1 引言
        閥門是自動化控制領域重要的終端控制設備，是自動化系統的三大組成部分之一。傳統電動閥門存在控制方式落后、測量精度低、可靠性差、難以實現設備之間及系統與外界之間信息交換等缺點。數字化電動閥門具有控制裝置體積小、功能強、外露故障點少、可實現數字化控制等優點，因此研究數字化電動閥門，對工業生產具有重要的理論意義和實用價值。
        2 LonWorks數字化電動閥門
        數字化技術在電動閥門上的應用是指采用可編程器件作為電動閥門現場控制器的核心，通過編程對其工作進行自動控制，使閥門按照預定順序完成設定的功能。在閥門工作過程中，其工作狀態可以在現場控制器上讀取，也可以沿總線網絡上傳至中央控制室進行顯示；中央控制室發出的控制命令，也可沿同一線路傳給現場控制器以指揮閥門按照預定    要求工作。
    本試驗電動閥門數字化設計的核心是采用微控制器（神經元芯片FT3150）實現對電動閥門行程、轉矩的數字化檢測與控制，并通過LonWorks現場總線實現電動裝置之間互聯、互操作，并與上位機進行數字通信，故障診斷由協處理器DSP（TMS320F2812）進行數據采集、處理、判定來實現。系統的結構如圖1。
圖1 系統結構圖
        3 電動閥門數字化設計中的抗干擾性措施
        3.1 硬件抗干擾設計
        由于電動閥門的工作環境一般比較惡劣，現場干擾很嚴重，對電動閥門的硬件結構提出了很高的要求。為了提高閥門的可靠性和穩定性，必須采取必要的硬件抗干擾措施，有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。只要合理地選擇布置有關元器件和參數，就能抑制系統的絕大部分干擾。設計時采用的硬件抗干擾措施主要有：
        1）主協處理器結構。系統采用雙CPU結構，主處理器FT3150實現開度控制和通信功能，協處理器TMS320F2812實現電信號采集、處理與轉矩辨識。主協處理器分工減輕了主處理器負擔，提高了系統的可靠性，并且主協處理器之間僅傳輸電源和少量控制信號，減少了主協處理器外圍電路之間的互相干擾。
        2）傳感器隔離。本系統選用磁平衡式CSM050B系列霍爾電流傳感器和VSM025A系列霍爾電壓傳感器，能夠很好的實現控制電路與主電路的隔離，從而保證了電路的可靠運行，提高了系統的抗干擾能力，避免了主電路中大電流流過地線時壓降帶來的干擾。    
        3）通信變壓器隔離。通信變壓器實現了數字信號輸入/輸出通信的隔離，本系統選用Echelon公司的FT-X1，并將其連接在主處理器和控制電路之間，，對電磁干擾和高頻共膜噪聲起到了很好的抑制作用，可有效提高抗干擾能力。
        4）穩定電源設計。CPU電路和I/O電路分別供電，并形成各自的回路，提高了電源抗干擾能力。供電電路采用模塊化電源HZA05-220D05P05W，具有體積小、可靠性高等特點，避免了自行設計的電源質量依賴于選用的分立元器件，體積較大、可靠性難以保證等缺點。
        5）元器件選擇。選擇具有良好電磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）性能的元器件。盡量選擇表貼式封裝形式，因為表貼式封裝器件的引線極短，大大降低了分布電感和電容，改善了高頻特性，具有很好的抗干擾性能。如在核心器件Neuron芯片與收發器的選擇上，選取了抗干擾能力強、功耗小的智能收發器FT3150；選擇外擴存儲器地址譯碼和邏輯控制器件時，采用了高度集成化的CPLD芯片（XC9536）。
        6）印刷電路板布線。電源線和接地線加粗，并盡量縮短走線長度，減小了線路的電感。各單元地線自成回路，并有公共接地點，減少了地電流引起的相互干擾。導線的走線沒有彎曲或尖角，減少了因電應力集中引起電弧、電暈而產生的干擾。保持線與線之間有足夠的距離，信號線遠離電源線。盡可能避免導線分支，在必須分支處圓滑，半徑不小于2cm。

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        3.2 軟件可靠性設計
        隨著計算機控制系統規模的增大，軟件復雜性不斷增加，對軟件的可靠性要求越來越高。盡管硬件抗干擾措施可抑制大部分干擾信號，但因干擾信號產生的原因很復雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統完全不受干擾。因此在硬件抗干擾措施的基礎上，采取必要的軟件抗干擾技術極其重要，它作為系統抗干擾措施的重要手段，與硬件抗干擾措施配合，可進一步增強系統的可靠性。
        LonWorks數字化電動閥門及其控制系統軟件設計采用了自上而下和結構化程序設計方法，將程序設計成若干個能獨立完成某種任務的模塊，獨立調試和檢查，最后對整個軟件進行集成統調和檢查，以確保軟件系統的可靠性。
        軟件抗干擾技術具有設計簡單、修改靈活、耗費資源少等特點。本系統采用的軟件抗干擾措施主要有：
