单片机应用系统抗干扰技术分析.doc

本文分析了干扰对单片机应用系统产生的影响，采用硬件与软件相结合的抗干扰技术，从硬件设备和软件编程两个方面采取具体的抗干扰措施，并且同时完善系统监控程序，有利地确保了单片机应用系统可靠、 安全运行。单片机应用系统抗干扰技术分析广东省技师学院机电工程系 鄢光辉白云生目前单片机广泛应用在工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域，大 大提高了产品的质量和生产效率。但是， 测控系统结构设计、元器件安装、加工工 艺和外部电磁环境条件，以及单片机的软 件设计方面等，对系统的可靠性与安全性 构成了极大的威胁。单片机测控系统必须 长期稳定、可靠运行，否则将导致控制误 差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成 巨大损失。硬件抗干扰是主动的，而软件 抗干扰是被动的。分析硬件与软件相结合 的抗干扰技术，从软、硬两个方面给出具 体的抗干扰措施。RAM、外扩 RAM、E2PROM 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。 控制系统失灵 单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻 辑处理结果。若这些输入的状态信号受到 干扰，引入虚假状态信息，将导致输出控 制误差加大，甚至造成控制失灵。程序运行失常 外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变，则破坏了程 序的正常运行。由于受干扰后的PC值是随 机的，程序将执行一系列毫无意义的指 令，最后进入“死循环”，这将使输出 严重混乱或死机。影响应用系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干 扰，以及系统结构设计、元器件安装、加 工工艺等。这些因素对单片机系统造成的 干扰后果主要表现在以下几个方面：测量数据误差加大 干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在测量信号上，会使 数据采集误差加大，甚至干扰信号淹没检 测的一些微弱信号，如人体的生物电信 号等。影响单片机 RAM 存储器和 EPROM 等 在单片机系统中，程序及表格、数据存在程序存储器 EPROM 或 FLASH 中，避免 了这些数据受干扰破坏。但是，对于片内分析硬件干扰形成的因素和传播的途径1.形成硬件干扰的基本因素有三个：干扰源。指产生干扰 的元件、设备和信号，如 雷电、继电器、可控硅、 电机、高频时钟、感性 负载、晶闸管等都可能 成为干扰源；传播 路径。指干扰从干扰源 传播到敏感元件的通路 或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传2006 年第 5 期电气技术57 硬件抗干扰技术干扰对单片机应用系统的影响产品与应用 用，而双胶线有抵消电磁感应干扰的作用。开关信号检测线和模拟信号检测线可 以使用屏蔽双胶线，来抵御静电和电磁感 应干扰；特殊的干扰源也可以用屏蔽线连 接，屏蔽了干扰源向外施加干扰。(4)印制电路板（PCB ）的设计必须 遵守 PCB 设计原则，并应符合抗干扰设计 的要求。关键器件放置。电路板合理分区， 如强、弱信号，数字、模拟信号，干扰 源尽可能远离敏感元件。器件布置应把相 互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果，如 CPU 复位电 路、硬件看门狗电路要尽量靠近 CPU 相应 引脚；易产生噪声的器件、大电流电路等 应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另外做电路板。 D/A、A/D 转换电路要特别 注意地线的正确连接，否则干扰影响将很 严重。D/A、A/D 芯片及采样芯片均提供 了数字地和模拟地，分别有相应的管脚。在线路设计中，必须将所有器件的数字地和 模拟地分别相连，但数字地与模拟地仅在 一点上相连。可以采用屏蔽保护，屏蔽可 用来隔离空间辐射。对噪声特别大的部件（如变频电源、开关电源）可以用金属盒罩 起来以减少噪声源对单片机的干扰，对容 易受干扰的部分，可以增加屏蔽罩并接 地，使干扰信号被短路接地。电路板上每个IC要并接一个0.010.1F高频电 容，以减小IC对电源的影响。注意高频电 容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短， 否则，等于增大了电容的等效串联电阻，这会影响滤波效果。