单片机系统的抗干扰技术

1、2021/3/231 单片机系统的抗干扰技术单片机系统的抗干扰技术2021/3/232干扰源干扰源 干扰信号主要通过三个途径进入单片机系统内部:即电磁感应,传输通道和电源线。一般情况下,经电磁感应进入单片机系统的干扰在强度上远远小于从传输通道和电源线进入的干扰,对于电磁感应干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以,抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。2021/3/233串模干扰串模干扰 串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到单片机系统上的。如下图所示。串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感器来的信号线

2、有时长达一、二百米,干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。2021/3/234共模干扰共模干扰 共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压,也可以是交流电压,其幅值可达几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和单片机系统的接地情况。2021/3/235电源干扰电源干扰除了串模干扰和共模干扰之外,还有一些干扰是从电源引入的,电源干扰一般有: 1. 当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰,通过变压器初级和次级之间的电容耦合到直流电源中去产生干扰; 2. 附近的断电器动作时产生的浪涌电压,由电源线经变压器级间电容耦合产生

3、的干扰; 3. 共用同一个电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。 2021/3/236数字电路干扰数字电路干扰在数字电路的元件与元件之间,导线与导线之间,导线与元件之间,导线与结构件之间都存在着分布电容。如果某一个导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使其它导体上的电位受到影响,这种现象称为电容性耦合。下图为平行布线的和之间电容性耦合情况的示意图。 2021/3/237假设、两导线的两端均接有门电路,见图a,当门输出一个方波脉冲,而受感线（线）正处于低电平时,可以从示波器上观察到如图b所示的波形。 图a图b2021/3/238 前面图b中,VA表示信号源,VB为感应电压。若耦合电容CAB足

4、够大,使得正脉冲的幅值高于门的开门电平VT,脉冲宽度也足以维持使门4的输出电平从高电平下降到低电平时,门4就输出一个负脉冲,即干扰脉冲。 在印刷电路板上,两条平行导线间的分布电容约为0.10.5pF/cm,与靠在一起的绝缘导线间的分布电容有相同数量级。除以上所介绍之外,还有其它一些干扰和噪声,如:由印刷电路板电源线与地线之间的开关电流和阻抗引起的干扰;元器件的热噪声;静电感应噪声等。2021/3/239抗串模干扰措施抗串模干扰措施单片机系统中,抗串模干扰措施是用低通滤波器滤除交流干扰,而对直流串模干扰则采用补偿措施。常用低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器等, 如下图a、

5、b、c、d所示。2021/3/2310 RC滤波器的结构简单,成本低,也不需调整。但它的串模抑制比不高,一般需23级串联使用才能达到规定的NMR指标。而且时间常数RC较大,RC过大时将影响放大器的动态特性。 LC滤波器的串模抑制比较高,但需要绕制电感,体积大、成本高。 双T滤波器对一固定频率的干扰具有很高的抑制比,偏离该频率后抑制比迅速减小。主要用来滤除工频干扰,而对高频干扰无能为力,其结构虽然也简单,但调整比较麻烦。 有源滤波器可以获得较理想的频率特性,但作为单片机系统输入级,有源器件(运算放大器)的共模抑制比一般难以满足要求,其本身带来的噪声也较大。 2021/3/2311采用双端输入的差

6、分放大器作为单片机系统输入通道的前置放大器,是抑制共模干扰的有效方法。也可以利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信号隔离开来,也就是把“模拟地”与“数字地”断开,被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路,而共模干扰由于不成回路而得到有效抑制。如图所示。抗共模干扰措施抗共模干扰措施2021/3/2312还可以采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰,如下图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空,从而达到抑制共模干扰的目的。2021/3/2313在采用这种方法时要注意以下几点: (1) 信号线屏蔽层只允许一端接地,并且只在信号源侧接地,而放大器侧不得接地,当信号源为浮地方式时,屏蔽

7、只接信号源的低电位端; (2) 模拟信号的输入端要相应地采用三线采样开关; (3) 在设计输入电路时,应使放大器二输入端对屏蔽罩的绝缘电阻尽量对称,并且尽可能减小线路的不平衡电阻。 2021/3/2314开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道,都是干扰窜入的渠道,要切断这条渠道,就要去掉对象与输入输出通道之间的公共地线,实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。最常见的隔离器件是光电耦合器,其内部结构如下图所示,光电耦合器之所以具有很强的抗干扰能力 。 输入输出通道抗干扰措施输入输出通道抗干扰措施2021/3/2315开关量输入电路接入光电耦合器后,由于光电耦合器的抗干扰作用,使夹杂在输入开关量中的各种干

