单片机的抗干扰技术应用

1、郑州交通职业学院毕 业 论 文论文题目：单片机的抗干扰技术应用所属系别 机电工程系 专业班级 09机电一体化技术2班 姓名 刘 少 文 学号 200908030220227 指导教师 宋 芳 撰写日期 2012 年 5 月摘 要 单片机控制系统已得到广泛应用,在应用现场存在着各种各样干扰源,他们对单片机应用系统的工作会产生很大影响。这些干扰来自应用系统自身和外部环境。为了保证控制设备工作的安全可靠,在应用系统设计时就必须考虑到系统的抗干扰性能。文章分析了单片机应用系统中的干扰源、干扰途径和干扰对设备工作的影响,给出了硬件技术和软件技术来来提高单片机的抗干扰性能,并介绍了看门狗的使用。工程实践中

2、常将几个方面技术综合起来应用。关键词：干扰，抗干扰，硬件技术，软件技术，看门狗Abstract Single chip control system is widely used in modern industry. There are different kinds of interference sources on the application scene. They will result in bad influences on the work of single chip application system. These intererences may come from

3、 the application system, the universespace, power supply system and the industry scene.In order to ensure the safe and dependable of the work of controlled equipments, we need consider the anti-interference cap ability of the application system since system designed. This paper analyses the interfer

4、ence sources, interference channels and effects of interference on single chip application system and provides anti-interference techniques of both hard ware and software. The usage of watch-dog is also introduced. We often combine these techniques in the engineering practices.Keywords: interference

5、，anti-interference，hardwaretechnique，softwaretechnique，watchdog目 录1 引言12 单片机干扰来源的分析12.1外部环境所产生的干扰12.2应用系统自身干扰13 单片机抗干扰的技术分析23.1应用系统常用硬件抗干扰技术23.1.1精选单片机与元器件23.1.2印制电路板的设计23.1.3输入输出干扰抑制33.1.4电源干扰的抑制33.1.5地线干扰抑制43.2 应用系统常用软件抗干扰技术43.2.1数字滤波方法43.2.2输入信号重复检测方法43.2.3输出端口数据刷新方法53.2.4采用软件陷阱53.2.5“看门狗”技术64 总结

6、7参考文献8致 谢91 引言随着工业控制的发展,单片机应用系统以其高性价比逐步取代模拟式控制系统,被广泛应用于各个领域。应用场合存在着各种干扰源,对单片机应用系统的工作影响很大,在实验室里设计好的控制系统,安装调试时完全符合设计要求,而置入现场后,系统常常无法正常稳定地工作。干扰虽不能直接造成硬件的损坏,但常使计算机不能正常工作。因此,为了保证设备在实际应用中可靠地工作,从系统设计开始就必须充分考虑到对系统抗干扰性能的要求。2 单片机干扰来源的分析 所谓干扰就是叠加在有用信号上的不需要的信号，干扰以某种电信号的形式，通过一定的渠道，混入有用信号中进入单片机系统，造成系统工作不稳。在各种实际环境

7、中，这干扰降低了单片机系统的准确性，要加以避免。2.1外部环境所产生的干扰单片机控制系统是为工业生产而设计制造的，所以单片机系统经常工作与工业生产现场。在实际生产现场，存在着大量电磁干扰信号，对单片机控制系统的正常工作造成极大的危害，甚至可能带来系统复位乃至失控危险。2.2应用系统自身干扰 单片机本身由各种线路相互连接而成，线路之间会产生相互影响的磁场，从而引发干扰；单片机电源的供电方式以及各种元件的电气性能，也是产生干扰的重要来源；还有就是对单片机接地方式的处理。由于社会发展迅速自动化进程加快，在工业环境较复杂的场所，地下密布着各种电器设备的导线，这些导线之间的相互影响也对单片机的稳定性构成

8、了威胁。应用系统自身干扰源是因在设计系统时对某些问题考虑不全面,如元器件布局不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等,形成诸如电阻热噪声干扰、半导体散粒噪声干扰、接触噪声干扰、过程通道干扰、公共电阻形成的干扰等。这些干扰现象随流动元器件电流增大越加明显使系统控制精度下降，对单片机控制系统的正常工作造成了巨大的威胁。3 单片机抗干扰的技术分析单片机的抗干扰一般是从硬件和软件两方面入手的，硬件抗干扰技术一般是通过抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感器件的抗干扰性能方面入手；而软件抗干扰主要是通过对程序区、RAM空间区表格区进行特殊处理来实现的。在储存空间允许的情况下还可以充分应用软件抗干扰措施来提

9、高单片机系统程序运行的可靠性和数据的安全性。3.1应用系统常用硬件抗干扰技术3.1.1精选单片机与元器件单片机抗干扰的性能是不一样的，如果工作在干扰比较大的工作环境，可以选择抗干扰能力比较强的单片机。电路所需的电子元器件众多，任何一个电路元器件的失效都会导致电路不能正常工作，电子元器件的选择是系统正常运行的可靠保证。譬如考虑到铝电解电容容易产生噪声，而钽电容漏电小，在电源滤波和退藕电路中采用一个钽电容和一个陶瓷电容器相并联这样不但在低频情况下去耦性能很好而且在频率很高的情况下仍然能保持优良工作性能。总之，元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，这是硬件可靠性设计的基本原则。3.

