电路板的设计流程篇1
关键词：地线；印刷板；环路；总线；控制
中图分类号：tp336文献标识码：a文章编号：1009-3044(2012)26-6379-02
ResearchonimprovingtheperformanceindexofpCB
LiUShuang-qing,XieBao-ling
(theBasisoftheDepartmentofComputinginthearmyofficeracademy,Heifei230031,China)
abstract:thispaperstartsfromthedetaileddesignofprintingcircuitboards,standardizesthegroundwire’sdesignandoptimiz?esthedesignofelectromagneticcompatibilitythermaleffectandlayout,thusimprovesthereliabilityandstabilityofprintingcir?cuit.
Keywords:groundwire;pCB;loop;bus;control
目前各类电子设备上的电子元器都是以印刷电路板为基体，通过焊接固定在pCB板上。电子产品在实际使用过程中会出现一些无法预知的问题，有时问题与pCB板电路原理图的设计没任何关系，也就是说原理图是正确的。通过试验分析，pCB板设计不当，会影响电子设备的可靠性。为了提高pCB板的可靠性和稳定性，在设计过程中必须采用正确的设计步骤和方法。
1pCB板器件布置
pCB板大小要根据元器件的多少来确定，面积过大会增加覆铜线的长度，引起阻抗增大，抗噪声能力下降，成本也得到相应的提高；如果设计过小，会影响散热，同时会受到临近线条的干扰。
在器件整体布置时，应把与该器件相关的电路尽量放在一块，这样会提高pCB板的抗噪声效果。如图1所示。CpU附近的晶振、时钟发生器很容易产生噪声，在设计时把它们放在一块。噪音较大的元器件、大电流电路应尽量远离逻辑电路，如果不影响产品的封装，可以考虑另做电路板，这一点至关重要。
2配置去耦电容
在以直流为电源的回路中，所带负载大小的变化会产生电源噪声。数字电路中高低电平的转换会引起很大的尖峰电流，产生瞬变的噪声电压。合理的配置去耦电容会降低负载变化所影起的噪声，具体配置如下：
1)采用10～100uF的电解电容器跨接在电源的输入端，如果pCB板尺寸足够大，为了提高抗干扰性能，在电源端接100uF的电解电容器。
2）为了减少电源对集成电路的影响，在其电源端接上一独石电容或瓷片电容，电容大小为0.01uF。有时在设计pCB板时，为了降低成本，将多片集成芯片紧挨在一起。不可能给每一芯片接上一电容，通常将几个芯片分成一组，以组为单位接上一个容量为10uF的钽电解电容器。
3）Rom、Ram等存储型器件关断时电流变化大，抗噪声能力弱，用一个去耦电容直接接在电源和地之间。
4）设计去耦电容时，引脚越短越好，尤其是在设计高频电路时，最后采用贴片电容。
3电磁兼容性设计
电磁兼容性是指电子设备抗电磁干扰的一个重要指标。为了提高电子设备对外界的抗干扰能力，确保其在特定的电磁环境中工作正常，减小对其它设备的电磁干扰而采取的一个设计方法。
3.1导线宽度
pCB板中的导线具有一定的电感量，这个电感量的大小与其宽度成反比，与导线的长度成正比。在实际电路中的时钟引线、总线常常会产生很大的瞬变电流，这种导线要尽可能的短。1.5mm左右的印刷导线完全可以满足分立元件电路的要求；0.2～1.0mm之间印刷导线可以满足集成电路要求。
3.2布线策略
为了减少导线电感量，设计时可以采用平行走线，但这样设计会增加分布电容。具体设计时在pCB板的一面横向布线，另一面纵向布线，在交叉位置用过孔相连。设计时避免长距离的平行走线，这样会减小pCB板中导线与导线之间的干扰，在设计时让线与线之间保持足够大的距离，条件允许的情况下，在敏感的信号线之间增加一条接地线，信号线与电源线做到不交叉，这样会减小电源对信号的影响。
4地线设计
地线的设计和电源一样重要，合理安排接地方式和接地点的位置。把不同电气特性的地分开设计，在设计地线时应注意以下几点：
1）分开设计数字电路和模拟电路，在实际设计pCB板时往往会有高速逻辑电路和低速的线性电路，尽可能的将它们分开设计，逻辑电路应该接逻辑地，线性电路应该接电源地，必须强制将它们分开接地。电源地线上的电流大，为了减小接地电阻，尽可能的加粗电源的地线。
2）在不影响设计器件布局的情况下，地线尽可能的加粗。地线设计过细，地线的电阻会变的很大，地线上的压降和电流成正比，点与点之间的电位发生改变。特别是对时钟信号影响最大，在对时钟周期要求较高的数字电路中，有可能影响电路的正常工作，电路的抗噪能力差。因此在设计pCB板的地线时应加大接地线面积，使它能通过pCB板3倍的允许电流，设计的地线应大于3mm。
3）设计数字地时，采用环形接地。随着集成电路的广泛应用，在设计时尽量使用集成电路，有时pCB上放置了很多集成芯片，这样空间有限，地线不能设计太粗。如果在它们周围有能耗高的元件时，地线上会产生很大的电位差，抗噪声能力降低。采用环形接地可以减小接地点的电位差，提高pCB板的抗噪声能力。
5热设计
元器件在pCB板合理安装能提高设计的散热能力，其器件在pCB板上的排列要科学合理，不能过于随意。
在放置集成芯片时，当电子设备采用空气对流散热时，在对集成芯片布局时采用纵向排列，如图2所示；当电子设备采用强制散热时，在对集成芯片布局时采用横向排列，如图3所示。pCB板上的元器件应根据其发热的高低和散热的程度分开排列。冷却气流的最上游放置发热量小或耐热性差的器件，冷却气流最下游放置发热量大或耐热性好的器件。
大功率器件水平排列时，将其设置在pCB板的边沿，以便缩短传热路径；在垂直排列时，将其设置在印制板上方，这样可以减小其温度对其它器件的影响。
温度比较敏感的器件应特别注意，器件的温度对它的电气性能影响较大，不能把它放置在发热器件的上端，如大功率电源器件上。
很多电子设备都是依靠空气的自然散热，采用强制散热的很少。在设计时，应分析设备中气流流动的路径，合理的安排器件的位置。pCB板在器件布局时不要留有较大的空域，这空域会减少空气的阻力，热气流增大，空域附近的元器件温度比其它地方的器件高，影响器件的稳定性。
大量实践经验表明，器件的排列方式影响印刷电路的温升，规划好器件的布局可以降低印刷电路的温度，降低设备的故障率。
6小结
通过优化印刷电路板的设计规则，改善了pCB板的可靠性和稳定性。但其性能也不同程度取决于具体电路，在设计中还需根据具体电路的功能、设备的使用环境等因素来综合考虑，才能最大程度地保证pCB板的可靠性和稳定性。
参考文献：
[1]余家春.protel99Se电路设计实用教程[m].北京:中国铁道出版社,2003.
