微机化测控系统第七章

1、第七章第七章 抗干扰技术抗干扰技术 内容内容: :噪声干扰的形成、噪声干扰的形成、硬件抗干扰技术、硬件抗干扰技术、软件抗干扰技术软件抗干扰技术重点：噪声干扰的形成、软件抗干扰技术重点：噪声干扰的形成、软件抗干扰技术难点：硬件抗干扰技术、难点：硬件抗干扰技术、干扰的定义干扰的定义l干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。l电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。形成干扰的三个要素形成干扰的三个要素l干扰源：干扰源：产

2、生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设 备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号 l传播途径传播途径：噪声源到接收电路间的耦合通道。 l接收载体：接收载体：接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信 号，并转化为对系统造成影响的电器参数。交流动力线引入噪声高压电线雷电雷达、电台等天线发射装置地电位波动电机、电焊机等大用电设备过程控制系统7-1-1 噪声源噪声源一、内部噪声源1、电路元器件产生的固有噪声，电阻热噪声、晶体管闪烁噪声2、感性负载切换时产生的噪声干扰，3、接触噪声（两种材料之间的不完全接触而引起导电两种材料之间的不完全接触而引起导电率起伏所产生

3、的噪声，如虚焊或漏焊率起伏所产生的噪声，如虚焊或漏焊 ）2 2。感性负载切换时产生的噪声干扰。感性负载切换时产生的噪声干扰在微机测控系统中常使用具有较大电感量的元件或在微机测控系统中常使用具有较大电感量的元件或设备，诸如继电器、电动机、电磁阀等。当电感回设备，诸如继电器、电动机、电磁阀等。当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪声干扰。这种反电势甚至可能击穿电路中晶体管之声干扰。这种反电势甚至可能击穿电路中晶体管之类的器件，反电势形成的噪声干扰能产生电磁场，类的器件，反电势形成的噪声干扰能产生电磁场，对系统中的其它电路产生干扰。对于反电势

4、干扰，对系统中的其它电路产生干扰。对于反电势干扰，可采用如下措施：可采用如下措施：2。感性负载切换时产生的噪声干扰。感性负载切换时产生的噪声干扰图7-1-1 感性负载的干扰抑制网络7-1-1 噪声源噪声源二、外部噪声源二、外部噪声源1 1、天体和天电干扰、天体和天电干扰2 2、放电干扰：、放电干扰：电动机的电刷和整流子间的周期性电动机的电刷和整流子间的周期性瞬间放电，电焊、电火花加工机床、电气开关设备中瞬间放电，电焊、电火花加工机床、电气开关设备中的开关通断，电气机车和电车导电线与电刷间的放电的开关通断，电气机车和电车导电线与电刷间的放电等。等。3 3、射频干扰：、射频干扰：电视广播、雷达及无

5、线电收发机等，电视广播、雷达及无线电收发机等，对邻近电子设备的干扰。对邻近电子设备的干扰。 4 4、工频干扰、工频干扰: :大功率输、配电线与邻近测试系统的大功率输、配电线与邻近测试系统的传输线通过耦合产生的干扰。传输线通过耦合产生的干扰。 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式l静电耦合（电容性耦合）l电磁耦合（电感性耦合）：磁场耦合干扰是指大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。l漏电耦合干扰（电阻性耦合） ：漏电耦合干扰是因绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰，多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。l共阻抗干扰：共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、

6、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰,这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图7-1所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。 l电磁辐射干扰：由各种大功率高频、中频发生装置,各种电火花以及电台、电视台等产生的高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号。7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式一、静电偶合（电容性耦合）l寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容，但由于布线构之间总是有互容，互感就好像是寄生在布线之间的一样，所以叫寄生电容。 l寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电阻等

7、效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略。l两个电路之间存在的寄生电容，产生静电效应而引起的干扰，多发生在小电流、高电压小电流、高电压噪声源对测试系统的干扰。如下页图7-1-2所示图7-1-2 静电电容耦合示意图图中导线图中导线1 1是干扰源，导线是干扰源，导线2 2为测试系统传输线，为测试系统传输线，C1C1、C2C2分别为导线分别为导线1 1、2 2的寄生电容，的寄生电容，C12C12是导线是导线1 1和和2 2之间的寄生电容，之间的寄生电容，R R为导线为导线2 2被干被干扰电路的等效输入阻抗。当干扰源的电压扰电路的等效

