單片機抗干擾

1、第第4章章 單片機系統(tǒng)的抗干擾技術單片機系統(tǒng)的抗干擾技術 本章學習目標本章學習目標： 本章主要介紹了單片機系統(tǒng)的干擾來源，主要干擾的本章主要介紹了單片機系統(tǒng)的干擾來源，主要干擾的 形式、種類及抗干擾措施。通過對本章的學習，讀者應形式、種類及抗干擾措施。通過對本章的學習，讀者應 達到以下目標：達到以下目標： 熟悉單片機系統(tǒng)的各種干擾來源及形式熟悉單片機系統(tǒng)的各種干擾來源及形式 學會供電系統(tǒng)及過程通道的抗干擾措施學會供電系統(tǒng)及過程通道的抗干擾措施 能說出在印制電路板設計中體現的抗干擾措施能說出在印制電路板設計中體現的抗干擾措施 學習設計軟件陷阱及看門狗電路學習設計軟件陷阱及看門狗電路 4.1 4.

2、1 干擾的來源干擾的來源 在日常生活中，經常會遇到這樣一些現象。比如聽收在日常生活中，經常會遇到這樣一些現象。比如聽收 音機時，有汽車經過，喇叭就會出現刺耳的噪聲，這就是音機時，有汽車經過，喇叭就會出現刺耳的噪聲，這就是 干擾。干擾。所謂干擾，就是有用信號外的噪聲或造成惡劣影響所謂干擾，就是有用信號外的噪聲或造成惡劣影響 的變化部分的總稱的變化部分的總稱。 在進行單片機應用產品的開發(fā)過程中，我們經常會碰在進行單片機應用產品的開發(fā)過程中，我們經常會碰 到一個很棘手的問題，即在實驗室環(huán)境下系統(tǒng)運行很正常，到一個很棘手的問題，即在實驗室環(huán)境下系統(tǒng)運行很正常， 但小批量生產并安裝在工作現場后，卻出現一

3、些不太規(guī)律、但小批量生產并安裝在工作現場后，卻出現一些不太規(guī)律、 不太正常的現象。究其原因主要是系統(tǒng)的抗干擾設計不全不太正常的現象。究其原因主要是系統(tǒng)的抗干擾設計不全 面，導致應用系統(tǒng)的工作不可靠。引起單片機控制系統(tǒng)干面，導致應用系統(tǒng)的工作不可靠。引起單片機控制系統(tǒng)干 擾的主要原因有以下幾類：擾的主要原因有以下幾類： （1）供電系統(tǒng)的干擾）供電系統(tǒng)的干擾 眾所周知，電源開關的通斷、電機和大的用電設備眾所周知，電源開關的通斷、電機和大的用電設備 的啟停會使供電電網發(fā)生波動，受這些因素的影響，電的啟停會使供電電網發(fā)生波動，受這些因素的影響，電 網上常常出現幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾，這網上常

4、常出現幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾，這 就會使同一電網供電的單片機控制系統(tǒng)無法正常運行。就會使同一電網供電的單片機控制系統(tǒng)無法正常運行。 這種干擾是危害最嚴重也是最廣泛的一種干擾形式。這種干擾是危害最嚴重也是最廣泛的一種干擾形式。 （2）過程通道的干擾）過程通道的干擾 在單片機應用系統(tǒng)中，開關量輸入、輸出和模擬量在單片機應用系統(tǒng)中，開關量輸入、輸出和模擬量 輸入、輸出通道是必不可少的。這些通道不可避免地會輸入、輸出通道是必不可少的。這些通道不可避免地會 使各種干擾直接進入單片機系統(tǒng)。同時，在這些輸入輸使各種干擾直接進入單片機系統(tǒng)。同時，在這些輸入輸 出通道中的控制線及信號線彼此之間會通過電

5、磁感應而出通道中的控制線及信號線彼此之間會通過電磁感應而 產生干擾，從而使單片機應用系統(tǒng)的程序錯誤，甚至會產生干擾，從而使單片機應用系統(tǒng)的程序錯誤，甚至會 使整個系統(tǒng)無法正常運行。使整個系統(tǒng)無法正常運行。 （3）空間電磁波的干擾）空間電磁波的干擾 空間干擾主要來自太陽及其它天體輻射電磁波、廣播電空間干擾主要來自太陽及其它天體輻射電磁波、廣播電 臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波及各種周圍電氣設備發(fā)射的電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波及各種周圍電氣設備發(fā)射的電 磁干擾等。如果單片機應用系統(tǒng)工作在電磁波較強的區(qū)域而磁干擾等。如果單片機應用系統(tǒng)工作在電磁波較強的區(qū)域而 沒有采取相關的防護措施，就容易引起干擾。但

6、這種干擾一沒有采取相關的防護措施，就容易引起干擾。但這種干擾一 般可通過適當的屏蔽及接地措施加以解決。般可通過適當的屏蔽及接地措施加以解決。 因此，針對以上出現的問題，我們必須采用有效措施以因此，針對以上出現的問題，我們必須采用有效措施以 提高單片機應用系統(tǒng)抗干擾的能力。提高單片機應用系統(tǒng)抗干擾的能力。 4.2 主要干擾通道及抗干擾措施主要干擾通道及抗干擾措施 4.2.1 4.2.1 供電系統(tǒng)干擾及抗干擾措施供電系統(tǒng)干擾及抗干擾措施 1、供電干擾的種類、供電干擾的種類 如果把電源電壓變化持續(xù)時間定為如果把電源電壓變化持續(xù)時間定為tt，那么，根據，那么，根據 tt的大小可以把電源干擾分為四種情況