10、1.2印制电路板的设计印制电路板（PCB）是电子元器件的支撑件。电路板是微机系统中器件、信号线、电源线高密度集合体,对抗干扰性能影响很大,电路板设计、布线及接地不妥可能使整个系统无法正常运行。1、印制电路板:大小要适中。过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也高；过小,散热不好,且易受干扰。尽量使用多层印制板,保证良好的接地网,减少地电位差。2、器件布置上:把相关的器件就近放置,易产生噪声的电路应尽量远离主机电路,发热量大的器件应考虑散热问题,I/O驱动器件尽量靠近印制板边上放置。闭置的IC管脚不要悬空,元器件脚避免相互平行,以减少寄生耦合。如有可能,尽量使用贴片元件 。3、布线:

11、电路之间的连接应尽量短,容易受干扰的信号线要重点保护,不能与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离平行；交直流电路要分开；对双面布线的印制电路板,应使两面线条垂直交叉,以减少磁场耦合效应。4、接地:交流地与信号地不能共用,以减少电源对信号的干扰；数字地、模拟地分开设计,在电源端两种地线相连对于多级电路,设计时要考虑各级动态电流,注意接地阻抗相互耦合的影响,工作频率低于1 MHz时采用一点接地,工作频率较高时采取多点接地,接地线应尽量粗。5、去耦电容:加去耦电容是印制电路板设计的一项常规做法。在电源输入端跨接10100F的电解电容或钽电容,在每个集成电路芯片上安装一个50F 的陶瓷电容器。3.1.3

12、输入输出干扰抑制单片机的输入输出线是最容易引进干扰的地方，对于不使用的I/O口线，需要使用电阻上拉到高电平，不可悬置。直接将开关量信号接到单片机的I/O口线上，是最不可取的设计，至少要加一个缓冲驱动的芯片隔离，而且这个芯片要跟CPU尽量近，再严重干扰的情况下，输入、输出信号加光电耦合隔离，可以切断主机部分和前向后向通道以及其它部分电路的联系，可以有效的防止干扰进入主机系统。数字输出信号可作为系统被控设备的驱动信号，数字输入信号可作为设备的响应回答和指令信号。数字信号接口部分是外界干扰进入单片机系统的主要通道之一。在单片机系统设计中，对数字信号的输入输出过程采取的抗干扰措施有：传输线的屏蔽技术，

13、如采用屏蔽线双绞线等；采用信号隔离措施；合理接地，由于数字信号在电平转换工程中形成公共阻抗干扰，选择合适的接地点可以有效抑制地线噪声。3.1.4电源干扰的抑制多数情况下，单片机运用系统都会使用交流220V、50Hz的电源供电。由于负荷的经常变化，往往会造成电源电压的波动，有时还会产生尖峰脉冲，对计算机应用系统影响最大，能使系统的程序“跑飞”或使系统“死机”。因此，一方面要使系统尽量远离这些干扰源，另一方面还要采用电源滤波器。这种滤波器是按频谱均衡原理设计的一种无源四端网络。为了提高系统供电的可靠性，还要采用交流稳压器，防止电源的过压或欠压。采用1:1隔离变压器，防止干扰通过初级间的电容效应进入

14、单片机供电系统。对于单片机系统中的直流稳压电源，可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过压进行保护，因此不会因为某个电路出现故障而使整个整个系统遭到破坏，而且也减少了公共阻抗的互相耦合，从而使供电系统的可靠性大大提高。如果系统供电电网波动较大，或者精度要求高，可以采用DC-DC变换器。DC-DC变换器的特点是输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小，有多种封装形式。3.1.5地线干扰抑制单片机系统中接地是一个非常重要的问题，接地问题的处理正确与否将直接影响系统的正常工作。在低频电路中，布线和元件的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。

15、在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，因此应采用多点接地。对模拟地和数字地，应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地然后再一点处把两种接地连接起来；否则，数字电路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。印制板地线在可能的情况下，地线尽量加宽，最好不小于3mm；TTL,CMOS器件的接地要成辐射网状，避免环形；旁路电容的地线不要太长；功率低通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。3.2 应用系统常用软件抗干扰技术尽管采用了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因错综复杂，且具有很大随机性，很难保证系统完全按不受干

16、扰。因此，往往在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、耗费低等特点，在系统中被广泛应用。3.2.1数字滤波方法数字滤波是在对模拟信号多次采样的基础上，通过软件算法提取最逼近真值数据的过程。数字滤波的算法灵活，可选择权限参数，其效果往往是硬件滤波电路无法达到的。3.2.2输入信号重复检测方法输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很短。当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以抑制时，可用软件重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的，知道连续两次或者两次以上的采集结果完全一致时方为有效。若信号总是变化不定

