补充：单片机系统中的抗干扰及可靠性设计

1、单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计干扰干扰就是由外部噪声在系统中所造成的骚扰，以路就是由外部噪声在系统中所造成的骚扰，以路的传导和以场的耦合形式侵入单片机控制系统，干的传导和以场的耦合形式侵入单片机控制系统，干扰有多种来源，主要有扰有多种来源，主要有：1）电磁辐射。电磁辐射。电磁辐射干扰主要指电磁场在线路、电磁辐射干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。电流变化大或导线、壳体上的辐射、吸收与调制。电流变化大或大电流是产生电感性耦合噪声的主要干扰源，电压大电流是产生电感性耦合噪声的主要干扰源，电压变化大或大电压是产生电容性耦合噪声的主要干扰变化大或大

2、电压是产生电容性耦合噪声的主要干扰源。对于开关电器系统本身就是一个很强的干扰源，源。对于开关电器系统本身就是一个很强的干扰源，当开关电器开关过程中，其通断主回路电流将产生当开关电器开关过程中，其通断主回路电流将产生很强的电磁辐射以及电磁系统操作过电压都将形成很强的电磁辐射以及电磁系统操作过电压都将形成干扰信号。干扰信号。单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计2）前向、后向通道前向、后向通道。信号可能在传输过程中受共模。信号可能在传输过程中受共模干扰和串模干扰时会出现衰减、畸变和延时。干扰和串模干扰时会出现衰减、畸变和延时。3）电源电源。供电电源干扰主要来自交流电网。电

3、网噪。供电电源干扰主要来自交流电网。电网噪声通过电源电路干扰单片机控制系统。供电系统的声通过电源电路干扰单片机控制系统。供电系统的干扰，主要有：过压、失压和欠压，浪涌，跌落，干扰，主要有：过压、失压和欠压，浪涌，跌落，射频干扰等。具有良好抗干扰措施的电源是单片机射频干扰等。具有良好抗干扰措施的电源是单片机控制系统应用成功的关键。控制系统应用成功的关键。单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方单片机系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方面：面：数据采集误差加大数据采集误差加大；控制状态失效控制状态失效；数据发生数据发生畸变畸变；

4、程序运行失控程序运行失控。针对这些内、外部因素的干。针对这些内、外部因素的干扰，可以采取有效的软硬件措施加以解决。导致系扰，可以采取有效的软硬件措施加以解决。导致系统不能稳定运行的内部因素主要有三个统不能稳定运行的内部因素主要有三个：1）系统的结构设计是否合理；）系统的结构设计是否合理；2）元器件本身的性能与可靠性；）元器件本身的性能与可靠性； 3）安装与调试。）安装与调试。单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计硬件抗干扰硬件抗干扰一般从防和抗两方手来抑制干扰。其总一般从防和抗两方手来抑制干扰。其总原则是：原则是：消除或抑制干扰源；降低系统对干扰信号消除或抑制干扰源；

5、降低系统对干扰信号的敏感性；切断干扰对系统的耦合的敏感性；切断干扰对系统的耦合。具体措施有。具体措施有隔隔离、接地、屏蔽、滤波、提高信噪比离、接地、屏蔽、滤波、提高信噪比等常用方法。等常用方法。1）隔离隔离。利用光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲的噪声干。利用光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲的噪声干扰，提高信噪比，系统中输入、输出通道采用光电耦合器将扰，提高信噪比，系统中输入、输出通道采用光电耦合器将微处理器系统与外围接口隔离。电源采用超隔离变压器稳压微处理器系统与外围接口隔离。电源采用超隔离变压器稳压电源，具有高的共模抑制比及串模抑制比，可以在较宽的范电源，具有高的共模抑制比及串模抑制比，可以在较

6、宽的范围内抑制干扰。围内抑制干扰。2）屏蔽屏蔽。屏蔽就是以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽。屏蔽就是以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽体，是抑制电磁干扰最有效的方法。屏蔽分静电屏蔽和电磁体，是抑制电磁干扰最有效的方法。屏蔽分静电屏蔽和电磁屏蔽，对电容性耦合可将金属壳接大地进行静电屏蔽，对电屏蔽，对电容性耦合可将金属壳接大地进行静电屏蔽，对电感性耦合则采用低电阻金属壳进行电磁屏蔽。感性耦合则采用低电阻金属壳进行电磁屏蔽。单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计3）滤波滤波。电源滤波器是一个低通滤波器，只让电网。电源滤波器是一个低通滤波器，只让电网中中50Hz的基波通过，急