8、输入阻抗。当干扰源的电压U1U1和角频率和角频率一定时，要一定时，要降低静电电容性耦合效应就必须减小电路的等效输入阻抗降低静电电容性耦合效应就必须减小电路的等效输入阻抗R R和寄生和寄生电容电容C12C12。 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式二、电磁干扰（电感性耦合）两个电路之间存在的互感。多发生在大电流、大电流、低电压低电压噪声源对测试系统的干扰。图7-1-3 两个电路之间的互感7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式三、漏电耦合（电阻性耦合）由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电使电测装置引起干扰。图7-1-4 电阻耦合等效电路 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式四、共阻抗耦合两个

9、或两个以上的电路有公共阻抗时，一个电路中的电流变化在公共阻抗端产生的电压。这个电压会影响与公共阻抗相连的其他电路的工作，成为其干扰电压。1、电源内阻抗的耦合干扰当一个电源对几路供电时，电源内部电阻R0就是公共阻抗，当某一路电流变化时，公共阻抗上产生的电压就构成了对其他电路干扰源，如下图7-1-5。7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式图7-1-5 电源共阻抗耦合干扰为了抑制电源内阻抗的耦合干扰，可采取如下措施：为了抑制电源内阻抗的耦合干扰，可采取如下措施： 减小电源减小电源的内阻；的内阻； 在电路中增加电源退耦滤波电路。在电路中增加电源退耦滤波电路。 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式

10、2、公共地线耦合干扰由于公共地线存在一定的阻抗，当电流通过时会产生干扰电压。如图图7-1-6 公共地线耦合干扰图中图中R1,R2,R3R1,R2,R3为地线电阻，为地线电阻，A1,A2A1,A2为前置电压放大器，为前置电压放大器，A3A3为功率放大器，为功率放大器，A3A3级的电流级的电流I3I3较大，通过地线电阻较大，通过地线电阻R3R3时产生的电压为时产生的电压为U3=I3R3,U3U3=I3R3,U3就会对就会对A1A1、A2A2产生干扰。产生干扰。 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式3、输出阻抗耦合干扰输出向几路负载供电时，任何一路负载电压的变化都会通过线路公共阻抗耦合而影响其他

11、的输出，产生干扰。7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式图7-1-7 输出阻抗耦合干扰图为一个信号输出电路同时向三路负载提供信号的示意图。图为一个信号输出电路同时向三路负载提供信号的示意图。Z ZS S为信号输出为信号输出电路的输出阻抗，电路的输出阻抗，Z Z0 0为输出接线阻抗，为输出接线阻抗，Z ZL L为负载阻抗。若为负载阻抗。若A A路输出电压产路输出电压产生变化生变化UUA A, ,它将在负载它将在负载B B上引起上引起UUB B的变化，的变化，UUB B就是干扰电压。一般就是干扰电压。一般Z ZL LZZS SZZ0 0，故由上图可得，故由上图可得UUB B UA Z UA ZS

12、 S/Z/ZL L 。公式表明，减小输出阻。公式表明，减小输出阻抗抗Z ZS S，可减小由输出阻抗耦合产生的干扰，可减小由输出阻抗耦合产生的干扰UUB B。 7-1-2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式7-1-3 噪声的干扰模式噪声的干扰模式在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。1. 串模信号串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰等。在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢的）信号，而干扰信号经常是一些杂乱的波形并含有尖峰脉冲，如图7-2(c)所

13、示。图7-2中Us表示理想测试信号， U c表示实际传输信号，Ug表示不规则干扰信号。干扰可能来自信号源内部（图7-2(a)），也可能来自于导线的感应（图7-2(b)）。图 串模干扰示意图A/D转换器UsUg信号源A/D转换器UsUg理想被测信号UsOUgOt串模干扰信号UcOtt实测信号(a)(b)(c)l共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰。l图7-3所示的电路中，检测信号输入A/D转换器，A/D转换器的两个输入端上即存在公共的电压干扰。l由于输入信号源与主机有较长的距离，输入信号Us的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差Ucm。l这个电位差就在

