第13章 单片机应用系统抗干扰技术

单片机原理与接口技术第13章单片机应用系统

抗干扰技术3/1/20241(1)了解单片机应用系统所遇到的干扰问题。(2)熟悉单片机应用系统硬件抗干扰措施。(3)熟悉单片机应用系统软件抗干扰措施。(4)掌握“看门狗”抗干扰技术。(5)掌握数字滤波技术。

本章教学要求3/1/20242本章目录13.1干扰源及其分类13.1.1干扰的定义13.1.2干扰的种类13.2干扰对单片机应用系统的影响13.3硬件抗干扰技术13.3.1无源滤波13.3.2有源滤波13.3.3去耦电路13.3.4屏蔽技术13.3.5隔离技术13.3.6接地技术13.4软件抗干扰技术13.4.1软件抗干扰的一般方法13.4.2指令冗余技术13.4.3软件陷阱技术13.4.4“看门狗”技术13.5数字滤波技术习题与思考题3/1/2024313.1干扰源及其分类

叠加在有用信号上，使原来有用信号发生畸变的变化电量称为噪声。由于噪声在一定条件下影响和破坏设备或系统的正常工作，所以通常把具有危害性的噪声称为干扰。

噪声原来的含义是指不同频率、不同强度杂乱声音的组合。在电工学、电子学等学科中把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下成为危害电路正常工作的干扰电压和干扰电流，称为噪声或者干扰。通常，当以危害性干扰量为对象进行研究时，多使用噪声这个词；当以干扰量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用干扰这个词。13.1.1干扰的定义

----干扰与噪声3/1/2024413.1.2干扰的种类常见干扰的分类表1．干扰的种类

----干扰分类表3/1/2024513.1.2干扰的种类串模干扰是指串联于信号回路中的干扰。这种干扰2．按干扰与输入信号的传输关系分类1）串模干扰----串模干扰表现为噪声信号和有效信号串联叠加在一起作用于电路中，噪声往返于两条线路间。3/1/2024613.1.2干扰的种类共模干扰是干扰电压同时叠加于两条信号线上出现的干扰。干扰侵入线路和地线之间，噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路。而信号电流只在往返两条线路中2）共模干扰----共模干扰流过。这种干扰出现在输入信号端和系统本体接地之间，主要是由于两者接地之间存在干扰电压引起的，如图所示。3/1/2024713.1.2干扰的种类3．按干扰传播方式分类

----按传播方式分类3/1/2024813.1.2干扰的种类4．按干扰波形的性质分类

----按波形性质分类干扰波形分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。图(a)干扰信号表现为持续正弦波形，它通常以频率、幅值和相位角等特征值来表示。图(b)是浪涌脉冲电压波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度及能量等特征值表示，如雷击波、静电放电等波形。图(c)是脉冲序列波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度、周期等特征值表示。3/1/2024913.2干扰对单片机应用系统的影响 影响测控系统安全、可靠运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部电磁环境条件等。这些因素对单片机系统造成的影响主要表现在以下几个方面：(1)数据采集误差增大(2)控制状态失灵(3)数据受干扰发生变化(4)程序运行失常3/1/20241013.3硬件抗干扰技术通过合理的硬件电路设计，可以减弱或抑制绝大部分干扰。本节简要介绍在工程上广泛采用的一些硬件抗干扰电路的概念及应用，主要包括：无源滤波有源滤波去耦电路屏蔽技术隔离技术接地技术3/1/20241113.3.1无源滤波----C、RC、LC滤波电路采用滤波技术抑制干扰的硬件电路是滤波器。滤波器按组成结构分为无源滤波器和有源滤波器。由无源元件电阻、电容和电感构成的滤波器为无源滤波器。3/1/20241213.3.2有源滤波由电阻、电容、电感和有源元件如晶体管、线性运算放大器等构成的滤波器为有源滤波器。----有源滤波器3/1/20241313.3.3去耦电路由于单片机系统三总线上的信息变化几乎是在同一时刻发生的,所产生的尖峰电流将在电源内阻抗上产生压降、在公共传输导线阻抗上产生压降,使供电电压跳动。欲降低尖峰电流的影响,一种方法是在布线上采取措施,使杂散电容降至最小。另一种方法是设法降低供电电源的内阻,使尖峰电流不致引起过大的电源电压波动。----C吸收尖峰电流3/1/20241413.3.4屏蔽技术屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来,割断空间场的耦合通道。屏蔽的方法通常是用低电阻材料作成屏蔽体,把需要隔离的部分包围起来。被隔离的部分既可以是干扰源,也可以是易受干扰的部分。

