单片机原理与应用电子教案3

第9章单片机系统的抗干扰技术9.1干扰源及其分类9.2干扰对单片机系统的影响9.3硬件抗干扰技术9.4软件抗干扰技术9.5数字滤波9.1干扰源及其分类一、干扰的含义所谓干扰,一般是指有用信号以外的噪声,在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、指示值或输出值出现误差,出现假像。干扰对电路的影响,轻则降低信号的质量,影响系统的稳定性;重则破坏电路的正常功能,造成逻辑关系混乱,控制失灵。二、干扰源的分类1.从干扰的来源划分1)内部干扰内部干扰是应用系统本身引起的各种干扰,包括固定干扰和过渡干扰两种。固定干扰是指信号间的相互串扰、长线传输阻抗失配时反射噪声、负载突变噪声以及馈电系统的浪涌噪声等。过渡干扰是指电路在动态工作时引起的干扰。2)外部干扰外部干扰是由系统外部窜入到系统内部的各种干扰。包括某些自然现象（如闪电、雷击、地球或宇宙辐射等）引起的自然干扰和人为干扰（如电台、车辆、家用电器、电器设备等发出的电磁干扰,以及电源的工频干扰）。一般来说,自然干扰对系统影响不大,而人为干扰则是外部干扰的关键。图9.1内部和外部干扰示意图①装置开口或隙缝处进入的辐射干扰(辐射)②电网变化干扰(传输)③周围环境用电干扰(辐射、传输、感应)④传输线上的反射干扰(传输)⑤系统接地不妥引入的干扰(传输、感应)⑥外部线间串扰(传输、感应)⑦逻辑线路不妥造成的过渡干扰(传输)⑧线间串扰(感应、传输)⑨电源干扰(传输)10强电器引入的接触电弧和反电动势干扰(辐射、传输、感应)11内部接地不妥引入的干扰(传输)12漏磁感应(感应)13传输线反射干扰(传输)14漏电干扰(传输)2.按干扰出现的规律划分固定干扰2)半固定干扰3)随机干扰3.从干扰与输入信号的关系划分串模干扰

2)共模干扰图9.2串模干扰和共模干扰(a)串模干扰；(b)共模干扰图9.3串模干扰与共模干扰波形(a)直流信号；(b)串模干扰；(c)共模干扰；(d)串模干扰与共模干扰共同作用表9.1常见干扰的种类9.2干干扰扰对单单片机机系统统的影影响图9.4干干扰扰入侵侵单片片机系系统的的途径径13F4A274MOVC,2EH.413F6E544MOVA,44H13F83402ADDCA,＃＃213FA13RRCA13FBF544MOV44H,A13FD9274MOV2EH.4,C如果干干扰使使程序序计数数器PC出出错,在在某时时刻变变为13F5H,CPU将将执行行如下下程序序片段段,掉掉进进一个个死循循环而而不能能自拔拔:13F574E5MOVA,＃＃0E5H13F74434ORLA,＃＃34H13F902113F5LJMP13F5H9.3硬硬件件抗干干扰技技术9.3.1串串模模干扰扰的抑抑制方方法一、光光电电隔离离图9.5二极管管、三三极管管光电电耦合合器1.输输入入输出出隔离离1)脉脉冲冲电路路的应应用门电路路将不不同电电位的的信号号,加加到到光电电耦合合器上上,构构成成简单单的逻逻辑电电路,可可方便便地用用于各各种逻逻辑电电路相相连的的输入入端,能能把信信号送送到输输出端端,而而输输入端端的噪噪声不不会送送出。。2)整整形形放大大在测量量微弱弱电流流时,常常常采采用由由光电电耦合合器构构成的的整形形放大大器。。若放放大器器中使使用机机械换换流器器(或或场效效应管管)时时,响响应应速度度慢,有有尖峰峰干扰扰,影影响响电路路工作作。采采用光光电耦耦合器器就没没有这这样的的问题题,尖尖峰峰噪声声可以以去掉掉。图9.6可可控控硅感感性负负载开开关电电路二、硬硬件件滤波波电路路图9.7四四种滤滤波器器的结结构图图三、过过压压保护护电路路在输入通通道上采采用一定定的过压压保护电电路,以以防引引入高压压,损损坏系统统电路。。过压压保护电电路由限限流电阻阻和稳压压管组成成,稳稳压值以以略高于于最高传传送信号号电压为为宜。对对于微弱弱信号（0.2V以下下）,采采用两两支反并并联的二二极管,也可可起到过过压保护护作用。。