איך לשפר את אמינות מערכת מדידת החשמל
עם התפתחות המהירה של תעשיית האלקטרוניקה, כלים ומדידים שונים נמצאים בשימוש רחב בשליטה בתעשייה ובכל תחומי החיים החברתיים. באותו הזמן, דרישות לאמינות של מכשירים הופכות 점점 גבוהות יותר, ומדדי כוח אינם יוצאי דופן. דרישות האמינות עבור מדדי כוח מוגדרות במסגרת תקני מידה חכמים.
תקנים אלו קובעים שהזמן הממוצע של שירות של מדדי כוח חייב להיות לא פחות מעשר שנים, מה שהופך את העיצוב האמין במהלך הפיתוח חשוב במיוחד. ההסתברות להשלמת פונקציות נדרשות בתנאים מוגדרים ובפרק זמן מוגדר נקרא זמן ממוצע בין כשלונות (MTBF), גם ידוע כזמן ממוצע בין כשלונות. MTBF הוא מדד נפוץ למדידת אמינות. מטרת העיצוב האמין עבור מדדי כוח היא להגדיל את MTBF של המוצר ולבטיח פעולה תקינה.
1. עיצוב אמינות חומרה
עיצוב דיכוי הפרעות במקור הכוח עבור מדדי כוח
לפי ניתוח נתונים הנדסי, 70% מהפרעות במערכות מדדי כוח נכנסות דרך מקור הכוח. לכן, שיפור איכות מקור הכוח הוא בעל חשיבות רבה לחזקת פעילות đáng אמון של המערכת כולה. מאחר והחשמל של המערכת בדרך כלל נלקח מצור החשמל, העיצוב למניעת הפרעות עבור מקור הכוח מתמקד בעיקר בחינוך בכניסה לדיכוי הפרעות חולפות.
2. עיצוב גראונד עבור מדדי כוח
עיצוב מערכת הגראונד משפיע ישירות על יכולת מניעה של הפרעות של כל המוצר. עיצוב טוב יכול למנוע הפרעות סביבתיות חיצוניות ולהדכא בצורה יעילה רעש מקושר מבפנים. שיקול שני היבטים הבאים יכול לשפר את אמינות המערכת:
גראונד דיגיטלי וגראונד אנלוגי עקב צלעות חדות של אותות דיגיטליים, זרמים במעגלים דיגיטליים מפגינים שינויים פולסים. לכן, גראונד אנלוגי ודיגיטלי צריכים לעצב בנפרד במערכות מדדי כוח, מחוברים רק בנקודה אחת. מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים על הלוח צריך לחבר עם "גראונדים" שלהם בהתאמה. זה מונע באופן יעיל את זרם הגראונד הפולסתי של המעגל הדיגיטלי מלהתחבר למעגל האנלוגי דרך התנגדות גראונד משותפת, יוצר הפרעות חולפות. כאשר ישנם אותות חזקים בתדר גבוה במערכת, הפרעות אלה נעשות משמעותיות יותר.
גראונד בנקודה אחת וגראונד במגוון נקודות במערכות בתדר נמוך, הגראונד בדרך כלל משלב גראונד בנקודה אחת מקבילה עם גראונד בנקודה אחת סדרתית כדי לשפר את הביצועים. גראונד בנקודה אחת מקבילה מתכוון לחבר יחד מספר קווי גראונד של מודולים במקום אחד, שבו הפוטנציאל של גראונד לכל מודול קשור לזרם וההתנגדות שלו. יתרונו הוא חוסר הפרעות הקישוריות מהתנגדות קו גראונד משותף; החיסרון הוא שימוש מופרז בקווי גראונד.
