单片机应用系统抗干扰设计

1、单片机应用系统抗干扰设计单片机应用系统干扰的主要来源分为外部干扰和内部干扰。来自外部的干扰有：电源电网的波动，大型用电设备（如电炉、电机、电焊机等）的启停，高压设备和电磁开关的电磁辐射，传输电缆的共模干扰等。来自内部的干扰，即软件干扰，这是单片机应用系统的特殊问题，不过，软件干扰较之硬件干扰比较容易解决。1电源、地线、传输干扰及其对策（1）电源干扰及其对策现在的单片机应用系统大都使用市电，在工业现场中，由于生产负荷的变化，大型用电设备的启动、停止，如大电机、电梯、继电器、照明灯、电焊机等，往往造成电源电压的波动，有时还会产生幅度在405000V之间的高能尖峰脉冲，它对系统的危害性最为严重，很容

2、易使系统造成“飞程序”或“死机”。抗干扰的对策除了“远离”这些干扰源以外，还可以采用专用的抗尖峰干扰抑制器。对于要求更高的系统，可采用不间断电源（Uninterrupted Power Supply），简称UPS电源。单片机应用系统需要的直流电源都是由交流电源变换来的，这一变换过程也可能存在着波动和干扰。为了消除直流电源的干扰，可采取以下措施：采用集成稳压块单独供电；使用直流开关电源；使用DC-DC变换器。（2）地线干扰及其对策在单片机应用系统中，接地是否正确，将直接影响到系统的正常工作。这里包含两方面的内容，一是接地点是否正确，一是接地是否牢固。前者用来防止系统各部分的窜扰，后者用以防止接地

3、线上的压降。下面介绍几种常用的接地方法。一点接地和多点接地的应用。通常，频率小于1MHz时，可采用一点接地，以减少地线造成的地环路；频率高于10MHz时，应采用多点接地以避免各地线之间的耦合；当频率处于110MHz之间时，如采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地。数字地和模拟地的连接原则。在单片机应用系统中，数字地和模拟地必须分别接地，即使是一个芯片上有两种地（如A/D、D/A、S/H）也要分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来，否则数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。印刷电路板的地线分布原则。为了防止系统内部地线干扰，在设计印刷电

4、路板时应遵循下列原则：TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形；要根据通过电流的大小决定地线的宽度，最好不小于3mm。在可能的情况下，地线尽量加宽；旁路电容的地线不要太长；功率地通过的电流较大，地线应尽量加宽，且必须与小信号地分开。2硬件抗干扰措施为提高系统的可靠性，除了对系统供电、接地及传输过程抗干扰以外，更重要的是在系统硬件设计时根据不同的干扰采取相应的措施。（1）隔离技术单片机应用系统的干扰很大程度上来源于模拟输入通道，如传感器、A/D转换电路等，传统的方法是抑制相应的模拟信号干扰，如在输入回路中接入模拟滤波器、使用双积分式A/D转换器、V/I转换 、采用专用隔离放大器等。由于单

5、片机应用系统是一个数字-模拟混合的系统，所以，采用数字隔离技术，即光电隔离技术将是更好的选择。（2）系统监控技术虽然采取了各种抗干扰措施，但由于各种原因，仍然可能出现掉电、飞程序、死机等系统完全失灵的情况，系统监控（也称作P即microprocessor监控）正是针对上述情况而设置的最后一道防线，确保系统的可靠性。系统监控电路完成以下任务：上电复位；监控电压变化；Watchdog，即程序运行监控功能；片使能；备份电池切换；掉电保护等。3软件抗干扰措施单片机应用系统的干扰不仅影响硬件工作，也会干扰软件的正常运行。另一方面，软件设计本身对系统的可靠性也起着至关重要的作用。随着微处理器性能的不断提高

6、，用软件的方法来实现一些硬件的抗干扰功能，简便易行，成本低，因而愈来愈受到人们的重视。软件对系统的危害主要表现在以下几个方面：数据采集不可靠；控制失灵；程序运行失常。下面介绍几种简单易可行的软件抗干扰方法。（1）数字滤波提高数据采集的可靠性对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件措施上常采取有源或无源RLC网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。随着单片机运算速度的提高，运用CPU的运算、控制能力也可以完成模拟滤波器的类似功能，这就是数字滤波。数字滤波的方法在许多数字信号处理的专著中都有详细的论述，可以参考。下面介绍几种常用的简便有效的方法。值得注意的是，选取何种方法必须根

