_单片机应用系统抗干扰技术.ppt

1、SCM原理和接口技术，第10章SCM应用系统抗干扰技术，2，1 .了解单片机应用系统中出现的干扰问题；熟悉单片机应用系统硬件抗干扰措施。熟悉单片机应用系统软件抗干扰措施。掌握“看门狗”技术。5.掌握数字过滤技术。本章的培训要求-10章SCM应用系统抗干扰技术，3，本章目录，10.1干扰源和分类10.1.1干扰源和分类10 . 1 . 1干扰定义10.1.2干扰类型10.2干扰类型10.2干扰对单片机应用系统的影响10.3硬件抗干扰技术10.3.1无源滤波器10.3.2有源滤波器10.3 10.3.4屏蔽技术10.3.5隔离技术10.3.6接地技术10.4软件抗干扰技术10.4.1软件抗干扰的一般方法10.4.2命令冗余技术10.4.3软件陷阱技术10.4 噪音在特定条件下影响和破坏设备或系统的正常运行，因此，通常将危险噪音称为干扰。噪音的原意是频率不同，强度不同的杂乱声音的组合。10.1.1干涉的定义，-干涉和噪音，5，10.1.2干涉的种类，表10-1一般干涉的分类表，1 .干涉类型、-干涉的分类表、6，10.1.2干涉类型、字符串模式干涉表示连接到信号电路的干涉。这种干扰表现为噪声信号和有效信号排成一行，在电路中工作，噪声在两条线路之间往返。2 .根据干扰和输入信号关系，分类、(1)串行模式干扰、-串行模式干扰、7，10.1.2干扰类型、共同模式干扰是干扰电压同时叠加在两条信号线上的干扰。在干扰侵入线和地线之间，噪声电流在两条线路中均有一部分流动；在公用电路中，信号电流仅在两条线路之间流动。这种干扰主要发生在两个接地之间，如图所示，在输入信号端和系统主体接地之间。(2)共模干涉，-共模干涉，8，10.1.2干涉的种类，3 .以干涉传播方式分类，-干涉分类，9，10.1.2干涉类型，4。根据干涉波形的特性分类，-干涉分类，干涉波形分为连续正弦波和各种形式的脉冲波。图10-3(a)干扰信号表示为频率、振幅和相位角度等特征值的持续正弦波。图10-3(b)是浪涌脉冲电压波形，通常用最大振幅、脉冲宽度和能量等特征值表示，例如雷波、静电放电等波形。图10-3(c)是脉冲序列波形，通常表示为最大振幅、脉冲宽度、周期等的特征值。10，10.2干扰对单片机应用系统的影响，1 .数据收集错误增加2。控制状态失败3。数据因碰撞而更改4。程序运行故障，11，10.3硬件抗干扰技术，合理的硬件电路设计，可以减轻或抑制大部分干扰。本节概述了工程中一些广泛使用的硬件抗干扰电路的概念和使用，包括无源滤波器和有源滤波器、解耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。12，10.3.1手动过滤器、- C、RC、LC过滤器电路、使用过滤器技术抑制干扰的硬件电路是过滤器，过滤器根据配置结构分为手动过滤器和主动过滤器。由被动零件电阻、电容和电感组成的过滤器是被动过滤器。由13，10.3.2有源滤波器、电阻、电容、电感和晶体管、线性运算放大器等有源元件组成的滤波器是有源滤波器。-由于有效滤波器，14，10.3.3解耦电路导致单芯片系统3总线上的信息更改几乎在同一时刻发生，因此产生的峰值电流对电源内阻抗产生压力降，对公用传输导线阻抗产生压力降，导致电源电压跳动。减少峰值电流影响的一种方法是将布线中的杂散电容降至最低。另一种方法是减少电源的内部电阻，以防止峰值电流引起电源电压波动过大。- C吸收频率电流。15，10.3.4屏蔽是通过空间隔离电场、磁场或电磁场组合的部分，切断其空间场的组合通道。屏蔽的方法通常是使用低电阻材料作为屏蔽物，包围需要隔离的部分。孤立部分可以是干扰源和易受干扰的部分。1 .屏蔽的概念，-屏蔽起作用16，屏蔽信号线的方法，一个用作双绞线，一个用作网线，另一个用作信号传输线；另一种是金属网格制作的屏幕。这个屏幕用于遮挡外面，核心用于传递信号。一般原理是使用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰的双绞线。2 .在信号传输中使用屏蔽技术，10.3.4屏蔽技术，-信号线屏蔽方法，17，10.3.5隔离技术，将干扰源和干扰大的部分与电路分离，以确保单片机应用程序只在现场保持信号连接，不发生直接电气连接。隔离的本质是切断引进干涉的通道，达到隔离现场干涉的目的。