四、调调制解调调技术有时,有有效信信号的频频谱与干干扰的频频谱相互互交错,使用用一般硬硬件滤波波很难分分离,可可采用用调制解解调技术术。先用用已知频频率的信信号对有有效信号号进行调调制,调调制后后的信号号频谱应应远离干干扰信号号的频谱谱区域。。传输中中各种干干扰信号号很容易易被滤波波器滤除除,被被调制的的有效信信号经解解调器解解调后,恢复原原状。有有时,不不用硬硬件解调调,运运用软件件中的相相关算法法,也也可达到到解调的的目的。。五、抗抗干扰稳稳压电源源(1)应应用系系统的供供电线路路和产生生干扰的的用电设设备分开开供电。。(2)通通过低低通滤波波器和隔隔离变压压器接入入电网,如图图9.8所所示。(3)整整流组组件上并并接滤波波电容。。滤波电电容选用用1000pF~0.01μF的瓷片片电容,接法法参见图图9.8。(4)采采用高高质量的的稳压电电源。图9.8抗抗干扰扰稳压电电源六、数数字信号号采用负负逻辑传传输干扰源作作用于高高阻线路路上,容容易形形成较大大幅度的的干扰信信号,而而对低低阻线路路影响要要小一些些。在数数字系统统中,输输出低低电平时时内阻较较小,输输出高高电平时时内阻较较大。如如果我们们采用负负逻辑传传输,就就可以以减少干干扰引起起的误动动作,提提高数数字信号号传输的的可靠性性。9.3.2共共模干干扰的抑抑制方法法一、平平衡对称称输入在设计信信号源时时尽可能能做到平平衡和对对称,否否则会产产生附加加的共模模干扰。。二、选选用高质质量的差差动放大大器要求差动动放大器器具有高高增益、、低噪声声、低漂漂移、宽宽频带等等特点,以便便获得足足够高的的共模抑抑制比。。三、良良好的接接地系统统接地不良良时将形形成较明明显的共共模干扰扰。如没没有条件件进行良良好接地地,不不如将系系统浮置置起来,再配配合采用用合适的的屏蔽措措施,效效果也也不错。。四、系系统接地地点的正正确连接接单片机应应用系统统中存在在的地线线有:数数字地地、模模拟地、、功率率地、信信号地地和屏蔽蔽地。1.一一点接地地和多点点接地的的应用原原则(1)一一般高高频电路路应就近近多点接接地,低低频电电路应一一点接地地。在高高频电路路中,地地线上上具有电电感,因因而增增加了地地线阻抗抗,而而且地地线变成成了天线线,向向外辐射射噪声信信号,因因此,要多多点就近近接地。。在低频频电路中中,接接地电路路若形成成环路,对系系统影响响很大,因此此应一点点接地。。(2)交交流流地地、、功功率率地地与与信信号号地地不不能能公公用用。。流流过过交交流流地地和和功功率率地地的的电电流流较较大大,会会造造成成数数毫毫伏伏、、甚甚至至几几伏伏电电压压,这这会会严严重重地地干干扰扰低低电电平平信信号号的的电电路路,因因此此信信号号地地与与交交流流地地、、功功率率地地分分开开。。(3)信信号号地地与与屏屏蔽蔽地地的的连连接接不不能能形形成成死死循循环环回回路路。。否否则则会会感感生生出出电电压压,形形成成干干扰扰信信号号。。(4)数数字字地地与与模模拟拟地地应应分分开开,最最后后单单点点相相连连。。2.印印制制板板的的地地线线布布置置图9.9导导线线的的长长度度宽宽度度与与图9.10芯芯片片的的布布置置五、、屏屏蔽蔽用金金属属外外壳壳将将整整机机或或部部分分元元器器件件包包围围起起来来,再再将将金金属属外外壳壳接接地地,就就能能起起到到屏屏蔽蔽的的作作用用,对对于于各各种种通通过过电电磁磁感感应应引引起起的的干干扰扰特特别别有有效效。。屏屏蔽蔽外外壳壳的的接接地地点点要要与与系系统统的的信信号号参参考考点点相相接接,而而且且只只能能单单点点接接地地,所所有有具具有有同同参参考考点点的的电电路路必必须须装装在在同同一一屏屏蔽蔽盒盒内内。。如如有有引引出出线线,应应采采用用屏屏蔽蔽线线,其其屏屏蔽蔽层层应应和和外外壳壳在在同同一一点点接接系系统统参参考考点点。。参参考考点点不不同同的的系系统统应应分分别别屏屏蔽蔽,不不可可共共处处一一个个屏屏蔽蔽盒盒内内。。