抗幹擾技術在智能AG手机客户端中的應用_AG手机客户端

AG手机客户端由于其可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、容易变更测量范围等特点,目前在石油、化工、治金、造纸等行业得到广泛应用;特别在能源短缺的今天,AG手机客户端的发展为资源的科学管理提供了重要基础技术支持。然而,科学技术的迅速发展向AG手机客户端提出了更高更新的要求,尤其是流量测量的精确度和稳定性方面。AG手机客户端中干扰信号与流量信号混在一起,不仅成分复杂而且有的干扰信号数量级与流量信号相当,此外噪声进入微处理器可能造成系统运行异常,在这种情况下,如何抑制干扰成为研制和使用AG手机客户端的一项关键技术。

1.AG手机客户端中噪声的产生机理及对策
AG手机客户端工作原理基于法拉第电磁感应定律,通过测量导电流体在磁场中的感应电动势来推算流体流量。励磁磁场,感应电动势采集电极,信号运算放大电路以及模数转换器都容易受到工作现场的电场和磁场辐射耦合,因此电磁耦合是流量测量中的最主要的干扰方式。其次被测液体的电化学反应和泥浆干扰是流量测量的另一噪声来源。
1.1微分幹擾機理及對策
在现行的AG手机客户端设计中,低频矩形波励磁结合了直流励磁和交流励磁的优点,成为主要励磁方式之一。在低频励磁方式下其干扰主要表现为:由励磁电流突变产生的微分干扰信号。理想励磁磁场信号如图1-1所示,为低频矩形波,实际上随着励磁电流变化(dI/dt)磁场上产生微分干扰信号,如图1-2,可以看到随着电流的稳定,干扰信号随之消失,因此同步采样技术可以有效抑止微分干扰信号。实际设计中模数转化器使用AD公司的24位sigma delta模数转化器AD7714。AD7714可以分别采用硬件和软件方式进行采样开始时间控制从而实现同步采样。采用软件方式时,当控制寄存器中FSYNC位为逻辑1时,模数转换器处于复位状态;向该位写逻辑0时,器件开始采样输入信号。在应用中,低频励磁信号由MSP430单片机内部定时器产生,同时产生采样信号。如图1所示,采样开始时间滞后励磁信号1/4个周期。
1.2工頻耦合幹擾機理及對策
在AG手机客户端工作现场存在大量工频信号,耦合在励磁回路、电极、前端放大器的工频干扰噪声对流量的准确测量造成极大影响。其中辐射耦合到励磁回路的工频辐射磁场(包括其谐波)造成励磁磁场波动,影响流量测量,当流体流速较小时,工频干扰信号与有效流量信号在同一数量级,严重影响测量结果。

已知工频耦合噪声基波频率为50Hz,因此可以采用模拟或数字滤波器使滤波器带宽限制在50Hz以内以抑制噪声。在实际应用中使用 sigma delta模数转换器AD74内部包含的数字滤波模块,数字滤波器相对模拟滤波器除具有灵活性高、参数设置方便等特点还可以降低AD转换期间引人的噪声。AD774数字滤波器为(sinr/x)3低通滤波器,其在频域的传递函数为:

其中:fs爲采樣頻率,AD714采樣頻率爲19.2kHIx;N爲濾波采樣個數,f爲數字濾波器響應頻率。通過設定濾波采樣個數可以改變數字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設計中綜合考慮模數轉換速度和去除噪聲性能,設置N值另濾波器截至頻率爲50Hz,濾波器頻域響應如圖2所示,濾波器對工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑止作用。

除使用數字濾波器外,在A/D輸人端設置RC模擬低通濾波器還可以帶來額外的好處。在實際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲,可能使模數轉換器飽和,導致數字濾波器失效,使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。
1.3共模幹擾、串擾産生機理及對策
共模干扰的产生主要是由于电磁屏蔽缺陷,接地不良、杂散电容等引起返回电流不平衡。共模干扰可能导致电路某些参考电位变化,是造成AG手机客户端零点漂移的原因之一;同时共模信号产生很高的辐射电场使电路的电磁兼容性恶化。串找扰是由于印刷电路板设计电磁兼容性考虑不足造成信号质量下降,特别是高速走线和模拟电略易受到影响。
对由共模干扰信号导致的参考电位变化,应用中流量电压采用差分形式通过双绞线送入放大器,前端放大器选用共模抑止比高,低漂移高输人阻抗的运放,可以有效抑止共模干扰。此外,AG手机客户端电路板设计符合电磁兼容性要求降低串扰对信号的影响。使用满足功能要求的速率尽可能低的逻辑器件。选用在逻辑状态变换过程中输入电流消耗更小的元件。尽可能选择表面封装的元器件。合理安排元件布局,模拟与数字部分隔离,防止数字信号影响模拟信号。适当配置去耦电容,选择合适的电容容量,去耦电容尽量靠近元器件。对于敏感信号回路,如时钟信号,模拟输人信号严格控制回路面积。铺设地平面提供低阻抗信号回路,加强屏蔽效果。
1.4其他幹擾對策
電化學極化電動勢幹擾是被測液體中電解質在感應電場作用下在電極表面極化産生,是AG手机客户端零點漂移的主要原因之一。采用交流勵磁方式可以有效減小極化電動勢,此外在應用中微處理器運算時將兩次流量電壓采樣值相減不但可以減小極化電動勢而且可以補償由共模幹擾帶來的零點漂移。
泥浆干扰是在测量泥浆、纤维浆等固液两相特性液体时,固体颗粒或者气泡与电极摩擦,在电极表面的电化学电动势突然变化,AG手机客户端传感器输出信号输出尖峰脉冲状干扰。在低频励磁情况下泥浆干扰产生的尖脉冲数量级大,极大影响流量的准确测量,在实际设计中,采用多种信号处理混合方式抑制噪声,原理框图如图3所示。

