智能型框架式斷路器單片機系統的電磁兼容性分析

一、 簡述

　　隨著單片機技術的不斷發展與完善，單片機已被廣泛地應用于各行各業中，其應用程度和應用水平已逐漸成為衡量一個行業或一個部門技術水平的重要標志。框架式斷路器做為低壓配電系統的主開關也已突破傳統的結構模式，在其保護和信息處理單元采用了單片機技術，典型產品有施耐德公司的M系列、美國GE公司的S系列、日本三菱公司的AE-SS系列、我國的DW45系列等。眾所周知，框架式斷路器對低壓配電系統的安全、可靠運行起著至關重要的作用，而其單片機系統的電磁兼容性又是其安全、可靠、穩定運行的核心問題。以下對電磁兼容試驗的目的、電磁干擾噪聲對單片機系統的危害、單片機本身的硬件和軟件的抗干擾性進行分析，以期進一步改善單片機系統的電磁兼容性。

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二、 電磁兼容的試驗目的

　　所謂電磁兼容性是指設備或系統在其預定的電磁環境中實際運行時，既不受周圍電磁環境的影響，又不影響周圍環境，也不發生性能惡化或誤動作，而能夠按照技術要求正常工作的性能。

　　為保證智能型框架式斷路器具有優良的電磁兼容性，一般要進行以下電磁兼容性試驗。

　　1. 電力線路低頻騷擾抗擾度試驗，目的是驗證當電力系統出現諧波、電流驟降、電流分斷時的抗干擾能力。

　　2. 靜電放電抗擾度試驗，目的是驗證當人體或物體所帶靜電荷對斷路器可觸及部位放電時的抗干擾能力。

　　3. 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，目的是驗證由閃電、接地故障或切換電感性電路而引起的信號參數產生瞬時擾動時的抗干擾能力。這種試驗是一種耦合到電力線路、控制線路、信號線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。

　　4. 浪涌（沖擊）抗擾度試驗，目的是驗證由斷路或雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌（沖擊）時的抗干擾能力。這種干擾對以單片機系統為保護核心的智能型框架式斷路危害很大，嚴重時將使其失去保護功能。

　　5. 射頻電磁場輻射抗擾度試驗，目的是驗證斷路器處于各種電磁輻射環境如手持無線電收發機、無線電廣播、車載無線電發射機、各種工業電磁源等的抗干擾能力。對于這種來自空間的電磁干擾，采用在單片機系統周圍加金屬屏蔽的辦法即可取得較好的效果。

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三、 電磁干擾對單片機系統的影響

　　以上所述的電磁干擾對單片機本身的時鐘信號、中斷信號、取樣信號等影響很大，另外當電磁干擾噪聲越過一定門限時，將導致單片機系統出錯甚至死機，所以本文只對單片機系統本身的抗干擾進行分析。

　　單片機系統異常一般有以下幾種情況：單片機瞬間異常，但能夠自動修正；單片機異常后，由中斷或復位信號使其恢復工作；單片機異常后，需由操作者干預或進行系統復位；單片機異常并導致元器件損壞、數據丟失、數據錯誤等。

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四、 單片機系統的硬件抗干擾電路分析

　　根據不同的功能，單片機系統的抗干擾電路和方法很多，如采用外殼屏蔽技術、電網濾波技術、系統接地技術、合理布線等。本文僅對單片機系統受到干擾后的快速復位電路、看門狗電路進行分析和討論。

1. 快速可靠的復位電路

　　圖1為-簡單的RC上電復位電路，在RC電路充電過程中，RESET端出現正脈沖，從而使單片機復位，這種復位電路中，干擾易串入復位端，一般情況下雖不會造成單片機的錯誤復位，但會引起其內部寄存器的錯誤復位，造成系統誤動。

復位信號是單片機最為敏感的信號之一，為使單片機系統安全可靠地工作，使復位電路具有快速上電復位、掉電復位等功能，可采用Motorola公司生產的專用復位芯片MC33064/MC33164以及其它公司生產的同類產品構成的復位電路，以提高系統受到干擾后復位的可靠性，圖2所示。

2. 看門狗電路

　　為提高斷路器單片機系統的抗干擾性，最好直接選用帶有看門狗電路的單片機較好，它可以通過用戶編程來選擇硬件看門狗或軟件看門狗，通過用戶程序對看門狗計數器進行系統復位操作。

內部不帶看門狗電路的單片機，可以設計外接看門狗電路，如圖3所示。

　　圖中將555接成一個多諧振蕩器，計數為16進制，當數到第8個脈沖時，Q端輸高電平。利用單片機的一個I/O口控制計數器清零端，只要每次清零的脈沖時間小于8個脈沖周期，Q端就保持低電平，當單片機異常時，計數器不能在8個脈沖內清零，則Q端輸出高電平，使單片機系統復位。

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五、 斷路器單片機系統的軟件抗干擾措施

1. 單片機中I/O電路刷新

　　在單片機結構中，I/O電路一般靠近管芯邊緣，外部的電磁噪聲容易對其邏輯電路產生影響，因此一方面在硬件上采取措施，如對I/O端口加電容進行濾波，另一方面在用戶程序中應定期對I/O中的寄存器進行刷新，以減少由于電磁干擾而產生的誤動作。

2. 采用數字濾波技術

　　來自傳感器的信號中常混雜各種頻率的干擾信號，在信號端采用RC低通濾波器可以抑制高頻干擾信號，但對低頻干擾信號的濾波效果較差，而數字濾波技術可以對來自電網的極低頻率的干擾信號進行濾波。數字濾波方法較多，以下僅用均方根法對輸入的電流和電壓數字信號進行處理分析。

　　均方根法是根據電工原理中連續周期交流信號的有效值的定義，將連續信號離散化，用數值積分代替連續積分，從而導出有效值與采樣值之間的關系。

有效值的計算公式

利用檢測電路對交流電流和交流電壓信號均勻采樣即將一個周期n等分，則采樣周期 △t=T/n

此時

　　這種算法應用于連續周期交流信號時，計算精度高，抗波形畸變能力強，可以連續采樣，減少單片機系統的誤動，提高系統的抗電磁干擾性。采樣流程見下圖。

3. 設置自診斷程序

　　為防止單片機系統RAM區的數據被電磁干擾所破壞，可在RAM區內設置檢驗標志，應用自診斷程序定期對這些標志進行檢驗，標志正常時則程序繼續執行，標志不正常時將程序導入初始化地址中，使系統復位。當然這種自診斷僅能對重點RAM內的數據進行診斷，也是一種最初級的自診斷方式。

六、 結論

　　隨著單片機技術在低壓電器領域的應用，智能型框架式斷路器的電磁兼容性應受到足夠的重視，從硬件和軟件兩方面來提高其電磁兼容性，根據斷路器特定的應用場所采取軟硬件有機結合的方法，來取得事半功倍的效果，切實保證低壓配電系統的安全可靠運行。