摘 要：針對微機(jī)控制埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾問題進(jìn)行了研究設(shè)計.系統(tǒng)分析了可能影響焊機(jī)正常工作的各種干擾產(chǎn)生的原因，并在電路設(shè)計中采取了相應(yīng)的措施.其中硬件措施有屏蔽技術(shù)、去耦技術(shù)、濾波技術(shù)、隔離技術(shù)及接地技術(shù)等;軟件措施有看門狗、冗余指令和數(shù)字濾波等.實踐證明這些措施解決了控制系統(tǒng)的干擾問題. 關(guān)鍵詞：埋弧焊機(jī); 控制系統(tǒng); 屏蔽技術(shù); 數(shù)字濾波 Abstract：The anti—interference technique for arc-submerging welder controlled by microcomputer is developed. The possible origins of abnormal operation of welding are analyzed. On the basis of analysis some measures are taken in the circuit design. The hardwares include shield，decoupling，filter，isolation，and grounding.Software include watchdog，redundant instruction，and digital filtering.Testing results show that these measures can solve the problem of interference which influences the control system. Keywords：arc-submerging welder, control system, shield, digital filtering 引言 　　埋弧焊在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，它具有生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量高、勞動條件相對較好等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的埋弧焊電源不僅耗電大、耗材多而且送絲電路復(fù)雜。這與當(dāng)前微電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)發(fā)展水平很不協(xié)調(diào)。 　　逆變電源具有體積小、重量輕、耗電小、效率高等特點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新的高壓大容量、集成化、全控化、高頻化、多功能及智能化功率模塊器件的出現(xiàn)，為逆變電源的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。采用單片機(jī)控制的弧焊逆變電源，利用其良好的動特性和焊接工藝性能將更有利于控制整個弧焊過程，提高焊接質(zhì)量。焊機(jī)的控制電路采用INTEL16位單片機(jī)（8OC196KC）進(jìn)行控制，控制電路要完成數(shù)據(jù)采集、程序控制和電源外特性控制等功能，因此，單片機(jī)的可靠工作無疑是整個焊機(jī)可靠工作的關(guān)鍵因素之一。為了最大限度地減小各種干擾帶來的不良影響，除了精心挑選集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小的元器件和精密調(diào)整元部件外，還必須從硬件和軟件兩個方面有針對性地采取的一些具體的抗干擾措施，系統(tǒng)才能保證穩(wěn)定可靠的運行。 1 干擾的來源 　　干擾源,是產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號。單片機(jī)系統(tǒng)的干擾源主要有電子元器件自身的熱噪聲,電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾,大功率設(shè)備對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響,大功率廣播、電視、通訊等設(shè)備所發(fā)出的電磁波,系統(tǒng)自身電路的過渡過程,印制板電路設(shè)計布局不合理等等。 　　干擾可以沿各種線路侵入單片機(jī)系統(tǒng)。工業(yè)環(huán)境中的干擾一般以脈沖形式進(jìn)入系統(tǒng),渠道主要有三條:一是空間干擾（磁場干擾） ,電磁信號通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng);二是過程通道干擾,干擾通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其它系統(tǒng)的相互通道進(jìn)入;三是供電系統(tǒng)干擾,電磁信號通過供電線路進(jìn)入系統(tǒng) 。 2 硬件抗干擾技術(shù) 　　硬件抗干擾設(shè)計是設(shè)計系統(tǒng)時首選的抗干擾設(shè)計方案，它能有效地抑制干擾源，阻斷干擾傳播途徑.合理地布置與選擇有關(guān)參數(shù)，能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾. 　　2.1 主機(jī)單元配置抗干擾 　　單片機(jī)系統(tǒng)本身最容易受到干擾的部分包括復(fù)位電路和時鐘電路.