单片机抗干扰.

1、第第4章章 单片机系统的抗干扰技术单片机系统的抗干扰技术本章学习目标本章学习目标： 本章主要介绍了单片机系统的干扰来源，主要干扰的本章主要介绍了单片机系统的干扰来源，主要干扰的形式、种类及抗干扰措施。通过对本章的学习，读者应形式、种类及抗干扰措施。通过对本章的学习，读者应达到以下目标：达到以下目标：熟悉单片机系统的各种干扰来源及形式熟悉单片机系统的各种干扰来源及形式学会供电系统及过程通道的抗干扰措施学会供电系统及过程通道的抗干扰措施能说出在印制电路板设计中体现的抗干扰措施能说出在印制电路板设计中体现的抗干扰措施学习设计软件陷阱及看门狗电路学习设计软件陷阱及看门狗电路4.1 4.1 干扰的来源干

2、扰的来源 在日常生活中，经常会遇到这样一些现象。比如听收在日常生活中，经常会遇到这样一些现象。比如听收音机时，有汽车经过，喇叭就会出现刺耳的噪声，这就是音机时，有汽车经过，喇叭就会出现刺耳的噪声，这就是干扰。干扰。所谓干扰，就是有用信号外的噪声或造成恶劣影响所谓干扰，就是有用信号外的噪声或造成恶劣影响的变化部分的总称的变化部分的总称。 在进行单片机应用产品的开发过程中，我们经常会碰在进行单片机应用产品的开发过程中，我们经常会碰到一个很棘手的问题，即在实验室环境下系统运行很正常，到一个很棘手的问题，即在实验室环境下系统运行很正常，但小批量生产并安装在工作现场后，却出现一些不太规律、但小批量生产并

3、安装在工作现场后，却出现一些不太规律、不太正常的现象。究其原因主要是系统的抗干扰设计不全不太正常的现象。究其原因主要是系统的抗干扰设计不全面，导致应用系统的工作不可靠。引起单片机控制系统干面，导致应用系统的工作不可靠。引起单片机控制系统干扰的主要原因有以下几类：扰的主要原因有以下几类：（1）供电系统的干扰）供电系统的干扰 众所周知，电源开关的通断、电机和大的用电设备众所周知，电源开关的通断、电机和大的用电设备的启停会使供电电网发生波动，受这些因素的影响，电的启停会使供电电网发生波动，受这些因素的影响，电网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲干扰，这网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲干扰

4、，这就会使同一电网供电的单片机控制系统无法正常运行。就会使同一电网供电的单片机控制系统无法正常运行。这种干扰是危害最严重也是最广泛的一种干扰形式。这种干扰是危害最严重也是最广泛的一种干扰形式。（2）过程通道的干扰）过程通道的干扰 在单片机应用系统中，开关量输入、输出和模拟量在单片机应用系统中，开关量输入、输出和模拟量输入、输出通道是必不可少的。这些通道不可避免地会输入、输出通道是必不可少的。这些通道不可避免地会使各种干扰直接进入单片机系统。同时，在这些输入输使各种干扰直接进入单片机系统。同时，在这些输入输出通道中的控制线及信号线彼此之间会通过电磁感应而出通道中的控制线及信号线彼此之间会通过电磁

5、感应而产生干扰，从而使单片机应用系统的程序错误，甚至会产生干扰，从而使单片机应用系统的程序错误，甚至会使整个系统无法正常运行。使整个系统无法正常运行。（3）空间电磁波的干扰）空间电磁波的干扰 空间干扰主要来自太阳及其它天体辐射电磁波、广播电空间干扰主要来自太阳及其它天体辐射电磁波、广播电台或通讯发射台发出的电磁波及各种周围电气设备发射的电台或通讯发射台发出的电磁波及各种周围电气设备发射的电磁干扰等。如果单片机应用系统工作在电磁波较强的区域而磁干扰等。如果单片机应用系统工作在电磁波较强的区域而没有采取相关的防护措施，就容易引起干扰。但这种干扰一没有采取相关的防护措施，就容易引起干扰。但这种干扰一

6、般可通过适当的屏蔽及接地措施加以解决。般可通过适当的屏蔽及接地措施加以解决。 因此，针对以上出现的问题，我们必须采用有效措施以因此，针对以上出现的问题，我们必须采用有效措施以提高单片机应用系统抗干扰的能力。提高单片机应用系统抗干扰的能力。4.2 主要干扰通道及抗干扰措施主要干扰通道及抗干扰措施 4.2.1 4.2.1 供电系统干扰及抗干扰措施供电系统干扰及抗干扰措施1、供电干扰的种类、供电干扰的种类 如果把电源电压变化持续时间定为如果把电源电压变化持续时间定为tt，那么，根据，那么，根据tt的大小可以把电源干扰分为四种情况：的大小可以把电源干扰分为四种情况：（1 1）过压、欠压、停电：）过压、

