第8章+单片机系统的可靠性与抗干扰技术.ppt

总编范立南谢子殿副总编刘顿尹教授远李雪飞，单片机原理与应用教程第8章单片机系统可靠性与抗干扰技术、 8.1可靠性和抗干扰技术概述8.2单片机系统的硬件抗干扰技术8.3单片机系统的软件抗干扰技术8.4Watchdog技术，第8章单片机系统的可靠性和抗干扰技术，8.1可靠性和抗干扰技术概述，近年来智能随着单片机在工业控制、火箭导航尖端技术等领域的广泛应用，生产效率有效提高，工作条件改善，控制质量和经济效益大幅提高。 但是，单片机系统的工作环境比较恶劣复杂，必须长期可靠、安全、稳定地运行。 否则，控制误差会变大，严重时系统失灵，造成巨大的经济损失，甚至威胁到人们的生命安全。 因此，在改进单片机系统硬件配置的过程中，分析系统受阻的原因，探讨和提高系统的干扰能力，不仅具有科学的理论意义，而且具有较高的工程实用价值。 8.1.1干扰进入单片机系统的主要方法，进入单片机系统的主要方法如图8.1所示。图8.1干扰波进入单片机系统的主要路径图；(1)空间感应；(2)过程信道进入的干扰波；(3)电源系统进入的噪声；(4)地电位变化进入的干扰波；(5)反射波干扰波； 1 .空间感应干扰；2 .过程信道干扰过程信道干扰一般分为串行模式干扰和共模干扰。(a )内部串扰(b )外部串扰，图8.2交扰模式干扰的图像，8.1.1干扰侵入单片机系统的主要路由，(a )单端输入(b )双端输入，图8.3共模干扰的图像， 8.1.1干扰侵入单片机系统的主要路径，3 .交流电源的干扰，4 .地电位变动的干扰，5 .反射波的干扰，8.1.2干扰的耦合方式1 .直接耦合方式，2 .共同阻抗耦合方式，3 .电容耦合方式，4 .电磁感应耦合方式，5 .辐射耦合方式，6 .漏电耦合方式， 8.1.3抗噪声原则、抗噪声措施是指针对噪声的发生、性质、传播路径、入侵位置和入侵形式，以适当的方式去除噪声源，抑制耦合路径，降低电路对噪声的灵敏度。 1 .消除噪声源、2 .抑制耦合通道、3 .减弱电路对噪声干扰的敏感性、8.2单片机系统的硬件抗噪声技术8.2.1过程通道噪声抑制、1 .光电隔离、光电隔离已经完成。 光电耦合器的结构如图8.4所示。 此外，图8.4光电耦合器结构、抑制8.2.1过程信道干扰、图8.5光电隔离基本布置、抑制8.2.1过程信道干扰、以及光电耦合器的一些特征： (1)输入与输出电隔离。 (2)光电耦合器的光电耦合部分不受外部光的干涉。 (3)光电耦合器的输入阻抗低(一般为1001K)，噪声源的内部电阻大(105106)。 根据分压的原理，传递到光电耦合器输入端的噪声电压变小。 (4)光电耦合器的发光二极管仅以一定的电流发光，因此即使是电压振幅高的噪声，只要没有充分的能量，就不能使二极管发光，噪声得到抑制。 (5)由于输入电路与输出电路之间的分布电容极小，所以在电路中，一端的噪声难以经由光电耦合器被馈送到另一端。 当脉冲输入/输出信号通过8.2.1过程信道干扰的抑制、图8.6长线传输光电耦合浮置处理、8.2.1过程信道干扰的抑制、2 .中继隔离、图8.7中继隔离、8.2.1过程信道干扰的抑制、3 .变压器隔离、图8.8脉冲变压器隔离和脉冲变压器隔离传递时8.2.1过程信道干扰的抑制可以用一般的变压器来与一般的AC信号隔离。 图8.9的AC信号的幅度检测、8.2.1过程信道干扰的抑制、4 .通过将双绞线设置为信号线、将双绞线的一条设置为屏蔽线以及将另一条设置为信号传输线，可以抑制电磁感应噪声。在使用中，将信号输出线和反馈线两条导线扭转，其扭转节距与该导线的线径有关。 线径越细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。 实际上，间距越短，使用的导线长度越长，导线的成本就越高。 一般的沥青最好是5厘米左右。 表8.1显示了双绞线间距和噪声衰减率的关系。 8、2.1过程信道干扰的抑制、表8.1双绞线的节距和噪声衰减因子、8.2.1过程信道干扰的抑制以及图8.10显示了如果传输距离不同，那么如何使用不同的双绞线。 另外，可以结合双绞线和光电耦合器来抑制8.2.1过程信道干扰： (b )、(c )、图8.10双绞线的数字信号的传输、8.2.1过程信道干扰的抑制以及其抗噪声能力。