智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：智能儀表系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括測(cè)量精度、系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)干擾能力等三個(gè)方面，文中比較詳細(xì)地闡述了提高儀表測(cè)量精度、降低儀表系統(tǒng)功耗和提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力等方面的各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：智能儀表 系統(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化儀表系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而如何設(shè)計(jì)一種高精度、低功耗、高可靠的智能化儀表系統(tǒng)則是設(shè)計(jì)得最關(guān)心的問(wèn)題。本文主要討論對(duì)智能儀表系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的各種方法。

設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化的智能儀表系統(tǒng)通常需要考慮以下三個(gè)方面的設(shè)計(jì)：

（1）提高儀表精度

（2）降低儀表系統(tǒng)功耗

（3）提高儀表系統(tǒng)的抗干擾能力

1 測(cè)量精度的提高

在智能儀表設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高儀表的測(cè)量精度，一般除了選擇性能好、精度高的元器件外，同時(shí)也可以利用微處理器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工與處理，以減少測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。

1.1 隨機(jī)誤差處理方法

隨機(jī)誤差在多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，一般都服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。而時(shí)間平衡和總體平均是基本的統(tǒng)計(jì)方法。根據(jù)時(shí)間平均和總體平均法，當(dāng)測(cè)量時(shí)間T→∞或測(cè)量次數(shù)N→∞時(shí)，其隨機(jī)誤差之和趨于零。測(cè)量結(jié)果將不受隨機(jī)誤差的影響。這在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可要用硬件RC濾波或軟件編程（數(shù)字濾波）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)誤差的處理方式

在處理系統(tǒng)誤差時(shí)，常用的方法有：

（1）非線性特性的校正

線性化的關(guān)鍵是找出校正函數(shù)，但有時(shí)校正函數(shù)很難求得，因此通常選用擬合校正函數(shù)。而擬合校正函數(shù)可采用連續(xù)和分段擬合兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）偏差和增益誤差的自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

自動(dòng)校準(zhǔn)的基本思想是儀器在開(kāi)機(jī)后或每隔一定時(shí)間后自動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)參數(shù)。（如數(shù)字電壓表中的基準(zhǔn)電壓或地電位等），然后計(jì)算誤差模型，以獲得并存儲(chǔ)誤差因子。這樣，就可以在正式測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果和誤差因子計(jì)算校準(zhǔn)方程，從而消除誤差。

（3）采用歸一化技術(shù)

利用歸一化技術(shù)來(lái)提高測(cè)量精度，消除系統(tǒng)誤差。

（4）最佳測(cè)量方法的自動(dòng)選擇

由于微處理器能夠根據(jù)參數(shù)的狀態(tài)，自動(dòng)地或在人工干預(yù)下選擇一種最佳測(cè)試方法，因此，可以使用微處理器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便使得測(cè)量系統(tǒng)在各種條件下都能獲得較高的測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，在低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

首先，可選用CMOS集成電路，這是由于CMOS電路具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬度等特點(diǎn)；

其次，系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)供電電壓存在著一定的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，供電電壓越高，系統(tǒng)功耗越大。因此，低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)應(yīng)盡量采用低電壓供電，這樣既能減少系統(tǒng)功耗，又有利于電池供電。

第三，在工作方式選擇下，應(yīng)盡量選用高速低頻工作方式，雖然COMS器件的靜態(tài)功耗幾乎為零，但在邏輯電平轉(zhuǎn)換時(shí)，總是有電流流過(guò)。由于動(dòng)態(tài)功耗和邏輯電平轉(zhuǎn)換頻率成正比，同時(shí)與電路的邏輯電平轉(zhuǎn)換時(shí)間成正比。所以，COMS器件應(yīng)采用高速低頻工作方式。

第四，COMS器件的輸入端不能懸空，以免輸入電平不穩(wěn)而使電路來(lái)回翻轉(zhuǎn)，從而使系統(tǒng)功耗增大。

第五，在選用低功耗外圍器件設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)時(shí)，除了單片機(jī)和外圍芯片可選用CMOS器件外，還應(yīng)選用如LCD液晶顯示器、壓電陶瓷等低功耗器件。

第六，為了降低系統(tǒng)的整體工耗，除選用低功耗的器件外，還需選用低功耗及高效率的電路形式。

第七，采用低功耗工作方式，如單片機(jī)的待機(jī)、掉電工作方式或存儲(chǔ)器的維持工作方式等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量利用器件的這些特點(diǎn)，并使單片機(jī)系統(tǒng)盡量在這些工作方式下工作。

第八，采用分區(qū)分時(shí)供電方式。在軟件設(shè)計(jì)上可采取相應(yīng)措施以盡量縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間，可以盡量用軟件代替硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。

2.2 單片機(jī)的低功耗運(yùn)行

在單片機(jī)微機(jī)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選用低功耗的HCMOS單片機(jī)芯片，雖然此類芯片與HMOS相比，其外型、管腳、指令等完全相同，但由于其制造工藝不同，因此，HCMOS器件的功耗更低、抗干擾能力更強(qiáng)，并具有待機(jī)運(yùn)行模式。因而功耗更小。

2.3 存儲(chǔ)器的低功耗運(yùn)行

在低功耗單片微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了降低存儲(chǔ)器的功耗，首先必須選用HCMOS工藝的存儲(chǔ)器，其次應(yīng)采用維持工作方式。

2.4 軟件設(shè)計(jì)的相應(yīng)描施

除了上述的硬件措施以外，也可以用下面的軟件設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)一步降低智能儀表測(cè)量系統(tǒng)的功耗。