14、转换器的两个输入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入点A上的信号为Us+Ucm，加到输入点B上的信号为Ucm。2.2.共模干扰共模干扰图7-3 共模干扰示意图A/D转换器UsUcm计算机AB7.2 抗干扰的措施抗干扰的措施l屏蔽l隔离l滤波l接地l屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同l一、屏蔽的类

15、型和原理一、屏蔽的类型和原理1 1、静电屏蔽、静电屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。空心导体内部没有静空心导体内部没有静电荷。电荷。2 2、电磁屏蔽、电磁屏蔽高频电磁场能够在导体中产生涡流，利用涡流可以抵消高频干扰的高频电磁场能够在导体中产生涡流，利用涡流可以抵消高频干扰的磁场。主要用于防止高频电磁干扰。磁场。主要用于防止高频电磁干扰。3 3、磁屏蔽、磁屏蔽利用高导磁材料制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线在屏蔽罩内利用高导磁材料制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线在屏蔽罩内形成回路，达到抑制低频磁场。形成回路，达到抑制低频磁场。l二、屏蔽的结构形

16、式：二、屏蔽的结构形式：主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。仓和导电涂料等。 l7.2.1 7.2.1 屏蔽屏蔽l磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。 l如图7-4所示的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。l在如图7-5所示的同轴电缆）同轴电缆）中，为防止信号在传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽层。 图7-4 变压器的屏蔽图7-5 同轴电缆示意图12431 芯 线 ； 2 绝 缘 体 ； 3 外 层 导 线 ； 4 绝 缘 外 皮l1.光电隔离l光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的

17、，所用的器件是光电耦合器。l由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。l图7-6(a)所示为一般光电耦合器组成的输入/输出线路。在控制系统中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。l由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路；又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 l7.2.2 隔离隔离 光电隔离隔离原理UsAB光耦合器FGASGASGBFGB(a)l对于交流信号的传输,

18、一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度,如图7-6(b)所示的变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。2.2.变压器隔离变压器隔离变压器隔离原理UsAB隔离变压器FGASGASGBFGB(b)继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离（如图7-8所示）。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流

19、，因此应用非常广泛。 3.继电器隔离继电器隔离图7-8 继电器隔离弱电电路强电电路继电器l滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。l图7-9所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。l7.2.3 7.2.3 滤波滤波图7-9 低通滤波器220 Vl图7-10(a)所示为触点抖动抑制电路，对抑制各类触点或开关在闭合或断开瞬间因触点抖

20、动所引起的干扰是十分有效的。l图7-10(b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。这种阻容吸收电路可以将电感线圈的磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量储存起来，以降低能量的消散速度。l图7-10(c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，类似的这种线路既可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。(a)(b)(c)图7-11 双T型带阻滤波器C1C2R1R2C3R3U1U2l图7-11所示为一种双T型带阻滤波器，可用来消除工频（电源）串模干扰。图中输入信号U1经过两条通路送到输出端。 一、接地的基本概念1、测控系统中的地线种类信

21、号地：传感器本身的零电位基准线模拟地：模拟信号的参考点，最后汇总到供电的直流电源上。数字地：数字信号的参考点，最后汇总到供电的直流电源上。负载地：大功率负载或感性负载的地线。也叫噪声地系统地：将数字地、模拟地、负载地的最后汇合点。7-2-4 7-2-4 接地技术接地技术2、共地和浮地浮地：系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系统。，则该系统称为浮地系统。共地系统：把系统地与大地连接在一起。宜采用共地系统；接地点与交流电源接地点距离不少于800米，接地棒深埋并与电力线垂直。3、接地方式单点接地：两个或两个以上的电路共用一段地线的接地方法称为串联单点接地。容易受到别的电路干扰。适合于地电流比较小电路

22、。图7-2-1 串联单点接地方式串联接地串联接地方式的缺方式的缺点：点： 离接地点离接地点越远，电越远，电路中出现路中出现的噪声干的噪声干扰越大。扰越大。图7-12 并联一点接地电路1Ar3r2电路2电路3r1I1I2I3BC图7-12所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图7-13所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。