7、：的大小可以把電源干擾分為四種情況： （1 1）過壓、欠壓、停電：）過壓、欠壓、停電： 當當t1st1s時產生的干擾，解決時產生的干擾，解決 辦法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調節(jié)器，對短時停電可用不辦法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調節(jié)器，對短時停電可用不 間斷電源（間斷電源（UPSUPS）供電。）供電。 （2）浪涌、下陷、半周降出：當）浪涌、下陷、半周降出：當1st 10ms時產生時產生 的干擾，可使用快速響應的交流電源調壓器克服。的干擾，可使用快速響應的交流電源調壓器克服。 （3）尖峰電壓：當）尖峰電壓：當t為為s量級時產生的干擾，量級時產生的干擾， 解決辦法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源解決辦法是使

8、用具有噪聲抑制能力的交流電源 調節(jié)器、參數穩(wěn)壓器或超隔離變壓器。調節(jié)器、參數穩(wěn)壓器或超隔離變壓器。 （4）射頻干擾：當）射頻干擾：當t為為ns量級時產生的干擾，可加量級時產生的干擾，可加23節(jié)低節(jié)低 通濾波器消除干擾。通濾波器消除干擾。 2、抗干擾設計、抗干擾設計 在單片機系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質量，防止竄入在單片機系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質量，防止竄入 干擾，建議采用如下措施：干擾，建議采用如下措施： （1）單片機輸入電源與強電設備動力電源分開。）單片機輸入電源與強電設備動力電源分開。 （2）采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。）采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。

9、 隔離變壓器的初級和次級之間均采用隔離屏隔離變壓器的初級和次級之間均采用隔離屏 蔽層（可用漆包線或銅等非導磁材料在初級和次級蔽層（可用漆包線或銅等非導磁材料在初級和次級 繞一層，但電氣上不能與初級、次級線圈短路，而繞一層，但電氣上不能與初級、次級線圈短路，而 后引出一個頭接地）。各初級、次級間的靜電屏蔽后引出一個頭接地）。各初級、次級間的靜電屏蔽 與初級間的零電位線相接，再用電容耦合接地。如與初級間的零電位線相接，再用電容耦合接地。如 圖圖81所示。所示。 圖81 隔離變壓器 （3）交流進線端加低通濾波器，可濾掉高頻干擾。安裝時）交流進線端加低通濾波器，可濾掉高頻干擾。安裝時 外殼要加屏蔽并使

10、其良好接地，濾波器的輸入、輸出引線外殼要加屏蔽并使其良好接地，濾波器的輸入、輸出引線 必須相互隔離，以防止感應和輻射耦合。直流輸出部分采必須相互隔離，以防止感應和輻射耦合。直流輸出部分采 用大容量電解電容進行平滑濾波。用大容量電解電容進行平滑濾波。 （4）對于功率不大的小型或微型計算機系統(tǒng)，為了抑制電）對于功率不大的小型或微型計算機系統(tǒng)，為了抑制電 網電壓起伏的影響，可設置交流穩(wěn)壓器。網電壓起伏的影響，可設置交流穩(wěn)壓器。 （5）采用獨立功能塊單獨供電，并用集成穩(wěn)壓塊實現兩級）采用獨立功能塊單獨供電，并用集成穩(wěn)壓塊實現兩級 穩(wěn)壓。例如主板電源先用穩(wěn)壓。例如主板電源先用7809穩(wěn)壓到穩(wěn)壓到9V，再

11、用，再用7805穩(wěn)壓到穩(wěn)壓到 5V。如圖。如圖82所示。所示。 （6）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能 力。例如用光耦合器輸出端驅動直流繼電器，選用直流力。例如用光耦合器輸出端驅動直流繼電器，選用直流24V 繼電器比繼電器比6V繼電器效果好。繼電器效果好。 4.2.24.2.2過程通道干擾及抗干擾措施過程通道干擾及抗干擾措施 圖82 供電系統(tǒng)配置圖 過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機之間進行信息傳過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機之間進行信息傳 輸的路徑。由于輸入輸出對象與單片機之間的連接線長，容輸的路徑。由于輸入輸出對象與單片機之

12、間的連接線長，容 易串入干擾，必須采用隔離技術、雙絞線傳輸、阻抗匹配等易串入干擾，必須采用隔離技術、雙絞線傳輸、阻抗匹配等 措施抑制。措施抑制。 （1）光電隔離器）光電隔離器 光電耦合器是把一個發(fā)光二極管和一光電耦合器是把一個發(fā)光二極管和一 個光敏三極管封裝在一個外殼里的器件，個光敏三極管封裝在一個外殼里的器件， 光電耦合器的電路符號如圖光電耦合器的電路符號如圖83所示。輸所示。輸 入信號使發(fā)光二極管發(fā)光，其光線又使光入信號使發(fā)光二極管發(fā)光，其光線又使光 敏三極管產生電信號輸出，從而既完成了敏三極管產生電信號輸出，從而既完成了 信號的傳遞，又實現了電氣上的隔離，如信號的傳遞，又實現了電氣上的隔

13、離，如 圖圖84所示。對啟動或停止負荷不太大的所示。對啟動或停止負荷不太大的 設備，常采用光電耦合器來抑制輸出通道設備，常采用光電耦合器來抑制輸出通道 的干擾。的干擾。 圖84 開關量輸入光電隔離電路 圖83 光電隔離器圖形符號 1、開關量隔離、開關量隔離 常用的開關量隔離器有光電隔離器、繼電器、光電隔離常用的開關量隔離器有光電隔離器、繼電器、光電隔離 固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器(SSR)。 如果輸出開關量是用于控制大負荷設備時，就需采用繼電器如果輸出開關量是用于控制大負荷設備時，就需采用繼電器 隔離輸出。因為繼電器觸點的負載能力遠遠大于光電隔離的負載隔離輸出。因為繼電器觸點的負載能力遠遠大于光電隔

