摘 要：針對微機控制埋弧焊機控制系統抗干擾問題進行了研究設計.系統分析了可能影響焊機正常工作的各種干擾產生的原因，并在電路設計中采取了相應的措施.其中硬件措施有屏蔽技術、去耦技術、濾波技術、隔離技術及接地技術等;軟件措施有看門狗、冗余指令和數字濾波等.實踐證明這些措施解決了控制系統的干擾問題. 關鍵詞：埋弧焊機; 控制系統; 屏蔽技術; 數字濾波 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 　　埋弧焊在工業生產中應用廣泛，它具有生產效率高、焊縫質量高、勞動條件相對較好等優點，但傳統的埋弧焊電源不僅耗電大、耗材多而且送絲電路復雜。這與當前微電子技術、計算機控制技術和電力電子技術發展水平很不協調。 　　逆變電源具有體積小、重量輕、耗電小、效率高等特點。隨著電力電子技術的發展，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，為逆變電源的發展帶來了新的機遇。采用單片機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，提高焊接質量。焊機的控制電路采用INTEL16位單片機（8OC196KC）進行控制，控制電路要完成數據采集、程序控制和電源外特性控制等功能，因此，單片機的可靠工作無疑是整個焊機可靠工作的關鍵因素之一。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、功耗小的元器件和精密調整元部件外，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，系統才能保證穩定可靠的運行。 1 干擾的來源 　　干擾源,是產生干擾的元件、設備或信號。單片機系統的干擾源主要有電子元器件自身的熱噪聲,電氣和電子設備產生的電磁干擾,大功率設備對電網產生的影響,大功率廣播、電視、通訊等設備所發出的電磁波,系統自身電路的過渡過程,印制板電路設計布局不合理等等。 　　干擾可以沿各種線路侵入單片機系統。工業環境中的干擾一般以脈沖形式進入系統,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入系統;二是過程通道干擾,干擾通過與系統相連的前向通道、后向通道及與其它系統的相互通道進入;三是供電系統干擾,電磁信號通過供電線路進入系統 。 2 硬件抗干擾技術 　　硬件抗干擾設計是設計系統時首選的抗干擾設計方案，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參數，能抑制系統的絕大部分干擾. 　　2.1 主機單元配置抗干擾 　　單片機系統本身最容易受到干擾的部分包括復位電路和時鐘電路.通常的復位電路采用RC復位電路，見圖1a.這種方法所提供的復位時間不到5Oms.若再加大復位電容，會使監視定時器WDT （WATCHDOG TIMER）產生的復位信號難以起作用。本系統采用的是MAX705監控芯片，它可以輸出寬度高達200ms的低電平復位脈沖，足以保證80C196KC的可靠復位，另外，它還有電壓監測及看門狗的功能.為了避免出現雜散電荷迫使RESET為錯誤狀態的情況，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位信號為低電平.另外，為了避免因為干擾使電源電壓上產生毛刺而引起的頻繁復位，在單片機、數字IC和監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的復位電路如圖1b所示. [align=center] 圖1 單片機復位電路[/align] 　　時鐘電路產生CPU 的工作時序脈沖，是CPU正常工作的關鍵部件.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，導致CPU工作時序發生紊亂.本系統采用的是12MHz的晶體振蕩器，單片機產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，本系統在PCB布線時采取了以下抗干擾措施： 　　（1） 時鐘脈沖電路配置在靠近單片機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定、容量值準確的電容，并且遠離發熱元件. 　　（4） 印刷板上的大電流信號線、電源變壓器遠離晶振信號的連線. 　　2.2 電源抗干擾 　　在單片機的控制系統中，危害最嚴重的干擾來自電源噪聲， 電源內阻是引起電源干擾噪聲的主要原因。如果沒有這種內阻，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，電源內阻不可能不存在。因為電源噪聲主要來自一些大功率設備的使用以及電源本身配置的不合理性。 　　單片機數據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引起的。過電壓和欠電壓的危害是顯而易見的，它會使系統的直流供電電壓偏離允許范圍，而處于非正常丁作狀態。對于尖峰電壓，由于它持續時間很短一般不會損壞系統，但對單片機正常運行破壞很大，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節器和穩壓器。 　　2.3 電磁干擾 　　焊機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生電力線和磁力線并發生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波.