كيفية تعزيز موثوقية نظام عداد الكهرباء
مع التطور السريع لصناعة الإلكترونيات، يتم استخدام العديد من الأجهزة والعدادات على نطاق واسع في السيطرة الصناعية وفي جميع جوانب الحياة الاجتماعية. في الوقت نفسه، تزداد متطلبات موثوقية هذه الأجهزة بشكل متزايد، ولا يشكل العدادات الكهربائية استثناءً. يتم تحديد متطلبات الموثوقية للعدادات الكهربائية ضمن معايير التقنية الخاصة بالعدادات الذكية.
تقوم هذه المعايير بتحديد أن يكون متوسط عمر الخدمة للعدادات الكهربائية لا يقل عن عشر سنوات، مما يجعل تصميم الموثوقية خلال عملية التطوير مهمًا للغاية. احتمالية إكمال الوظائف المطلوبة تحت ظروف معينة وفي وقت محدد يُطلق عليها متوسط الزمن بين الفشل (MTBF)، ويُعرف أيضًا بمتوسط فترة الفشل. يعتبر MTBF قياسًا شائعًا لقياس الموثوقية. الهدف من تصميم الموثوقية للعدادات الكهربائية هو زيادة MTBF للمنتج وضمان التشغيل الطبيعي.
1. تصميم الموثوقية للعتاد
تصميم كبح التداخل للمصدر الكهربائي في العدادات الكهربائية
وفقاً لتحليل بيانات هندسية إحصائية، يدخل 70% من التداخل في نظام العدادات الكهربائية عبر المصدر الكهربائي. لذلك، فإن تحسين جودة الطاقة له أهمية كبيرة لتشغيل النظام بأكمله بشكل موثوق. نظرًا لأن طاقة النظام عادة ما تكون مشتقة من الكهرباء الرئيسية، فإن تصميم مقاومة التداخل للمصدر الكهربائي يركز بشكل أساسي على الترشيح في المنفذ الدخلي وكبح التداخل العابر.
2. تصميم التأريض للعدادات الكهربائية
يؤثر تصميم نظام التأريض مباشرة على قدرة المنتج بأكمله على مقاومة التداخل. يمكن أن يؤدي التصميم الجيد إلى حجب التداخل البيئي الخارجي وقمع الضوضاء المتداخلة داخليًا بشكل فعال. يمكن تحسين موثوقية النظام من خلال النظر في الناحيتين التاليتين:
الأرض الرقمية والأرض التناظرية بسبب حواف الإشارات الرقمية الحادة، تظهر تغيرات نبضية في التيار في الدوائر الرقمية. لذلك، يجب تصميم الأرض التناظرية والأرض الرقمية بشكل منفصل في أنظمة العدادات الكهربائية، بحيث يتم ربطهما في نقطة واحدة فقط. يجب ربط الدوائر التناظرية والدوائر الرقمية على اللوحة الدائرة مع "الأرض" الخاصة بها. هذا يمنع بشكل فعال تداخل التيار الأرضي النبضي للدائرة الرقمية مع الدائرة التناظرية عبر المقاومة المشتركة للأرض، مما يشكل تداخل عابر. عندما توجد إشارات عالية التردد وكبيرة في النظام، يصبح هذا التداخل أكثر أهمية.
التوصيل بالأرض بنقطة واحدة وبنقاط متعددة في الأنظمة ذات التردد المنخفض، يتم الجمع بين التوصيل بالأرض بنقطة واحدة بالتوازي والتوصيل بالأرض بنقطة واحدة بالسلسلة لتحسين الأداء. يعني التوصيل بالأرض بنقطة واحدة بالتوازي ربط سلك الأرض لمجموعة من الوحدات معًا في موقع واحد، حيث يتعلق كل منها بتياره الخاص ومعاومته. ميزة هذا النوع هي عدم وجود تداخل من مقاومة سلك الأرض المشترك؛ بينما عيبه هو استخدام الكثير من أسلاك الأرض.