7、欠压、停电： 当当t1st1s时产生的干扰，解决时产生的干扰，解决办法是使用各种稳压器、电源调节器，对短时停电可用不办法是使用各种稳压器、电源调节器，对短时停电可用不间断电源（间断电源（UPSUPS）供电。）供电。（2）浪涌、下陷、半周降出：当）浪涌、下陷、半周降出：当1st 10ms时产生时产生 的干扰，可使用快速响应的交流电源调压器克服。的干扰，可使用快速响应的交流电源调压器克服。（3）尖峰电压：当）尖峰电压：当t为为s量级时产生的干扰，量级时产生的干扰， 解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。调节器、参数稳压器或

8、超隔离变压器。 （4）射频干扰：当）射频干扰：当t为为ns量级时产生的干扰，可加量级时产生的干扰，可加23节低节低通滤波器消除干扰。通滤波器消除干扰。2、抗干扰设计、抗干扰设计 在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如下措施：干扰，建议采用如下措施：（1）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。（2）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。 隔离变压器的初级和次级之间均采用隔离屏隔离变压器的初级和次级之间均采用隔离屏蔽层（可用漆包线

9、或铜等非导磁材料在初级和次级蔽层（可用漆包线或铜等非导磁材料在初级和次级绕一层，但电气上不能与初级、次级线圈短路，而绕一层，但电气上不能与初级、次级线圈短路，而后引出一个头接地）。各初级、次级间的静电屏蔽后引出一个头接地）。各初级、次级间的静电屏蔽与初级间的零电位线相接，再用电容耦合接地。如与初级间的零电位线相接，再用电容耦合接地。如图图81所示。所示。图81 隔离变压器（3）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时外壳要加屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线外壳要加屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线必须相互隔离，以防止感应和

10、辐射耦合。直流输出部分采必须相互隔离，以防止感应和辐射耦合。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。用大容量电解电容进行平滑滤波。（4）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电网电压起伏的影响，可设置交流稳压器。网电压起伏的影响，可设置交流稳压器。（5）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级稳压。例如主板电源先用稳压。例如主板电源先用7809稳压到稳压到9V，再用，再用7805稳压到稳压到5V。如图。如图82所示。所示。（6）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能）尽量提高

11、接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力。例如用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流力。例如用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流24V继电器比继电器比6V继电器效果好。继电器效果好。4.2.24.2.2过程通道干扰及抗干扰措施过程通道干扰及抗干扰措施图82 供电系统配置图 过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。由于输入输出对象与单片机之间的连接线长，容输的路径。由于输入输出对象与单片机之间的连接线长，容易串入干扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等易串入干扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制。措施抑

12、制。（1）光电隔离器）光电隔离器 光电耦合器是把一个发光二极管和一光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件，个光敏三极管封装在一个外壳里的器件，光电耦合器的电路符号如图光电耦合器的电路符号如图83所示。输所示。输入信号使发光二极管发光，其光线又使光入信号使发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递，又实现了电气上的隔离，如信号的传递，又实现了电气上的隔离，如图图84所示。对启动或停止负荷不太大的所示。对启动或停止负荷不太大的设备，常采用光电耦合器来抑制输出通道设备，常采用光电耦合器来抑制输出通道的干扰

13、。的干扰。图84 开关量输入光电隔离电路图83 光电隔离器图形符号1、开关量隔离、开关量隔离 常用的开关量隔离器有光电隔离器、继电器、光电隔离常用的开关量隔离器有光电隔离器、继电器、光电隔离固态继电器固态继电器(SSR)。 如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载能力，它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出能力，它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出时，要在单片机输出端的锁存器时，要在单片机输出端

14、的锁存器74LS273与继电器间设置一个与继电器间设置一个OC门驱动器。用以提供较高的驱动电流。如图门驱动器。用以提供较高的驱动电流。如图85所示。所示。图45 开关量继电器隔离电路（2）继电器 双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它也是一种常用的大功率半导体器件，具有弱电控制，它也是一种常用的大功率半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。大的电流。 图图8-6（a）给出了普通小功率双向晶闸管的外形）给出了普通小功率双向晶闸管的外形及引脚排列。及引脚排列。