测量和控制设备与现场信号之间、弱电和强电之间、常用的隔离方式包括光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。-隔离的本质，18，光隔离由光电耦合装置(以光为媒介传输信号的装置)构成。输入部构成发射光，输出部由光子定位，输入和输出被电完全隔离。没有输入和输出之间的电接触，可以有效地防止输入部的电磁干扰以电结合的方式流入单片机测量和控制系统。1 .光绝缘，10.3.5绝缘技术，-光电耦合器，19，10.3.5绝缘技术，光电耦合器在实际电路中的应用实例，-隔离的应用，图(a)显示模拟信号收集电路的光电耦合器输入电路，以及从发射器发出信号的电路。图(b)是使用施密特触发器输出的光电耦合电路的脉冲信号输入电路。20，10.3.5绝缘技术，图(c)是使用光电耦合作为输出的电路。其中j是继电器线圈。- (d)是用光电耦合器控制晶闸管的电路。21，10.3.5隔离技术，继电器的线圈和触点之间没有电气连接，因此利用继电器的线圈接受电信号，利用触点传输和输出信号，防止强电和弱信号之间的直接接触，实现抗干扰隔离。2 .继电器隔离，继电器和使用，22，脉冲变压器隔离数字信号。脉冲变压器具有较少的灯，主绕组和次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布式电容只有几PF，因此可以用作脉冲信号的绝缘装置。3 .实践证明，变压器绝缘、10.3.5绝缘技术、-脉冲变压器和使用、23，10.3.6接地技术、单片机测控系统和其他工业电子设备的干扰与系统的接地方法非常相关。良好的接地可以极大地抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的入侵，提高系统的抗干扰能力。相反，如果接地处理不好，噪声会结合起来，造成严重的干扰。因此，在抗干扰设计中，应慎重考虑接地方法。24、所谓“地球”，是指电气设备的金属外壳、线路等通过地线、接地极、接地极与地球连接。这种接地可以保证设备和个人的安全，提供静电屏蔽路径，减少电磁感应噪音。10.3.6接地技术，1 .接地的含义，-“地球”和“系统地”，25，“工作基准地”是信号电路的基准导体，例如系统电源的零电位，也称为“系统地”。接地是指在返回线和基准导体之间连接设备内部的单位电路信号。此接地目的是为电路提供稳定的参考电位。这种接地的要求是最小化接地电路的共同阻抗压降，以减少系统中干扰信号施加在共同阻抗上的耦合。，10.3.6接地技术，-“地球”和“系统地”，26，根据电气规定，电气设备的金属外壳必须接地，称为安全接地。目的防止电气设备的金属外壳发生过大的接地电压，电流泄漏，危及人和设备的安全。2 .接地目的，10.3.6接地技术，(l)安全，电气设备接地目的之一是为每个电路的工作提供参考电位，第二是为了安全，第三是为了抑制干扰。-接地是为了安全，27，如果电子设备的一部分与地面接触，可以起到抑制干扰的作用。例如，金属屏蔽层接地可以抑制电场变化的干扰。一条双绞线使用，另一条接地，可以防止电磁干扰。大型电子设备往往在接地上有大电容器，合理选择接地点可以减少分布电容的影响。10.3.6接地技术，(2)抑制干扰，-为了抑制接地干扰，28、根据电气设备的电路特性和接地目的，可以将接地方法分为安全接地、工作接地、屏蔽接地三类。10.3.6接地技术，3 .接地分类，(1)安全接地，设备金属外壳等接地，为了防止触电，保护高压电气设备用户是必要的，一般是接地电阻rd10。-安全接地，29，信号回路连接到基准导体或基准电位点。控制系统的基准电势是电路工作的基准电势，基准电势的连接称为工作场所，也称为系统场所，通常是控制电路直流电源的0伏导线。电子设备的运行接地可以通过三种方式完成：浮子、直接接地和电容器。10.3.6接地技术，(2)工作接地，-工作接地，30，浮动方式是指设备的整个接地系统与地面之间没有导线的连接，使用悬浮“地”作为系统的参考电位。系统适用于接地电阻大、接地分配电容器小的电子系统。这种接地方法由外部共模干涉引起的干扰电流很小。10.3.6接地技术，-工作接地，31，直接接地是将控制系统的基准电位点与地球直接连接。控制装置具有较大的接地分配电容时，只要合理选择接地点，就可以抑制分配电容的影响。