يعني التوصيل بالأرض بنقطة واحدة بالسلسلة أن تشارك الوحدات المتعددة في نفس قطعة سلك الأرض. بما أن المقاومة المكافئة لسلك الأرض تخلق انخفاضات في الجهد، فإن نقاط التوصيل المختلفة للوحدات لها جهود مختلفة بالنسبة للأرض. تؤثر التغييرات في التيار لأي وحدة على الجهد الأرضي، مما يغير خرج الدائرة ويسبب تداخلًا من مقاومة سلك الأرض المشترك. يتميز هذا النوع بتوصيلات بسيطة. يتم استخدام التوصيل بالأرض بنقاط متعددة في الأنظمة ذات التردد العالي، حيث يتم ربط سلك الأرض لكل وحدة بأقرب نقطة إلى حافلة الأرض. مميزاته تشمل سلك الأرض القصير والمقاومة المنخفضة وإزالة الضوضاء الناتجة عن مقاومة سلك الأرض المشترك.
3. تصميم العزل للعدادات الكهربائية
إحدى الأهداف الرئيسية لتصميم العزل هي فصل مصادر الضوضاء عن الدوائر الحساسة. ميزة تصميم العزل هو أن العداد الكهربائي يحافظ على التواصل الإشاري مع بيئته التشغيلية دون تفاعل كهربائي مباشر. تتضمن الطرق الرئيسية للتنفيذ العزل بواسطة المحولات والعزل البصري والعزل بواسطة الملفات والعزل بواسطة مكبرات العزل وتخطيط العزل.
عزل بواسطة المحولات المحولات النبضية التي تحتوي على عدد قليل من اللفات وسعة توزيع صغيرة (بضع بيكيفارادات) ومجموعات اللف الأولية والثانوية ملفوفة على جانبي النواة، يمكنها العمل كمركبات عزل للإشارات النبضية، مما يحقق عزل الإشارات الرقمية.
عزل بصري بإضافة عازل ضوئي يمكن كبح النبضات الشوكية والتداخل الضوضائي من مختلف المصادر. يستخدم العزل الضوئي لضمان عدم وجود تفاعل كهربائي بين نظام الكمبيوتر الرئيسي ومدخل الاتصال للعداد الكهربائي، مما يحسن أداء النظام ضد التداخل. يمكن للعازلات الضوئية عزل الإشارات الرقمية ولكنها ليست مناسبة للإشارات التناظرية. الطرق الشائعة لعزل الإشارات التناظرية تشمل: أ. تحويل الجهد إلى تردد ثم العزل الضوئي، مما يؤدي إلى دوائر معقدة؛ ب. مكبرات الفرق، والتي توفر جهد عزل أقل؛ ج. مكبرات العزل، والتي تقدم أداءً جيدًا ولكنها باهظة الثمن.
عزل بواسطة الملفات بما أنه لا يوجد اتصال كهربائي بين ملف الملف وأطرافه، يمكن لملف الملف تلقي الإشارات بينما تقوم الأطراف بنقلها، مما يحل مشكلة التفاعل بين الإشارات الكهربائية القوية والضعيفة ويحقق عزل التداخل.
عزل بواسطة التخطيط تحقيق العزل من خلال تخطيط اللوحة الدائرة، والذي يعتمد بشكل أساسي على فصل الدوائر الكهربائية القوية والضعيفة.
