智能电表系统的抗干扰方法研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇智能电表系统的抗干扰方法研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

[摘 要]抗干扰设计是智能电表系统设计过程中不可忽视的重要方面。本文总结了对智能电表可能产生破坏的干扰源及其影响，从硬件设计和软件设计两个方面研究了抗干扰的方法，为智能电表的研制起到指导作用。

[关键词]智能电表 抗干扰 硬件设计 软件设计

中图分类号：F458 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0030-01

1.引言

常见的智能电表系统是以单片机为设计核心的智能控制与计量系统，对其运行的可靠性和稳定性是要求很高的，但是其内部的电子元器件、电子电路系统以及软件程序等常常会面临各种各样外界干扰的影响，特别是在电网运行中，更是存在着各种电磁环境的复杂干扰，这对系统的正常运行、测量和传输数据的准确性是有很大威胁的，所以，系统的抗干扰措施就必须要考虑乃至细致设计了。如果在干扰出现后再通过一些补救措施去进行避免，将费时耗力，效果自然也会不甚理想。

2. 干扰的产生和抑制方法

2.1 干扰的产生

干扰源就是那些能够产生干扰的电子元器件、设备、信号及其传播途径等，其干扰源大致可以有空间干扰、电源干扰、过程通道干扰等。在现实中到处都充斥着大电流、高电压、高频电磁的环境，其产生的静电感应、电磁感应是会侵入系统内部而扰乱系统的可靠性和稳定性，这就是空间干扰；电源干扰顾名思义就是干扰来源于电源的噪声干扰，常见的噪声包括电源电压的波动、波形失真、尖峰脉冲等，如果不抑制它们就可能会造成系统程序的“跑飞”、“死机"等不良的后果；过程通道干扰就是干扰通过前向通道、CPU内核通道或者后向通道进入系统。前向通道就是信号的输入通道。如果干扰侵入前向通道就会使模拟信号和数字信号发生失真和出错，最后的输出自然也不会准确，进而影响系统的运行。CPU内核通道是指CPU的内部时钟和噪声产生的干扰。它会使得CPU得到的地址信号发生错乱，进而导致程序发生偏离、失控、跑飞或者死循环等情况，最终影响后向通道的输出信号以及系统的真实输出。后向通道就是系统输出口的电路，这部分是不容易受干扰的高电平信号，但是要防止其可能对周围的电路以及部件产生影响。单片机系统总是可以分为硬件系统和软件系统两部分，以单片机为设计核心设计的本智能电表系统在设计抗干扰方案时，就考虑从硬件和软件两个方面来综合抑制各种干扰。

2.2 硬件抗干扰措施

硬件抗干扰是系统进行抗干扰措施设计中的首要选择，因为它能最大程度上的抑制干扰源，阻断干扰的过程通道。常用的设计主要有以下几种：

PCB板设计。多层板的抗干扰性比单面板要好。设计PCB板时采用的是强、弱电部分分开，强电部分电路板相当于一次电路，而弱电部分电路板相当于二次电路，这样设计就是为了消除这部分对系统带来的电磁干扰及高压放点。设计电路的电源线与地线时尽可能增大走线线路的直径，这样不但可以减少压降，更能够有效抑制耦合噪声，因此在本系统设计一次强电部分电路板时，布线时大部分使用的都是粗铜线，以防干扰。为了降低感应噪声，在系统设计布线时做到了尽量减小了回路环的面积。将弱电信号线和可能引起干扰的信号线路分别设计；信号线跟强电控制线还有电源线都进行分别布线，并做了适当间距的设计；对数字信号线和模拟信号线、数字地和模拟地在设计时都做了区分。高频晶振和电路都较易受到电磁干扰，在速率可以达到传输需要的情况下，应该使用较低频率和速度的晶振以及数字电路。因此在设计时使用的是频率较低也较为常用，且能满足速度要求的16M外部石英晶振。单片机内通常都有耦合外部晶振或者陶瓷、石英晶体的振荡器电路，这就要求在其外接引线越短越好。系统需要的IC器件都尽量直接焊在电路板上，以减小插座引入的分布电容和分布电感，从而降低电路噪声。