布线时避免90折线，减 少高频噪声发射。(5)电子线路设备正确良好的接地也是 抑制干扰噪声的重要方法。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪音耦合， 防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰 能力。 在低频电路中，因寄生电抗的影响不大，常采用一点接地，以减少地线造成 的地环路。在高频电路中，寄生电抗的影 响不容忽视，要采用多点接地，以避免各 接地点之间的耦合。应用系统中数字地导和空间的辐射；敏感元件。指容易被干扰的对象，如 A/D 、D/A 变换器， 单片机，数字 IC ，弱信号放大器等。2.干扰窜入应用系统的主要途径有三 条：通过电磁波辐射窜入系统的空间进行 干扰；通过输入输出的通道进行干扰；电 源的干扰。3.硬件干扰的耦合方式主要有五种：直接耦合，比如干扰信号通过电源线侵 入系统。采用去耦电路，能很有效地抑制此 种形式的干扰；公共阻抗耦合，发生在 两个电路电流有共同通路的情况，常采用 设计电路时使干扰源与被干扰对象间没有 公共阻抗的方法来防止发生； 电容耦 合是由于分布电容的存在而产生的耦合；电磁感应耦合是由于分布电磁感应而产 生的耦合；漏电耦合，这种耦合绝缘不 好就会发生。硬件抗干扰的主要方法1 、抑制干扰源 抑制干扰源的常用措施如下： (1)对于交流电源的干扰，可采用交流稳压器、不间断电源（UPS ）、隔离 变压器、低通滤波器等，以抑制电源电压的波动和干扰噪声。 (2)对于不同等级的直流电源的干扰，可采用集成稳压块单独供电，以避免模块 之间的相互影响；使用直流开关电源、DC-DC变换器以加强隔离提高电源稳定性 等，来抑制直流电源电压的波动和干扰噪 声。(3)屏蔽线对静电干扰有强的抑制作58 电气技术2006 年第 5 期产品与应用 和模拟地应分别接地，即使一个芯片上有两种地也要分别接地，然后再在一起把两 种地分别连接起来。印刷电路板对地线 的分布、形状、长度和宽度也有一定的要 求，比如地线要呈辐射状，避免环行，地 线要宽，连接旁路电容的地线不要太长 等。应用系统中的数字地、模拟地、大 功率电气设备等强电设备的地、机壳或其 他金属构件的屏蔽地应分开布置并在一点 上和电源地相连。每个单元宜采用一个接 地点，地线应尽量加粗以减少地线的电 阻。在采用屏蔽双绞线传送信号时，应 将屏蔽地与工作地连在一起。要注意只能 在一个点接地，以免形成回路，在屏蔽体 上产生较大的噪声。(6)看门狗定时器技术可由硬件实现， 也可由软件实现。当处理器遇到干扰或程序运行混乱产生“死锁”时，对系统进行复位。硬件看门狗电路失效时，则由软 件看门狗有效地解决这类问题。有些著名 的半导体厂商已将上述这些功能集成到一 起，如 MAXIM公司的 MAX690、MAX706等。(7)继电器接点两端并接火花抑制电 路。继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈是产生的反电动势干扰。 (8)给电机加滤波电路，注意电容、电缆引线要尽量短。可控硅两端并接RC抑 制电路，减少可控硅产生的噪声。2.切断干扰传播路径 切断干扰传播路径的常用措施如下： (1)采用隔离技术。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，达到从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离出来，保证监控 装置与现场仅保持信号联系信号的目的。 应用系统既有弱电控制系统又有强电控制 系统，通常实行弱电和强电隔离；在应用 系统的输入 / 输出通道中，普遍采用通道 隔离技术来防止通道干扰。常用的隔离方 式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离 和布线隔离等。2）模拟、数字信号抗干扰技术。 应 用系统中可采用具有差动输入的测量放大 器，采用屏蔽双胶线传输测量信号，或将 电压信号改变为电流信号，以及采用阻容滤波等技术来防止模拟信号采样、A/D 转换及数字信号处理过程中外部电磁感应噪 声的影响，达到提高系统测量精度和稳定 信号的目的。对于工频干扰的抑制和消 除，常用在 A/D 转换电路之前加 RC 滤波 器，或者采用采样时间是 50Hz 的工频周 期整数倍的双积分式 A/D 转换器的方法， 达到提高系统测量精度和稳定信号的目的。(3)数字信号传输通道的抗干扰技术。 数字信号接口部分是外界干扰进入单片机 系统的主要通道之一。