通过电容器接地方式，即电容器，连接大地和工作地。接地电容主要为高频干扰组件提供接地通道，抑制分布电容的影响。电容式接地主要用于直流或低频电位差与场地一起工作的情况，使用的电容通常应具有210F的高频特性和良好的压力性能。10.3.6接地技术，-直接接地和电容接地，32，屏蔽接地表示电缆、变压器等屏蔽层接地。为了抑制电场变化的干扰，单片机测控系统和其他电子设备广泛使用屏蔽保护功能。电源变压器的初始、二次之间的屏蔽层、功能装置或电路的屏蔽室等。10.3.6接地技术，(3)屏蔽接地，-屏蔽线路接地，-33，10.3.6接地技术，-应用接地技术，图10-15多层屏蔽接地应用，34，在单片机测量和控制系统中，通常浮在数字系统和模拟系统工作台中，而设备外壳或机箱使用屏蔽接地出图方式使测控系统不受电流影响，提高了系统的抗干扰性能。强电气设备大部分采用保护接地，用浮力技术切断强电和弱电的连接，系统运行安全可靠。单片机系统设备外壳或机箱防止静电干扰和电磁感应干扰，或在个人设备的安全方面使用屏蔽接地，这一点很重要。10.3.6接地技术，4 .微控制器测量和控制系统接地技术，(1)浮动屏蔽接地方案，-接地方案，35，10.3.6接地技术，-接地方案，图10-16浮动-屏蔽接地方案应用，36，高频电路中地线电感，接地阻抗增加，接地地线成为天线在低频电路中，接地电路必须避免形成回路，因此需要一些接地。，10.3.6接地技术，(2)轻微接地和多点接地原理，轻微接地和多点接地，37，10.4软件抗干扰技术，软件抗干扰技术研究的主要内容之一是抑制叠加在模拟输入信号上的干扰影响的软件方法，例如数字滤波技术。第二种措施是，如果干扰导致程序运行混乱，程序陷入混乱或死循环，则定期集成程序，如软件冗余、软件陷阱、监视坞技术等。这些方法可以用软件实现，也可以用软件、硬件组合的方式实现。常用的软件抗干扰措施包括数字滤波、输入信号冗余检测、输出端口数据刷新、软件阻塞技术(例如命令冗余、软件陷阱和“监视坞”技术等)。10.4.1软件的抗干扰一般方法-软件抗干扰内容，38，10.4.2命令冗余技术，使用单字节指令在程序区域快速正常运行“乱序”程序，在重要位置人工插入一些单字节指令NOP，或重写有效的单字节指令，称为命令冗余。此外，可以在对系统流起重要作用的命令(如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等)之前插入两个NOP，也可以将飞行过程包括在轨道中，以确保这些重要命令的执行。使用指令冗余技术将PC纳入正确轨道的条件是，正在飞行的PC必须指向程序执行区域并执行冗余指令。-命令冗余的用途，39，10.4.3软件陷阱技术，确保当湍流进入非日志区域(如EPROM未使用的空间或表)时不满足程序轨道条件。此时，您可以设置软件陷阱，拦截乱行程序，并快速跳转到具有专门处理程序执行错误的程序的指定位置。软件陷阱是将乱发的程序引向指定位置进行错误处理。通常，pass finder使用传输命令将捕获的乱码程序强制到指定的入口地址，那里有启动程序的错误处理程序。因此，合理设计陷阱，然后将陷阱就位。软件陷阱通常放置在以下位置：-软件陷阱设置，40，10.4.3软件陷阱技术，MCS-51单片机中断矢量区域为0003H到002FH，如表11-3所示。如果系统程序不使用整个中断向量区，则可以在剩馀的中断向量区中设置“软件陷阱”，当未使用的中断由于干扰而打开时，“软件陷阱”可能会捕获错误的中断。表11-3中断矢量地址表，1 .未使用的中断区域、-设置软件陷阱位置、41，10.4.3软件陷阱技术、单芯片微型计算机应用程序中的EPROM通常很少用尽，这些未使用的EPROM空间可能会填充0000h或000020000H数据。最后填充数据必须是020000H，飞行程序进入这个区域后自动进入轨道。2 .未使用的EPROM空间、-设置软件陷阱位置、42，10.4.3软件陷阱技术、MCS-51微控制器系统地址空间为64K，除了EPROM芯片在系统中占用的地址空间外，还保留了大量空间。如果系统仅选择2764个具有000H到1FFFH(8K)地址空间的条目，则2000到ffh (56k)地址空间将处于空闲状态。当PC飞向这些空间时，导入的数据为FFH。这是用于修改R7内容的“MOVR7，A”命令的机器代码。3 .非EPROM芯片空间，-设置软件陷阱位置