电子清纱器智能化中的抗干扰设计 - 工业/测控 - 电子工程

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<strong>引言</strong>

传统的电子清纱器，不管是光电型的还是电容型的，在纱线信号被采集过来后，后端的清纱处理控制部分的电路都是通过模拟信号来完成的。因此存在以下缺点：器件老化引起的参数变化导致误切率上升；参数设置复杂，不直观；无法实现数据统计等高级功能。为此，对现有的传统电子清纱器进行了智能化改造，取得了较好的效果。

为了实现数据采集，系统采用RS-485总线技术，实现了主从式通信。

<strong>1 系统结构框图</strong>

系统采用主从式多机通信系统，主机负责参数的设定、数据的统计和系统的运行监控。8个下位机每个负责15个纱锭数据的采集，并接收上位机设定的参数和上传生产数据。系统结构图如图1所示。


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<strong>2 主机系统</strong>

主机系统采用LCM240×320大屏幕液晶显示，能提供足够的显示信息：实时时间、设定参数、统计数据等。通过键盘可以设定生产参数，并可查询生产数据。系统配有实时时钟，以显示当前时间，并为生产时间提供依据。为便于工人上下班交接时核对产量，主机系统还提供了数据打印功能，能够打印当班工人的该班产量。为保存生产数据，系统扩展了数据存储器。由于系统采用RS一485主从通信方式，因此，主机系统用MAXl480E实现了RS一485协议的串口通信。主机系统框图如图2所示。


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<strong>3 从机系统</strong>

从机系统主要采集生产中的车速、走纱信号。车速信息用于实现产量的统计。系统根据走纱信息来判断正常生产中是否存在不符合设定标准的疵点纱线，并通过输出切刀信号完成对疵点纱线的切除，以保证产品的质量。从机系统同样采用MAXl480E实现了RS一485协议的串口通信。从机系统框图如图3所示。


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<strong>4 抗干扰措施</strong>

纺织工业的生产环境恶劣。为了增强系统的可靠性，通过软硬件的方法对现场的干扰进行了有效的抑制和处理。

4．1 硬件抗干扰措施

纺织工业生产环境中，供电系统和空间电磁以及静电干扰都很严重，因此在系统规划初期，就选用了具有良好抗干扰能力的工业级板卡和芯片。内建终端电阻保证了数据的完整性，具有光电隔离(2 kV)和浪涌保护(25 kVESD)功能，为系统在恶劣的工业环境下运行提供了可靠保证；从机通信驱动芯片选用有完全绝缘接口的MAXl480E，这对于传输总线上的高压尖峰信号和可能受到的静电冲击(纺织车间这种干扰很严重)具有很好的抑制作用；为防止干扰引起从机死循环，采用看门狗复位电路，使从机程序恢复正常运行；通信线缆选用屏蔽双绞线缆，以上选用的硬件有效地抑制了系统中输入信号和现场电磁的干扰。

4．2 软件抗干扰措施

任何系统采用了硬件抗干扰措施后，并不能保证系统的万无一失，而必须采用硬件抗干扰和软件抗干扰相结合的方法。

(1)液晶抗干扰设计

在实际使用中，由于液晶屏是CMOS器件系统，容易受到外界的干扰而造成花点、花屏甚至死机的现象，而此时单片机却没有死，从而影响系统的正常运行。我们主要通过以下几个方面的设计来防止这种现象的发生：

首先，对于花点现象，通过观察发现，干扰点通常都在最后一次写液晶数据的位置后面，其原因是写完液晶数据后，光标寄存器自动加1指向下一个位置，此时若受到干扰，就会在这个位置上出现花点。根据这个原因，设计液晶程序时每写完一个正常显示数据，就将液晶光标指向屏幕看不到的数据区，这时即使有干扰数据，干扰点也不会出现在显示界面上，这样就大大减少了在显示屏幕上产生干扰花点的几率。

其次，对于花屏现象，观察发现此时液晶并没有死机，但是它的显示参数由于写控制字时受干扰被修改了。因此，在程序设计中每次刷新屏幕数据时，都重新设定显示参数。这样，即使液晶受干扰花屏，系统也会在较短的时间内重新纠正，从而保证系统的正常运行。