(a )，8.2.1过程信道干扰的抑制，(b )，c )，图8.11光耦合器和双绞线的并用，8.2.2反射波干扰的抑制， 一个是信号频率，传输信号频率越高，反射波干扰越容易发生；因此，在满足系统功能的基础上，通过合理地布置传输线的阻抗来配置传输线的第二个阻抗，尽可能减小传输信号的频率8.2.2抑制反射波干扰，1 .测量传输线的特性阻抗Rp，并且根据反射理论，当传输线的特性阻抗Rp等于(匹配)负载电阻r时，不发生反射。 特性阻抗的测量方法如图8.12所示。 当调整可变电阻器r时，当R=Rp时，a栅极的输出波形的失真最小，并且反射波几乎为零，此时的r值可以被认为是传输线的特性阻抗Rp。测量图8.12传输线的特性阻抗Rp、抑制8.2.2反射波干扰、2 .阻抗匹配方法、(1)开始端串联阻抗匹配、(a )如果传输线的波形阻抗是Rp，那么当R=Rp时，实现开始端串联阻抗匹配，并且基本上消除了波形反射。 考虑到门a输出低电平时的输出阻抗Rsc，通常选择R=Rp-Rsc作为起始端匹配电阻r。 这种匹配方法可以增加终端的低电平，增加输出阻抗，以及降低低电平的抗噪声能力。 8.2.2抑制反射波干扰，(2)端接并联阻抗匹配，(b )适当地调节r 1和R2的电阻值，并且令R=Rp。 您可以选择R1=R2=2Rp来同时兼顾高电平和低电平。 该匹配方法由于端接电阻值较低，因而与加重负载相对应地使高电平下降，因而高电平的抗噪声能力下降。 在式(8-1)中选择等效电阻r :(8-1)、(8.2.2)反射波干扰的抑制，(3)终端并联串联电阻匹配，(c )将电容器c串联放入匹配电路，在c大的情况下，其阻抗接近零，只要切断直流而不影响阻抗匹配，设为R=Rp即可。 不会引起输出的高电平下降，因此提高了高电平的抗噪声性。 可以通过以下方式来减少8.2.2的反射波噪声： (4)端接钳位二极管的匹配； 另一方面，因为在抑制8.2.2反射波干扰、3 .输入/输出驱动方法、以及此时驱动器SN7406的输出呈现出接近零的低阻抗，所以在反射信号到达栅极的输出端的那一部分被吸收，并且仅持续反射很小一部分。 也就是说，因为反射信号经历低阻抗，所以其衰减速度快，并且反射能力显着减弱。 当a点处于高电平时，发送器T1的输出端子的对地阻抗可以看作是大的开路。 为降低接收机T2的输入阻抗，加入负载电阻器R=1k以显着减弱反射波的干扰。 8.2.2抑制反射波干扰、4 .降低输入阻抗的方法、当驱动器输出为高电平时，b点的对地阻抗也低。 由此可知，无论输出为高电平还是低电平，反射波都立刻衰减。8.2.2抑制反射波干扰、5 .光耦合器和图8.16光耦合器的反射波抑制方法不仅有效地抑制了反射波干扰，还有效地实现了信号隔离。 8.2.3抑制空间干扰，对抗空间干扰的主要措施是采取屏蔽措施。 屏蔽是指，通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分被屏蔽体隔离，切断该空间场的耦合通路。 良好的屏蔽与接地紧密相连，大大降低了噪声耦合，获得了良好的抗干扰效果。 在单片机系统中，通常使数字电子设备和模拟电子设备的动作基准浮动，设备外壳和框体采用屏蔽接地。 图8.17显示浮动-保护屏蔽-框体接地方案。 图8.17浮空-保护屏蔽层-壳体接地方案，抑制8.2.3空间干扰，该方案的特征在于在电子部件周围附加保护屏蔽层，使壳体浮空的信号采用三线传输方式，屏蔽电缆中的2根芯线和电缆屏蔽包复线的壳体接地。 图中的信号线的屏蔽被复a点上连接着保护屏蔽层的g点，但是没有连接外壳b。 假设系统采用差动测量放大器，信号源信号通过2芯信号屏蔽线传输，r3是电缆屏蔽包复的电阻，Z3是附加保护屏蔽层相对于壳体的绝缘电阻，Z1、Z2是2信号线对保护层的电阻，则有、(8-2)，明显是附加保护屏蔽层相对于壳体的绝缘8.2.4单片机系统的接地技术、接地技术对于单片机系统极为重要，不适当的接地会引起极为严重的干扰，但正确的接地是单片机系统抑制干扰的重要手段。 接地的目的有两个，一个是保护单片机、电气设备和作业人员的安全。 第二，使单片机的操作稳定，以抑制噪声。 通常，接地分为作业接地和保护接地两种。 保护接地主要是为了防止作业人员因设备的绝缘破坏或下降而受到触电的危险，或者确保设备的安全。 