23、2. 2. 多点接地多点接地电路1电路2电路3R1R2R3L1L2L3图7-13 多点接地接地方式选择原则接地方式选择原则一般在信号低于1MHz时采用单点接地方式。在信号高于10MHz时采用多点接地方式。在1MHz -10MHz时可采用单点接地，但地线长度不能小于信号波长的1/20。否则，用多点接地。机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。图7-14所示是一台数控机床的接地方法。机械地强电柜地功率地信号地公共点大地图7-14 数控机床的接地硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术3、直流电源接地点的选择数字、模拟等电源地应该各自汇于一点再与系统地相连。4、印刷线路板的接地布局模拟、数字地分

24、别设置，尽量减少地线电阻，模拟地线可以用来隔离两个模拟信号的有害耦合。硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术5、机柜地线布局各个电路模块的地线不要混接。各个模块的可采用单点并联接地复杂系统中，各个电路模块被分装在多层柜架上，可在各个柜架之间安装若干个纵向汇流排连接所有的横向汇流排。7.2.7印制电路板抗干扰技术印制电路板抗干扰技术一、合理分配电路板尺寸&合理布置器件二、合理分配印刷电路板插脚三、印刷电路板合理布线四.电源线地线的布置五. 去耦电容器的配置印刷电路板尺寸要适中：u过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干扰能力下降，而且成本提高；u过小，则散热不好，且易受邻近线条干扰；一、合理分配电路

25、板尺寸一、合理分配电路板尺寸&合理布置器件合理布置器件l器件布置的原则：印刷电路板上的器件布置应符合电气干扰少和器件布置的原则：印刷电路板上的器件布置应符合电气干扰少和易于散热易于散热.l从符合电气干扰少角度考虑：从符合电气干扰少角度考虑：l相关器件应尽量放得靠近些。例如晶振和相关器件应尽量放得靠近些。例如晶振和CPU的时钟信号输入的时钟信号输入端应相互靠近些；端应相互靠近些；l远离易产生噪声的器件。例如信号线与其他器件应尽量远离晶远离易产生噪声的器件。例如信号线与其他器件应尽量远离晶振；振；l从散热角度考虑从散热角度考虑 ：l逻辑电路应远离大电流噪声电路。例如控制电路与驱动电路应逻辑

26、电路应远离大电流噪声电路。例如控制电路与驱动电路应分板制作。分板制作。l发热元器件要考虑通风散热，需安装散热器。发热元器件要考虑通风散热，需安装散热器。l发热元器件要分散布置，不能集中。发热元器件要分散布置，不能集中。l热敏感元器件要远离发热器件或进行热屏蔽。热敏感元器件要远离发热器件或进行热屏蔽。lI/O驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制电路板的边缘、靠近驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制电路板的边缘、靠近引出接插件。引出接插件。l最好把最好把ROM、RAM、时钟发生器等发热较多的器件布置在印、时钟发生器等发热较多的器件布置在印制板的偏上方部位（当印制板竖直安装时）或易通风散热的地制板的偏上

27、方部位（当印制板竖直安装时）或易通风散热的地方。方。一、合理分配电路板尺寸一、合理分配电路板尺寸&合理布置器件合理布置器件二、合理分配印刷电路板插脚二、合理分配印刷电路板插脚l尽量不使用尽量不使用IC插座，而把插座，而把IC直接焊在印制直接焊在印制板上，这样可减少板上，这样可减少IC插座间较大的分布电插座间较大的分布电容。容。l电源插接件与信号插接件要尽量远离，主电源插接件与信号插接件要尽量远离，主要信号的插接件外面最好带有屏蔽。要信号的插接件外面最好带有屏蔽。l在安排插针信号时，用一部分插针为接地在安排插针信号时，用一部分插针为接地针，均匀分布于各信号针之间，起到隔离针，均匀分布于各

