第13章 单片机应用系统抗干扰技术

1、1，2020/7/4，单片机原理与接口技术，第13章单片机应用系统抗干扰技术，2，2020/7/4，(1)了解单片机应用系统遇到的干扰问题。(2)熟悉单片机应用系统的硬件抗干扰措施。(3)熟悉单片机应用系统软件的抗干扰措施。(4)掌握“看门狗”的抗干扰技术。(5)掌握数字滤波技术。本章教学要求，3，2020/7/4，本章内容，13.1干扰源及其分类，13.1.1干扰定义，13.1.2干扰类型，13.2干扰对单片机应用系统的影响，13.3硬件抗干扰技术，13.3.1无源滤波，13.3.2有源滤波，13.3.3去耦电路， 13.3.4屏蔽技术13.3.5隔离技术13.3.6接地技术13.4软件抗干

2、扰技术13.4.1软件抗干扰的一般方法13.4.2指令冗余技术13.4.3软件陷阱技术13.4.4“看门狗”技术13.5数字滤波技术练习和思考问题4，2020因为噪声在一定条件下会影响和破坏设备或系统的正常运行，所以通常称为干扰。 噪声的原意是指不同频率和强度的混沌声音的组合。在电工学、电子学和其他学科中，不需要的电压和电流，在一定条件下会变成干扰电压和电流，危及电路的正常运行，称为噪声或干扰。通常，当研究有害干扰时，经常使用噪声这个词；当研究干扰造成的有害影响时，干扰这个词经常被使用。13.1.1干扰-干扰和噪声的定义，5，2020/7/4，13.1.2干扰类型，常见干扰分类表，1干扰类型，

3、6，2020/7/4，13.1.2干扰这种干扰，2根据干扰和输入信号之间的传输关系分类，1)串行模式干扰-串行模式干扰，表示噪声信号和有效信号串联叠加并作用于电路，噪声在两条线之间来回传播。7，2020/7/4、13.1.2干扰类型。共模干扰是干扰电压同时叠加在两条信号线上的干扰。干扰侵入线路和地线之间，噪声电流流过两条线路的每一部分，以地为公共回路。虽然信号电流只在两条线路中来回流动，但2)共模干扰，即共模干扰，会流过。这种干扰发生在输入信号端子和系统本体接地之间，主要是由两个接地之间的干扰电压引起的，如图所示。8，2020/7/4，13.1.2干扰类型，3按干扰传播模式分类，-按传播模式分

4、类，9，2020/7/4，13.1.2干扰类型，4按干扰波形性质分类，-按波形性质分类，干扰波形分为连续正弦波。在图(a)中，干扰信号显示为连续正弦波，通常用频率、振幅和相角等特征值表示。图(b)是浪涌脉冲电压波形，通常用最大振幅、脉冲宽度和能量的特征值表示，如雷击波和静电放电波形。图(c)是脉冲序列波形，通常用最高振幅、脉冲宽度和周期等特征值表示。10，2020/7/4，13.2影响测控系统安全可靠运行的主要因素是系统内外的各种电气干扰，以及系统结构设计、元件选择、安装、制造工艺和外部电磁环境条件。这些因素对单片机系统的影响主要表现在以下几个方面：(1)数据采集误差增大；(2)控制状态失败；

5、(3)数据因干扰而变化；(4)程序运行异常；(11，2020/7/4，13.3)硬件抗干扰技术可以通过合理的硬件电路设计减少或抑制大部分干扰。本节简要介绍了一些工程上广泛使用的硬件抗干扰电路的概念和应用，主要包括：无源滤波、有源滤波、去耦电容，13，2020/7/4，13.3.2有源滤波器。由电阻、电容、电感和有源元件如晶体管和线性运算放大器组成的滤波器是有源滤波器。有源滤波器，14，2020/7/4，13.3.3去耦电路。因为单片机系统的三条总线上的信息变化几乎同时发生，所以产生的峰值电流将导致电源内部阻抗和公共传输线阻抗上的电压降，从而导致电源电压跳变。降低峰值电流影响的一种方法是在布线中

