羅 勇 譚紅兵

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院1) 武漢 430033)(91892部隊(duì)2) 三亞 572021)

1 引言

在設(shè)計(jì)一些電子測量或控制設(shè)備的時(shí)候,經(jīng)常需要用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng),為了使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性、便攜性并且能實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能,人們往往需要在工業(yè)級控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝一些獨(dú)立設(shè)計(jì)的嵌入式控制系統(tǒng)。與普通的計(jì)算機(jī)一樣,以工控機(jī)為基礎(chǔ)的通信維修診斷平臺內(nèi)部也存在較多的電磁噪聲,為了確保嵌入式系統(tǒng)模塊測量數(shù)據(jù)和控制指令傳遞的準(zhǔn)確性,避免出現(xiàn)測量不準(zhǔn)、控制錯(cuò)誤、狀態(tài)混亂、死機(jī)等情況,就需要在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮多種可能因素,采取一些相應(yīng)的電磁噪聲抗干擾處理措施,來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 平臺內(nèi)嵌入式模塊功能簡介

通信維修診斷平臺主要用于對某型短波通信系統(tǒng)電氣參數(shù)的測量和故障的診斷。在總體設(shè)計(jì)中,以檢測、估計(jì)理論及數(shù)字信號處理為理論基礎(chǔ)。綜合應(yīng)用嵌入式微處理器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程等技術(shù),將短波通信系統(tǒng)中需測試的各種電氣參數(shù)與數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲、顯示相結(jié)合,達(dá)到使維修者直觀、準(zhǔn)確、快速判斷綜合通信系統(tǒng)故障的目的。

圖1 嵌入式測控系統(tǒng)整體框圖

診斷平臺總體模式采用以ARM芯片S3C2440為核心的嵌入式控制模塊加各測量模塊的模式,控制模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口和協(xié)調(diào)各個(gè)測量模塊之間的工作關(guān)系,各功能分模塊為單獨(dú)的電路測量模塊。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。從圖中可將檢測儀上劃分為顯示模塊、控制模塊、常用電氣參數(shù)測量模塊、頻率測量模塊、功率測量模塊、信號源模塊、接口適配板模塊7個(gè)部分。顯示模塊面板采用320×240的液晶顯示屏,作為人機(jī)交互界面,用來顯示操作信息和測量模塊得到的數(shù)據(jù)?？刂颇K采用ARM微處理器作為核心器件,以嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺,實(shí)行對常用電氣參數(shù)測量模塊、頻率測量模塊、功率測量模塊、信號源模塊、顯示模塊和輸入輸出的控制。

3 平臺內(nèi)部噪聲分析及對嵌入式模塊的干擾分析

由于系統(tǒng)是用于測量通信設(shè)備性能指標(biāo)的平臺,因此嵌入式測控系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行,否則將導(dǎo)致測量誤差加大,對通信設(shè)備的故障診斷不僅沒有起到輔助作用,反而會(huì)引發(fā)誤判別。影響應(yīng)用系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電磁干擾,以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件安裝、加工工藝和外部電磁環(huán)境條件等。通過分析,通信維修診斷平臺內(nèi)部噪聲干擾主要可分為以下幾種:

1)電源噪聲:診斷平臺內(nèi)供電模塊短時(shí)工作不穩(wěn)定而產(chǎn)生的干擾,供電模塊的過壓、欠壓等均會(huì)產(chǎn)生瞬間的浪涌和尖峰電流,以紋波的形式竄入到系統(tǒng)中形成干擾[1]。

2)各測量模塊間的相互干擾:測控系統(tǒng)的微處理器時(shí)鐘頻率特別高,系統(tǒng)既含有大功率、大電流驅(qū)動(dòng)電路,又含有較小模擬信號電路以及高精度AD/DA轉(zhuǎn)換電路,自身又受產(chǎn)品的尺寸空間限制,這些電路不得不放在一起,各部分之間距離很小,易產(chǎn)生相互干擾。