最后，对于液晶死机现象，系统就必须对它进行复位，设计中将液晶的复位引脚连到单片机的I／O口上。通过I／O口的操作对它复位，但问题的关键是如何知道液晶死机了。对于这个问题，我们在程序设计中安排对液晶的周期性监测，具体就是对液晶写个特殊数据然后读这个数据。如果正确，表明系统运行正常；否则，便认为液晶死机了。为保证不至于受干扰而误复位，程序设计中只有监测到连续10次读写错误时才认为液晶确实死机了。

具体实现程序如下：


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(2)可编程芯片的抗干扰设计

系统中如果设计有可编程芯片，则这类芯片也容易受到干扰而被复位，但通常这类芯片复位后都需要初始化才能正常工作。因此，一旦这类芯片受到干扰复位后，就无法进行正常的工作了，而单片机却不会因此死机，所以同样会影响系统的正常运行。

在实际运用中，可编程芯片的复位不直接与系统复位连接，而由单片机的I／0口操作。系统正常运行时周期性地监测芯片的固定输出口，如果发现输出口不是实际要求的信号，就对芯片复位并初始化。例如，8255正常工作时让PB口的一个口线输出低电平，一旦芯片受干扰复位，该口线就会为高。根据这一变化就可以判断8255是否工作正常。

具体实现程序如下：


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(3)通信抗干扰设计

现场的干扰将会直接影响从机的运行状况，为了使这种干扰的影响减少，针对从机USART 8251芯片不具备地址帧和数据帧区分的现状，制定了较为完备的通信协议。数据包中含有的帧头／帧尾、数据流向标志、从机地址、双帧长和校验字等信息，为主从机准确判断数据包的完整性和正确性提供了可靠保证。

(4)RAM数据抗干扰设计

为了保护从机系统中的有效数据，在单片机系统中对片外RAM和外部扩展芯片(如8255、8279等)的地址做了统一规划。片外RAM单元采用 16位地址，同时用P2．7做片外RAM的片选信号，而外部扩展芯片则采用8位地址。这样，在程序中对外部扩展芯片操作时，就可以利用对P2．7的控制，有效地保护RAM中的重要数据。

<strong>结语</strong>

工业现代化的发展，对生产过程的自动控制、信息整合提出了更高的要求。基于现场总线的电子清纱器监控系统在设计结构上，以RS一485物理协议为基础，针对特殊现场设备自定通信协议，构建了一个基于现场总线技术的数字通信网络，将各类分散的现场设备有机结合，实现了资源共享；同时提出的该现场总线系统软件编写的参考模型，使该系统实现了多类协议共存，构建了一个开放的、标准总线与非标准多现场总线共存的系统，从此整个车间范围内的信息沟通了起来，为车间更好地进行生产、质量管理以及人员、设备管理提供了条件。另外，由于采用现场总线技术，使现场设备具有数字通信功能，所有现场设备都可以方便地挂接在两条串行通信线上，大大节约了资金，提高了可靠性，且具有良好的开放性。

经过反复实验调试，目前该系统已投入现场实际使用，系统运行稳定，抗干扰效果好。该系统不仅适用于纺织工业中的电子清纱控制，也适用于各类大面积单机生产的信息化管理。因此，基于现场总线的电子清纱器网络监控系统的设计思路及软硬件抗干扰措施对于其他各类单机现场设备的设计都有广泛的适用性，同时对于多现场总线共存的系统监控软件的编写也具有一定的参考价值。

<strong>参考文献</strong>

1. 夏继强 单片机实验与实践教程 2001
2. 何立民 单片机高级教程 2001
3. 汪德彪 MCS- 51单片机原理及技口技术 2005
4. 邵贝贝 单片机系统可靠性技术及发展 1998(8)
5. 蒋萌辉 基于单片机测控系统抗干扰的硬件设计 [期刊论文] -微计算机信息(测控仪表自动化)2004(2)

作者：江阴职业技术学院 包军卫
来源：单片机与嵌入式系统应用 2009 (3)