單片機(jī)測控系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

　　摘 要：本文針對單片機(jī)測控系統(tǒng)中的干擾因素，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)給出了采取軟、硬件兩種方法抗干擾的具體措施。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī)測控系統(tǒng)抗干擾

    概述

    干擾是造成單片機(jī)測控系統(tǒng)故障的主要原因之一。干擾對系統(tǒng)的影響輕則影響測量與控制精度，重則使工作系統(tǒng)完全失常。要消除干擾必須抓住形成干擾的三要素，即：干擾源、耦合通道和接收設(shè)備。

    1干擾因素

    在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，主要存在空間輻射干擾、信號通道干擾、電源干擾和數(shù)字電路引起的干擾。

    抗干擾就是針對干擾的產(chǎn)生性質(zhì)、傳播途徑、侵入的位置和侵入的形式，采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ蓴_源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性，通常需要采取“綜合治理”的措施。

    (1) 合理選擇元器件

    根據(jù)電器參數(shù)選擇合理器件以滿足系統(tǒng)性能要求。盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的元器件。

    (2) 電源干擾的抑制

    在交流電網(wǎng)進(jìn)線端并接壓敏電阻，吸收浪涌電壓，也可防雷。高頻電感與電路電容組成的低通濾波器，可抑制電網(wǎng)引入的高頻噪聲。可采取模擬電路與數(shù)字電路的電源分開、電源浮空技術(shù)、使用電源隔離變壓器、隔離電源技術(shù)和電源濾波技術(shù)。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須注意讓諧振頻率遠(yuǎn)小于干擾頻率。

    (3) 電場、磁場干擾的抑制

    采用由導(dǎo)電性能良好的金屬作屏蔽盒，并接大地，則屏蔽盒內(nèi)電力線不會(huì)影響外部，同時(shí)外部的電力線也不會(huì)穿透屏蔽盒進(jìn)入內(nèi)部，前者可抑制干擾源，后者可阻截干擾的傳輸途徑，起電場隔離的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封閉式結(jié)構(gòu)為妥，并接大地。

    (4) 接地技術(shù)

    單片機(jī)測控系統(tǒng)中的高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地；交流地和信號地不能共用；將系統(tǒng)的各個(gè)部分全部與大地浮置起來，但系統(tǒng)中的各機(jī)殼接地；對于數(shù)字地，印刷板中的地線應(yīng)成網(wǎng)狀，而且其他布線不要形成環(huán)路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路，印刷板中的條線不能長距離平行，不得已時(shí)，應(yīng)加隔離電極和跨接線或屏蔽；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號較弱時(shí)，可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術(shù)提高抗共模干擾的能力；系統(tǒng)中的高增益放大電路最好用金屬罩屏蔽起來。將屏蔽體接到放大電路的公共端，將寄生電容短路防止反饋，避免放大器的震蕩；對于功率地，由于地線的電流較大，接地線的線徑應(yīng)較粗，且與小信號地線分開，連直流地；對于小信號前置放大電路本身采用一點(diǎn)接地，不能一個(gè)電路多點(diǎn)接地，A/D前置放大電路一般浮空。內(nèi)存放大電路的印刷電路板上一點(diǎn)入地，這類放大器的地線一定要遠(yuǎn)離功率地和噪聲地。

    (5) 通道干擾

    a) 隔離技術(shù)

    隔離分對模擬信號的隔離和對數(shù)字信號的隔離，對數(shù)字信號的隔離通常采用光電耦合器。因這種方法信號的傳遞是通過光信號實(shí)現(xiàn)的沒有直接的電信號連接，因此隔離了干擾的傳遞途徑，但這種方法隔離不斷輻射，感應(yīng)干擾，且光電耦器件隔離傳導(dǎo)干擾的能力只有1kV左右。在具體電路設(shè)計(jì)時(shí)在A/D后和D/A前加光電耦合器，其電源與微機(jī)的電源必須獨(dú)立，地線必須分開，保證微機(jī)與現(xiàn)場僅有光的聯(lián)系，切斷干擾通路也避免形成環(huán)流，對于強(qiáng)干擾或長線傳輸可采用兩次隔離，既可消除干擾，又能解決長線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配等問題。對于模擬信號的隔離，通常采用隔離放大器，利用隔離放大器內(nèi)的變壓器將信號磁耦合，隔斷通路的線路連接，從而切斷干擾源，也可采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)模擬信號隔離，即由電壓-頻率轉(zhuǎn)換器VFC把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再通過光電耦合器隔離，而光電耦合器的輸出信號在由頻率-電壓轉(zhuǎn)換器FVC轉(zhuǎn)換成模擬信號。在多點(diǎn)巡回檢測微機(jī)系統(tǒng)中若被測信號變化較慢，其多路模擬開關(guān)可選用由干簧繼電器或濕簧繼電器做成的電容飛渡式多路模擬開關(guān)來切斷被測信號與信號通道的連線，從而起到抗干擾作用。由于負(fù)脈沖傳輸抗干擾能力比正脈沖強(qiáng)，所以，一般在長線傳輸時(shí)，采用負(fù)脈沖傳輸。而且速度不高時(shí)，在始端用驅(qū)動(dòng)器比用一般的TTL效果要好。用OC門作雙向總線傳輸可以把輸出端連在一起，直接用來單向、雙向總線傳輸。

