徐希華1 鄭月節(jié)2 徐金鋒2
（1.中聯(lián)合工程公司上海分公司，200011上海 ；
2.江蘇安科瑞電器制造有限公司， 214405江蘇無錫）
隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各種儀器儀表被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和社會(huì)生活的各個(gè)方面，其中電力儀表尤為突出。
電力儀表的可靠性要求是智能電表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力儀表的可靠性提出了平均壽命不低于10a的要求，因此電力儀表設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的可靠性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為平均*工作時(shí)間，也稱平均故障間隔時(shí)間。平均*工作時(shí)間是衡量可靠性的常見指標(biāo)。電力儀表的可靠性設(shè)計(jì)就是為了提高產(chǎn)品的平均*工作時(shí)間，保證產(chǎn)品的正常運(yùn)行。
1 硬件可靠性設(shè)計(jì)
1.1 電源的抗干擾設(shè)計(jì)
據(jù)工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，電力儀表系統(tǒng)70%的干擾都是通過電源耦合進(jìn)入系統(tǒng)的。因此，電源供電質(zhì)量的提高對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著十分重要的意義。由于系統(tǒng)的電源般都是由市電轉(zhuǎn)換得到，所以電源部分的抗干擾設(shè)計(jì)主要集中在電源輸入端口的濾波和瞬態(tài)干擾的抑制方面。圖1是電源抗干擾的個(gè)典型設(shè)計(jì)，其中，RV1為熱敏電阻，VZ1為壓敏電阻，LA1為共模扼流圈。該電路可以有效抑制浪涌和群脈沖干擾。
圖1 電源抗干擾設(shè)計(jì)電路
此外，分模塊供電是電源設(shè)計(jì)的另外個(gè)準(zhǔn)則。這樣設(shè)計(jì)的點(diǎn)是：可以有效避免強(qiáng)電設(shè)備工作時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他模塊造成干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
1.2 接地設(shè)計(jì)
接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的抗干擾能力，好的設(shè)計(jì)可以阻斷外部環(huán)境的干擾，對(duì)內(nèi)部的耦合噪聲進(jìn)行有效抑制。以下兩個(gè)方面的考慮，可以提高系統(tǒng)的可靠性：
(1) 數(shù)字地和模擬地。由于數(shù)字信號(hào)具有陡峭的邊緣，造成數(shù)字電路的地電流表現(xiàn)出脈沖式變化，因此在電力儀表系統(tǒng)中模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別設(shè)計(jì)，兩者僅在點(diǎn)連接，并將電路板上的模擬電路與數(shù)字電路分別連接在對(duì)應(yīng)的“地"上。這樣可以有效的避免數(shù)字電路地電流的脈沖信號(hào)通過公共地阻抗耦合進(jìn)入模擬電路，形成瞬態(tài)干擾。當(dāng)系統(tǒng)中存在高頻的大信號(hào)時(shí)，這種干擾影響會(huì)越大。
(2) 單點(diǎn)和多點(diǎn)接地。在低頻系統(tǒng)中，接地般采用并聯(lián)單點(diǎn)接地與串聯(lián)單點(diǎn)接地結(jié)合的方式，以提高系統(tǒng)的性能。其中并聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊的地線匯合到處，每個(gè)模塊的地點(diǎn)位置與自身的電流和電阻有關(guān)。這種接地方式的勢(shì)是沒有公共地線電阻的耦合干擾，劣勢(shì)是地線使用太多。串聯(lián)單點(diǎn)接地是指多個(gè)模塊使用同段地線。因?yàn)殡娏髟诘鼐€上的等效電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，所以模塊和地線的連接點(diǎn)對(duì)大地的電位有所不同，所有模塊的電流變化都會(huì)對(duì)接地點(diǎn)的電位產(chǎn)生影響，使電路的輸出改變，zui終導(dǎo)致公共地線電阻耦合干擾。該方法具有布線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。多點(diǎn)接地常被用于高頻系統(tǒng)中，其原則是各模塊的地線就近連接到地線匯流排上，勢(shì)是接地線短、阻抗小、無公共地線阻抗造成的干擾噪聲。
1.3 隔離設(shè)計(jì)
