毕业设计-单片机抗干扰与接地技术的研究.doc

单片机接地技术与抗干扰措施的研究郑州升达经贸管理学院本科毕业设计（论文） 题 目 单片机抗干扰与接地技术的研究学生姓名 专业班级 09电信二班 学 号 2009058215 院 （系） 信息工程系 指导教师(职称) （副教授） 完成时间 2013 年5月7日 摘 要6ABSTRACT71 引言82 单片机系统的干扰源82.1 电源干扰82.1.1 浪涌82.1.2 尖峰92.1.3 噪声92.1.4 断电92.2 空间干扰102.3 设备干扰103 干扰的传播途径104 干扰信号的耦合方式114.1 直接耦合114.2 静电耦合方式114.3 电磁耦合方式124.4 共阻抗耦合方式134.5 电磁场辐射耦合方式134.5.1 导体的天线效应134.6 漏电耦合方式135 接地技术145.1 接地的概念145.2 单片机控制系统中地线的种类145.3 接地的种类155.3.1 工作接地155.3.2 保护接地155.3.3 防雷接地155.3.4 屏蔽接地155.3.5 等电位接地156 单片机控制系统的硬件抗干扰措施166.1 采用输入滤波器166.1.1 采用无源输入滤波器166.1.2 采用有源输入滤波器166.2 电场屏蔽176.2.1 静电场屏蔽176.2.2 交变电场屏蔽186.3 磁场屏蔽196.3.1 低频磁场屏蔽196.3.2 高频磁场的屏蔽206.4 电磁屏蔽216.5 接地226.5.1 浮地226.5.2 单点接地226.5.3 多点接地226.5.4 接地方式的选择226.6 采用隔离技术236.6.1 变压器隔离236.6.2 光电隔离236.7 PCB 板地线布线技术246.7.1 电路区域划分246.7.2 保证环路面积最小246.7.3 地线保护246.8 看门狗技术256.8.1 外置的专用看门狗芯片或电路256.8.2 硬件断电复位看门狗267 软件抗干扰措施267.1 限幅滤波277.2 中位值滤波277.3 算术平均滤波287.4 递推平均滤波297.5 加权递推平均滤波307.6 消抖滤波法317.7 软件自检317.8 软件陷阱327.9 软件看门狗33结束语33致 谢34参考文献35 摘 要单片机自问世以来，凭借其体积小巧，可编程，灵活性高，可靠性强等其他控制设备无法企及的优点在各个生产生活领域得到了广泛的应用。同时，单片机的制造技术和制造工艺也有了极大的提升，使得其性能愈发强劲。在工业控制系统中，单片机的使用尤为广泛。这与单片机的特性密不可分：单片机的运算速度足以应付对于运算速度要求不高的工业控制现场，同时单片机极佳的稳定性又很好的满足了工控系统对稳定性的苛刻要求。但是，工业控制现场工作环境往往是十分恶劣的，伴随着灰尘，震动，以及强烈的电磁干扰。纵然单片机是针对工业控制而设计，但只能在一定程度上抵抗外界的干扰，并不能保证整个控制系统的绝对稳定和可靠。因此，必须采取辅助的抗干扰措施来增强整个系统的抗干扰能力。 本文从硬件和软件两个层面综合分析了单片机控制系统的抗干扰措施，其总体思路为：依据干扰产生形式和干扰输入形式的不同，分别采取硬件和软件抗干扰措施。例如，若干扰源来自于电气设备的强电磁干扰，则应较多采用诸如接地，电磁屏蔽等硬件抗干扰技术。若干扰来自于输入信号的波动，则应较多采用诸如数字滤波等软件抗干扰技术。其中，硬件抗干扰技术主要为接地技术，软件 抗干扰技术主要为数字滤波技术，本文正是在此基础上展开论述。 关键词：单片机；抗干扰；接地；数字滤波ABSTRACTSince the MCU has been invented,the unparalleled advantage of MCU such as small-sized ,programmable ,high flexibility and reliability make it widely used in all purposes and ways. With the rapid development of electronic technology ,the MCU is now stronger than ever.Especially in the industrial controlling system,the MCU has been used the most frequently due to the character of MCU:the computing speed is fast enough to cope with the requirements of industrial