15、 （a）普通小功率双向晶闸管的外形 （b）结构符号图8-6 双向晶闸管的外形及结构符号（3）双向晶闸管）双向晶闸管 双向晶闸管的结构符号见图双向晶闸管的结构符号见图8-6（b）。三个电极分别是）。三个电极分别是T1、T2、G。其特点是，当。其特点是，当G极和极和T2极相对于极相对于T1的电压均为的电压均为正时，正时，T2是阳极，是阳极，T1是阴极。反之，当是阴极。反之，当G极和极和T2极相对于极相对于T1的电压均为负时，的电压均为负时，T1变成阳极，变成阳极，T2为阴极。为阴极。（4）光电隔离固态继电器）光电隔离固态继电器(SSR) 图87 SSR的内部结构框图图88 SSR基本单元电路 固态

16、继电器是将发光二极管与双向晶闸管封装在一起的固态继电器是将发光二极管与双向晶闸管封装在一起的一种新型电子开关。其内部结构框图如图一种新型电子开关。其内部结构框图如图47所示。当发光所示。当发光二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器可分二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器可分为交流固态继电器和直流固态继电器两大类。其基本单元接为交流固态继电器和直流固态继电器两大类。其基本单元接口电路如图口电路如图48所示。所示。图47 SSR的内部结构框图图48 SSR基本单元电路2、 A/D、D/A与单片机之间的隔离措施与单片机之间的隔离措施（1）模拟量隔离）模拟量隔离 对对A/D、D/

17、A变换前后的模拟信号进行隔离，是变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种方法。通常采用隔离型放大器对模拟量常用的一种方法。通常采用隔离型放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足A/D、D/A变换的精度和线性要求。变换的精度和线性要求。图49 数字量隔离 利用若干个锁存器对高速的地址信号、控制信号及数利用若干个锁存器对高速的地址信号、控制信号及数据进行锁存然后用该信号对据进行锁存然后用该信号对A/D、D/A芯片进行操作，完芯片进行操作，完成多路开关的选通，进行成多路开关的选通，进行A/D、D/A变换。换言之，变换。换言之，A/D变变换时，先将模拟

18、量变为数字量进行隔离，然后再送入单片换时，先将模拟量变为数字量进行隔离，然后再送入单片机。机。D/A变换时，先将数字量进行隔离，然后进行变换时，先将数字量进行隔离，然后进行D/A变换。变换。如图如图49所示。所示。（2）数字量隔离）数字量隔离 双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电缆相比，其波双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电缆相比，其波阻抗高、抗共模噪声能力强，对电磁场具有一定抑制效果。阻抗高、抗共模噪声能力强，对电磁场具有一定抑制效果。根据传送距离不同，双绞线使用方法不同，如表根据传送距离不同，双绞线使用方法不同，如表41所示。所示。当用双绞线传输与光电耦合器配合使用时，可按图当用双绞线传

19、输与光电耦合器配合使用时，可按图410所示所示的方式连接。图中（的方式连接。图中（a）是集电极开路驱动器与光电耦合器的）是集电极开路驱动器与光电耦合器的一般情况。（一般情况。（b）是开关接点通过双绞线与光电耦合器连接的）是开关接点通过双绞线与光电耦合器连接的情况。如光电耦合器的光敏晶体管的基极上接有电容情况。如光电耦合器的光敏晶体管的基极上接有电容（12pF0.01F）及电阻（）及电阻（1020M），且后面连接施密特集），且后面连接施密特集成电路驱动器，则会大大加强抗噪声能力，如图（成电路驱动器，则会大大加强抗噪声能力，如图（c）所示）所示。3、利用双绞线抑制长线传输干扰、利用双绞线抑制长线传

20、输干扰表表41 双绞线的使用方法双绞线的使用方法距距 离离使用方法使用方法示意图示意图5米以下发送、接收端都接有负载电阻。若发射侧为集电极开路驱动，则接收侧的集成电路用施密特型电路，抗干扰能力更强。10米左右使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器数十米发送和接收信号端都要接匹配电阻。图410 双绞线与光电耦合器联合使用4、机械触点及交流、直流电路的噪声抑制、机械触点及交流、直流电路的噪声抑制（1）机械触点的抗干扰措施）机械触点的抗干扰措施 开关、按钮、继电器触点等在操作时，经常会发生抖开关、按钮、继电器触点等在操作时，经常会发生抖动，如不采取措施，则会造成误动作。这类器件可采用如动，如不采取措