1．屏蔽的概念-----屏蔽是作用

2．信号传输中屏蔽技术的使用一种是采用双绞线，其中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线；另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏蔽外层，芯线用来传输信号。一般的原则是：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰用双绞线。3/1/20241513.3.5隔离技术隔离是指从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使单片机应用系统与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进干扰的通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。一般工业应用的单片机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定、设备与操作人员安全的重要措施。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。

-----隔离的概念3/1/202416光电隔离是由光电耦合器件来完成的，光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。输入和输出之间无电接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式进入单片机测控系统。目前广泛使用的是由发光二极管与光敏三极管组合成的光电耦合器，见下图。1．光电隔离13.3.5隔离技术----光电耦合器3/1/20241713.3.5隔离技术光电耦合器在实际电路中的应用举例----光电隔离的应用模拟信号采集电路用的光电耦合器输入电路(信号从发射极引出)脉冲信号输入电路用的光电耦合输入电路(采用施密特触发器输出的光电耦合电路)3/1/20241813.3.5隔离技术利用光电耦合作为输出的电路，其中J为继电器线圈----光电隔离的应用用光电耦合器控制晶闸管的电路光电耦合器在实际电路中的应用举例3/1/20241913.3.5隔离技术继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。

2．继电器隔离-----继电器隔离3/1/202420脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几PF，可作为脉冲信号的隔离器件。

3．变压器隔离13.3.5隔离技术----脉冲变压器隔离3/1/20242113.3.6接地技术实践证明，单片机测控系统和其他工业用电子设备的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地处理得不好，会导致噪声耦合，形成严重干扰。因此，在抗干扰设计中，对接地方式应予以认真考虑。-----接地的作用3/1/202422电气设备中的“地”，通常有两种含义：一种是“大地”，另一种是“工作基准地”。“大地”是指地球大地。这时的所谓接地是指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线、接地极与地球大地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。“工作基准地”是指信号回路的基准导体，如系统电源的零电位，又称“系统地”。这时的所谓接地是指将装置内部各单元电路信号返回线与基准导体连接。这种接地目的是为电路提供稳定的基准电位。对这种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小系统中干扰信号施加于公共阻抗的耦合。13.3.6接地技术

1．接地的含义----“大地”与“系统地”3/1/202423

2．接地目的13.3.6接地技术电气设备接地目的，其一是为各电路的工作提供基准电位，其二是为了安全，其三是为了抑制干扰。1)安全根据用电法规，电气设备的金属外壳必须接地，称为安全接地。其目的是防止电气设备的金属外壳上出现过高的对地电压和漏电流而危害人身、设备的安全。2)抑制干扰电子设备的某些部分与大地相接可以起到抑制干扰作用。例如，金属屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；双绞线中一根做信号线，另一根两端接地可以防止电磁干扰；大型电子设备往往具有很大的对地分布电容，合理选择接地点可以削弱分布电容的影响。----接地目的3/1/2024241)安全接地指设备金属外壳等接地。是为保护高压用电设备使用人员以防触电所必需的，一般要求接地电阻rd<10

。2)工作接地指信号回路接于基准导体或基准电位点。基准电位的连线称为工作地，又称系统地，是控制回路直流电源的零伏导线。电子设备的工作接地方式有3种：浮地直接接地电容接地13.3.6接地技术

3．接地的分类-----安全接地与工作接地3/1/202425浮地：是指装置的整个地线系统和大地之间无导体连接，是以悬浮的“地”作为系统的参考电位。适用于系统对地电阻很大，对地分布电容很小的电子系统。这种接地方式由外部共模干扰引起的干扰电流很小。直接接地：是指将控制系统中的基准电位点直接与大地相连。当控制设备有很大的对地分布电容时，只要合理选择接地点，就可以抑制分布电容的影响。电容接地：是指经过电容器把工作地与大地相连。接地电容主要是为高频干扰分量提供对地通道，抑制分布电容的影响。电容接地主要用于工作地与大地间存在直流或低频电位差的情况，所用的电容应具有良好的高频特性和耐压性能，一般选2~10µF。13.3.6接地技术-----工作接地3/1/2024263)屏蔽接地

