崔曉明

大慶油田設計院

硬件抗干擾技術用于超聲波流量計

崔曉明

大慶油田設計院

超聲波流量測量的準確性很大程度上依賴于系統(tǒng)對超聲波信號的正確識別，然而超聲波流量計工作的環(huán)境通常比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對于測量系統(tǒng)來說，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信號的狀態(tài)以及RAM的讀寫，還會影響程序計數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來降低干擾。

超聲波流量計；干抗；看門狗電路；信號

1 干擾的來源

在超聲波流量測量系統(tǒng)中，造成干擾的干擾源有很多種，主要有:①流量計安裝環(huán)境中可能存在較大的電場和磁場干擾;②靠近水泵安裝時水泵帶來的接近超聲波信號的噪音；③電源的噪聲干擾，采用常用的電源濾波技術就可以消除其影響；④發(fā)射信號對接收信號的干擾。發(fā)射信號功率較大，通過電路和聲路都可以耦合到接收電路上，如果管徑很小，換能器間距離很近，發(fā)生干擾的尾部就會波及接收波的波形，從而嚴重影響接收信號。

2 抗干擾的措施

（1）電源。在系統(tǒng)使用的各種直流電源(如+ 5V)的輸入端均跨接1個10～100μF的電解電容和1個0.01～0.1μF陶瓷濾波電容以抑制電源尖峰干擾，收發(fā)電路用兩套相互隔離的電源供電。

（2）接收范圍門。接收范圍門可以防止發(fā)射信號以及開關動作給接收信號帶來的干擾。

（3）自動增益技術。自動增益技術除了使信號便于測量外，還可以有效地抑制噪聲干擾。

（4）看門狗電路。程序在運行過程中會因為受到干擾導致失控，引起程序亂飛，或陷入“死循環(huán)”，此時最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。復位脈沖可使系統(tǒng)復位，程序重新啟動運行。例如采用X5045集成芯片來實現(xiàn)看門狗功能。X5045的引腳功能如下：CS為片選信號；SO為串行輸出；SI為串行輸入；SCR為串行時鐘輸入；WP為EEPROM寫保護輸入；RESET為復位信號輸出；Vss為地；Vcc為電源電壓。X5045使用三線總線串行（SPI）外設接口，對芯片進行操作的所有操作碼、字節(jié)地址及寫入的數(shù)據(jù)都由SI引腳輸入，寫入數(shù)據(jù)在串行時鐘SCI的上升沿被鎖存；從芯片讀取的數(shù)據(jù)由SO引腳串行輸出。芯片的把關定時器和電壓監(jiān)視器都對單片機提供獨立的保護，當電源電壓降到4.5 V以下時，RESET引腳立即自動產(chǎn)生高電平復位信號，并一直保持到電源電壓恢復正常；當系統(tǒng)上電或掉電時，RESET引腳也自動產(chǎn)生一個高電平復位信號；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，只要把關定時器達到其可編程的超時極限，RESET引腳立即自動產(chǎn)生一個持續(xù)200ms的高電平復位信號。這樣，就可有效地防止死機、數(shù)據(jù)誤寫及誤操作等故障的發(fā)生。

（5）合理的布線技術。模擬信號線與數(shù)字信號線相對分開，信號線與電源線分開；PCB布線時，將公共地線與電源線盡量加寬，并使它們盡可能靠近需要供電的電路；減小電源線和地線的長度，以減小兩者之間的公共阻抗，減小耦合干擾的產(chǎn)生；布線過程中避免回路有重復面積，以減小相互感應。

（6）接地技術。數(shù)字地和模擬地分開，它們在一點相連，兩個探頭各自使用相互獨立的地線，減小地線干擾耦合，儀表及探頭外殼接地。

（7）屏蔽技術。運用屏蔽技術可以隔離通過空間耦合的電磁干擾，采取的措施是用金屬機殼將測量電路封裝起來。

3 結語

超聲波流量測量的準確性很大程度上依賴于系統(tǒng)對超聲波信號的正確識別，然而超聲波流量計工作的環(huán)境通常比較惡劣，易受到各種干擾的影響。對于測量系統(tǒng)來說，這些干擾不僅可能影響到數(shù)據(jù)的采集、各種控制信號的狀態(tài)以及RAM的讀寫，還會影響程序計數(shù)器的正常工作，使程序失靈，因此，必須采取有效措施來降低干擾。

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.054