7、剧衰减高次谐波。的基波通过，急剧衰减高次谐波。4）接地接地。单片机应用系统的接地方式有单点接地、。单片机应用系统的接地方式有单点接地、多点接地和悬浮地，地线结构有数字地、模拟地、多点接地和悬浮地，地线结构有数字地、模拟地、系统地和机壳地。良好而正确的接地往往可以消除系统地和机壳地。良好而正确的接地往往可以消除和降低各种形式的干扰。接地原则是：单点接地；和降低各种形式的干扰。接地原则是：单点接地；数字地和模拟地分别与电源端地线相连。地线应尽数字地和模拟地分别与电源端地线相连。地线应尽量加粗量加粗单片机系统中的抗干扰及可靠性设计单片机系统中的抗干扰及可靠性设计软件抗干扰技术软件抗干扰技术是软件设计

8、的一个重要组成部分，是软件设计的一个重要组成部分，抗干扰性能好坏决定了系统是否稳定可靠，其优点抗干扰性能好坏决定了系统是否稳定可靠，其优点在于修改方便，使用灵活，而且它不需要增加外围在于修改方便，使用灵活，而且它不需要增加外围硬件设备。软件抗干扰工作主要集中在硬件设备。软件抗干扰工作主要集中在CPU抗干扰抗干扰技术和输入输出通道的抗干扰技术两个方面。前者技术和输入输出通道的抗干扰技术两个方面。前者主要是抵御因干扰造成程序主要是抵御因干扰造成程序“乱飞乱飞”，后者主要是，后者主要是消除信号中干扰以提高系统精度。因此有效的利用消除信号中干扰以提高系统精度。因此有效的利用软件抗干扰技术对提高系统的性

9、能，降低系统的成软件抗干扰技术对提高系统的性能，降低系统的成本有着重要的意义本有着重要的意义。指令冗余技术指令冗余技术51系列单片机的所有指令均不超过系列单片机的所有指令均不超过3个字节，而且多为个字节，而且多为单字节的指令。指令由操作码和操作数两部分组成，单字节的指令。指令由操作码和操作数两部分组成，操作码说明操作码说明CPU完成什么操作，操作数是操作码的操完成什么操作，操作数是操作码的操作对象。作对象。CPU首先取指令的操作码，然后顺序取出操首先取指令的操作码，然后顺序取出操作数。当一条指令执行完成后，紧接着取下一条指令作数。当一条指令执行完成后，紧接着取下一条指令的操作码、操作数。这些操

10、作时序完全由程序计数器的操作码、操作数。这些操作时序完全由程序计数器PC来控制。因此，一旦来控制。因此，一旦PC因干扰出现错误，程序就会因干扰出现错误，程序就会“乱飞乱飞”。而如果乱飞至双字节指令，恰好在取指令。而如果乱飞至双字节指令，恰好在取指令时落在其操作数上时，程序误将操作码当成操作数，时落在其操作数上时，程序误将操作码当成操作数，紧接着下一条指令也有可能出现操作数当作操作码的紧接着下一条指令也有可能出现操作数当作操作码的错误。可以在关键地方人为地插入一些单字节指令错误。可以在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，这就是指令冗余。，或将有效单字节指令重写，这就是

11、指令冗余。主要有下面两种使用方式：主要有下面两种使用方式：1）NOP的使用的使用在双字节指令和三字节指令插入两个单字节在双字节指令和三字节指令插入两个单字节NOP指令，可指令，可以保证其后地指令不被拆散，因为以保证其后地指令不被拆散，因为“乱飞乱飞”的程序即使落的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令的存在，不会将其后的到操作数上，由于两个空操作指令的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正规；对程序流向起指令当操作数执行，从而使程序纳入正规；对程序流向起决定作用的转移类指令（如决定作用的转移类指令（如RET，ACALL，LJMP等）和等）和起重要作用的指令（如起重要作用的指令（

12、如SETB EA等）之前插入两条等）之前插入两条NOP指指令，可保证令，可保证“乱飞乱飞”程序迅速纳入轨道，确保这些指令正程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。确执行。2）重要指令冗余重要指令冗余对程序流向起决定作用的转移类指令（如对程序流向起决定作用的转移类指令（如ACALL，LJMP RET等）和某些起重要作用的指令（如等）和某些起重要作用的指令（如SETB EA等）的后等）的后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。软件陷阱技术软件陷阱技术采用指令冗余技术时，如果采用指令冗余技术时，如果“乱飞乱飞”的程序落到非程序区，例的程序

