港口起重機(jī)是一種蘊藏危險因素較多、事故發(fā)生幾率較大的工程機(jī)械，國內(nèi)外每年都發(fā)生大量因港口起重機(jī)事故造成的設(shè)備損壞甚至人身傷亡事故。任何起重機(jī)都有其安全載荷限度，超過這個限度，輕則對設(shè)備部件造成損壞，重則發(fā)生整車傾覆的惡性事故。因此，必須控制起重機(jī)在安全限度內(nèi)工作。在這種條件下，具有載荷、力矩限制功能的起重機(jī)力矩限制器成為保證起重機(jī)安全作業(yè)的必不可少的保護(hù)裝置。
1.起重機(jī)工作環(huán)境一般比較惡劣，工作現(xiàn)場的干擾很嚴(yán)重。所以在系統(tǒng)設(shè)計上，應(yīng)該采取必要的軟硬件措施，減小甚至消除各種不良因素對它的影響和損害，提高工作的穩(wěn)定性和可靠性，單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。
2. 干擾渠道和抗干擾措施
干擾串入系統(tǒng)的渠道主要有三條，即空間干擾(場干擾)，它通過電磁波輻射串入系統(tǒng)；過程通道干擾，干擾通過與主機(jī)相連的前向通道、后向通道及與其它主機(jī)的相互通道進(jìn)入；供電系統(tǒng)干擾。一般情況下，空間干擾在強(qiáng)度上遠(yuǎn)小于其它兩個渠道串入的干擾，為了克服空間干擾，對機(jī)殼采取良好的屏蔽與正確的接地。若采用了直流穩(wěn)壓電源供電，供電系統(tǒng)的干擾較小，主要考慮過程通道的干擾。過程通道是前向接口、后向接口進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂剑谶^程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。按照經(jīng)驗，當(dāng)微處理器的主振頻率為lMHz時，傳輸線大于0．5m或者主振為4MHz時，傳輸線大于0、3m，即作為長線傳輸處理，單片機(jī)過程通道的長線傳輸不可避免。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時會出現(xiàn)延時、畸變、衰減、通道干擾等。為了保證長線傳輸?shù)目煽啃?，主要措施有光電藕合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。
A阻抗匹配措施主要通過阻抗匹配器來實現(xiàn)。匹配原理其實就是為了保證輸入信號傳人設(shè)備，要求輸入功率在傳輸線上的損耗要小，只有當(dāng)接入設(shè)備的傳輸線的阻抗(純電阻)等于設(shè)備的輸入阻抗(實數(shù)部分)功率才會被傳輸，當(dāng)設(shè)備的輸入阻抗包含容抗或感抗時，就會產(chǎn)生較大衰減，這時就要用到阻抗匹配器了，把容抗或感抗抵消掉。大體上，阻抗匹配有兩種，一種是透過改變阻抗力，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長。
B光電隔離措施主要通過光電耦合器來實現(xiàn)。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端與信息接收并輸出端是帶電絕緣的，從而對地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾的能力，且速度高，價格低，接口簡單，因而得到廣泛應(yīng)用。光電耦合隔離器的型號有很多如二極管一二極管光電耦合器、二極管一晶體管光電耦合器、二極管一達(dá)林頓管光電耦合器、二極管-T幾邏輯電路光電耦合器等。
C雙絞線傳輸措施主要通過雙絞線傳輸器來實現(xiàn)。雙絞線一般是指網(wǎng)線，雙絞線傳輸利用差分傳輸原理，在發(fā)射端將視頻信號變換成幅度相等、極性相反的視頻信號，通過雙絞線傳輸后，在接收端將二個極性相反的視頻信號相減變成通常的視頻信號，故能有效抑制共模干擾，即使在強(qiáng)干擾環(huán)境下，其抗干擾能力遠(yuǎn)比同軸電纜好，同一根網(wǎng)線相互之間不會發(fā)生干擾。雙絞線傳輸器常見的型號有3類線，5類線和超5類線，以及6類線，前者線徑細(xì)而后者線徑粗。
3. 硬件的抗干擾設(shè)計
影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運行的因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通常可采用以下所述方法實現(xiàn)硬件的抗干擾。
3.1 供電系統(tǒng)抗干擾
系統(tǒng)的供電不直接使用起重機(jī)的直流電源，DC DC變換之后向系統(tǒng)供電，獲得高質(zhì)量的直流電壓。使用不同DC DC模塊將模擬地和數(shù)字地隔離開。
3.2 印刷電路板設(shè)計的抗干擾措施
印刷電路板是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大，故印刷電路板的設(shè)計絕不單是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計原則。通常有下述抗干擾措施：
3.2.1 地線設(shè)計
應(yīng)用系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地和模擬地等。接地是抑制干擾的重要方法，如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用可解決大部分干擾問題。
3.2.2 去藕電容配置
在印刷電路板的各個關(guān)鍵部位配置去耦電容是印刷電路板設(shè)計的一個常規(guī)做法。電源輸入端跨接10 100F的電解電容器。每個集成電路芯片都安置了一個0．01F的陶瓷電容器。電容引線很短。
3.2.3 其他措施
CMOS芯片的輸入阻抗很高，易受感應(yīng)，對其不用的引腳進(jìn)行了接地或接正電源的處理。繼電器、按鈕等在操作時會產(chǎn)生火花，設(shè)計中，我們利用RC電路加以吸收，繼電器線圈兩端還并接了續(xù)流二極管。實踐表明，元器件的質(zhì)量對系統(tǒng)影響很大。因此應(yīng)選擇正品元器件。使用前要進(jìn)行必要的篩選。對于接插件，應(yīng)選擇抗震性能好，接合可靠，可防松的。傳輸電纜應(yīng)具有性能良好的屏蔽層，耐老化，抗損傷，不易斷線。