本系統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隔離成幾個不同的區域，單片機控制系統單獨放在一個區域，變壓器和功率開關管等有強烈電場、磁場以及電磁場干擾的部分放在另外一個區域，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面，為漏磁提供回路，也可用非導磁材料比如鋁板隔斷漏磁.雙絞線有很強的抑制電磁感應干擾的能力，系統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 　　焊機中既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分。使兩者之間既要保持控制信號的聯系，又要隔絕電氣方而的聯系，即實行弱電和強電隔離，是保證系統工作穩定、設備操作人員安全的重要措施。系統采用光電耦合器和繼電器兩種隔離方式。系統中所有的模擬與數字輸入、輸出通道都普遍采用光耦進行隔離：弱電與強電之間的功率接口則采用繼電器進行隔離;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 抑制系統內部噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力，采取了以下做法： 　　（1）在印刷電路板上，將數字地與模擬地分開走線，最后在電源端與地線相連。 　　（2）模擬信號線避免商角走線。另外，地線盡量加粗、加寬，并形成環路。印刷電路板電源引線采用一點接地。 　　（3）將控制系統的數字地和模擬地浮空，而焊機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干擾。此外，在所沒計的硬件抗干擾系統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、感性負載抗十擾和機械開關觸點抗干擾等。 3 軟件抗干擾措施 　　為了提高控制系統的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是遠遠不夠的，還需要采用適當的軟件抗干擾措施，軟件抗于擾技術是當輸入信號受干擾后去偽求真或系統受干擾后使系統恢復正常運行的一種輔助方法。 　　3.1 監視定時器（WDT） 　　WDT可由硬件實現，也可由軟件實現.本系統使用的復位芯片MAX705本身就帶有硬件看門狗功能，同時本系統使用了80Cl96KC本身自帶的看門狗功能，其實質是一個l6位計數器.當它啟動后，每個狀態周期其計數增1，若在64 K狀態周期（本系統采用12 MHz晶振，約為11 ms）內，沒有通過指令清除它，則計數器就會溢出，把RESET引腳拉低至少1個狀態周期，使系統復位，重新初始化。 　　3.2 數據采集抗干擾措施 　　對于實時的數據采集系統，采用數字濾波方法來抗干擾。數字濾波的方法主要有：程序判斷濾波、中值濾波、算術平均值濾波法、加權平均濾波、一階滯后濾波、復合濾波等。 　　數字濾波具有以下優點： 　　（1）數字濾波是用程序實現的，不需要增加硬件設備，可靠性高，穩定性好。 　　（2）數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）數字濾波可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數，具有靈活、方便、功能強的特點。 　　3.3 冗余指令 　　單片機最易受干擾的是內部程序計數器PC的值，在受到強烈的干擾后，PC值被改變，改變后的值又是隨機的，具有不確定性，往往會使單片機將程序 　　從正確位置跳轉到一個不確定的區域繼續執行，或將操作數當作操作碼來執行，引起程序混亂。因此，在編寫程序時，盡量少采用多字節指令，并在關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，當彈飛的程序遇到這些空指令時，就使PC的內容得到調整，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，即復位指令RST的目的代碼值，這樣在程序被彈飛到這些區域時，就會被復位，避免了系統的癱瘓. 　　3.4　軟件陷阱 　　當跑飛的程序進入非程序區,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,再進行出錯處理。軟件陷阱是用來將捕獲的跑飛程序強行引向專門處理錯誤的程序的入口地址。假設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非程序區填入這樣的軟件陷阱。由于軟件陷阱都安排在正常程序執行不到的地方,故不會影響程序的執行效率。 4 結論 　　（1）系統分析了可能影響焊機控制系統正常工作的各種干擾及其所產牛的原岡，并從硬件和軟件兩個方面分別采取相應的抗十擾措施。 　　（2）單片機實際應用系統抗干擾的根本在于硬件、軟件抗干擾只起到補充作用。因此，在設計系統時，只有二者兼顧，相互補充，結合，才能取得良好的抗干擾效果。 　　（3）經焊機試驗表明，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控制系統的干擾問題. 參考文獻： 　　（1）李鶴岐，張志堅.微機控制脈沖MIG焊機控制系統抗干擾設計.甘肅工業大學學報，2002（4）：10一l1， 　　（2）李春旭，杜麗敏，唐雪鋒，李鶴岐. 數字控制逆變焊機抗干擾技術設計研究電焊機，2006（11） 　　（3）于秋紅，任麗曄.綜述單片機應用系統抗干擾技術.長春大學學報.2007（10）