13、落到非程序区，例如如未使用的空间、表格常数等，这时指令冗余便无能为力，如如未使用的空间、表格常数等，这时指令冗余便无能为力，此时可设定软件陷阱，拦截乱飞程序，用一条引导指令强行将此时可设定软件陷阱，拦截乱飞程序，用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里放有一段专门对程序捕获的程序引向一个指定的地址，在那里放有一段专门对程序出错进行处理的程序，以使程序按照原定目标执行出错进行处理的程序，以使程序按照原定目标执行。1）程序中未使用的中断向量区程序中未使用的中断向量区当未使用的中断向量区开放时，可以在对应的中断服务程序中当未使用的中断向量区开放时，可以在对应的中断服务程序中设置软件陷

14、阱，就能及时捕捉到错误的中断。程序如下设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。程序如下：NOPNOPPOP direct1 ；将断点弹出堆栈区；将断点弹出堆栈区POP direct2RETI2 2）程序中未使用的大片程序中未使用的大片ROMROM空间空间大片未使用的大片未使用的ROMROM空间一般维持原状，即空间一般维持原状，即0FFH0FFH，而，而0FFH0FFH对于对于C51C51的指令系统而言，就是一条单字节指令的指令系统而言，就是一条单字节指令“MOV R7MOV R7，A”A”，会引起，会引起误操作，可用机器码误操作，可用机器码00000200000000020000填满数据，即汇

15、编语言：填满数据，即汇编语言：NOP NOP NOP NOP LJMP STARTLJMP START当乱飞程序进入此区后，便会迅速纳入正轨。当乱飞程序进入此区后，便会迅速纳入正轨。3 3）运行程序区运行程序区乱飞的程序除了采用指令冗余技术加以解决外，还可以设置一乱飞的程序除了采用指令冗余技术加以解决外，还可以设置一些软件陷阱，使程序运行更加可靠。将陷阱指令分散放置在用些软件陷阱，使程序运行更加可靠。将陷阱指令分散放置在用户程序中的断裂点，即各系统之间空余的单元里，正常程序中户程序中的断裂点，即各系统之间空余的单元里，正常程序中不执行这些陷阱指令，一旦程序乱飞入这些陷阱区就可将乱飞不执行这些陷

16、阱指令，一旦程序乱飞入这些陷阱区就可将乱飞的程序拉入正规。一般情况下每的程序拉入正规。一般情况下每1K1K字节放置几个陷阱就可以。字节放置几个陷阱就可以。4 4）RAMRAM数据保护的条件陷阱数据保护的条件陷阱为了避免为了避免CPUCPU受到干扰而非法篡改受到干扰而非法篡改RAMRAM中的数据，可在中的数据，可在RAMRAM写操作写操作数据前加入陷阱，如果不满足条件时，将不允许写操作，并进数据前加入陷阱，如果不满足条件时，将不允许写操作，并进入陷阱，形成死循环。落入死循环后，可以通过入陷阱，形成死循环。落入死循环后，可以通过“看门狗看门狗”技技术使其复位。术使其复位。程序如下程序如下：MOV

17、DPTR，#2000HMOV 7EH，#11HMOV 7FH，#0CCHLCALL WRITERETWRITE： NOPNOPCJNE 7EH，#11H，XJ ；7EH不为不为11H则落入死循则落入死循CJNE 7FH，#0CCH，XJ ；7FH不为不为CCH则落入死循则落入死循MOVX DPTR，A ；满足条件则写数据满足条件则写数据 程序计数器程序计数器PCPC若受到干扰而失控，引起程序若受到干扰而失控，引起程序“乱飞乱飞”，有可能，有可能使程序陷入死循环，此时冗余技术、软件陷阱技术不能使程序使程序陷入死循环，此时冗余技术、软件陷阱技术不能使程序摆脱摆脱“死循环死循环”，通常采用，通常采用

18、 “ “看门狗看门狗”技术（技术（watchdogwatchdog），可），可以使程序摆脱死循环。以使程序摆脱死循环。“看门狗看门狗”技术就是通过不断监视程序技术就是通过不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，然后改变系统陷入了死循环，然后改变PCPC值，强迫程序返回到值，强迫程序返回到0000H0000H入口，入口，使系统正常运行。使系统正常运行。“看门狗看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件技术可由硬件实现，也可由软件实现，或者两者结合来实现。实现，或者两者结合来实现。1 1）硬件硬件“看门狗看

