智能仪表系统的优化设计

    摘要：智能仪表系统的优化设计主要包括测量精度、系统功耗和系统干扰能力等三个方面，文中比较详细地阐述了提高仪表测量精度、降低仪表系统功耗和提高仪表系统的抗干扰能力等方面的各种优化设计方法。

    关键词：智能仪表 系统 优化设计

随着科学技术的发展，智能化仪表系统已被广泛应用于各个领域。而如何设计一种高精度、低功耗、高可靠的智能化仪表系统则是设计得最关心的问题。本文主要讨论对智能仪表系统进行优化设计的各种方法。

设计一个优化的智能仪表系统通常需要考虑以下三个方面的设计：

（1）提高仪表精度

（2）降低仪表系统功耗

（3）提高仪表系统的抗干扰能力

1 测量精度的提高

在智能仪表设计时，为了提高仪表的测量精度，一般除了选择性能好、精度高的元器件外，同时也可以利用微处理器对测量数据进行加工与处理，以减少测量过程中产生的随机误差和系统误差。

1.1 随机误差处理方法

随机误差在多次重复测量时，一般都服从统计规律。而时间平衡和总体平均是基本的统计方法。根据时间平均和总体平均法，当测量时间T→∞或测量次数N→∞时，其随机误差之和趋于零。测量结果将不受随机误差的影响。这在具体实现时可要用硬件RC滤波或软件编程（数字滤波）的方法来实现。

1.2 系统误差的处理方式

在处理系统误差时，常用的方法有：

（1）非线性特性的校正

线性化的关键是找出校正函数，但有时校正函数很难求得，因此通常选用拟合校正函数。而拟合校正函数可采用连续和分段拟合两种方法来实现。

（2）偏差和增益误差的自动标准

自动校准的基本思想是仪器在开机后或每隔一定时间后自动测量基准参数。（如数字电压表中的基准电压或地电位等），然后计算误差模型，以获得并存储误差因子。这样，就可以在正式测量时，根据测量结果和误差因子计算校准方程，从而消除误差。

（3）采用归一化技术

利用归一化技术来提高测量精度，消除系统误差。

（4）最佳测量方法的自动选择

由于微处理器能够根据参数的状态，自动地或在人工干预下选择一种最佳测试方法，因此，可以使用微处理器来进行设计，以便使得测量系统在各种条件下都能获得较高的测量精度。

2 系统的低功耗设计

2.1 系统的低功耗设计方法

系统的低功耗设计是系统优化设计的一个重要方面，在低功耗设计时，应重点考虑以下几个方面：

首先，可选用CMOS集成电路，这是由于CMOS电路具有功耗低、抗干扰能力强、工作温度范围宽度等特点；

其次，系统功耗和系统供电电压存在着一定的关系。一般来说，供电电压越高，系统功耗越大。因此，低功耗单片微机系统应尽量采用低电压供电，这样既能减少系统功耗，又有利于电池供电。

第三，在工作方式选择下，应尽量选用高速低频工作方式，虽然COMS器件的静态功耗几乎为零，但在逻辑电平转换时，总是有电流流过。由于动态功耗和逻辑电平转换频率成正比，同时与电路的逻辑电平转换时间成正比。所以，COMS器件应采用高速低频工作方式。

第四，COMS器件的输入端不能悬空，以免输入电平不稳而使电路来回翻转，从而使系统功耗增大。

第五，在选用低功耗外围器件设计低功耗系统时，除了单片机和外围芯片可选用CMOS器件外，还应选用如LCD液晶显示器、压电陶瓷等低功耗器件。

第六，为了降低系统的整体工耗，除选用低功耗的器件外，还需选用低功耗及高效率的电路形式。

第七，采用低功耗工作方式，如单片机的待机、掉电工作方式或存储器的维持工作方式等。在系统设计时，应尽量利用器件的这些特点，并使单片机系统尽量在这些工作方式下工作。

第八，采用分区分时供电方式。在软件设计上可采取相应措施以尽量缩短CPU的运行时间，可以尽量用软件代替硬件来实现系统的低功耗设计。

2.2 单片机的低功耗运行

在单片机微机低功耗系统设计中，应尽量选用低功耗的HCMOS单片机芯片，虽然此类芯片与HMOS相比，其外型、管脚、指令等完全相同，但由于其制造工艺不同，因此，HCMOS器件的功耗更低、抗干扰能力更强，并具有待机运行模式。因而功耗更小。

2.3 存储器的低功耗运行

在低功耗单片微机系统的设计中，为了降低存储器的功耗，首先必须选用HCMOS工艺的存储器，其次应采用维持工作方式。

2.4 软件设计的相应描施

除了上述的硬件措施以外，也可以用下面的软件设计方法来进一步降低智能仪表测量系统的功耗。

●尽量不采用动态扫描显示方式，而应当利用锁存器的静态显示方式来减少CPU的工作时间，如可用于静态显示的集锁存、译码、驱动、显示为一体的CMOS器件，如LCL004等。

