詳解單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

隨著工業(yè)控制的發(fā)展，單片機應(yīng)用系統(tǒng)以其高性價比逐步取代模擬式控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。應(yīng)用現(xiàn)場存在著各種干擾源，對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的工作影響很大，在實驗室里設(shè)計好的控制系統(tǒng)，安裝調(diào)試時完全符合設(shè)計要求，而置入現(xiàn)場后，系統(tǒng)常常無法正常穩(wěn)定地工作。干擾雖不能直接造成硬件的損壞，但常使計算機不能正常運行以致控制失靈，造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，為了保證設(shè)備在實際應(yīng)用中可靠地工作，從系統(tǒng)設(shè)計開始就必須充分考慮到對系統(tǒng)抗干擾性能的要求。

1 干擾源、干擾途徑和干擾的影響

1.1 應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源及干擾途徑

應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源是因在設(shè)計系統(tǒng)時對某些問題考慮不全面，如元器件布局不合理、電路工作不可靠、元器件質(zhì)量差等，形成諸如電阻熱噪聲干擾、半導(dǎo)體散粒噪聲干擾、接觸噪聲干擾、過程通道干擾、公共電阻形成的干擾等。這些干擾現(xiàn)象隨流動元器件電流增大越加明顯，這些噪聲電流通過系統(tǒng)自身電路和通道而影響系統(tǒng)，其結(jié)果是使系統(tǒng)控制精度下降。

1.2 電磁干擾源及干擾途徑

工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾源很多，如動力斷路器斷弧過程中的多次復(fù)燃、電磁鐵線圈電感和分布電容的諧振、大電流電弧的電磁輻射、工頻輸電線附近所存在的強大交變電場和磁場以及來源于太陽等天體輻射的電磁波、雷電和地磁場的變化都可歸結(jié)為電磁干擾。干擾信號通過導(dǎo)線或回路之間的互感耦合、電容耦合進入控制系統(tǒng)。電磁干擾造成的后果輕者使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，重者將使系統(tǒng)不能正常工作。

1.3 供電系統(tǒng)干擾

由于工業(yè)現(xiàn)場運行的大功率設(shè)備眾多，特別是大感性負(fù)載設(shè)備的啟停，使得電網(wǎng)電壓大幅度浪涌與下陷，有時會出現(xiàn)長時間的過壓、欠壓和短時間的尖峰電壓，他們十分方便地以線路傳輸形式經(jīng)電源線進入控制系統(tǒng)，其中過壓干擾是單片機控制系統(tǒng)最為惡劣的干擾。

1.4 干擾產(chǎn)生的后果

干擾常使系統(tǒng)程序"跑飛"，造成"死機"，數(shù)據(jù)采集誤差加大或數(shù)據(jù)發(fā)生變化，控制狀態(tài)失靈，系統(tǒng)被控對象不穩(wěn)定或誤操作等。

2 應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

硬件抗干擾總的原則是消除干擾源、切斷干擾侵入途徑和設(shè)計低噪聲電路。

2.1 電磁干擾的抑制措施

工業(yè)微機系統(tǒng)比一般計算機更多地受著各種電磁場干擾的影響。電磁場干擾可能來自系統(tǒng)外部，也可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，抑制電磁干擾的主要手段就是采取屏蔽。方式有兩種：一是將易干擾的電路或設(shè)備等屏蔽起來，以防接收輻射干擾；另一種是將輻射源屏蔽起來，防止輻射出干擾影響其他電路。另外，系統(tǒng)可以浮置(如信號地不接機殼或大地)來阻斷干擾電流的通路，設(shè)備內(nèi)部具有輻射能力的電路要獨立遠(yuǎn)置，以減少對其他電路的影響。

2.2過程通道干擾的抑制

(1) 光電耦合隔離，采用光電耦合可以切斷主機與前向、后向通道電路以及其他主機電路的聯(lián)系，能有效地防止干擾從過程通道進入主機，同時對抗共地干擾也有好處。

(2)雙絞線傳輸，雙絞線能使各小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾、共模噪聲有一定的抑制效果。

