(jù)區(qū)和工作寄存器中的數(shù)據(jù)遭到破壞,采取措施如下：

     （a） 設置監(jiān)視跟蹤定時器

     因本系統(tǒng)設計有CPU安全監(jiān)控電路，所以可通過使用MAX691A的定時中斷即看門狗（Watchdog）來監(jiān)視程序的運行。只要程序正常運行，定時器就不會出現(xiàn)定時中斷。而當程序運行失常，因“跑飛”等原因不能對WDI進行及時刷新時，看門狗定時器就會引發(fā)崩潰復位。

     （b） 設置軟件陷井

     在程序存儲器的空白處，填滿空操作指令和長轉(zhuǎn)移指令（LJMP ERR），來截獲跑飛的程序，最后通過軟件強制復位，使程序返回到初始狀態(tài)。在MCS-51單片機的軟件復位過程中，必須連續(xù)執(zhí)行兩次中斷返回指令RETI才能確保清除中斷標志，使系統(tǒng)恢復正常。出錯處理程序如下：

     ERR:   CLR EA ;   正確的軟件復位入口，關(guān)中斷

     MOV 66H,#0AAH ; 重建上電標志

     MOV 67H,#55H

     MOV DPTR,#ERR1 ;準備第一次返回地址

     PUSH DPL

     PUSH DPH

     RETI ;    清除高級中斷激活標志

     ERR1: CLR A

     PUSH ACC

     PUSH ACC

     RETI ;   清除低級中斷激活標志

結(jié)論

     本集中式智能電表系統(tǒng)進行了全面有效的系統(tǒng)軟、硬件抗干擾設計，特別是充分利用了MAX691A芯片的強大監(jiān)控功能，實現(xiàn)了本系統(tǒng)三狀況（上電、掉電、崩潰）復位、數(shù)據(jù)存儲器寫保護、后備電池切換、看門狗定時和電源監(jiān)視等功能。從而極大的提高了系統(tǒng)的抗強干擾能力，確保了系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，為該智能電表實際的應用與推廣提供了可靠的技術(shù)保障。