21、施，则会造成误动作。这类器件可采用如图图811所示的办法，以获得没有振荡的逻辑信号。所示的办法，以获得没有振荡的逻辑信号。（a）滤波消抖电路 （b）单稳态电路 （c）触发器消抖电路 （d）施密特电路图411 机械触点的抗干扰措施（2）抑制反电动势的抗干扰措施）抑制反电动势的抗干扰措施 电机、变压器、继电器、电磁阀等工业电气设备多为电机、变压器、继电器、电磁阀等工业电气设备多为感性负载，投切时会产生很高的反电势，这不仅可能损坏感性负载，投切时会产生很高的反电势，这不仅可能损坏元件，而且会产生高频的电磁波干扰其它电路，通过电源元件，而且会产生高频的电磁波干扰其它电路，通过电源直接侵入到单片机装置中

22、。因此，在输入直接侵入到单片机装置中。因此，在输入/输出通道中使用输出通道中使用这类器件时，必须在继电器线圈或开关触头两端并接抗干这类器件时，必须在继电器线圈或开关触头两端并接抗干扰电路，如图扰电路，如图412所示。其中，（所示。其中，（a）（）（b）用于直流电）用于直流电流的干扰抑制；（流的干扰抑制；（c）图电路对交、直流干扰均适用；（）图电路对交、直流干扰均适用；（d）（e）用于接触器和继电器触头的两端。）用于接触器和继电器触头的两端。（a）二极管稳压管抑制电路 （b）电阻二极管抑制电路（c）R-C阻容抑制电路 （d）（e）开关触头两端的反电势抑制电路图412 反电势抑制电路4.3 印制电

23、路板及电路的抗干扰设计印制电路板及电路的抗干扰设计 在单片机系统中，印制电路板的设计好坏对抗干扰能在单片机系统中，印制电路板的设计好坏对抗干扰能力影响很大。印制电路板是用来支撑电路元件，并提供电力影响很大。印制电路板是用来支撑电路元件，并提供电路元件和器件之间电气连接的重要组件。为了减少干扰，路元件和器件之间电气连接的重要组件。为了减少干扰，在印制电路板设计过程中必须遵循以下三大原则：在印制电路板设计过程中必须遵循以下三大原则： 尽量控制噪声源；尽量控制噪声源； 尽量减小噪声的传播与耦合；尽量减小噪声的传播与耦合； 尽量增加噪声的吸收。尽量增加噪声的吸收。4.3.1印制电路板的尺寸及元件的选择

24、印制电路板的尺寸及元件的选择1印制电路板大小要适中印制电路板大小要适中 如果印制电路板太大，会增加线路的阻抗及成本，降低抗如果印制电路板太大，会增加线路的阻抗及成本，降低抗干扰能力；太小，则散热不好，而且线路间干扰也会大大增加。干扰能力；太小，则散热不好，而且线路间干扰也会大大增加。 2合理配置去耦电容合理配置去耦电容（1）直流电源输入端应跨接）直流电源输入端应跨接10100F以上的电解电容器。以上的电解电容器。（2）原则上每个集成电路芯片的）原则上每个集成电路芯片的Vcc引脚都应安置引脚都应安置个个0.01F的陶瓷电容器。也可每的陶瓷电容器。也可每410个芯片安置一个个芯片安置一个110F的

25、钽电容的钽电容器。器。（3）对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和）对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储器件，应在芯片的电源线等存储器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（）和地线（GND）间直接接入去耦电容。）间直接接入去耦电容。（4）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。（5）在选用作为电路充电的储能电容时，尽量采用大容量）在选用作为电路充电的储能电容时，尽量采用大容量的钽电容或聚脂电容，而不用电解电容。若使用电解电容的钽电容或聚脂电容，而不用电解电容。若使用电解电容则要与高频特性好的去耦电容成对使用

26、。如图则要与高频特性好的去耦电容成对使用。如图813所示为所示为去耦电容的安装位置图。去耦电容的安装位置图。图413 去耦电容的安装位置图3选择时钟频率低的单片机及外部时钟部件。选择时钟频率低的单片机及外部时钟部件。4元件的选择尽量采用低速器件。元件的选择尽量采用低速器件。5对进入电路板的信号源及从高噪声区来的信号要加滤对进入电路板的信号源及从高噪声区来的信号要加滤波，继电器线圈处要加续流二极管。波，继电器线圈处要加续流二极管。 6尽量不使用尽量不使用IC插座，而把插座，而把IC直接焊在印制板上，这样直接焊在印制板上，这样可减少可减少IC插座间较大的分布电容。插座间较大的分布电容。7电源插接件