28、信号针之间，起到隔离干扰的作用。信号针与接地针理想的比例干扰的作用。信号针与接地针理想的比例为为1：1。l输入、出线分置三、印刷电路板合理布线三、印刷电路板合理布线1、通过元件跨接线路，不能交叉配线.2、配线不要做成环路3、不要有长段的窄线并行4、旁路电容不能太长5、单元的输入和输出线应该用地线隔开6、信号线尽可能短印刷电路板抗干扰印刷电路板抗干扰图7-2-24 印刷电路的输入输出线布置在图在图(a)(a)中，由于中，由于输出线平行于输输出线平行于输入线，存在寄生入线，存在寄生电容电容C0C0，将引起，将引起寄生耦合。这种寄生耦合。这种布线形式不可取。布线形式不可取。图图(b)(b)中，由于输

29、中，由于输出线和输入线之出线和输入线之间有地线，起到间有地线，起到屏蔽作用，消除屏蔽作用，消除了寄生电容了寄生电容C0C0和和寄生反馈，因此寄生反馈，因此这种布线形式正这种布线形式正确。确。 数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰； 接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因公共阻抗耦合而产生的干扰； 将数字地做成闭合的网格，可以降低各元器件之间的地线电位差，能明显提高抗干扰能力。巨大电位差三、印刷电路板合理布线三、印刷电路板合理布线（1）尽量使用多层板，过）尽量使用多层板，过孔要尽量少。孔要尽量少。（2）电路板铜膜线的布线）电路板铜膜线的布线尽量

30、使用尽量使用45的折线，不的折线，不要使用要使用90折线，以减小折线，以减小高频信号的发射。其布线高频信号的发射。其布线方式如图方式如图818所示。所示。图818 铜膜线的布线方式三、印刷电路板合理布线三、印刷电路板合理布线四四. .电源线地线的布置电源线地线的布置l尽量加大线条宽度；l利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用；l接地线应尽量加粗，使它能通过三倍于印接地线应尽量加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。一般接地线宽度应在制板上的允许电流。一般接地线宽度应在23mm以上。地线、电源线与信号线的以上。地线、电源线与信号线的关系是：地线电源线信

31、号线。关系是：地线电源线信号线。 单点接地与多点接地选择：u在低频电路中，导线与元器件间的电感影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而采用一点接地；u在高频电路中，地线感抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法。ABCABC四四. .电源线地线的布置电源线地线的布置l在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电路板设计的一项常规做法：l在电路板电源输入端跨接一个10100F(或更大)的电解电容，消除电源中的低频干扰；l在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.010.1F的陶瓷电容或钽电容，消除电源中的高频干扰；l去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电

32、容不能有长引线。五五. 去耦电容器的配置去耦电容器的配置7-3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术软件抗干扰技术前提条件：1、在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏。或易损部分状态可以被查询。2、ROM程序区不会受到干扰。3、RAM区中的重要数据不会被破坏，或虽然可以被破坏但是可以重新建立。软件抗干扰技术研究内容：软件抗干扰技术研究内容：1、采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声。如数字滤波器技术如数字滤波器技术(见见4. .6节节) 2、程序跑飞或死循环时，采用使程序纳入正规的措施。如：软件冗余、软件陷阱、如：软件冗余、软件陷阱、“看门狗看门狗”技术。技术。 软件抗干扰技术软件抗干扰

33、技术7-3-1 软件冗余技术一、指令冗余技术一、指令冗余技术主要针对程序在取指令周期时，误将数据（操作数）取出，当成指令（操作码）执行。为克服此种情况，操作码）执行。为克服此种情况，多多采用采用单字节指单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令令，并在关键地方人为插入一些单字节指令NOPNOP，或将有效单字节指令重写，称为指令冗余。方法：1、NOP的使用（1）在三字节指令后插入两个NOP指令可保证后面的指令不再被拆散。对程序流向起决定作用的指令和某些对系统状态有重要影响的指令后面可以重复写入NOP，则可不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正轨。软件抗干扰技术（2）对程序流向起决定作

34、用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入两条NOP指令，可保证乱飞程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。 软件抗干扰技术软件抗干扰技术2、重要指令冗余对于程序流向起决定作用的指令和对系统状态有重要影响的指令后面可以重复写上这些重复写上这些行区行区。采用冗余技术使PC纳入正确轨道的条件是，跑飞的PC必须指向程序运行区，并且必须执行到冗余指令。 二、时间冗余技术二、时间冗余技术通过消耗时间资源达到纠正错误的目的。1、重复检测法通过多次检测，看检测结果是否一致。图7-3