电路板的设计流程篇2
【关键词】嵌入式电路；热插拔；接口设计
热插拔的概念来源于我们的桌面pC，其一般定义为将设备板卡或模块等带电接入或移出正在工作的电脑[1]。嵌入式系统中的热插拔是指对正在运行的嵌入式电路板，在不关闭电源情况下对某些部件进行插入（连接）或拔出（断开）操作。下面要谈的正是在一个嵌入式单片机系统中对其扩展部件或板卡的硬件热插拔技术，将根据接口上的信号类型等探讨热插拔的危害产生原因及防止危害发生的一般性措施。本文以下部分将把要插拔的两块电路板分别称为主电路板（正在运行的嵌入式主电路板）和扩展板。
一、热插拔设计的重要性
对正在工作的电路板进行热插拔通常都是不被许可的，但在有些时候却是难于避免的，比如使用者疏忽或特殊功能要求等。对未采取任何保护措施的嵌入式电路板进行热插拔操作，其将带来的损害通常是很严重的，包括电源电路损坏，单片机io口烧坏，单片机复位或死机，或者与接口相连的iC出现部分或全部管脚烧坏等。这些故障将导致嵌入式电路板产生永久性损害，或在重新上电之前系统无法再正常工作。因此，在嵌入式系统的扩展接口设计中加入一定的热插拔保护措施是十分必要的。热插拔操作对嵌入式电路板的危害通常表现在三方面：过电流冲击、瞬态过电压、静电释放[1]。进行热插拔设计的目标应是在不增加太多硬件成本的前提下，使设计出的电路板不因热插拔操作造成系统复位、死机或对元器件产生永久性损害。
二、电源与地接口的防过电流冲击热插拔设计
当把扩展板插入正在工作的嵌入式主电路板中时，扩展板上的各类电容和iC需要瞬间从主电路板的电源处上吸走大量电荷，给电源造成一个短暂的低阻抗路径，造成一次浪涌电流[1]。此浪涌电流可以把系统电压拉低到系统重置阈值以下，造成单片机复位，甚至烧毁电源电路。在硬件设计时通常采取如下措施进行应对：
1.在扩展接口的电源网络上使用大容量电容（可以用并联方式获得）减轻扩展板上电过程中对主电路板电源电压的影响。主电路板电源电路中的电容量最好要比扩展板的蓄能电容量之和稍大。
2.在扩展接口的电源网络上串入电源专用的磁珠以减少上电瞬间的电流尖峰，并阻断高频噪声信号的干扰。
3.如果浪涌电流特别大并且系统允许复位，为保护主电路板上的电源电路可以考虑在电源入口处加自恢复保险丝让电源在过流瞬间自动切断。如果系统对热插拔时的稳定性要求更高可以使用目前市面上的专用热插拔控制器Lm5069等，这些器件具有功率和电流限制的能力[2]。
在热插拔操作时为提高设备的热插拔寿命，热插拔动作应避免来回抖动，并且两次热插拔之间的时间间隔不要太短；如果扩展板的负荷可以先行卸除，最好不要带负荷进行热插拔。
三、电源与地接口的防过电压冲击热插拔设计
进行热插拔操作前不同设备的接口之间可能存在一定的电位差，尤其是使用了隔离电源或共模电感的“浮地”系统。虽然这类电位差是瞬间的且没有多大的电流能力，但此电位差通常会超出各类iC的最高工作耐压而损坏iC。如果在热插拔同时还伴随着静电释放，在接口接触瞬间产生的过电压和过电流冲击会更加厉害，可以瞬间烧毁电路板中脆弱环节上的iC。应对此类危害的唯一办法是快速钳位电压，即在接口附近的电源与地之间以及比较脆弱的信号与地之间使用具有浪涌能量吸收能力和内部散热能力的压敏电阻或tVS管之类的浪涌电压抑制器等保护措施。
四、电源与地接口在结构上的热插拔设计
现在CmoS器件已经在各种电路上广泛使用，CmoS器件的一个缺点是容易产生闩锁效应而烧毁。在热插拔过程中VCC和GnD的突然变化或者芯片i/o口电压超出VDD-GnD的范围时很容易发生闩锁效应。如果接口结构设计不合理造成在热插拔过程中i/o口信号已经连接上而GnD或VCC还没有连接上，这时极易发生闩锁效应而烧毁芯片。因此，在接口结构设计时必须保证接口在带电插入过程中要先让GnD和VCC连接上再连接i/o口；反之在带电拔出过程中则需要先拔出i/o口再断开VCC和GnD。在实际应用时可以采取如下措施：把GnD和VCC放在接口两端、并在接口上多放几个GnD信号，或者把GnD和VCC的插针做得比其它信号插针稍微长些等。图一是按一般热插拔要求设计的一款主电路板电源与地的接口实例。
五、常见信号接口的热插拔设计
对嵌入式电路板上单片机的片上外设（on-chipperipheral）类信号口（比如Spi输出口），通常其耐电压和电流冲击能力并不是很强，如果需要把这些信号接口在电路板上扩展出去最好先把这些信号经过外部逻辑门电路处理后（比如两次反相）再接到扩展接口上。
对耐电压和电流冲击能力较强的单片机Gpio信号接口可使用阻容电路进行简单保护。其中的电阻能起到限流作用，电阻值可根据信号辨识的需求选在几欧到几百欧之间；而对地的小滤波电容则能起到滤除瞬间电压尖峰的作用，电容值可根据信号线上传递的信号频率特性选在几百pF到几nF之间。
对比较脆弱而又关键的重要信号接口（比如Spi输入口、并行总线接口等）可以在信号端口与电源和地之间使用双向二极管对信号电压进行精准钳位。这样可确保此类接口上的电压不会超出芯片的工作电压范围，能起到非常好的保护作用。图二是一款常见信号接口的热插拔设计实例（电源和地部分参见图一）。
嵌入式系统电路的接口热插拔设计通常是一个反复和复杂的过程。在设计时通常需要通过热插拔实验把接口电路中的脆弱环节找出来，然后采取针对性的措施进行应对，要做到既不增加太多硬件成本又能满足一般的热插拔需要。热插拔问题是各类电子设备中都会面临到的一个问题，本文探讨的热插拔设计技术在电路设计中具有一定的现实意义。
参考文献
[1]凌有慧,张胡.热插拔的硬道理[J].微型计算机,2003(23):107-111.
[2]nationalSemiconductorCorporation.Lm5069positiveHighVoltageHotSwap/inrushCurrentControllerwithpowerLimitingdatasheet,2008.
作者简介：
电路板的设计流程篇3
关键词：焊点缺陷；标记；Stm32F103Vet6；步进电机
随着现代电子工业的不断发展，电路板朝着小面积、小元件、高密度的方向发展。但从成本、工艺以及技术要求等方面考虑，在不需要小型化的产品中仍有大量电路板采用通孔插装技术，因此一般需要采用波峰焊来完成元件引脚与焊盘之间的连接[1]。但由于技术上的瓶颈，波峰焊的工艺流程容易引起焊点质量问题，主要表现为焊点短路、焊点漏焊、焊点不饱满或表面有针孔等。为了解决上述焊点缺陷问题，企业一般采用传统的人工目测来检查并修补。此方法虽然方便实用、适应性强，预先成本最低，但人工目测主观性较强，而且由于人的视觉疲劳以及劳动强度的影响，不可避免的会有焊点缺陷的漏检和误检[2]。
因此，针对上述问题，文章以某企业的电路板装配生产流水线为改造对象，设计出一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统，通过接收机器视觉检测设备的检测结果，在电路板有缺陷焊点的地方进行自动标记。
1系统方案设计
1.1电路板装配流水线改造
某企业的电路板装配线以流水线方式对已经完成机器插件的电路板进行装配和检测，其生产工序包括手工插件、元件插后质量检测、波峰焊机焊接、剪脚分板、执锡、焊后质量检测、打胶、iCt测试、贴标签、装箱。本方案以尽量减少对原装配线的改动，满足原生产工艺规范为原则，对其流水线改造如图1所示。