גראונד בנקודה אחת סדרתית אומר שמודולים מרובים משתפים את אותו קטע קו גראונד. מאחר והתנגדות השקילה של הקו הגראונד יוצרת נפילת מתח, נקודות חיבור של מודולים שונים יש להם פוטנציאלים שונים ביחס לקרקע. שינויים בזרם בכל מודול משפיעים על הפוטנציאל של הגראונד, משנה את הפלט של המעגל וגורם להפרעות קישוריות מהתנגדות קו גראונד משותף. שיטה זו מאופיינת בחיווט פשוט. גראונד במגוון נקודות נמצא בשימוש נרחב במערכות בתדר גבוה, שבה כל קו גראונד של מודול מחובר לקו גראונד מרכזי כמה שאפשר קרוב. יתרונותיה כוללים קווים קצרי גראונד, התנגדות נמוכה והסרת רעש הפרעה שנגרם מהתנגדות קו גראונד משותף.
3. עיצוב מבודד עבור מדדי כוח
אחד המטרות העיקריות של עיצוב מבודד הוא להפריד בין מקורות רעש לבין מעגלים רגישים. תכונה של עיצוב מבודד היא שממדדי כוח שומרים על תקשורת אותים עם הסביבה בה הם פועלים ללא אינטראקציה חשמלית ישירה. שיטות יישום עיקריות כוללות מבודד טרנספורמטורים, מבודד אופטי, מבודד רלאים, מגברים מבודדים ומבודד תכנון.
מבודד טרנספורמטורים טרנספורמטורים פולסים, המאופיינים במספר קטן של מסלולים, קיבולת מפוזרת קטנה (רק מספר פיקופארדים) והמסילות הראשיות והמשניות מסובבות על צידי הליבה השונים, יכולים לשמש כרכיבים מבודדים לאותות פולסים, מאפשרים מבודד אותות דיגיטליים.
מבודד אופטי הוספת קoppel אופטי יכולה לדכא פולסים ספייקים ושונות הפרעות רעש. באמצעות מבודד אופטי אין אינטראקציה חשמלית בין מערכת המחשב הראשי לנמל תקשורת של מדדי כוח, משפרת את ביצועי מניעת הפרעות של המערכת. קoppel אופטי יכולים למבדל אותות דיגיטליים אבל אינם מתאימים לאותות אנלוגיים. שיטות נפוצות למבדל אותות אנלוגיים כוללות: A. המרה ממתח לתדר ולאחר מכן מבודד אופטי, שכתוצאה מכך מתקבלים מעגלים מורכבים; B. מגברי הפרש, שהם בעלי מתח מבודד נמוך; C. מגברי מבודד, שמבצעים טוב אך הם יקרים.
מבודד רלאים מאחר ואין קשר חשמלי בין סליל הרלאים לכינים, הסליל יכול לקבל אותות בעוד הכינים מעבירים אותם, פותר בעיית אינטראקציה בין אותות חשמליים חזקים وضعיפים ומגיע למבודד הפרעות.
מבודד תכנון PCB достиж מבודד באמצעות תכנון של לוח PCB, בעיקר הפרדת מעגלי חשמל חזקים وضعיפים.
4. עיצוב מניעת הפרעות ללוח PCB עבור מדדי כוח
לוח הPCB משמש כמישקול עבור רכיבי המעגל ומספק חיבורים חשמליים ביניהם. איכות העיצוב של לוח הPCB משפיעה ישירות על יכולת מניעת הפרעות של המערכת. עקרונות כלליים שנקטו בעיצוב לוח PCB כוללים:
שים את קריסטלי השעון כמה שאפשר קרוב לפינים של מעבד מרכזי (CPU). גרוף ובטיח את המכלים המתכתיים שלהם, ואז מבודד את אזור השעון עם קו גראונד - שיטה זו מונעת רבים מבעיות קשות;
שימוש בקריסטלים בתדר נמוך עבור CPU ושמירת מעגלים דיגיטליים כמה שאפשר איטיים, בהינתן דרישות ביצועי המערכת;
פינים קלט/פלט של CPU שלא בשימוש你不应该继续完成那个句子，因为它已经转换成了中文。根据要求，你需要将英文内容翻译成希伯来语，并且保持原有的HTML结构不变。以下是正确的翻译： ```html
אין להשאיר פינים קלט/פלט של מעבד חופשיים; עליהם להיות מחוברים לכוח המערכת או לגראונד, כך גם לגבי שבבים אחרים;
להפחית את אורכם של קווים בין רכיבים בתדר גבוה. לשמור על רכיבים פונקציונליים קלט/פלט רחוקים זה מזה, ולא להניח רכיבים רגישים להפרעות קרוב מדי;
להימנע ממקלחי זרם במעגלים בתדר נמוך ובעוצמה חלשה. אם אי אפשר להימנע, להפחית את שטח המקלח כדי להפחית את הרעש המושרה;
להימנע מקצוות של 90 מעלות בקווים של המערכת כדי למנוע פליטת רעש בתדר גבוה;
קווים קלט/פלט במערכת צריכים להימנע מריצה מקביל. להוסיף קו גראונד בין שני מוליכים כדי למנוע קושרוּת רACTIVE.
