單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)干擾的主要來源分為外部干擾和內(nèi)部干擾。來自外部的干擾有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)，大型用電設(shè)備（如電爐、電機(jī)、電焊機(jī)等）的啟停，高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射，傳輸電纜的共模干擾等。來自內(nèi)部的干擾，即軟件干擾，這是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的特殊問題，不過，軟件干擾較之硬件干擾比較容易解決。1電源、地線、傳輸干擾及其對(duì)策（1）電源干擾及其對(duì)策現(xiàn)在的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)大都使用市電，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化，大型用電設(shè)備的啟動(dòng)、停止，如大電機(jī)、電梯、繼電器、照明燈、電焊機(jī)等，往往造成電源電壓的波動(dòng)，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生幅度在405000V之間的高能尖峰脈沖，它對(duì)系統(tǒng)的危害性最為嚴(yán)重，很容

2、易使系統(tǒng)造成“飛程序”或“死機(jī)”?？垢蓴_的對(duì)策除了“遠(yuǎn)離”這些干擾源以外，還可以采用專用的抗尖峰干擾抑制器。對(duì)于要求更高的系統(tǒng)，可采用不間斷電源（Uninterrupted Power Supply），簡(jiǎn)稱UPS電源。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需要的直流電源都是由交流電源變換來的，這一變換過程也可能存在著波動(dòng)和干擾。為了消除直流電源的干擾，可采取以下措施：采用集成穩(wěn)壓塊單獨(dú)供電；使用直流開關(guān)電源；使用DC-DC變換器。（2）地線干擾及其對(duì)策在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，接地是否正確，將直接影響到系統(tǒng)的正常工作。這里包含兩方面的內(nèi)容，一是接地點(diǎn)是否正確，一是接地是否牢固。前者用來防止系統(tǒng)各部分的竄擾，后者用以防止接地

3、線上的壓降。下面介紹幾種常用的接地方法。一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應(yīng)用。通常，頻率小于1MHz時(shí)，可采用一點(diǎn)接地，以減少地線造成的地環(huán)路；頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地以避免各地線之間的耦合；當(dāng)頻率處于110MHz之間時(shí)，如采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。數(shù)字地和模擬地的連接原則。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)字地和模擬地必須分別接地，即使是一個(gè)芯片上有兩種地（如A/D、D/A、S/H）也要分別接地，然后僅在一點(diǎn)處把兩種地連接起來，否則數(shù)字回路通過模擬電路的地線再返回到數(shù)字電源，將會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響。印刷電路板的地線分布原則。為了防止系統(tǒng)內(nèi)部地線干擾，在設(shè)計(jì)印刷電

4、路板時(shí)應(yīng)遵循下列原則：TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形；要根據(jù)通過電流的大小決定地線的寬度，最好不小于3mm。在可能的情況下，地線盡量加寬；旁路電容的地線不要太長；功率地通過的電流較大，地線應(yīng)盡量加寬，且必須與小信號(hào)地分開。2硬件抗干擾措施為提高系統(tǒng)的可靠性，除了對(duì)系統(tǒng)供電、接地及傳輸過程抗干擾以外，更重要的是在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同的干擾采取相應(yīng)的措施。（1）隔離技術(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的干擾很大程度上來源于模擬輸入通道，如傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路等，傳統(tǒng)的方法是抑制相應(yīng)的模擬信號(hào)干擾，如在輸入回路中接入模擬濾波器、使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換 、采用專用隔離放大器等。由于單

5、片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字-模擬混合的系統(tǒng)，所以，采用數(shù)字隔離技術(shù)，即光電隔離技術(shù)將是更好的選擇。（2）系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)雖然采取了各種抗干擾措施，但由于各種原因，仍然可能出現(xiàn)掉電、飛程序、死機(jī)等系統(tǒng)完全失靈的情況，系統(tǒng)監(jiān)控（也稱作P即microprocessor監(jiān)控）正是針對(duì)上述情況而設(shè)置的最后一道防線，確保系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)監(jiān)控電路完成以下任務(wù)：上電復(fù)位；監(jiān)控電壓變化；Watchdog，即程序運(yùn)行監(jiān)控功能；片使能；備份電池切換；掉電保護(hù)等。3軟件抗干擾措施單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的干擾不僅影響硬件工作，也會(huì)干擾軟件的正常運(yùn)行。另一方面，軟件設(shè)計(jì)本身對(duì)系統(tǒng)的可靠性也起著至關(guān)重要的作用。隨著微處理器性能的不斷提高

6、，用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)一些硬件的抗干擾功能，簡(jiǎn)便易行，成本低，因而愈來愈受到人們的重視。軟件對(duì)系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)采集不可靠；控制失靈；程序運(yùn)行失常。下面介紹幾種簡(jiǎn)單易可行的軟件抗干擾方法。（1）數(shù)字濾波提高數(shù)據(jù)采集的可靠性對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號(hào)，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波。隨著單片機(jī)運(yùn)算速度的提高，運(yùn)用CPU的運(yùn)算、控制能力也可以完成模擬濾波器的類似功能，這就是數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法在許多數(shù)字信號(hào)處理的專著中都有詳細(xì)的論述，可以參考。下面介紹幾種常用的簡(jiǎn)便有效的方法。值得注意的是，選取何種方法必須根