电路板缺陷焊点实体自动标识装置安装在波峰焊机和传送带之间，工人把经过波峰焊机焊接完毕的电路板进行剪脚、分板和执锡后，放入电路板推送装置中的等待区。原来的焊后质量检测工位分为检测工位以及标识工位，以满足原生产流水线的生产节拍。其中，检测工位安装缺陷焊点检测设备，标识工位安装缺陷焊点自动标记装置。
1.2控制系统总体设计
电路板缺陷焊点实体自动标记装置由电路板推送装置和标记装置组成。推送装置负责在每个生产周期开始时，将三块电路板推送至下一工位，其主要由一台步进电机和三个电动直线推杆驱动。标记装置负责实现电路板缺陷焊点的实体标记识别，主要由两台步进电机和三个电磁铁驱动。整个系统的控制核心是微处理器，作为下位机，与运行缺陷焊点检测软件的工控机进行通信，包括发送指令和接收参数、检测结果。当系统开始运行时，微处理器首先通过串口，接收工控机的参数，控制推送装置的推送距离，然后在完成了推送电路板工作后，发送指令给工控机，命令工控机开始进行电路板焊点检测工作，最后根据检测结果，控制由步进电机带动的标记装置进行焊点实体标记。为了保证装置运行安全可靠，在控制系统中加入多个开关模块。控制系统框图如图2所示。
2系统硬件设计
硬件部分主要包括：微处理器控制模块、步进电机控制模块、电动直线推杆控制模块、电磁铁控制模块以及开关模块等五部分。
2.1微处理器选型
系统选用Stmicroelectronics公司的Stm32F103Vet6微处理器作为主控芯片。该微处理器采用Cortex-m3内核，最高工作频率可达72mHz，内置512KB闪存和64KBSRam；拥有80个Gpio，并多达11个定时器和13个通信接口，为控制设备和与设备进行通信提供了丰富的资源[3，4]。
2.2微处理器核心控制模块
微处理器核心控制模块的设计内容主要是处理器的最小系统设计以及Gpio的规划配置。Stm32F102Vet6使用型号为amS1117-3.3的电源芯片供电，并且使用振荡频率为8mHz的晶振，通过倍频设置，使芯片工作在72mHz。本设计主要使用的pe口作为信号控制端，与外部设备相连，并工作在推挽输出模式；pa9和pa10是串口通信端，通过串口通信模块与工控机相连。同时，由于系统需要接收多种外部信号，通过外部中断触发，根据硬件设计，将需要中断输入的Gpio配置为上拉输入模式。
2.3步进电机控制模块
步进电机的正常运行需要驱动器提供电流和微处理器提供信号。为了满足设计的精度要求，本控制系统选用型号为2m542的步进电机驱动器。该驱动器主要用于驱动2相4线的步进电机，能够提供1.00a-4.20a的驱动电流，并且细分驱动最高可达25000步。为了防止由于长时间运行而烧毁步进电机，因此驱动器的工作电流设定为1.46a。微处理器主要提供脉冲信号和方向信号。步进电机驱动器与微处理器连接如图3所示。pe5连接步进电机驱动器的脉冲输入端，pe6连接步进电机驱动器的转向控制端。其余两台步进电机控制方式一样，不再叙述。
2.4电动直线推杆控制模块
电动直线推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。在本装置的电路板推送机构中需要使用三个电动直线推杆，分别控制推送支架的上升下降和电路板档杆的往复运动。本控制系统中选用直流电机作驱动的电动直线推杆。由于该直流电机属于小容量电机，所以采取直接启动方式[5]，通过控制电机电流方向来控制推杆的往复运动，其控制电路如图4所示。
2.5电磁铁控制模块
由于要针对三种不同的缺陷焊点做实体标记，因此使用三种不同颜色并可擦除的pCB专用标记笔对电路板上的缺陷焊点进行标记。标记方法为通过导通推拉式电磁铁，由推杆推动标记笔向下运动，在缺陷焊点旁打点标记。电磁铁控制电路如图5所示。
2.6开关模块
为了保证系统运行准确和安全可靠，需要在装置中分别安装3个光电开关和6个限位开关。3个光电开关分别固定在3个电动滑台导轨的原点处，保证推送电路板距离和标记装置定位符合程序要求；6个限位开关则分别固定在3个电动滑台导轨的两端，防止由于程序出错引起步进电机带动的滑台碰撞导轨两端，设定安全距离。开关模块的控制电路图如图6所示。
3系统软件设计
系统软件设计主要包括微处理器的硬件配置，装置工作状态初始化和中断服务程序。硬件配置主要根据控制系统的需要，分别配置时钟频率、Gpio工作模式、中断源和中断优先级等。装置工作状态初始化确保装置标记准确。中断服务包括外部中断、定时器中断和串口中断。
3.1主程序设计
当系统开始运行时，微处理器对硬件进行配置，配置的内容包括系统时钟配置、Gpio工作模式、定时器配置、中断配置、串口配置。然后微处理器正式开始主任务，主程序流程如图7所示。首先进行参数接收确定推送距离，然后初始化装置工作状态，输出脉冲控制三台步进电机，使得标识机构和推架都位于设定的原点位置。完成初始化后，生产节拍开始计时，电路板推送装置的推架上升，分别把三块电路板推送至传送带、标记工位以及检测工位后，与上升档杆共同固定电路板，然后发送指令给工控机，开始缺陷焊点检测。待检测完毕，微处理器根据接收处理的结果，等待XY方向步进电机带动标记机构完成定位，然后对缺陷焊点进行标记。直到当前电路板所有缺陷焊点标记结束后，推架和标识机构回到原点，等待下个生产节拍。
3.2中断服务程序
3.2.1外部中断程序。控制系统用到多个外部中断，来源主要是开关模块以及步进电机脉冲。当系统接收到光电开关的信号时，改变程序中原点标记变量，告知主程序该方向上的步进电机已经到达原点处。若接收到限位开关的信号，则发送“error”给工控机，并停止运行。将步进电机的脉冲发送到外部中断，用于脉冲数量的计数，控制步进电机转动步数。
3.2.2定时器中断程序。设计中使用了系统滴答定时器和通用定时器。系统滴答定时器主要用于生产节拍的计时，控制生产节拍的周期。在每个生产节拍开始时，启动电路板推送装置的步进电机，将电路板推送至下一工位。通用定时器则主要用于控制输出步进电机脉冲的频率。由于步进电机在工作时，频率不能突变，否则将会失步或过冲。因此每次改变频率时，应该保持电机在该频率下持续运行一定的时间。本系统使用的是指数型调速，根据公式
f（t）=f0+（fm-f0）×（1-e-t/t）（1）
可得出每个频率下步进电机转动的步数[6]。当步进电机走完当前频率下的步数时，定时器输出下一个频率的脉冲。
3.2.3串口中断程序。系统的微处理器与工控机采用串口方式通信。微处理器在接收工控机的检测结果时，采用中断接收处理，然后根据结果，分别确定XY方向步进电机的转向和步数。系统的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxn”。“+/-”表示步进电机的转向，“xxxx”表示步进电机需要转动的步数，且前5位表示X方向的步进电机，第6-10位表示Y方向的步进电机。最后一位“n”表示当前电路板所有缺陷焊点已经完成标记，若未完成，则为空格字符。
4系统测试
完成了组装后，在实验室对控制系统进行了测试。当系统通电启动后，本装置按照设定流程工作：推架和标识机构回到原点；推架推送电路板；工控机显示屏显示接收到的指令；标记机构根据检测结果，移动到缺陷焊点旁；电磁铁动作，pCB标记笔向下做标记；电路板缺陷焊点标记完毕后，推架和标记机构回到原点处。为了进一步测试步进电机的精度是否满足设计要求，对其进行了测量。步进电机通过联轴器，采用直连方式与电动滑台导轨相连。当步进电机转动一圈时，滑台对应的直线移动距离为75mm，步进电机细分驱动选择1600步/转，采用游标卡尺测量数据如表1所示。