將噪聲源與敏感的電路隔離開來是隔離設(shè)計(jì)的主要目的之。隔離設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是電力儀表與工作環(huán)境既保持信號(hào)的，又不發(fā)生電的交互。隔離設(shè)計(jì)主要的實(shí)現(xiàn)手段有變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、隔離放大器，以及布線隔離等。
(1) 變壓器隔離。脈沖變壓器具有匝數(shù)少、繞組分布電容小（僅幾皮法）、二次繞組分別纏繞于磁芯的兩側(cè)等特點(diǎn)，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離。
(2) 光電隔離。加光電耦合器可以抑制尖峰脈沖及各種噪聲的干擾。采用光電隔離可以使上位機(jī)系統(tǒng)與電力儀表的通信口之間沒有電的交互，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。光電耦合器可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，但是對(duì)模擬信號(hào)不適用。對(duì)模擬信號(hào)隔離的常用方法包括：①轉(zhuǎn)換光電隔離電路，此電路復(fù)雜；②差分放大器，所隔離的電壓較低；③隔離放大器，性能雖好但是價(jià)格貴。
(3) 繼電器隔離。由于繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間無電氣關(guān)聯(lián)，因此可以利用線圈接收信號(hào)，再通過其觸點(diǎn)傳送信號(hào)，這樣可以有效解決強(qiáng)電與弱電信號(hào)彼此接觸的問題，完成干擾隔離。
(4) 布線隔離。通過電路板的布局，實(shí)現(xiàn)隔離，主要是強(qiáng)電與弱電之間的隔離。
1.4 印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)
印制電路板是電路元器件的載體，提供元器件之間的電氣連接。印制電路板設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到系統(tǒng)的抗干擾能力。在進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，般遵循以下原則：
(1) 晶振布線時(shí)，盡量與處理器的引腳靠近，其外殼接地并固定，zui后用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離，此方法可以避免很多的疑難問題；
(2) 滿足系統(tǒng)性能要求的條件下，處理器盡量采用低頻率的晶振，數(shù)字電路盡可能低速；
(3) 對(duì)于處理器未使用的輸入、輸出口資源，不能懸空不處理，應(yīng)使其連接系統(tǒng)電源或接地，其他芯片同樣如此；
(4) 高頻元器件之間的連線盡量縮短，具有輸入、輸出功能的元器件盡量遠(yuǎn)離，容易受干擾的元器件不能靠太近；
(5) 電流環(huán)路不能出現(xiàn)在低頻以及弱信號(hào)電路中，若確實(shí)無法規(guī)避，則盡可能的使環(huán)路變小，降低感應(yīng)噪聲；
(6) 系統(tǒng)布線時(shí)應(yīng)杜絕90°折線，以防高頻噪聲發(fā)射；
(7) 系統(tǒng)中的輸入、輸出線盡量不要平行，并在兩條導(dǎo)線之間添加地線，這樣可以有效防止反饋耦合的發(fā)生。
2 軟件可靠性設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)
目前，電力儀表已廣泛的應(yīng)用了各種計(jì)量芯片，處理器與計(jì)量芯片之間通過串行外設(shè)借口或通用異步收發(fā)傳送器方式通訊，以獲得電力系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)。若在通訊的過程中，總線受到干擾，或者計(jì)量芯片處于非正常狀態(tài)， 處理器將得到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因此，在軟件程序中加入濾波處理，顯得非常重要。對(duì)普通的電力參數(shù)可以采用均值法，在計(jì)算有效值時(shí)候，采集五到六個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)，去除zui大值和zui小然后做平均值；對(duì)于電能數(shù)據(jù)，可以根據(jù)儀表的額定運(yùn)行環(huán)境，估計(jì)出單位時(shí)間內(nèi)電能的動(dòng)態(tài)范圍，若出現(xiàn)電能數(shù)據(jù)異常，軟件可以將此次數(shù)據(jù)丟棄。除此以外，還有中值法、算術(shù)平均值法、階低通濾波器法等。實(shí)踐證明，軟件濾波的使用，可以zui大化的保證每次讀取參數(shù)的可靠性。
2.2 數(shù)據(jù)冗余設(shè)計(jì)