电源设计。考虑到单片机系统容易受电源噪声的影响，因此为了满足整个系统中不同电压等级水平的需求，可以使用供电电源稳压芯片LM7809、LM7805和AMS1117，以减小电源噪声对系统的影响，而且每个电源输出端和地之间都并接一个22pF的电容进行去耦。对单片机使用电源监控可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

看门狗设计。看门狗设计能够有效提高整个电路的稳定性能，而现在很多单片机也都自带了看门狗电路，从而有效防止了单片机系统出现跑飞或者死机状态，保证了系统能找回跑飞前的真实数据，重新进入稳定运行状态。

接地设计。单片机系统的良好接地性是保证系统稳定、正常工作的重要保障，因此，必须做好系统的接地设计。在低频电路里，导线与元件之间的寄生电感影响很小，通常一点接地就可以减少地线造成的地环路。在高频电路里，他们之间的寄生电感还有分布电容会形成各地线间的耦合现象，这时就必须用多点接地的方式，否则对系统将有很大的干扰。因此，为了保证少受干扰，在本系统的接地问题上用的是多点接地的方式。因为模拟电路中存在弱小信号，而数字电路中的门限电平较高，这就容易造成数字电路产生的噪声影响到模拟电路中的弱小信号。所以，本系统电路中既有数字电路又有模拟电路，我们采取了数字地和模拟地必须分别接地，以防止数字回路经由模拟回路的地线又回到数字电源，进而影响系统模拟信号。

2.3 软件抗干扰措施

智能电表系统除了通过软件设计实现其各个功能之外，还应该考虑外界存在的各种干扰源。因为这些干扰源的存在会破坏系统内部的数字信号时序，篡改单片机寄存器内存储的数据，进而导致程序在地址空间出现“跑飞”现象。所以，为了能将摈弃掉混杂在输入信号的干扰信号，留下有用信号，就需要通过一些指令和计算方法对系统进行软件抗干扰措施的设计。目前主要使用的软件抗干扰措施包括：

指令冗余。当CPU遭到干扰影响后，一些随机数会混入系统程序中，作为系统的指令码执行而破坏程序的正常运行。因此，尽快将程序拉回正轨，使系统执行真正的程序指令才是关键。为了消除干扰影响，就需要通过在系统程序中适当采用单字节指令。在一些系统的关键程序中加入部分单字节指令，亦或是重写有效单字节指令，确保程序正确运行，这就是指令冗余。

软件陷阱。当单片机系统受到的干扰时，“跑飞”的程序进入非程序区后冗余指令就对其失去了效力，这时就可以利用软件陷阱强迫其进入错误处理程序，而对正常程序不起破坏作用。所谓软件陷阱即指通过一条引导指令，将栏截到的“跑飞”程序引导到指定的复位地址的抗干扰措施。

延时抖动。单片机系统常常受到各种外界干扰的影响，如电源过压、欠压以及尖峰干扰等，当这些干扰侵入系统时，可以在软件程序中设置适当的延时暂停单片机工作，待干扰过后再恢复其正常工作。

3. 总结

本文分析了智能电表系统设计中遇到的干扰以及应对的方法。对于干扰的破坏作用，可以从硬件和软件两个方面采取措施，本文总结的相关措施可以为智能电表系统的抗干扰设计提供较好的指导作用，对其他嵌入式系统的设计也有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 刘俊峰，李雪玲.基于单片机的电力监控系统交流样技术的实现[J].单片机与嵌入式系统应用.2001（6）： 67-70.

[2] 马瑞，陈晨.基于DSP控制的智能电表设计[J]. 机电信息.2011（21）： 151-152.

[3] 何新军.水电站电表数据的PLC采集[J]. 湖南电力.2001，21（6）： 30-31，41.