چگونه می‌توان پایداری سیستم اندازه‌گیری برق را افزایش داد
با توسعه سریع صنعت الکترونیک، انواع ابزارها و دستگاه‌های اندازه‌گیری به طور گسترده‌ای در کنترل صنعتی و تمام جنبه‌های زندگی اجتماعی استفاده می‌شوند. همزمان با این، نیازهای روزافزون به قابلیت اطمینان این دستگاه‌ها وجود دارد و دستگاه‌های اندازه‌گیری برق نیز استثنا نیستند. نیازهای قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق در استانداردهای فنی دستگاه‌های هوشمند مشخص شده است.
این استانداردها می‌گویند که مدت زمان متوسط عمر کاری دستگاه‌های اندازه‌گیری برق نباید کمتر از ده سال باشد، بنابراین طراحی قابلیت اطمینان در فرآیند توسعه بسیار مهم است. احتمال انجام توابع مورد نیاز در شرایط مشخص شده و در مدت زمان مشخص شده به آن "میانگین زمان بین خرابی‌ها" (MTBF) یا میانگین فاصله زمانی بین خرابی‌ها گفته می‌شود. MTBF معیار رایجی برای اندازه‌گیری قابلیت اطمینان است. هدف طراحی قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های اندازه‌گیری برق افزایش MTBF محصول و تضمین عملکرد عادی است.
1. طراحی قابلیت اطمینان سخت‌افزار
طراحی کاهش تداخلات منبع تغذیه در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
بر اساس تجزیه و تحلیل داده‌های مهندسی، 70٪ تداخلات در سیستم‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری برق از طریق منبع تغذیه وارد می‌شود. بنابراین، بهبود کیفیت منبع تغذیه برای عملکرد قابل اعتماد کل سیستم بسیار مهم است. چون منبع تغذیه سیستم معمولاً از برق شهری گرفته می‌شود، طراحی مقاوم در برابر تداخلات برای منبع تغذیه بیشتر بر روی فیلتر کردن در ورودی و کاهش تداخلات گذرا تمرکز دارد.
2. طراحی زمین‌دهی در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
طراحی سیستم زمین‌دهی مستقیماً بر قابلیت مقاومت در برابر تداخلات کل محصول تأثیر می‌گذارد. یک طراحی خوب می‌تواند تداخلات محیطی خارجی را مسدود کند و نویز داخلی را مؤثرانه کاهش دهد. در نظر گرفتن دو جنبه زیر می‌تواند قابلیت اطمینان سیستم را افزایش دهد:
زمین دیجیتال و آنالوگ به دلیل لبه‌های تیز سیگنال‌های دیجیتال، جریان‌ها در مدارهای دیجیتال تغییرات پالسی دارند. بنابراین، در سیستم‌های دستگاه‌های اندازه‌گیری برق، زمین دیجیتال و آنالوگ باید جداگانه طراحی شوند و فقط در یک نقطه به هم متصل شوند. مدارهای آنالوگ و دیجیتال روی پلاک مدار چاپی باید به زمین‌های مربوط به خود متصل شوند. این کار مؤثرانه از کوپلینگ جریان پالسی مدار دیجیتال به مدار آنالوگ از طریق امپدانس زمین مشترک جلوگیری می‌کند و تداخل گذرایی را تشکیل می‌دهد. وقتی سیگنال‌های بزرگ با فرکانس بالا در سیستم وجود دارند، این تداخل بیشتر محسوس می‌شود.
زمین‌دهی تک‌نقطه‌ای و چندنقطه‌ای در سیستم‌های با فرکانس پایین، زمین‌دهی معمولاً ترکیبی از زمین‌دهی تک‌نقطه‌ای موازی و زمین‌دهی تک‌نقطه‌ای سری است تا عملکرد را بهبود بخشد. زمین‌دهی تک‌نقطه‌ای موازی به اتصال چندین سیم زمین مدول‌ها در یک مکان گفته می‌شود، جایی که پتانسیل زمین هر مدول به جریان و مقاومت خود وابسته است. مزیت آن عدم وجود تداخل کوپلینگ از مقاومت سیم زمین مشترک است؛ ولی عیب آن استفاده بیش از حد از سیم‌های زمین است.
