張平川，王新娜

(1．河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)　453003；2．漯河市無線智能控制工程技術(shù)研究中心，河南漯河　462002；3．漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系 河南漯河　462002)

0　引言

隨著智能電表技術(shù)的發(fā)展，無線智能電表因其無線傳輸數(shù)據(jù)等優(yōu)勢越來越得到重視。其主要功能單元包含了GSM/GPRS/Zigbee等射頻模塊以及開關(guān)電源、工頻電路、高速數(shù)字信號通信接口和各類單片機、DSP、SOC的嵌入式系統(tǒng)等[1-8]。其運行環(huán)境中，工頻干擾、靜電干擾、開關(guān)電源干擾、射頻輻射干擾、傳導(dǎo)耦合干擾、數(shù)字信號的諧波干擾等相互交織，影響著智能電表嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量、通信數(shù)據(jù)的完整性和計量精度[8-10]。在此情況下，深入分析智能電表中的電磁干擾，針對不同模塊的信號特征，在設(shè)計實現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)上采取合理的電磁兼容措施，改善測試精度及數(shù)據(jù)的完整性具有重要意義。

1　典型無線智能電表方案及其電磁干擾分析

1．1無線智能電表的典型方案

無線智能電表的一個典型方案框圖如圖1所示。圖1的方案中，控制內(nèi)核采用DSP+MCU的雙核嵌入式系統(tǒng)CC2530結(jié)構(gòu)。

圖1　典型無線智能電表方框圖

該芯片內(nèi)嵌有增強型的雙核，一個是負責控制的8051MCU，另一個是專門DSP運算的AESl28協(xié)處理器，存儲器包括256 KB Flash ROM、8 KB RAM、8路的12位ADC、USART接口和 21個可編程的I/O口，內(nèi)嵌1個2．4 GHz的射頻收發(fā)模塊，符合IEEE 802．15．4協(xié)議且其輸出功率可在-22～3 dBm間調(diào)節(jié)；具有強大的DMA功能和數(shù)字化的RSSI/LQI支持，1個符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計時器，可硬件支持遠程網(wǎng)絡(luò)CSMA/CA功能，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器，CC2530的電源電壓范圍為2．0～3．6 V，適應(yīng)不同的解決方案。

系統(tǒng)可進行手持終端抄表、RS-485遠程抄表、藍牙或Zigbee無線抄表等。

1．2系統(tǒng)主要電磁干擾EMI及其特征

電磁干擾EMI一般由電子設(shè)備內(nèi)部電壓電流的快速變化而產(chǎn)生，這些干擾可以以電流的形式沿載流導(dǎo)體(電源線、PCB銅箔、電纜)傳播形成傳導(dǎo)干擾，或以電磁波的形式通過空間傳播形成輻射干擾。無線智能電表系統(tǒng)中的輸入工頻電源線、開關(guān)電源、無線模塊等是主要的干擾源[8，10]。采用安捷倫頻譜儀測試到的智能電表干擾波形如圖2所示。

圖2　無線智能電表中的干擾波形

1．2．1開關(guān)電源中的干擾

工頻電源中，會通過電力線傳入大量傳導(dǎo)類電磁干擾(EMI)噪聲進入開關(guān)電源系統(tǒng)，根據(jù)傳導(dǎo)噪聲電流流經(jīng)途徑不同，可將噪聲分為共模噪聲(uCM)和差模噪聲(uDM)。

(1)差模(或串模)干擾是存在于任2條供電線或輸出線之間的RF噪聲分量。在離線開關(guān)電源中，這通常是交流供電線的火線和中線或輸出線的正極和負極2條線之間的干擾，干擾電壓與供電線輸入或輸出電壓串聯(lián)而起作用。

(2)共模干擾是存在于任何或全部供電線或輸出線與公共地平面(機殼、箱或接地返回線)之間的射頻噪聲分量的干擾。

uDM=uL-uN

(1)

(2)