27、与信号插接件要尽量远离，主要信号的插电源插接件与信号插接件要尽量远离，主要信号的插接件外面最好带有屏蔽。接件外面最好带有屏蔽。 在安排插针信号时，用一部分插针为接地针，均匀分在安排插针信号时，用一部分插针为接地针，均匀分布于各信号针之间，起到隔离干扰的作用。信号针与接地布于各信号针之间，起到隔离干扰的作用。信号针与接地针理想的比例为针理想的比例为1：1。1元件布置要合理分区。元件布置要合理分区。单片机应用系统通常可分三区，即模拟电路区（怕干扰）、单片机应用系统通常可分三区，即模拟电路区（怕干扰）、 数字电路区（既怕干扰、又产生干扰）、功率驱动区（干数字电路区（既怕干扰、又产生干扰）、功率驱动区

28、（干扰源）。应将这三个区合理分开，使它们相互间的信号耦扰源）。应将这三个区合理分开，使它们相互间的信号耦合最小。合最小。2印制电路板要按单点接电源、单点接地的原则送电。印制电路板要按单点接电源、单点接地的原则送电。三个区的电源线、地线由该点分三路引出。三个区的电源线、地线由该点分三路引出。3噪声元件与非噪声元件要离得远一些。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路，如有可能，应另做电路板。离计算机逻辑电路，如有可能，应另做电路板。4时钟发生器、晶振和时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端

29、要尽量靠近，的时钟输入端要尽量靠近，并远离并远离I/O线及接插件。线及接插件。4.3.2印制电路板的合理布局印制电路板的合理布局5I/O驱动器件、功率放大驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制电路板的器件尽量靠近印制电路板的边缘、靠近引出接插件。边缘、靠近引出接插件。6器件的布置上也应考虑器件的布置上也应考虑到散热。到散热。最好把最好把ROM、RAM、时钟、时钟发生器等发热较多的器件布发生器等发热较多的器件布置在印制板的偏上方部位置在印制板的偏上方部位（当印制板竖直安装时）或（当印制板竖直安装时）或易通风散热的地方。单片机易通风散热的地方。单片机组件的参考布局如图组件的参考布局如图414所示。所示

30、。图414 单片机组件位置分配示意图 1正确处理电源线正确处理电源线 根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。电源线和地线最好分别设计在不同的版面上，的方向一致。电源线和地线最好分别设计在不同的版面上，以防杂物引起短路。以防杂物引起短路。8.3.3印制电路板的合理布线印制电路板的合理布线图415 接地的3种方式（1）正确选择单点接地与多点接地。当信号频率小于）正确选择单点接地与多点接地。当信号频率小于1MHz时，时，应尽量采用单点并

31、联接地，实际布线有困难时，可部分串联后应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地；当频率大于再并联接地；当频率大于10MHz时，宜采用多点串联接地；当时，宜采用多点串联接地；当信号频率在信号频率在110MHz之间时，如地线长度不超过波长的之间时，如地线长度不超过波长的1/20，可用单点接地。可用单点接地。3种接地方式如图种接地方式如图415所示。所示。2正确处理地线正确处理地线（2）将数字地、模拟地、电源地等分开走线，在一点上可）将数字地、模拟地、电源地等分开走线，在一点上可靠连接。如图靠连接。如图416所示。所示。 图416 数字地与模拟地的正确连接（3）接地线应尽量加

32、粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电）接地线应尽量加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。一般接地线宽度应在流。一般接地线宽度应在23mm以上。地线、电源线与信号线以上。地线、电源线与信号线的关系是：地线电源线信号线。的关系是：地线电源线信号线。 （4）使数字电路的接地线形成闭环路。）使数字电路的接地线形成闭环路。（5）高频部分尽量采用大面积包围式地线。）高频部分尽量采用大面积包围式地线。（1）用地线将时钟振荡电路圈起来，让周围电场趋近于零。）用地线将时钟振荡电路圈起来，让周围电场趋近于零。（2）石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线尽量短，且在石英晶）石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线尽量短，且在

33、石英晶体振荡器下面要加大接地的面积，不要走其它信号线。体振荡器下面要加大接地的面积，不要走其它信号线。（3）时钟线垂直于）时钟线垂直于I/O线，必要时要远离线，必要时要远离I/O线。线。3时钟振荡电路的处理时钟振荡电路的处理 数字电路中，闲置不用的门电路输入端不能悬空。运数字电路中，闲置不用的门电路输入端不能悬空。运算放大器中，闲置不用的正输入端接地，闲置的负输入端算放大器中，闲置不用的正输入端接地，闲置的负输入端与输出端连接。单片机中不用的与输出端连接。单片机中不用的I/O口定义成输出。单片机口定义成输出。单片机上有一个以上电源、接地端的，每一端都要接上，不要悬上有一个以上电源、接地端的，每