6、采取措施，以最小化杂散电容。另一种方法是设法降低电源的内阻，使峰值电流不会引起电源电压过度波动。- C吸收峰值电流，15，2020/7/4，13.3.4屏蔽技术，屏蔽是指通过空间将电场、磁场或电磁场的耦合部分分开，并切断空间场的耦合通道。屏蔽方法通常是使用低电阻材料作为屏蔽来包围要隔离的部件。隔离部分可能是干扰源，也可能是易受攻击的部分。1.屏蔽的概念，屏蔽就是功能，2。在信号传输中使用屏蔽技术，一种是使用双绞线，其中一条用作屏蔽线，另一条用作信号传输线；二是采用金属网编织屏蔽线，金属网作为屏蔽外层，芯线用于传输信号。其基本原理是：金属网屏蔽线用于抑制静电感应干扰，双绞线用于抑制电磁感应干扰。

7、16，2020/7/4，13.3.5隔离技术，隔离是指将干扰源和易受干扰的部分与电路隔离，使单片机应用系统只与现场保持信号接触，而不直接进行电接触。隔离的实质是切断引入干扰的通道，从而达到隔离场干扰的目的。一般工业用的单片机测控系统包括弱电控制和强电控制。弱电和强电隔离是保证系统稳定和设备及操作人员安全的重要措施。常用的隔离方法有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。测量和控制装置与现场信号之间，弱电流和强电流。隔离的概念，17，2020/7/4，光电隔离是通过光电耦合器件实现的，光电耦合器是通过光传输信号的器件。其输入端装有一个发光源，其输出端装有一个光接收器，因此输入和输出完全电气隔离。输入

8、和输出之间没有电接触，通过电耦合可以有效防止输入端的电磁干扰进入单片机测控系统。目前，由发光二极管和光电晶体管组成的光电耦合器被广泛使用，如下图所示。1光电隔离，13.3.5隔离技术，-光电耦合器，18，2020/7/4，13.3.5隔离技术，光电耦合器在实际电路中的应用实例，-光电隔离的应用，模拟信号采集电路的光电耦合器输入电路(信号从发射器引出)，脉冲信号输入电路。19，2020/7/4，13.3.5隔离技术，电路采用光电耦合作为输出，其中J为继电器线圈，-应用光电隔离，电路采用光电耦合器控制晶闸管，光电耦合器在实际电路中的应用实例，20，2020/7/4，13.3.5隔离技术，继电器，2

9、继电器隔离，-继电器隔离，21，2020/7/4，脉冲变压器可以实现数字信号隔离。脉冲变压器的匝数少，初级绕组和次级绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容只有几个PF，可以作为脉冲信号的隔离装置。3、变压器隔离，13.3.5隔离技术-脉冲变压器隔离，22，2020/7/4，13.3.6接地技术。实践证明，单片机测控系统和其他工业电子设备的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好的接地可以在很大程度上抑制系统的内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的可靠性相反，如果接地处理不好，会导致噪声耦合和严重干扰。因此，在抗干扰设计中，应认真考虑接地方式。接地的功能，23，2020/7/4，“接地”在电

10、气设备中通常有两个含义：一个是“接地”，另一个是“工作参考地”。“地球”是指地球。此时，所谓的接地是指电气设备的金属外壳和线路通过接地线和电极与地球相连。这种接地可以保证设备和人员的安全，提供静电屏蔽路径，减少电磁感应噪声。“工作参考地”是指信号电路的参考导体，如系统电源的零电位，也称为“系统地”。在这种情况下，接地指的是将器件内部每个单元电路的信号回路线与参考导体连接起来。这种接地的目的是为电路提供稳定的参考电位。这种接地的要求是最小化接地回路中公共阻抗的压降，从而减少系统中施加到公共阻抗的干扰信号的耦合。13.3.6接地技术，1接地的含义“接地”和“系统接地”，24，2020/7/4，2接

11、地目的，13.3.6接地技术，电气设备的接地目的，一是为各电路的运行提供参考电位，二是为了安全，三是为了抑制干扰1)安全根据用电规定，电气设备的金属外壳必须接地，这称为安全接地。其目的是防止电气设备金属外壳上的过电压和漏电流危及人身和设备安全。2)干扰抑制电子设备的某些部分可以接地以抑制干扰。例如，金属屏蔽的接地可以抑制变化的电场的干扰；一个双绞线用作信号线，另一个在两端接地以防止电磁干扰；大型电子设备对地分布电容通常较大，选择合理的接地点可以削弱分布电容的影响。-接地目的，25，2020/7/4，1)安全接地是指设备金属外壳的接地。有必要保护高压电气设备的用户免受电击，一般要求接地电阻rd1

