《单片机原理与技术》PPT电子课件教案第10章-抗干扰技术.ppt

第10章抗干扰技术 10 1引言 干扰是指有用信号以外的变化部分 是通常被称为噪声信号中能产生恶劣影响的那一部分 故有时又称其为噪声干扰信号或无意干扰信号 10 1 1干扰的来源1 恶劣的供电条件2 严重的噪声环境3 其他 图10 1单片机控制系统的干扰来源 10 1 2干扰的分类1 串模干扰串模干扰又称差模干扰 它是串联于信号回路之中的干扰 如图10 2所示 图10 2串模干扰示意图 图10 3通过分布电容引入串模干扰 2 共模干扰共模干扰是指放大器或a d转换电路的两个输入端上共有的干扰电压 图10 4共模干扰引入示意图 图10 5双端接地连接方式 10 2电源系统干扰 10 2 1电源系统的组成 图10 6单片机应用系统电源组成框图 图10 7电源线上可能侵入的干扰 1 雷击干扰2 高频感应3 通断开关4 电源本身的干扰5 放电干扰6 电网的干扰 10 2 2电源系统的一般抗干扰技术1 供电策略2 电源接地技术 图10 8电源供电情况 3 电源滤波技术 1 交流端的滤波 2 直流端的滤波 3 滤波器的安装 图10 9最简单的电容滤波器 图10 10多级电源滤波器 4 电源系统的隔离技术 1 交流电源的隔离 2 直流电源的隔离 图10 11整流电路高频滤波 图10 12变压器的分布电容 图10 13变压器的屏蔽 图10 14电源变压器的双重屏蔽 图10 15dc dc变换隔离 图10 16利用dc dc变换器的直流隔离电路 5 使用稳压器 1 使用交流稳压器 2 使用直流稳压器 6 瞬态干扰的抑制 图10 17高低压回路装设cr浪涌抑制器 10 2 3开关电源的抗干扰技术开关电源的干扰源主要有开关电源变压器 功率开关管和高频整流二极管 减小这些干扰源的噪声能量 是抗干扰最有效的办法之一 图10 18开关电源的基本组成 pwm 1 优化布局 1 减少环路面积 2 将正负载流导线分别布在pcb板的两面 图10 19开关电源一次整流回路的布线 2 合理接地3 滤波技术 1 交流电源滤波器 2 直流电源滤波器 图10 20开关电源emi滤波器的完整网络结构 10 2 4电源系统的异常保护法抗干扰1 不间断电源ups的应用2 软硬件结合的电源异常保护 图10 21软硬件结合的电源异常保护 图10 22chmos型单片机抗干扰电源电路 10 3总线的抗干扰设计 10 3 1控制器接口的抗干扰措施 图10 23总线驱动器 1 采用三态门式总线驱动器提高总线的抗干扰能力2 总线接收端加施密特电路作缓冲器抗干扰3 使用上拉电阻克服总线瞬间不稳定 图10 24总线加上拉电阻提高抗干扰性 4 总线的负载平衡 图10 25总线负载失衡 10 3 2存储器部分噪声的抑制1 动态ram抗干扰措施2 静态ram抗干扰措施 10 3 3系统装配的抗干扰设计1 总体安排原则 单片机和外围设备按各自体系要有明显界限 不能混装 即使小系统只有一块印制板 也要有明显组群集合 大功率电路和器件应与小信号电路分开 噪声敏感器件应缩短连接的信号线 发热量大的器件如rom ram等应尽量安排在较小影响关键电路的地方和通风冷却较好的地方 印制板垂直放置时发热量大的器件应安置在最上面 2 系统连接线注意事项 1 强电线路安装及布线 2 弱电布线 3 系统防辐射措施 1 改善电源线 地线抗干扰性能 2 信号线加阻尼 3 注意印制线路设计 4 屏蔽辐射源 10 4接口电路抗干扰设计 10 4 1概述 图10 26测控系统的基本组成 1 前向通道2 后向通道3 人机对话通道4 相互通道接口 10 4 2前向通道抗干扰技术1 前向通道的内容与结构特点 1 前向通道的含义 2 前向通道的特点 3 前向通道的结构类型 表10 1前向通道结构示意 图10 27多路信号输入的前向通道结构 2 前向通道设计中应考虑的问题 图10 28前向通道的电源配置与干扰防止 10 4 3多路开关及其抗干扰设计1 多路开关及其抗干扰技术2 多路开关选用的注意事项 1 开关导通电阻的影响 2 转换过程的尖峰电压 3 输入信号电压的摆幅 4 噪声的抑制 10 4 4隔离放大器1 变压器耦合式隔离放大器2 光电耦合式隔离放大器 图10 29典型隔离放大器功能结构图 图10 30iso100原理图 10 4 5v f变换器1 由v f变换器构成的廉价d a转换器2 