controlling system and so its with the reliability.However, industrial controlling scene is always accompanied with dust,noise and strong electromagnetic interference.Even though the MCU is designed for the purpose of industrial controlling,it cant restrain all the interference completely.Therefore,a certain of auxiliary anti-interference solutions must be applied to the system.This treatise mainly introduced anti-interference solutions from the viewpoint of both hardware and software.Judging by the form of the generation and input of interference,and to apply corresponding anti-interference solutions.For instance,when the interference source is mainly from electric equipment (usually strong electromagnetic interference),the hardware anti-interference solutions should firstly be applied,such as coupling,grounding and sheltering.Instead,when the interference source is mainly from the fluctuation of input signals the software anti-interference solutions should firstly be applied,such as digital-filtering.The hardware anti-interference solutions is mainly composed with grounding technology, the software anti-interference solutions is mainly composed with digital-filtering technology.The overall layout of this treatise is based on the two of technologies that mentioned above.Keywords: MCU; Anti-interference; Grounding; Digital-filtering1 引言单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，其工作环境将会十分恶劣，整个工作过程中伴随着高温，高湿，震动，灰尘，以及各类电动工具造成的恶劣的电磁环境。这就对单片机控制系统的稳定性和抗干扰性提出了很高的要求。为了提高单片机系统的稳定性和抗干扰性，需要通过诸如接地技术，数字滤波等一系列硬件和软件措施来改善这些特性。2 单片机系统的干扰源 2.1 电源干扰 对工业控制系统来说，危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰。在炼钢厂、轧钢厂或者大量使用晶闸管设备、电火花设备、电力机车等地方，这种尖峰干扰尤为突出。其幅度大的可达数百伏甚至上千伏，而脉宽一般为S数量级。雷电也常以尖峰脉冲方式入侵。尖峰脉冲幅度很大时，会破坏工控机开关电源输入滤波器、整流器甚至主振管。再加之其频谱很宽，也会窜入单片机系统造成干扰。2.1.1 浪涌 挂在同一供电电网上的大功率设备，特别是感性负载设备，如大功率电动机等，它们的起动或停止会造成电网电压的大幅度涨落，从而形成浪涌。在电子系统和网络线路上，经常会受到外界瞬时过电压干扰，这些干扰源主要包括：由于通断感性负载或启停大功率负载，线路故障等产生的操作过电压；由于雷电等自然现象引起的雷电浪涌。这种过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。