زمین‌دهی تک‌نقطه‌ای سری به این معنی است که چندین مدول یک سگمنت سیم زمین مشترک دارند. چون مقاومت معادل سیم زمین ولتاژ را کاهش می‌دهد، نقاط اتصال مدول‌های مختلف پتانسیل‌های متفاوتی نسبت به زمین دارند. تغییرات جریان در هر مدول پتانسیل زمین را تغییر می‌دهد، خروجی مدار را تغییر می‌دهد و تداخل کوپلینگ از مقاومت سیم زمین مشترک را ایجاد می‌کند. این روش دارای سیم‌بندی ساده است. زمین‌دهی چندنقطه‌ای معمولاً در سیستم‌های با فرکانس بالا استفاده می‌شود، جایی که هر سیم زمین مدول به تیر زمین به نزدیک‌ترین فاصله متصل می‌شود. مزیت‌های آن شامل سیم‌های زمین کوتاه، امپدانس کم و حذف نویز تداخلی ناشی از امپدانس سیم زمین مشترک است.
3. طراحی جداسازی در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
یکی از اهداف اصلی طراحی جداسازی جدا کردن منابع نویز از مدارهای حساس است. ویژگی طراحی جداسازی این است که دستگاه اندازه‌گیری برق ارتباط سیگنالی با محیط کاری خود حفظ می‌کند بدون اینکه تعامل الکتریکی مستقیمی داشته باشد. روش‌های اصلی اجرایی شامل جداسازی ترانسفورماتور، جداسازی نوری، جداسازی رله، جداسازی تقویت‌کننده و جداسازی طرح مدار چاپی است.
جداسازی ترانسفورماتور ترانسفورماتورهای پالسی با دوره‌های کم، ظرفیت توزیع شده کم (فقط چند پیکوفاراد) و پیچه‌های اولیه و ثانویه که در طرفین مقابل هسته پیچیده شده‌اند، می‌توانند به عنوان المان‌های جداسازی برای سیگنال‌های پالسی عمل کنند و جداسازی سیگنال‌های دیجیتال را انجام دهند.
جداسازی نوری افزودن یک کوپلر نوری می‌تواند پالس‌های تیز و انواع تداخلات نویز را کاهش دهد. استفاده از کوپلر نوری تضمین می‌کند که هیچ تعامل الکتریکی بین سیستم کامپیوتر میزی و پورت ارتباطی دستگاه اندازه‌گیری برق وجود ندارد و عملکرد مقاومت در برابر تداخلات سیستم را بهبود می‌بخشد. کوپلرهای نوری می‌توانند سیگنال‌های دیجیتال را جداسازی کنند اما برای سیگنال‌های آنالوگ مناسب نیستند. روش‌های رایج جداسازی سیگنال‌های آنالوگ شامل: A. تبدیل ولتاژ به فرکانس و سپس جداسازی نوری، که منجر به مدارهای پیچیده می‌شود؛ B. تقویت‌کننده‌های دیفرانسیل که ولتاژ جداسازی کمتری دارند؛ C. تقویت‌کننده‌های جداسازی که عملکرد خوبی دارند اما گران هستند.
جداسازی رله چون هیچ اتصال الکتریکی بین سیم پیچ و تماس‌های رله وجود ندارد، سیم پیچ می‌تواند سیگنال‌ها را دریافت کند در حالی که تماس‌ها آن‌ها را منتقل می‌کنند، این کار مشکل تعامل سیگنال‌های الکتریکی قوی و ضعیف را حل می‌کند و جداسازی تداخلات را انجام می‌دهد.
جداسازی طرح مدار چاپی جداسازی از طریق طرح مدار چاپی، عمدتاً جدا کردن مدارهای الکتریکی قوی و ضعیف.
