第10章-抗干扰.ppt

1、第10章抗干扰技术,10.1产生干扰的因素10.2抗干扰的措施10.3提高系统抗干扰能力的措施,单片机的诸多特点使它的应用领域越来越广泛，由于应用环境的复杂，使其面临的各种干扰日益严重，从而使得对它的可靠性要求越来越高。但是，测控系统的工作环境往往复杂、比较恶劣，尤其是系统周围的电磁环境，这对系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。,日光灯开启瞬间，收音机会传出“喀，喀喀”声音。这是由于电灯开关和荧光灯起辉闪烁瞬间有电磁干扰辐射场产生，被收音机接收而发出声响。手机也是一个很强的干扰源。干扰无处不在。,10.1产生干扰的因素,10.1.1干扰的定义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

2、素。,10.1.2形成干扰的三个要素1.干扰源产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。2.传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。3.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。,手机电磁干扰,1.干扰源手机2.传播途径电磁波在空中传播3.接收载体电路板中的导体,10.1.3干扰存在的形式在电路中，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。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50H

3、z的工频干扰等。,图10-2串模干扰示意图,2.共模干扰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。图10-3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。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。这个电位差就在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。,图10-3共模干扰示意图,10.2抗干扰的措施,10.2.1屏蔽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

4、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。,手机休息袋,如图10-4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。当漏磁通穿过短路环时，在铜环中感生涡流，因此会产生反磁通以抵消部分漏磁通，使变压器外的磁通减弱。屏蔽的效果与屏蔽层数量和每层厚度有关。,变压器漏磁短路环,图10-4变压器的屏蔽,电缆线屏蔽层,在如图10-5所示的同轴电缆中，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10-5同轴电缆示意图,10.2.2隔离1.光电隔离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，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时

5、，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。,两侧没有实体连接图10-6光电隔离和变压器隔离原理(a）光电隔离；,2.变压器隔离对于交流信号的传输,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10-6(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。,图10-6光电隔离和变压器隔离原理(b）变压器隔离,图10-7所示为一种带多层屏蔽的隔离

6、变压器。当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。,图10-7多层隔离变压器,另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有静电隔离层S1和S2，其目的是防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层屏蔽密封体的内、外两层用铁，起磁屏蔽的作用；中间层用铜，与铁心相连并直接接地，起静电屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰而设置的，这种隔离变压器具有很强的抗干扰能力。,3.继电器隔离,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

7、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10-8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，因此应用非常广泛。,图10-8继电器隔离,10.2.3滤波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。,图10-9低通滤波器,无源滤波：由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。有源滤波：加入了晶体管、运放等有源器件。,图10-10(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动所引起的干扰是十分有效的。图10-10(b

8、)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。图10-10(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。,图10-10干扰滤波电路,图10-11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。,图10-11双T型带阻滤波器,10.2.4接地图10-12所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的。如果采用多点接地，会在多个接

9、地点间产生电位差，若是音箱就会产生“哼”声。,图10-12并联一点接地,2.多点接地多点接地所需地线较多，一般适用于高频信号。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10-13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。防止地线成为天线，所以地线尽可能短，降低导线长度。,图10-13多点接地,10.2.5软件抗干扰设计1.软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。软件滤波成本地、灵活性大。,2.软件“陷阱”从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，

10、其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。通常使用无条件转移指令，放在可能出错的位置。,这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。,3.软件“看门狗”“看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或软件）的办法使用监控定时器定时检查某段程序

11、或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机程序“飞掉”时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。,专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路。从电路功能上看，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现角度上看，硬件看门狗电路与单片机系统连接好以后，在程序中适当地插入一些看门狗复位指令（即“喂狗”指令），保证程序正常运行时看门狗不溢出。而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，

12、通过单片机的RESET引脚使单片机复位。目前常用的集成看门狗电路有MAX705708、MAX791、MAX813L、X5043/5045等。,专用硬件看门狗,-程序监视技术原理,如图所示是采用MAX706和8051构成的“看门狗”硬件电路。看门狗输入端WDI与8051的P1.0口相连，在系统正常运行状态下，P1.0口不超过1.6秒就向MAX706的WDI端口发一次触发脉冲。若系统程序因干扰而陷入死循环，则在死循环周期内由于P1.0端口无触发脉冲产生，当死循环运行时间超过1.6秒时，看门狗输出WDO将变低，致使8051复位，使系统重新开始运行。,-程序监视技术应用,1)本身独立工作，基本上不影响主程序功能。2)CPU在一个固定的时间间隔内和看门狗打一次交道（喂一次狗），以表明系统目前工作正常。3)当CPU陷入死循环后，能及时发觉并使系统复位。程序见P254,软件看门狗,CPU集成看门狗,在PD78F0485单片机的P34引脚和地之间串联一个100电阻和一个LED灯，编写程序观察看门狗的动作。首先在选项字中开启看门狗定时器，设置看门狗定时器的溢出时间。程序中先熄灭LED灯并延时，进入无条件循环中点亮LED灯。看门狗定时器的溢出时间设定为496.48ms（接近