    b) 通道中器件選擇與抗干擾

    多路轉(zhuǎn)換器的輸入常常受到各種環(huán)境噪聲的污染，尤其易受到共模噪聲的干擾。在多路轉(zhuǎn)換器輸入端接入共模扼流圈，可抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲。轉(zhuǎn)換器高頻采樣時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲，應(yīng)在單片機(jī)與A/D之間采用光電耦合器隔離。在傳感器工作環(huán)境復(fù)雜和惡劣時(shí)，應(yīng)選擇測量放大器，使其在微弱信號系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。為了防止共模噪聲竄入系統(tǒng)可以采用隔離放大器。采樣保持器電路(S/H)在采樣與保持兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)竄入干擾，為了減少誤差，印刷電路布線時(shí)，使邏輯輸入端的走線與模擬輸入端盡可能距離遠(yuǎn)些，或者將模擬輸入端用地線包圍起來，以降低線間寄生電容耦合和隔斷漏電通路。降低邏輯輸入信號的幅度也可以減少寄生耦合和漏電耦合干擾。配置總線驅(qū)動(dòng)器可提高總線的負(fù)載能力，改善信號波形。當(dāng)總線的負(fù)載接近負(fù)載總線的驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，可能會(huì)影響總線信號的邏輯電平，可通過連接某I/O線到數(shù)據(jù)線來改善總線的不平衡程度，提高系統(tǒng)的可靠性。在總線上適當(dāng)安裝上拉電阻也可提高總線信號傳輸?shù)目煽啃浴?

    (6) 布線抗干擾設(shè)計(jì)

    為防止長線傳輸中的竄擾，采用交差走線是行之有效的辦法。長線傳送時(shí)，功率線、載流線和信號線分開，電位線和脈沖線分開。把空余的輸入端與使用端并聯(lián)。把空余的輸入端通過一個(gè)電阻接高電平，這種方法適用于慢速、多干擾的場合。把空余的輸入端懸空，用一反相器接地。這種方法適用于要求嚴(yán)格的場合。在數(shù)字電路的每塊組件上，都要分別裝設(shè)高頻去耦電容，而且這些電容應(yīng)充分靠近集成塊，而不應(yīng)集中在印刷板上每一端。每塊印刷板的電源引進(jìn)端也應(yīng)加去耦電容。直流配電線的引出端應(yīng)盡量作成低阻抗傳輸線。由于快速邏輯電路產(chǎn)生高頻干擾，所以這些電路均應(yīng)按高頻電路處理，應(yīng)將邏輯電路的印刷板良好接地。存儲(chǔ)器的布線抗干擾設(shè)計(jì)，一般采取的措施有：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量縮短，以減少對地電容。由于開關(guān)噪聲嚴(yán)重，要在電源入口處以及每片存儲(chǔ)芯片的VCC與GND之間接入去耦電容。由于負(fù)載電流大，電源線和地線要加粗，走線盡量短。印制板兩面的三總線互相垂直，以防止總線之間的電磁干擾?？偩€的始端和終端要配置合適的上拉電阻，以提高高電平噪聲容限，增加存儲(chǔ)器端口在高阻狀態(tài)下抗干擾能力和削弱反射波干擾。三總線與其他擴(kuò)展板相連接時(shí)，通過三態(tài)緩沖門后連接?？梢杂行Х乐雇饨珉姶鸥蓴_，改善波形和削弱反射干擾。

    (7) 軟件抗干擾措施

    a) 數(shù)字濾波技術(shù)

    通常使用的方法有：算術(shù)平均法、中值法、抑制脈沖算術(shù)平均法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。

    b) 軟件冗余

    對于條件控制系統(tǒng)，對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為多采樣、處理控制輸出。可有效地消除偶然干擾。

    c) 設(shè)置軟件陷阱

    當(dāng)由于干擾使操作系統(tǒng)失控而進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

    d) 重要指令冗余

    對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、JZ、JC、JNC等)和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

    e) “看門狗”技術(shù)

    PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序進(jìn)入“死循環(huán)”。指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，又稱“看門狗”技術(shù)(Watchdog)，“看門狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到0000H入口，在0000H處安排一段出錯(cuò)處理程序，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正軌。在設(shè)計(jì)看門狗時(shí)可設(shè)計(jì)兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長定時(shí)器，并各自獨(dú)立，短定時(shí)器像典型看門狗一樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反映速度，長定時(shí)器的定時(shí)大于CPU執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，用來防止看門狗失效。

    f) 數(shù)據(jù)的保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)

    在編寫程序的過程中，對于由指令改變結(jié)果性質(zhì)的數(shù)據(jù)，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護(hù)起來，以便必要時(shí)恢復(fù)。有時(shí)計(jì)算機(jī)在強(qiáng)制復(fù)位后，I/O端口和特殊寄存器SFR中的內(nèi)容都將變成芯片出廠時(shí)的設(shè)定值，這很有可能引起系統(tǒng)的運(yùn)行混亂。因此單片機(jī)在重新啟動(dòng)后，應(yīng)當(dāng)首先執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)程序，把控制端口等重要寄存器被保護(hù)的內(nèi)容恢復(fù)還原。

    g) NOP的使用

    在雙字節(jié)和3字節(jié)指令之后插入兩個(gè)單字節(jié)NOP指令，這可保證指令不被拆散。因?yàn)椤皝y飛”的程序即使落到操作數(shù)上，由于兩個(gè)空操作指令NOP的存在，不會(huì)將其后的指令當(dāng)操作數(shù)執(zhí)行，從而使程序納入正軌。

    參考文獻(xiàn)

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    2  陳潤泰.檢測技術(shù)與智能儀表.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1998

    3  王柏林.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)與對策.電子技術(shù)應(yīng)用，2002，2