14、離的負載 能力，它能直接控制動力回路。在采用繼電器做開關量隔離輸出能力，它能直接控制動力回路。在采用繼電器做開關量隔離輸出 時，要在單片機輸出端的鎖存器時，要在單片機輸出端的鎖存器74LS273與繼電器間設置一個與繼電器間設置一個OC 門驅動器。用以提供較高的驅動電流。如圖門驅動器。用以提供較高的驅動電流。如圖85所示。所示。 圖45 開關量繼電器隔離電路 （2）繼電器 雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎上發(fā)展而成的，雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎上發(fā)展而成的， 它也是一種常用的大功率半導體器件，具有弱電控制，它也是一種常用的大功率半導體器件，具有弱電控制， 強電輸出的特點，只需要很小的功率，就可

15、以控制較強電輸出的特點，只需要很小的功率，就可以控制較 大的電流。大的電流。 圖圖8-6（a）給出了普通小功率雙向晶閘管的外形）給出了普通小功率雙向晶閘管的外形 及引腳排列。及引腳排列。 （a）普通小功率雙向晶閘管的外形 （b）結構符號 圖8-6 雙向晶閘管的外形及結構符號 （3）雙向晶閘管）雙向晶閘管 雙向晶閘管的結構符號見圖雙向晶閘管的結構符號見圖8-6（b）。三個電極分別是）。三個電極分別是 T1、T2、G。其特點是，當。其特點是，當G極和極和T2極相對于極相對于T1的電壓均為的電壓均為 正時，正時，T2是陽極，是陽極，T1是陰極。反之，當是陰極。反之，當G極和極和T2極相對于極相對于T

16、1 的電壓均為負時，的電壓均為負時，T1變成陽極，變成陽極，T2為陰極。為陰極。 （4）光電隔離固態(tài)繼電器）光電隔離固態(tài)繼電器(SSR) 圖87 SSR的內部結構框圖 圖88 SSR基本單元電路 固態(tài)繼電器是將發(fā)光二極管與雙向晶閘管封裝在一起的固態(tài)繼電器是將發(fā)光二極管與雙向晶閘管封裝在一起的 一種新型電子開關。其內部結構框圖如圖一種新型電子開關。其內部結構框圖如圖47所示。當發(fā)光所示。當發(fā)光 二極管導通時，可控硅被觸發(fā)而接通電路。固態(tài)繼電器可分二極管導通時，可控硅被觸發(fā)而接通電路。固態(tài)繼電器可分 為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器兩大類。其基本單元接為交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器兩大類。其基本

17、單元接 口電路如圖口電路如圖48所示。所示。 圖47 SSR的內部結構框圖圖48 SSR基本單元電路 2、 A/D、D/A與單片機之間的隔離措施與單片機之間的隔離措施 （1）模擬量隔離）模擬量隔離 對對A/D、D/A變換前后的模擬信號進行隔離，是變換前后的模擬信號進行隔離，是 常用的一種方法。通常采用隔離型放大器對模擬量常用的一種方法。通常采用隔離型放大器對模擬量 進行隔離。但所用的隔離型放大器必須滿足進行隔離。但所用的隔離型放大器必須滿足A/D、 D/A變換的精度和線性要求。變換的精度和線性要求。 圖49 數字量隔離 利用若干個鎖存器對高速的地址信號、控制信號及數利用若干個鎖存器對高速的地址

18、信號、控制信號及數 據進行鎖存然后用該信號對據進行鎖存然后用該信號對A/D、D/A芯片進行操作，完芯片進行操作，完 成多路開關的選通，進行成多路開關的選通，進行A/D、D/A變換。換言之，變換。換言之，A/D變變 換時，先將模擬量變?yōu)閿底至窟M行隔離，然后再送入單片換時，先將模擬量變?yōu)閿底至窟M行隔離，然后再送入單片 機。機。D/A變換時，先將數字量進行隔離，然后進行變換時，先將數字量進行隔離，然后進行D/A變換。變換。 如圖如圖49所示。所示。 （2）數字量隔離）數字量隔離 雙絞線是較常用的一種傳輸線。與同軸電纜相比，其波雙絞線是較常用的一種傳輸線。與同軸電纜相比，其波 阻抗高、抗共模噪聲能力強

19、，對電磁場具有一定抑制效果。阻抗高、抗共模噪聲能力強，對電磁場具有一定抑制效果。 根據傳送距離不同，雙絞線使用方法不同，如表根據傳送距離不同，雙絞線使用方法不同，如表41所示。所示。 當用雙絞線傳輸與光電耦合器配合使用時，可按圖當用雙絞線傳輸與光電耦合器配合使用時，可按圖410所示所示 的方式連接。圖中（的方式連接。圖中（a）是集電極開路驅動器與光電耦合器的）是集電極開路驅動器與光電耦合器的 一般情況。（一般情況。（b）是開關接點通過雙絞線與光電耦合器連接的）是開關接點通過雙絞線與光電耦合器連接的 情況。如光電耦合器的光敏晶體管的基極上接有電容情況。如光電耦合器的光敏晶體管的基極上接有電容 （

20、12pF0.01F）及電阻（）及電阻（1020M），且后面連接施密特集），且后面連接施密特集 成電路驅動器，則會大大加強抗噪聲能力，如圖（成電路驅動器，則會大大加強抗噪聲能力，如圖（c）所示）所示。 3、利用雙絞線抑制長線傳輸干擾、利用雙絞線抑制長線傳輸干擾 表表41 雙絞線的使用方法雙絞線的使用方法 距距 離離使用方法使用方法示意圖示意圖 5米以下 發(fā)送、接收端都 接有負載電阻。 若發(fā)射側為集電 極開路驅動，則 接收側的集成電 路用施密特型電 路，抗干擾能力 更強。 10米左右 使用平衡輸出的 驅動器和平衡輸 入的接收器 數十米 發(fā)送和接收信號 端都要接匹配電 阻。 圖410 雙絞線與光電耦