9.4软软件件抗抗干干扰扰技技术术9.4.1数数字字量量I/O通通道道中中的的软软件件抗抗干干扰扰一、、数数字字量量输输入入方方法法二、、数数字字量量输输出出方方法法图9.11开开关关量量信信号号采采样样流流程程9.4.2程序序执行过程程中的软件件抗干扰一、程序序“跑飞””二、指令令冗余三、软件件陷阱则下面三条条指令即组组成一个““软件陷阱阱”:NOPNOPLJMPERR“软件陷阱阱”一般安安排在下列列四种地方方。1.未使使用的中断断向量区MCS-51单单片机的的中断向量量区为0003H~002FH,如如果系统统程序未使使用完全部部中断向量量区,则则可在剩余余的中断向向量区安排排“软件陷陷阱”,以以便能捕捕捉到错误误的中断。。如某系系统使用了了两个外部部中断INT0、INT1和和一个定时时器溢出中中断T0,它们的的中断服务务子程序入入口地址分分别为FUINT0、FUINT1和FUT0,即即可按下下面的方式式来设置中中断向量区区:ORG0000H0000HSTART:LJMPMAIN;引向主主程序入口口0003HLJMPFUINT0;INT0中断服务务程序入口口006HNOP;冗余余指令007HNOP008HLJMPERR;陷阱0013HLJMPFUT0;T0中断服服务程序入入口00EHNOP;冗余余指令00FHNOP;0010HLJMPERR;陷阱0013HLJMPFUINT1;INT1中断服务务程序入口口0016HNOP;冗余指指令0017HNOP0018HLJMPERR;陷阱001BHLJMPERR;未未使用T1中断,设设陷阱001EHNOP;冗余指指令001FHNOP0020HLJMPERR;陷阱0023HLJMPERR;未未使用串口口中断,设设陷阱0026HNOP;冗冗余指令令0027HNOP0028HLJMPERR;陷陷阱002BHLJMPERR;未使使用T2中中断,设设陷阱002EHNOP;冗冗余指令令002FHNOP0030HMAIN:……;主程序序2.未使使用的大片片EPROM空间程序一般都都不会占用用EPROM芯片的的全部空间间,对于于剩余未编编程的EPROM空空间,一一般都维持持原状,即即其内容容为0FFH。0FFH对于MCS-51单单片机的指指令系统来来说是一条条单字节的的指令:MOVR7,A。如如果程序序“跑飞””到这一区区域,则则将顺利向向后执行,不再跳跳跃（除非非又受到新新的干扰））。因此在在这段区域域内每隔一一段地址设设一个陷阱阱,就一一定能捕捉捉到“跑飞飞”的程序序。3.表表格格有两两种种表表格格:一一类类是是数数据据表表格格,供供MOVCA,@A+PC指指令令或或MOVCA,@A+DPTR指指令令使使用用,其其内内容容完完全全不不是是指指令令。。另另一一类类是是散散转转表表格格,供供JMP@A+DPTR指指令令使使用用,其其内内容容为为一一系系列列的的3字字节节指指令令LJMP或或2字字节节指指令令AJMP。。由由于于表表格格的的内内容容与与检检索索值值有有一一一一对对应应的的关关系系,在在表表格格中中间间安安排排陷陷阱阱会会破破坏坏其其连连续续性性和和对对应应关关系系,因因此此只只能能在在表表格格的的最最后后安安排排陷陷阱阱。。如如果果表表格格区区较较长长,则则安安排排在在最最后后的的陷陷阱阱不不能能保保证证一一定定能能捕捕捉捉““跑跑飞飞””来来的的程程序序,有有可可能能在在中中途途再再次次““跑跑飞飞””,这这时时只只好好指指望望别别处处的的陷陷阱阱或或冗冗余余指指令令来来捕捕捉捉。。4.程程序序区区程序序区区是是由由一一系系列列的的指指令令构构成成的的,不不能能在在这这些些指指令令中中间间任任意意安安排排陷陷阱阱,否否则则会会破破坏坏正正常常的的程程序序流流程程。。但但是是,在在这这些些指指令令中中间间常常常常有有一一些些断断点点,正正常常的的程程序序执执行行到到断断点点处处就就不不再再往往下下执执行行了了,这这类类指指令令有有LJMP、、SJMP、、AJMP、、RET、、RETI,这这时时PC的的值值应应发发生生正正常常跳跳变变。。如如果果在在这这些些地地方方设设置置陷陷阱阱就就有有可可能能捕捕捉捉到到““跑跑飞飞””的的程程序序。。