智能电表设计中的抗干扰措施

摘要：文章分析了智能电表设计中可能出现的各种问题，并介绍了相应的软硬件抗干扰措施。对从事电表的研发人员有重要的指导意义。

关键词：智能电表；软硬件；抗干扰

一、引言

智能电表的设计，由于微控制器的引入，对设计者提出了更高的要求。这是因为由于电源等引入的干扰可能导致程序指针跳飞，从而引起不可预测的后果，诸如电量数据的丢失、改变或死机等。像家用电脑和普通仪器仪表对死机等现象是允许的，可以通过人工复位，重新设置等手段来恢复，求长年连续的挂网运行，如果运行中出现任何异常现象，均要求能自动恢复正常工作。然而，在工程实际中，噪声和干扰是不可避免的。目前，大多数智能电表都应保证在干扰较强的现场运行，因此如何提高智能电表的抗干扰能力，保证其在规定条件下正常运行，以及防止仪表内部产生的噪声对外部的辐射，是智能仪表设计中必须考虑的问题，也是关键问题。

二、硬件抗干扰设计

在智能电表研制的初期，我们发现这样一种现象，电表带上电感性负载(比如电扇)时，在电扇快速插拔的瞬间，容易导致智能电表中单片机数据的丢失或死机。如果从设计上不能把智能电表的抗干扰问题解决好，后果将会非常严重。

(1)电源的抗干扰措施

实践证明，系统失效和硬件损坏大都是由各种干扰引起的，而90％以上的干扰来自于电源。可见这种来自电源的干扰对系统的影响相当大，因此应充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好坏，直接影响整个电路的抗干扰能力的好坏。目前有以下几种电源可供选择：第一种阻容分压式，它采用简单的电阻电容分压、滤波。但这种电源稳压性能差、电源波动大、带负载能力小、电网干扰极易串入，一般不采用这种方式。第二种开关电源，这种电源稳压性能好、纹波小，但成本较高且对外界电网干扰比较严重，也不宜采用。第三种线性电源，这种电源由220V经交流变压、整流、滤波及稳压得到，稳压性能好、隔离特性好，价格适中，在目前应用广泛的多用户电表设计中大都采用这种方式。对这种电源的抗干扰措施有以下几个方面。

对于电源变压器的设计，要使其空载电流尽可能小，以降低整表功耗。增加变压器的容量，能使干扰脉冲的数量和幅度有所减少，而变压器的容量受电表空间的限制，变压器又不能太大。 在电源变压器的初级串联一个电源滤波器，比如采用"双绕组扼流圈"的滤波线路，它对高频干扰信号阻抗很大，使整个电子系统与供电网之间得到一定程度的高频隔离，对于外界空间电磁场的干扰，也起一定的抑制作用。 在各相交流电源的进线端，并联一个压敏电阻(MOV)，其电阻随电压的增加而减小。在过压时形成一个低阻的分流器，从而可以防止被保护电路两端的电压进一步上升；当浪涌电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。 在为主处理器提供电源之前的三端稳压器前，并接一个瞬变电压抑制二极管(TVS)，对后面的电路起到保护作用。当TVS两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度成为低阻抗器件，吸收大电流，从而把它两端的电压钳位在一个预定的数值上，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。 在变压器一次侧采取磁珠和电容组成的丌型滤波方法，对高频干扰起作用，但对几百赫兹以内的低频干扰作用却很小。综上所述，设计人员应根据具体的工作环境，选择不同的抗干扰措施。

(2)电源检测及看门狗电路

分析及实践表明，对来自电网的干扰不仅要采取硬堵的办法，还要采取容错措施。使用电源检测及看门狗电路的目的，就是当电源电压出现干扰脉冲或单片机受干扰程序运行异常时，产生一复位信号使单片机复位。看门狗电路实质上是一个单稳电路。当程序运行正常时，单片机定时给单稳电路输入触发信号，使单片机输出保持暂稳态：当干扰异常时，单片机不能给触发信号，单稳输出回到稳态引起单片机硬件夏位：看门狗不仅对来自电网方面的干扰起作用，而且对来自空间等其他方面的干扰也起作用。然而如果没有电源检测电路，只有看门狗电路，在电网干扰下，即使不带电感性负载，当电源快速合闸时，也有可能导致死机。实践证明，采用电源检测及看门狗电路之后，死机观象得到了有效地克服。

(3)串行E2PROM的选择

因为电表数据存储的可靠性至关重要，为了保证在掉电时以及在因干扰导致单片机复位时，智能电表中的主要数据和参数不丢夫，存储器的选择上要有所考虑。使用并行存储器．虽然有速度快的特点，但读写信号容易受到干扰从而造成错误。而采用串行E2PROM存储器时，其读写时序相当严格，受到干扰出错的几率就小得多。

(4)布线布局上的抗干扰设计

在用电负荷很小时，220V的电压与几个μV的小信号会共集于一块电路板上，如果电源布局不当，有用信号会被噪声所淹没，以多用户电表为例，在布线布局上的抗干扰措施有：