3)I/O通道引入的干擾:通信維修診斷平臺控制系統(tǒng)的各類I/O傳輸線,除了傳輸有效的信息之外,總會(huì)有外部干擾信號侵入。此干擾主要有:

(1)各種輸入信號線間電場感應(yīng),線間串?dāng)_產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢[2]。

(2)輸入信號源為感性元件,輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí),輸入或輸出回路開關(guān)通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢或浪涌電流。

(3)輸入接點(diǎn)、輸出繼電器和接觸器等元器件的觸點(diǎn)在開閉時(shí)產(chǎn)生電火花(電弧),對I/O端口產(chǎn)生干擾[3]。

這些因素對嵌入式測控系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)測量數(shù)據(jù)誤差加大

干擾噪聲侵入系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道,疊加在測量信號之上,會(huì)是數(shù)據(jù)采集誤差加大,甚至干擾信號淹沒了測量信號,特別是當(dāng)測量模塊檢測一些微弱信號,如頻率計(jì)測100mV以下的高頻信號時(shí),疊加的干擾信號就可能會(huì)影響頻率計(jì)的測量精度。

2)控制系統(tǒng)失靈

診斷平臺中ARM芯片輸出的控制指令通常取決于對某些條件的狀態(tài)輸入信號和對這些信號的邏輯處理結(jié)果的相關(guān)判斷,當(dāng)干擾噪聲對狀態(tài)輸入信號產(chǎn)生影響后,將導(dǎo)致相應(yīng)的輸出控制誤差加大,甚至?xí)霈F(xiàn)控制失靈的情況。

3)程序運(yùn)行失靈

外界的干擾有時(shí)導(dǎo)致極其頻繁復(fù)位而影響程序的正常運(yùn)行。若外界干擾導(dǎo)致ARM芯片程序計(jì)數(shù)器PC值的改變,則破壞了程序的正常運(yùn)行。由于受干擾后的PC值是隨機(jī)的,程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令,最后進(jìn)入“死循環(huán)”,這將使輸出嚴(yán)重混亂或死機(jī)。

4 嵌入式測控系統(tǒng)使用時(shí)的抗干擾設(shè)計(jì)

工控機(jī)內(nèi)部在使用中產(chǎn)生了大量的干擾噪聲,嚴(yán)重影響了嵌入式測控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。為了抑制干擾噪聲對嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的影響,在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了多種抗干擾措施來進(jìn)行處理。嵌入式測控系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)主要從干擾源和干擾的傳輸途徑出發(fā),綜合利用各種技術(shù),通過抑制干擾源、切斷干擾傳輸途徑或者保護(hù)受干擾的敏感設(shè)備等方法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能力。

具體來說主要是從以下幾個(gè)方面著手:

1)接地技術(shù)

測控系統(tǒng)的接地技術(shù)是抑制噪聲的重要手段,良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統(tǒng)的抗干擾能力[4]。根據(jù)系統(tǒng)中回路性質(zhì)和接地目的,可將接地方式分為安全接地、工作接地和屏蔽接地三個(gè)類別。安全接地是指設(shè)備金屬外殼等的接地;工作接地是指信號回路接于基準(zhǔn)電位點(diǎn);屏蔽接地是指電纜、變壓器等屏蔽層的接地。由于測控系統(tǒng)中既有模擬電路,又有數(shù)字電路,因此在設(shè)計(jì)時(shí),將“模擬地”和“數(shù)字地”分開,最后只在一點(diǎn)相連。嵌入式測控系統(tǒng)中的高頻電路采用了就近多點(diǎn)接地的方式,低頻電路采用一點(diǎn)接地的方式,將系統(tǒng)的各個(gè)部分全部與大地浮置起來,系統(tǒng)中的各機(jī)殼接地[5]。在一些敏感模塊的應(yīng)用中,如數(shù)字示波器模塊、頻率計(jì)模塊以及信號發(fā)生器模塊等,都采用了全封閉的屏蔽盒接地,