        1）利用CPLD硬件，采用VerilogHDL語言編程實現互鎖控制。在電機控制電路中為實現正反轉的互鎖控制，防止觸發信號同時為低電平而導通，采用VerilogHDL語言編程實現電機邏輯互鎖功能。由于VerilogHDL語言編程的整個邏輯組合電路在CPLD器件內部完成，因此系統的可靠性和實時性得到增強。
        2）指令重復執行。在對開關量或數字量進行采集時，重復采集多次，直到連續兩次或兩次以上結果完全相同時才視為有效。在不影響實時性要求前提下，對各次采集信號之間再插入一段延時，使數據可靠性更高。
        3）看門狗技術。指令冗余技術和軟件陷阱技術都不能很好的使失控程序擺脫死循環狀態，采用看門狗技術能很好的解決這個問題。Neuron芯片由三個看門狗定時器，分別檢測三個CPU，如果發現應用程序或系統軟件沒有定期對這些定時器進行復位，整個Neuron芯片將自動復位。
        4）睡眠抗干擾。由于Neuron芯片很多情況下是在執行一些等待指令和循環檢查程序，可通過軟件控制使其進入低功耗的睡眠狀態，必要時再由喚醒事件重新啟動。睡眠狀態下存儲器、通信端口不使能，地址總線處于高電平取消選定的所有外部設備，數據總線處于輸出狀態阻止數據線浮動，這些都降低了系統受干擾的概率。
        5）低壓保護。復位引腳在低于0.8V的電壓上保持了至少20ns時，低壓保護器件DS1233向RESET引腳發出重啟信號，內部軟件復位，Neuron芯片執行重啟操作，避免低電壓下可能發生的數據錯誤。
        4 抗電磁干擾試驗研究
        本試驗主要通過對LonWorks數字化電動閥門進行傳導耦合干擾和輻射耦合干擾的抗電磁干擾試驗，測定閥門在強電磁干擾環境下的工作情況。所用測量儀器如下：
        （1）GMF-8E型高壓毫微秒脈沖源：脈沖峰值（0~4）kV，上升時間3ns，半峰時間35ns；
        （2）脈沖高壓探頭：LeCroyPPE20kV，衰減比1000：1，3dB帶寬100MHz；
        （3）數字存儲示波器：LeCroy6100A，采樣頻率5GHz，模擬帶寬1GHz，Tektronix-TDS3032，采樣頻率2.5GHz，模擬帶寬300MHz；
        （4）30kV有界波核電磁脈沖模擬器：脈沖峰值（0~30）kV，上升時間20ns，半峰時間600ns。
        4.1 傳導耦合試驗
        傳導耦合干擾是指通過導線直接耦合到敏感電路中，干擾源與敏感器件之間有完整的電路連接。傳導耦合試驗原理如圖2所示。將閥門之間互連的數據線置于耦合夾中，高壓脈沖源產生的高壓脈沖經過耦合夾時，數據線上產生感應電壓（可由高壓探頭測得波形），觀察LonWorks數字化電動閥門的運行狀況。
圖2 傳導耦合試驗原理圖    
        4.1.1 傳導試驗結果
        圖3為對LonWorks數字化電動閥門進行數據線路傳導耦合試驗時測得的電壓波形圖，其中CH1為高壓毫微秒脈沖源側波形，CH2為LonWorks數字化電動閥門耦合高壓脈沖后數據線端口側波形。測得數據記錄如表1所示。
圖3 LonWorks數字化電動閥門數據線路耦合電壓波形
表1 LonWorks數字化電動閥門傳導耦合試驗數據
        由表1可以看出，耦合電壓在3700V以下時，LonWorks數字化電動閥門可以正常運行，沒有出現異常反應；3700V時LonWorks數字化電動閥門在運行中會出現復位操作，工作的連續穩定性受到影響；在4000V的高電壓下，LonWorks數字化電動閥門運行中出現死機，運行停止，不能正常工作。由此可以看出，本樣機在不大于3700V電壓所產生的電場的影響下，仍能正常工作，具有較高的可靠性與穩定性。
圖4 有界波模擬器試驗原理圖
        4.2 輻射耦合試驗
        輻射耦合干擾通過空間傳播電磁能量，主要由輻射電磁場耦合進敏感設備內形成干擾。采用有界波模擬器對Lon-Works數字化電動閥門進行輻射耦合試驗的原理圖如圖4所示。將LonWorks數字化電動閥門放入有界波模擬器中，加5000V的高壓脈沖產生電場，觀察該LonWorks數字化電動閥門運行是否正常。    
        輻射耦合試驗中，將LonWorks數字化電動閥門放入有界波模擬器，在5000V高壓產生的6250V/m的電場下LonWorks數字化電動閥門工作正常。
        以上試驗數據是在LonWorks數字化電動閥門數據線屏蔽層沒有接地情況下測得的，該情況下LonWorks數字化電動閥門已具有很好的抗電磁干擾能力。屏蔽層接地后，LonWorks數字化電動閥門在耦合電壓為7000V時仍能正常運轉。現場應用時LonWorks數字化電動閥門數據線屏蔽層是接地的，可見該LonWorks數字化電動閥門具有很強的抗電磁干擾能力，能適應在強電磁干擾情況下的應用。
        5 結論
        本文在已研制的LonWorks數字化電動閥門樣機的基礎上，進行了該樣機抗電磁干擾的軟件和硬件設計，并通過試驗驗證了該設計可有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道，抑制絕大部分的干擾信號，提高了LonWorks數字化電動閥門的可靠性和穩定性，使其在強電場下仍能正常工作，具有很強的抗電磁干擾能力。