集中式智能电表的抗干扰设计

引言

     目前，我国绝大多数城乡居民用电抄表还采取人工方式。这种落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集数据的时间跨度大，准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步用自动抄表系统取代人工抄表。但是这样以来，传统的机械电表在性能上就不能适应要求。因此我们采用单片机自动测控技术，设计了一种既能独立使用又能面向自动抄表系统的集中式智能电表。为了使其长期稳定、安全可靠地运行，必须进行全面的系统抗干扰设计。下面就将有关内容作以介绍：

系统抗干扰设计的必要性

     由于集中式智能电表工作于居民住宅区内，很容易受到系统内、外各种电气和电磁干扰，其中以供电系统干扰为主。在家用电器中，许多为电感性负载，它们的快速切换会对电网产生噪声干扰，进而可能导致单片机数据混乱或死机，规律如下：

     （1）干扰脉冲的幅度较小时，对单片机基本无影响；

     （2）干扰脉冲的幅度较大时，使单片机复位；

     （3）干扰脉冲的幅度较大，且瞬间有很多脉冲，可能导致单片机数据混乱或死机。

     智能电表要求长年连续地挂网运行，运行中出现的任何异常现象（数据混乱、死机等）均要求其能安全恢复，故对抗干扰要求很高。如果不采取有效的抗干扰措施，系统在运行过程中，当遭遇到较强的干扰信号时，其性能的可靠性与运行的安全性均会降低，会给用户、物业管理或电业部门造成较大的经济损失，甚至导致经济纠纷。

     抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。由此可见，要确保该智能电表系统运行安全可靠，一个重要的环节就是进行单片机系统的抗干扰设计，主要包括硬件抗干扰和软件抗干扰两个方面。

系统抗干扰设计

     1．硬件抗干扰设计

     电量信号的采集和输出部分采用光电耦合器，光电耦合器的一次侧和二次侧是电绝缘的，因此对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时也具有很强的抑制电磁干扰的能力。电源在向系统提供电能的同时，也会把干扰噪声直接由供电端加在控制电路上，而单片机的复位线、中断线等控制线，最易受到这种外界噪声的干扰，因此必须采取一定措施来加以抑制、消除这种干扰。具体方法为：加屏蔽罩、隔离变压器、磁环和π形滤波电路等，但这些只能使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，难以从根本上解决。所以，还必须使用单片机专用的电源监控芯片，提高敏感器件的抗干扰能力。

     本系统在硬件抗干扰方面的一个突出特点就是选用单片机系统监控芯片MAX691A，设计了CPU安全监控电路。MAX691A具有：复位、数据存储器写保护、后备电池切换、看门狗定时器和电源监视器等功能。连接电路如图1所示。

 

     MAX691A主要引脚及其功能说明：

     （1） VBATT：备用电源输入端，可接3.6V锂电池或充电电路。如果不用，应连接到GND。

     （2） VOUT： 电源输出端，当VCC高于复位上限电压时，VOUT = VCC；当VCC低于复位上限电压时，VOUT与VBATT相连。VOUT与GND之间需加一个0.1μF的电容。

     （3） VCC ：工作电源接入端，接+5V。

     （4） GND：电源接地端，是所有信号的参考点。

     （5） PFI：电源电压比较器输入端。当此端电压输入低于1.25V时，PFO（————）将变为低电平。

     （6） PFO（————）：掉电输出端，低电平有效。在图1中，它触发INT（————）0中断，中断服务程序将做系统掉电前的紧急处理。

     （7） WDI：看门狗喂入端。当其保持高电平或低电平的时间达到1.6 s（典型值）时，内部看门狗定时器溢出，并触发WDO（——————）信号输出。

     （8） CE（————） OUT：片选信号输出端。只有当CE（————） IN是低电平而且VCC 正常时，CE（————） OUT才输出低电平，可有效防止对数据存储器的误操作。

     （9） CE（————） IN：片选信号输入端。

     （10） WDO（——————）：看门狗输出端，低电平有效。如果WDI悬空，WDO（——————）保持高电平。

     （11） RESET（——————————）：低电平有效复位端，当VCC低于4.65V时，RESET（——————————）变为低电平。复位信号典型值为200ms 。

     （12） RESET：高电平有效复位端，集电极开路输出。

     另外，MAX691A还具有振荡频率选择（7、8引脚）等功能，可以调节复位和看门狗定时器的时间。在图1中，增加了微分电路和反相器，使WDO（——————）直接引发系统复位，大大简化了软件的抗干扰设计。

     2．软件抗干扰设计

     本系统采取的软件抗干扰措施如下所述：

     （1）对输入信号采用电平检测而非边沿检测，以减少的各种随机干扰脉冲的影响。

     （2）对重要的状态寄存单元备份，当系统状态受干扰破坏后，能及时查询备份寄存单元的信息，进行状态纠正。

     （3）电量数据存放之前，对其进行校验，以保证数据的正确性。

     （4）电量数据在6264和2465中都采取多址存放，互为备份，以确保万无一失。

     （5）设置自检程序，在某些内存单元设置状态标志，在开机运行后，对其进行监测，保证信息存储、传输、运算的高可靠性。

     （6）插入空操作指令：在比较条件转移指令、绝对转移指令、中断、堆栈指令前，以及数据表格后，插入空指令，提高系统的稳定性。

     （7）当程序运行失常，发生诸如：程序“跑飞”、数据区和工作寄存器中的数据遭到破坏,采取措施如下：

     （a） 设置监视跟踪定时器

     因本系统设计有CPU安全监控电路，所以可通过使用MAX691A的定时中断即看门狗（Watchdog）来监视程序的运行。只要程序正常运行，定时器就不会出现定时中断。而当程序运行失常，因“跑飞”等原因不能对WDI进行及时刷新时，看门狗定时器就会引发崩溃复位。

     （b） 设置软件陷井

     在程序存储器的空白处，填满空操作指令和长转移指令（LJMP ERR），来截获跑飞的程序，最后通过软件强制复位，使程序返回到初始状态。在MCS-51单片机的软件复位过程中，必须连续执行两次中断返回指令RETI才能确保清除中断标志，使系统恢复正常。出错处理程序如下：

     ERR:   CLR EA ;   正确的软件复位入口，关中断

     MOV 66H,#0AAH ; 重建上电标志

     MOV 67H,#55H

     MOV DPTR,#ERR1 ;准备第一次返回地址

     PUSH DPL

     PUSH DPH

     RETI ;    清除高级中断激活标志

     ERR1: CLR A

     PUSH ACC

     PUSH ACC

     RETI ;   清除低级中断激活标志

结论

     本集中式智能电表系统进行了全面有效的系统软、硬件抗干扰设计，特别是充分利用了MAX691A芯片的强大监控功能，实现了本系统三状况（上电、掉电、崩溃）复位、数据存储器写保护、后备电池切换、看门狗定时和电源监视等功能。从而极大的提高了系统的抗强干扰能力，确保了系统运行的安全性与可靠性，为该智能电表实际的应用与推广提供了可靠的技术保障。