34、一端都要接上，不要悬空。如图空。如图417所示。所示。图417 不用空闲端的处理方法4闲置不用的引脚要做好处理闲置不用的引脚要做好处理（1）尽量使用多层板，过）尽量使用多层板，过孔要尽量少。孔要尽量少。（2）电路板铜膜线的布线）电路板铜膜线的布线尽量使用尽量使用45的折线，不的折线，不要使用要使用90折线，以减小折线，以减小高频信号的发射。其布线高频信号的发射。其布线方式如图方式如图418所示。所示。图418 铜膜线的布线方式5信号线的布线信号线的布线（3）重要的信号线应尽量短且要尽量粗，并在两侧加上）重要的信号线应尽量短且要尽量粗，并在两侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出时，要使用地线保护

35、地。将信号通过扁平电缆引出时，要使用地线信信号号地线地线的结构。的结构。（4）任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应）任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。尽量小。（5）对于）对于A/D类器件，数字部分与模拟部分信号线不能交类器件，数字部分与模拟部分信号线不能交叉。对噪声敏感的信号线不要与高速线、大电流线平行。叉。对噪声敏感的信号线不要与高速线、大电流线平行。8.4软件的抗干扰设计软件的抗干扰设计 单片机应用系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软单片机应用系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软件抗干扰设计也是防止和消除应用系统故障的重要途径。件抗干扰设计也是防止和消除应用系

36、统故障的重要途径。4.4.1控制状态失常的软件对策控制状态失常的软件对策 软件冗余。将对控制条件的一次采样、处理控制输出改软件冗余。将对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环采样、处理控制输出的方式。这种方法对于惯性较大为循环采样、处理控制输出的方式。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗干扰作用。如软件去抖动。的控制系统具有良好的抗干扰作用。如软件去抖动。 设置当前输出状态寄存单元。当干扰侵入输出通道设置当前输出状态寄存单元。当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统能及时将寄存单元的输出状造成输出状态破坏时，系统能及时将寄存单元的输出状态信息传送到各输出接口的端口寄存器中，以维持正确

37、态信息传送到各输出接口的端口寄存器中，以维持正确的输出控制。的输出控制。 设置自检程序。在单片机上电复位后或在程序中设置自检程序。在单片机上电复位后或在程序中间特定部位及某些内存单元插入状态标志，在单片机运间特定部位及某些内存单元插入状态标志，在单片机运行中不断循环检测，以保证系统中信息存储、运输、运行中不断循环检测，以保证系统中信息存储、运输、运算的高可靠性。单片机应用系统需要自检的部件有算的高可靠性。单片机应用系统需要自检的部件有EPROM、RAM、I/O口等。口等。8.4.2程序运行失常的软件对策程序运行失常的软件对策 一旦单片机因干扰而使得程序计数器一旦单片机因干扰而使得程序计数器PC

38、偏离了原定的偏离了原定的值，程序便脱离正常运行轨道，出现操作数数值改变或将值，程序便脱离正常运行轨道，出现操作数数值改变或将操作数当作操作码的操作数当作操作码的“跑飞跑飞”现象。此时，可采用软件陷现象。此时，可采用软件陷阱和阱和“看门狗看门狗”技术使程序恢复到正常状态。技术使程序恢复到正常状态。1、设置软件陷阱、设置软件陷阱 所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正常所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行或使运行或使“跑飞跑飞“的程序恢复到初始状态的的程序恢复到初始状态的系列指令。系列指令。其主要形式见表其主要形式见表42。表表42 软件陷阱的两种指令形式及适用范围软件陷阱的两

39、种指令形式及适用范围形式形式软件陷阱形式软件陷阱形式对应入口形式对应入口形式适适 用用 范范 围围1NOPNOPLJMP 0000H0000H：LJMP MAIN；运行程序双字节指令和3字节指令之后0003H0030H地址未使用的中断区跳转指令及子程序调用和返回指令之后程序段之间的未用区域数据表格及散转表格的最后每隔一些指令(一般为十几条指令)后2LJMP 0202HLJMP 0000H0000H：LJMP MAIN；运行主程序：0202H：LJMP 0000H：注：注：形式一的机器码为0000020000（十六进制） 形式二的机器码为020202020000（十六进制） 当未使用的中断因干扰

40、而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。在中断服务程序中要注意：返回指令用RETI，也可用LJMP。其中断服务程序形式为以下两种：形式一：形式一：形式二：形式二：NOPNOPPOP direct1POP direct2LJMP 0000HNOPNOPPOP direct1；将原先断点弹出POP direct2PUSH 00H；断点地址改为000 0HPUSH 00HRETI（1）未使用的中断区 单片机系统中使用的单片机系统中使用的EPROM很少能够全部用完，很少能够全部用完，这些非程序区可用这些非程序区可用0000020000或或020202020000数据填数

