數(shù)據(jù)采集大作業(yè)

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)摘要：本文主要從單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出發(fā)，從理論方面闡述了硬件和軟件 兩方面所采取的抗干擾措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅要求有完善的記憶、存貯、識(shí)別和控制功能， 如CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O輸入和輸出、串行接口、計(jì)數(shù)定時(shí)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)， 還要求對(duì)信號(hào)的處理、濾波、A/D和D/A變換器、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，成為一 個(gè)完整協(xié)調(diào)有特殊功能的工作系統(tǒng)。然而在整個(gè)系統(tǒng)中，因其受到多方面的干擾， 影響了系統(tǒng)的可靠性，為了保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間、安全、穩(wěn)定的 運(yùn)行，必須解決好其一直存在的一個(gè)常見(jiàn)關(guān)鍵而又難以解決的問(wèn)題抗干擾問(wèn)題。

2、在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，干擾源主要來(lái)自來(lái)自兩個(gè)方面：一是來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部 元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的干擾，干擾信號(hào)通過(guò)地址線、電源線、信號(hào)線、分布電容 和電感等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)；二是來(lái)自系統(tǒng)外部其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾， 通過(guò)傳導(dǎo)和輻射等途徑影響微機(jī)控制系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作。為使單片機(jī)控制系統(tǒng)正常工作，在硬件和軟件兩方面均可采取一定抗干擾措施來(lái)提高系統(tǒng)的可 靠性。一、硬件抗干擾措施硬件抗技術(shù)適合于消除頻率較高信號(hào)中的干擾，主要是抵抗空間輻射干擾， 輸入/輸出通道干擾及供電系統(tǒng)的干擾。1硬件看門狗技術(shù)使用硬件看門狗的主要目的是防止程序執(zhí)行受到干擾， 不能按正常流程執(zhí)行 的一種監(jiān)視芯片。所謂“看門狗”就

3、是一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到，它就輸出一個(gè) 信號(hào)，使單片機(jī)復(fù)位。所謂“謂狗”就是把定時(shí)器的計(jì)數(shù)值清除。只要按時(shí)喂狗， 定時(shí)器就不會(huì)到達(dá)定時(shí)時(shí)間，單片機(jī)就不會(huì)復(fù)位。如果程序“跑飛”，或者進(jìn)入死循環(huán)，不能按時(shí)喂狗，就會(huì)復(fù)位，使單片機(jī)重新開(kāi)始工作。2屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)是利用金屬材料對(duì)電磁波具有較好的吸收和反射能力來(lái)進(jìn)行抗干 擾的。屏蔽一般分為3種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)屏蔽的 要求選用好的金屬材料制成設(shè)備外殼，從根本上屏蔽外部的干擾信號(hào)。另外根據(jù) 導(dǎo)線之間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機(jī)理， 在儀器布線方面應(yīng)做 到：強(qiáng)電的纜線必須單獨(dú)走橋架，絕對(duì)不能和信號(hào)線挨在一起；努力使強(qiáng)電線

4、纜 與弱電信號(hào)線正交；不能避開(kāi)的平行走線，應(yīng)保持強(qiáng)電纜線與弱信號(hào)線的距離。 使用連接線方面應(yīng)做到：針對(duì)電場(chǎng)耦合引起的干擾，采用無(wú)網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜 且使兩端引線外露部分盡量短、同軸電纜單端接地；此外在干擾源周圍加上屏蔽 體且將屏蔽體一點(diǎn)接地，可把電場(chǎng)形成的干擾源屏蔽掉，使之對(duì)鄰近導(dǎo)線或回路 不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場(chǎng)對(duì)弱電信號(hào)回路可能造成的干擾。3.接地抗干擾技術(shù)各種儀器設(shè)備都需要接地，所謂接地就是將某點(diǎn)與一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面 用低電阻導(dǎo)線連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)電位。接地的目的在于消除公共地線阻抗 所產(chǎn)生的共阻抗耦合干擾，并避免受磁場(chǎng)和電位差的影響，防止形成地電流環(huán)路 與其它電路產(chǎn)生磁耦合干擾。

5、但是值得注意的是地線也是引入干擾的重要通道。 在一個(gè)較大的測(cè)控系統(tǒng)中，往往包括各種測(cè)試儀器，其中既有高頻信號(hào)，又有低 頻信號(hào)；既有強(qiáng)電電路，又有弱電電路；既有開(kāi)關(guān)動(dòng)作的設(shè)備，又有極為敏感的 弱電信號(hào)裝置。因此，不同類型的信號(hào)電路應(yīng)有不同的地線，如信號(hào)地線、信號(hào) 源地線、負(fù)載地線。對(duì)于同一類信號(hào)電路中，一般有一個(gè)共同的接地系統(tǒng)，但有 時(shí)也要根據(jù)信號(hào)電路的不同采取不同的接地形式，如串聯(lián)單點(diǎn)接地、并聯(lián)單點(diǎn)接地及多點(diǎn)接地。 串聯(lián)單點(diǎn)接地公共地線并非理想的純導(dǎo)線，具有一定的電阻，這一點(diǎn)容易被人們忽視。即 使是導(dǎo)線的電阻很小，也會(huì)在電路間形成干擾。各電路接地電壓都受到其它電路 電流的影響。采用這種接地方式