21、合器聯(lián)合使用 4、機械觸點及交流、直流電路的噪聲抑制、機械觸點及交流、直流電路的噪聲抑制 （1）機械觸點的抗干擾措施）機械觸點的抗干擾措施 開關、按鈕、繼電器觸點等在操作時，經常會發(fā)生抖開關、按鈕、繼電器觸點等在操作時，經常會發(fā)生抖 動，如不采取措施，則會造成誤動作。這類器件可采用如動，如不采取措施，則會造成誤動作。這類器件可采用如 圖圖811所示的辦法，以獲得沒有振蕩的邏輯信號。所示的辦法，以獲得沒有振蕩的邏輯信號。 （a）濾波消抖電路 （b）單穩(wěn)態(tài)電路 （c）觸發(fā)器消抖電路 （d）施密特電路 圖411 機械觸點的抗干擾措施 （2）抑制反電動勢的抗干擾措施）抑制反電動勢的抗干擾措施 電機、變

22、壓器、繼電器、電磁閥等工業(yè)電氣設備多為電機、變壓器、繼電器、電磁閥等工業(yè)電氣設備多為 感性負載，投切時會產生很高的反電勢，這不僅可能損壞感性負載，投切時會產生很高的反電勢，這不僅可能損壞 元件，而且會產生高頻的電磁波干擾其它電路，通過電源元件，而且會產生高頻的電磁波干擾其它電路，通過電源 直接侵入到單片機裝置中。因此，在輸入直接侵入到單片機裝置中。因此，在輸入/輸出通道中使用輸出通道中使用 這類器件時，必須在繼電器線圈或開關觸頭兩端并接抗干這類器件時，必須在繼電器線圈或開關觸頭兩端并接抗干 擾電路，如圖擾電路，如圖412所示。其中，（所示。其中，（a）（）（b）用于直流電）用于直流電 流的干擾

23、抑制；（流的干擾抑制；（c）圖電路對交、直流干擾均適用；（）圖電路對交、直流干擾均適用；（d） （e）用于接觸器和繼電器觸頭的兩端。）用于接觸器和繼電器觸頭的兩端。 （a）二極管穩(wěn)壓管抑制電路 （b）電阻二極管抑制電路（c） R-C阻容抑制電路 （d）（e）開關觸頭兩端的反電勢抑制電路 圖412 反電勢抑制電路 4.3 印制電路板及電路的抗干擾設計印制電路板及電路的抗干擾設計 在單片機系統(tǒng)中，印制電路板的設計好壞對抗干擾能在單片機系統(tǒng)中，印制電路板的設計好壞對抗干擾能 力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元件，并提供電力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元件，并提供電 路元件和器件之間電氣連接

24、的重要組件。為了減少干擾，路元件和器件之間電氣連接的重要組件。為了減少干擾， 在印制電路板設計過程中必須遵循以下三大原則：在印制電路板設計過程中必須遵循以下三大原則： 盡量控制噪聲源；盡量控制噪聲源； 盡量減小噪聲的傳播與耦合；盡量減小噪聲的傳播與耦合； 盡量增加噪聲的吸收。盡量增加噪聲的吸收。 4.3.1印制電路板的尺寸及元件的選擇印制電路板的尺寸及元件的選擇 1印制電路板大小要適中印制電路板大小要適中 如果印制電路板太大，會增加線路的阻抗及成本，降低抗如果印制電路板太大，會增加線路的阻抗及成本，降低抗 干擾能力；太小，則散熱不好，而且線路間干擾也會大大增加。干擾能力；太小，則散熱不好，而且

25、線路間干擾也會大大增加。 2合理配置去耦電容合理配置去耦電容 （1）直流電源輸入端應跨接）直流電源輸入端應跨接10100F以上的電解電容器。以上的電解電容器。 （2）原則上每個集成電路芯片的）原則上每個集成電路芯片的Vcc引腳都應安置引腳都應安置個個0.01F 的陶瓷電容器。也可每的陶瓷電容器。也可每410個芯片安置一個個芯片安置一個110F的鉭電容的鉭電容 器。器。 （3）對于抗噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和）對于抗噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和 ROM、RAM等存儲器件，應在芯片的電源線等存儲器件，應在芯片的電源線 （Vcc）和地線（）和地線（GND）間直接接入去耦電容。）間直

26、接接入去耦電容。 （4）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 （5）在選用作為電路充電的儲能電容時，盡量采用大容量）在選用作為電路充電的儲能電容時，盡量采用大容量 的鉭電容或聚脂電容，而不用電解電容。若使用電解電容的鉭電容或聚脂電容，而不用電解電容。若使用電解電容 則要與高頻特性好的去耦電容成對使用。如圖則要與高頻特性好的去耦電容成對使用。如圖813所示為所示為 去耦電容的安裝位置圖。去耦電容的安裝位置圖。 圖413 去耦電容的安裝位置圖 3選擇時鐘頻率低的單片機及外部時鐘部件。選擇時鐘頻率低的單片機及外部時鐘部件。 4元件的選擇盡

27、量采用低速器件。元件的選擇盡量采用低速器件。 5對進入電路板的信號源及從高噪聲區(qū)來的信號要加濾對進入電路板的信號源及從高噪聲區(qū)來的信號要加濾 波，繼電器線圈處要加續(xù)流二極管。波，繼電器線圈處要加續(xù)流二極管。 6盡量不使用盡量不使用IC插座，而把插座，而把IC直接焊在印制板上，這樣直接焊在印制板上，這樣 可減少可減少IC插座間較大的分布電容。插座間較大的分布電容。 7電源插接件與信號插接件要盡量遠離，主要信號的插電源插接件與信號插接件要盡量遠離，主要信號的插 接件外面最好帶有屏蔽。接件外面最好帶有屏蔽。 在安排插針信號時，用一部分插針為接地針，均勻分在安排插針信號時，用一部分插針為接地針，均勻分