对数字信号的输 入 / 输出过程采取的抗干扰措施有：传输 线的屏蔽技术，如采用屏蔽线、双胶线 等；采用信号隔离措施；合理接地，由 于数字信号在电平转换过程中形成公共阻 抗干扰，选择合适的接地点可以有效抑制 地线噪声。(4)在单片机 I/O 口、电源线、电路 板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如 磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩，这样可显著提高电路的抗干扰性能。3.选择良好的单片机与元器件 (1)单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择抗干扰性能较强的 单片机，笔者认为单片机中，AVR 系列单 片机抗干扰能力较强。(2)在选择关键元器件如译码器、键 盘扫描控制器、RAM 等时，最好选用性能稳定的工业级产品。 (3)时钟是高频的噪声源，对系统的内外都能产生干扰，因此在满足需要的前 提下，选用频率低的单片机是明智之举。在提高硬件系统抗干扰能力的同时，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件 措施的辅助手段，在单片机系统中被广泛 应用。指令冗余CPU 取指令过程是先取操作码，再取 操作数。当 PC 受干扰出现错误，程序便 脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字 节指令，若取指令时刻落在操作数上，误2006 年第 5 期电气技术59 软件抗干扰技术产品与应用 将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大。 在关键地方人为插入一些单字节指令，或 将有效单字节指令重写称为指令冗余。通 常是在双字节指令和三字节指令后插入两 个字节以上的 NOP。这样即使乱飞程序飞 到操作数上，由于空操作指令 NOP 的存 在，避免了后面的指令被当作操作数执 行，程序自动纳入正轨。此外，对系统 流向起重要作用的指令如 RET 、RETI 、 LCALL、LJMP、JC 等指令之前插入两条 NOP，也可将乱飞程序纳入正规，确保这 些重要指令的执行。数字滤波方法 数字滤波是在对模拟信号多次采样的基础上，通过软件算法提取最逼近真值数据的过程。数字滤波的的算法灵活，可选 择权限参数，其效果往往是硬件滤波电路 无法达到的。输入信号重复检测方法 输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很 短。当控制系统存在输入干扰，又不能用 硬件加以有效抑制时，可用软件重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的，直 到连续两次或连续两次以上的采集结果完 全一致时方为有效。若信号总是变化不 定，在达到最高次数限额时，则可给出报警信号。对于来自各类开关型传感器的信 号，如限位开关、行程开关、操作按钮 等，都可采用这种输入方式。如果在连续 采集数据之间插入延时，则能够对付较宽的干扰。 输出端口数据刷新方法 对于那些用锁存器输出的控制信号，主要是采取重复输出的方法。在尽可能短的周期内，将数据重复输出，受干扰影响 的设备在还没有来得及响应时，正确的信 息又到来，这样就可以及时防止误动作的 产生。在程序结构的安排上，可为输出数 据建立一个数据缓冲区，在程序的周期性 循环体内将数据输出。对于增量控制型设备不能这样重复送数，只有通过检测通道，从设备的反馈信息中判断数据传输的 正确与否。在执行重复输出功能时，对于 可编程接口芯片，工作方式控制字与输出 状态字一并重复设置，使输出模块可靠地 工作。 软件拦截技术 当窜入单片机系统的干扰作用在 CPU部位时，后果更加严重，将使系统失灵。 最典型的故障是破坏程序计数器 PC 的状 态，导致程序从一个区域跳转到另一个区 域，或者程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入“死循环”。使用软件拦截技术可 以拦截“乱飞”的程序或者使程序摆脱 “死循环”，并将运行程序纳入正轨，转 到指定的程序入口。软件门狗定时器技术PC 受到干扰而失控，引起程序“乱 飞”，也可能使程序陷入“死循环”。当 软件拦截技术不能使失控的程序摆脱“死 循环”的困境时，通常采用程序监视技术 WDT ，又称“看门狗”技术，使程序脱 离“死循环”。WDT 是一种软、硬件结 合的抗程序跑飞措施，其硬件主体是一个 用于产生定时 T 的计数器或单稳，该计数 器或单稳基本独立运行，其定时输出端接 至 C