指电缆、变压器等屏蔽层的接地。为了抑制变化电场的干扰，在单片机测控系统和其他电子设备中广泛采用屏蔽保护，如电源变压器的初、次级间的屏蔽层，功能器件或线路的屏蔽罩等。为了充分抑制静电感应和电磁感应的干扰，屏蔽用的导体必须良好接地。屏蔽接地的应用有：将信号传输电缆的屏蔽层在接收器侧一端接地多层屏蔽接地13.3.6接地技术-----屏蔽接地3/1/20242713.3.6接地技术信号传输电缆的屏蔽层一端接地

----屏蔽层接地3/1/20242813.3.6接地技术-----接地技术应用多层屏蔽接地3/1/202429在单片机测控系统中，通常把数字系统和模拟系统的工作基准地浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。浮地方式可使测控系统不受大地电流的影响，提高了系统的抗干扰性能。由于强电设备大多数采用保护接地，浮地技术切断了强电与弱电的联系，系统运行安全可靠。单片机系统设备外壳或机箱采用屏蔽接地，无论从防止静电干扰和电磁感应干扰的角度考虑，还是从人身设备安全的角度考虑，都是十分必要的措施。13.3.6接地技术4．单片机测控系统接地技术

1)浮地-屏蔽接地方案

----屏蔽接地方案3/1/20243013.3.6接地技术浮地-屏蔽接地方案的应用----屏蔽接地应用3/1/202431在高频电路中，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，向外辐射干扰信号，因此要多点就近接地。

在低频电路中，接地电路要避免形成环路，所以应一点接地。

13.3.6接地技术2)一点接地与多点接地原则----屏蔽接地原则3/1/20243213.4软件抗干扰技术软件抗干扰技术所研究的主要内容：采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上干扰的影响，如数字滤波技术；由于干扰使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术。这些方法可以用软件实现，也可以采用软件、硬件相结合的方法实现。常用的软件抗干扰措施包括：■输入口信号重复检测■输出端口数据刷新

■指令冗余■软件陷阱■“看门狗”■数字滤波13.4.1软件抗干扰的一般方法----软件抗干扰内容3/1/20243313.4.2指令冗余技术为使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，可采取的措施：多用单字节指令；在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP；将有效单字节指令重写。以上措施称之为指令冗余。此外，对系统流向起重要作用的指令如：RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等在这些指令之前插入两条NOP，可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。采用指令冗余技术使PC纳入正确轨道的条件是：跑飞的PC必须指向程序运行区，并且必须执行到冗余指令。----指令冗余的方法3/1/20243413.4.3软件陷阱技术当乱飞程序进入非程序区，如EPROM未使用的空间或表格区时，采用冗余指令使程序入轨条件便不满足。此时可以设定软件陷阱，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。软件陷阱，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用转移指令强行将捕获到的乱飞程序引向指定入口地址，在那里有一段专门处理错误的程序，使程序纳人正轨。因此先要合理设计陷阱，再将陷阱安排在适当的位置。通常软件陷阱将安排在如下几个位置。---设置软件陷阱3/1/20243513.4.3软件陷阱技术MCS-51单片机的中断矢量区为0003H~002FH，各中断源与它所对应的中断服务程序入口地址如下表所示。如果系统程序未使用完全部中断向量区，则可在剩余的中断向量区设置“软件陷阱”。1．未使用的中断区----中断入口设置陷阱当未使用的中断因干扰而开放时，“软件陷阱”能够捕捉到错误的中断。3/1/20243613.4.3软件陷阱技术例如，某单片机系统使用了两个外部中断INT0，INT1和一个定时/计数器溢出中断T0，以及串行口中断，其中断服务子程序入口地址分别为FUINT0，FUINT1，FUT0和FUCON，则可按下面程序段的方式在中断向量区设置软件陷阱。