28、 布于各信號針之間，起到隔離干擾的作用。信號針與接地布于各信號針之間，起到隔離干擾的作用。信號針與接地 針理想的比例為針理想的比例為1：1。 1元件布置要合理分區(qū)。元件布置要合理分區(qū)。 單片機應用系統(tǒng)通?？煞秩齾^(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾）、單片機應用系統(tǒng)通?？煞秩齾^(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾）、 數字電路區(qū)（既怕干擾、又產生干擾）、功率驅動區(qū)（干數字電路區(qū)（既怕干擾、又產生干擾）、功率驅動區(qū)（干 擾源）。應將這三個區(qū)合理分開，使它們相互間的信號耦擾源）。應將這三個區(qū)合理分開，使它們相互間的信號耦 合最小。合最小。 2印制電路板要按單點接電源、單點接地的原則送電。印制電路板要按單點接電源、單點接地的原

29、則送電。 三個區(qū)的電源線、地線由該點分三路引出。三個區(qū)的電源線、地線由該點分三路引出。 3噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。 易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠 離計算機邏輯電路，如有可能，應另做電路板。離計算機邏輯電路，如有可能，應另做電路板。 4時鐘發(fā)生器、晶振和時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端要盡量靠近，的時鐘輸入端要盡量靠近， 并遠離并遠離I/O線及接插件。線及接插件。 4.3.2印制電路板的合理布局印制電路板的合理布局 5I/O驅動器件、功率放大驅動器件、功率放大 器件盡量靠近印制

30、電路板的器件盡量靠近印制電路板的 邊緣、靠近引出接插件。邊緣、靠近引出接插件。 6器件的布置上也應考慮器件的布置上也應考慮 到散熱。到散熱。 最好把最好把ROM、RAM、時鐘、時鐘 發(fā)生器等發(fā)熱較多的器件布發(fā)生器等發(fā)熱較多的器件布 置在印制板的偏上方部位置在印制板的偏上方部位 （當印制板豎直安裝時）或（當印制板豎直安裝時）或 易通風散熱的地方。單片機易通風散熱的地方。單片機 組件的參考布局如圖組件的參考布局如圖414 所示。所示。 圖414 單片機組件位置分配示意圖 1正確處理電源線正確處理電源線 根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度， 減

31、少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數據傳遞減少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數據傳遞 的方向一致。電源線和地線最好分別設計在不同的版面上，的方向一致。電源線和地線最好分別設計在不同的版面上， 以防雜物引起短路。以防雜物引起短路。 8.3.3印制電路板的合理布線印制電路板的合理布線 圖415 接地的3種方式 （1）正確選擇單點接地與多點接地。當信號頻率小于）正確選擇單點接地與多點接地。當信號頻率小于1MHz時，時， 應盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時，可部分串聯(lián)后應盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時，可部分串聯(lián)后 再并聯(lián)接地；當頻率大于再并聯(lián)接地；當頻率大于10MHz時，

32、宜采用多點串聯(lián)接地；當時，宜采用多點串聯(lián)接地；當 信號頻率在信號頻率在110MHz之間時，如地線長度不超過波長的之間時，如地線長度不超過波長的1/20， 可用單點接地?？捎脝吸c接地。3種接地方式如圖種接地方式如圖415所示。所示。 2正確處理地線正確處理地線 （2）將數字地、模擬地、電源地等分開走線，在一點上可）將數字地、模擬地、電源地等分開走線，在一點上可 靠連接。如圖靠連接。如圖416所示。所示。 圖416 數字地與模擬地的正確連接 （3）接地線應盡量加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電）接地線應盡量加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電 流。一般接地線寬度應在流。一般接地線寬度應在23

33、mm以上。地線、電源線與信號線以上。地線、電源線與信號線 的關系是：地線電源線信號線。的關系是：地線電源線信號線。 （4）使數字電路的接地線形成閉環(huán)路。）使數字電路的接地線形成閉環(huán)路。 （5）高頻部分盡量采用大面積包圍式地線。）高頻部分盡量采用大面積包圍式地線。 （1）用地線將時鐘振蕩電路圈起來，讓周圍電場趨近于零。）用地線將時鐘振蕩電路圈起來，讓周圍電場趨近于零。 （2）石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線盡量短，且在石英晶）石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線盡量短，且在石英晶 體振蕩器下面要加大接地的面積，不要走其它信號線。體振蕩器下面要加大接地的面積，不要走其它信號線。 （3）時鐘線垂直于）時

34、鐘線垂直于I/O線，必要時要遠離線，必要時要遠離I/O線。線。 3時鐘振蕩電路的處理時鐘振蕩電路的處理 數字電路中，閑置不用的門電路輸入端不能懸空。運數字電路中，閑置不用的門電路輸入端不能懸空。運 算放大器中，閑置不用的正輸入端接地，閑置的負輸入端算放大器中，閑置不用的正輸入端接地，閑置的負輸入端 與輸出端連接。單片機中不用的與輸出端連接。單片機中不用的I/O口定義成輸出。單片機口定義成輸出。單片機 上有一個以上電源、接地端的，每一端都要接上，不要懸上有一個以上電源、接地端的，每一端都要接上，不要懸 空。如圖空。如圖417所示。所示。 圖417 不用空閑端的處理方法 4閑置不用的引腳要做好處理

