Kuidas parandada elektrilise arvutussüsteemi usaldusväärsust

Elektroonikateööstuse kiire arenguga on erinevad mõõturid ja näitajad laialdaselt kasutusel nii tööstuslikus kontrollis kui ka ühiskonnakaaslaste igapäevaelus. Samal ajal tõusevad mõõturite usaldusväärsusele esitatavad nõuded, mis kehtivad ka energiaarvesturite korral. Energiaarvesturite usaldusväärsuse nõuded on määratud täpsustehnoloogiliste standardites.

Need standardid näovad ette, et energiaarvesturite keskmine kasutusaeg peab olema vähemalt kümme aastat, mis muudab arendamisprotsessi jooksul usaldusväärsuse disaini eriti oluliseks. Tähtsa funktsiooni lõpetamise tõenäosus kindlaks seatud tingimustes ja aja jooksul nimetatakse keskmise vea intervalli (MTBF) või keskmise katkete intervalli. MTBF on levinud meetod usaldusväärsuse mõõtmiseks. Energiaarvesturite usaldusväärsuse disaini eesmärk on suurendada toote MTBF-d ja tagada normaalne töö.

1. Varustuse Usaldusväärsuse Disain

Energiaarvesturite varustuse segaduse takistava disain

Inseneriandmete analüüsi järgi sisseeneb energiaarvesturi süsteemi läbi varustuse umbes 70% segadusest. Seega on varustuse kvaliteedi parandamine oluline kogu süsteemi usaldusväärsuse seisukohalt. Kuna süsteemi varustus tuleb tavaliselt elektrivõrgust, siis varustuse segaduse vastane disain keskendub sisendiporti filtrimisele ja lühiajalise segaduse takistamisele.

2. Energiaarvesturite maandamise disain

Maandamissüsteemi disain mõjutab otseselt kogu toote segaduse vastast jõudlust. Hea disain saab blokeerida välise keskkonna segaduse ja tõhusalt takistada sisemist summutatud müra. Järgmiste kahe aspekti arvesse võtmine aitab parandada süsteemi usaldusväärsust: 

Digi- ja analoogimaandamine. Digi-signaalide teravate servadega muutuvad digi-voogud pulssimoodi. Seetõttu peaksid analoogimaandamine ja digimaandamine olema energiaarvesturite süsteemides eraldi disainitud, ühendudes ainult ühes punktis. Printiplaadil peaksid analoog- ja digicirkvid olema ühendatud vastavate "maandamisega". See aitab tõhusalt takistada digicirku pulssimoodi maandamisvoogu kinnitumist analoogcirku kaudu jagatud maandamispinge kaudu, moodustades lühiajalise segaduse. Kui süsteemis on kõrgefrekvenentsed suured signaalid, muutub see segadus veelgi olulisemaks.

Ühepunktiline ja mitmepunktiline maandamine. Madalafrekvenetssetes süsteemides tavaliselt kombinatakse paralleelne ühepunktiline maandamine ja sarivõrdne ühepunktiline maandamine, et parandada jõudlust. Paralleelne ühepunktiline maandamine tähendab, et mitmed mooduli maandamisjuhed ühendatakse ühes kohas, kus iga mooduli maandamispotentsiaal seostub tema enda vooga ja vastusega. Selle eelis on, et ühise maandamisjuhe vastuse kaudu ei tekita kinnitumist; puudus on liiglane maandamisjuhte kasutamine.

Sarivõrdne ühepunktiline maandamine tähendab, et mitmed moodulid jagavad sama maandamisjuhe segmenti. Kuna maandamisjuhe ekvivalentvastus tekitab pingelangused, on erinevate moodulite ühenduspunktid omavahel erinevad potentsiaalid. Iga mooduli voolu muutused mõjutavad maandamispotentsiaali, muutes tsirkuitide väljundit ja tekitades kinnitumist ühise maandamisjuhe vastuse kaudu. See meetod on lihtsasti paigutatav. Mitmepunktiline maandamine on tavaline kõrgefrekvenentssetes süsteemides, kus iga mooduli maandamisjuhed on ühendatud maandamisribaga võimalikult lähedalt. Selle eelised hõlmavad lühikeid maandamisjuhti, madalat vastust ja kinnitumise kõrvaldamist ühise maandamisjuhe vastuse kaudu.

3. Energiaarvesturite isoleerimise disain

Üks põhiline isoleerimise disaini eesmärk on eraldada müraallikaid tundlikust tsirkuitist. Isoleerimise disaini iseloomulikkus on, et energiaarvestur säilitab signaalide suhtlemise töökeskkonnaga ilma otseste elektrooniliste suhete taol. Peamised rakendusmeetodid hõlmavad transfoorimisel, optokuplitsemisel, releede isoleerimisel, isoleeritud tugevdamisel ja paigutuse isoleerimisel. 

• Transfoorimise isoleerimine. Väheseid vitseid, väikese levikutud kapatsiit (vaid mõned pikofaraadid) ja primääri/sekundaarvitseid, mis on kütjetel vastandpooltes külgadel, võib kasutada pulsesignaalide isoleerimise komponentina, saavutades digisignaalide isoleerimise.