从表1可知，滑台实际移动距离与理论值存在一定的误差，但不足影响工人对标记的判定，工人仍可以通过记号锁定区域，快速寻找缺陷焊点并进行修补。
5结束语
文章以某企业的电路板生产流水线为改造对象，以解放劳动力为主要目的，设计了一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统。该系统主要通过接收工控机的检测结果，控制多种机构协调工作，实现缺陷焊点的实体标记。在实验室的运行测试表明，该系统能达到预期效果，本装置已申请发明专利和软件著作权各一件。
参考文献
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电路板的设计流程篇4
[关键词]综采工作面；机电设备；冷却水；回收
中图分类号：tD821文献标识码：B文章编号：1009-914X（2014）24-0381-02
综采“三机”设备指刮板运输机、桥式转载机和破碎机。本文介绍的“三机”，冷却水消耗量大约为170m3/d（按“四六”工作制计算）。目前大多数矿井处理三机冷却水的做法是直接将其排放到工作面生产现场，这样既浪费了水资源，又恶化了现场工作环境，致使生产的煤炭含水量增加、从而降低了煤炭发热量，不仅增加了生产成本而且降低了煤炭销售价格。
回收综采工作面机电设备的冷却水总体上分两种：一种是已知采煤工作面地质和供水系统的基本概况，来求解符合各类机电设备冷却水回收要求的回水管径等参数；另一种是已知所使用的回水管径，来求解在该管径下所能满足的工作面最大回水时机电设备冷却要求等参数。根据流体力学的原理，推导冷却水回收通用计算公式，使之适用于井下采煤工作面机电设备冷却水回收的一般情况。本文着重就方案一进行系统分析。
一、冷却水回收通用计算公式理论分析
由于韩家湾煤矿2402综采工作面上、下两端头为，刮板运输机机尾高、机头低的情况，本文仅对这种情况下刮板机机尾的回水管径求解公式进行推导（转载机、破碎机、刮板机头的推导过程类似，不做详细分析）。
在上述条件下，已知基本参数为：工作面长度L=261，工作面上、下端高差h，工作面煤层倾角θ，顺槽走向倾角β，刮板机机尾至冷却水回收水箱的距离s=L，刮板输送机机尾冷却水量q=50L/min，工作面各机电设备内部供水管路的承压能力及回水背压。
1、刮板机机尾冷却水回收参数计算
设刮板输送机机头处为比位能的零面，则根据粘性流体总流的伯努利方程可知
Z1++hf+hr=Z2+（1）
式中Z2为刮板输送机机尾处冷却水的比位能，此时Z2=0，p2为刮板输送机机尾处冷却水的比压能，γ为流体的密度，α为动能校正系数，据实测，在紊流中α=1.05-1.10，在一般工程计算中，也可取α=1；2为刮板输送机机尾处冷却水的流速；g为重力加速度；Z1为冷却水回至回收水箱处的比位能，此时：Z1=ssinθ；p1为冷却水回至回收水箱处的比压能；1为冷却水回至回收水箱处的流速；hf为回水管路中流体沿程摩擦阻力能量损失；hr为回水管路中流体由于管路接头和弯头局部阻力能量损失。
若认为回水流速在整个过程中变化不大，而且比压能刚好满足回水要求，则1=2，p1=0。由式（1）可知
=Z1+hf+hr（2）
其中：hf=；hr=nξ接ξ弯，p2与减速机、电机内部管路的承压能力及回水背压有关。
式中：λ为沿程阻力系数，可通过查莫迪图得到。L为回水管路长度；d为回水管路直径；v为冷却水回水流速；n为回水管路接头个数，n=+1；ξ接为回水管路接头局部阻力系数；ξ弯为回水管路弯头局部阻力系数。ξ接和ξ弯均可通过查表得到。
因为=，所以式（2）是一个关于回水管径d的方程，解此方程，可求得满足刮板机尾冷却回水要求的管径。
二、2402综采工作面冷却水回收设计
1、2402综采工作面冷却水进、回管路如图1所示。
1、Bpw-315/16型喷雾灭尘泵站及泵箱。2、转载机电机及减速机。3、破碎机电机及减速机。4、刮板运输机机头电机及减速机。5、刮板运输机机尾电机及减速机。6、冷却水回收水箱及潜水泵。7、转载机冷却水回水管。8、破碎机冷却水回水管。9、刮板机机头冷却水回水管。10、刮板机机尾冷却水回水管。11、冷却水总进水管。12、冷却水总回水管。
2、冷却供水管路
在皮带顺槽至工作面250m处，使用Bpw-315/16型喷雾灭尘泵将冷却水增压至5-8mpa，通过Dn32管路送至工作面，采用多分将冷却水分为四路。一路直接将冷却用水引至转载机、破碎机、刮板输送机机头，对其电机、减速机进行冷却，其中电动机与其配套的减速机采用串联冷却方式。第二路引入刮板运输机机尾。第三路引入采煤机。第四路引入液压支架喷雾灭尘管路，用以消除工作面空气中的煤尘。在冷却水进入设备之前，必须先经过减压阀，将水压降低到3mpa以下，方可通入机电设备冷却系统。
3、回水方案
在刮板机机头位置，安装一个500*500*1000mm冷却水回水箱。转载、破碎、刮板头、刮板尾四路冷却水分别由不同管径的回水管路回收到此水箱内，再由一台7.5kw潜水泵将回收水抽排至喷雾灭尘泵泵箱，完成冷却水回收，实现循环利用。
由于采煤机移动性强，回收管路铺设难度大等原因，目前还未对采煤机各电机冷却水进行回收。
4、水压和水量参数
根据相关资料显示，机电设备内部冷却管路的标称承压能力应小于等于3mpa，机电设备冷却水出水口水压为2.4mpa，即2.4mpa≤回水背压≤3.0mpa。主供水管路的水流量为315L/min，采煤机冷却水出水口的流量为120L/min，后刮板输送机的冷却水流量为50L/min；转载，的冷却水流量为30L/min，破碎机的冷却水流量为25L/minx。刮板输送机内部水压损失为0.6mpa。
三、综采工作面各设备冷却水回收实践
1、符合刮板机机尾冷却水回收的参数
根据设计基础资料，可知：Z2=0，=142.8633m，Z1=5.4075m。经计算知：Re=61243；查莫迪图得，λ=0.020；查表得ξ接=1.500，ξ弯=0.883。
将上述各数据代入式（2），可求得满足采煤机冷却水回收要求的回水管径d=20mm。
考虑到工作面现场的生产条件较为复杂，有可能回水摩擦阻力和局部阻力大于所计算的值，所以刮板机尾冷却水回水管径d的取值应偏大，实际取d=25mm。
2、保护装置
为了避免由于回水管路弯折引起回水压力过大而损坏减速机、电机内部冷却管路，应在冷却水出水口处设置安全阀，其卸载压力为2.4mpa。
3、此外，为保证回至水箱内的冷却水不至温度过高而影响其对机电设备的再次冷却作用，除冷却水沿线管路自然降温外，将冷却回收水与补充水源在喷雾灭尘泵泵箱内混合，再作为机电设备的冷却水源重新利用。
4、根据现场实测转载机、破碎机、刮板机机头冷却水进水温度为20.5℃，刮板机机尾进水温度为18℃。均满足机电设备冷却水进水温度不超过25℃的规定。
四、结语
本文提出的机电设备冷却水回收技术在陕北矿业公司韩家湾矿2402综采工作面进行了现场应用，验证了以流体力学知识推导的冷却水回水计算公式的正确性，利用该公式计算所得的管径能满足综采工作面生产现场机电设备的冷却水回水要求，既创造了良好的工作环境，又节约了水资源，提高了经济效益。
参考文献
[1]杨树人.工程流体力学石油工业出版社，2006年.
[2]孔珑.流体力学（Ⅰ）高等教育出版社，2004年.
[3]Bpw-315/16型喷雾灭尘泵南京六合煤矿机械有限公司.
[4]SZZ900/315型转载机中煤张家口煤矿机械有限公司.