工作接地主要是为了保证单片机系统的稳定可靠运行，防止地环干扰。 单片机系统大致分为交流地、系统地、安全地、数字地(逻辑地)和模拟地等。 8.2.4单片机系统的接地技术，1 .交流地交流地为单片机系统交流源地，即动力线地。 2 .系统地指信号电路的基准导体(例如控制电源的零电位)。 3 .安全的目的是通过使设备的机箱和大地处于同电位，使机箱的带电不影响人身和设备的安全。 通常也称为安全保护地或壳体地。 4 .作为单片机系统中的各种数字电路的零电位，数字应与模拟进行分离，以防止模拟信号干扰数字脉冲。 5 .模拟地设置传感器、振荡器、放大器、A/D转换器和D/A转换器中的模拟零电位。 8.2.4单片机系统的接地技术在单片机系统中一般应遵循以下接地原则： (1)以数字方式进行模拟分离。 (2)单点接地和多点接地的选择。 (3)传感器、振荡器、放大器等通常采用屏蔽罩，但在信号传输中多使用屏蔽线。 这些屏蔽层的接地要谨慎，应遵循单点接地原则。 (4)接地线应尽量加粗。 (5)交流地上的任意2点之间，多存在数伏到数十伏的电位差。 此外，交流地也容易造成各种干扰。 因此，交流地绝对不允许与其他几个地连接，交流电源变压器的绝缘性能也好，绝对避免漏电现象。 8.2.5单片机系统的停电保护技术，有两种方法可以进行停电保护。 第二种是永久保护，确保系统电源发生变化，即停电时SRAM芯片的数据不会丢失，可以直接向受保护的SRAM区域添加备份电源，也可以向整个系统提供可靠的不间断电源UPS。、8.2.5单片机系统的停电保护技术，慎重调节图中的R1、R2两个电阻值，当电压低于4.5V时关闭开关，将线路划为“1”，当RAM的数据不会丢失的电压大于4.5V时开启4060开关图8.184060交换机实现的RAM停电保护电路，1 .停电保护基本电路，8.2.5单片机系统的停电保护技术，例8-1图8.19所示的电路是RAM的停电保护电路，分析了其工作原理。图8.19RAM停电保护电路，8.2.5单片机系统的停电保护技术，解答：从图中可以看出，当系统正常工作时，5V电源不仅向6264供电，同时还向电池BAT供电的系统断电时，从电池BAT向SRAM供电通过确保在上电和断电期间CE2立即变为低电平，或立即变为高电平，能够使SRAM的数据保持恒定。 在图中的电源接通时，系统电源对C1充电，在此期间，CE2的输入经过一定的延迟后成为高电平，同时，U1、U2的电源也由系统电源对C2充电，因此保证在电源接通时SRAM成为写入禁止状态。 系统电源关闭的瞬间，U1的输入立即变低，端子变为高电平，禁止向SRAM写入。 同时，C1也由于D2和R2的放电，CE2的水平降低。 因此，停电的瞬间和停电后SRAM仍被禁止。 8.2.5单片机系统的停电保护技术在发生停电时，只有电池在电压下降到一定值时接管供电是不够的。 完整的保护电路应当(1)在CPU的故障电压到达停电之前，具有阻止存储器写信号线的功能。 CPU的故障电压在约4.54.65V之间。 (2)在内存故障电压到达之前，备用电池应立即接管供电。 (3)停电保护期间，电池电压不得低于存储器电压。 (4)接通电源时，电压上升到存储器的有效动作电压以上时，才允许电源继承电池的供电。 (5)电源电压上升到CPU的有效动作电压以上，CPU变为稳定状态时，允许解锁存储器的写入信号线。 8.2.5单片机系统的停电保护技术，2 .不间断电源UPS、不间断电源ups (uninstterruptimeablepowersystem )基本结构分为两大类。 一部分是将交流商用电源变为直流整流/充电装置，另外一部分是将直流再次变为交流的PWM逆变器。 蓄电池在交流电压正常供给时储存能量，当时总是维持正常的充电电压。 当商用电源中断时，电池立即向逆变器供电，保护UPS电源的交流输出电压的连续性。 UPS电源根据其动作方式分为备份式和在线式UPS电源。8.2.5单片机系统的停电保护技术、(1)备用式UPS电源的电路图如图8.20所示。 在电网正常的情况下，从商用电源直接向单片机供电。 UPS系统使电池充满电，电池仅供给DC-AC逆变器的空载电流。 商用电源不正常时，故障检测器发出信号，通过静态开关从DC-AC逆变器供给交流电源，即UPS电源的逆变器始终处于向单片机供给备用电源的状态。 图8.21示出了图8