單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)
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企業(yè)：控制網(wǎng)
領(lǐng)域：人機界面
行業(yè)：輸配電
- 點擊數(shù)：1624 發(fā)布時間：2005-09-22 14:22:31
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著重分析了干擾對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的影響，并結(jié)合親身經(jīng)驗，從軟、硬兩個方面闡述了單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，這些技術(shù)在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。
1． 引 言
近年來，單片機在工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，有效地提高了生產(chǎn)效率。但是，測控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往復(fù)雜、比較惡劣，尤其是系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境，這對系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成了極大的威脅。單片機測控系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠運行，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大損失。下面著重分析干擾對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的影響，并結(jié)合親身經(jīng)驗，從軟、硬兩個方面給出具體的解決方法。
2． 干擾對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的影響
影響應(yīng)用系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電磁干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件安裝、加工工藝和外部電磁環(huán)境條件等。這些因素對單片機系統(tǒng)造成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
2.1 測量數(shù)據(jù)誤差加大
干擾侵入單片機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在測量信號上，會使數(shù)據(jù)采集誤差加大，甚至干擾信號淹沒測量信號，特別是檢測一些微弱信號，如人體的生物電信號。
2.2 影響單片機RAM存儲器和E2PROM等
在單片機系統(tǒng)中，程序及表格、數(shù)據(jù)存在程序存儲器EPROM或FLASH中，避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞。但是，對于片內(nèi)RAM、外擴RAM、E2PROM中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。
2.3 控制系統(tǒng)失靈
單片機輸出的控制信號通常依賴于某些條件的狀態(tài)輸入信號和對這些信號的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信息，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。
2.4 程序運行失常
外界的干擾有時導(dǎo)致機器頻繁復(fù)位而影響程序的正常運行。若外界干擾導(dǎo)致單片機程序計數(shù)器PC值的改變，則破壞了程序的正常運行。由于受干擾后的PC值是隨機的，程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴(yán)重混亂或死機。
3． 硬件抗干擾技術(shù)
3.1 選擇良好的元器件與單片機
硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。常用的硬件設(shè)計抗干擾措施如下：
① 現(xiàn)在市場上出售的元器件種類繁多，有些元器件可用但性能不佳，有些元器件極易受到干擾，因此在選擇關(guān)鍵元器件如譯碼器、鍵盤掃描控制器、RAM等時，最好選用性能穩(wěn)定的工業(yè)級產(chǎn)品；
② 單片機的選擇不光考慮硬件配置、存儲容量等，更要選擇抗干擾性能較強的單片機，筆者在使用多種類型的單片機中認為，AVR系列單片機抗干擾能力較強；
③ 外時鐘是高頻的噪聲源，對系統(tǒng)的內(nèi)外都能產(chǎn)生干擾，因此在滿足需要的前提下，選用頻率低的單片機是明智之舉。
3.2 抑制電源干擾
單片機系統(tǒng)中的各個單元都需要使用直流電源，而直流電源一般是市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后產(chǎn)生的，因此電網(wǎng)上的各種干擾便會引入系統(tǒng)。除此之外，由于交流電源共用，各電子設(shè)備之間通過電源也會產(chǎn)生相互干擾，因此抑制電源干擾尤其重要。電源干擾主要有以下幾類：
① 電源線中的高頻干擾
供電電力線相當(dāng)于一個接受天線，能把雷電、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成對單片機系統(tǒng)的干擾；
② 感性負載產(chǎn)生的瞬變噪音
切斷大容量感性負載時，能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪音干擾，成為電磁干擾的主要形式；
③ 晶閘管通斷時的干擾