35、-1 重复检测法对接口中的输入数据信对接口中的输入数据信息进行多次检测，若检息进行多次检测，若检测结果完全一致，则是测结果完全一致，则是真的输入信号；若相邻真的输入信号；若相邻的检测内容不一致，或的检测内容不一致，或多次检测结果不一致，多次检测结果不一致，则是伪输入信号。两次则是伪输入信号。两次检测之间应有一定的时检测之间应有一定的时间间隔间间隔t t，设干扰存在的，设干扰存在的时间为时间为T T，重复次数为，重复次数为K K，则则t=T/Kt=T/K。图中。图中K K为重复为重复检测次数，检测次数，t t为时间间隔，为时间间隔，将相邻的两次结果进行将相邻的两次结果进行比较，相等时对比较，相等

36、时对J J计数，计数，不等时对不等时对I I计数。当重复计数。当重复K K次之后，对次之后，对I I、J J结果进结果进行判别，以确定输入信行判别，以确定输入信号的真伪。号的真伪。 软件抗干扰技术软件抗干扰技术2、重复输出法开关量输出抗干扰设计，主要采用重复输出的方法，是一种提高输出接口抗干扰性能的有效措施3、指令复执技术重复执行已经发现错误的指令。就是一旦发现错误就重新执行被错误破坏的现行指令。指令复执既可用编制程序来实现，也可用硬件控制来实现，基本的实现方法是： 当发现错误时，能准确保留现行指令的地址，以便重新取出执行； 现行指令使用的数据必须保留，以便重新取出执行时使用。指令复执类似于程

37、序中断，但又有所区别。类似的是二者都要保护现场，不同的是，程序中断时，机器一般没有故障，执行完当前指令后保留现场；但指令复执，不能让当前指令执行完，否则会保留错误结果，因此，在传送执行结果之前就停止执行现行指令，以保存上一条指令执行的结果，且PC要后退一步。 4、程序卷回技术这是针对一段程序重复执行。5、延时避开法通过软件延时避开大用电器开启时间。软件抗干扰技术软件抗干扰技术软件抗干扰技术软件抗干扰技术7-3-2 软件陷阱技术此方法适用于ROM中出现非程序的空白区。软件冗余方法的条件不满足一、软件陷阱用引导命令强行将捕获到的乱飞程序引入复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行

38、处理，使程序纳入正轨。软件陷阱形式如下页表。软件抗干扰技术软件抗干扰技术l形式之一机器码为：0000020000l形式之一机器码为：0202020000软件抗干扰技术软件抗干扰技术二、软件陷阱的安排1、未使用的中断区用于处理因未使用的中断被错误的开启而引起中断。2、未使用的EPROM空间用跳转指令填充未使用的EPROM空间。使程序纳入正轨。3、非EPROM芯片空间当使用的程序存储器的容量不足64K时将有空余地址，当跑飞到这部分的地址时将返回FF命令，这是MOV R7，A 命令，会修改R7内容，所以，通过如下硬件电路实现非EPROM芯片空间陷阱。软件抗干扰技术软件抗干扰技术图7-3-2 非EPR

39、OM区程序陷阱之一图图732732中中74LS0874LS08为四正与门。为四正与门。EPROMEPROM芯片地址空间为芯片地址空间为0000H1FFFH,0000H1FFFH,译码器译码器74LS13874LS138中的中的Y0Y0为其片选信号。空间为其片选信号。空间2000HFFFFH2000HFFFFH为非应用空间。当为非应用空间。当PCPC落落入入2000HFFFFH2000HFFFFH空间时，定有空间时，定有Y0Y0为高电平。当取指令操作时，为高电平。当取指令操作时，PSENPSEN为低，为低，从而引出中断。在中断服务程序中设置软件陷阱，可将乱飞的从而引出中断。在中断服务程序中设置软