7、據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律進(jìn)行選擇。 算術(shù)平均法。對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其平均值，以其平均值作為采樣結(jié)果。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。一般取35次平均值即可。 比較取舍法。當(dāng)控制系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的個(gè)別數(shù)據(jù)存在明顯偏差時(shí)（例如尖峰脈沖干擾），可采用比較取舍法，即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍辦法來剔除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。例如，“采三取二”即對(duì)每個(gè)點(diǎn)連續(xù)采樣三次，取兩次相同的數(shù)據(jù)作為采樣結(jié)果。 中值法。根據(jù)干擾造成數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)，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。 一階遞推數(shù)字濾波法。這種方法是利用軟件完成RC低

8、通濾波器的算法。（2）控制狀態(tài)失常的軟件抗干擾措施在大量的開關(guān)量控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)輸出常常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入及其邏輯處理結(jié)果。干擾的入侵，會(huì)造成控制條件 的偏差、失誤，致使控制輸出失誤，甚至控制失常。為了提高輸入/輸出控制的可靠性，可以采取以下抗干擾措施： 軟件冗余在條件控制中，對(duì)控制條件的一次采樣、處理、控制輸出，改為循環(huán)地采樣、處理、控制輸出。這種方法對(duì)于慣性較大的控制系統(tǒng)有良好的抗偶然因素干擾的作用。對(duì)于開關(guān)量的輸入，為了確保信息準(zhǔn)確無誤，在不影響實(shí)時(shí)性的前提下，可采取多次讀入的方法（至少讀兩次），認(rèn)為無誤后（例如兩次讀入結(jié)果相同）再行輸入。開關(guān)量輸出時(shí)，應(yīng)將輸出量回讀（這要有硬

9、件配合），以便進(jìn)行比較，確認(rèn)無誤后再輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有些執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于外界干擾在執(zhí)行過程中可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，比如已關(guān)（開）的閘門、料斗可能中途突然打開（關(guān)閉）。對(duì)付這些誤動(dòng)作，可以在應(yīng)用程序中每隔一段時(shí)間（例如幾個(gè)毫秒）發(fā)出一次輸出命令，不斷地開或關(guān)。當(dāng)讀入按鈕或開關(guān)狀態(tài)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng)，可能造成讀入錯(cuò)誤，可以采用硬件去抖或用軟件延時(shí)去抖。 軟件保護(hù)當(dāng)單片機(jī)輸出一個(gè)控制指令時(shí)，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便會(huì)工作，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作電壓、電流都可能較大，在其動(dòng)作瞬間往往伴隨火花、電弧等干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)有時(shí)會(huì)通過公共線路返回到接口中，導(dǎo)致片內(nèi)RAM、外部擴(kuò)展RAM以及各特殊功能寄存器數(shù)據(jù)發(fā)生竄改，從而使

10、系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作。再者，當(dāng)命令發(fā)出之后，程序立即轉(zhuǎn)移到檢測(cè)返回信號(hào)的程序段，一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間較長（從幾十毫秒到幾秒不等），在這段時(shí)間內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生干擾。為防止這種情況發(fā)生，可以采用一種所謂軟件保護(hù)的方法。其基本思想是，設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)表（當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元），輸出指令發(fā)出后，立即修改輸出狀態(tài)表。執(zhí)行機(jī)關(guān)動(dòng)作前即調(diào)用此保護(hù)程序，該程序不斷將輸出狀態(tài)表的內(nèi)容傳輸?shù)礁鬏敵鼋涌诘亩丝诩拇嫫髦校跃S持正確的輸出控制。當(dāng)干擾造成輸出狀態(tài)破壞時(shí)，由于不斷執(zhí)行保護(hù)程序，可以及時(shí)糾正輸出狀態(tài)，從而達(dá)到正確控制的目的。 設(shè)置自檢程序。在上電復(fù)位后及程序中間的某些點(diǎn)上插入自檢，并顯示、報(bào)警異常點(diǎn)，或自動(dòng)關(guān)閉故障部分

11、。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需要自檢的部件有EPROM、RAM、I/O口等。EPROM進(jìn)行自檢的方法是奇偶校驗(yàn)。RAM自檢的方法是交替寫1和0并讀出，形成AAH或55H的校驗(yàn)板模式。I/O口自檢通常應(yīng)預(yù)留自檢口，這些自檢口可成對(duì)相互連接或成對(duì)接VCC與地，例如，8155的PC7接VCC，PC3接地，讀PC3，PC7，判斷是否為0，1；PB7與PA7對(duì)接，在PA7口先后輸出0和1，再從PB7口讀入，即可判斷I/O端口的讀寫是否正確。（3）程序運(yùn)行失常的軟件抗干擾措施單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)引入強(qiáng)干擾后，程序計(jì)數(shù)器PC的值可能被改變，因此會(huì)破壞程序的正常運(yùn)行，被干擾后的PC值是隨機(jī)的，這將導(dǎo)致程序飛出，即程序偏離正常的執(zhí)行順序。PC值可能指向操作數(shù)，將操作數(shù)當(dāng)做指令碼執(zhí)行，并由此順序地執(zhí)行下去；PC值也可能超出應(yīng)用程序區(qū)，將未使用的EPROM區(qū)中的隨機(jī)數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行。這兩種情況都將使程序執(zhí)行一系列非預(yù)計(jì)、無意義、不受控的指令，可使輸出嚴(yán)重混亂，最后多由偶然巧合進(jìn)入死循環(huán)，系統(tǒng)失去控制，造成所謂“死機(jī)”。為了防止程序飛出及“死機(jī)”，人們研制出各種辦法，其基本思想是發(fā)