浪涌电压会严重危害电子系统的安全工作。消除浪涌噪声干扰，防止浪涌危害一直是关系电子设备安全可靠运行的核心问题。为了避免浪涌电压损害电子设备，一般采用分流防御措施，即将浪涌电压在非常短的时间内与大地短接，使浪涌电流分流入地，达到削弱和消除过电压、过电流的目的，从而起到保护电子设备安全运行的作用。2.1.2 尖峰 挂在同一供电电网上的大功率开关的通断，电焊机的使用，特别是挂有使用大功率晶闸管元件的设备，往往使电网上出现尖峰脉冲。持续时间很短，但峰值可达2000V，有时甚至更高2.1.3 噪声 供电电网和系统供电引接线，对于噪声而言有天线效应，所接收到的噪声会随供电电源侵入系统。电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰;一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种；串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声。其中,Vs 为信号电压; Vnm 为串模干扰电压。既可来自干扰源, 也可由信号源本身产生。（见图1）。共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。又称共态干扰或纵向干扰, 是指放大器或ADC 的两个输入端上共有的干扰电压。图1 串模干扰引入原理图 图2 共模干扰引入原理图2.1.4 断电 断电也是一种干扰，特别是电网调度高压切换中的瞬间断电，对工业控制单片机系统的干扰后果可能是很严重的。此外，断电还会使得一些感性元件中产生很大的电流和电压。这种过电压和过电流很可能引起单片机及其外围伺服元件的损坏，还可能使单片机的某些引脚上的电平异常，导致程序混乱，运行出错。2.2 空间干扰在电子控制设备外壳上放电是经常见到的放电现象，放电电流流过金属外壳，产生电场和磁场，通过分布阻抗锅台到壳内的电源线、信号线等内部走线，引起误功作。电子控制设备的信号线或地线上也可直接放电，如键盘或显示装置等接口处的放电，其干扰后果更为严重。现在的电子设备广泛使用的CMOS芯片，是最易受静电干扰的器件。电场耦合干扰：系统间通过电场耦合的干扰，因此也称为“电场耦合干扰”。其特点为：1.通过电场传播，与系统间分布电容有关。2.干扰电场主要由干扰电压产生，与电压大小有关。3.与干扰电压的频率有关。4.与系统的对地阻抗有关。2.3 设备干扰如果电气系统漏电，或者接地系统不完善，则相邻之间的设备会产生互相干扰的现象。在通道中会引入差模电压和共模电压。如果这些传输线的布线不合理的话，则线间的寄生电容和寄生电感会产生一定的干扰，使设备不能正常工作。如图3所示：Vn 为干扰电源, In 为干扰电流。由于分布电容的存在, 干扰信号Vn( 或In) 就会串入系统。在图2 中, 由于传输线平行走线, 两根信号线与干扰源距离不等( L1 L2) , 因而分布电容C1C2于是, 引入的干扰量也就不能抵消, 从而形成了串模干扰。 图3 通过分布电容引入串模干扰的原理图3 干扰的传播途径 在单片机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自外部，有的来自内部。外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图所示，有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境如图所示，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。 图5 单片机控制干扰传播途径 4 干扰信号的耦合方式4.1 直接耦合所谓的直接耦合方式指噪声是通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的噪声直接传导给电路。这种耦合是最常见的，如串模干扰都属此例。抑制此类噪声的最基本方法就是避免导线拾取噪声，或者在它干扰敏感电路前用去耦或滤波（包括数字滤波）的方式消除噪声。它是干扰源与敏感设备之间的主要干扰耦合途径之一。4.2 静电耦合方式静电耦合又称电容耦合或电场耦合，是指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应。单片机控制系统的电子元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容，如果一个导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这样的现象就称为电容性耦合（如图6所示）。 