流量計正常運行時尖峰脈沖噪聲出現的概率小,被測液體流速不會在短時間內變化,基于以上特性,對流量信號進行限幅濾波處理:當前輸入信號相對上周期輸人信號超出噪聲容限範圍,該信號被認爲是噪聲信號不進一步計算。滑動平均濾波是處理流量信號經常采用的信號處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動平均濾波函數的脈沖響應時間是受滑動窗口數控制的,如果能動態調整窗口數,那麽響應速度就會大大提高;在應用中使用改進的滑動平均濾波函數,通過響應時間控制器控制滑動窗口數,當響應時間超過設定值時將窗口數設爲1,使輸出信號迅速變化,獲得的很好的動態性能。

2.抗幹擾技術在AG手机客户端中的應用
微处理器是AG手机客户端的核心单元,控制整个系统的运行。当单片机应用系统的CPU受到干扰时,可能造成的影响有:非正常修改程序计数器指针;改写可编程输出端口状态;非正常修改数据区的数据;以上不良影响会使单片机程序失控,其后果是非常严重的。结合智能AG手机客户端的工作特点和MSP430系列单片机的特性,采用软件与硬件抗干扰技术相结合提高系统运行的稳定性。
2.1硬件抗幹擾
由于軟件抗幹擾措施是以犧牲CPU效率爲代價的,如果沒有硬件消除絕大多數幹擾,CPU將疲于奔命,無暇顧及正常工作,嚴重影響系統的工作效率和實時性。
AG手机客户端输出单元一般包括4~20mA电流输出,集电极开路的频率输出以及工业现场总线接口等,在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输是很有好处的,它将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来,很大一部分干扰将被阻挡。
MSP430單片機與外圍設備如模數轉換器,EEPROM等采用總線通信方式。當信號同時切換時會引起“地彈”和串擾。在電路板布線時,總線盡量使用地線包圍,電路采用多點接地方式。總線通信速度設置爲1K~1MHz,高速信號線路極易受到電磁于擾,嚴重時使邏輯狀態混亂致使單片機和外圍設備失控,總線采用上拉電阻方式,可以提高邏輯電路噪聲容限,使總線通信更加可靠。
MSP430的通用端口可以設置爲輸入和輸出兩種狀態,對于沒有使用的端口,全部設置爲輸出狀態,防止CPU受到意外幹擾。
2.2睡眠狀態抗幹擾
AG手机客户端中微處理器很多情況下是在執行等待指令和循環檢查程序,這時CPU沒有工作,但卻是清醒的,很容易受于擾。MSP430系列單片機提供了多種睡眠狀態,讓CPU在沒有正常工作時休眠,必要時再由中斷系統來喚醒它,之後恢複休眠狀態,從而使CPU受到隨機幹擾的威脅大大降低,同時降低了CPU的功耗。
2.3指令冗余與軟件陷阱技術
程序正常運行時,指令計數器始終指向下一條指令的第一個字節,當單片機受到幹擾時,可能引起程序計數器的非正常修改,將操作數當作指令碼執行,造成程序誤操作。MSP430單片機采用RISC指令內核,指令宇有單字節,雙字節和三字節指令三種,在雙字節和三字節指令後插人兩條單字節指令,
程序失控時也可以迅速進人預期控制軌道。綜合考慮CPU效率和抗于擾能力,在對程序流向起關鍵作用的指令處,如跳轉指令、中斷恢複指令等,插入兩條“NOP"單字節空操作指令,以保證“跑飛”的程序迅速納入正確的控制軌道。
为了防止单片机输出口状态意外修改,定期重新定义输出口状态。MSP430单片机内部集成很多外围设备,如UART,SPI串口,定时计数器等,为了防止这些设备的相应控制寄存器被意外修改,每次使用时都需重新设置。指令冗余使“跑飞”的程序安定下来是有条件的:程序计算器必须指向到程序区。当程序计数器落到非程序区,如ROM中未使用的空间、中断向量表,数据区,则冗余指令失效。采取额外措施就是设立软件陷阱。所谓软件陷阱,就是一条引导指令,强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序,一般安排在未使用的中断向量,未使用的ROM等。MSP430单片机具有多个中断发生源。正常工作时,执行完中断服务程序后,相应的中断标志位会被硬件自动复位;当单片机受到干扰,运行异常时,可能会触发没有使用的中断,导致系统不能正常工作。因此在未被使用的中断向量处插入冗余指令,使中断自动返回,如:“ NOP NOP RETI"。
對于沒有使用的ROM,程序燒錄器默認寫人字0xffff,該字對于指令系統是一條指令,這條指令會修改單片機內部寄存器值;如果程序“跑飛”進入這段ROM中,可能造成數據運算錯誤。因此在未使用的ROM中寫入代碼,使程序跳轉到出錯處理程序。
2.4數據存儲冗余技術
AG手机客户端正常運行需要很多參數:流量標定值,累計流量值,以及流量計信息等。這些參數非常重要,尤其是累積流量值必須妥善保存。爲了防止程序對參數的意外修改,對數據做冗余存儲處理。在具有掉電保護功能的外部存儲器中存儲三份數據,讀取參數時,判斷參數是否有效,流程如圖4所示。

3.結束語
智能AG手机客户端的设计中应用上述多种抗干扰技术,使测量的精确度和运行稳定性得到了提高,拓展了AG手机客户端的应用范围,开拓了更广阔的市场。

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