晶閘管通斷時的電流變化率很大，使得晶閘管在導(dǎo)通瞬間流過一個具有高次諧波的大電流，在電源阻抗上產(chǎn)生很大的壓降，從而使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，這種畸變了的電壓波形含有高次諧波，可以向空間輻射或通過傳導(dǎo)耦合，干擾其它設(shè)備。此外，還有電網(wǎng)電壓波動或電壓瞬時跌落產(chǎn)生干擾，等等。
電源干擾的抑制，通常可采用以下幾種方法：
① 接地技術(shù)
實踐證明，單片機系統(tǒng)設(shè)備的抗干擾與系統(tǒng)的接地方式有很大關(guān)系，接地技術(shù)往往是抑制噪音的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪音耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)備的金屬外殼等要安全接地；屏蔽用的導(dǎo)體必須良好接地；
② 屏蔽線與雙膠線傳輸
屏蔽線對靜電干擾有強的抑制作用，而雙膠線有抵消電磁感應(yīng)干擾的作用。開關(guān)信號檢測線和模擬信號檢測線可以使用屏蔽雙膠線，來抵御靜電和電磁感應(yīng)干擾；特殊的干擾源也可以用屏蔽線連接，屏蔽了干擾源向外施加干擾；
③ 隔離技術(shù)
信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離出來，使監(jiān)控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實質(zhì)是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。
一般單片機應(yīng)用系統(tǒng)既有弱電控制系統(tǒng)又有強電控制系統(tǒng)，通常實行弱電和強電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、設(shè)備與操作人員安全的重要措施。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。
④ 模擬信號采樣抗干擾技術(shù)
單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常要對一個或多個模擬信號進行采樣，并將其通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。為了提高測量精度和穩(wěn)定性，不僅要保證傳感器本身的轉(zhuǎn)換精度、傳感器供電電源的穩(wěn)定、測量放大器的穩(wěn)定 、A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，而且要防止外部電磁感應(yīng)噪聲的影響，如果處理不當(dāng)，微弱的有用信號可能完全被無用的噪音信號淹沒。在實際工作中，可以采用具有差動輸入的測量放大器，采用屏蔽雙膠線傳輸測量信號，或?qū)㈦妷盒盘柛淖優(yōu)殡娏餍盘枺约安捎米枞轂V波等技術(shù)。
在許多信號變化比較慢的采樣系統(tǒng)中，如人體生物電（心電圖、腦電圖）采樣、地震波記錄等，影響最大的是50Hz的工頻干擾。因此對工頻干擾信號的抑制是保證測量精度的重要措施之一。抑制和消除工頻干擾，常用的方法是在A/D轉(zhuǎn)換電路之前加RC濾波器，或者采用采樣時間是50Hz的工頻周期整數(shù)倍的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。
3.3 數(shù)字信號傳輸通道的抗干擾技術(shù)
數(shù)字輸出信號可作為系統(tǒng)被控設(shè)備的驅(qū)動信號（如繼電器等），數(shù)字輸入信號可作為設(shè)備的響應(yīng)回答和指令信號（如行程開關(guān)、啟動按鈕等）。數(shù)字信號接口部分是外界干擾進入單片機系統(tǒng)的主要通道之一。在工程設(shè)計中，對數(shù)字信號的輸入/輸出過程采取的抗干擾措施有：傳輸線的屏蔽技術(shù)，如采用屏蔽線、雙膠線等；采用信號隔離措施；合理接地，由于數(shù)字信號在電平轉(zhuǎn)換過程中形成公共阻抗干擾，選擇合適的接地點可以有效抑制地線噪聲。
3.4 硬件監(jiān)控電路
在單片機系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行，增強抗干擾能力，需要配置硬件監(jiān)控電路，硬件監(jiān)控電路從功能上包括以下幾個方面：
① 上電復(fù)位：保證系統(tǒng)加電時能正確地啟動；
② 掉電復(fù)位：當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產(chǎn)生復(fù)位信號對系統(tǒng)進行復(fù)位；
③ 數(shù)據(jù)保護：當(dāng)電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進行必要的保護，如寫保護、后備電池切換等；
④ 電源監(jiān)測：供電電壓出現(xiàn)異常時，給出報警指示信號或中斷請求信號；
⑤ 硬件看門狗：當(dāng)處理器遇到干擾或程序運行混亂產(chǎn)生“死鎖”時，對系統(tǒng)進行復(fù)位。
有些著名的半導(dǎo)體廠商已將上述這些功能集成到一起，如MAXIM公司的MAX690、MAX706等。
3.5 印制板電路合理布線
印制電路板（PCB）是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高，PCB設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設(shè)計時，必須遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。下面著重說明兩點：
① 關(guān)鍵器件放置：在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些；CPU復(fù)位電路、硬件看門狗電路要盡量靠近CPU相應(yīng)引腳；易產(chǎn)生噪聲的器件、大電流電路等應(yīng)盡量遠離邏輯電路，如有可能，應(yīng)另外做電路板。