8、扰脉冲都被挡在输入回路的一边。另外,光电耦合器还起到很好的安全保障作用,即使故障造成Vi与电力线相接也不致于损坏单片机系统,因为光电耦合器的输入回路与输出回路之间可耐很高的电压(GO103为500V,有些光电耦合器可达1000V,甚至更高)。 2021/3/2316下图是光电隔离抗干扰开关量输出电路的原理图。三态缓冲门接成直通式,当开关量信号Vi为0时,电流通过发光二极管,使光敏三极管导通,外接三极管T截止可控硅EC导通,直流负载加电。反之,Vi为1时,直流负载断电。 2021/3/2317由于模拟量信号的有效状态有无数个,而数字(开关)量的状态只有两个,所以叠加在模拟量信号上的任何干扰,都因

9、有实际意义而起到干扰作用。叠加在数字(开关)量信号上的干扰,只有在幅度和宽度都达到一定量时才能起到作用。这表明抗干扰屏障的位置越往外推越好,最好能推到模拟量入、出口处,也就是说,最好把光电耦合器设置在A/D电路模拟量输入和D/A电路模拟量输出的位置上。 2021/3/2318必须注意的是,当用光电耦合器来隔离输入输出通道时,必须对所有的信号(包括数字量信号、控制信号、状态信号)全部隔离,使得 被隔离 的两边没有任何电气上的联系。否则这种隔离是没有意义的。2021/3/2319如图所示,电抗器用来抑制交流电源线上引入的高频干扰变阻二极管用来抑制进入交流电源线上的瞬时干扰(或者大幅值的尖脉冲干扰)

10、;隔离变压器的初、次级之间加有静电屏蔽层,从而进一步减小进入电源的各种干扰。该交流电压再通过整流,滤波和直流电子稳压后使干扰被抑制到最小。 电源与电网抗干扰措施电源与电网抗干扰措施2021/3/2320正确接地是单片机系统系统抑制干扰所必须注意的重要问题。在设计中若能把接地和屏蔽正确地结合,可很好地消除外界干扰的影响。接地设计的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压,以及免受电磁场和地电位差的影响,即不使其形成地环路。地线系统抗干扰措施地线系统抗干扰措施2021/3/2321接地设计应注意如下:(1) 一点接地和多点接地的使用原则一般高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。

11、在低频电路中,接地电路形成的环路对干扰影响很大,因此应一点接地。在高频时,地线上具有电感,因而增加了地线阻抗,而且地线变成了天线,向外幅射噪声信号,因此,要多点就近接地。(2) 屏蔽层与公共端的连接当一个接地的放大器与一个不接地的信号源连接时,连接电缆的屏蔽层应接到放大器公共端,反之应接到信号源公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。2021/3/2322(3)交流地、功率地同信号地不能共用流过交流地和功率地的电流较大,会造成数毫伏、甚至几伏电压,这会严重地干扰低电平信号的电路。因此信号地应与交流地、功率地分开。(4)屏蔽地(或机壳地)接法随屏蔽目的不同而异电场屏蔽是为了解决分布电容

12、问题,一般接大地;电磁屏蔽主要避免雷达、短波等高频电磁场的辐射干扰,地线用低阻金属材料做成。屏蔽是防磁铁、电机、变压器等的磁感应和磁耦合的,办法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地。2021/3/2323(5)电缆和接插件的屏蔽在电缆和接插件的屏蔽中要注意:高电平线和低电平线不要走同一条电缆。不得已时,高电平线应单独组合和屏蔽。同时要存细选择低电平线的位置。高电平线和低电平线不要使用同一接插件。不得已时,要将高低电平端子分立两端,中间留接高低电平引地线的备用端子。设备上进出电缆的屏蔽应保持完整。电缆和屏蔽线也要经插件连接。两条以上屏蔽电缆共用一个插件时,每条电缆的屏蔽层都要用一个单独接线端子,

13、以免电流在各屏蔽层流动。2021/3/2324硬件抗干扰措施的目的是尽可能切断干扰进入单片机系统的通道, 因此是十分必要的。但是由于干扰存在的随机性, 尤其是在一些较恶劣的外部环境下工作的单片机系统, 尽管采用了硬件抗干扰措施, 但并不能将各种干扰完全拒之于门外。这时就应该充分发挥单片机系统中单片机在软件编程方面的灵活性,采用各种软件抗干扰措施, 与硬件措施相结合, 提高单片机系统工作的可靠性。 软件抗干扰措施软件抗干扰措施2021/3/2325在采集数字信号时, 可多次重复采集, 直到若干次采样结果一致时才认为其有效。例如通过A/D 转换器测量各种模拟量时, 如果有干扰作用于模拟信号上, 就