41、据填满。需要注意的是，最后一条填入数据应为满。需要注意的是，最后一条填入数据应为020000。当。当程序程序“跑飞跑飞”进入此区后，便会迅速自动入轨进入此区后，便会迅速自动入轨。（2）未使用的）未使用的EPROM空间空间 单片机系统寻址空间为单片机系统寻址空间为64K。如果系统仅选用了一片。如果系统仅选用了一片2764，其地址空间为其地址空间为8K，那么还有，那么还有56K地址空间闲置。当程序地址空间闲置。当程序“跑飞跑飞”到这些空间时，读入数据将为到这些空间时，读入数据将为FFH，这是，这是“MOV R7，A”指令指令的机器码，此代码的执行将修改的机器码，此代码的执行将修改R7中的内容。因此

42、，可采用图中的内容。因此，可采用图419所示电路来避免。图中所示电路来避免。图中74LS08为四二与门，当为四二与门，当PC落入落入2000HFFFFH这段闲置空间时，定有为高电平。当执行取指令这段闲置空间时，定有为高电平。当执行取指令操作时，为低电平，从而引起中断，在中断服务程序中设置软操作时，为低电平，从而引起中断，在中断服务程序中设置软件陷阱可将件陷阱可将“跑飞跑飞”的程序迅速拉入正轨。的程序迅速拉入正轨。图419 非EPROM区防“跑飞”电路（3）非）非EPROM芯片空间芯片空间 由于程序是采用模块化的设计方法，因此，程序也是以由于程序是采用模块化的设计方法，因此，程序也是以模块方式运

43、行的。此时可以将陷阱指令组分散放置在用户程模块方式运行的。此时可以将陷阱指令组分散放置在用户程序各模块之间空余的单元里。一般每序各模块之间空余的单元里。一般每1K字节有几个陷阱就够字节有几个陷阱就够了。了。 在正常程序中不执行这些陷阱指令，保证用户程序正常在正常程序中不执行这些陷阱指令，保证用户程序正常运行；但当程序运行；但当程序“跑飞跑飞”时，一旦落入这些陷阱区，马上就时，一旦落入这些陷阱区，马上就可将可将“跑飞跑飞”的程序拉到正确轨道。的程序拉到正确轨道。（4）运行程序区）运行程序区 设用户主程序运行区间为设用户主程序运行区间为add1add2，且定时器，且定时器T0产生产生10ms定时中

44、断；当程序定时中断；当程序“跑飞跑飞”落入落入add1add2以外的区间，以外的区间，此时又发生了定时中断，则可在中断服务程序中判定中断断此时又发生了定时中断，则可在中断服务程序中判定中断断点地址点地址addx是否在是否在add1add2之间，若不在则说明发生了程之间，若不在则说明发生了程序序“跑飞跑飞”，应使程序返回到复位入口地址，应使程序返回到复位入口地址0000H，使跑飞，使跑飞程序纳入正轨。程序纳入正轨。（5）中断服务程序区）中断服务程序区 程序运行监视系统又称“看门狗”（WATCHDOG）。“看门狗”好比是主人（单片机）养的一条“狗”，在正常工作时，每隔段固定时间就给“狗”吃点东西“

45、狗”吃过东西后就不会影响主人干活了。如果主人打瞌睡，到一定时间，“狗”饿了，发现主人还没有给它吃东西，就会叫醒主人。由此可以看出，“看门狗”就是一个监视跟踪定时器，应用“看门狗”技术可以使单片机从死循环中恢复到正常状态。 “看门狗”可以用硬件电路实现，也可采用软件技术通过内部定时/计数器实现。目前，大多数单片机片内都集成有程序运行监视系统。（1）硬件“看门狗” MAX706是一款带有“看门狗”和电压监控功能的芯片，其外形如图820（a）所示。由其构成的硬件“看门狗”见图820（b）。2设置程序运行监视系统。设置程序运行监视系统。 在MAX706内部有一个定时器，它独立工作于单片机之外。若单片机

46、正常工作，每隔一段时间就通过P1.1向“看门狗”输出一个脉冲，使“看门狗”电路复位，“看门狗”从0开始重新计数。但当单片机由于干扰等原因不能正常向“看门狗”电路输出复位脉冲时，如果“看门狗”的定时时间已到，MAX706的端就会输出一个脉冲给单片机，使单片机复位，使其从故障状态恢复正常。图420 MAX706实现的硬件“看门狗”电路（2）软件“看门狗” 软件“看门狗”技术的基本思路是：在主程序中对定时器T0中断服务程序进行监视；在定时器T1中断服务程序中对主程序进行监视；定时器T0中断监视定时器T1中断。软件“看门狗”设计请参阅相关书籍，这里就不再详述。（3）“看门狗”设计时的注意事项 复位看门

