提高老化測試設(shè)備系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的研究

彭榮濤,林瑪麗(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

提高老化測試設(shè)備系統(tǒng)控制穩(wěn)定性的研究

彭榮濤,林瑪麗
(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

良好的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性有著重要的意義。在相對(duì)復(fù)雜的電路控制系統(tǒng)中,有效地將系統(tǒng)分層、隔離控制是很有必要的,這在廣州合成材料研究院生產(chǎn)的紫外老化設(shè)備的光輻照度控制系統(tǒng)應(yīng)用中有很好的體現(xiàn),對(duì)設(shè)備性能穩(wěn)定性有很好的改善。

分層;隔離控制;系統(tǒng)控制;老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備

隨著科技的不斷發(fā)展,人民的生活越來越離不開電子產(chǎn)品,小到家用電器,大到專業(yè)領(lǐng)域的大型控制設(shè)備。在老化設(shè)備控制領(lǐng)域,為了快速了解一個(gè)新產(chǎn)品或者材料的耐老化性能,我們需要一個(gè)模擬大自然氣候環(huán)境老化的電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備,在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)新產(chǎn)品未知性能的評(píng)判結(jié)果,因此就誕生了我們所說的光老化設(shè)備—這個(gè)涉及到很多復(fù)雜控制的電子產(chǎn)品。近些年來,美國ATLAS公司憑借多年的經(jīng)驗(yàn)與世界知名的檢測機(jī)構(gòu)Intertek于2004年9月在中國宣布成立合資公司,生產(chǎn)光老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備并在香港、深圳、北京、上海設(shè)有銷售和服務(wù)辦事處;隨之,國內(nèi)很多廠家或者企業(yè)也開始研發(fā)生產(chǎn)光老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備,但生產(chǎn)出來的設(shè)備在性能方面卻并不理想,與國外先進(jìn)設(shè)備相比還有不小差距,主要表現(xiàn)為輻照度控制問題沒有能夠很好地解決,光源強(qiáng)度不能恒定控制,因而幾乎都沒有得到國內(nèi)業(yè)界的認(rèn)可,始終沒有解決國產(chǎn)品牌在消費(fèi)者心目中的形象問題。老化試驗(yàn)設(shè)備,其性能核心還是他的電路控制系統(tǒng),因此,要做好該類產(chǎn)品,關(guān)鍵是做好整個(gè)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性控制。本文探討一下在研究紫外老化設(shè)備光輻照度控制系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)的一些問題和改進(jìn)方法,并提出一些控制中應(yīng)該注意的問題。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文電子控制系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制方法的完善主要是在廣州合成材料研究院的BUV 2100C紫外老化試驗(yàn)箱的研發(fā)過程中得到的。

2 試驗(yàn)研發(fā)過程

在早期的紫外輻照度控制的老化箱開發(fā)過程中,輻照度存在控制不穩(wěn)定的現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為開機(jī)運(yùn)行控制某一恒定光輻照度強(qiáng)度,一段時(shí)間后,就會(huì)出現(xiàn)輻照度大小的跳變甚至紫外光源閃爍等現(xiàn)象,基于這些問題,我們對(duì)輻照度控制的每一步進(jìn)行了跟蹤分析,找到了導(dǎo)致信號(hào)控制不穩(wěn)定的因素,于是設(shè)計(jì)了新版的單片機(jī)控制系統(tǒng),其性能比先前研發(fā)的有了質(zhì)的飛躍,性能相對(duì)穩(wěn)定,一個(gè)連續(xù)的2000小時(shí)實(shí)驗(yàn)長期運(yùn)行輻照度控制無任何頻閃和大幅波動(dòng)現(xiàn)象,當(dāng)然其性能的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)。

初期版本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化太大,其測量出來的數(shù)值每次變化不一,沒有實(shí)際參考意義;通過重新設(shè)計(jì)后的現(xiàn)階段版本數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定,測量數(shù)據(jù)參見表1。

表1 現(xiàn)階段版本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Current version of the experim ental data

基于初期的設(shè)計(jì),現(xiàn)階段在設(shè)計(jì)電路過程中,主要考慮到多重、多路控制可能存在的一些干擾,對(duì)硬件控制部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),將I/O隔離,獨(dú)立進(jìn)行控制;電源分兩路供給,其一是單片機(jī)主板芯片電源,其二是I/O驅(qū)動(dòng)電源供應(yīng);將系統(tǒng)CPU的電源供給與外部I/O口電源供應(yīng)分離,這樣將減小系統(tǒng)錯(cuò)誤發(fā)出指令過程中對(duì)外部I/O實(shí)體的控制,比如繼電器可能存在的誤動(dòng)作;隔離體現(xiàn)在將輸入信號(hào)經(jīng)過電路板的內(nèi)部電路的一個(gè)處理過程,濾掉可能存在的干擾信號(hào),經(jīng)過處理后再進(jìn)行屏蔽處理接收放大。