图6 静电耦合示意图其中当导体2对地电阻R很小时，使jR(C12+C2) 1时，式可以近似表示为： 这表明干扰电压Vg与干扰频率和幅度Vi 、输入电阻R、耦合电容C12成正比关系。当导体2对地电阻R很大，使jR(C12+C2) 1时，可以近似表示为： 在这种情况下，干扰电压Vg由电容C12和C2的分压关系及Vi所确定，其幅值比前两种情况大得多。Cl2是两个导线之间的分布电容，C1、C2是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。通过以上分析，如果导线1上有信号Vi存在，那么它就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Vg 。显然，干扰电压Vg与干扰源U1、分布电容Cl2、C2的大小有关。4.3 电磁耦合方式 电磁耦合方式又称电感性耦合方式，在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰（如图7所示）。图7 电磁耦合原理示意图由于感应电磁场引起的耦合，可得感应电压为： Vg = jwMIi其中：为感应磁场交变角频率，M为两根导线之间的互感，Ii为导线1中的电流。 如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Vg高达几十毫伏。如果导线2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。4.4 共阻抗耦合方式 公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。在单片机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗共阻抗耦合干扰是电子系统中最常见的，如几个电路共用一个直流电源供电时，直流电源内部电阻就是共阻抗；在多级放大器中，各放大级会通过地线电阻产生相互干扰。4.5 电磁场辐射耦合方式 当高频电磁力线，流流过导体时，在该导体周围产生电力线和磁力线，它们随着导体各个部分的电荷变化而变化，从而形成一种在空间传播的电磁波。处于电磁波中的导体，将受到电磁波的做作用，而感应出相应频率的电动势。通过辐射途径造成的骚扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到接受器。这种传输路径小至系统内可想象的极小距离，大至相隔较远的系统间以及星际间的距离。许多耦合都可看成是近场耦合模式，而相距较远的系统间的耦合一般是远场耦合模式。它是电场和磁场相结合的耦合，并通过能量的辐射对线路产生干扰的。4.5.1 导体的天线效应 一般按照不同的性能要求和用途，采用金属导体做成特定形状，用于接收电磁波的装置就是天线。当电磁波传播到天线导体表面时，电磁波的电场和磁场的高频振荡在天线导体中引起电磁感应，从而产生感应电流，经馈线流入接收电路。任何载有时变电流的导体都能向外辐射电磁场，同样，任何处于电磁场中的导体都能感应出电压。因此，金属导体在某种程度上可起发射天线和接收天线的作用。例如：架空配电线、信号线、控制线均起天线作用。金属设备外壳也起天线作用。4.6 漏电耦合方式 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间的绝缘电阻降低时，有些电信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰。多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。 Vi 干扰源电压 Zi 被干扰的电路输入阻抗 R 楼电阻图8 漏电耦合方式原理示意图5 接地技术5.1 接地的概念接地就是将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，提供零电位参考点，以确保电力系统、电气设备的安全运行，同时确保电力系统运行人员及其他人员的人身安全。接地功能是通过接地装置或接地系统来实现的。电力系统的接地装置可分为两类，一类为输电线路杆塔或微波塔的比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等，另一类为发变电站的接地网。 简单而言，接地装置就是包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体（包括金属水平埋设或垂直埋设的接地极、金属构件、金属管道、钢筋混凝土构筑物基础、金属设备等），或由金属导体组成的金属网，其功能是用来泄放故障电流、雷电或其他冲击电流，稳定电位。