崔曉明

大慶油田設(shè)計(jì)院

硬件抗干擾技術(shù)用于超聲波流量計(jì)

崔曉明

大慶油田設(shè)計(jì)院

超聲波流量測(cè)量的準(zhǔn)確性很大程度上依賴(lài)于系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)的正確識(shí)別，然而超聲波流量計(jì)工作的環(huán)境通常比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信號(hào)的狀態(tài)以及RAM的讀寫(xiě)，還會(huì)影響程序計(jì)數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來(lái)降低干擾。

超聲波流量計(jì)；干抗；看門(mén)狗電路；信號(hào)

1 干擾的來(lái)源

在超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)中，造成干擾的干擾源有很多種，主要有:①流量計(jì)安裝環(huán)境中可能存在較大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾;②靠近水泵安裝時(shí)水泵帶來(lái)的接近超聲波信號(hào)的噪音；③電源的噪聲干擾，采用常用的電源濾波技術(shù)就可以消除其影響；④發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。發(fā)射信號(hào)功率較大，通過(guò)電路和聲路都可以耦合到接收電路上，如果管徑很小，換能器間距離很近，發(fā)生干擾的尾部就會(huì)波及接收波的波形，從而嚴(yán)重影響接收信號(hào)。

2 抗干擾的措施

（1）電源。在系統(tǒng)使用的各種直流電源(如+ 5V)的輸入端均跨接1個(gè)10～100μF的電解電容和1個(gè)0.01～0.1μF陶瓷濾波電容以抑制電源尖峰干擾，收發(fā)電路用兩套相互隔離的電源供電。

（2）接收范圍門(mén)。接收范圍門(mén)可以防止發(fā)射信號(hào)以及開(kāi)關(guān)動(dòng)作給接收信號(hào)帶來(lái)的干擾。

（3）自動(dòng)增益技術(shù)。自動(dòng)增益技術(shù)除了使信號(hào)便于測(cè)量外，還可以有效地抑制噪聲干擾。

（4）看門(mén)狗電路。程序在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_導(dǎo)致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán)”，此時(shí)最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門(mén)狗”電路。復(fù)位脈沖可使系統(tǒng)復(fù)位，程序重新啟動(dòng)運(yùn)行。例如采用X5045集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗功能。X5045的引腳功能如下：CS為片選信號(hào)；SO為串行輸出；SI為串行輸入；SCR為串行時(shí)鐘輸入；WP為EEPROM寫(xiě)保護(hù)輸入；RESET為復(fù)位信號(hào)輸出；Vss為地；Vcc為電源電壓。X5045使用三線總線串行（SPI）外設(shè)接口，對(duì)芯片進(jìn)行操作的所有操作碼、字節(jié)地址及寫(xiě)入的數(shù)據(jù)都由SI引腳輸入，寫(xiě)入數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘SCI的上升沿被鎖存；從芯片讀取的數(shù)據(jù)由SO引腳串行輸出。芯片的把關(guān)定時(shí)器和電壓監(jiān)視器都對(duì)單片機(jī)提供獨(dú)立的保護(hù)，當(dāng)電源電壓降到4.5 V以下時(shí)，RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生高電平復(fù)位信號(hào)，并一直保持到電源電壓恢復(fù)正常；當(dāng)系統(tǒng)上電或掉電時(shí)，RESET引腳也自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只要把關(guān)定時(shí)器達(dá)到其可編程的超時(shí)極限，RESET引腳立即自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)200ms的高電平復(fù)位信號(hào)。這樣，就可有效地防止死機(jī)、數(shù)據(jù)誤寫(xiě)及誤操作等故障的發(fā)生。

（5）合理的布線技術(shù)。模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線相對(duì)分開(kāi)，信號(hào)線與電源線分開(kāi)；PCB布線時(shí)，將公共地線與電源線盡量加寬，并使它們盡可能靠近需要供電的電路；減小電源線和地線的長(zhǎng)度，以減小兩者之間的公共阻抗，減小耦合干擾的產(chǎn)生；布線過(guò)程中避免回路有重復(fù)面積，以減小相互感應(yīng)。

（6）接地技術(shù)。數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，它們?cè)谝稽c(diǎn)相連，兩個(gè)探頭各自使用相互獨(dú)立的地線，減小地線干擾耦合，儀表及探頭外殼接地。

（7）屏蔽技術(shù)。運(yùn)用屏蔽技術(shù)可以隔離通過(guò)空間耦合的電磁干擾，采取的措施是用金屬機(jī)殼將測(cè)量電路封裝起來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

超聲波流量測(cè)量的準(zhǔn)確性很大程度上依賴(lài)于系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)的正確識(shí)別，然而超聲波流量計(jì)工作的環(huán)境通常比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信號(hào)的狀態(tài)以及RAM的讀寫(xiě)，還會(huì)影響程序計(jì)數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來(lái)降低干擾。

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.054