2)電源模塊抗干擾濾波處理

電源模塊在向嵌入式測控系統(tǒng)提供供電的同時(shí),也會(huì)將其內(nèi)部噪聲和工控機(jī)內(nèi)部噪聲疊加耦合到供電線路中。電路設(shè)計(jì)中ARM芯片、FPGA芯片等的復(fù)位管腳、中斷管腳,以及其它一些控制信號線路最容易受外界噪聲的干擾。工控機(jī)內(nèi)的強(qiáng)干擾通過電源進(jìn)入電路,而高頻模塊(如信號發(fā)生器、頻率計(jì))等電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí),每個(gè)集成芯片的電源、地之間都配置了多個(gè)高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容作為去耦電容,用于吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導(dǎo)通、截止引起的電流變化,從而降低集成芯片產(chǎn)生的噪聲影響[6]。同時(shí),由于電路中有些負(fù)載消耗電流較大,電源線和地線都盡量加粗,并縮短走線,以減少電源噪聲對電路中其他器件的影響。

嵌入式芯片S3C2440的內(nèi)核所需直流電源的電壓為1.8V,I/O模塊及SDRAM的電源電壓為3.3V[7]。在電路設(shè)計(jì)時(shí),一定要考慮電源的抗干擾技術(shù)。一般應(yīng)在電源進(jìn)入PCB的位置和靠近各器件的電源引腳處加上幾十微法到幾百微法的電容器,以濾除電源噪聲。還要注意在器件的電源與地之間加上0.1μ F左右的電容器,用來濾除元器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。如圖2所示,在1.8V的電源上并接了8個(gè)0.1μ F高頻濾波電容器,能夠有效地抑制在電源線上傳導(dǎo)的高頻干擾,克服干擾信號對系統(tǒng)工作的影響。

圖2 供電抗干擾處理

3)布線抗干擾設(shè)計(jì)

為了避免測量外界待測單元模塊的高頻信號時(shí),測量信號通過測量線路進(jìn)入測控系統(tǒng)內(nèi)部,對系統(tǒng)內(nèi)集成芯片正常工作造成影響,同時(shí)降低工控機(jī)內(nèi)的噪聲對測量信號的干擾,測量模塊與ARM模塊的接口線路均采用了屏蔽線進(jìn)行連接,屏蔽線對靜電干擾有很強(qiáng)的抑制作用,同時(shí)也降低了高頻信號向外輻射的程度。

在PCB板布線時(shí),為防止長線傳輸中的竄擾問題,走線時(shí)盡可能的采用了交叉走線方式。ARM控制板中的對外接口都是盡量靠近S3C2440芯片,以盡量縮短數(shù)據(jù)線、地址線、控制線的長度,以減少對地電容。PCB板上下兩面的三總線盡量做到互相垂直,以防止總線之間的電磁干擾,總線的始端和終端都配置了合適的上拉電阻,以提高高電平噪聲容限,增加存儲器端口在高阻狀態(tài)下抗干擾能力和削弱反射波干擾,以有效防止外界電磁干擾。

4)系統(tǒng)受干擾后的恢復(fù)措施

為了提高嵌入式測控系統(tǒng)的可靠性,使ARM芯片內(nèi)的系統(tǒng)在受到干擾后程序“跑飛”或死機(jī)時(shí)能夠復(fù)位,在硬件設(shè)計(jì)上采用了電壓監(jiān)控管理芯片SP706P構(gòu)成了專用的復(fù)位電路,如圖3所示。

圖3 防死機(jī)復(fù)位電路

5 結(jié)語

實(shí)踐證明,通信維修診斷平臺中的嵌入式測控系統(tǒng)的測量模塊在采取了一系列的抗干擾處理措施后,測量的精度和準(zhǔn)確度比未進(jìn)行抗干擾處理時(shí)都有了較大的提高。頻率計(jì)和示波器等工作環(huán)境要求較高的測量模塊在工控機(jī)內(nèi)的復(fù)雜電磁環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定度要遠(yuǎn)好于未進(jìn)行抗干擾處理前,信號發(fā)生器輸出的信號波形疊加噪聲降低,在一定程度上提高了維修診斷平臺的運(yùn)行效率和檢測判別準(zhǔn)確率。

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