14、会使A/D转换结果偏离真实值。 如果只采样一次A/D转换结果, 就无法知道其是否真实可靠, 而必须进行多次采样, 得到一个A/D转换结果的数据系列, 对这一系列数据再作各种数字滤波处理, 最后才能得到一个可信度较高的结果值。如果对于同一个数据点经多次采样后得到的信号值变化不定, 说明此时的干扰特别严重, 已经超出允许的范围, 应该立即停止采样并给出报警信号。 2021/3/2326 开关量信号采样流程如下图所示。2021/3/2327单片机系统对外输出的控制信号很多是以数字量的形式出现的, 如各种显示器, 步进电机或电磁阀的驱动信号等。即使是以模拟量输出, 也是经过D/A转换而获得的。单片机给

15、出一个正确的数据后, 由于外部干扰的作用有可能使输出装置得到一个被改变了的错误数据, 从而使输出装置发生误动作。对于数字量输出软件抗干扰最有效的方法是重复输出同一个数据, 重复周期应尽量短。这样输出装置在得到一个被干扰的错误信号后, 还来不及反应, 一个正确的信号又来到了, 从而可以防止误动作的产生。2021/3/2328前面述及的是针对输入输出通道而言的, 干扰信号还未作用到CPU本身, CPU还能正确地执行各种抗干扰程序。如果干扰信号已经通过某种途径作用到了CPU上,则CPU就不能按正常状态执行程序,从而引起混乱,这就是通常所说的程序“跑飞”。2021/3/2329程序“跑飞”后往往将一些

16、操作数当作指令码来执行, 从而引起整个程序的混乱。采用“指令冗余”是使“跑飞”的程序恢复正常的一种措施。所谓“指令冗余”, 就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。 当程序跑飞到某条单字节指令上时, 就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。对于8051单片机来说, 所有的指令都不会超过3个字节, 因此在某条指令前面插入两条NOP指令, 则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散, 而会得到完整的执行, 从而使程序重新纳入正常轨道。 通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前面插入两条NOP指令。应该注意的是在一个程序中“指令冗余”不能使用过多, 否则会降低程序的执行效率。2

17、021/3/2330如果“跑飞”的程序落到非程序区(如EPROM中未用完的空间或某些数据表格等), 或在执行到冗余指令之前已经形成了一个死循环, 则“指令冗余”措施就不能使“跑飞”的程序恢复正常了。这时可以采用另一种软件抗干扰措施, 即所谓“软件陷肼”。“软件陷肼”是一条引导指令, 强行将捕获的程序引向一个指定的地址, 在那里有一段专门处理错误的程序。 2021/3/2331“软件陷肼”一般安排在下列四种地方:(1)未使用的中断向量区。(2)(2) 未使用的大片EPROM空间。 (3) 数据表格和散转表格。 (4) 程序分支处。 2021/3/2332 如果跑飞的程序落到一个临时构成的死循环中

18、时, 冗余指令和软件陷肼都将无能为力。这时可以采用人工复位的方法使系统恢复正常, 实际上可以设计一种模仿人工监测的“程序运行监视器”, 俗称“看门狗” 2021/3/2333 硬件看门狗2021/3/2334将定时器T0的溢出中断设为高级中断, 其它中断均设置为低级中断, 若采用6M的时钟,则可用以下程序使T0定时约10ms来形成软件看门狗:MOV TMOD, #01H ;置T0为16位定时器 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB PT0 ;设置T0为高级中断 MOV TH0, #0E0H ;定时约10ms SETB TR0 ;启动T0 SETB EA ;开中断 软件看门狗2021/3/2335软件看门狗启动后,系统工作程序必须每隔小于16ms的时间执行一次指令:MOV TH0,#0E0H重新设置T0的计数初值。如果程序“跑飞”后执行不到这条指令, 则在16ms之内即会产生一次T0溢出中断, 在 T0 的中断向量区安放一条转移到出错处理程序的指令:LJMP ERR由出错处理程序来处理各种善后工作。采用软件看门狗有一个弱点, 就是如果“跑飞”的程序使某些操作数变形成为了修改T0功能的指令