式中：uL、uN分別為電源L線、N線上的噪聲電壓。

另外，常用的反激式變換器中，由于開關(guān)管工作頻率較高，存在著較強的輻射干擾(包括電磁干擾和電場干擾)，其強弱與回路電流I、電流回路所包圍的面積S及電流流動頻率f的平方三者之間的乘積成正比。開關(guān)頻率的提高，電路中的di/dt、du/dt增大，導(dǎo)致電磁干擾EMI增大。且開關(guān)電源一般有3個高di/dt的回路，一是電源輸入端的直流濾波電容器、開關(guān)脈沖變壓器初級繞組和開關(guān)管構(gòu)成的初級回路；另一路是輸出整流二極管、輸出濾波電容器、開關(guān)脈沖變壓器次級繞組構(gòu)成的次級回路。

1．2．2無線模塊中的射頻干擾

無線傳輸是智能電表性能的新進展，由于無線傳輸頻率一般在30 MHz以上，會產(chǎn)生射頻電場干擾，并通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合的形式產(chǎn)生作用[11]。輻射干擾的基本途徑如圖3所示。

圖3　輻射干擾的基本途徑

高頻電路的輻射以及射頻單元的發(fā)射，對電路產(chǎn)生電磁波感應(yīng)噪聲或者使非線性元件產(chǎn)生低頻成分的噪聲。

2　無線智能電表的EMC設(shè)計

科學(xué)合理的設(shè)計可以有效減小EMI的影響，保證智能電表計量數(shù)據(jù)的精度及通信信號的完整性。根據(jù)無線智能電表EMI的主要來源，著重從以下幾個方面進行EMC設(shè)計。設(shè)計綜合采用的硬件與軟件相結(jié)合的抗干擾方案，其中硬件技術(shù)有濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、去耦技術(shù)和接地技術(shù)等；相應(yīng)的軟件技術(shù)有中值濾波及看門狗等[8，12]。

2．1開關(guān)電源EMC

特別需注意的是電感和變壓器的磁路要閉合。例如，用環(huán)形或無縫磁芯，環(huán)形鐵粉芯適合于存儲磁能的場合，若在磁環(huán)上開縫，則需一個完全短路環(huán)來減小寄生泄漏磁場。

初級開關(guān)噪聲會通過隔離變壓器的線圈匝間電容傳到次級，在次級引發(fā)難以濾除的共模噪聲電流，而且由于流過路徑較長，繼而引起發(fā)射現(xiàn)象。為此，將次級地用小電容連接到初級電源線上，為這些共模電流提供一條返回通道，但要注意安全，不能超出安全標準要求的泄漏地電流總和，這個電容也有利于次級濾波器更好地工作。

線圈匝間屏蔽(隔離變壓器內(nèi))可以更有效地抑制次級上感應(yīng)的初級開關(guān)噪聲。靠近初級線圈的屏蔽通常連到一次電源線上，靠近次級線圈的屏蔽經(jīng)常連到公共輸出地，中間屏蔽體一般連到機殼。在樣機階段最好反復(fù)實驗以找到線圈匝間屏蔽的最好的連接方式。

濾波可以有效地消除傳導(dǎo)電磁型干擾，防止電磁干擾通過載流導(dǎo)體傳播。采用濾波方法不僅可以防止外來的傳導(dǎo)電磁干擾通過載流導(dǎo)體進入某一工作區(qū)域，還可以限制傳導(dǎo)型電磁干擾通過載流導(dǎo)體越出某特定區(qū)域。

對開關(guān)電源采取以下措施，可以進一步改善開關(guān)電源的EMI技術(shù)性能指標。

(1)對開關(guān)電源的工頻市電進入一側(cè)增加一級線路濾波電感線圈。

(2)采用對地分布電容小的功率MOSFET開關(guān)管。

(3)對開關(guān)電源中有源功率因數(shù)校正升電壓整流二極管采用軟恢復(fù)特性的二極管，并在二極管的引腳上串接鐵氧體磁珠。在電源輸出電壓引線及濾波電容的引線上再串接1個鐵氧體磁珠。

(4)在功率MOSFET開關(guān)管的源-漏極之間加裝RC吸收電路，并且在電阻、電容的引腳上串接小鐵氧體磁珠，這些小鐵氧體磁珠可以在RC吸收電路的電容充電過程中，在電流的峰值期間吸收有關(guān)高頻能量。