而接地系统则是指包括发变电站接地装置、电气设备及电缆接地、架空地线及中性线接地、低压及二次系统接地在内的系统。 表征接地装置电气性能的参数为接地电阻。接地电阻的数值等于接地装置相对无穷远处零电位点的电压与通过接地装置流入地中电流的比值。如果通过的电流为工频电流，则对应的接地电阻为工频接地电阻；如果通过的电流为冲击电流，接地电阻为冲击接地电阻。冲击接地电阻是时变暂态电阻，一般用接地装置的冲击电压幅值与通过其流入地中的冲击电流的幅值的比值作为接地装置的冲击接地电阻。接地电阻的大小，反映了接地装置流散电流和稳定电位能力的高低及保护性能的好坏。接地电阻越小，保护性能越好。5.2 单片机控制系统中地线的种类在单片机控制系统中，地线主要可以分为下列几种。数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。 模拟地：是各种模拟量信号的零电位。信号地：通常为传感器的地。交流地：交流供电电源的地线，这种地通常是产生噪声的地。直流地：直流供电电源的地。屏蔽地：也叫机壳地，为防止静电感应和磁场感应而设。 以上这些地线处理是系统设计、安装、调试中的一个重要问题。5.3 接地的种类接地的目的是为了使设备正常安全地运行，以及为人身和设备的安全提供保障。常用的接地方式按作用或功能来分为以下几种：5.3.1 工作接地工作接地（又称系统接地），在三相交流电力系统中，将变压器低压中性点大地进行适当的连接。采取工作接地可以减轻高压窜入低压的危险，减低低压某一相接地时的触电危险。5.3.2 保护接地保护接地：各种电气设备的金属外壳、线路的金属管、电缆的金属保护层、安装电气设备的金属支架等，由于导体的绝缘损坏后可能带电，为了防止这些不带电金属部分产生过大的对地电压危及人身安全而设置的接地。5.3.3 防雷接地为了防止电气设备和建筑物因遭受雷击而受损，将避雷针、避雷线、避雷器等防雷设备进行接地，称为防雷接地。5.3.4 屏蔽接地 采用屏蔽接地技术，一方面为了防止外来电磁波的干扰和侵入，造成电子设备的误动作或通信质量的下降，另一方面为了防止电子设备产生的高频能量向外部泄放，而将线路的滤波器、变压器的静电屏蔽层、电缆的金属屏蔽等进行的接地5.3.5 等电位接地 高层建筑中为了减少雷电流造成的电位差，将每层的钢筋网及大型金属物体连接在一起并接地，是一种等电位接地。医院的某些特殊的检查室、治疗室、手术室和病房中，病人所能接触到的金属部分(如床架、床灯、医疗电器等)，不应有危险的电位差存在，因此要把这些金属部分相互连接起来成为等电位体并予以接地，也是一种等电位接地。6 单片机控制系统的硬件抗干扰措施 干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A/D和各种输入装置。在过程通道中，长线传输是干扰产生的主要原因，尤其当传输线上的信息为脉冲波时，信号在传输中会出现迟延、畸变、衰减与通道干扰耦合(交扰)，还可能接收来自空间电磁场的干扰。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。6.1 采用输入滤波器 采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。其中，如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。在工业控制中，串模信号往往比被测仪器变化快。一般采用电阻R、电容C、电感L等无源元件构成滤波器，在模拟量输入通道中引入的一个无源二级阻容低通滤波器，但它的缺点是对有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来，对于小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益。 6.1.1 采用无源输入滤波器 无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。 图14 二级无源阻容滤波网络6.1.2 采用有源输入滤波器 有源滤波器有着较之无源滤波器十分明显的优点，有源滤波器的频率范围是由直流到500KHZ，在低频范围内已取代了传统的LC滤波器。特别是在很低频率下不可能实现LC滤波器，但有源滤波器却能给出满意的结果。有源滤波方式采用的有源滤波器是由运放和RC网络组成的（见图15），与无源滤波器相比，它能够对信号提供一定的增益和缓冲，不用电感元件，所以具有线性特性，且损耗和体积都比较小，但是它的带宽有限。