港口起重機(jī)是一種蘊(yùn)藏危險(xiǎn)因素較多、事故發(fā)生幾率較大的工程機(jī)械，國(guó)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(guò)這個(gè)限度，輕則對(duì)設(shè)備部件造成損壞，重則發(fā)生整車(chē)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(chǎng)的干擾很?chē)?yán)重。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(chǎng)干擾)，它通過(guò)電磁波輻射串入系統(tǒng)；過(guò)程通道干擾，干擾通過(guò)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(gè)渠道串入的干擾，為了克服空間干擾，對(duì)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(guò)程通道的干擾。過(guò)程通道是前向接口、后向接口進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?，在過(guò)程通道中長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。按照經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)微處理器的主振頻率為lMHz時(shí)，傳輸線大于0．5m或者主振為4MHz時(shí)，傳輸線大于0、3m，即作為長(zhǎng)線傳輸處理，單片機(jī)過(guò)程通道的長(zhǎng)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(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減、通道干擾等。為了保證長(zhǎng)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(guò)阻抗匹配器來(lái)實(shí)現(xiàn)。匹配原理其實(shí)就是為了保證輸入信號(hào)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(shí)數(shù)部分)功率才會(huì)被傳輸，當(dāng)設(shè)備的輸入阻抗包含容抗或感抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大衰減，這時(shí)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(guò)改變阻抗力，另一種則是調(diào)整傳輸線的波長(zhǎng)。
B光電隔離措施主要通過(guò)光電耦合器來(lái)實(shí)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(duì)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(jià)格低，接口簡(jiǎn)單，因而得到廣泛應(yīng)用。光電耦合隔離器的型號(hào)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(guò)雙絞線傳輸器來(lái)實(shí)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(hào)變換成幅度相等、極性相反的視頻信號(hào)，通過(guò)雙絞線傳輸后，在接收端將二個(gè)極性相反的視頻信號(hào)相減變成通常的視頻信號(hào)，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(huì)發(fā)生干擾。雙絞線傳輸器常見(jiàn)的型號(hào)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(jì)
影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的因素主要來(lái)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(jì)、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(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。通?？刹捎靡韵滤龇椒▽?shí)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(kāi)。
3.2 印刷電路板設(shè)計(jì)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(hào)線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大，故印刷電路板的設(shè)計(jì)絕不單是器件、線路的簡(jiǎn)單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計(jì)原則。通常有下述抗干擾措施：
3.2.1 地線設(shè)計(jì)
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(lái)使用可解決大部分干擾問(wèn)題。
3.2.2 去藕電容配置
在印刷電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容是印刷電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)常規(guī)做法。電源輸入端跨接10 100F的電解電容器。每個(gè)集成電路芯片都安置了一個(gè)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(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，設(shè)計(jì)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(shí)踐表明，元器件的質(zhì)量對(duì)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(duì)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(lái)，再將金屬外殼接地就能起到屏蔽的作用，對(duì)于各種通過(guò)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(diǎn)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(diǎn)接系統(tǒng)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽，不可共處一個(gè)屏蔽裝置。
3.4 過(guò)程通道抗干擾措施
過(guò)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?，在過(guò)程通道中長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。隨著系統(tǒng)主振頻率愈來(lái)愈高，微機(jī)系統(tǒng)過(guò)程同通道的長(zhǎng)線傳輸愈來(lái)愈不可避免。例如，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，當(dāng)微處理器的主振頻率為1MHZ時(shí)，傳輸大于0．5m或主振為4MHZ時(shí)，傳輸線大于0．3m，即作為長(zhǎng)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(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減、通道干擾等。為了保證長(zhǎng)線傳輸?shù)目煽啃?，主要有光電藕合隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。長(zhǎng)線傳輸時(shí)，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(jì)
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(jì)。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(huì)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(jì)時(shí)，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(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號(hào)，在硬件措施上常采取有源或無(wú)源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波。同樣，運(yùn)用CPU的運(yùn)算、控制功能也可以實(shí)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(jiǎn)單的數(shù)值、邏輯運(yùn)算處理來(lái)達(dá)到濾波的效果。這些方法有程序?yàn)V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(dòng)平均濾波、低通濾波等。這樣經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響。
4.2 數(shù)字信號(hào)輸出的軟件抗干擾
對(duì)于輸出的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)，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(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后還沒(méi)有作出反應(yīng)，一個(gè)正確的輸出信息又來(lái)到，就可以及時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。
4.3 程序運(yùn)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(yùn)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(duì)于程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時(shí)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(lái)執(zhí)行，引起程序混亂。本文在一些對(duì)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(duì)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(shí)。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(gè)指定的地址，在那里有一段專門(mén)對(duì)程序出錯(cuò)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(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(WATCHDOG)當(dāng)程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)時(shí)，冗余指令和軟件陷阱也無(wú)能為力，此時(shí)系統(tǒng)將完全癱瘓，使用程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)覺(jué)死循環(huán)并能使系統(tǒng)復(fù)位。
本文對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因分析較為充分，對(duì)系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)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(yùn)行。
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