② D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路要特別注意地線的正確連接，否則干擾影響將很嚴(yán)重。D/A、A/D芯片及采樣芯片均提供了數(shù)字地和模擬地，分別有相應(yīng)的管腳。在線路設(shè)計中，必須將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連，但數(shù)字地與模擬地僅在一點上相連。
另外，也可以采用屏蔽保護，屏蔽可用來隔離空間輻射。對噪聲特別大的部件（如變頻電源、開關(guān)電源）可以用金屬盒罩起來以減少噪聲源對單片機的干擾，對容易受干擾的部分，可以增加屏蔽罩并接地，使干擾信號被短路接地。
4． 軟件抗干擾原理及方法
盡管我們采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產(chǎn)生的原因錯綜復(fù)雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統(tǒng)完全不受干擾。因此，往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾技術(shù)加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費低等特點，在單片機系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。
4.1 數(shù)字濾波方法
數(shù)字濾波是在對模擬信號多次采樣的基礎(chǔ)上，通過軟件算法提取最逼近真值數(shù)據(jù)的過程。數(shù)字濾波的的算法靈活，可選擇權(quán)限參數(shù)，其效果往往是硬件濾波電路無法達到的。
4.2 輸入信號重復(fù)檢測方法
輸入信號的干擾是疊加在有效電平信號上的一系列離散尖脈沖，作用時間很短。當(dāng)控制系統(tǒng)存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可用軟件重復(fù)檢測的方法，達到“去偽存真”的目的，直到連續(xù)兩次或連續(xù)兩次以上的采集結(jié)果完全一致時方為有效。若信號總是變化不定，在達到最高次數(shù)限額時，則可給出報警信號。對于來自各類開關(guān)型傳感器的信號，如限位開關(guān)、行程開關(guān)、操作按鈕等，都可采用這種輸入方式。如果在連續(xù)采集數(shù)據(jù)之間插入延時，則能夠?qū)Ω遁^寬的干擾。
4.3 輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法
開關(guān)量輸出軟件抗干擾設(shè)計，主要是采取重復(fù)輸出的方法，這是一種提高輸出接口抗干擾性能的有效措施。對于那些用鎖存器輸出的控制信號，這些措施很有必要。在盡可能短的周期內(nèi)，將數(shù)據(jù)重復(fù)輸出，受干擾影響的設(shè)備在還沒有來得及響應(yīng)時，正確的信息又到來，這樣就可以及時防止誤動作的產(chǎn)生。在程序結(jié)構(gòu)的安排上，可為輸出數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在程序的周期性循環(huán)體內(nèi)將數(shù)據(jù)輸出。對于增量控制型設(shè)備不能這樣重復(fù)送數(shù)，只有通過檢測通道，從設(shè)備的反饋信息中判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。
在執(zhí)行重復(fù)輸出功能時，對于可編程接口芯片，工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復(fù)設(shè)置，使輸出模塊可靠地工作。
4.4 軟件攔截技術(shù)
當(dāng)竄入單片機系統(tǒng)的干擾作用在CPU部位時，后果更加嚴(yán)重，將使系統(tǒng)失靈。最典型的故障是破壞程序計數(shù)器PC的狀態(tài)，導(dǎo)致程序從一個區(qū)域跳轉(zhuǎn)到另一個區(qū)域，或者程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入“死循環(huán)”。使用軟件攔截技術(shù)可以攔截“亂飛”的程序或者使程序擺脫“死循環(huán)”，并將運行程序納入正軌，轉(zhuǎn)到指定的程序入口。
4.5 “軟件看門狗”技術(shù)
PC受到干擾而失控，引起程序“亂飛”，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。當(dāng)軟件攔截技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境時，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)WDT TIMER（WDT），又稱“看門狗”技術(shù)，使程序脫離“死循環(huán)”。WDT是一種軟、硬件結(jié)合的抗程序跑飛措施，其硬件主體是一個用于產(chǎn)生定時T的計數(shù)器或單穩(wěn)，該計數(shù)器或單穩(wěn)基本獨立運行，其定時輸出端接至CPU的復(fù)位線，而其定時清零則由CPU控制。在正常情況下，程序啟動WDT后，CPU周期性的將WDT清零，這樣WDT的定時溢出就不會發(fā)生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下，CPU時序邏輯被破壞，程序執(zhí)行混亂，不可能周期性的將WDT清零，這樣當(dāng)WDT的定時溢出時，其輸出使系統(tǒng)復(fù)位，CPU擺脫因一時干擾而陷入癱瘓的狀態(tài)。
5． 結(jié) 語
上述是筆者在實際工作中總結(jié)的一些常見的單片機系統(tǒng)抗干擾措施，在設(shè)計單片機系統(tǒng)時也采納了這些方法，并取得了良好的效果。
案例頻道
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號
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