35、閑置不用的引腳要做好處理 （1）盡量使用多層板，過）盡量使用多層板，過 孔要盡量少。孔要盡量少。 （2）電路板銅膜線的布線）電路板銅膜線的布線 盡量使用盡量使用45的折線，不的折線，不 要使用要使用90折線，以減小折線，以減小 高頻信號的發(fā)射。其布線高頻信號的發(fā)射。其布線 方式如圖方式如圖418所示。所示。 圖418 銅膜線的布線方式 5信號線的布線信號線的布線 （3）重要的信號線應盡量短且要盡量粗，并在兩側加上）重要的信號線應盡量短且要盡量粗，并在兩側加上 保護地。將信號通過扁平電纜引出時，要使用地線保護地。將信號通過扁平電纜引出時，要使用地線信信 號號地線地線的結構。的結構。 （4）任何信

36、號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應）任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應 盡量小。盡量小。 （5）對于）對于A/D類器件，數字部分與模擬部分信號線不能交類器件，數字部分與模擬部分信號線不能交 叉。對噪聲敏感的信號線不要與高速線、大電流線平行。叉。對噪聲敏感的信號線不要與高速線、大電流線平行。 8.4軟件的抗干擾設計軟件的抗干擾設計 單片機應用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟單片機應用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟 件抗干擾設計也是防止和消除應用系統(tǒng)故障的重要途徑。件抗干擾設計也是防止和消除應用系統(tǒng)故障的重要途徑。 4.4.1控制狀態(tài)失常的軟件對策控制狀態(tài)失常的軟件對策

37、 軟件冗余。將對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改軟件冗余。將對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改 為循環(huán)采樣、處理控制輸出的方式。這種方法對于慣性較大為循環(huán)采樣、處理控制輸出的方式。這種方法對于慣性較大 的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。如軟件去抖動。的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。如軟件去抖動。 設置當前輸出狀態(tài)寄存單元。當干擾侵入輸出通道設置當前輸出狀態(tài)寄存單元。當干擾侵入輸出通道 造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)能及時將寄存單元的輸出狀造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)能及時將寄存單元的輸出狀 態(tài)信息傳送到各輸出接口的端口寄存器中，以維持正確態(tài)信息傳送到各輸出接口的端口寄存器中，以維持正確 的輸出控制。的

38、輸出控制。 設置自檢程序。在單片機上電復位后或在程序中設置自檢程序。在單片機上電復位后或在程序中 間特定部位及某些內存單元插入狀態(tài)標志，在單片機運間特定部位及某些內存單元插入狀態(tài)標志，在單片機運 行中不斷循環(huán)檢測，以保證系統(tǒng)中信息存儲、運輸、運行中不斷循環(huán)檢測，以保證系統(tǒng)中信息存儲、運輸、運 算的高可靠性。單片機應用系統(tǒng)需要自檢的部件有算的高可靠性。單片機應用系統(tǒng)需要自檢的部件有 EPROM、RAM、I/O口等。口等。 8.4.2程序運行失常的軟件對策程序運行失常的軟件對策 一旦單片機因干擾而使得程序計數器一旦單片機因干擾而使得程序計數器PC偏離了原定的偏離了原定的 值，程序便脫離正常運行軌道

39、，出現操作數數值改變或將值，程序便脫離正常運行軌道，出現操作數數值改變或將 操作數當作操作碼的操作數當作操作碼的“跑飛跑飛”現象。此時，可采用軟件陷現象。此時，可采用軟件陷 阱和阱和“看門狗看門狗”技術使程序恢復到正常狀態(tài)。技術使程序恢復到正常狀態(tài)。 1、設置軟件陷阱、設置軟件陷阱 所謂軟件陷阱，是指一些可以使混亂的程序恢復正常所謂軟件陷阱，是指一些可以使混亂的程序恢復正常 運行或使運行或使“跑飛跑飛“的程序恢復到初始狀態(tài)的的程序恢復到初始狀態(tài)的系列指令。系列指令。 其主要形式見表其主要形式見表42。 表表42 軟件陷阱的兩種指令形式及適用范圍軟件陷阱的兩種指令形式及適用范圍 形式形式軟件陷阱

40、形式軟件陷阱形式對應入口形式對應入口形式適適 用用 范范 圍圍 1 NOP NOP LJMP 0000H 0000H：LJMP MAIN；運行程序 雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后 0003H0030H地址未使用的中斷區(qū) 跳轉指令及子程序調用和返回指令之后 程序段之間的未用區(qū)域 數據表格及散轉表格的最后 每隔一些指令(一般為十幾條指令)后 2 LJMP 0202H LJMP 0000H 0000H：LJMP MAIN；運行主程序 ： 0202H：LJMP 0000H ： 注：注：形式一的機器碼為0000020000（十六進制） 形式二的機器碼為020202020000（十六進制） 當未使用的中斷因干

41、擾而開放時，在對應的中斷服務程 序中設置軟件陷阱，就能及時捕捉到錯誤的中斷。在中斷服 務程序中要注意：返回指令用RETI，也可用LJMP。其中斷 服務程序形式為以下兩種： 形式一：形式一：形式二：形式二： NOP NOP POP direct1 POP direct2 LJMP 0000H NOP NOP POP direct1；將原先斷點彈出 POP direct2 PUSH 00H；斷點地址改為000 0H PUSH 00H RETI （1）未使用的中斷區(qū) 單片機系統(tǒng)中使用的單片機系統(tǒng)中使用的EPROM很少能夠全部用完，很少能夠全部用完， 這些非程序區(qū)可用這些非程序區(qū)可用000002000