2.1 抑制干擾源[1]

電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)相應(yīng)的高頻電容,以減小IC對(duì)電源的影響,并注意高頻電容的布線,布線時(shí)避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射。

2.2 切斷干擾傳播路徑

按干擾傳播路徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾,高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同,可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,同時(shí)經(jīng)過隔離光耦處理,效果明顯。電源噪聲的危害大,要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般處理的方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線將它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾源的具體措施[2]:

(1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響,電源做好了,整個(gè)電路抗干擾就解決了一大半,許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)加濾波處理和穩(wěn)壓電路,以減小噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。

(2)單片機(jī)控制電機(jī)等噪聲器件,I/O與噪聲源應(yīng)加以隔離。

(3)晶振布線盡量與單片機(jī)引腳靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來,晶振外殼接地并固定,試驗(yàn)證明此措施可以解決許多疑難問題。

(4)電路板合理分區(qū),如強(qiáng)、弱信號(hào),數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源(繼電器、電機(jī)等)與敏感元器件(單片機(jī))遠(yuǎn)離。

(5)用地線把數(shù)字、模擬信號(hào)隔離,數(shù)字地和模擬地要分離,最后接于電源地。

(6)單片機(jī)和大功率信號(hào)要單獨(dú)接地,減小可能存在的相互干擾。大功率盡量放在電路板邊緣。

(7)電路I/O口以及連接外部驅(qū)動(dòng)電路的地方使用抗干擾磁環(huán)、電源濾波器等處理?？娠@著提高電路的抗干擾性能。

老化試驗(yàn)設(shè)備的抗干擾和一般民用電子產(chǎn)品所采取的措施基本一樣,大體上可分為接地、布線、元器件的選擇、濾波和屏蔽等,相比之下,在科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中,對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和試驗(yàn)參數(shù)控制的準(zhǔn)確性要求更高、更嚴(yán)格。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長期穩(wěn)定性控制技術(shù)措施大致可以歸為兩類:

第一類措施是設(shè)備和系統(tǒng)本身應(yīng)盡可能選用相互干擾最小的部件、電路和設(shè)備,并予以合理的布局。將輸入和對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)盡可能靠近配對(duì)安排;妥善布置導(dǎo)線,信號(hào)線和信號(hào)回路線所形成的環(huán)路面積最小,兩條信號(hào)線切忌平行,而應(yīng)采取垂直交叉方式,或者拉開兩條線之間的距離;妥善布置控制板上的電路,應(yīng)將相關(guān)控制的元器件盡量靠得近一些。

第二類措施是通過采用屏蔽、濾波、接地、合理布線的方式,將干擾予以隔離和抑制。

3 結(jié)束語

通過對(duì)老化試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā),并將相關(guān)理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)理念融合,對(duì)紫外試驗(yàn)箱輻照度控制有了一定的突破,使本院研發(fā)的紫外老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體性能有了顯著提高,當(dāng)然還需要進(jìn)一步在不斷的長期試驗(yàn)測試中得到驗(yàn)證,保證輻照度控制系統(tǒng)的可靠性;未來還需要在進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性之后,需要進(jìn)一步完善光源的溯源,做好光源的輻照強(qiáng)度校準(zhǔn),使該產(chǎn)品真正做到有根據(jù)可依,這是一個(gè)成熟的實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須具備的基本因素;隨著高科技的不斷發(fā)展,產(chǎn)品種類的不斷更新與壯大,一個(gè)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品必將占領(lǐng)市場,贏得消費(fèi)者的心,更重要的是在試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域它將給人類的試驗(yàn)帶來更接近真實(shí)情況的試驗(yàn)數(shù)據(jù),保證試驗(yàn)的可靠結(jié)果,給人類科技的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

[1] M ar JLen JH.A dvanced M ixed-SignalM odeling and Sim ulation Techniques for Telecomm unicationsDesign USA:Analogy Corp 1997.

[2] John P.Uyem u ra A FirstCourse in D igital SystensDesign:An In tegrated App roach USA:Co le Publishing Company 2000.

The Research abou t Im prov ing the System of Ag ing Test Equ ipm en t's Stab ility

PENG Rong-tao,L IN M a-li
(Guangzhou Research Institute Co.L td.of SyntheticM aterials,Guangzhou 510665,Guangdong,China)

A good circuit design is significant for equipm ent's stability.In a relatively comp licated electrical con tro l system,effectively to contro l system from the layer is very necessary,thatw as em bodyed in the con tro l system of aging test equipm ent p roducted by Guangzhou Research Instute Co.L td.of Synthetic M aterials,it has a great imp rovem enton the equipm ent's stability.

layer;iso lation contro l;system contro l;aging experim entequipm ent

TQ 315

2010-06-09