3.3 屏蔽與接地措施
用金屬外殼將整機(jī)包圍起來，再將金屬外殼接地就能起到屏蔽的作用，對于各種通過電磁感應(yīng)引起的干擾特別有效。屏蔽外殼的接地與系統(tǒng)的參考點相連，而且只能在一處相連。所有引入、引出線都應(yīng)采用屏蔽線，其屏蔽層應(yīng)和外殼在同一點接系統(tǒng)參考點。參考點不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽，不可共處一個屏蔽裝置。
3.4 過程通道抗干擾措施
過程通道是前向接口、后向接口或主機(jī)與主機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂剑谶^程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。隨著系統(tǒng)主振頻率愈來愈高，微機(jī)系統(tǒng)過程同通道的長線傳輸愈來愈不可避免。例如，按照經(jīng)驗公式計算，當(dāng)微處理器的主振頻率為1MHZ時，傳輸大于0．5m或主振為4MHZ時，傳輸線大于0．3m，即作為長線傳輸處理。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時會出現(xiàn)延時、畸變、衰減、通道干擾等。為了保證長線傳輸?shù)目煽啃裕饕泄怆娕汉细綦x技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。長線傳輸時，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。
4. 軟件的抗干擾設(shè)計
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，因此，有必要進(jìn)行軟件抗干擾設(shè)計。軟件抗干擾是屬于單片機(jī)系統(tǒng)的自身防御行為。軟件抗干擾措施的前提條件是：系統(tǒng)中抗干擾軟件不會因干擾而損壞。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于程序及一些重要常數(shù)都存放在R服中，這就為軟件的抗干擾創(chuàng)造了良好的前提。在軟件設(shè)計時，本著在滿足系統(tǒng)控制功能的前提下，盡量提高軟件的可靠性的原則，可采取以下軟件抗干擾措施。
4.1 數(shù)字濾波
對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對信號實現(xiàn)頻率濾波。同樣，運用CPU的運算、控制功能也可以實現(xiàn)頻率濾波，完成類似模擬濾波器的功能，這就是數(shù)字濾波。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常采用一些簡單的數(shù)值、邏輯運算處理來達(dá)到濾波的效果。這些方法有程序濾波、中值濾波、算數(shù)平均濾波、去極值平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波等。這樣經(jīng)過數(shù)字濾波，可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對采集結(jié)果的影響。
4.2 數(shù)字信號輸出的軟件抗干擾
對于輸出的開關(guān)量控制信號，要多次重復(fù)輸出同一數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些。外部設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信息后還沒有作出反應(yīng)，一個正確的輸出信息又來到，就可以及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。
4.3 程序運行失常的軟件抗干擾系統(tǒng)受到干擾，致使PC值改變，造成程序運行失常，常常導(dǎo)致程序飛出數(shù)據(jù)區(qū)及工作寄存器中數(shù)據(jù)破壞。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。
4.3.1 指令冗余
當(dāng)CPU受到干擾后。往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。本文在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道，此類指令有：RET、RET、ACAI、LCALL、AJMP、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、CJNZ、DJNZ等。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證被正確執(zhí)行。
4.3.2 軟件陷阱
當(dāng)彈飛的程序落到非程序區(qū)(如未使用的中斷向量區(qū))時。指令冗余就不起作用了：只能在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使彈飛的程序掉人軟件陷阱，強(qiáng)行將程序納入正軌。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進(jìn)行處理的程序。軟件陷阱一般由一條跳轉(zhuǎn)指令和空操作指令組成。
4.3.3 程序運行監(jiān)視系統(tǒng)(WATCHDOG)當(dāng)程序彈飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)時，冗余指令和軟件陷阱也無能為力，此時系統(tǒng)將完全癱瘓，使用程序運行監(jiān)視系統(tǒng)能及時發(fā)覺死循環(huán)并能使系統(tǒng)復(fù)位。
本文對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因分析較為充分，對系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行抗干擾設(shè)計的方法以及所提出的抗干擾措施，可有效地保證系統(tǒng)可靠運行。
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