----中断入口设置陷阱举例

ORG0000H0000H LJMPMAIN ;引导主程序入口0003H LJMPFUINT0 ;外部中断0服务程序入口0006H NOP ;冗余指令0007H NOP0008H LJMPERR ;设置陷阱000BH LJMPFUT0 ;定时/计数器T0中断服务程序入口000EH NOP ;冗余指令000FH NOP0010H LJMPERR ;设置陷阱0013H LJMPFUINT1 ;外部中断1服务程序入口3/1/20243713.4.3软件陷阱技术0016H NOP ;冗余指令0017H NOP0018H LJMPERR ;设置陷阱001BH LJMPERR ;未使用的定时/计数器T1中断,设置陷阱001EH NOP ;冗余指令001FH NOP0020H LJMPERR ;设置陷阱0023H LJMPFUCON ;串行口中断服务程序入口0026H NOP ;冗余指令0027H NOP0028H LJMPERR ;设置陷阱002BH LJMPERR ;未使用的定时/计数器T2中断,设置陷阱002EH NOP ;冗余指令002FH NOP0030H MAIN:… ;主程序----中断入口设置陷阱举例3/1/20243813.4.3软件陷阱技术原因：在单片机应用系统中，EPROM一般很少全部用完。问题：乱飞的程序有可能使程序指针(PC)落入这些未使用的EPROM空间。方法：应重复地用长跳转指令“LJMP0000H”填满这些未使用的EPROM空间。分析：“LJMP0000H”是一个3字节长转移指令，指令机器码是02，0000H是指令的跳转入口（即：程序的开始），“LJMP0000H”指令的完整机器码是020000H。措施：用0000020000H（或020202020000H）数据填满未使用的EPROM空间。但最后一条填入数据应为020000H。效果：当乱飞程序进入该区间时，便会迅速恢复到程序开始处。2．未使用的EPROM空间----未使用的EPROM空间设置陷阱3/1/20243913.4.3软件陷阱技术原因：MCS-51单片机系统地址空间为64KB，系统中除了EPROM芯片占用的地址空间外，还会余下大量空间。如系统仅选用一片2764，其地址空间为0000H~1FFFH（8KB），那么将有2000H~FFFFH（56KB）地址空间闲置。问题：当程序指针(PC)“乱飞”至这些空间时，读入数据将为FFH。分析：FFH是单字节指令“MOVR7,A”的机器码，这时会执行“MOVR7,A”指令，将修改R7的内容。因此，当程序“乱飞”进入非EPROM芯片区后，不仅无法迅速入轨，而且会破坏R7的内容。

3．非EPROM芯片空间----非EPROM芯片空间设置陷阱3/1/20244013.4.3软件陷阱技术措施：要消除这种干扰，可通过软硬件结合的方法来解决。如下图所示，当CPU访问非EPROM空间时，Y0输出高电平，与信号PSEN配合将使INT0产生低电平，触发外部中断0，在中断服务程序中设置软件陷阱，可将“乱飞”的PC纳入正轨。

3．非EPROM芯片空间----非EPROM芯片空间设置陷阱3/1/20244113.4.3软件陷阱技术原因：程序设计时常采用模块化设计，按照程序的要求一个模块、一个模块地执行。措施：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。效果：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。但当程序乱飞一旦落入这些陷阱区，马上将乱飞的程序拉到正确轨道。4．运行程序区----运行程序区设置陷阱3/1/202442设有：(1)用户主程序运行区间为ADD1~ADD2(2)定时器T0产生10ms定时中断当程序乱飞落入ADD1~ADD2区间外时，发生了定时中断，可在中断服务程序中判定中断断点地址ADDX。若ADDX<ADD1或ADDX>ADD2，说明发生了程序乱飞，则应使中断程序的返回点改为复位入口地址0000H，而不是返回到断点处，以使乱飞程序及时(10ms内)纳入正轨。定时中断程序的设置可以是用户程序（在其中安排以上陷阱程序），也可是专门为陷阱程序安排的定时中断。13.4.3软件陷阱技术5．中断服务程序区----利用定时中断服务设置陷阱3/1/20244313.4.3软件陷阱技术问题：单片机中RAM保存有大量数据，这些数据的写入是使用“MOVX@DPTR,A”指令来完成。当CPU受到干扰而非法执行该指令时,就会改写RAM中的数据，导致RAM中数据丢失。分析：为了减小RAM中数据丢失的可能性，可在RAM写操作之前加入条件陷阱，不满足条件时不允许写操作，并进入陷阱，形成死循环。程序进入“死循环”后，可通过“看门狗”技术使程序复位。做法：将正常的“MOVX@DPTR,A”指令改用一段带有条件陷阱的RAM写操作程序，在调用该程序前准备好要写入RAM的数据和约定的条件，在该程序中先判断条件，若条件符合则完成写入RAM操作，否则进入陷阱程序。在受到干扰而非法执行RAM写操作指令时，是不大可能具备约定条件的。6．RAM数据保护区----RAM数据保护的条件陷阱3/1/20244413.4.4“看门狗”技术PC受到干扰而失控，引起程序“乱飞”，也可能使程序陷入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”。通常采用“看门狗”（Watchdog）技术，又称为程序监视技术，使程序脱离“死循环”。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合来实现。----使程序脱离死循环3/1/20244513.4.4“看门狗”技术专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路。从电路功能上看，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现角度上看，硬件看门狗电路与单片机系统连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位指令（即“喂狗”指令），保证程序正常运行时看门狗不溢出。当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。目前常用的集成看门狗电路有MAX705~708、MAX791、MAX813L、X5043/5045等。