47、狗，使看门狗电路继续起作用的程序段应安排在等待查询的循环体内部、耗时很大的函数体内部及主程序任务队列中，而不要加在定时器中断服务程序中. “硬狗”实现冷启动，“软狗”实现热启动8.4，“硬狗”的可靠性和作用都要比“软狗”强。在开发产品时，“硬狗”是必须得加的，而“软狗”不一定要加。（1）算术平均值法 算术平均值法就是连续取N个值进行采样，然后算术平均。这种方法适用于对般具有随机干扰的信号进行滤波。（2）比较舍取法 当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较舍取法，即对某个采样点连续采样几次，根据所采样的变化情况确定舍取办法，剔除偏差数据。（3）中值法 中值滤波法就

48、是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中值滤波能有效地克服因偶然因素引起的波动干扰。适用于缓慢变化的被测量。（4）一阶递推数字滤波法 这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法，代替硬件实现RC滤波。4.4.3 数据采集误差的软件对策数据采集误差的软件对策 用软件滤波算法，可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的用软件滤波算法，可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误。最常用的方法有算术平均值法、比较舍取法、输出控制错误。最常用的方法有算术平均值法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法等。中值法、一阶递推数字滤波法等。4.5课外阅读课

49、外阅读4.5.1固态继电器的基本应用固态继电器的基本应用 固态继电器SSR (SOLID STATE RELAYS)是一种典型的弱电控制强电的新型无触点开关器件，它在数控和自控设备等方面应用非常广泛，在相当程度上可取代传统的“线圈簧片触点式”继电器(简称“MER”)。因此，对于电气自动化专业的学生来讲，多学一点这方面的相关知识，对今后的工作会有很大的帮助。 SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B端加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。图8-21给出了几种国内、外常见的SSR的外形。图4-21固态继电器

50、的外形固态继电器的特点主要体现为： 工作可靠性高、寿命长 SSR由全固态电子元件组成，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；其开关的“通”、“断”功能由电路三极管或双向晶闸管控制实现，无机械触点。因而工作更加可靠。有资料表明SSR的开关次数可达108-109次，比一般传统继电器的106高几百倍； 灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好SSR的输入电压范围较宽、驱动功率低（一般只需十几毫瓦就能正常工作），可与大多数逻辑集成电路兼容，而不需加装缓冲器或驱动器。 1固态继电器的特点固态继电器的特点转换速度快 SSR用固态器件控制电路通断，所以转换速度可达几毫秒甚至几微秒。产生的电磁干扰小

51、SSR没有输入线圈，没有触点燃弧和回跳，因而电磁干扰较小。无动作噪声、耐振耐机械冲击、对安装位置无限制，能适应环境恶劣的工作场合。 SSR很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。这些特点使SSR可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具有超越传统继电器的技术优势。SSR还能承受在数值上可达额定电流十倍左右的浪涌电流。 固态继电器的应用领域很广，以下只作简要说明。多组输出电路 图8-22（a）为多组输出电路。当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1、SSR2、SS

52、R3的输入端无输入电压，各自的输出端断开；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1、SSR2、SSR3的输入端有输入电压，各自的输出端接通，因而达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、 “断”的目的。 2固态继电器的基本应用固态继电器的基本应用 图4-22(b)为单刀双掷控制电路，当输入为“0”时，三极管BG截止，SSR1输入端无输入电压，输出端断开，此时A点电压加到SSR2的输入端上(UAUDW应使SSR2输出端可靠接通)，SSR2的输出端接通；当输入为“1”时，三极管BG导通，SSR1输入端有输入电压，输出端接通，此时A点虽有电压，但UAUDW的电压值已不能使SSR2的输出端接通而处于

53、断开状态，因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能。 但需注意：选择稳压二极管DW的稳压值时，应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通，同时又要兼顾到SSR1截止时期“+”端的电压能使SSR2导通。图4-22固态继电器的多组输出和单刀双掷控制电路单刀双掷控制电路 光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。在传送中光电耦合器光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。在传送中光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用可以起到隔离两个系统地线的作用,使两个系统电源相互独立使两个系统电源相互独立,形成电流环形成电流环路的传送形式路的传送形式.由于电流环电路是低阻抗电路由于电流环电路是低阻抗电路,它对噪音的敏感度低它对噪音的敏感度低,因此提因此提高了通讯系统的抗干扰能力高了通讯系统的抗干扰能力.常用于有噪音干扰的环境下作远距离的信号传常用于有噪音干扰的环境下作远距离的信号传输输. 20mA电流