42、0或或020202020000數據填數據填 滿。需要注意的是，最后一條填入數據應為滿。需要注意的是，最后一條填入數據應為020000。當。當 程序程序“跑飛跑飛”進入此區(qū)后，便會迅速自動入軌進入此區(qū)后，便會迅速自動入軌。 （2）未使用的）未使用的EPROM空間空間 單片機系統(tǒng)尋址空間為單片機系統(tǒng)尋址空間為64K。如果系統(tǒng)僅選用了一片。如果系統(tǒng)僅選用了一片2764， 其地址空間為其地址空間為8K，那么還有，那么還有56K地址空間閑置。當程序地址空間閑置。當程序“跑飛跑飛” 到這些空間時，讀入數據將為到這些空間時，讀入數據將為FFH，這是，這是“MOV R7，A”指令指令 的機器碼，此代碼的執(zhí)行將

43、修改的機器碼，此代碼的執(zhí)行將修改R7中的內容。因此，可采用圖中的內容。因此，可采用圖 419所示電路來避免。圖中所示電路來避免。圖中74LS08為四二與門，當為四二與門，當PC落入落入 2000HFFFFH這段閑置空間時，定有為高電平。當執(zhí)行取指令這段閑置空間時，定有為高電平。當執(zhí)行取指令 操作時，為低電平，從而引起中斷，在中斷服務程序中設置軟操作時，為低電平，從而引起中斷，在中斷服務程序中設置軟 件陷阱可將件陷阱可將“跑飛跑飛”的程序迅速拉入正軌。的程序迅速拉入正軌。 圖419 非EPROM區(qū)防“跑飛”電路 （3）非）非EPROM芯片空間芯片空間 由于程序是采用模塊化的設計方法，因此，程序也

44、是以由于程序是采用模塊化的設計方法，因此，程序也是以 模塊方式運行的。此時可以將陷阱指令組分散放置在用戶程模塊方式運行的。此時可以將陷阱指令組分散放置在用戶程 序各模塊之間空余的單元里。一般每序各模塊之間空余的單元里。一般每1K字節(jié)有幾個陷阱就夠字節(jié)有幾個陷阱就夠 了。了。 在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令，保證用戶程序正常在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令，保證用戶程序正常 運行；但當程序運行；但當程序“跑飛跑飛”時，一旦落入這些陷阱區(qū)，馬上就時，一旦落入這些陷阱區(qū)，馬上就 可將可將“跑飛跑飛”的程序拉到正確軌道。的程序拉到正確軌道。 （4）運行程序區(qū)）運行程序區(qū) 設用戶主程序運行區(qū)間為設用戶主程

45、序運行區(qū)間為add1add2，且定時器，且定時器T0產生產生 10ms定時中斷；當程序定時中斷；當程序“跑飛跑飛”落入落入add1add2以外的區(qū)間，以外的區(qū)間， 此時又發(fā)生了定時中斷，則可在中斷服務程序中判定中斷斷此時又發(fā)生了定時中斷，則可在中斷服務程序中判定中斷斷 點地址點地址addx是否在是否在add1add2之間，若不在則說明發(fā)生了程之間，若不在則說明發(fā)生了程 序序“跑飛跑飛”，應使程序返回到復位入口地址，應使程序返回到復位入口地址0000H，使跑飛，使跑飛 程序納入正軌。程序納入正軌。 （5）中斷服務程序區(qū)）中斷服務程序區(qū) 程序運行監(jiān)視系統(tǒng)又稱“看門狗”（WATCHDOG）。 “看門

46、狗”好比是主人（單片機）養(yǎng)的一條“狗”，在正常工作時，每 隔段固定時間就給“狗”吃點東西“狗”吃過東西后就不會影響主 人干活了。如果主人打瞌睡，到一定時間，“狗”餓了，發(fā)現主人還沒 有給它吃東西，就會叫醒主人。由此可以看出，“看門狗”就是一個監(jiān) 視跟蹤定時器，應用“看門狗”技術可以使單片機從死循環(huán)中恢復到正 常狀態(tài)。 “看門狗”可以用硬件電路實現，也可采用軟件技術通過內部定時/ 計數器實現。目前，大多數單片機片內都集成有程序運行監(jiān)視系統(tǒng)。 （1）硬件“看門狗” MAX706是一款帶有“看門狗”和電壓監(jiān)控功能的芯片，其外形如 圖820（a）所示。由其構成的硬件“看門狗”見圖820（b）。 2設置

47、程序運行監(jiān)視系統(tǒng)。設置程序運行監(jiān)視系統(tǒng)。 在MAX706內部有一個定時器，它獨立工作于單片機之外。若單片 機正常工作，每隔一段時間就通過P1.1向“看門狗”輸出一個脈沖，使 “看門狗”電路復位，“看門狗”從0開始重新計數。但當單片機由于 干擾等原因不能正常向“看門狗”電路輸出復位脈沖時，如果“看門狗” 的定時時間已到，MAX706的端就會輸出一個脈沖給單片機，使單片機 復位，使其從故障狀態(tài)恢復正常。 圖420 MAX706實現的硬件“看門狗”電 路 （2）軟件“看門狗” 軟件“看門狗”技術的基本思路是：在主程序中對定時器T0中斷服 務程序進行監(jiān)視；在定時器T1中斷服務程序中對主程序進行監(jiān)視；定

48、時 器T0中斷監(jiān)視定時器T1中斷。軟件“看門狗”設計請參閱相關書籍，這 里就不再詳述。 （3）“看門狗”設計時的注意事項 復位看門狗，使看門狗電路繼續(xù)起作用的程序段應安排在等待查詢的 循環(huán)體內部、耗時很大的函數體內部及主程序任務隊列中，而不要加在 定時器中斷服務程序中. “硬狗”實現冷啟動，“軟狗”實現熱啟動8.4，“硬狗”的可靠性 和作用都要比“軟狗”強。在開發(fā)產品時，“硬狗”是必須得加的，而 “軟狗”不一定要加。 （1）算術平均值法 算術平均值法就是連續(xù)取N個值進行采樣，然后算術平均。這種方法適用于 對般具有隨機干擾的信號進行濾波。 （2）比較舍取法 當控制系統(tǒng)測量結果的個別數據存在偏差時