(3)長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?，要求信號源的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗與接收端的輸入阻抗相等。否則，信號在傳輸線上會產(chǎn)生反射，造成失真。

2.3 印制電路板的抗干擾設(shè)計

電路板是微機系統(tǒng)中器件、信號線、電源線高密度集合體，對抗干擾性能影響很大，電路板設(shè)計、布線及接地不妥可能使整個系統(tǒng)無法正常運行。

(1)印制電路板：大小要適中。過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高；過小，散熱不好，且易受干擾。盡量使用多層印制板，保證良好的接地網(wǎng)，減少地電位差。

(2)器件布置上：把相關(guān)的器件就近放置，易產(chǎn)生噪聲的電路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主機電路，發(fā)熱量大的器件應(yīng)考慮散熱問題，I/O驅(qū)動器件盡量靠近印制板邊上放置。閉置的lC管腳不要懸空，元器件腳避免相互平行，以減少寄生耦合。如有可能，盡量使用貼片元件。

(3)布線：電路之間的連接應(yīng)盡量短，容易受干擾的信號線要重點保護，不能與能夠產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行；交直流電路要分開；對雙面布線的印制電路板，應(yīng)使兩面線條垂直交叉，以減少磁場耦合效應(yīng)。

(4)接地：交流地與信號地不能共用，以減少電源對信號的干擾；數(shù)字地、模擬地分開設(shè)計，在電源端兩種地線相連；對于多級電路，設(shè)計時要考慮各級動態(tài)電流，注意接地阻抗相互耦合的影響，工作頻率低于1 MHz時采用一點接地，工作頻率較高時采取多點接地，接地線應(yīng)盡量粗。

(5)去耦電容：加去耦電容是印制電路板設(shè)計的一項常規(guī)做法。在電源輸入端跨接10～100 μF的電解電容或鉭電容，在每個集成電路芯片上安裝一個0.01 μF的陶瓷電容器。

2.4 供電系統(tǒng)抗干擾措施

(1)使用交流穩(wěn)壓器，可防止電網(wǎng)過電壓、欠電壓干擾，保證供電的穩(wěn)定性。

(2)變壓器初次級用屏蔽層隔離，減少其間分布電容，提高共模抗干擾能力。

(3)低通濾波器可濾去干擾帶來的高次諧波。

(4)整個系統(tǒng)采用分立式供電方式，分別對各部分進行供電。

(5)采用開關(guān)電源并提供足夠的功率余量。

3 應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或死機，可以通過手工復(fù)位、定時復(fù)位等方法來解決，也可以通過下面的方法來實現(xiàn)抗干擾。

3.1 在程序中插入空操作指令(指令冗余)

在程序執(zhí)行過程中， CPU受到干擾后可能會將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂，我們應(yīng)盡快使程序納入正軌。MCS51系列單片機指令不超過3 B，當(dāng)程序彈飛到某一單字節(jié)指上時，能自動納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，有可能落到操作數(shù)上，繼續(xù)出錯。在軟件設(shè)計時，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在一些關(guān)鍵地方插入NOP指令。如在雙字節(jié)，三字節(jié)指令后面插入2條NOP指令。另外，在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令(如RET，RETI,ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ)以保證彈飛的程序迅速納入程序軌道。

3.2 采用軟件陷阱

當(dāng)CPU受干擾，造成程序彈飛到非程序區(qū)，此時軟件冗余無能為力，可在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進人陷阱，強迫程序進入一個指定的地址，執(zhí)行一段專門對程序出錯進行處理的程序，軟件陷阱由3條指令構(gòu)成，其中ERR為指定地址：
NOP
NOP
LJMP ERR

軟件陷阱常安排在下列4種地方：
(1)未使用的中斷區(qū)。當(dāng)干擾使未使用的中斷開放．并激活這些中斷時，就會引起程序混亂。如果在這些地方設(shè)置軟件陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷。假如MCS51系統(tǒng)中使用3個中斷：INT0，INT1，T1，他們的中斷子程序分別在PINT0，PINT1，PT1，T0和串行口不使用中斷,中斷向量區(qū)可以設(shè)置如下：