6、時(shí)，弱信號(hào)電路放在最近處接地。但從抑制電阻 耦合角度看，這種接地方式最不可取。 并聯(lián)單點(diǎn)接地這種方式可以避免電阻耦合干擾，因?yàn)楦麟娐返慕拥仉娢恢慌c自身電流有 關(guān)，不受其它電路電流影響。這種接地方式最適用于低頻。 多點(diǎn)接地對(duì)于高頻電路，應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。地線系統(tǒng)一般是與機(jī)殼相連接的扁粗 金屬導(dǎo)體或機(jī)殼本身，也常用導(dǎo)電條連成網(wǎng)或是一塊金屬網(wǎng)板作為地線。為了降 低電路的地電位，每個(gè)電路的地線應(yīng)盡可能縮短，以降低接地線阻抗。多點(diǎn)接地 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是電路構(gòu)成比單點(diǎn)接地簡(jiǎn)單，而且由于接地線短，接地線上可能出現(xiàn) 的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。但要注意的一點(diǎn)是由于多點(diǎn)接地后，設(shè)備內(nèi)部會(huì)增加 許多地線回路，它們對(duì)低電

7、平信號(hào)的電路會(huì)引起干擾， 帶來(lái)不良影響。綜合起來(lái) 考慮，通常接地方式可以這樣選擇：頻率低于 IMHz時(shí)可采用一點(diǎn)接地方式，高 于10MHz時(shí)應(yīng)采用多點(diǎn)接地。在110MHz之間，如采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng) 度不得超過(guò)波長(zhǎng)的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。4隔離技術(shù)隔離技術(shù)是抑制干擾的有效的手段之一。為防止高電壓、大電流、大功率等強(qiáng)電或長(zhǎng)輸電線上產(chǎn)生的各種干擾信號(hào)進(jìn)入儀器儀表內(nèi)部，影響正常工作,可使信息傳輸?shù)穆窂皆陔姎馍细綦x，亦即隔離前后兩部分線路之間無(wú)電氣上的連接，在電 氣上是互相獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，各自有獨(dú)立的電源和參考電位，互相間毫不相關(guān)，靠 非電方式來(lái)傳送信息。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，則許多場(chǎng)合下采用

8、調(diào)制-解調(diào)式隔離 放大器、運(yùn)算放大器等，模擬量輸出信號(hào)隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔 離法等，對(duì)于數(shù)字信號(hào),可以采用光電隔離的辦法。較之模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的抗干 擾能力較強(qiáng)，但也有采用模/數(shù)變換隔離的方法，即在現(xiàn)場(chǎng)就地進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換， 利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，在接收端再采用光電隔離，以增強(qiáng)其在信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。5電路板布局布線(1) 注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量短。用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)晶振外殼接地并固定。此措施可以解決許多疑難問(wèn)題。(2) 用地線把數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接與電 源地。A/D、D/A芯片布線也

9、以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列 時(shí)已考慮此要求。(3) 充分考慮電源對(duì)控制芯片的影響。電源做的好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了 一大半。許多控制芯片對(duì)電源噪聲很敏感，要給芯片組的電源加濾波電路或 穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對(duì)芯片組的干擾。比如，可利用磁珠和電容組成n形 濾波器，當(dāng)然要求不高時(shí)也可以用100Q電阻帶替磁珠。(4) 控制芯片和大功率輸出器件的地線要單獨(dú)接地已減少相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。電路板合理分區(qū)如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源(如電機(jī)，繼電器)與敏感器件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。(5) 布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。盡可能縮短信號(hào)線的傳輸

10、長(zhǎng)度?？煽毓鑳啥瞬⒔覴C抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。若條件允許，在雙面 印制板布線時(shí)，正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，在其傳輸印制電路背面盡 可能加大接地面積，這樣由于平行導(dǎo)線間的分布電容在導(dǎo)線接近地平面時(shí)會(huì) 變小的緣故，信號(hào)線之間串音干擾會(huì)減小。6其他措施(1) 去耦電容芯片電源進(jìn)線盡可能接一個(gè)104 (0.1uF)或103(0.01uF)的去耦電容(可以 用陶瓷電容，目前使用較多的是獨(dú)石電容)。每隔5個(gè)芯片左右安置一個(gè)110uF 的膽(電解)電容，因?yàn)檫@種電容的高頻阻抗很小，對(duì)噪聲抑制效果很好。(2) 續(xù)流二極管在繼電器兩端加續(xù)流二極管，消除線圈斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。 僅加續(xù) 流二

