嵌入式測控系統(tǒng)在通信維修診斷平臺中的抗干擾處理*

羅 勇 譚紅兵

(海軍工程大學電子工程學院1) 武漢 430033)(91892部隊2) 三亞 572021)

1 引言

在設計一些電子測量或控制設備的時候,經(jīng)常需要用到計算機系統(tǒng),為了使設計的系統(tǒng)具有較強的靈活性、便攜性并且能實現(xiàn)一些特殊的功能,人們往往需要在工業(yè)級控制計算機內部安裝一些獨立設計的嵌入式控制系統(tǒng)。與普通的計算機一樣,以工控機為基礎的通信維修診斷平臺內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確性,避免出現(xiàn)測量不準、控制錯誤、狀態(tài)混亂、死機等情況,就需要在設計時綜合考慮多種可能因素,采取一些相應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。在總體設計中,以檢測、估計理論及數(shù)字信號處理為理論基礎。綜合應用嵌入式微處理器技術、數(shù)字信號處理技術、嵌入式實時操作系統(tǒng)編程等技術,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)自動采集、存儲、顯示相結合,達到使維修者直觀、準確、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,控制模塊實現(xiàn)人機接口和協(xié)調各個測量模塊之間的工作關系,各功能分模塊為單獨的電路測量模塊?？傮w設計如圖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個部分。顯示模塊面板采用320×240的液晶顯示屏,作為人機交互界面,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)是用于測量通信設備性能指標的平臺,因此嵌入式測控系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地運行,否則將導致測量誤差加大,對通信設備的故障診斷不僅沒有起到輔助作用,反而會引發(fā)誤判別。影響應用系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素來自系統(tǒng)內部和外部的各種電磁干擾,以及系統(tǒng)結構設計、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部噪聲干擾主要可分為以下幾種:

1)電源噪聲:診斷平臺內供電模塊短時工作不穩(wěn)定而產生的干擾,供電模塊的過壓、欠壓等均會產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)的微處理器時鐘頻率特別高,系統(tǒng)既含有大功率、大電流驅動電路,又含有較小模擬信號電路以及高精度AD/DA轉換電路,自身又受產品的尺寸空間限制,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,線間串擾產生的感應電動勢[2]。

(2)輸入信號源為感性元件,輸出驅動負載為感性負載時,輸入或輸出回路開關通斷時會產生很高的感應電勢或浪涌電流。

(3)輸入接點、輸出繼電器和接觸器等元器件的觸點在開閉時產生電火花(電弧),對I/O端口產生干擾[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,特別是當測量模塊檢測一些微弱信號,如頻率計測100mV以下的高頻信號時,疊加的干擾信號就可能會影響頻率計的測量精度。

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果的相關判斷,當干擾噪聲對狀態(tài)輸入信號產生影響后,將導致相應的輸出控制誤差加大,甚至會出現(xiàn)控制失靈的情況。

3)程序運行失靈

外界的干擾有時導致極其頻繁復位而影響程序的正常運行。若外界干擾導致ARM芯片程序計數(shù)器PC值的改變,則破壞了程序的正常運行。由于受干擾后的PC值是隨機的,程序將執(zhí)行一系列毫無意義的指令,最后進入“死循環(huán)”,這將使輸出嚴重混亂或死機。

4 嵌入式測控系統(tǒng)使用時的抗干擾設計

工控機內部在使用中產生了大量的干擾噪聲,嚴重影響了嵌入式測控系統(tǒng)運行的可靠性。為了抑制干擾噪聲對嵌入式系統(tǒng)運行的影響,在系統(tǒng)硬件設計時采用了多種抗干擾措施來進行處理。嵌入式測控系統(tǒng)硬件抗干擾設計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,通過抑制干擾源、切斷干擾傳輸途徑或者保護受干擾的敏感設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方面著手:

1)接地技術

測控系統(tǒng)的接地技術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類別。安全接地是指設備金屬外殼等的接地;工作接地是指信號回路接于基準電位點;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,因此在設計時,將“模擬地”和“數(shù)字地”分開,最后只在一點相連。嵌入式測控系統(tǒng)中的高頻電路采用了就近多點接地的方式,低頻電路采用一點接地的方式,將系統(tǒng)的各個部分全部與大地浮置起來,系統(tǒng)中的各機殼接地[5]。在一些敏感模塊的應用中,如數(shù)字示波器模塊、頻率計模塊以及信號發(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,也會將其內部噪聲和工控機內部噪聲疊加耦合到供電線路中。電路設計中ARM芯片、FPGA芯片等的復位管腳、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。工控機內的強干擾通過電源進入電路,而高頻模塊(如信號發(fā)生器、頻率計)等電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。在進行硬件設計時,每個集成芯片的電源、地之間都配置了多個高頻特性好的獨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部三極管導通、截止引起的電流變化,從而降低集成芯片產生的噪聲影響[6]。同時,由于電路中有些負載消耗電流較大,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]。在電路設計時,一定要考慮電源的抗干擾技術。一般應在電源進入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產生的高頻噪聲。如圖2所示,在1.8V的電源上并接了8個0.1μ F高頻濾波電容器,能夠有效地抑制在電源線上傳導的高頻干擾,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)布線抗干擾設計

為了避免測量外界待測單元模塊的高頻信號時,測量信號通過測量線路進入測控系統(tǒng)內部,對系統(tǒng)內集成芯片正常工作造成影響,同時降低工控機內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行連接,屏蔽線對靜電干擾有很強的抑制作用,同時也降低了高頻信號向外輻射的程度。

在PCB板布線時,為防止長線傳輸中的竄擾問題,走線時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)受干擾后的恢復措施

為了提高嵌入式測控系統(tǒng)的可靠性,使ARM芯片內的系統(tǒng)在受到干擾后程序“跑飛”或死機時能夠復位,在硬件設計上采用了電壓監(jiān)控管理芯片SP706P構成了專用的復位電路,如圖3所示。

圖3 防死機復位電路

5 結語

實踐證明,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,測量的精度和準確度比未進行抗干擾處理時都有了較大的提高。頻率計和示波器等工作環(huán)境要求較高的測量模塊在工控機內的復雜電磁環(huán)境下的運行穩(wěn)定度要遠好于未進行抗干擾處理前,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行效率和檢測判別準確率。

[1]周旭.電子設備防干擾原理與技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004

[2]王幸之.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術[M].北京:航空航天工業(yè)大學出版社,1999

[3]林國榮,張友德.電磁干擾及控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

[4]鄭崇勛.數(shù)字系統(tǒng)故障對策與可靠性技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995

[5]張松春.電子控制設備抗干擾技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000

[6]錢照明.電力電子系統(tǒng)電磁兼容設計基礎及干擾抑制技術[M].浙江:浙江大學出版社,2000

[7]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用試驗教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005

[8]張茹,孫松林,于曉剛.嵌入式系統(tǒng)技術基礎[M].北京:北京郵電大學出版社,2006