高抗干扰能力的a d转换器3 高抗干扰数据输出系统 图10 31v f变换器与80c51的接口电路 图10 32v f变换器的光电隔离技术原理图 图10 33高抗干扰模拟数据远传系统原理图 图10 34单片机高抗干扰数据采集系统 图10 35使用光导纤维的vff 变换器远传系统 10 5软件的抗干扰设计 10 5 1概述1 单片机测控系统软件的基本要求 容错性 实时性 足够的时序裕度 2 软件抗干扰的特点 软件抗干扰的两个作用 在两种情况下需要应用软件抗干扰 一种情况是为了提高系统的效能 节省硬件 用软件的功能去代替硬件 另一种情况是用软件去解决硬件解决不了的问题 软件抗干扰是一种价廉 灵活 方便的抗干扰方法 用软件方法处理故障 实质上是采用冗余技术对故障进行屏蔽 对干扰响应进行掩盖 在干扰过后对干扰所产生的影响在功能上进行补偿 实现容错自救 同时 在调试和运行中用容错技术对干扰进行多层次 多角度的预防 屏蔽和监控 应用软件抗干扰 需要首先搞清楚干扰的种类 性质与影响的部位 应用软件抗干扰技术的前提是干扰尚未引起硬件的破坏 ram中的程序与数据未丢失 高可靠 不停顿连续运行的容错抗干扰工业控制单片机系统是单片机系统发展的必然产物 也是单片机系统发展的必经阶段 3 软件抗干扰的前提条件 在干扰作用下 微机系统硬件部分不会受到任何损坏 或易损坏部分设置有监测状态可供查询 程序区不会受干扰侵害 ram区中的重要数据不被破坏 或虽被破坏但可以重新建立 4 单片机系统抗干扰用到的软件技术 利用软件陷阱技术防止干扰造成的乱序扩展下去 利用时间冗余技术 屏蔽干扰信号 该技术包含多次采样输入 判断 以提高输入的可靠性 利用多次重复输出判断 提高输出信息的可靠性 重新初始化 强行恢复正常工作 以免影响输入与输出 查询中断源状态 防止干扰造成误中断 在不需要的大部分时间里对中断进行屏蔽 从而大大减少因干扰引起的误中断 容错技术 采用一些特定的编码 对经过存放的数据进行检查 判断是否是因为存放受干扰 然后从逻辑上对错误进行纠正 指令冗余技术 对重要的指令重复写上多个 即使某一个被干扰 程序仍可执行 空间冗余技术 整机 电源 接口 数据区均可设置备份 软件用于判别干扰和转换设备 设立标志技术 设置特征标志 识别标志 常在内部数据区的保护中使用 数字滤波技术 该技术既可称为硬件仿真 代替滤波器的功能 技术 又可属于时间冗余技术 它不需要硬件 靠单片机特殊设计的计算程序 高速 多次运算达到对采样数据序列进行平滑的目的 以提高其有用信号在采样值中所占的比例 减少乃至消除各种干扰和噪声 以保证测控系统工作的可靠性 10 5 2本质可靠性程序设计1 最大限度地减少程序错误和缺陷2 足够的时序裕度 1 复位时序 2 器件工作时序 3 状态转换时序 自动保证时序空裕度的状态转换 过渡参数可查的状态转换 具有握手标志的状态转换 4 总线时序在单片机应用系统中 有并行总线与串行总线 串行总线中又有通信总线与扩展总线 10 5 3数字量i o通道中的软件抗干扰1 数字量输入软件抗干扰方法2 数字量输出软件抗干扰注意事项 图10 36多次读入数据流程图 图10 37开关量信号采样流程图 10 5 4软件执行过程中的抗干扰设计技术1 指令冗余技术 1 mcs 51单片机指令特点 2 nop指令的使用 3 指令重复 2 软件陷阱技术 1 软件陷阱的形式 3 陷阱标志技术4 程序监视定时器 1 硬件wdt max813l 表10 3max813引脚功能 续表 图10 38max813l与单片机系统的连接图 2 软件 看门狗 技术 3 软件wdt和硬件wdt的组合设计 4 看门狗 设计中的注意事项 喂狗 的时机 硬狗 与 软狗 的区别与作用 10 5 5程序运行中的数据保护1 单片机的中断保护 1 利用堆栈保护中断现场 2 工作中的寄存器保护 3 公用数据区的保护 4 对用作片选功能的i o线必须保护 5 充分使用芯片的节电功能或掉电模式 2 系统的数据保护 1 采用软件冗余实现数据保护 2 使用电擦除可编程只读存储器 eeprom 对数据保护 10 5 6故障的恢复处理1 上电方式辨别2 系统的复位处理3 ram数据的备份与纠错4 程序失控后系统信息的恢复 图10 39ram自检流程图 图10 40三重冗余编码流程图 10 5 7软件容错技术1 时间冗余2 信息冗余 10 5 8数字滤波技术相比于模拟滤波器 数字