(2)未使用的大片 ROM空間。對于未使用的ROM單元，正常狀態(tài)下為OFFH，程序彈飛到這一區(qū)域后，如果不受新的干擾，將順序執(zhí)行，不再跳轉(zhuǎn)。只要每隔一段區(qū)域設(shè)置一個軟件陷阱，其他單元保持為0FFH不變，就一定能捕捉到彈飛到這里的程序。

(3)程序區(qū)。程序區(qū)由一串串執(zhí)行指令構(gòu)成，當(dāng)程序執(zhí)行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等無條件轉(zhuǎn)移類指令時，PC的值應(yīng)發(fā)生正常的跳變，此時程序不可能繼續(xù)往下順序執(zhí)行。若在這些指令后設(shè)置軟件陷阱，就可攔截彈飛到這里的程序，而又不影響正常執(zhí)行的流程。

(4)數(shù)據(jù)表格區(qū)。為了不破壞表格的連續(xù)性，可在數(shù)據(jù)表格區(qū)的尾部設(shè)置軟件陷阱。軟件陷阱安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，不影響程序執(zhí)行的效率，在E2PROM容量允許的條件下，多設(shè)置軟件陷阱有利而無害。

.3 睡眠抗干擾

有些單片機具有睡眠狀態(tài)，在該狀態(tài)下只有定時/計數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，這時CPU對系統(tǒng)三總線上出現(xiàn)的干擾不會作出任何反應(yīng)，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度。在應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU很多情況下是在執(zhí)行一些等待指令和循環(huán)檢查程序。由于這時CPU雖沒有重要工作，卻是清醒的，很容易受干擾?？梢宰孋PU在非正常工作時休眠，必要時再由中斷系統(tǒng)來喚醒他，工作完再進入休眠狀態(tài)。采用這種安排，CPU可以有60％以上的時間處于睡眠狀態(tài)，從而使CPU受到隨機干擾的威脅大大降低，同時也降低了CPU的功耗。

4"看門狗"技術(shù)

當(dāng)程序飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中或PC指針落到程序存儲器芯片地址之外，冗余指令和軟件陷阱對此無能為力，這時系統(tǒng)將完全癱瘓。這種情況下，只有復(fù)位。MCS96和8XC552等系列單片機內(nèi)部有一個WDT監(jiān)視定時器，是一個16位的計數(shù)器，輸人為系統(tǒng)時鐘，WDT被啟動后，開始對時鐘計數(shù)，計滿溢出時，可使RESET端出現(xiàn)適當(dāng)?shù)膹?fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位，在正常情況下，為了防止WDT溢出并復(fù)位整個系統(tǒng)，可在程序中周期地用指令清WDT，當(dāng)程序受到干擾而沒有正常地定期清WDT時，WDT的溢出就會使系統(tǒng)復(fù)位，從而恢復(fù)運行。

圖1中RST是外部復(fù)位引腳，是WDT啟動引腳，為"0"時，"看門狗"啟動而工作，對分頻后的脈沖計數(shù)，當(dāng)計滿溢出時，使單片機及外圍電路復(fù)位，編程時，為防止監(jiān)視定時器T3溢出，需要不斷對T3寫入。MCS51單片機內(nèi)部沒有WDT，可以由外電路來實現(xiàn)，圖2是用CD4060構(gòu)成的看門狗電路。

4060計數(shù)頻率由RT，CT決定，也可外接石英晶體，設(shè)實際運行的用戶程序所需工作周期為T0；分頻器計滿時間為T，當(dāng)T>T0且系統(tǒng)工作正常時，程序每隔T0對4060清除一次，CD4060無計滿輸出信號，如系統(tǒng)工作不正常，程序不對4060清除。分頻器計滿輸出一脈沖信號而使CPU復(fù)位。

5 結(jié) 語

抗干擾設(shè)計是單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的重要內(nèi)容。硬件抗干擾是主動的，而軟件抗干擾是被動的。由于干擾環(huán)境多種多樣，在設(shè)計時應(yīng)分析具體情況，選用針對性的抗干擾措施。在工程實踐中，通常幾種抗干擾方法并用，互相補充完善，以確保應(yīng)用系統(tǒng)能正常運行。