تصميم عداد كهربائي رقمي مقاوم للكهرباء الساكنة بجهد 15 كيلو فولت مع دارة مبسطة واستقرار عال

 1. نظرة عامة على الحل​

يهدف هذا الحل إلى تقديم تصميم متر كهربائي رقمي ذو أداء عالٍ ومعتمد. يكمن جوهر الحل في تصميم دائرة الساعة الرئيسية المبتكرة للرقاقة الرئيسية للتحكم، والتي تحل بشكل فعال الضعف الداخلي للمETERS الرقمية التقليدية فيما يتعلق بمقاومة التداخل الكهروستاتيكي (ESD). يمكن للمتر أن يمر بنجاح اختبار التفريغ الكهروستاتيكي غير المباشر 15kV، مع امتلاكه مزايا مثل هيكل دائرة مبسط واستقرار ساعة عالي. وهو مناسب لسيناريوهات الرصد الصناعي التي تتطلب موثوقية وثباتًا صارمين.

​2. نقاط الألم الصناعية والخلفية الفنية​

​2.1 نقطة الألم الصناعية: ضعف قدرة مقاومة التداخل الكهروستاتيكي​

في البيئات الصناعية، يعتبر التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) أحد أهم أسباب فشل المعدات الإلكترونية. المETERS الرقمية التقليدية عرضة للغاية لإعادة تشغيل النظام أو حدوث شذوذ وظيفي بسبب التداخل خلال اختبارات ESD غير المباشرة 15kV، مما يجعلها لا تلبي متطلبات التطبيقات ذات الموثوقية العالية.

​2.2 الخلفية الفنية: تحليل الحلول الحالية​

يرجع تحدي مقاومة ESD في المETERS الرقمية الحالية بشكل أساسي إلى تصميم تردد الساعة الرئيسية:

• ​الحل 1: ربط مذبذب البلور عالي التردد مباشرة:​​ يتم ربط الرقاقة الرئيسية للتحكم بمذبذب بلور عالي التردد بتردد 25MHz، ويحتاج إلى كاباستورين خارجين لتعويض. رغم بساطة الهيكل، فإن هذا التصميم يعاني من ضعف مقاومة ESD في منافذ I/O للرقاقة (المصممة لتوفير الطاقة). الإشارة عالية التردد عرضة للتداخل تحت نبضات ESD، مما قد يؤدي إلى تعطل النظام.
• ​الحل 2: مذبذب بلور منخفض التردد مع مضاعفة التردد:​​ يتم استخدام مذبذب بلور منخفض التردد ومضاعفته إلى تردد عالي عبر حلقة التحويل الداخلية (PLL). يقدم هذا النهج بعض التحسين ضد التدخل المباشر ولكنه لا يحل المشكلة الأساسية للتداخل الكهروستاتيكي، مما يؤدي إلى أداء أقل من الأمثل لمكافحة التداخل.

تواجه كلا الحلول التقليدية صعوبة في ضمان عمل المتر بشكل مستقر في بيئات كهرومغناطيسية قاسية.

​3. هيكل المتر العام والوظائف​

يعتمد متر هذا الحل على تصميم الوحدات، يتكون من ستة وحدات رئيسية تعمل بواسطة وحدة طاقة موحدة. الهيكل واضح، والوظائف محددة. الاتصالات والوظائف لكل وحدة مع الرقاقة الرئيسية للتحكم كالتالي:

​4. المزايا التقنية الأساسية​

​4.1 قدرة ممتازة على مقاومة التداخل الكهروستاتيكي​

أهم ميزة لهذا الحل هو تصميم الساعة الرئيسية المبتكر. بتخليه عن نظام الربط المباشر للمذبذب عالي التردد الذي يسبب التداخل، يستخدم الرقاقة الرئيسية للتحكم مذبذب بلور منخفض التردد بتردد 32768Hz كإدخال تردد رئيسي. نظرًا لأن إشارات التذبذب المنخفضة التردد لها شدة إشعاع خارجي منخفضة وتكون أقل عرضة للتداخل الكهروستاتيكي من الضوضاء عالية التردد الخارجية (مثل نبضات ESD)، يتم تحسين أداء مقاومة التداخل بشكل كبير في المصدر. هذا التصميم يحل بنجاح مشكلة المETERS التقليدية، مما يتيح مرور اختبار ESD غير المباشر 15kV بشكل مستقر ويضمن التشغيل الموثوق به في البيئات الصناعية المعقدة.