电路板的设计流程篇5
交错引脚法
交错引脚法是目前最常用到的热插拔浪涌电流控制技术之一,有的工程师也习惯性的将其称为“预充电引脚法”。可以说,这种方法是最基本的热插拔浪涌电流控制方案,从物理结构上引入一长、一短两组交错电源引脚,在长电源引脚上串联了一个预充电电阻,以此起到控制作用。当板卡插入背板时,长电源引脚首先接触到电源,通过预充电电阻为插入板卡负载电容充电,并进行滤波和充电电流限制,板卡将要完全插入时,短电源引脚接入电源,从而旁路连接在长电源引脚的预充电电阻,为插入板卡供电提供一个低阻通道,信号引脚在插入板卡的最后时刻接入。板卡从背板拔出时,控制过程正好相反,长电源引脚最后与背板分离,通过预充电电阻为板卡负载电容放电。
然而,这种最基础的热插拔浪涌电流控制方法,也同样具有较大的弊端。在实际的应用过程中,交错引脚法不能控制负载电容的充电速率,除此之外,预充电电阻的选择必须权衡预充电流和浪涌电流,如果电阻选择不合理,会影响系统工作。交错引脚方案需要一个特殊的连接器,这将会给选型设计带来一定的困难。
热敏电阻法
电路板的设计流程篇6
【关键词】光伏自动跟踪系统mppt设计
目前，对太阳能的开发利用备受人们的关注，如何提高太阳能利用率成为人们研究的焦点。高效的自动跟踪系统是提高光伏系统效率的关键的第一步。跟踪太阳的方法可概括为两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整太阳能板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便；缺点是受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，会导致跟踪装置无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。而视日运动轨迹跟踪的优点是能够全天候实时跟踪，所以本设计采用视日运动轨迹跟踪方法和双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的全天候跟踪。在实现以上系统的情况下，不考虑使用mppt最大功率跟踪系统直接用太阳能板给蓄电池供电，也在现实的情况中是完全可以的，前提是需要匹配好功率，让蓄电池不至于过充电。另外，当蓄池充满时，需要手动断开充电回路，以免损坏蓄电池。这样的太阳能蓄电池充电系统，显得操作繁琐而且低效，繁琐在于需要人去观察电压电流以及不时转动太阳能板方向，低效则是因为太阳能板发出的电，并没有尽可能多的供给蓄电池。因此，本文在实现对太阳能的全天候跟踪的前提下，设计了mppt最大功率跟踪系统，该系统的目的是控制最高电压，让蓄电池不至于充坏，又要控制电流，以便让太阳能板处于最大功率点。
1系统方案设计
1.1基于视日运动轨迹法的光伏跟踪系统方案设计
本设计采用了视日运动轨迹法，由万年历芯片计算出当前时间，并结合当地经纬度，计算出当前位置的太阳朝向和高度，结合直流电机与角度检测电位器，通过StC89C52单片机系统的计算、对比与输出控制，驱动两个电机，可以控制光伏电池板进行双轴转动，最终确定电池板接收太阳最佳方位。实现了对太阳光的追踪。具体的系统方案设计框图如图1所示。
1.1.1时间信号的获取
本设计中，时间信号选择的是DS1302万年历芯片，在选择高精度晶振的情况下。其每天误差在3秒以内。对于普通控制系统来说，可以满足使用要求。另外，系统还具备时间调节功能，这样可以每隔一定周期手动校正时间。
1.1.2高度与方位角的计算
要获取太阳方位，首先要知道当前时间，但是仅知道当前时间是不够的，因为地球本身是绕太阳公转，而其自身同时又在绕极轴自转。因此，地球上的不同地方，在同一时间内，太阳角度也是不一样的。为了解决这个问题，本设计可以通过修改经纬度。在获知当地时间和经纬度，由三角函数关系，可以求得当前太阳的方位角和高度角。
1.1.3实际角度的测量
当我们计算出太阳当前方位角与高度角时，接下来要做的，就是把太阳能板的角度朝向这个方向。那么首先我们要知道目前太阳能板在什么位置，才能决定控制输出。通过设计在电路板上的两个三芯插件，连接着电路板上的a/D转换器tLC1543以及双轴机械结构上面的电位器。通过设计，电位器的转轴与电机轴是相连的，这样电机在转动时，电位器也会跟着转动，从而产生不同的电压值，这个电压值送入tLC1543进行a/D转换，从而获得当前太阳能板的方位角与高度角信号。将测量得到的实际值与计算得到的理论值进行对比，如果值偏大，则控制电机往小的一方转动，如果偏小，则往大的一方转动。因为电机转动时有惯性和冲击，所以有留有一定余量，否则系统会一直来回转动个不停。
1.1.4输出电机的控制
因为实际角度可能比理论值大，也可能比理论值小。因此，电机既需要可以正转，又需要可以反转，而且每天只需要转动一圈。因此，我们选择控制性能好，而且电路结构简单的有刷直流电机。直流电机的控制非常简单，只需要切换输入电流方向，即可改变电机的转动方向。在日常使用中，可以通过改变接线，或者是使用双掷开关来切换。但是本设计中需要进行自动控制。选择这些显然是不合适的。为了满足这类需要，本设计应用了桥式电路。桥式电路虽然只有正负一种电压，但是对于接在桥臂上的负载来说，其电流方向是可以变化的。这种电路叫做全桥电路，或者叫H桥电路。H桥电路可以使用6个三极管搭配完成，为了让电路更加稳定可靠，本设计中选择了专用直流电机控制芯片L9110，L9110是一种集成式的H桥电路。当改变输入端电平时，其输出端电压也会发生改变。从而驱动电机转动，达到控制角度的目的。
1.2基于mppt最大功率光伏跟踪系统方案设计
基于mppt最大功率光伏跟踪系统由输出控制电路、电流和电压检测电路和微处理器、aD转换等部分组成。该系统的目的是控制太阳能电池板的最高电压，让蓄电池不至于充坏，又要控制太阳能电池板的电流，以便让太阳能板处于最大功率点。具体的方案设计框图如图2所示。
1.2.1电压的检测
电压检测电路由分压电阻与aD转换电路组成，因为太阳能板和蓄电池的输出电压均超过了aD转换器的输入电压（0-5伏），因此需要使用电阻网络进行分压，经过aD转换器后，并由单片机经过数字转换，显示出输入电压。
1.2.2电流的检测
电流检测电路由取样电阻、放大电路及aD转换器构成。电流检测首先要通过取样电阻把电流信号转换为电压信号，为了除低损耗，取样电阻阻值都很小，因此形成的电压信号也很小，所以需要添加放大电路将信号放大到aD转换电路可以检测的幅度，本设计中使用的是maX4173电流专用取样芯片，本身自带20倍放大，精密可靠，且大大简化了电路结构。送入aD转换器，获得光伏板电流信号。电压与电流相乘即可以获得当前功率。
1.2.3输出电流的控制
为了将太阳能板输出电压锁定在18.5伏附近，我们要对其输出电流进行控制。在不考虑内阻变化的情况下，输出电流小了则输出电压会升高，反之则会降低。如果使用线性元件如Lm317等，虽然也能实现调节电压电流的功能，但是能量都损耗在调节部分，并不能增加输出功率。因此我们选择开关元件来担当调节电路的核心。近年来出现的开关元件有好多种，其中以凌力尔特和ti为优，但是这两者价格昂贵，且单片采购不便，本设计选择市场上极易购得的Lm2596作为控制电路的核心元件，Lm2596本身就是一个pwm型电源芯片，配合运放Lm358和二极管组成的或门电路，可以很好的控制输出电流。因为此设计中既需要a/DD换器来检测电压电流，又需要一个D/a输出器来控制输出电流，为方便设计选择了pCF8591，其具备4路a/D转换输入，且带一路D/a输出，满足实际的需求。
2应用效果与结论
经过硬件电路设计、软件设计，以及软硬件调试，制作出基于视日运动轨迹与mppt一体化的光伏自动跟踪系统设备。设备详见图3。
基于视日运动轨迹与mppt一体化的光伏自动跟踪系统应用：
首先分析下光线夹角与发电电流的关系，如表1所示。
为保证实际一致性，测试时间尽可能短，以保证太阳光功率基本不变，且本次实验中接入了基于视日运动系统，但不考虑剔除该系统耗电的影响。在光伏板与阳光夹角偏差10度以内，发电电流与呈直角时相差不大。当夹角偏差大于30度时，电流急剧降低。当夹角偏差大于50度时，光伏板发电电流仅为90°角度时候的十分之一左右。
mppt一体化的光伏自动跟踪系统使用Lm7805降稳压，这部分电流在分析中应以扣除，因为实际应用中，功率可达几百上千瓦，而些部分耗电并不会随系统规模线性增长，可以忽略。实际的测试数据如表2所示。在保持光线夹角为90度的时候，接入了mppt最大功率跟踪系统。
本系统在实现对太阳能的全天候跟踪的前提下，mppt最大功率跟踪系统实现了控制最高电压为18.6V，同时让电流在0.48a，保证功率为8.92w，比起光伏板与蓄电池直接相连，又容易让蓄电池充坏，同时还不能控制电流。该系统能实现太阳能板处于最大功率点。
3结语
基于视日运动轨迹与mppt一体化的光伏自动跟踪系统能在不同天气状况下对太阳进行准确跟踪，不仅能够自动控制太阳能板，保证太阳能板与太阳光相垂直的情况下，同时实现了mppt最大功率点跟踪功能，尽可能多的供电给蓄电池。
参考文献
[1]施秉旭.基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统的设计[J].电子技术与软件工程，2016（03）：262-262.
[2]李永霞，李战，刘畅，等.基于StC单片机的太阳能电池板自动追日系统[J].计算机应用，2013，33（S2）：331-332.
[3]刘晋芳，樊建升.固定电压法结合扰动观察法在光伏系统mppt中的应用[J].电气技术，2015（06）：29-32.