4. تصميم لوحة الدائرة المطبوعة (PCB) ضد التداخل للعدادات الكهربائية
تعمل لوحة الدائرة المطبوعة كحامل للعناصر الدائرة وتوفير الاتصالات الكهربائية بينها. يؤثر جودة تصميم اللوحة الدائرة المطبوعة بشكل مباشر على قدرة النظام على مقاومة التداخل. المبادئ العامة التي يتبعها تصميم اللوحة الدائرة المطبوعة تشمل:
وضع مولدات التذبذبات البلورية قدر الإمكان بالقرب من أطراف وحدة المعالجة المركزية (CPU). تأريض وتأمين حالاتهم المعدنية، ثم عزل منطقة الساعة باستخدام سلك تأريض - هذا الأسلوب يمنع العديد من المشكلات الصعبة؛
استخدام بلورات ذات ترددات أقل للوحدة المركزية للمعالجة وجعل الدوائر الرقمية بطيئة قدر الإمكان، مع مراعاة احتياجات أداء النظام؛
لا ينبغي ترك أطراف إدخال/إخراج الوحدة المركزية للمعالجة عائمة؛ يجب ربطها بطاقة النظام أو الأرض، وكذلك الحال مع الشرائح الأخرى؛
تقليل طول المسارات بين المكونات ذات التردد العالي. الحفاظ على مكونات الوظائف الإدخال والإخراج بعيدة عن بعضها البعض، وعدم وضع المكونات المستعرضة قريبة جدًا من بعضها البعض؛
تجنب حلقات التيار في الدوائر ذات التردد المنخفض والإشارات الضعيفة. إذا كان ذلك غير ممكن، فيجب تقليل مساحة الحلقة لتقليل الضوضاء الناجمة عن التحريض؛
تجنب الانحناءات بزاوية 90 درجة في الأسلاك النظامية لمنع انبعاث الضوضاء ذات التردد العالي؛
يجب تجنب تشغيل خطوط الإدخال والإخراج بالتوازي في النظام. إضافة سلك تأريض بين الموصلين لمنع التداخل التفاعلي بشكل فعال.
5. تصميم موثوقية البرمجيات
5.1 تصميم التصفية الرقمية للعدادات الكهربائية
حاليا، يتم استخدام مجموعة متنوعة من رقائق القياس بشكل واسع في العدادات الكهربائية. يقوم المعالج المركزي بالتواصل مع هذه رقائق القياس عبر واجهة الطرفية المتسلسلة المحيطية (SPI) أو وحدة الإرسال والاستقبال غير المتزامنة (UART) للحصول على معلمات النظام الكهربائي. إذا تعرضت الحافلة للتداخل أو عملت رقاقة القياس بشكل غير طبيعي، سيتلقى المعالج المركزي بيانات خاطئة.
لذلك، فإن دمج التصفية البرمجية أمر بالغ الأهمية. بالنسبة للمعلمات الكهربائية العادية، يمكن استخدام طريقة المتوسط: جمع خمسة إلى ستة نقاط بيانات، إزالة القيم القصوى، ثم حساب المتوسط. بالنسبة لبيانات الطاقة، يمكن تقدير النطاق الديناميكي داخل وحدة زمنية بناءً على بيئة التشغيل المقدرة للعداد؛ إذا ظهرت بيانات طاقة غير طبيعية، يمكن للبرمجيات إسقاط تلك المجموعة من البيانات. تشمل الطرق الأخرى تصفية الوسيط والتوسط الحسابي والتصفية المنخفضة الدرجة الأولى. أثبتت التجربة أن استخدام التصفية البرمجية يزيد من موثوقية قراءات المعلمات إلى أقصى حد.
5.2 تصميم الفائض في البيانات للعدادات الكهربائية
لتحسين موثوقية النظام، يمكن استخدام تصميم متعدد الاحتياطات لمعلمات إعداد النظام ومعلمات التعديل. إذا أصبحت مجموعة من البيانات معيبة، يمكن تفعيل مجموعة احتياطية أخرى. لضمان أمان البيانات وزيادة احتمالية بقاء البيانات عند حدوث عمليات خاطئة، يجب تخزين عدة مجموعات من البيانات في مواقع متفرقة.
5.3 تصميم التحقق من البيانات والفائض في العمليات للعدادات الكهربائية
عندما يقوم المعالج المركزي بكتابة معلمات الإعداد أو التعديل في الذاكرة، قد يسبب التداخل كتابة بيانات خاطئة، ولكن المعالج لا يستطيع تحديد صحة البيانات المكتوبة. لضمان كتابة البيانات الصحيحة، يقوم تصميم البرمجيات بإجراء "مجموع تحققي" للبيانات المراد كتابتها وتخزين مجموع التحقق مع البيانات. بعد كل عملية كتابة، يتم تنفيذ عملية قراءة، ويتم مقارنة مجموع التحقق للبيانات المقروءة مع المخزن. إذا لم يتطابقا، يتم تكرار عملية الكتابة حتى يتم كتابة البيانات بشكل صحيح. إذا تم تجاوز حد إعادة المحاولة، يتم عرض خطأ الكتابة.