19、门狗”技术技术硬件硬件“看门狗看门狗”电路实际就是利用了一个独立的定时器来监控电路实际就是利用了一个独立的定时器来监控主程序的运行。单片机在正常运行中会不断发出信号清零计时主程序的运行。单片机在正常运行中会不断发出信号清零计时器，即器，即“喂狗喂狗”，使定时器无法产生复位信号。如果程序发生，使定时器无法产生复位信号。如果程序发生“乱飞乱飞”，则定时器无法接收清零信号，定时器计满将产生溢，则定时器无法接收清零信号，定时器计满将产生溢出信号使单片机复位，恢复程序的正常运行。常用芯片例如出信号使单片机复位，恢复程序的正常运行。常用芯片例如IMP813IMP813，MAX813MAX813，X5045

20、X5045等。等。2 2）软件软件“看门狗看门狗”技术技术软件软件“看门狗看门狗”技术的基本思路：在技术的基本思路：在5151系列单片机中对系列单片机中对T0T0设定设定一定的定时时间，当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值，一定的定时时间，当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，设定的定而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明T0T0中断正常，

21、中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。对于如果没有发生变化则使程序复位。对于T1T1可以用来监控主程序可以用来监控主程序的运行，给的运行，给T1T1设定一定的定时时间，在主程序中对其进行复位，设定一定的定时时间，在主程序中对其进行复位，如果不能在一定的时间里对其进行复位，如果不能在一定的时间里对其进行复位，T1 T1 的定时中断就会使的定时中断就会使单片机复位。在这里单片机复位。在这里T1T1的定时时间要设的大于主程序的运行时的定时时间要设的大于主程序的运行时间，给主程序留有一定的的裕量。而间，给主程序留有一定的的裕量。而T1T1的中断正常与否再由的中断正常与否再由T0T0定时中断子程序来监

22、视，这样就够成了一个循环，这种相互依定时中断子程序来监视，这样就够成了一个循环，这种相互依存、相互制约的抗干扰措施将使系统运行的可靠性大大提高，存、相互制约的抗干扰措施将使系统运行的可靠性大大提高，从而保证系统的稳定运行。从而保证系统的稳定运行。主要程序如下主要程序如下：DOG：MOV TH0，#0BCH ；喂狗程序，付初值；喂狗程序，付初值MOV TL0，#0E0H SETB TR0 ；运行定时器；运行定时器T0RETRETURN：POP ACC ；丢弃断点地址；丢弃断点地址POP ACC MOV A，#00H ；重置地址为；重置地址为0000H，实现软件复位，实现软件复位PUSH ACCP

23、USH ACCRETI 单片机系统的前向通道中，输入信号均含有多种单片机系统的前向通道中，输入信号均含有多种的噪音和干扰，主要来自信号源、传感器，以及外界的噪音和干扰，主要来自信号源、传感器，以及外界干扰等，这些噪音分为两类，周期性的和不规则随机干扰等，这些噪音分为两类，周期性的和不规则随机性的。周期性的干扰信号可以通过硬件滤波电路进行性的。周期性的干扰信号可以通过硬件滤波电路进行消除，对于随机干扰信号可通过程序控制和数据处理消除，对于随机干扰信号可通过程序控制和数据处理的方法消除或降低干扰对通道的影响，提高系统的测的方法消除或降低干扰对通道的影响，提高系统的测量精度和可靠性量精度和可靠性。数

24、字滤波技术数字滤波技术就是通过一定的方法计算或判断程序减就是通过一定的方法计算或判断程序减少叠加在有用信号中噪声干扰的比重，从而提高采集少叠加在有用信号中噪声干扰的比重，从而提高采集信号的质量，具有稳定性好，功能强的特点。通常使信号的质量，具有稳定性好，功能强的特点。通常使用的数字滤波方法有：用的数字滤波方法有：算术平均滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、中值滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等程序判断滤波法和递推平均滤波法等。1 1）算术平均滤波法）算术平均滤波法对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为该点数据采样结果，这种方法

25、可以减少随机干扰对作为该点数据采样结果，这种方法可以减少随机干扰对采集结果影响。常用于对一般具有随机干扰的信号进行采集结果影响。常用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波的仿真，这种信号的特点是有一个平均值，信号在滤波的仿真，这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，此时仅取一个采样值作某一数值范围附近作上下波动，此时仅取一个采样值作依据显然是不准确的，如压力、流量、液面等信号的测依据显然是不准确的，如压力、流量、液面等信号的测量，不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。算术平均值量，不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于测量信号的次数法对信号的平滑滤波程度完全取决于测量信号的次数N N。当当N N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果的影响小；当化对测量计算结果的影响小；当N N较小时，平滑度低，较小时，平滑度低，但灵敏度高。应视具体情况选取但灵敏度高。应视具体情况选取N N，以便既少占用计算，以便既少占用计算时间，又达到最好的仿真