為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)以及校表參數(shù)可以采用多備份設(shè)計(jì)，當(dāng)組數(shù)據(jù)出現(xiàn)紊亂后，可以啟用另組備份數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的性，提高數(shù)據(jù)在錯(cuò)誤的操作生存的概率，應(yīng)當(dāng)將幾組數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)。
2.3 數(shù)據(jù)校驗(yàn)及操作的冗余設(shè)計(jì)
處理器在向存儲(chǔ)空間中寫入設(shè)置參數(shù)或校表參數(shù)的時(shí)候，可能會(huì)受到干擾，導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)空間中，但此時(shí)處理器是無法判斷寫入的數(shù)據(jù)正確與否的。為了確保數(shù)據(jù)的正常寫入，在設(shè)計(jì)軟件程序時(shí)，把要寫入的數(shù)據(jù)做“校驗(yàn)和"處理，并將“校驗(yàn)和"也并寫入儲(chǔ)存空間中，當(dāng)每次寫操作完成后，再進(jìn)行次讀操作，將讀出的數(shù)據(jù)做“校驗(yàn)和"，與寫入“校驗(yàn)和"做比較判斷。若兩次數(shù)據(jù)不致則重新進(jìn)行寫操作，直到數(shù)據(jù)被正確寫入為止，若超出設(shè)定的重寫次數(shù)，則進(jìn)行寫操作錯(cuò)誤顯示。
2.4 軟件陷阱設(shè)計(jì)
軟件陷阱是指令冗余的種應(yīng)用形式，用于程序“跑飛"的捕捉。當(dāng)噪聲信號(hào)的干擾，系統(tǒng)程序會(huì)脫離正常運(yùn)行的軌道，為了使“跑飛"的程序穩(wěn)定下來，設(shè)計(jì)人員在程序中設(shè)計(jì)了陷阱。所謂的軟件陷阱，是通過條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向個(gè)特定的地址，并對(duì)紊亂的程序進(jìn)行出錯(cuò)處理。對(duì)于受干擾而混亂的程序，多字節(jié)指令是zui危險(xiǎn)的，原因是錯(cuò)誤的指針可以“跑飛"到多個(gè)字節(jié)指令之間，從而運(yùn)行更深度不可知的指令。相對(duì)于多字節(jié)指令，單字節(jié)指令可以使紊亂中指針理順，讓其按照正常的順序運(yùn)行，紊亂的現(xiàn)象可以得到有效的抑制。根據(jù)以上原理，軟件陷阱可以形成個(gè)程序，通常為了提高對(duì)“彈飛"程序的捕獲率，可以在引導(dǎo)指令前添加兩個(gè)空操作指令，具體形式為：
--NOP-- --NOP-- JUMP ERROR
程序中JUMP ERROR就是將“彈飛"的程序轉(zhuǎn)移到出錯(cuò)處理程序中。在程序中未使用的大片只讀存儲(chǔ)器空間、未使用的中斷向量區(qū)、程序區(qū)的“斷裂處"以及表格的頭尾處等四處使用軟件陷阱，效果*。
2.5 軟件看門狗設(shè)計(jì)
“看門狗"是采用軟硬結(jié)合的方式防止程序發(fā)生死循環(huán)。“看門狗"的硬件基礎(chǔ)是個(gè)獨(dú)立運(yùn)行、定時(shí)周期為T的計(jì)數(shù)器。處理器的復(fù)位引腳與計(jì)數(shù)器的定時(shí)輸出腳相連，且處理器控制計(jì)數(shù)器清。系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，“看門狗"在小于T的時(shí)間間隔內(nèi)將被清，定時(shí)器從而不會(huì)產(chǎn)生溢出。但是當(dāng)系統(tǒng)紊亂，處于不正常的工作狀態(tài)下，處理器的時(shí)序邏輯被打亂，不能在周期T內(nèi)將計(jì)數(shù)器清，zui終導(dǎo)致計(jì)數(shù)器溢出，“看門狗"產(chǎn)生個(gè)復(fù)位信號(hào)，傳送到處理器，使其復(fù)位。這種設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)擺脫時(shí)干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
3 其他注意事項(xiàng)
3.1 元器件的選擇及控制
元器件是組成電力儀表的基本單元。電力儀表的可靠性水平先依賴于元器件的可靠性水平。主要元器件包括：處理器、計(jì)量芯片、數(shù)碼管、液晶屏、電解電容、壓敏電阻、電流互感器、電壓互感器、晶振、貼片電容、貼片電阻、光耦、電池等。安科瑞對(duì)元器件的選擇有著嚴(yán)格的要求：選用的元器件必須要有可靠性指標(biāo)，元器件采購需定型號(hào)規(guī)格、定采購廠家、定采購渠道，采購的元器件必須進(jìn)行入廠檢驗(yàn)、入庫檢驗(yàn)、使用前檢驗(yàn)。
3.2 裕量設(shè)計(jì)
裕量設(shè)計(jì)使元器件在工作時(shí)承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谠骷念~定值，從而達(dá)到降低基本故障率、提高元器件使用的可靠性的目的。
