单片机控制系统抗干扰技术及电路设计注意事项

第七章单片机控制系统抗干扰技术本章将从干扰源的来源、硬件、软件以及电源系统各方面研究分析并给出有效可行的解决办法第一节干扰的来源及分析

1、主要的干扰源影响正常工作的__称为噪声，又称干扰举例在单片机控制系统中，出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵；在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，计数器收到干扰有可能乱记数，造成记数不准，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏凡是能产生一定能量，可以影响到周围电路正常工作的媒体都可认为是干扰源干扰有的来自外部，有的来自内部一般来说，干扰源可分为以下三类

①自然界的宇宙射线，太阳黑子活动，大气污染及雷电因素造成的；

②物质固有的，即电子元器件本身的热噪声和散粒噪声；

③人为造成的，主要是由电气和电子设备引起举例在系统工作的环境中广泛存在，包括动力电网的电晕量放电、绝缘不良的弧光放电、交流接触器、开关电感负载的继电器接点引起的电火花，照明灯管所引起的放电、变压器、电焊机、吊车，大功率设备启动浪涌，可控硅开关造成的瞬间尖峰，都会对电网产生影响另外像大功率广播、电视、通讯、雷达、导航、高频设备以及大功率设备所发出的空间电磁干扰系统本身电路的过渡过程，电路在状态转换时引起的尖峰电流，电感或电容所产生的瞬间电压和瞬变电流也会对系统工作产生千扰另外，印制电路板布局不合理、布线不周到、排列不合理、粗细不合理，使电路板自身产生相互影响，系统__布线不合理，强弱电走线不能分开，造成相互干扰

1、噪声干扰产生的原因

①电路性干扰电路性干扰是由于两个回路经公共阻抗耦合而产生的，干扰量是电流

②电容性干扰电容性干扰是由于干扰源与干扰对象之间存在着变化的电场，从而造成了干扰影响，干扰量是电压

③电感性干扰电感性干扰是由于干扰源的交变磁场在干扰对象中产生了干扰感应电压而产生感应电压的原因则是由于在干扰源中存在着变化电流

④波干扰波干扰是传导电磁波或空间电磁波所引起的空间电磁波的干扰量是电场强度和磁场强度传导波的干扰量是传导电流和传导电压

1、干扰窜入系统的渠道环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进人系统的，干扰窜入系统的渠道主要有三条，如图7-1所示由图中可见，空间干扰（场干扰）是通过电磁波辐射入系统；过程通道干扰是通过和主机系统相连接的输入通道、输出通道及与其他主机系统相连的通信通道进入单片机系统的；供电系统干扰，主要通过供电系统的直流电源线路或地线进人系统一般情况下，空间干扰在强度上远小于其他两个渠道进人系统的干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽与正确的接地，或采用高频滤波器加以解决因此抗干扰的重点应放在供电系统和过程通道的干扰第二节硬件抗干扰技术

一、选用可靠的元器件一般情况下，元器件在出厂前都进行了测试在通常应用时，不再进行测试，而直接将元器件用于电路中进行通电运行考验在考验中发现问题，直接替换不合格芯片或器件按着一般的经验，如芯片在通电使用一个月左右而不产生损坏，就可以认为比较稳定但在__时，最好到较正规的大公司或商店__元器件，一般都能保证元器件本身质量的可靠

二、接插件的选择应用单片机控制系统通常可由几块印制电路板组成，各板之间以及各板与基准电源之间经常选用接插件相__在接插件的插针之间也易造成干扰，这些干扰与接插件插针之间的距离以及插针与地线之间的距离都有关系在设计选用时要注意以下几个问题1．合理地设置插接件如电源插接件与__插接件要尽量远离，主要__的接插件外面最好带有屏蔽2．插头座上要增加接地针数在安排插针__时，用一部分插针为接地针，均匀分布于各__针之间，起到隔离作用，以减小针间__互相干扰最好每一__针两侧都是接地针，使__与接地针理想的比例为113．__针尽量分散配置，增大彼此之间的距离

4.设计时考虑__的翻转时差，把不同时刻翻转的插针放在一起同时翻转的针尽量离开，因__同时翻转会使干扰叠加

三、印制电路板抗干扰设计技术印制电路板是器件、__线、电源线的高密度__体，布线和布局好坏对可靠性影响很大1．印制电路总体布局原则

①印制电路板大小要适中，板面过大印制线路太长，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板间相互连线增加，易增加干扰环境

②印制板元件布局时相关元件尽量靠近如晶振、时钟发生器及CPU时钟输入端相互靠近，大电流电路要远离主板，或另做一块板

③考虑电路板在机箱内的位置，发热大的元器件放置在易通风散热的位置2．电源线和地线与数据线传输方向一致，有助于增强抗干扰能力接地线可环绕印制板一周安排，尽可能就近接地3．地线尽量加宽，数字地、模拟地要分开，根据实际情况考虑一点或多点接地4．配置必要的去耦电容