12、0。2)工作接地意味着信号回路连接到参考导体或参考电位点。参考电位的连接线称为工作地线，也称为系统地线，是控制回路DC电源的零线。电子设备有三种工作接地方式：浮地、直接接地、容性接地、13.3.6接地技术、3类接地、安全接地和工作接地、26，2020/7/4、浮地：设备的整个接地系统与地面之间没有导体连接，悬浮的“地”作为系统的参考电位。它适用于对地电阻大、对地分布电容小的电子系统。在这种接地模式下，外部共模干扰引起的干扰电流非常小。直接接地是指将控制系统中的参考电位点直接接地。当控制设备对地分布电容较大时，只要合理选择接地点，分布电容的影响就可以得到抑制。电容器接地：指通过电容器将工作接地与

13、接地相连。接地电容主要为高频干扰成分提供接地通道，抑制分布电容的影响。电容器接地主要用于工作接地和接地之间存在DC或低频电位差的情况。所用电容器应具有良好的高频特性和耐压性能，一般为210，13.3.6接地技术-工作接地，27，2020/7/4，3)屏蔽接地是指电缆、变压器和其他屏蔽层的接地。为了抑制变化电场的干扰，屏蔽保护被广泛应用于单片机测控系统和其他电子设备中，如电力变压器一次、二次屏蔽层、功能器件或线路的屏蔽罩等。为了完全抑制干扰浮动模式可以使测控系统不受地电流的影响，提高系统的抗干扰性能。由于大部分高压设备采用保护接地，浮动技术切断了高压和弱电之间的连接，系统运行安全可靠。从防止静电

14、干扰和电磁感应干扰的角度，以及从个人设备安全的角度来看，有必要对单片机系统的设备外壳或机箱进行屏蔽和接地。13.3.6接地技术，4单片机测控系统接地技术，1)浮地屏蔽接地方案，31，2020/7/4，13.3.6接地技术，浮地屏蔽接地方案的应用，32，2020在低频电路中，接地电路应避免形成回路，因此应在一点接地。13.3.6接地技术，2)一点接地和多点接地原理，屏蔽接地原理，33，2020/7/4，13.4软件抗干扰技术，软件抗干扰技术的主要研究内容：采用软件方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰影响，如数字滤波技术；当运行中的程序由于干扰而产生混乱，导致程序飞行或陷入无限循环时，应采取软件冗余

15、、软件陷阱和“看门狗”技术等措施使程序正式化。这些方法可以通过软件来实现，或者通过软件和硬件的结合来实现。常见的软件抗干扰措施包括：输入端口信号的重复检测，输出端口数据刷新指令的冗余软件陷阱“看门狗”数字滤波，13.4.1软件抗干扰的一般方法，34，2020/7/4，13.4.2指令冗余技术，以及可以采取的措施，使“飞来飞去”的程序在程序区快速地进入正确的轨道手动插入一些单字节指令NOP在关键的地方；覆盖有效的单字节指令。上述措施被称为指令冗余。此外，在系统流向中起重要作用的指令，如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等。可以在这些指令前插入两个nop，这样可以把飞行程序放在正确的轨道

16、上并保证这些重要指令的执行。使用指令冗余技术使计算机进入正确轨道的条件是，失控的计算机必须指向程序运行区域，并且必须执行冗余指令。-指令冗余方法，35，2020/7/4，13.4.3软件陷阱技术，当飞行程序进入非程序区，如EPROM的未使用空间或表区，冗余指令被用来使程序的入轨条件不满足。这时，你可以设置一个软件陷阱，拦截飞行的程序，并迅速把它引到一个指定的位置，在那里有一个特殊的程序来处理程序的运行错误。软件陷阱是指将飞行程序引导到指定位置，然后处理错误。通常，转移指令被用来强制引导被捕获的飞行程序到指定的入口地址，在那里有一个特殊的程序来处理错误，以便程序可以被放在正确的轨道上。因此，首先要合理设计陷阱，然后在适当的位置布置陷阱。通常，软件陷阱将被安排在以下位置。-