1．专用硬件“看门狗”----硬件“看门狗”原理3/1/20244613.4.4“看门狗”技术硬件“看门狗”的实现方法：如图所示是采用MAX706和8051构成的“看门狗”硬件电路。看门狗输入端WDI与8051的P1.0口相连，在系统正常运行状态下，P1.0口不超过1.6秒就向MAX706的WDI端口发一次触发脉冲。若系统程序因干扰而陷入死循环，则在死循环周期内由于P1.0端口无触发脉冲产生，当死循环运行时间超过1.6秒时，看门狗输出WDO将变低，致使8051复位，使系统重新开始运行。----硬件“看门狗”的实现3/1/20244713.4.4“看门狗”技术软件“看门狗”也称为程序运行监视系统。当程序运行受到干扰，程序“飞”到一个临时构成的“死循环”中时，系统将完全瘫痪，软件陷阱也无能为力，采用软件“看门狗”技术能使系统复位，恢复正常。软件“看门狗”的特性如下：(1)软件“看门狗”本身独立工作,基本上不依赖CPU；(2)CPU在一个固定的时间间隔内和软件“看门狗”打一次交道(“喂一次狗”),以表明系统目前工作正常;(3)当CPU陷入“死循环”后，软件“看门狗”能及时发觉并使系统复位。2．软件“看门狗”----软件“看门狗”的特性3/1/20244813.4.4“看门狗”技术软件“看门狗”的实现方法：当系统陷入“死循环”后，只有比这个“死循环”更高级的中断程序才能夺取CPU的控制权。可以用一个定时器来做软件“看门狗”，将它的溢出中断设定为最高优先级中断，系统的其他中断的优先级均设为比它低。根据“看门狗”的定时时间来设定定时器初值。软件“看门狗”启动后,系统工作程序必须经常“喂它”，且每两次之间的间隔不得大于定时器的定时时间。程序中只要设立一个设置定时器初值的子程序,“喂狗”时只要调用这个子程序即可。当程序陷入“死循环”后，定时器溢出，产生高优先级中断，从而跳出“死循环”。同时，还可以在定时器中断服务程序中放置一条LJMPERR指令，即可使程序转向出错处理程序，由出错处理程序来完成以后的工作，并用软件的方法使系统复位。

----软件“看门狗”的实现3/1/20244913.5数字滤波技术在单片机应用系统中，为了进行准确测量和控制，必须消除来自信号源本身和传感器等被测信号中的噪声和干扰。在模拟系统中消除干扰常采用RC滤波电路等方法，而在单片机应用系统中则采用数字滤波的方法。所谓数字滤波，就是通过某些计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重。当随机干扰信号混入输入信号时，通过一定的算法可以滤除干扰信号。数字滤波是将一组输入数字序列进行一定的运算转换成另一组输出数字序列，经过数字滤波转化后的输出数字序列更平滑、更易于处理。数字滤波器与模拟滤波器相比具有更多的优越性，如数字滤波使用软件实现、灵活、方便，可将更低频率的干扰信号滤除。----数字滤波概念3/1/20245013.5数字滤波技术模拟信号的数字滤波处理流程如下图所示：----数字滤波原理设数字滤波器的