例例如如,对对一一个个累累加加器器A的的内内容容的的正正、、负负和和零零的的情情况况进进行行三三分分支支的的程程序序,软软件件陷陷阱阱安安排排如如下下:JNZXYZ…;零零处处理理AJMPABC;断断点点NOPNOPLJMPERR;陷陷阱阱XYZ:JBACC.7,UVW…;正正处处理理AJMPABC;断断点点NOPNOPLJMPERR;陷陷阱阱UVW:……;负负处处理理ABC:MOVA,R2;取取结结果果RET;断断点点NOPNOPLJMPERR;陷陷阱阱四、WATCHDOG如果““跑飞飞”的的程序序落到到一个个临时时构成成的死死循环环中,冗冗余指指令和和软件件陷阱阱都将将无能能为力力,这这时时可采采取WATCHDOG（（俗称称“看看门狗狗”））措施施。WATCHDOG有有如下下特性性:(1)本本身能能独立立工作作,基基本本上不不依赖赖于CPU。CPU只只在一一个固固定的的时间间间隔隔内与与之打打一次次交道道,表表明明整个个系统统“目目前尚尚属正正常””。(2)当当CPU落落入死死循环环后,能能及时时发现现并使使整个个系统统复位位。图9.12硬硬件WATCHDOG电电路也可以以用软软件程程序来来形成成WATCHDOG。例例如,可可以采采用8031的的定时时器T0来形成成WATCHDOG。将将T0的溢出中中断设为为高优先先级中断断,其其它中断断均设置置为低优优先级中中断,若若采用6MHz的时时钟,则则可用用以下程程序使T0定时约10ms来来形成软软件WATCHDOG:MOVTMOD,＃＃01H;置置T0为定时时器SETBET0;允许许T0中断SETBPT0;设设置T0为为高优先先级中断断MOVTH0,＃＃0E0H;定时时约10msSETBTR0;启动动T0SETBEA;开开中断断9.4.3系系统的的恢复一、系系统的复复位如用软件件WATCHDOG使使系统复复位时,程序序出错有有可能发发生在中中断子程程序中,中断断激活标标志已经经置位,它将将阻止同同级的中中断响应应,由由于软件件WATCHDOG是是高级中中断,它它将阻阻止所有有的中断断响应。。由此可可见清除除中断激激活标志志的重要要性。在在所有有的指令令中,只只有RETI指令能能清除中中断激活活标志。。前面提提到的出出错处理理程序ERR主主要是完完成这一一功能。。这部部分程序序如下:ORG3000HERR:CLREA;关关中断MOVDPTR,＃＃ERR1;准准备返返回地址址PUSHDPLPUSHDPHRETI;清除除高优先先级中断断激活标标志ERR1:MOV66H,＃＃0AAH;重重建上电电标志MOV67H,＃55HCLRA;准准备复复位地址址PUSHACC;压入入复位地地址PUSHACCRETI;清清除低级级中断激激活标志志图9.13系系统统复位策策略二、热热启动的的过程在进行热启启动时,为为使启动动过程能顺顺利进行,首先关关中断并重重新设置堆堆栈。即即使系统复复位的第一一条指令应应为关中断断指令。因因为热启启动过程是是由软件复复位（如软软件WATCHDOG等）引引起的,这这时中断断系统未被被关闭,有有些中断断请求允许许正在排队队等待响应应;再者者，在热启启动过程中中要执行各各种子程序序,而子子程序的工工作需要堆堆栈的配合合,在系系统得到正正确恢复之之前堆栈指指针的值是是无法确定定的,所所以在正式式恢复之前前要先设置置好栈底，，即第二条条指令应为为重新设置置栈底指令令。然后,将所有的的I/O设设备都设置置成安全状状态,封封锁I/O操作,以以免干扰扰造成的破破坏进一步步扩大。接接着,根根据系统统中残留的的信息进行行恢复工作作。图9.14三三中取二表表决流程三、系统统信息的恢恢复首先将要恢恢复的单字字节信息及及它的两个个备份信息息分别存放放到工作寄寄存器R2、R3和和R4中中,再再调用表决决子程序。。子程序出出口时,若若F0=0,表表示表决成成功,即即三个数据据中有两个个是相同的的;若F0=1,表表示表决失失败,即即三个数据据互不相同同。