提高老化测试设备系统控制稳定性的研究

彭荣涛,林玛丽(广州合成材料研究院有限公司,广东广州,510665)

提高老化测试设备系统控制稳定性的研究

彭荣涛,林玛丽
(广州合成材料研究院有限公司,广东广州,510665)

良好的电路结构设计对设备稳定性有着重要的意义。在相对复杂的电路控制系统中,有效地将系统分层、隔离控制是很有必要的,这在广州合成材料研究院生产的紫外老化设备的光辐照度控制系统应用中有很好的体现,对设备性能稳定性有很好的改善。

分层;隔离控制;系统控制;老化实验设备

随着科技的不断发展,人民的生活越来越离不开电子产品,小到家用电器,大到专业领域的大型控制设备。在老化设备控制领域,为了快速了解一个新产品或者材料的耐老化性能,我们需要一个模拟大自然气候环境老化的电子实验设备,在较短的时间内完成对新产品未知性能的评判结果,因此就诞生了我们所说的光老化设备—这个涉及到很多复杂控制的电子产品。近些年来,美国ATLAS公司凭借多年的经验与世界知名的检测机构Intertek于2004年9月在中国宣布成立合资公司,生产光老化实验设备并在香港、深圳、北京、上海设有销售和服务办事处;随之,国内很多厂家或者企业也开始研发生产光老化实验设备,但生产出来的设备在性能方面却并不理想,与国外先进设备相比还有不小差距,主要表现为辐照度控制问题没有能够很好地解决,光源强度不能恒定控制,因而几乎都没有得到国内业界的认可,始终没有解决国产品牌在消费者心目中的形象问题。老化试验设备,其性能核心还是他的电路控制系统,因此,要做好该类产品,关键是做好整个系统电路的稳定性控制。本文探讨一下在研究紫外老化设备光辐照度控制系统中,发现的一些问题和改进方法,并提出一些控制中应该注意的问题。

1 试验平台

本文电子控制系统的相关实验数据和控制方法的完善主要是在广州合成材料研究院的BUV 2100C紫外老化试验箱的研发过程中得到的。

2 试验研发过程

在早期的紫外辐照度控制的老化箱开发过程中,辐照度存在控制不稳定的现象,具体表现为开机运行控制某一恒定光辐照度强度,一段时间后,就会出现辐照度大小的跳变甚至紫外光源闪烁等现象,基于这些问题,我们对辐照度控制的每一步进行了跟踪分析,找到了导致信号控制不稳定的因素,于是设计了新版的单片机控制系统,其性能比先前研发的有了质的飞跃,性能相对稳定,一个连续的2000小时实验长期运行辐照度控制无任何频闪和大幅波动现象,当然其性能的稳定性还需要进一步在实验中检验。

初期版本实验数据变化太大,其测量出来的数值每次变化不一,没有实际参考意义;通过重新设计后的现阶段版本数据相对稳定,测量数据参见表1。

表1 现阶段版本实验数据Table 1 Current version of the experim ental data

基于初期的设计,现阶段在设计电路过程中,主要考虑到多重、多路控制可能存在的一些干扰,对硬件控制部分进行了优化设计,将I/O隔离,独立进行控制;电源分两路供给,其一是单片机主板芯片电源,其二是I/O驱动电源供应;将系统CPU的电源供给与外部I/O口电源供应分离,这样将减小系统错误发出指令过程中对外部I/O实体的控制,比如继电器可能存在的误动作;隔离体现在将输入信号经过电路板的内部电路的一个处理过程,滤掉可能存在的干扰信号,经过处理后再进行屏蔽处理接收放大。

2.1 抑制干扰源[1]

电路板上每个IC要并接一个相应的高频电容,以减小IC对电源的影响,并注意高频电容的布线,布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。

2.2 切断干扰传播路径

按干扰传播路径分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰,高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,同时经过隔离光耦处理,效果明显。电源噪声的危害大,要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般处理的方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线将它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。

切断干扰源的具体措施[2]:

(1)充分考虑电源对单片机的影响,电源做好了,整个电路抗干扰就解决了一大半,许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机加滤波处理和稳压电路,以减小噪声对单片机的干扰。

(2)单片机控制电机等噪声器件,I/O与噪声源应加以隔离。

(3)晶振布线尽量与单片机引脚靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定,试验证明此措施可以解决许多疑难问题。

(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(继电器、电机等)与敏感元器件(单片机)远离。

(5)用地线把数字、模拟信号隔离,数字地和模拟地要分离,最后接于电源地。

(6)单片机和大功率信号要单独接地,减小可能存在的相互干扰。大功率尽量放在电路板边缘。

(7)电路I/O口以及连接外部驱动电路的地方使用抗干扰磁环、电源滤波器等处理。可显著提高电路的抗干扰性能。

老化试验设备的抗干扰和一般民用电子产品所采取的措施基本一样,大体上可分为接地、布线、元器件的选择、滤波和屏蔽等,相比之下,在科学实验设备中,对设备的稳定性和试验参数控制的准确性要求更高、更严格。实现设备的长期稳定性控制技术措施大致可以归为两类:

第一类措施是设备和系统本身应尽可能选用相互干扰最小的部件、电路和设备,并予以合理的布局。将输入和对应的输出信号尽可能靠近配对安排;妥善布置导线,信号线和信号回路线所形成的环路面积最小,两条信号线切忌平行,而应采取垂直交叉方式,或者拉开两条线之间的距离;妥善布置控制板上的电路,应将相关控制的元器件尽量靠得近一些。

第二类措施是通过采用屏蔽、滤波、接地、合理布线的方式,将干扰予以隔离和抑制。

3 结束语

通过对老化试验设备的研发,并将相关理论知识与实际设计理念融合,对紫外试验箱辐照度控制有了一定的突破,使本院研发的紫外老化实验设备整体性能有了显著提高,当然还需要进一步在不断的长期试验测试中得到验证,保证辐照度控制系统的可靠性;未来还需要在进一步验证了系统的可靠性之后,需要进一步完善光源的溯源,做好光源的辐照强度校准,使该产品真正做到有根据可依,这是一个成熟的实验设备必须具备的基本因素;随着高科技的不断发展,产品种类的不断更新与壮大,一个性能稳定的产品必将占领市场,赢得消费者的心,更重要的是在试验设备领域它将给人类的试验带来更接近真实情况的试验数据,保证试验的可靠结果,给人类科技的发展做出贡献。

[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