3.3 冗余設(shè)計(jì)
冗余設(shè)計(jì)是用個(gè)或多個(gè)相同單元構(gòu)成并聯(lián)形式，當(dāng)其中個(gè)發(fā)生故障時(shí)，其他單元仍能使系統(tǒng)正常工作。主要的信號(hào)線、電纜要選用高可靠連接。必要時(shí)對(duì)開關(guān)、接插件等可采用冗余技術(shù)，如采取并聯(lián)或多余觸點(diǎn)全部利用等。
3.4 可靠的生產(chǎn)工藝
可靠的生產(chǎn)工藝重點(diǎn)指靜電防護(hù)和防潮。在生產(chǎn)環(huán)境中引入靜電防護(hù)系統(tǒng)，可以有效避免對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管及集成電路芯片造成的損傷。當(dāng)環(huán)境的濕度較大時(shí)，水分子可以滲入材料內(nèi)部，導(dǎo)體之間形成漏電通路，降低元件絕緣電阻及隔離耐壓能力。同時(shí)，過度的干燥環(huán)境也能造成材料變脆，產(chǎn)生靜電等不利影響。安科瑞已在生產(chǎn)環(huán)境中引入系列調(diào)控措施，諸如采用抽濕系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，盡可能使儀表生產(chǎn)環(huán)境處于個(gè)穩(wěn)定的水平，避免不利的外力因素影響。此外，部分產(chǎn)品電路板在出廠前做噴漆處理，進(jìn)步防止受潮，提高電力儀表的可靠性。
3.5 高溫老化處理
電力儀表中元件焊接、裝配過程中存在的隱患及性能的缺陷可以通過高溫老化的方式讓其提前顯露。經(jīng)過處理過后的產(chǎn)品，再進(jìn)行正常的電氣參數(shù)的測(cè)試，篩選并除去變值及失效的元件，把潛在的問題在產(chǎn)品銷售之前，從而保證出廠的產(chǎn)品能經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)。
3.6 維修
以方便后期維修為原則，元器件設(shè)計(jì)布局應(yīng)考慮到后期的維修工作。軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到系統(tǒng)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并將所有可能的錯(cuò)誤羅列出來，當(dāng)系統(tǒng)提示錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)及維修人員可以捕捉錯(cuò)誤，解決問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
4 可靠性測(cè)試方法
4.1 硬件的可靠性測(cè)試
根據(jù)系統(tǒng)硬件的抗干擾設(shè)計(jì)，硬件主要的測(cè)試內(nèi)容有：靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)抗擾度、快速瞬變脈沖群、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度、浪涌抗擾度、衰減震蕩波抗擾度、無線電干擾抑制等。
此外，安科瑞還引進(jìn)了高加速壽命測(cè)試與高加速應(yīng)力篩選設(shè)備，通過運(yùn)用高于環(huán)境中存在的應(yīng)力來加速發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)電力儀表的設(shè)計(jì)和制造流程。
4.2 軟件的可靠性測(cè)試
般采用黑盒測(cè)試技術(shù)進(jìn)行嵌入式軟件可靠性測(cè)試。進(jìn)行軟件可靠性測(cè)試的般流程是：明確可靠性目標(biāo)，編制測(cè)試計(jì)劃，進(jìn)行開發(fā)操作，進(jìn)入測(cè)試準(zhǔn)備階段，執(zhí)行可靠性測(cè)試，分析評(píng)估并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)給出可靠性測(cè)試報(bào)告。
5 結(jié)束語
本文結(jié)合安科瑞多年生產(chǎn)電力儀表的經(jīng)驗(yàn)，說明了電力儀表設(shè)計(jì)中可靠性的重要性，分析了儀表使用過程中干擾源的種類以及產(chǎn)生的原因，重點(diǎn)闡述了針對(duì)干擾所采取的硬件與軟件的解決措施，zui后，介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束后，所需要經(jīng)過的系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明儀表的設(shè)計(jì)方案的切實(shí)可行，確保產(chǎn)品高度的可靠性。
文章來源：《電世界》2015年第6期
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