浅析智能电表软硬件的抗干扰设计

一、引言

智能电表的设计，由于微控制器的引入，对设计者提出了更高的要求。这是因为由于电源等引入的干扰可能导致程序指针跳飞，从而引起不可预测的后果，诸如电量数据的丢失、改变或死机等。像家用电脑和普通仪器仪表对死机等现象是允许的，可以通过人工复位，重新设置等手段来恢复，求长年连续的挂网运行，如果运行中出现任何异常现象，均要求能自动恢复正常工作。然而，在工程实际中，噪声和干扰是不可避免的。目前，大多数智能电表都应保证在干扰较强的现场运行，因此如何提高智能电表的抗干扰能力，保证其在规定条件下正常运行，以及防止仪表内部产生的噪声对外部的辐射，是智能仪表设计中必须考虑的问题，也是关键问题。

二、硬件抗干扰设计

在智能电表研制的初期，我们发现这样一种现象，电表带上电感性负载(比如电扇)时，在电扇快速插拔的瞬间，容易导致智能电表中单片机数据的丢失或死机。如果从设计上不能把智能电表的抗干扰问题解决好，后果将会非常严重。

(1)电源的抗干扰措施

实践证明，系统失效和硬件损坏大都是由各种干扰引起的，而90％以上的干扰来自于电源。可见这种来自电源的干扰对系统的影响相当大，因此应充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好坏，直接影响整个电路的抗干扰能力的好坏。目前有以下几种电源可供选择：第一种阻容分压式，它采用简单的电阻电容分压、滤波。但这种电源稳压性能差、电源波动大、带负载能力小、电网干扰极易串入，一般不采用这种方式。第二种开关电源，这种电源稳压性能好、纹波小，但成本较高且对外界电网干扰比较严重，也不宜采用。第三种线性电源，这种电源由220V经交流变压、整流、滤波及稳压得到，稳压性能好、隔离特性好，价格适中，在目前应用广泛的多用户电表设计中大都采用这种方式。对这种电源的抗干扰措施有以下几个方面。

1. 对于电源变压器的设计，要使其空载电流尽可能小，以降低整表功耗。增加变压器的容量，能使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，而变压器的容量受电表空间的限制，变压器又不能太大。

2. 在电源变压器的初级串联一个电源滤波器，比如采用“双绕组扼流圈”的滤波线路，它对高频干扰信号阻抗很大，使整个电子系统与供电网之间得到一定程度的高频隔离，对于外界空间电磁场的干扰，也起一定的抑制作用。

3. 在各相交流电源的进线端，并联一个压敏电阻(MOV)，其电阻随电压的增加而减小。在过压时形成一个低阻的分流器，从而可以防止被保护电路两端的电压进一步上升；当浪涌电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。

4. 在为主处理器提供电源之前的三端稳压器前，并接一个瞬变电压抑制二极管(TVS)，对后面的电路起到保护作用。当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度成为低阻抗器件，吸收大电流，从而把它两端的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。

5. 在变压器一次侧采取磁珠和电容组成的丌型滤波方法，对高频干扰起作用，但对几百赫兹以内的低频干扰作用却很小。综上所述，设计人员应根据具体的工作环境，选择不同的抗干扰措施。

(2)电源检测及看门狗电路

分析及实践表明，对来自电网的干扰不仅要采取硬堵的办法，还要采取容错措施。使用电源检测及看门狗电路的目的，就是当电源电压出现干扰脉冲或单片机受干扰程序运行异常时，产生一复位信号使单片机复位。看门狗电路实质上是一个单稳电路。当程序运行正常时，单片机定时给单稳电路输入触发信号，使单片机输出保持暂稳态：当干扰异常时，单片机不能给触发信号，单稳输出回到稳态引起单片机硬件夏位：看门狗不仅对来自电网方面的干扰起作用，而且对来自空间等其他方面的干扰也起作用。然而如果没有电源检测电路，只有看门狗电路，在电网干扰下，即使不带电感性负载，当电源快速合闸时，也有可能导致死机。实践证明，采用电源检测及看门狗电路之后，死机观象得到了有效地克服。

(3)串行E2PROM的选择

因为电表数据存储的可靠性至关重要，为了保证在掉电时以及在因干扰导致单片机复位时，智能电表中的主要数据和参数不丢夫，存储器的选择上要有所考虑。使用并行存储器．虽然有速度快的特点，但读写信号容易受到干扰从而造成错误。而采用串行E2PROM存储器时，其读写时序相当严格，受到干扰出错的几率就小得多。

(4)布线布局上的抗干扰设计

在用电负荷很小时，220V的电压与几个μV的小信号会共集于一块电路板上，如果电源布局不当，有用信号会被噪声所淹没，以多用户电表为例，在布线布局上的抗干扰措施有：

1. 电源与控制分两块板。在多用户智能电表中分三部分：电源板，主机控制板和电能采集传感器板。电源板包括变压器、整流、滤波、稳压等。控制板包括微处理器、显示驱动、看门狗电路、串行E2PROM、电能脉冲采集等。电能采集传感器板包括A、B、C三相上各用户的电能采集模块及其外围电路。对变压器的设计要求其漏磁要小，一般其空载电流不大于10mA，若仍不能满足要求，可变换变压器位置改变磁场方向，减小漏磁对小信号的影响。

2. 印刷电路板应有良好的绝缘性，绝缘电阻大于1011ΩV。在电路设计中，必须严格保证强电与弱电的隔离，除了电路有直接连接外，100V以上的强电印刷布线与弱电印刷布线距离应大于4—5mm。数字地与模拟地应通过一点方式连接来提高抗干扰性能。

3. 在每个印刷电路扳入口处的电源线与地线之间并接退耦电容。并接的电容应为一个大容量的电解电容(10～100μF)和一个0．01～0．1μF的非电解电窖，电路板上的大中规模IC要并接一个0．0lμF一0．1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

4. 印刷线走线要科学，高压走线尽量短，尽量远离小信号走线。对于电能采集传感器板的印刷板布线要求一面走线．另一面铜铂既作电磁屏蔽用、又作地线用，以减少干扰信号。除了要根据电流大小，尽量加大导线宽度外，采取使电源线、地线走向与数据信息传送方向一致，将有助于增强抗噪声的能力。布线时避免小于90度折线，减少高频噪声发射。不要在印制板上留下空白铜箔层，因为它们可以充当发射天线或接收天线，因此可将它们接地以减小电磁干扰。

5. 在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下，干脆用绝缘“飞线”连接，而不用印刷线，或采用双面印刷“飞线”或阻容元件直接跨接。

6. 对印刷板上容易受干扰的信号线，不能与产生干扰或传递干扰的线路长距离平行铺设。必要时可在它们之间设置一根地线，以实现屏蔽。

当然，这些布线与布局的抗干扰设计一般不能由自动布线软件来实现，必须有设计者亲自参与并设计有关电路。