• Optokuplitsemine. Optokuplitseja lisamine võib takistada spikripulsse ja erinevat tüüpi mürasegadust. Optokuplitseja kasutamine tagab, et hostiarvuti süsteem ja energiaarvesturi suhtlusport ei suhtlele elektrooniliselt, parandades süsteemi segaduse vastast jõudlust. Optokuplitsejad võivad isoleerida digisignaale, kuid ei sobi analoogsignaalide jaoks. Tavalised analoogsignaalide isoleerimismeetodid hõlmavad: A. Pinget-sageduseks teisendamist, järgnev optokuplitsemine, mis tuleb keeruline tsirkuit; B. Diferentsiaalne tugevdamine, mis pakub madalama isoleerimispinget; C. Isoleeritud tugevdamine, mis toimib hästi, kuid on kallis. 

• Releede isoleerimine. Kuna relve magneetväli ja kontaktid ei ole elektrooniliselt ühendatud, võib magneetväli vastu saada signaale, samas kui kontaktid neid edastavad, lahendades efektiivselt tugeva ja nõrga signaali interaktsiooni probleemi ja saavutades segaduse isoleerimise.

• Paigutuse isoleerimine. PCB paigutuse kaudu saavutatud isoleerimine, mille eesmärk on eraldada tugevad ja nõrgad elektritsirkvid.

4. Energiaarvesturite printiplaatide (PCB) segaduse vastase disain

Printiplaat on tsirkuitkomponentide kannataja ja võimaldab nende vahel elektrilisi ühendusi. PCB disaini kvaliteet mõjutab otseselt süsteemi segaduse vastast jõudlust. PCB disainis järgitakse tavaliselt järgmisi põhimõtteid:

• Kvartsi oskillaatorid peaksid olema asetatud võimalikult lähedalt keskusprotsessori (CPU) pinidele. Nende metallkaadrid tuleb maandada ja nende ümbritsev ala tuleb eraldada maandamisjuhega—see meetod vältib paljusid raskeid probleeme;

• Kasutage CPU jaoks madalamat frekventsi kvartsit ja pidage digitsirkvid võimalikult aeglased, kui süsteemi jõudluse nõuded on rahuldatud;

• Mittekasutatud CPU sisendi/väljundi portid ei tohiks jääda vaba, vaid need tuleb ühendada süsteemi varustuse või maandamisega, ja sama kehtib ka muude chipide kohta;

• Vähendage kõrgefrekvenentssete komponentide vahelist joonist. Hoidke sisendi ja väljundi funktsionaalseid komponente võimalikult kaugele, ja äritege mitte asetada segaduselevõtlikke komponente liiga lähedalt;

• Vältige madalafrekvenentssete ja nõrgade signaalide tsirkvitides virtuaalsete ringide tekkimist. Kui seda ei saa vältida, siis vähendage ringi pindala, et vähendada induktiivset müra;

• Vältige süsteemi juhendite 90-kraadist kaldunumbreid, et vältida kõrgefrekvenentsset müranõnda;

• Süsteemi sisendi ja väljundi jooned peaksid vältima paralleelseid. Lisage kahe joone vahel maandamisjoon, et tõhusalt vältida reaktiivset kinnitumist.

5. Tarkvara usaldusväärsuse disain

5.1 Energiaarvesturite digifiltrite disain 

Praegu on energiaarvesturites laialdaselt kasutusel erinevad mõõtmiskehitised. Keskprotsessor suheldab nendega mõõtmiskehitiste abil Seriaalperifeerilise Sünteesi (SPI) või Üldise Asünkroonse Saajade/Teatajade (UART) kaudu, et saada energiasüsteemi parameetreid. Kui buss on segaduses või mõõtmiskehitised ei tööta korralikult, siis keskprotsessor saab vigaseid andmeid.

Seetõttu on tarkvarafilterite kasutamine kriitiliselt oluline. Tavaliste energiaparameetrite puhul võib kasutada keskmise meetodit: koguda viis kuus andmeplaadi, eemaldada maksimaalne ja minimaalne väärtus, ja siis arvutada keskmine. Energiandmete puhul hinnatakse dünaamilist ulatust ühikulises ajas, põhinedes arvesturi määratud töökeskkonnal; kui ilmneb ebakorrektne energiandmed, siis tarkvara võib need andmed lahti jätta. Muud meetodid hõlmavad mediaanifiltreerimist, aritmeetilist keskmist ja esimest järku alampassfilterit. Praktika on näidanud, et tarkvarafilterite kasutamine maksimeerib parameetrite lugemise usaldusväärsust.

5.2 Energiaarvesturite andmete reserveerimise disain

Süsteemi usaldusväärsuse parandamiseks võib süsteemi sätete ja kalibreerimisparameetrite korral kasutada mitme varukoopia disaini. Kui üks andmekogum läheb katki, võib aktiveerida teine varukoopia. Andmete turvalisuse tagamiseks ja andmete ellujäämise tõenäosuse suurendamiseks valetoimingute korral peaks mitmeid andmekogumeid hooldama erinevates asukohtades.

5.3 Energiaarvesturite andmete kontrolli ja operatsioonide reserveerimise disain

Kui keskprotsessor kirjutab sätted või kalibreerimisparameetrid mällu, võib segadus põhjustada vigase andme kirjutamise, kuid protsessor ei saa määrata, kas kirjutatud andmed on korrektsed. Andmete õiget kirjutamist tagamiseks tehakse tarkvaradisaini käigus andmetele "checksum" ja salvestatakse see checksum koos andmetega. Iga kirjutamise järel tehakse lugemine ja loetud andmete checksum võrreldakse salvestatud checksumiga. Kui need ei kattu, siis kirjutamist kordatakse, kuni andmed on õigesti kirjutatud. Kui kordamise limiit on ületatud, näidatakse kirjutamise viga.