作者简介
刘韦辰（1986-），女，陕西省榆林市人。现就读西安建筑科技大学信息与控制工程学院，控制理论与控制工程专业研究生。研究方向为光伏跟踪系统设计与控制算法研究。
电路板的设计流程篇7
[关键词]StC12C5a08S2；字模提取；16*16LeD；
中图分类号：tp391.41文献标识码：a文章编号：1009-914X（2016）07-0028-01
1引言
LeD作为一个热门产业已经深深的影响着我们日常的生活和工作，无论是平时的信息通告，还是广告宣传都能看到它的身影。此次设计就是针对其应用市场和当下信息化社会这一时代背景而进行的一次开发应用。基于最小系统的设计开发具有花费低，占空小，用料少，使用方便等多方面优点。而用数码管作为显示器的LeD屏则具有直观高效的特点。本文就将对单片机和LeD的配合运用作深刻解析，我们将从硬件入手并配合软件的编程实现LeD的滚动显示。本设计主要涉及单片机StC12C5a08S2【1】，正电压稳压器CH340t，片状晶振HD74LS154p的应用，pCB板的绘制，还包括led屏的焊接、程序的调试。
2硬、软件设计
2.1硬件设计
本设计采用StC12C5a08S2单片机为主控芯片【2】，还有电源电路、16*16点阵显示屏电路、电压转换芯片CH340t。电源电路把24V直流电稳定为+5V直流电；16*16点阵显示屏【3】电路是由256个发光二极管组成；CH340t把USB口电平转换成单片机串口电平。
2.2软件设计
程序的设计主要包括启动程序，显示汉字的字模数据，调取字模数据，字体滚动显示程序。
（1）系统初始化
对点阵屏进行全部点亮程序测试。
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definezishu10//按照实际显示的字数进行修改，例如需要显示“琴岛学院”四个字，则改成4
#ucharcodetab[]=//存储需要显示汉字的字模数据，该数据由字模提取软件得到，单片机为8K空间，最多约存储200个汉字。
（2）字体滚动显示
汉字滚动显示程序
{for（flag3=0；flag3
{for（flag1=0；flag1
{p1=flag1；
p2=tab[flag2]；//调字模数据
p0=tab[flag2+1]；//调字模数据
flag2=flag2+2；//字节偏移
delay（1）；
p0=0x00；//关闭显示
p2=0x00；//关闭显示}
flag2=flag2-32；}
flag2=flag2+2；//滚动显示寄存器
if（flag2>（zishu-1）*32）//判断数据是否显示结束
flag2=0；}
3电路板制作、调试
首先，根据电路原理图生成pCB板，然后拿到厂家制板，电路板共两块，一块是主控板；一块是点阵显示屏板。
3.1电路板的元件焊接
将购买好的元件，焊在电路板上，然后把单片机芯片插入芯片底座。主控板和点阵显示屏板在焊接时需要注意一下事项：
3.1.1主控板焊接时应注意以下事项：
（1）焊接时应遵循先焊小件，后焊大件的焊接步骤。
（2）对于有极性的器件，焊接时对正负极是有严格要求的，所以要注意区分它们的正负极，例如：铝电解电容、整流二极管、发光二极管等。
（3）和焊接二极管一样，焊接三极管的持续时间也不宜过长，否则也会导致三极管的损坏。
3.1.2点阵板焊接注意事项：
（1）LeD需安装在电路板正面，并从电路板反面进行焊接【4】。
（2）注意区分LeD的正负极，较长的引脚是正极，较短的引脚是负极。
（3）LeD焊接时，不要持续焊接超过2S，否则容易导致LeD的损坏。
（4）要注意两根单排插针要从电路板反面安装，并从电路板正面焊接。
3.2电路板的安装
点阵板与主控板焊接完成后，就可以将两块板子的插针插在一起，从而完成两块独立电路板的电路连接，但是单靠这种连接方式是不够稳定的，因此我们还需要在电路板的四个角各采用一根空心铜柱子配合螺丝来进行固定安装，安装好的广告牌如下图所示【5】。
3.3程序调试
利用Keil软件将程序编写号以后，利用字模提取软件把要显示的字符的代码提取出来，比如要显示“我爱机电系”。如图所示。
将字模代码除了第一行复制到程序代码中的“uncharcodetab[]=”后面的圆括号内，注意将程序中原来的字模数据先删除掉。修改程序第四行#definezishu5，需要显示几个字数字就改为几，我们显示的是“我爱机电系”一共5个字，所以是5。然后保存，将生成的HeX问价下载到单片机中，运行出结果。
4结论
本论文包括硬件电路的设计，软件的设计，电路板的制作，程序的调试。通过单片机控制一个16*16的点阵显示屏，滚动显示“我爱机电系”。利用字模提取软件把要显示的汉字代码，写到程序中，然后下载到单片机中进行显示。实现了广告屏的功能。
参考文献
[1]胡汉才.单片机原理及系统设计[m].北京：清华大学出版社，2004；199-222
[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术学习辅导与实践教程[m].北京：清华大学出版社，2004；110-112
电路板的设计流程篇8
1设计要求
我校的模拟电子线路实验是面向电子、计算机、物理和材料等各类理工科专业的学生开设的电类基础实验课。各专业对学生的要求不同，所做实验项目，难易程度都有不同的要求。为了满足教学需求我们希望所设计的实验平台能够达到：（1）将多个不同难度，不同要求的基础性实验集中在一个平成；（2）能为学生自主设计的电路提供验证平台；（3）能够满足开放性实验的需要；（4）便于实验教师维护，具有可扩展性。
2实验平台的组成
设计的实验平台由箱体和电路板模块组成。其中电路板模块包括：三极管放大电路实验板和集成运放电路实验板两部分组成。箱体内母板采用印制线路板制成，如图1所示，配有交、直流电源，指针式直流毫安表，函数信号发生器，电流型漏电保护器等固定设备。设有8p、14p、40p可靠圆脚集成电路插座，供插电阻、电容、电位器和三极管模拟器件等。母板上配有三端稳压器、电容器、三极管、场效应管、可控硅、单结晶体管、12V信号灯、整流桥堆、二极管、稳压管、功率电阻、振荡线圈、扬声器、继电器、钮子开关、按钮开关、精密多圈电位器、碳膜电位器以及蜂鸣器等固定实验元件。母板上还设有500多个高可靠锁紧式防转叠插座(与集成块插座、镀银紫铜管及固定器件脚等已内部连接)作为实验时的连接点、测试点。同时设有可装、卸固定线路实验模块子板两块，和实验箱体搭配使用可完成各类电子线路实验。图1开放式模拟电子技术实验平台母板
3实验平台的功能
实验平台的母板搭配实验子板，通过线路连接完成实验，并可以满足学生自行设计需求，可以实现10个规定实验项目及13个开放性实验，具体为：（1）三极管放大电路实验板可以完成关于上、下偏置电路的射极跟随器、上偏置电路的射极跟随器、自举电路的射极跟随器、单级放大器、发射极有反馈电阻的单级放大器、两级放大器、两级负反馈放大器等7个实验内容；（2）集成运放电路实验板可以完成比例、加减运算电路、微分与积分电路、电压比较器、方波、三角波发生器等3个实验内容。（3）可开展基于三极管和集成运放的差动放大器、共集电极放大电路、有源滤波器、oCL功率放大器、RC正弦波振荡器、LC正弦波振荡器、整流-滤波-稳压电路、场效应管放大电路、压控振荡电路、低频功率放大器、用集成稳压器组成直流稳压电源、函数信号发生器的组装与调试、互补对称功率放大电路等13个开放性自选实验，为本科生开放性实验提供运行平台，能够很好的完成模拟电子技术实验教学的各项需要。（4）实验平台的母版中带有面包板，学生可以按照自行设计的电路图插放电子元件，如电路实验失败可重新组装。面包板给了学生一个自由的电路实验环境，使学生的思维在可发散处多向辐射，从而使学生创新思维生根发芽。
二、教学效果
立完成设计任务也可自愿组团完成设计任务，实验方式灵活多样，上课时间既有集中又有分散。另外，实行“开放式”实验教学模式，学生除按规定的时间上课外，其余时间，学生可随时到实验室开展实践活动，完成自己的研究内容，因而，极大鼓励学生自主学习的热情，体现出“以人为本”的教育理念。同时也为学生参加各类电子设计竞赛进行的赛前训练提供了便利，不仅为竞赛前期培训节约经费，更重要的是有利于的学生实践动手能力和创新能力得到提高，在参赛时得到充分发挥并取得了好成绩。