●尽量不要使用软件延时，可采用定时中断工作方式以减少CPU的工作时间。

●由于单片微机在待机时，其睡内定时/计数器仍处于工作状态。因此，在低功耗设计时，应充分地利用待机时单片机内定时/计数器的功能来计时和计数。这样既节约了功耗，又可完成测量工作。

3 系统的抗干扰设计

影响智能仪表的可靠性和安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等情况。这些干扰对智能仪表系统造成的后果主要表现在数据采集误差加大、控制状态失灵、数据的干扰变化以及程序运行失常等。

3.1 供电系统的抗干扰措施

为了防止电源系统的干扰，电源设计时应考虑使用交流电源滤波器和隔离，并可利用压敏电阻吸收浪涌电压，在要求供电质量较高的情况下，可采用发电机组或逆变器供电，如采用在线式UPS不间断电源供电；也可要用分立式供电和分类供电方式。但应在每块印刷电路板的电源与地之间并接去耦电容（可用5～10μF的电解电容和一个0.01～0.1μF的电容），以消除电源线和地线中的脉冲电流干扰；另外，还可使用瞬变电压抑制器TVS等方法。TVS是普遍使用的一种高效能电路保护器件，能吸收高达数千瓦的浪涌功率。而且TVS对静电、过压、电网干扰、雷击、开关打火、电源反向及电机/电源噪声振动的保护尤为有效。

3.2 过程通道抗干扰措施

采用光电耦合器可以将主机与前向、后向以及其它主机部分的电路联系切断，从而有效地防止干扰从过程通道进入主机。

3.3 外部噪声源的干扰及其抑制

传感器最大的外部噪声源是连接在交流电源上的电动机、电焊机等能产生电火花的机器以及继电器、电磁阀等。这些噪声源可通过电容和电磁耦合对传感器形成干扰。工程实践表明，干扰信号通过各种线缆假入智能仪表系统内部而形成的干扰占全部干扰量的90%以上，因而系统的配线技术是首先要考虑的。对于静电感应噪声，可在信号线或箱体上包一层金属导体屏蔽层，并将屏蔽层端点接地。对于电磁感应噪声，配线时应应尽量使信号线远离强电线，以减少互感所形成的电磁感应噪声。信号电缆还可用金属导体屏蔽或采用多层双绞信号线。

3.4 印制电路板及电路的抗干扰设计

印制板电路的抗干扰设计主要包括以下几方面：

（1）地线设计

在智能仪表系统中，接地是抑制干扰的重要方法。设计时可根据实际信号的工作频率选择单点接地或多点接地；另外，数字、模拟电路要分开，而且应将两者的地线分别与电源地线相连；同时，接地线应尽量加粗；将接地电路做成闭合环路可明显地提高系统的抗干扰能力。

（2）电源线布置

电源线布置除了要根据电流大小尽量加粗导体宽度外，还应使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。

（3）印刷电路板的尺寸与器件布置

印刷电路板大小要适中。尺寸过大，则印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；尺寸过小则散热不好，同时易受邻近线条干扰。在器件布置方面，应把相互有关的器件尽量放近些，这样获得较好的抗噪声效果。容易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路器件等应尽量远离计算机逻辑电路，如有可能，应另做电路板。

3.5 软件抗干扰设计

软件抗干扰是利用软件来实现的一种抗干扰方法。通常有数字滤波技术、软件冗余、软件陷阱、看门狗等技术。

（1）数字滤波技术

数字滤波技术是采用软件来减少数据采集误差的有效措施。通常使用的方法有算术平均法、中值法、抑制脉冲算术平均法、一阶惯性滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。

（2）控制状态失常的软件措施

在条件控制系统中，可选用软件冗余的方法对控制条件进行一次采样和处理以控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰的作用。

当干扰侵入输出通道而使输出状态被破坏时，可重新设置当前输出状态寄存单元，以便使系统能及时查询单元的输出状态信息，并及时纠正输出状态。

设置自检程序。可在计算机内的特定部位或某些内存单元设置状态标志。这样，在开机后，即可在运行中不断进行循环测试，以保证系统中信息存储、传输和运算的可靠性。

（3）程序运行失常的软件措施

●软件陷阱

用引导指令强行将捕获到的跑飞程序引向复位入口地址，并在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，以使程序纳入正轨。

●采用“看门狗”技术

当PC受到干扰失控而引起程序跑飞使程序进入“死循环”时，指令冗余技术、软件陷阱技术均不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，因此，通常采用程序监视技术，即“看门狗”技术（Watchdog）。利用“看门狗”技术可以不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，并在0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正规。