11、極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后，若再增加穩(wěn)壓二極管，則可改善響應(yīng)速度， 消除滯后性。在繼電器觸點(diǎn)兩端應(yīng)并接火花抑制電路，減小電火花影響。(3) 瞬態(tài)電壓抑制器TVS瞬態(tài)電壓抑制器(Transient VOItage Suppress。，簡(jiǎn)稱TVS)，使用TVS二極 管進(jìn)行浪涌保護(hù)比使用壓敏電阻優(yōu)越得多，具有響應(yīng)時(shí)間快，瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓偏差小，箝位電壓易于控制等優(yōu)點(diǎn)，有效保護(hù)電子線路中的精密 元器件，免受各種浪涌脈沖對(duì)元器件造成的損壞。二、軟件抗干擾措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于單片機(jī)可能受到強(qiáng)烈的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加 大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾產(chǎn)生變化等。我們可以采用一系列的軟件

12、抗干擾 措施來(lái)預(yù)防上述情況的發(fā)生。1數(shù)據(jù)采集誤差的軟件措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過(guò)采用數(shù)值、邏輯運(yùn)算處理來(lái)達(dá)到濾波的效果。下面介紹 幾種常用的簡(jiǎn)便有效的數(shù)據(jù)采集方法：(1) 算術(shù)平均值法。對(duì)某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，計(jì)算其平均值，作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果(一般取35次平均即可)。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì) 采集結(jié)果的影響。(2) 比較舍取法。當(dāng)控制系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的個(gè)別數(shù)據(jù)存在偏差時(shí)，可采用比較舍取法，即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集數(shù)次，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定舍 取辦法來(lái)剔除偏差數(shù)據(jù)。例如：“采三取二”即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣3次, 取2次相同數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。(3) 中值法。根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或

13、偏小的情況，對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采 集多次，并對(duì)這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。(4) 一階遞推數(shù)字濾波法。這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實(shí) 現(xiàn)用軟件方法替代硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為：Yn=QX n+(l-Q)Y n-1式中：Q數(shù)字濾波器的時(shí)間常數(shù)；X第n次采樣時(shí)的濾波器輸入；Yn第n次采樣時(shí)的濾波器輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，選取何種方法，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律而定，以使數(shù)據(jù)采集 誤差的消除得到滿意的效果。2控制狀態(tài)失靈的軟件措施在大量的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問(wèn)題是：能否確保正常的控制狀態(tài)。 如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)，會(huì)影響各種控制條件，造成控制輸出失誤，或直接影響

14、輸出 信號(hào)，造成控制失誤。為了確保系統(tǒng)安全，可以采取下述軟件抗干擾措施：(1) 軟件冗余。在條件控制系統(tǒng)中，對(duì)控制條件的一次采樣，處理控制輸出改 為循環(huán)采樣處理輸出。這種方法對(duì)慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因 素干擾的作用。(2) 設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道，輸出狀態(tài)破壞時(shí)，系 統(tǒng)能及時(shí)查詢寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時(shí)糾正輸出狀態(tài)。(3) 設(shè)置自檢程序。單片機(jī)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單設(shè)狀態(tài)標(biāo)志，在開(kāi)機(jī)后，進(jìn)行不斷的循環(huán)測(cè)試，以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ)、傳輸、運(yùn)算的高可靠性。(4) 采用時(shí)間片方法。由于輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，從而使系統(tǒng)資源被某一任務(wù)模塊長(zhǎng)期占用，而不釋放，造

15、成系統(tǒng)“死鎖”問(wèn)題。所謂“時(shí)間片”方法是：根據(jù)不同的外設(shè)對(duì)時(shí)間的要求，分配相應(yīng)的最大正 常的I/O時(shí)間。在每一 I/O的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時(shí)判斷程序，若由于干 擾破壞了接口的狀態(tài)造成計(jì)算機(jī)中心處理機(jī)誤操作后，就會(huì)出現(xiàn)超時(shí)，使系統(tǒng)從該任務(wù)模塊程序中自動(dòng)返回，避免“死鎖”情況發(fā)生。3使用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器內(nèi)容的自救在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，干擾造成比較嚴(yán)重的危害之沖毀存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，由于存儲(chǔ)器中保存的是各種原標(biāo)志、變量等，如果被破壞，會(huì)造成系統(tǒng)出錯(cuò)或無(wú)法運(yùn) 單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言，存儲(chǔ)器中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)是行分析、比較而臨時(shí)寄存的， 不允許丟失的數(shù)據(jù)也只占容的極少部分，大部分內(nèi)容允許短時(shí)破壞，最多只引起 一個(gè)很短時(shí)間的波動(dòng)，很快能自動(dòng)恢復(fù)正常。因此在實(shí)中，只要注意對(duì)少數(shù)不允 許丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，一般常法有“校驗(yàn)法”和“設(shè)標(biāo)法”。校驗(yàn)法比較繁瑣，但查找錯(cuò)信度高。設(shè)標(biāo)法簡(jiǎn)單，但對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)中個(gè)別數(shù)據(jù)沖毀的以查找錯(cuò)誤， 在編 程中一般應(yīng)綜合作用，其具體做法為：(1) 在存儲(chǔ)器工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置志碼。