在電纜上纏繞或套用鐵氧體磁環(huán)也能起到一定的濾波吸收效果。電源線濾波和信號線濾波在電磁兼容設(shè)計中也非常重要。一般采用高頻濾波效果好、安裝簡單的濾波連接器。在設(shè)計或使用信號線濾波器時，濾波器的截止頻率應(yīng)高于電纜上要傳輸?shù)男盘栴l率。

濾波器的設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：

(1)傳導(dǎo)干擾處理的方法主要是采用低通濾波，在1 MHz以上時，傳導(dǎo)輻射問題通常是由輻射發(fā)射的耦合而引起的，應(yīng)綜合運用抑制傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的技術(shù)措施，如屏蔽、去耦和濾波。

(2)濾波電路的衰減性能與輻射源和負載的阻抗有很大關(guān)系，濾波電路的阻抗失配越大，濾波器電磁干擾的衰減效果越好。大多數(shù)情況下，電源輸入表現(xiàn)為低阻抗，電源濾波器的輸入端應(yīng)為高阻抗。

(3)加共模與差模干擾抑制電容和加共模與差模干擾抑制電感線圈，調(diào)整共模與差模干擾抑制電容參數(shù)和共模與差模干擾抑制電感線圈的參數(shù)可以調(diào)節(jié)其共模和差模干擾抑制特性。濾波器的泄漏電流是指相線和中線與外殼地之間流過的電流。事實上，濾波器的泄漏電流主要取決于連接在相線與地和中線與地之間的共模電容。共模電容的容量越大，共模阻抗越小，共模干擾抑制效果越好，而濾波器的泄漏電流越大，但是安全標準規(guī)定泄漏電流不能過大。

(4)電源濾波器的安裝位置應(yīng)靠近電源線的入口位置，電源濾波器如果能做成和接口一體化更好。對于金屬屏蔽機箱，選用獨立電源屏蔽濾波器；安裝在電源線入口處。并確保濾波器外殼與設(shè)備機箱(地)有良好的電接觸，這樣的濾波效果最好。例如，在開關(guān)電源的交流供電輸入回路做一些修改，可以改善開關(guān)電源的EMI特性。

2．2設(shè)計印制電路板PCB的關(guān)鍵

PCB是各類干擾的匯聚場所，必須精心設(shè)計無線智能電表的PCB，其關(guān)鍵原則有[13-14]：

(1)使用小型化器件和多層印制電路板，多層印制電路板可以緊縮布線空間，高頻特性好，容易實現(xiàn)EMC設(shè)計。在多層電路板中，應(yīng)把電源面和地平面分開。減少電路輻射干擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之一就是減小高頻干擾源的電流頻率，即減小干擾電磁波的頻率。環(huán)路電流頻率越高，引起的EMC輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率的平方成正比增大。

(2)盡量減小高速信號線及時鐘信號線所構(gòu)成PCB的環(huán)路面積，連線要盡可能短，并使信號線緊鄰地回路。在高、中、低速邏輯電路同時應(yīng)用時，高速電路應(yīng)設(shè)計在電路板的入口處。信號線和信號回路線應(yīng)盡可能接近。圓弧布線，不畫突變的電路布線。高速輸入/輸出信號線應(yīng)注意電路阻抗匹配，以減小和消除信號反射。濾波器的輸入/輸出線應(yīng)拉開距離，不要平行走線，以免影響濾波效果。

(3)PCB分層原理與布置印制電路、布置排線的原理一樣，元件面下面為地平面，關(guān)鍵電源平面與其對應(yīng)的地平面相鄰，相鄰層的關(guān)鍵信號不跨區(qū)，所有的信號層特別是高速信號層、時鐘信號層應(yīng)與地平面相鄰，盡量避免兩信號層相鄰。PCB層數(shù)的選擇應(yīng)考慮到關(guān)鍵信號的屏蔽和隔離要求，應(yīng)先確定所需印制電路板層數(shù)，然后在考慮印制電路板成本的前提下，增加地平面和電源層是PCB的EMC設(shè)計最好的措施之一。

(4)PCB布線設(shè)計時順序考慮。電源和地/時鐘線/信號線的布線應(yīng)該短、直、粗、均勻，布線不要有直角和突變，不應(yīng)有“之”字形，用圓角代替尖銳走線，盡可能加寬電源線和地線的布線。使用較大的地平面以減小地線阻抗，電源線和地線應(yīng)相互接近，模擬電路和數(shù)字電路的布線應(yīng)分開布線，功率電路布線和控制電路的布線應(yīng)分開。