三、结语
电路板的设计流程篇9
关键词：VBe；光发射板；换相失败；线路重启；
中图分类号：F532.7文献标识码：a文章编号：
0引言
换流站VBe光发射板作为换流阀触发脉冲的光源，对直流输电起着至关重要的作用，光发射板的稳定与否，决定着直流输电系统能否稳定运行。按照设计，光发射板为三取二冗余，对其中任何一块在线更换，均不影响高压直流系统运行【1】。但实际工作中，检修人员在线更换光发射板时，多次发生换相失败和线路重启动。目前更换光发射板，要么承担线路重启动带来可能造成事故的高风险，要么就增加停电次数、降低能量可用率。研究其重启动原因，并做出相应改进，已求达到既能在线更换光发射板，又不必承担过高风险，减少停电次数，进而提高电网能量利用率，已迫在眉睫。
1光发射板现状
1.1光发射板构成
对于一个12脉动换流阀而言，由位于控制室的6个层架的VBe系统进行控制，每个层架有6块光发射板，每个换流阀对应3块光发射板（B1、B2、B3或B4、B5、B6），三块光发射板为三取二冗余配置，如下图1所示。
图1光发射板构成
6个层架共计36块光发射板，每12块光发射板共用一个电源小开关，共3个电源小开关，具体对应关系见表1。【2】
表1光发射板与电源开关对应关系
光发射板电源回路具体接线如图2所示。
图2光发射板电源回路
1.2异常统计
对换流站运行过程中断开光发射板电源造成换相失败或直流线路重启动现象进行统计分析，具体情况如表2所示。
表2断电更换光发射板导致异常情况统计
注：（1）换相失败；（2）直流线路重启动；（3）直流线路未发生重启动；0年为新设备系统调试
由表2统计结果分析可知，（1）在断开光发射板电源时，必定发生换相失败；
（2）对于新投运工程的光发射板，在断开其对应的电源时，一般不会生发线路重启。（3）板卡时间越长，在断开相邻板卡电源时，对该板卡影响越大，线路重启概率越高。
2试验及仿真
2.1试验
由表2统计结果分析可知，在断开光发射板电源小开关时，均发生了高压直流系统换相失败，并多次发生直流线路故障及直流线路重启。为进一步验证断开电源开关、换相失败及线路重启三者之间的关系，需进行VBe光发射板掉电试验，录取光发射板电源回路电压、电流波形。
2.1.1分、合光发射板电源开关
断开F8小开关,发生换相失败，直流线路降压0.7pu重启动成功，三套直流保护行波保护(wFDpL)动作。录波器显示F7、F8、F9三个电源开关对应电压没有波动，F7、F9电流有一个较大毛刺，F7电流最大约为2.010a,F9电流最大约为1.8280a，持续时间约为2.5ms，具体见图3。
图3断开F8，F7、F8、F9对应电压及电流
直流电压、直流电流发生波动，持续时间大约30ms，直流电压最小下跌到-598.895kV，直流电流上升到4.233ka，具体见下面波形。
图4断开F8，直流系统电压及电流
合上F8，F7、F8、F9对应电压没有波动，F7、F8、F9的电流波动非常大，持续约3ms，具体见下面波形图。
直流电压、直流电流未发生波动，最后恢复正常直流电压运行。
图5合上F8，F7、F8、F9对应电压及电流
对F7、F9电源开关依次进行分合，在断开F7、F9时均发生了换相失败，但只有F9发生了线路重启动。在合上F7、F9时，均与合上F8情况一致。
2.1.2试验结果
由试验结果及录波分析，可得出以下结论。
1、断开F7、F8、F9时，必然发生换相失败，发生直流线路重启动概率非常高。
2、断开某一开关不会影响电源正常工作。
3、从tFR录波的直流电压波形来看，和触发脉冲丢失导致故障的直流电压波形（见下面2.2仿真波形）非常吻合。由此推断换相失败是由触发脉冲丢失引起的。
2.2仿真
为了验证触发脉冲丢失后，高压直流系统的直流电压、直流电流变化情况，以某直流输电系统为模型，利用pSCaD软件进行触发脉冲丢失模拟仿真。
pSCaD仿真模拟了丢失触发脉冲，得到的逆变侧直流电压、电流的波形如下：
图6触发脉冲丢失后仿真波形
由仿真波形及VBe光发射板掉电试验可知，断开VBe光发射板电源，导致换相失败的原因为触发脉冲丢失。
直流系统的逆变站正常运行中，换流桥输出电压方向与阀的正向相反，即换流桥电压是上端高下端低，如右图7所示。
发生触发脉冲丢失时，原来导通的阀将继续导通，换流桥两端的电压变成了原来导通两个阀对应的两相间的交流电压，这个交流电压由上高下低变成了下高上低。
因为两个换流桥叠起来下端是接接地线的，接地点的电压被钳定。当正常运行时，两个换流桥上端电压是正的，但
当因为丢失触发脉冲发生时，换流桥两端电压反了过来，于是顶端电压被拉成了一个负值，这也和仿真波形吻合。
4结论
通过上述试验、仿真和分析，可以得到下面几点结论：
1、断开光发射板某一电源开关均会发生换相失败，发生直流线路重启动概率非常高。
2、断开光发射板某一电源开关导致换相失败甚至直流线路重启动是由于触发脉冲丢失引起的。
3、由运行情况得知:新建换流站不存在线路重启动问题,说明该问题与光发射板老化程度有着直接联系。
某些光发射板老化比较严重，在断开同一层架的另外光发射板电源时，由于电磁干扰造成老化严重的板卡在某个周波内脉冲丢失，老化越严重，脉冲丢失越多，进而导致线路重启。
5改进措施及后续研究
5.1改进措施
目前VBe系统光发射板电源回路如图2所示，12块光发射板共用一个电源开关。但通常只有一块光发射板需要更换，这样在更换故障板卡时无疑扩大光发射板停电范围。由结论可知：光发射板老化程度不同造成触发脉冲丢失严重程度不同。扩大光发射板停电范围，就增加了直流线路重启动的概率。因此，可对光发射板电源进行解耦。解耦后的光发射板电源接线回路如图8所示。
图8VBe系统光发射电源解耦后回路
该措施实施后,经过多次断开空开试验,均未发生直流线路重启动,完美解决不能在线更换光发射板的问题。
5.2后续研究
由于VBe层架结构（见图1）设计，光发射板之间没有防电磁干扰措施。相对于其他板卡，光发射板功率较大（5w，），断开电源瞬间可能会产生电磁干扰，从而影响两侧光发射板正常工作，并造成触发脉冲。目前因无合适的测量设备及检测方法，需要进一步进行研究。
作为大功率板卡，光发射板容易老化，对于板卡老化因目前国内尚无相关研究及测试方法，故对板卡老化问题仍需要进一步研究。
参考文献
电路板的设计流程篇10
关键词：防爆；无线传感器网络；信息采集节点；油库
中图分类号：tn911?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2013）16?0091?04
0引言
无线传感器网络[1?2]（wirelessSensornetworks，wSn）是新一代的传感器网络，由大量无人值守、具有通信和计算能力的微小型节点构成的自主探测系统。无线传感器网络的可快速部署、可自组网、高容错性及低功耗、通讯效率高、网络生存能力强、可靠性好、成本低廉等特点，能满足信息获取的实时性、准确性和全面性等需求，非常适合军事、工业等领域的应用，尤其是适应于恶劣的环境及野外条件用[3]，其在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。
随着信息技术的发展和现代管理理念的改变，作为储存、装卸、输转和供应油料基地的油库，也引入了无线传感器网络技术，其泵站、输油管线、油料装备和油库设施设备均可成为无线传感器网络的监测对象[3?5]。针对油库常见的流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等现场仪表信息采集与处理存在的不便，构建了油库传感器网络系统，实现了油库各类传感器仪表信息的自动采集与处理。系统主要包括信息采集节点、无线网络、信息汇聚终端、上位机信息处理中心等几部分。