●盡量不采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，而應(yīng)當(dāng)利用鎖存器的靜態(tài)顯示方式來(lái)減少CPU的工作時(shí)間，如可用于靜態(tài)顯示的集鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)、顯示為一體的CMOS器件，如LCL004等。

●盡量不要使用軟件延時(shí)，可采用定時(shí)中斷工作方式以減少CPU的工作時(shí)間。

●由于單片微機(jī)在待機(jī)時(shí)，其睡內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器仍處于工作狀態(tài)。因此，在低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分地利用待機(jī)時(shí)單片機(jī)內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的功能來(lái)計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。這樣既節(jié)約了功耗，又可完成測(cè)量工作。

3 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

影響智能儀表的可靠性和安全運(yùn)行的主要因素是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等情況。這些干擾對(duì)智能儀表系統(tǒng)造成的后果主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集誤差加大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)的干擾變化以及程序運(yùn)行失常等。

3.1 供電系統(tǒng)的抗干擾措施

為了防止電源系統(tǒng)的干擾，電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使用交流電源濾波器和隔離，并可利用壓敏電阻吸收浪涌電壓，在要求供電質(zhì)量較高的情況下，可采用發(fā)電機(jī)組或逆變器供電，如采用在線式UPS不間斷電源供電；也可要用分立式供電和分類供電方式。但應(yīng)在每塊印刷電路板的電源與地之間并接去耦電容（可用5～10μF的電解電容和一個(gè)0.01～0.1μF的電容），以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾；另外，還可使用瞬變電壓抑制器TVS等方法。TVS是普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。而且TVS對(duì)靜電、過(guò)壓、電網(wǎng)干擾、雷擊、開(kāi)關(guān)打火、電源反向及電機(jī)/電源噪聲振動(dòng)的保護(hù)尤為有效。

3.2 過(guò)程通道抗干擾措施

采用光電耦合器可以將主機(jī)與前向、后向以及其它主機(jī)部分的電路聯(lián)系切斷，從而有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機(jī)。

3.3 外部噪聲源的干擾及其抑制

傳感器最大的外部噪聲源是連接在交流電源上的電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)等能產(chǎn)生電火花的機(jī)器以及繼電器、電磁閥等。這些噪聲源可通過(guò)電容和電磁耦合對(duì)傳感器形成干擾。工程實(shí)踐表明，干擾信號(hào)通過(guò)各種線纜假入智能儀表系統(tǒng)內(nèi)部而形成的干擾占全部干擾量的90%以上，因而系統(tǒng)的配線技術(shù)是首先要考慮的。對(duì)于靜電感應(yīng)噪聲，可在信號(hào)線或箱體上包一層金屬導(dǎo)體屏蔽層，并將屏蔽層端點(diǎn)接地。對(duì)于電磁感應(yīng)噪聲，配線時(shí)應(yīng)應(yīng)盡量使信號(hào)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，以減少互感所形成的電磁感應(yīng)噪聲。信號(hào)電纜還可用金屬導(dǎo)體屏蔽或采用多層雙絞信號(hào)線。

3.4 印制電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)

印制板電路的抗干擾設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面：

（1）地線設(shè)計(jì)

在智能儀表系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的重要方法。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際信號(hào)的工作頻率選擇單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地；另外，數(shù)字、模擬電路要分開(kāi)，而且應(yīng)將兩者的地線分別與電源地線相連；同時(shí)，接地線應(yīng)盡量加粗；將接地電路做成閉合環(huán)路可明顯地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

（2）電源線布置

電源線布置除了要根據(jù)電流大小盡量加粗導(dǎo)體寬度外，還應(yīng)使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

（3）印刷電路板的尺寸與器件布置

印刷電路板大小要適中。尺寸過(guò)大，則印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；尺寸過(guò)小則散熱不好，同時(shí)易受鄰近線條干擾。在器件布置方面，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放近些，這樣獲得較好的抗噪聲效果。容易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路器件等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板。

3.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

軟件抗干擾是利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種抗干擾方法。通常有數(shù)字濾波技術(shù)、軟件冗余、軟件陷阱、看門狗等技術(shù)。

（1）數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)是采用軟件來(lái)減少數(shù)據(jù)采集誤差的有效措施。通常使用的方法有算術(shù)平均法、中值法、抑制脈沖算術(shù)平均法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。

（2）控制狀態(tài)失常的軟件措施

在條件控制系統(tǒng)中，可選用軟件冗余的方法對(duì)控制條件進(jìn)行一次采樣和處理以控制輸出。這種方法對(duì)于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因素干擾的作用。

當(dāng)干擾侵入輸出通道而使輸出狀態(tài)被破壞時(shí)，可重新設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元，以便使系統(tǒng)能及時(shí)查詢單元的輸出狀態(tài)信息，并及時(shí)糾正輸出狀態(tài)。

設(shè)置自檢程序?？稍谟?jì)算機(jī)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志。這樣，在開(kāi)機(jī)后，即可在運(yùn)行中不斷進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ)、傳輸和運(yùn)算的可靠性。

（3）程序運(yùn)行失常的軟件措施

●軟件陷阱

用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的跑飛程序引向復(fù)位入口地址，并在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，以使程序納入正軌。

●采用“看門狗”技術(shù)

當(dāng)PC受到干擾失控而引起程序跑飛使程序進(jìn)入“死循環(huán)”時(shí)，指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)均不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，因此，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，即“看門狗”技術(shù)（Watchdog）。利用“看門狗”技術(shù)可以不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到0000H入口，并在0000H處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正規(guī)。