40、件陷阱，可将乱飞的PCPC迅速拉迅速拉入正轨。入正轨。 软件抗干扰技术软件抗干扰技术4、RAM数据保护的条件陷阱通过对写RAM的先提条件判断，来决定是否改写外部的RAM。方法见下页程序：为了减小为了减小RAMRAM中数据丢失的可能性，可在中数据丢失的可能性，可在RAMRAM写操作之前加入条件陷阱，不满足条写操作之前加入条件陷阱，不满足条件时不允许写操作，并进入陷阱，形成死件时不允许写操作，并进入陷阱，形成死循环，循环，具体形式是：具体形式是： MOV A,#NNH MOV DPTR，#H MOV 6EH，#55H MOV 6FH，#0AAH LCALL WRDP RET WRDP：NOP NO

41、P NOP CJNE 6EH，#55H，XJ；6EH中不为55H则落入死循环 CJNE 6FH，#0AAH，XJ；6FH中不为AAH则落入死循环 MOVX DPTR，A；A中数据写入RAMH中 NOP NOP NOP MOV 6EH，#00H MOV 6FH，#00HRETXJ：NOP；死循环 NOP SJMP XJ 落入死循环之后，可以通过下面的落入死循环之后，可以通过下面的“看门狗看门狗”技术使其摆脱困境。技术使其摆脱困境。软件抗干扰技术软件抗干扰技术7-3-3 看门狗技术 当程序因为陷阱或其他原因进入死循环时，采用看门狗技术可以摆脱死循环。方法是利用计算机运行循环程序时，时间固定的特点，

42、通过计算机软件或硬件监控运行时间周期，发现时间超时就认为系统陷入了死循环。这个技术就是看门狗技术，可由软件或硬件实现。软件抗干扰技术软件抗干扰技术l硬件看门狗电路l计数器型看门狗电路l 采用CD4020作为计数器，计算机ALE为第一个计数器的CLK输入，P1.0口为第一个计数器清零端，控制第一个计数器在一定时间内不向第二个计数器进位，当计算机死循环时， P1.0口不能在规定的时间内向第一个计数器清零端发出信号，第一个计数器向第二个计数器进位，引起第二个计数器计数，当第二个计数器计数到一定值时，通过74LS123引起复位信号。软件抗干扰技术软件抗干扰技术图7-3-7 计数器型“看门狗”电路软件抗

43、干扰技术软件抗干扰技术图7-3-5 74LS123管脚排列与功能软件抗干扰技术软件抗干扰技术通过通过1#CD40201#CD4020输出端与输出端与#CD4020#CD4020的的CLKCLK的连接方的连接方式，可获得不同的延时时间，如表式，可获得不同的延时时间，如表732732所列。所列。 软件抗干扰技术软件抗干扰技术3、采用微处理器监控器实现看门狗功能MAX690、 MAX692A、 MAX705/706/813L等都可以实现看门狗功能。微处理器监控器: 为了保证微处理器可靠运行，需配置电压监控电路；为实现掉电数据保护，需备用电池及切换电路；为使微机处理器摆脱干扰陷入的死循环，需配置Wat

44、chdog (看门狗)电路。将完成这些功能的电路集成在一个芯片当中，称为微处理器监控器。软件抗干扰技术软件抗干扰技术图7-3-8 MAX813L框图 图中图中WDIWDI为看门狗输入为看门狗输入端，该端的作用是启动端，该端的作用是启动WatchdogWatchdog定时器开始计数。定时器开始计数。RESETRESET有效或有效或WDIWDI输入高阻输入高阻态时，态时，WatchdogWatchdog定时器被定时器被清零且不计数。当复位信清零且不计数。当复位信号号RESETRESET变为高电平，且变为高电平，且WDIWDI发生电平变化时，定发生电平变化时，定时器开始计数，可检测的时器开始计数，可

45、检测的驱动脉宽短至驱动脉宽短至50 ns50 ns。 若若WDIWDI悬空，则悬空，则WatchdogWatchdog不起作用。不起作用。 当当WDOWDO为低电平，要使其恢复高为低电平，要使其恢复高电平的条件是在电平的条件是在VccVcc高于复位门高于复位门的情况下：的情况下： 采取手动复位，采取手动复位，MRMR有一低脉冲，发出复位信号，有一低脉冲，发出复位信号，在复位信号的前沿，在复位信号的前沿，WDOWDO变为高变为高电平，但电平，但WatchdogWatchdog被清零，且被清零，且不计数；不计数； 若若WDIWDI电平发生变化，电平发生变化，WatchdogWatchdog被清零，