表决结结果存放在在累加器A中,程程序如下:VOTE3:MOVA,R3;第第一数据与与第二数据据比较XRLA,R3;JZVOTE32MOVA,R2;第第一数据与与第三数据据比较XRLA,R4JZVOTE32MOVA,R3;第第一数据据与第三数数据比较XRLA,R4;JZVOTE31SETBF0;失败败RETVOTE31:MOVA,R3;以以第二数数据为准MOVR2,AVOTE32:CLRF0;成成功功MOVA,R2;取取结果果RET对于双双字节节数据据,表表决决前将将三份份数据据分别别存入入R2R3、R4R5、R6R7中,表表决成成功后后,结结果果在R2R3中中。程程序序如下下:VOTE2:MOVA,R2;第第一一数数据据与与第第二二数数据据比比较较XRLA,R4JNZVOTE21MOVA,R3XRLA,R5JZVOTE25VOTE21:MOVA,R2;第第一一数数据据与与第第三三数数据据比比较较XRLA,R6JNZVOTE22MOVA,R3XRLA,R7JZVOTE25VOTE22:MOVA,R4;第第二数数据与第第三数据据比较XRLA,R6JNZVOTE23MOVA,R5XRLA,R7JZVOTE24VOTE23:SETBF0;失败败RETVOTE24:MOVA,R4;以以第二二数据为为准MOVR2,AMOVA,R5MOVR3,AVOTE25:CLRF0;成功功RET9.5数数字字滤滤波数字滤波波有如下下优点:(1)数数字滤滤波是由由软件程程序实现现的,不不需要要硬件,因此此不存在在阻抗匹匹配的问问题。(2)对对于多多路信号号输入通通道,可可以共共用一个个软件““滤波器器”,从从而降降低设备备的硬件件成本。。(3)只只要适适当改变变滤波器器程序或或运算参参数,就就能方方便地改改变滤波波特性,这对对于低频频脉冲干干扰和随随机噪声声的克服服特别有有效。一、低低通滤波波若一阶RC模拟拟低通滤滤波器的的输入电电压为X(t),输输出为Y(t),它它们之间间存在如如下关系系:为了进行行数字化化,必必须应用用它们的的采样值值,即即如果采采样间间隔ΔΔt足足够小小,则则式式（9-1））的的离散散值近近似为为即令则式（（9-3））可化化为(9-3)若采样样间隔隔Δt足够够小,则则,滤滤波器器的截截止频频率为为图9.15低低通滤滤波器器程序序流程程图为计算算方便便,a取取一整整数,（（1-a））用256-a来代代替。。计计算结结果舍舍去最最低字字节即即可,设设Yn-1存放在在30H（整整数））和31H（（小数数）两两单元元中,Yn存放在在32H（整整数））和33H（（小数数）中中。程程序序如下下:F1:MOV30H,32H;更更新Yn-1MOV31H,33HACALLINPUT;采采样样XnMOVB,＃＃8;计计算aXnMULABMOV32H,B;临临时存存入Yn中MOV33H,AMOVB,＃＃248;计计算（（1-a））Yn-1MOVA,31HMULABRLCAMOVA,BADDCA,33H;累累加加到Yn中中MOV33H,AINCF11INC32HF11:MOVB,＃＃248MOVA,＃＃30HMULABADDA,33HMOV33H,AMOVA,BADDCA,32HMOV32,ARET二、限限幅幅滤波波图9.16限限幅滤滤波程程序流流程图图PUSHACC;保保护现现场PUSHPSWMOVA,＃＃30H;Yn→→ACLRCSUBBA,31H;求求Yn-Yn-1-1INCLP0;Yn-Yn-1≥0吗？？CPLA;Yn<Yn-1,求求补LP0:CLRCCJNEA,＃＃01H,LP2;Yn-Yn-1>ΔΔY？LP1:MOV32H,30H;等等于于ΔY,本本次次采样样值有有效SJMPLP3LP2:JCLP1;小小于于ΔY,本本次次采样样值有有效MOV32H,31H;大大于于ΔY,Yn=Yn-1LP3:POPPSWPOPACCRET三、中中值值滤波波中值滤滤波是是对某某一被被测参参数连连续采采样n次（（一般般n取取奇数数）,然然后把把n次次采样样值按按大小小排列列,取取中中间值值为本本次采采样值值,中中值值滤波波能有有效地地克服服偶然然因素素引起起的波波动或或采样样器不不稳定定引起起的误误码等等脉冲冲干扰扰。设SAMP为存存放采采样值值的内内存单单元首首地址址,DATA为存存放