(5)個別電源層、地層不能作為一個連續(xù)的平面時，采用多網(wǎng)孔連接形成地格蜂窩網(wǎng)，有效減小電流環(huán)路面積，減小公共阻抗，加大信號層與地層之間的分布電容。

(6)流經(jīng)電感的高頻信號電流應(yīng)采用最小路徑。當頻率較高時，一般引線電抗大于電阻，引線的高頻信號就是電感，串聯(lián)電感會引起電磁輻射。電磁輻射大多是由于被測設(shè)備上的高頻電流環(huán)路產(chǎn)生的，最惡劣的情況就是開路天線形式。對應(yīng)處理方法就是減少、減短引線長度，減小高頻電流回路面積，盡量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續(xù)的布線或有天線效應(yīng)的元器件過長的插腳等。為避免地線長度過長(接近γ/4)，可以采用多點就近接地的布線方法，接地線的高頻阻抗要小。減少輻射干擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要方法之一，就是盡量減小高頻電流環(huán)路面積S．布線應(yīng)以減小電纜的天線效應(yīng)及減小偶極子天線效應(yīng)為原則，跨線、輸入/輸出信號線布線采用屏蔽性能好的線纜，內(nèi)導(dǎo)線采用多股雙絞線，可以使空間場相互抵消，屏蔽層可作為地線。

(7)集成電路芯片之間使用低阻抗地連接(地平面)，不同集成電路芯片的供電引腳之間的阻抗應(yīng)盡量小，集成電路芯片的供電引腳與地之間應(yīng)加接高頻旁路電容。

(8)走線盡可能遠離干擾源，布線考慮鐵氧體材料的使用，預(yù)留磁珠和貼片濾波器的位置，以備按需加減。信號輸入電路加RC去耦濾波電路，消除由于長線而引入的信號傳輸干擾。

2．3電路的隔離

在開關(guān)電源中，通過隔離元器件可以把噪聲干擾的傳播路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的目的。電路的隔離主要有數(shù)字電路的隔離、模擬電路的隔離、數(shù)模之間的隔離。對開關(guān)電源的模擬部分的隔離，一般采用線性隔離器(如光電耦合器)隔離直流信號，一般可采用變壓器隔離交流信號，可采用光電耦合器或脈沖變壓器隔離數(shù)字電路及數(shù)據(jù)通信數(shù)字量輸入/輸出。

2．4射頻等干擾的屏蔽

屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾(即輻射電磁干擾)。采用屏蔽的目的有2個：限制輻射電磁能量越出某一區(qū)域；防止外來的輻射電磁能量進入某一區(qū)域。屏蔽按工作機理可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。在進行屏蔽體的設(shè)計時，主要遵循以下原則：

(1)首先確定電磁環(huán)境，包括電磁場的類型、強度、頻率及屏蔽體至輻射源的距離等因素。

(2)根據(jù)電磁屏蔽的要求及電磁場的性質(zhì)，適當選擇電磁屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和厚度。

(3)確定接收機的敏感度及對屏蔽的要求。

(4)在確定電磁屏蔽材料后即可進行電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對電場屏蔽主要選擇高電導(dǎo)率材料(如銅)；而對磁場屏蔽，特別是低頻磁場屏蔽，主要選擇厚度適當?shù)母叽艑?dǎo)率材料，以滿足電磁屏蔽的有關(guān)要求。

(5)當屏蔽室需要透明時，可采用金屬網(wǎng)屏蔽，金屬網(wǎng)屏蔽的效果比金屬實屏蔽體差，一般不采用雙層金屬網(wǎng)屏蔽。

(6)如果單層電磁屏蔽不能滿足屏蔽要求，可以采用雙層以上的電磁屏蔽，以獲得更好的屏蔽效果。

2．5軟件EMC技術(shù)

使用軟件抗干擾技術(shù)也是抑制干擾的有效方法。其中，在單片機程序上加入中值濾波程序等。中值濾波的基本步驟是：把數(shù)據(jù)序列中某點的值，用該點相鄰點數(shù)值的中值來替代相應(yīng)數(shù)據(jù)序列，先把其按大小排列為xi1≤xi2≤…≤xin，則該序列的中值y為：