有源滤波器有低通、高通、带通、带阻和移相五种类型。 1、有源滤波器它的输入阻抗高，输出阻抗极低，因而具有良好的隔离性能，所以各级之间均无阻抗匹配的要求。 2、 易于制作截止频率或中心频率连续可调的滤波器且调整容易。3、如果使用电位器、可变电容器，有源滤波器的频率精度易于达到0.5%。 4、 不用电感器，体积小、重量轻，在低频情况下，这种优点就更极为突出。 5、 设计有源滤波器比设计LC滤波器具灵活性，也可得到电压增益。 但是，应当注意，有源滤波器以集成运放作有源元件，所以一定要电源，输入小信号时受运放带宽有限的限制，输入大信号时受运放压摆率的限制，这就决定了有源滤波器不适用于高频范围。目前实用范围大致在100KHZ以内，另一方面，在频率高于100KHZ时，无源滤波器的性能却比有源滤波器的好，当频率高于10MHZ时，无源滤波器则更显得优越。 一般情况下，采用电阻R、电容动电感L等无源元件构成无源滤波器，其缺点是信号有很大的衰减。为了把增益和频率特性结合起来，可以采用以反馈放大器为基础的有源滤波器（如图15所示）。这对于小信号尤其重要，它的缺点是线路复杂。 图15 有源低通滤波器6.2 电场屏蔽6.2.1 静电场屏蔽 如果将导体放在电场强度为E外的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E内的叠加。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。由此可推知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也将没有电场。这样，导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽。静电屏蔽可分为内电场屏蔽和外电场屏蔽（见图16)。图16 金属壳接地前后的电荷分布状况 因此，由以上分析，若将金属屏蔽盒接大地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒而进入内部。前者可以使被屏蔽的电路不成为其它电路的干扰源，后者可以使被屏蔽的电路不受其它电路的干扰。6.2.2 交变电场屏蔽 在交变电场情况下，导体间的电场感应是通过耦合电容起作用。为了屏蔽交变电场对单片机控制系统的干扰，通常可以采用屏蔽加接地的措施。屏蔽原理可以利用图17 所示的电路模型和电路理论加以说明。图中干扰场源为A，接受器为B，屏蔽体为S，三者之间及其与大地之间的电场感应效应用耦合电容来描述。图17 交变电场屏蔽示意图其中，图17(a)图为无屏蔽情况，设场源A的电压为，由电路理论，接受器B的电压为： （式6.1）从上式可见，A、B间的耦合电容C1越大，两者的电场感应越严重。为了减小A对B的影响，应设法使C1尽可能小。如果在A、B之间插入一屏蔽体S，如图17(b)所示。这时，图17(a)中的C1的作用变为C3，C4，C5和C1的作用，并且C1C1，此时接受器B的电压为： （式6.2）由于S与A的距离小于B与A的距离，S的面积通常会大于B的面积，因此C3、C5均大于C1.比较以上两个式子可以看到：若屏蔽体不接地，A与B的电场感应仍然很强，甚至会比无屏蔽体时更强。 图17(c)为屏蔽体接地的情况。这时接受器B的电压为： （式6.3） 由于 ，因此， ，表明场源A对接受器B的电场感应作用大大减弱，屏蔽体S起到了屏蔽的作用。如果屏蔽体S为无穷大，或者将整个场源A包围起来时， 将趋近于零，B的感应电压将减小为零，达到完全屏蔽的作用，所以，对于交变电场的屏蔽，屏蔽体必须良好接地。6.3 磁场屏蔽6.3.1 低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽的机理是利用高导磁材料所具有的低磁阻特性，使磁场通过磁阻小的通路而不扩散到周围空间去，从而起到磁场屏蔽的作用，如图18 所示。磁屏蔽材料的磁阻与其磁导率成反比，磁导率越大，磁阻越小，因此，磁屏蔽通常选用铁磁材料，如铁、硅钢片、坡莫合金等。使用磁屏蔽体时磁屏蔽材料的磁导率越高，屏蔽体越厚，磁阻就越小，屏蔽效果也越好；制作磁屏蔽体时，开口或缝隙不应切割磁感线，否则会增加磁阻，降低屏蔽效果；磁材料不能屏蔽高频磁场，因为高频时磁材料的磁性损耗很大，导致磁导率下降。图18 低频磁场屏蔽原理示意图6.3.2 高频磁场的屏蔽 高频磁场的屏蔽是利用良导体中感应电流产生的磁场总是抵消源磁场变化的原理实现的。这可以利用图19 所示的线圈磁场的屏蔽加以说明。