49、，為了剔除個別錯誤數據，可采 用比較舍取法，即對某個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據所采樣的變化情況確定舍 取辦法，剔除偏差數據。 （3）中值法 中值濾波法就是對某一被測參數連續(xù)采樣N次(一般N取奇數)，然后把N次采 樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。中值濾波能有效地克服因偶然因素 引起的波動干擾。適用于緩慢變化的被測量。 （4）一階遞推數字濾波法 這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，代替硬件實現RC濾波。 4.4.3 數據采集誤差的軟件對策數據采集誤差的軟件對策 用軟件濾波算法，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的用軟件濾波算法，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的 輸出控制錯誤。最常用的方

50、法有算術平均值法、比較舍取法、輸出控制錯誤。最常用的方法有算術平均值法、比較舍取法、 中值法、一階遞推數字濾波法等。中值法、一階遞推數字濾波法等。 4.5課外閱讀課外閱讀 4.5.1固態(tài)繼電器的基本應用固態(tài)繼電器的基本應用 固態(tài)繼電器SSR (SOLID STATE RELAYS)是一種典型的弱電控制強 電的新型無觸點開關器件，它在數控和自控設備等方面應用非常廣泛，在 相當程度上可取代傳統(tǒng)的“線圈簧片觸點式”繼電器(簡稱“MER”)。 因此，對于電氣自動化專業(yè)的學生來講，多學一點這方面的相關知識，對 今后的工作會有很大的幫助。 SSR只有兩個輸入端(A和B)及兩個輸出端(C和D)，是一種四端器

51、件。 工作時只要在A、B端加上一定的控制信號，就可以控制C、D兩端之間的 “通”和“斷”，實現“開關”的功能。圖8-21給出了幾種國內、外常見 的SSR的外形。 圖4-21固態(tài)繼電器的外形 固態(tài)繼電器的特點主要體現為： 工作可靠性高、壽命長 SSR由全固態(tài)電子元件組成，它沒有任何可動的機械部件，工作中 也沒有任何機械動作；其開關的“通”、“斷”功能由電路三極管或雙 向晶閘管控制實現，無機械觸點。因而工作更加可靠。有資料表明SSR 的開關次數可達108-109次，比一般傳統(tǒng)繼電器的106高幾百倍； 靈敏度高、控制功率小、電磁兼容性好 SSR的輸入電壓范圍較寬、驅動功率低（一般只需十幾毫瓦就能正常

52、工 作），可與大多數邏輯集成電路兼容，而不需加裝緩沖器或驅動器。 1固態(tài)繼電器的特點固態(tài)繼電器的特點 轉換速度快 SSR用固態(tài)器件控制電路通斷，所以轉換速度可達幾毫秒甚至幾微 秒。 產生的電磁干擾小 SSR沒有輸入線圈，沒有觸點燃弧和回跳，因而電磁干擾較小。 無動作噪聲、耐振耐機械沖擊、對安裝位置無限制，能適應環(huán)境惡劣的 工作場合。 SSR很容易用絕緣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極佳。這些特 點使SSR可在軍事(如飛行器、火炮、艦船、車載武器系統(tǒng))、化工、井 下采煤和各種工業(yè)民用電控設備的應用中大顯身手，具有超越傳統(tǒng)繼電 器的技

53、術優(yōu)勢。 SSR還能承受在數值上可達額定電流十倍左右的浪涌電流。 固態(tài)繼電器的應用領域很廣，以下只作簡要說明。 多組輸出電路 圖8-22（a）為多組輸出電路。當輸入為“0”時，三極管 BG截止，SSR1、SSR2、SSR3的輸入端無輸入電壓，各自 的輸出端斷開；當輸入為“1”時，三極管BG導通，SSR1、 SSR2、SSR3的輸入端有輸入電壓，各自的輸出端接通，因而 達到了由一個輸入端口控制多個輸出端“通”、 “斷”的目 的。 2固態(tài)繼電器的基本應用固態(tài)繼電器的基本應用 圖4-22(b)為單刀雙擲控制電路，當輸入為“0”時，三極管BG截止， SSR1輸入端無輸入電壓，輸出端斷開，此時A點電壓加

54、到SSR2的輸入端 上(UAUDW應使SSR2輸出端可靠接通)，SSR2的輸出端接通；當輸入為 “1”時，三極管BG導通，SSR1輸入端有輸入電壓，輸出端接通，此時A點 雖有電壓，但UAUDW的電壓值已不能使SSR2的輸出端接通而處于斷開 狀態(tài)，因而達到了“單刀雙擲控制電路”的功能。 但需注意：選擇穩(wěn)壓二極管DW的穩(wěn)壓值時，應保證在導通的SSR1“+” 端的電壓不會使SSR2導通，同時又要兼顧到SSR1截止時期“+”端的電壓 能使SSR2導通。 圖4-22固態(tài)繼電器的多組輸出和單刀雙擲控制電路 單刀雙擲控制電路 光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。在傳送中光電耦合器光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。在傳送中光電耦合器 可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用,使兩個系統(tǒng)電源相互獨立使兩個系統(tǒng)電源相互獨立,形成電流環(huán)形成電流環(huán) 路的傳送形式路的傳送形式.由于電流環(huán)電路是低阻抗電路由于電流環(huán)電路是低阻抗電路,它對噪音的敏感度低它對噪音的敏感度低,因此提因此提 高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力.常用于有噪音干擾的環(huán)境下作遠距離的信號傳常用于有噪音干擾的環(huán)境下作遠距離的信號傳 輸輸.