7、据信号的变化规律进行选择。 算术平均法。对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。一般取35次平均值即可。 比较取舍法。当控制系统测量结果的个别数据存在明显偏差时（例如尖峰脉冲干扰），可采用比较取舍法，即对每个采样点连续采样几次，根据所采数据的变化规律，确定取舍办法来剔除个别错误数据。例如，“采三取二”即对每个点连续采样三次，取两次相同的数据作为采样结果。 中值法。根据干扰造成数据偏大或偏小的情况，对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。 一阶递推数字滤波法。这种方法是利用软件完成RC低

8、通滤波器的算法。（2）控制状态失常的软件抗干扰措施在大量的开关量控制系统中，控制状态输出常常是依据某些条件状态的输入及其逻辑处理结果。干扰的入侵，会造成控制条件 的偏差、失误，致使控制输出失误，甚至控制失常。为了提高输入/输出控制的可靠性，可以采取以下抗干扰措施： 软件冗余在条件控制中，对控制条件的一次采样、处理、控制输出，改为循环地采样、处理、控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统有良好的抗偶然因素干扰的作用。对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在不影响实时性的前提下，可采取多次读入的方法（至少读两次），认为无误后（例如两次读入结果相同）再行输入。开关量输出时，应将输出量回读（这要有硬

9、件配合），以便进行比较，确认无误后再输出给执行机构。有些执行机构由于外界干扰在执行过程中可能产生误动作，比如已关（开）的闸门、料斗可能中途突然打开（关闭）。对付这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间（例如几个毫秒）发出一次输出命令，不断地开或关。当读入按钮或开关状态，由于机械触点的抖动，可能造成读入错误，可以采用硬件去抖或用软件延时去抖。 软件保护当单片机输出一个控制指令时，相应的执行机构便会工作，由于执行机构的工作电压、电流都可能较大，在其动作瞬间往往伴随火花、电弧等干扰信号，这些干扰信号有时会通过公共线路返回到接口中，导致片内RAM、外部扩展RAM以及各特殊功能寄存器数据发生窜改，从而使

10、系统产生误动作。再者，当命令发出之后，程序立即转移到检测返回信号的程序段，一般执行机构动作时间较长（从几十毫秒到几秒不等），在这段时间内也会产生干扰。为防止这种情况发生，可以采用一种所谓软件保护的方法。其基本思想是，设置当前输出状态表（当前输出状态寄存单元），输出指令发出后，立即修改输出状态表。执行机关动作前即调用此保护程序，该程序不断将输出状态表的内容传输到各输出接口的端口寄存器中，以维持正确的输出控制。当干扰造成输出状态破坏时，由于不断执行保护程序，可以及时纠正输出状态，从而达到正确控制的目的。 设置自检程序。在上电复位后及程序中间的某些点上插入自检，并显示、报警异常点，或自动关闭故障部分

11、。单片机应用系统需要自检的部件有EPROM、RAM、I/O口等。EPROM进行自检的方法是奇偶校验。RAM自检的方法是交替写1和0并读出，形成AAH或55H的校验板模式。I/O口自检通常应预留自检口，这些自检口可成对相互连接或成对接VCC与地，例如，8155的PC7接VCC，PC3接地，读PC3，PC7，判断是否为0，1；PB7与PA7对接，在PA7口先后输出0和1，再从PB7口读入，即可判断I/O端口的读写是否正确。（3）程序运行失常的软件抗干扰措施单片机应用系统引入强干扰后，程序计数器PC的值可能被改变，因此会破坏程序的正常运行，被干扰后的PC值是随机的，这将导致程序飞出，即程序偏离正常的执行顺序。PC值可能指向操作数，将操作数当做指令码执行，并由此顺序地执行下去；PC值也可能超出应用程序区，将未使用的EPROM区中的随机数当作指令码执行。这两种情况都将使程序执行一系列非预计、无意义、不受控的指令，可使输出严重混乱，最后多由偶然巧合进入死循环，系统失去控制，造成所谓“死机”。为了防止程序飞出及“死机”，人们研制出各种办法，其基本思想是发