图19 高频磁场屏蔽原理示意图 根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，屏蔽体中的感应电流方向与线圈中的电流方向相反，因而，在屏蔽体以外空间中，线圈磁场和屏蔽体感应电流产生的磁场相互抵消，透过的磁感线仅仅是线圈所产生的磁感线的极小部分。在屏蔽体与线圈之间，两者产生的磁感线方向是一致的，线圈所产生的磁通量很少泄漏到屏蔽体外边，所以起到了磁屏蔽的作用。另外，在线圈内部，由于线圈磁感线与感应电流产生的磁感线方向相反，导致线圈内部磁场有所减少，结果线圈的电感量减少。通过上述分析可以清楚地看到，高频磁屏蔽的必 通过上述分析可以清楚地看到，高频磁屏蔽的必 要条件是在屏蔽体内部产生高频感应电流 ，要条件是在屏蔽体内部产生高频感应电流 ，要条件是在屏蔽体内部产生高频感应电流 ，要条件是在屏蔽体内部产生高频感应电流 ，的大小直接影响屏蔽效果。根据图 的大小直接影响屏蔽效果。根据图 的大小直接影响屏蔽效果。根据图19(b)的分析可知，屏蔽体中的感应电流为： . （式6.4）式中：线圈中的电流，单位为安培；：屏蔽体电阻，单位为欧姆；M ：线圈与屏蔽盒之间的互感，单位为毫亨；：屏蔽盒电感，单位为韦伯。在高频情况下，则上式可以近似等于 ： （式6.5）：线圈与屏蔽体的耦合系数；：线圈匝数；：屏蔽体的匝数。对于常用的屏蔽罩，取=1。 式6.5表明，屏蔽体的感应电流值与线圈中的电流和耦合系数k的乘积成正比，与频率无关。这一方面说明高频情况下感应电流产生的磁场足以抵消线圈的干扰，起到；屏蔽的作用，同时也表明，当频率高到一定程度时，感应电流就不再随着频率提高而继续增大。 在低频情况下，由于 ，于是： 看 （式6.6）可见此时屏蔽体内的感应电流比较小，不能完全抵消线圈磁场的干扰。因此，在低频时利用这种方法进行磁屏蔽，效果是很差的。以上分析表明，对高频磁场的屏蔽，越小越好，这就意味着应采用良导体进行高频磁场的屏蔽，例如铜、铝或铜镀银等。另外，屏蔽体接地与否不影响磁屏蔽的效果，但是，如果接地，可以同时起到电场磁场屏蔽的作用。因此，实际中屏蔽体大都是接地的。6.4 电磁屏蔽以上的分析是分别从电场和磁场屏蔽展开的，但实际应用中电场和磁场往往是共存的，因此，通常要进行电磁屏蔽。顾名思义，电磁屏蔽是指利用金属和磁性材料同时抑制或削弱电场和磁场，即对电磁波进行隔离，有效控制电磁波从一个区域向另一个区域的辐射传播。电磁屏蔽一般是指10kHz以上交变电磁场的屏蔽。交变电磁场中，电场和磁场总是同时存在于同一空间的，因此必须同时考虑电场和磁场的屏蔽。然而，由于频率的不同，交变电磁场的干扰效应区也不同，实际中可以区别对待。频率较低时，电磁干扰主要表现在近场区（辐射场，磁场能量脱离辐射体向外发射）。在近场区中，随着干扰源性质的不同，电场和磁场的大小也有很大差别。高电压小电流干扰源以电场为主，可以只考虑电场屏蔽而忽略磁场干扰；低电压大电流干扰以磁场为主，可以只考虑磁场屏蔽而忽略电场干扰。 随着频率的提高，电磁辐射能力增强，电磁干扰趋向于远场区（感应场，电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性来回流动，不向外发射）。在远场区中，电场干扰和磁场干扰都不可忽略，需要同时是对电场和磁场实施屏蔽。如前所述，采用导电材料制作的且接地良好的屏蔽体，就可同时起到电场屏蔽和磁场屏蔽的作用。 6.5 接地6.5.1 浮地浮地是指系统电路的地与大地之间无导体连接。浮地又可分两小类，一类为全浮地，系统的地和机壳都与大地绝缘，如飞机上的电器设备；另一类为半浮地，整个系统中只有机壳与大地相连，而系统电路的地不与大地相连。对于这种接地方式，如果系统中有模拟放大器，应将其单独组成一个接地系统，并通过一只1-4uF电容将这个接地系统一点接地到机壳的接地端子上。采用浮地方式时要保证系统电路的地对大地的绝缘电阻大于50M。浮地优点是使系统电路不受大地干扰电流的影响，其缺点是电路易受寄生电容的影响，从而导致电路的参考地电位变动和对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与大地无导体连接，易产生静电积累而发生静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率。在实际应用中，除非是大地或系统附近有较强干扰电流，或是系统无法与大地相连(如舰船、飞机和宇航飞行器中的电子设备)，一般不采用浮地方式。6.5.2 单点接地单点接地是指系统只有一个接地参考点，所有单元的地都统一直接接到这一电平参考点。