通常的復(fù)位電路采用RC復(fù)位電路，見圖1a.這種方法所提供的復(fù)位時間不到5Oms.若再加大復(fù)位電容，會使監(jiān)視定時器WDT （WATCHDOG TIMER）產(chǎn)生的復(fù)位信號難以起作用。本系統(tǒng)采用的是MAX705監(jiān)控芯片，它可以輸出寬度高達(dá)200ms的低電平復(fù)位脈沖，足以保證80C196KC的可靠復(fù)位，另外，它還有電壓監(jiān)測及看門狗的功能.為了避免出現(xiàn)雜散電荷迫使RESET為錯誤狀態(tài)的情況，在RESET腳連接一個下拉電阻，這樣可以吸收雜散電荷并保持復(fù)位信號為低電平.另外，為了避免因為干擾使電源電壓上產(chǎn)生毛刺而引起的頻繁復(fù)位，在單片機(jī)、數(shù)字IC和監(jiān)控器的電源引腳與地之間各接一個0.1 μF的瓷片電容.使用MAX705的復(fù)位電路如圖1b所示. [align=center] 圖1 單片機(jī)復(fù)位電路[/align] 　　時鐘電路產(chǎn)生CPU 的工作時序脈沖，是CPU正常工作的關(guān)鍵部件.很多干擾歸根到底是破壞了時鐘的正常運行，從而導(dǎo)致CPU 的工作失控.圖2表明時鐘信號中疊加噪聲干擾后，會改變時鐘分頻信號，導(dǎo)致CPU工作時序發(fā)生紊亂.本系統(tǒng)采用的是12MHz的晶體振蕩器，單片機(jī)產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是其時鐘頻率的3倍。 [align=center] 圖2 噪聲對時鐘信號的干擾[/align] 　　為了避免因時鐘電路引起的干擾，本系統(tǒng)在PCB布線時采取了以下抗干擾措施： 　?。?） 時鐘脈沖電路配置在靠近單片機(jī)80C196KC處，采用粗而短的引線. 　　（2） 振蕩電路用地線包圍起來，晶體外殼接地. 　　（3） 晶振電路的電容器采用性能穩(wěn)定、容量值準(zhǔn)確的電容，并且遠(yuǎn)離發(fā)熱元件. 　?。?） 印刷板上的大電流信號線、電源變壓器遠(yuǎn)離晶振信號的連線. 　　2.2 電源抗干擾 　　在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中，危害最嚴(yán)重的干擾來自電源噪聲， 電源內(nèi)阻是引起電源干擾噪聲的主要原因。如果沒有這種內(nèi)阻，任何干擾噪聲都會被電源短路，在線路中不會造成任何干擾電壓。但事實上，電源內(nèi)阻不可能不存在。因為電源噪聲主要來自一些大功率設(shè)備的使用以及電源本身配置的不合理性。 　　單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的電源干擾主要是由于過電壓、欠電壓或尖峰電壓的出現(xiàn)引起的。過電壓和欠電壓的危害是顯而易見的，它會使系統(tǒng)的直流供電電壓偏離允許范圍，而處于非正常丁作狀態(tài)。對于尖峰電壓，由于它持續(xù)時間很短一般不會損壞系統(tǒng)，但對單片機(jī)正常運行破壞很大，它會使邏輯功能紊亂，甚至破壞源程序，解決以上問題的方法就是使用具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器和穩(wěn)壓器。 　　2.3 電磁干擾 　　焊機(jī)中的高頻變壓器工作在20kHz的頻率下，其漏磁是一個很大的干擾源.另外，高頻電流還會在周圍產(chǎn)生電力線和磁力線并發(fā)生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波.本系統(tǒng)中采取了屏蔽與雙絞線傳輸兩種措施.首先用金屬屏蔽體將整個焊機(jī)隔離成幾個不同的區(qū)域，單片機(jī)控制系統(tǒng)單獨放在一個區(qū)域，變壓器和功率開關(guān)管等有強(qiáng)烈電場、磁場以及電磁場干擾的部分放在另外一個區(qū)域，利用其周圍屏蔽體阻斷空間場的耦合.另外，用鐵板包在變壓器的側(cè)面，為漏磁提供回路，也可用非導(dǎo)磁材料比如鋁板隔斷漏磁.雙絞線有很強(qiáng)的抑制電磁感應(yīng)干擾的能力，系統(tǒng)采用雙絞線與光耦配合完成主控制板與送絲電路板之間的傳輸。 　　2.4 隔離與接地 　　焊機(jī)中既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分。使兩者之間既要保持控制信號的聯(lián)系，又要隔絕電氣方而的聯(lián)系，即實行弱電和強(qiáng)電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、設(shè)備操作人員安全的重要措施。系統(tǒng)采用光電耦合器和繼電器兩種隔離方式。系統(tǒng)中所有的模擬與數(shù)字輸入、輸出通道都普遍采用光耦進(jìn)行隔離：弱電與強(qiáng)電之間的功率接口則采用繼電器進(jìn)行隔離;有些部分還同時采用了光耦和繼電器隔離。從而避免了它們之間的直接接觸，降低了其危害程度。除了隔離之外，接地技術(shù)也是抑制噪聲的重要手段。良好的接地可以在很大程度f 抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采取了以下做法： 　?。?）在印刷電路板上，將數(shù)字地與模擬地分開走線，最后在電源端與地線相連。 　?。?）模擬信號線避免商角走線。另外，地線盡量加粗、加寬，并形成環(huán)路。印刷電路板電源引線采用一點接地。 　?。?）將控制系統(tǒng)的數(shù)字地和模擬地浮空，而焊機(jī)以及控制電源的外殼采用屏蔽接地，這樣可以有效防止靜電和電磁感應(yīng)干擾。