本文重点介绍了信息采集节点的软硬件设计。信息采集节点是油库传感器网络系统的前端设备，是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上实现并优化，负责采集各类仪表传感器信号，并通过网络上传到信息汇聚终端。本文中的信息采集节点运用通用化、模块化设计思想，采用同一处理器、壳体，配套不同无线模块的方法进行设计，包括壳体设计、硬件电路设计及配套软件设计。
1硬件设计
本文设计的信息采集节点具有接口多、应用环境特殊等特点，因此，节点在设计过程中，除满足应用功能要求外，还要满足环境适应性、性能稳定性、电磁兼容性、防爆性等技术要求。该节点主要由壳体、电器部件、ex电缆引入装置等部件组成。下面从硬件电路设计和壳体结构设计两个方面进行介绍。
1.1硬件电路设计
信息采集节点硬件层主要包括4个模块：电源模块、数据处理模块（包括存储器和微控制器）、无线通信模块以及数据采集模块（包括传感器及其驱动接口电路）。在各单元模块中，核心部分为数据处理模块以及无线通信模块。处理器作为传感器节点运转的“心脏”，在上面运行着嵌入式系统软件，从而对另外3个模块的工作进行控制；无线通信模块主要负责与其他节点通信，交换控制消息和收发采集数据。信息采集节点模块结构框图如1所示。
1.1.1电路原理设计
与其他无线传感器网络信息采集节点相比，本文设计的信息采集节点需要采集处理不同类型传感器信号，包括流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等仪表数据信息，各种仪表信息源输出大概有以下几种制式：数字脉冲信号、1～5V、4～20ma、RS485、HaRt等；同时，还预留485总线，232串口，Spi接口，i2C接口和多路aD/Da接口，方便其他扩展功能应用，如连接显示屏、打印机、键盘、GpS等。主板设计的难点是解决主板电磁兼容性设计和高集成度多接口小尺寸电路主板设计难题。信息采集节点的主板电路原理框图如图2所示。
信息采集节点的微控制单元（mCU）采用ti公司低功耗单片机mSp系列中的mSp430FG4618型号，mSp430FG4618具有集成度高、设备丰富、超低功耗等优点，拥有五种节能模式，适合于不同应用场合。而且mSp430FG4618带有12位的高速aD模块，即mSp430FG4618可以接收数字量和模拟量，而且可以采用中断、定时方式测量流量脉冲信号，因此，mSp430FG4618的应用可以大大简化电路设计。
信息采集节点的无线通信模块根据具体实际应用，选用夏瑞（ReneX）公司的CoRe1无线模块或Chipcon公司的CC2420无线模块。其中，CoRe1无线模块用于动态移动装备的通信，CC2420无线模块用于固定设备的通信。
信息采集节点电能由固定设备仪表连接电源或装备上自身车载电源提供。采用军品级的DC?DC电源直流调制模块，在9～18V的宽电压输入范围内输出稳定的12V直流电，在12V基础上采用降压iC进一步调制成其他稳定电压输出为mCU、无线通信模块等供电。电源原理电路如图3所示。
为保护信息采集节点，防止被烧坏或不能正常工作，本品使用了变压器型电源隔离电路，抑制或消除了电源输入可能造成的干扰。
1.1.2元器件选择
（1）所有元件尽可能选用表面贴装元件。表面贴装元件不仅体积小，可有效降低电路板面积占用面积，便于pCB设计，更重要的是其引脚小，发射和接收的电磁能量小，可以显著提高电磁兼容性能。
（2）所有集成电路尽可能选用CmoS电路。CmoS电路具有的功耗低、抗干扰能力强和宽工作稳定范围等特点，特别适用于设计要求，其中小规模集成电路无需特别要求均可适应军品的环境适应性要求。仅需对大规模集成电路选用军品级电路。但CmoS电路的瞬间功率设计要求高，为此对每个集成电路均加装了去耦合电容。
（3）所有储能元件均尽可能选择低容量值，并在电压和电流上加一定的限制。
1.1.3印制电路板布线
主板采用双层印制电路板（pCB）。电路板布线遵循器件排列分布相关规定，其层压、走线和预浸处理等工艺均按ipC?a?610C国际工艺标准进行。双层pCB的顶层用于信号路由，空白处和位于芯片下面的空间一样，采用金属箔填充，通过若干孔牢靠接地。在印制电路板设计过程中要特别注意无线收发器部分的布线和pCB天线的设计，这也是传感器节点设计的难点和重点。例如退耦电容器应尽可能靠近供电引脚，并且通过单独的过孔连接到印制电路板的接地面；芯片的接地引脚距离使用单独过孔的封装引脚越近越好；外部元件越小越好，必须使用表面贴装器件。印制电路板设计完成之后将印制板文件送至印制板制作厂家生产。
1.1.4电路板生产
（1）印刷版制作
激光照排，激光制版，2层铜基复合板。
（2）焊接
①在具有iSo9001：2000质量管理体系的专业的Smt的加工厂进行生产，生产符合ipC?a?610C国际工艺标准，产品均符合ipC二级标准；
②在高速自动Smt生产线上采用流水线方式批量生产；
③焊接方式为回流焊，生产工艺采用无铅焊接技术，峰值温度范围为230～250℃；
④对mCU采用BGa焊接。
（3）喷漆
①对电路板喷涂防锈漆两遍；
②24～48h阴干后成品。
1.2壳体设计
样机壳体设计一方面要突出作业实用要求，还要考虑作业场所爆炸危险环境的防爆等级，严格遵循《GB3836.1?2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和《GB3836.2?2000爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》标准要求。根据硬件电路板、天线大小及组装需要，使用aUtoCaD软件进行图纸设计，并送专业生产制造厂加工生产。
壳体颜色采用军绿色，材质为铝合金（ZL104），厚9mm；空腔内安装有电器部件；壳体上下部分采用平面结构配合。
2软件设计
验证硬件设计没有问题之后，可进行应用程序的开发，包括协议栈的实现、应用层程序的编写等工作。信息采集节点由于外设较多，为了不过多占用单片机运行时间，提高数据处理效率，降低单片机功耗，单片机与外设交换信息的方式都是通过中断来完成。单片机程序用C语言编写，编译环境为iaR4.21。主程序软件流程图如图4所示。
其他外接模块主要是通过中断方式与单片机交互信息。中断程序分别包含有无线模块中断子程序；流量仪表中断子程序；压力仪表中断子程序；温度仪表中断子程序；湿度仪表中断子程序；液位仪表中断子程序；油气浓度仪表中断子程序。
无线模块的中断子程序是无线传感器网络应用的关键，下面重点介绍下无线模块的中断子程序设计。
无线模块采用ad?Hoc或Zigbee无线网络协议，是可自组网，多跳路由的传感器网络。本系统信息采集节点上的无线节点都是Slave模式，它们可以同在监控室与pC机相连的master节点实时通信。
此外，网络中的每个Slave节点都具有路由器的功能，可向邻节点转发数据。利用这些中间节点的中继功能，在前端信息采集节点与监控室直接通讯受阻的情况下，数据可以自动由其他节点进行一次或多次路由传送到目标节点，提高了系统的实时性可靠性。无线通信模块软件流程图如图5所示。
3结语
节点设计试制后，在国家防爆电气产品质量监督检验中心完成了机械检查、冲击试验、温度试验、外壳耐压试验、内部点燃不传爆试验、外壳防护性能试验等检验项目，并取得了防爆合格证。另外，节点通过了其他相关性能测试与试验，达到了预期效果，满足油库现场使用的要求。该节点可实现油库所用流量、压力、温度、湿度、液位、油气浓度等现场仪表信息的采集、处理及传送，节省了大量人力、物力、财力、时间，提高油库设施设备及装备的信息化水平，提升油库的业务管理能力。
参考文献
[1]岳彬.基于无线传感器网络的油车信息采集终端研究[J].现代电子技术，2011，34（z1）：110?112.
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[3]岳彬.无线传感器网络技术应用概述及其故障诊断技术研究[J].现代电子技术，2012，35（9）：125?127，130.
[4]岳彬.浅谈无线传感器网络技术在油料保障的中应用[J].军用航油，2012，158（4）：33?35.