单点接地可分为串联单点接地和并联单点接地，串联单点接地为系统中各单元直接接到一根公用地线上，然后此公用地线单点接地；而并联单点接地为系统中各单元直接接到同一接地点。串联单点接地方式中的各单元的接地电位不仅受自身的地电流影响，而且还受其它单元的地电流影响。从电磁兼容方面考虑，这种接地方式易造成单元之间的共地干扰。但这种接地方式简单，所以常用于设备机柜中，应用时应将最大电流单元放在离单点接地点的最近处，以使得对其它单元影响最小。6.5.3 多点接地多点接地是指系统中各单元直接与大地连接，这种接地方式直接为系统中各并联单元提供了低阻抗路径。由于多点接地为各个单元提供了较短接地路径，地线上的高频驻波现象会显著降低，因而能有效解决单点接地的高频问题，一般应用于高频电路。但是，采用多点接地后设备会增加许多地线回路，它们会对设备内较低电平的信号单元产生不良影响。6.5.4 接地方式的选择 一般而言，频率在1MHz以下的电路宜采用单点接地方式；而频率在10MHz以上的电路宜采用多点接地方式；频率处于1MHz-10MHz的电路，如果地线长度小于1/20时采用单点接地方式，反之采用多点接地方式。在工业实际应用的单片机系统的信号交换频率一般在1MHz以下，可认为只涉及低频接地，实用的接地方法是并联单点接地和串联单点接地的综合应用，其具体做法是将整个系统按数字电路、模拟电路、大电流功率电路等区域划分，在同一区域内采用串联单点接地方式，最后将各区域地线连同屏蔽地线一起，并联单点接地方式接到一点。6.6 采用隔离技术 在抗干扰措施中，还采用各种隔离与耦合的方式来提高系统的抗干扰能力。使用这种方法可以让两个电路相互独立而不形成一个回路。例如在系统中既有数字电路，又有模拟电路，当输入的模拟信号很小时，数字电路会对模拟电路产生较大的干扰，所以在实际的电路设计中应该避免数字电路和模拟电路之间有共同回路，即将二者加以隔离。此外，检测系统中单片机与数字电路、脉冲电路、开关电路的接口，一般也用光电耦合器进行隔离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。6.6.1 变压器隔离 利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。 此外，还有一点应值得注意：隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，以切断两部分的地线联系。图20 变压器隔离原理示意图6.6.2 光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。光电耦合器具有很强的抗干扰能力，主要原因是：1. 它的输入阻抗很低；输入回路与输出回路之间的分布电容极小，而绝缘电阻又较大；2. 输入与输出回路间是在密封条件下进行光耦合，不受外界光的干扰。3. 光电耦合器件响应速度比变压器、继电器要快得多，对周围电路无影响，并且体积小、重量轻、价格低廉、便于安装。4. 由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。虽然光电隔离设备有着诸多无法企及的优点，但是在使用过程中还是应该注意以下几点：1. 当工作频率升高时，虽然输入电压幅值不变，但输出却要下降。光电耦合器的最高工频随负载阻抗的减小而升高。2. 光电耦合器的大多数参数受温度的影响较大。3. 使用时输入端反向电压不能超过6V，且输入特性的正向死区较大。4. 光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。 图21 光电隔离器实物图6.7 PCB 板地线布线技术在设计电路板时如何布置地线对系统的电磁兼容性同样存在着很大的影响。6.7.1 电路区域划分 根据实际情况将电路分为模拟电路、数字电路和功率电路等不同的区域，对不同区域单独走地线，即不同区域的地线相互独立，最后采用并联单点方式接于同一点，这样可避免各部分电路之间的信号相互耦合。6.7.2 保证环路面积最小 因为在任意电路回路中有变化的磁通量穿过时，将会在环路内感应出电流，电流的大小与磁通量成正比，因此从电磁兼容角度来看，应使环路面积最小。如何减小环路面积，是进行PCB设计时要考虑的问题，最简单有效的方法就是减小电源线和地线间的距离。6.7.3 地线保护地线保护的原理就为噪声提供低通回路，减小噪声干扰。可在重要的信号线旁平行地布地线，或用地线将重要的电路单元包围起来，让噪声有一个低通回路。如果由此造成较多地线平行，可用地线面或地线网格来处理。另外也可在重要信号线的相对面布地线。在实际设计中，一般将PCB中的空余部分敷铜。 6.8 看门狗技术 当