46、且开始计数，被清零，且开始计数，同时同时WDOWDO变为高电平。变为高电平。 若使若使WDIWDI悬空，则悬空，则WatchdogWatchdog失失效，效，WDOWDO可用做低压标志输出。可用做低压标志输出。当当VccVcc降至复位门限以下，降至复位门限以下，WDOWDO为低电平，表示电压已降低。为低电平，表示电压已降低。软件抗干扰技术软件抗干扰技术二、软件看门狗技术原因：有些干扰可能破坏计算机中断 ，硬件看门狗技术无法实现。软件看门狗思想：在主程序中对T0中断程序进行监控，在T1中断服务程序中对主程序进行监控，T0中断监视T1中断。内容：系统软件包括主程序、高级中断程序、低级中断子程序三部

47、分。图7-3-10 主程序流程图主程序完成系统测控主程序完成系统测控的同时，还监视的同时，还监视T0T0中中断因干扰而引起的中断因干扰而引起的中断关闭故障。断关闭故障。A0A0为为T0T0中断服务程序运行状中断服务程序运行状态观测单元，态观测单元，T0T0中断中断运行时，每中断一次，运行时，每中断一次，A0A0便自动加便自动加1 1。在测。在测控功能模块程序入口控功能模块程序入口处，先将处，先将A0A0之值暂存之值暂存于于E0E0单元。由于测控单元。由于测控功能模块程序运行时功能模块程序运行时间较长，设定在此期间较长，设定在此期间间T0T0产生定时中断产生定时中断( (设设T0T0定时溢出时间

48、小于测定时溢出时间小于测控功能模块运行时间控功能模块运行时间) )，从而引起从而引起A0A0的变化。的变化。在测控功能模块的出在测控功能模块的出口处，将口处，将A0A0的即时值的即时值与先前的暂存单元与先前的暂存单元E0E0的值相比较，观察的值相比较，观察A0A0值变化。若值变化。若A0A0之值改之值改变，说明变，说明T0T0中断运行中断运行正常；若正常；若A0A0之值没变之值没变化，说明化，说明T0T0中断关闭，中断关闭，则转到则转到0000H0000H处，进处，进行出错处理。行出错处理。 图7-3-11 T1中断程序流程图T1T1中断程序完成系统特定测控功中断程序完成系统特定测控功能的同时

49、，还监视主程序运行。能的同时，还监视主程序运行。在中断服务程序中设置一个主程在中断服务程序中设置一个主程序运行计时器序运行计时器M M，T1T1每中断一次，每中断一次，M M便自动加便自动加1 1。M M中的数值与中的数值与T1T1定定时溢出时间之积表示时间值。若时溢出时间之积表示时间值。若M M表示的时间值大于主程序运行表示的时间值大于主程序运行时间时间T T，说明主程序陷入死循环，说明主程序陷入死循环，T1T1中断服务程序便修改断点地址，中断服务程序便修改断点地址，返回返回0000H0000H，进行出错处理。若，进行出错处理。若M M小于小于T T，则中断正常返回。，则中断正常返回。 图7

50、-3-12 T0中断服务程序T0T0中断程序的功能是监视中断程序的功能是监视T1T1中断程序的运行。该程序较中断程序的运行。该程序较短，受干扰破坏的机率小。短，受干扰破坏的机率小。A1A1、B1B1为为T1T1中断运行状态检中断运行状态检测单元。测单元。A1A1的初始值为的初始值为00H00H，T1T1每发生一次中断，每发生一次中断，A1A1便自便自动加动加1 1。T0T0中断服务程序中中断服务程序中若检测若检测A10A10，说明，说明T1T1中断正中断正常；若常；若A1=0A1=0，则，则B1B1单元加单元加1(B11(B1的初始值为的初始值为00H)00H)，若，若B1B1的累加值大于的累加值大于Q Q，说明，说