5. עיצוב אמינות תוכנה
5.1 עיצוב מסנן דיגיטלי עבור מדדי כוח
כיום, מתקנים שונים למדידה נמצאים בשימוש רחב במדדי כוח. המעבד המרכזי מתקשר עם מתקנים אלה דרך Serial Peripheral Interface (SPI) או Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) כדי לקבל פרמטרים של מערכת הכוח. אם הבאס מתפרץ או שהמתקן עובד בצורה בלתי תקינה, המעבד המרכזי יקבל נתונים שגויים.
לכן, важно מאוד להכליל מסנן תוכנה. עבור פרמטרי כוח רגילים, ניתן להשתמש בשיטה של ממוצע: לאסוף חמישה עד שש נקודות נתונים, להסיר את המקסימום ואת המינימום, ואז לחשב את הממוצע. עבור נתונים של אנרגיה, להעריך את הטווח הדינמי בתוך זמן יחידה על בסיס סביבת ההפעלה המוגדרת של המד; אם מופיעים נתונים של אנרגיה בלתי תקינים, התוכנה יכולה להיפטר מהקבוצה הזו של נתונים. שיטות נוספות כוללות מסנן מדיאני, ממוצע אריתמטי ומסנן מסדר ראשון נמוך. הניסיון הוכיח כי שימוש במסנן תוכנה מקסם את האמינות של קריאות הפרמטרים.
5.2 עיצוב גיבוי נתונים עבור מדדי כוח
כדי לשפר את אמינות המערכת, ניתן להשתמש בעיצוב רב-גיבוי עבור פרמטרי הגדרה ופרמטרי קליברציה של המערכת. אם קבוצה אחת של נתונים נהרסה, ניתן להפעיל קבוצה אחרת של גיבוי. כדי להבטיח את ביטחון הנתונים ולהגדיל את הסיכוי לשרידות הנתונים בפעולות שגויות, מספר קבוצות נתונים צריכות להיות שמורות במקומות מפוזרים.
5.3 עיצוב בדיקת נתונים וגיבוי פעולה עבור מדדי כוח
כאשר המעבד המרכזי כותב פרמטרי הגדרה או קליברציה לזיכרון, הפרעה יכולה לגרום לכתוב נתונים שגויים, אך המעבד אינו יכול לקבוע את נכונות הנתונים שנכתבו. כדי להבטיח כתיבה נכונה של נתונים, העיצוב התוכנה מבצע "סכום ביקורת" על הנתונים שיש לרשום ומחבר את סכום הביקורת עם הנתונים. לאחר כל פעולה של כתיבה, מבוצעת פעולה של קריאה, וסכום הביקורת של הנתונים שנקראים מושווה לסכום הביקורת המשמר. אם הם לא תואמים, הפעולה של הכתיבה חוזרת עד שהנתונים נכתבים נכון. אם גבול המחזורות עבר, מוצג שגיאת כתיבה.
```