​4.2 هيكل دائرة مبسط​

الرقاقة الرئيسية للتحكم المختارة (MSP430F5438A) تحتوي على كاباستور داخلي لدائرة المذبذب المنخفض التردد. هذا التصميم يلغي الحاجة إلى الكاباستورين الخارجيين المطلوبين في أنظمة البلور عالي التردد التقليدية، مما يبسط تخطيط اللوحة PCB، ويقلل من عدد المكونات وتكلفة المواد، ويقلل من تعقيد اللحام في الإنتاج، ويحسن من التوافق والاستقرار المنتج.

​4.3 استقرار ساعة أعلى​

• ​ساعة البرامج النظامية المستقرة:​​ يمكن للمذبذب 32768Hz، بعد تقسيم التردد، أن يولد إشارة ثانية دقيقة بتردد 1Hz، والتي تشكل الأساس للساعة النظامية للبرامج. استقرارها ودقتها أفضل بكثير من الساعات المولدة بواسطة محاكاة البرامج أو التقسيم عالي التردد.
• ​ساعة القياس المستقرة:​​ تأتي الساعة المستخدمة لعينة ADC لقياس الطاقة من هذه الساعة المنخفضة التردد المستقرة، مما يضمن دقة عينة وحساب المعلمات الكهربائية مثل الجهد والحالية والطاقة وغيرها. وهذا يوفر أساس البيانات لإدارة الطاقة عالية الجودة.

​5. مبدأ عمل النظام​

سير العمل للمتر كما يلي:

1. ​تشغيل الطاقة:​​ تتلقى وحدة الطاقة إدخال AC عبر الإمداد المساعد AC-DC، حيث يتم تحويله وعزله إلى جهود 5V، 3.3V، و5V معزولة. هذه الجهود تغذي وحدة استشعار الإشارات، النظام الرئيسي للتحكم (بما في ذلك الساعة الزمنية الحقيقية، الذاكرة، وحدة التحكم في العرض)، وواجهة الاتصال على التوالي، مما يضع جميع الوحدات في حالة الاستعداد.
2. ​استشعار الإشارات:​​ تقوم وحدة استشعار الإشارات باستمرار بجمع إشارات الجهد والحالية من الشبكة الكهربائية الثلاثية الأطوار. بعد المعالجة (مثل القسمة، التحويل الحالي، التكبير بواسطة المكبر العملي، تحويل المستوى)، ترسل الإشارات التناظرية التي تمثل معلمات الشبكة إلى الرقاقة الرئيسية للتحكم.
3. ​معالجة الإشارات:​​ تقوم الرقاقة الرئيسية للتحكم أولاً بتحويل الإشارات التناظرية المستلمة إلى إشارات رقمية باستخدام محول AD المدمج. ثم، بالاشتراك مع الوقت من الساعة الزمنية الحقيقية، تقوم بإجراء حسابات وتحليل للإشارات الرقمية لاستخراج المعلمات الكهربائية المطلوبة (مثل الجهد والحالية RMS، الطاقة النشطة/غير النشطة، عامل القوة، التردد).
4. ​إخراج البيانات والتواصل:​​
• ​التخزين:​​ يتم حفظ البيانات المعالجة في الذاكرة الداخلية للمعلومات للاستعلام عن البيانات التاريخية وتحليل الحمل.
• ​العرض:​​ يتم إرسال البيانات في الوقت نفسه إلى وحدة التحكم في العرض لتحديث الشاشة LCD بشكل حقيقي.
• ​الاتصال:​​ يتم رفع البيانات في الوقت الحقيقي إلى مركز الرصد عن بعد عبر واجهة الاتصال RS485 للرصد عن بعد.
• ​التحكم:​​ يمكن للمستخدمين التحكم في المتر محليًا عبر الأزرار في وحدة العرض للبحث عن البيانات أو ضبط المعلمات.