17、，在达到最高次数限额时，则给出报警信号。对于来自各类关键传感器的信号，如限位开关、行程开关、操作按钮等，都可以采用这种输入方式。如果在连续采集数据之间插入延时，则能够对付较宽的干扰。3.2.3输出端口数据刷新方法开关量输出软件抗干扰设计，主要是采取重复输出的方法，这是一种提高输出接口抗干扰性能的有效措施。对于那些用锁存器输出的控制信号，这些措施很有必要。在尽可能短的周期内，将数据重复输出，受干扰影响的设备还没来得及响应时，正确的信息又未到来，这样就可以防止误动错误的产生。在程序结构的安排上，可以输出数据建立一个数据缓冲区，在程序的周期性循环内将数据输出。对于增量控制型设备不能这样重复送数，只有

18、通过检测通道，从设备的反馈信息中判断数据传输的正确与否。在执行重复输出功能时对于可编程接口芯片，工作方式控制输出状态字一并重复设置，使输出模块可靠地工作。3.2.4采用软件陷阱当CPU受干扰,造成程序弹飞到非程序区,此时软件冗余无能为力,可在非程序区设置拦截措施,使程序进入陷阱,强迫程序进入一个指定的地址,执行一段专门对程序出错进行处理的程序,软件陷阱由3条指令构成,其中ERR为指定地址:NOPNOPLJMP ERR软件陷阱常安排在下列4种地方:1、未使用的中断区。当干扰使未使用的中断开放,并激活这些中断时,会会引起程序混乱。如果在这些地方设置软件陷阱,就能及时捕捉到 错误中断。假如MCS51

19、系统中使用3个中断:INT0,INT1,T1,他们的中断子程序分别在PINT0,PINT1,PT1,T0和串行口不使用中,中断向量区可以设置如下:ORG 0000H0000 H START :LJMP MAIN 主程序0003 H LJMP PIN T00006 H NOP0007 H NOP0008 H LJMP ERR 陷阱000B H LJMP ERR 陷阱000E H NOP000F H NOP0010 H LJMP ERR 0013 H LJMP PINT10016 H NOP0017 H NOP0018 H LJMP ERR001B H LJMP PT1001E H NOP001F

20、 H NOP0020 H LJMP ERR0023 H LJMP ERR0026 H NOP0027 H NOP0028 H LJMP ERR2、未使用的大片ROM空间。对于未使用的ROM单元,正常状态下为0FFH,程序弹飞到这一区域后,如果不受新的干扰,将顺序执行,不再跳转。只要每隔一段区域设置一个软件陷阱,其他单元保持为0FFH不变,就一定捕捉到弹飞到这里的程序。3、程序区。程序区由一串串执行指令构成,当程序执行到LJMP,SJMP, AJMP,RET等无条件转移类指令时,PC 的值应发生正常的跳变,此时程序不可能继续往下顺序执行。若在这些指令后设置软件陷阱,就可拦截弹飞到这里的程序,而又

21、不影响正常执行的流程。4、数据表格区。为了不破坏表格的连续性,可在数据表格区的尾部设 置软件陷阱。软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方,不影响程序执行的效率,在EPROM容量允许的条件下,多设置软件陷阱有利而无害。3.2.5“看门狗”技术当程序飞到一个临时构成的死循环中或PC指针落到程序存储器芯片地址之外,冗余指令和软件陷阱对此无能为力,这时系统将完全瘫痪。这种情况下,只有复位。MCS96和8XC552等系列单片机内有一个WDT监视定时器,是一个16位的计数器,输入为系统时钟,WDT被启动后,开始对时钟计数,计满溢出时,可使RESET端出现适当的复位信号,使系统复位,在正常情况下,为了防止WD

22、T溢出并复位整个系统,可在程序中周期地用指令清WDT,当程序受到干扰而没有正常地定期清WDT时,WDT的溢出就会使系统复位,从而恢复运行。 图3-1 内部WDT图3-1中RST是外部复位引脚,是WDT启动引脚,为“0”时,看门狗启动而工作,对分频后的脉冲计数,当计满溢出时,使单片机及外围电路复位,编程时,为防止监视定时器T3溢出,需要不断对T3写入。MCS51单片机内部没有WDT,可以由外电路来实现,图3-2是用CD4060 构成的看门狗电路。 图3-2 外部看门狗电路4060计数频率由RT ,CT决定,也可外接石英晶体,设实际运行的用户程序所需工作周期为T0；分频器计满时间为T,当T > T0且系统工作正常时,程序每隔T0对4060除一次,CD4060无计满输出信号,如系统工作不正常,程序不对4060清除。分频器计满输出一脉冲信号而使CPU复位。4 总结抗干扰设计是单片机应用系统设计中不可缺少的重要内容。硬件抗干扰是主动的,而软件抗干扰是被动的。由于干扰环境多种多样,在设计时应分析具体情况,选用针对性的抗干扰措施。在工程实践中,通常几种抗干扰方法并用,互相补充完善,以确保应