此外，在所沒計的硬件抗干擾系統(tǒng)中還包括其他多種抗干擾措施，如：電磁抗干擾、去耦電容抗干擾、感性負(fù)載抗十?dāng)_和機(jī)械開關(guān)觸點抗干擾等。 3 軟件抗干擾措施 　　為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要采用適當(dāng)?shù)能浖垢蓴_措施，軟件抗于擾技術(shù)是當(dāng)輸入信號受干擾后去偽求真或系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行的一種輔助方法。 　　3.1 監(jiān)視定時器（WDT） 　　WDT可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn).本系統(tǒng)使用的復(fù)位芯片MAX705本身就帶有硬件看門狗功能，同時本系統(tǒng)使用了80Cl96KC本身自帶的看門狗功能，其實質(zhì)是一個l6位計數(shù)器.當(dāng)它啟動后，每個狀態(tài)周期其計數(shù)增1，若在64 K狀態(tài)周期（本系統(tǒng)采用12 MHz晶振，約為11 ms）內(nèi)，沒有通過指令清除它，則計數(shù)器就會溢出，把RESET引腳拉低至少1個狀態(tài)周期，使系統(tǒng)復(fù)位，重新初始化。 　　3.2 數(shù)據(jù)采集抗干擾措施 　　對于實時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)字濾波方法來抗干擾。數(shù)字濾波的方法主要有：程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均值濾波法、加權(quán)平均濾波、一階滯后濾波、復(fù)合濾波等。 　　數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點： 　　（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，可靠性高，穩(wěn)定性好。 　?。?）數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號濾波，而模擬濾波器南于受電容容量的影響，頻率不能太低。 　　（3）數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點。 　　3.3 冗余指令 　　單片機(jī)最易受干擾的是內(nèi)部程序計數(shù)器PC的值，在受到強(qiáng)烈的干擾后，PC值被改變，改變后的值又是隨機(jī)的，具有不確定性，往往會使單片機(jī)將程序 　　從正確位置跳轉(zhuǎn)到一個不確定的區(qū)域繼續(xù)執(zhí)行，或?qū)⒉僮鲾?shù)當(dāng)作操作碼來執(zhí)行，引起程序混亂。因此，在編寫程序時，盡量少采用多字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方有意識地插入一些空操作指令NOP，這就是冗余指令.冗余指令的插入可以減少程序彈飛的次數(shù)，當(dāng)彈飛的程序遇到這些空指令時，就使PC的內(nèi)容得到調(diào)整，使程序很快納入正確軌道.另外，在存儲器沒有使用的單元中全部填充0FFH值，即復(fù)位指令RST的目的代碼值，這樣在程序被彈飛到這些區(qū)域時，就會被復(fù)位，避免了系統(tǒng)的癱瘓. 　　3.4　軟件陷阱 　　當(dāng)跑飛的程序進(jìn)入非程序區(qū),冗余指令便不起作用,這時可通過軟件陷阱攔截跑飛的程序,將其引向指定位置,再進(jìn)行出錯處理。軟件陷阱是用來將捕獲的跑飛程序強(qiáng)行引向?qū)ｉT處理錯誤的程序的入口地址。假設(shè)這段處理錯誤的程序入口地址為ERROR,則下面三條指令即組成一個軟件陷阱:NOP NOP LJMP。ERROR通常在EPROM非程序區(qū)填入這樣的軟件陷阱。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方,故不會影響程序的執(zhí)行效率。 4 結(jié)論 　?。?）系統(tǒng)分析了可能影響焊機(jī)控制系統(tǒng)正常工作的各種干擾及其所產(chǎn)牛的原岡，并從硬件和軟件兩個方面分別采取相應(yīng)的抗十?dāng)_措施。 　?。?）單片機(jī)實際應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的根本在于硬件、軟件抗干擾只起到補(bǔ)充作用。因此，在設(shè)計系統(tǒng)時，只有二者兼顧，相互補(bǔ)充，結(jié)合，才能取得良好的抗干擾效果。 　　（3）經(jīng)焊機(jī)試驗表明，以上采取的軟硬件措施切實有效，收到了良好的效果，解決了逆變埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)的干擾問題. 參考文獻(xiàn)： 　?。?）李鶴岐，張志堅.微機(jī)控制脈沖MIG焊機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002（4）：10一l1， 　?。?）李春旭，杜麗敏，唐雪鋒，李鶴岐. 數(shù)字控制逆變焊機(jī)抗干擾技術(shù)設(shè)計研究電焊機(jī)，2006（11） 　?。?）于秋紅，任麗曄.綜述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù).長春大學(xué)學(xué)報.2007（10）