4. طراحی مقاومت در برابر تداخلات مدار چاپی در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
مدار چاپی به عنوان حامل المان‌های مدار و ارائه اتصالات الکتریکی بین آن‌ها عمل می‌کند. کیفیت طراحی مدار چاپی مستقیماً بر قابلیت مقاومت در برابر تداخلات سیستم تأثیر می‌گذارد. اصول عمومی که در طراحی مدار چاپی دنبال می‌شوند شامل:
قرار دادن بلورهای اسیلاتور به نزدیک‌ترین فاصله از پین‌های واحد پردازش مرکزی (CPU). زمین‌دهی و ثابت کردن پوشش‌های فلزی آن‌ها، سپس جداسازی منطقه ساعت با یک سیم زمین—این روش مانع بسیاری از مشکلات سخت است؛
استفاده از بلورهای با فرکانس پایین‌تر برای CPU و حفظ مدارهای دیجیتال به آرامی‌تر، به شرطی که نیازهای عملکرد سیستم برآورده شوند؛
پرت کردن پورت‌های ورودی/خروجی CPU که استفاده نمی‌شوند؛ آن‌ها باید به تغذیه یا زمین سیستم متصل شوند، و همین امر برای سایر تراشه‌ها نیز صدق می‌کند؛
کمینه کردن طول خطوط بین المان‌های با فرکانس بالا. مدارهای عملکردی ورودی و خروجی را دور از هم نگه دارید، و المان‌های حساس به تداخل را نزدیک به هم قرار ندهید؛
اجتناب از حلقه‌های جریان در مدارهای با فرکانس پایین و سیگنال‌های ضعیف. اگر اجتناب‌ناپذیر است، مساحت حلقه را کمینه کنید تا نویز القایی کاهش یابد؛
اجتناب از زاویه‌های 90 درجه در سیم‌بندی سیستم برای جلوگیری از انتشار نویز فرکانس بالا؛
خط‌های ورودی و خروجی در سیستم باید از موازی شدن اجتناب کنند. یک خط زمین بین دو مسیر اضافه کنید تا کوپلینگ واکنشی مؤثرانه جلوگیری شود.
5. طراحی قابلیت اطمینان نرم‌افزاری
5.1 طراحی فیلتر دیجیتال در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
در حال حاضر، انواع تراشه‌های اندازه‌گیری گسترده‌ای در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق استفاده می‌شوند. پردازنده مرکزی از طریق رابط پیرامونی سریال (SPI) یا مبدل دریافت‌کننده/انتقال‌دهنده همزمان (UART) با این تراشه‌های اندازه‌گیری ارتباط برقرار می‌کند تا پارامترهای سیستم برق را به دست آورد. اگر باس تداخل پیدا کند یا تراشه اندازه‌گیری به طور غیرعادی کار کند، پردازنده مرکزی داده‌های اشتباه دریافت خواهد کرد.
بنابراین، ادغام فیلتر نرم‌افزاری بسیار مهم است. برای پارامترهای برق معمولی، روش میانگین‌گیری می‌تواند استفاده شود: گرفتن پنج تا شش نقطه داده، حذف بیشترین و کمترین مقادیر، و سپس محاسبه میانگین. برای داده‌های انرژی، محدوده دینامیکی در یک واحد زمان بر اساس محیط عملکرد متعارف دستگاه تخمین زده می‌شود؛ اگر داده‌های انرژی غیرعادی ظاهر شوند، نرم‌افزار می‌تواند آن مجموعه داده را حذف کند. روش‌های دیگر شامل فیلتر میانه، میانگین حسابی و فیلتر پایین‌گذر مرتبه اول است. تجربه نشان داده است که استفاده از فیلتر نرم‌افزاری قابلیت اطمینان خواندن پارامترها را به حداکثر می‌رساند.
5.2 طراحی پشتیبانی داده‌ها در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
برای بهبود قابلیت اطمینان سیستم، پارامترهای تنظیم و کالیبراسیون سیستم می‌توانند از طراحی‌های چندپشتیبانی استفاده کنند. اگر یک مجموعه داده خراب شود، یک مجموعه پشتیبانی دیگر می‌تواند فعال شود. برای تضمین امنیت داده‌ها و افزایش احتمال بقا داده‌ها تحت عملیات اشتباه، چند مجموعه داده باید در مکان‌های پراکنده ذخیره شوند.
5.3 طراحی تأیید داده و پشتیبانی عملیاتی در دستگاه‌های اندازه‌گیری برق
هنگامی که پردازنده مرکزی پارامترهای تنظیم یا کالیبراسیون را در حافظه می‌نویسد، تداخل می‌تواند باعث نوشتن داده‌های اشتباه شود، اما پردازنده نمی‌تواند صحیح بودن داده‌های نوشته شده را تعیین کند. برای تضمین نوشتن داده‌های صحیح، طراحی نرم‌افزاری یک "جمع‌بندی" روی داده‌های مورد نیاز انجام می‌دهد و جمع‌بندی را همراه با داده‌ها ذخیره می‌کند. پس از هر عملیات نوشتن، یک عملیات خواندن انجام می‌شود و جمع‌بندی داده‌های خوانده شده با جمع‌بندی ذخیره شده مقایسه می‌شود. اگر مطابقت نداشته باشند، عملیات نوشتن تکرار می‌شود تا داده‌ها به درستی نوشته شوند. اگر حد تکرار فراتر رود، خطای نوشتن نمایش داده می‌شود.