(3)

式中，如果把一個點的數(shù)值鄰域作為窗口，在一維情況下，中值濾波器是一個含有奇數(shù)個數(shù)據(jù)的滑動窗口。

另外，軟件抗干擾還可以采用當程序運行混亂時使程序重入正常的方法。

2．5．1指令冗余

當CPU受干擾出現(xiàn)錯誤時，程序便離開正常執(zhí)行順序而“亂飛”到某錯誤的地址執(zhí)行指令。為此，通常是在多字節(jié)指令(如2字節(jié)或3字節(jié)指令)后插入若干個NOP指令。由此可避免后續(xù)的指令被當成操作數(shù)的差錯，使程序自動進入正常順序。此外，對程序流向起重要作用的指令(如中斷返回RETI、長調(diào)用LCALL、長跳轉(zhuǎn)LJMP等指令)前面設(shè)計2條空操作指令，也可防止程序亂飛，確保這些重要指令的執(zhí)行。

2．5．2攔截技術(shù)

所謂攔截，即指將偏離正常執(zhí)行順序的程序引向指定位置。進行“跑飛”處理時，可設(shè)置軟件陷阱(用來將程序復(fù)位到入口地址0000H)來阻止程序“亂飛”。因此，先要設(shè)計好攔截陷阱程序指令，其次要將陷阱設(shè)置在恰當?shù)某绦蚨?，以便將程序引向正常入口地址，然后再處理查錯。軟件陷阱通常在ROM中非程序區(qū)段加入以下指令來實現(xiàn)：

NOP；空操作

NOP；空操作

LJMP 0000H；長跳轉(zhuǎn)到入口地址0000H

2．5．3軟件“watchdog看門狗”技術(shù)

當程序“跑飛”到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中時，軟件陷阱也就無能為力了，這時系統(tǒng)將完全失效，這時可以使用軟件看門狗技術(shù)。軟件“看門狗”是一個定時程序，工作時，看門狗定時器的工作周期略大于CPU主程序一個正常循環(huán)運行的時間，而在主程序運行過程中，需要對定時器復(fù)位，也就是執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新。這樣，當程序亂飛時，將不能正常定時刷新定時器而導(dǎo)致定時中斷，利用這個定時器中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自動復(fù)位。

3　系統(tǒng)試驗

驗證EMC效果的試驗系統(tǒng)如圖4所示，試驗結(jié)果見表1。

圖4　試驗系統(tǒng)框圖

主要試驗條件有：6．5 kV沖擊1/20 μs脈寬電壓；4 kV 1/20 μs脈沖開路電壓/短路電流；6 kV持續(xù)30 s下快速瞬時多脈沖實驗；8 kV靜電10次(每次間隔60 s)下均無無擊穿、飛弧現(xiàn)象；2．4 GHz射頻通信下數(shù)據(jù)誤碼率正常。電流大小選擇值依次分別為0．1Ib、0．5Ib、Ib、Imax．

表1　智能電表參數(shù)測試相對誤差

注：Ib為測試標準電流，一 般為15 A

從表1中可以看出各個參數(shù)的最大誤差值。說明了所設(shè)計的電表準確度等級完全達到0．2級精度，滿足了DL/T645—1997、GB/T17215—1998、DL/T614—1997標準要求。

4　結(jié)束語

綜合考慮了無線智能電表中的EMI，對其來自開關(guān)電源、射頻單元及PCB布局等環(huán)節(jié)的主要干擾，采取了綜合性的EMC設(shè)計技術(shù)，主要包括濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、看門狗技術(shù)、隔離技術(shù)以及中值濾波算法等。系統(tǒng)經(jīng)過高電壓脈沖干擾等多參數(shù)實際測試，在實驗條件下沒有擊穿與飛弧現(xiàn)象，有效降低了EMI影響，系統(tǒng)精度達到了0．2級的DL/T645-1997、GB/T17215-1998、DL/T614-1997標準，有利于無線智能的快速普及推廣，對具有復(fù)雜電磁環(huán)境的智能儀器開發(fā)具有重要意義。

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