①电源进线端跨接100up以上的电解电容以吸收电源进线引入的脉冲干扰

②原则上每个集成电路芯片都配置一个

0.01up的瓷片电容或聚乙烯电容，可吸收高频干扰

③电容引线不能太长，高频旁路电容不能带引线

四、执行机构抗干扰技术在单片机控制系统输出回路中，存在着执行开关、线圈等回馈干扰特别是感性负载，电机电枢的反电动势会损坏电子器件，甚至会破坏计算机系统或扰乱程序系统，为防止由于电感负载的瞬间通、断造成的干扰，常采用以下措施1．触点两端并联阻容吸收电路，控制触点间放电，如图7-2a所示

2.电感负载两端并联反向二极管，形成反电动势放电回路，保护设备如图7-2b所示，在继电器线圈两端并接二极管当开关断开时，感应电动势通过二极管放电，防止击穿电源及开关第三节软件抗干扰技术

一、设置软件陷阱由于系统干扰可能破坏程序指针PC，PC一旦失控，使程序“乱飞”可能进人非程序区，造成系统运行的一系列错误设置软件陷阱，可防止程序“乱飞”方法在ROM或RAM中，每隔一些指令（十几条即可），就把连续几个单元设置成空操作（所谓陷阱）当失控的程序掉入“陷阱”，也就是连续执行几个空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序，也可以在程序芯片没有被程序指令字节使用的部分全部置成空操作指令代码，在最后使用跳转指令，一般跳到程序开头一旦程序飞出到非程序区，执行空操作之后，最后跳回到程序初始化，重新执行程序或隔一段使用一条跳转到程序开头的指令

二、增加程序监视系统（Watchdog）利用设置软件陷阱的办法虽在一定程度上解决了程序“飞出”失控问题，但不能有效地解决死循环问题设置程序监视器（Watchdog看门狗）可比较有效地解决死循环问题程序监视器系统有的采用软件解决，大部分都是采用软硬件相结合的办法下面以两种解决办法来分析其结构原理

1、利用单片机内部定时器进行监视方法在程序一开始就启动定时器工作，在主程序中增设定时器赋值指令，使该定时器维持在非溢出工作状态定时时间要稍大于程序一次循环的执行时间程序正常循环执行一次给定时器送一次初值，使其不能溢出但若程序失控，定时器则计满溢出中断，在中断服务程序中使主程序自动复位又进入初始状态例8051单片机若晶振频率使用6MHz，选定时器T0定时监视程序程序如下ORG0000HSTART AJMP．MAINORG000BHAJMPSTART__IN SETBEASETBIE0SETBTR0MOVTMOD，＃01H__IN1MOVTH0，datalMOVTL0，datalLJMPMAIN

2、利用单稳触发器构成程序监视器方法利用软件经常访问单稳电路，一旦程序有问题，CPU不能照常访问，单稳电路则产生翻转脉冲使单片机复位，程序重新开始执行

三、软件冗余技术软件冗余技术，就是多次使用同一功能的软件指令，以保证指令执行的可靠性，这从以下几个方面考虑1．采取多次读入法，确保开关量输人正确无误重要的输人信息利用软件多次读入，比较几次结果一致后再让其参与运算对于按钮和开关状态读入时，要配合软件延时可消除抖动和误动作2．不断查询输出状态寄存器，及时纠正输出状态设置输出状态寄存器，利用软件不断查询，当发现和输出的正确状态不一致时，及时纠正，防止由于干扰引起的输出量变化导致设备误动作3．对于条件控制系统，把对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环地采样、处理输出这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然干扰作用4．为防止计算错误，可采用两组计算程序，分别计算，然后将两组计算结果进行比较，如两次计算结果相同，则将结果送出如出现误差，则再进行一次运算，重新比较，直到结果相同

四、软件可靠性设计

1、利用软件提高系统抗干扰能力在软件设计时采用如下措施，对提高系统抗干扰能力是积极有力的

①增加系统信息管理软件它与硬件相配合，对系统信息进行保护其中包括防止信息被破坏，出故障时保护信息，故障排除之后恢复信息等

②防止信息的输人输出过程中出错如对关键数据采用多种校验方式，对信息采用重复传送校验技术，从而保证信息的正确无误

③编制诊断程序，及时发现故障，找出故障位置，以便及时检修或启用冗余软件

④用软件进行系统调度，包括出现故障时保护现场，迅速将故障装置切换成备用装置，在环境条件发生变化时，采取应急措施，故障排除后，迅速恢复系统，继续投人运行等

2、提高软件自身的可靠性1）．程序分段和采用层次结构在进行程序设计时，将程序分成若干个具有__功能的子程序块各个程序块可以单独使用，也可与其他程序块一起使用各程序块之间可通过一固定的通信区和一些指定的单元进行信息传递每个程序块都可单独进行调整和修改而不影响其他程序块2）．采用可测试性设计软件在编制过程中会出现一些错误为便于查出程序错误，提高软件__效率，可采用以下三种方法一是明确软件规格，使测试易于进行；二是将测试设计的程序段作为软件__的一部分；三是把程序结构本身组成便于测试的形式3）．对软件进行测试测试软件的基本方法是，给软件一个典型的输入，观测输出是否符合要求发现错误进行修改，直至消除错误，达到设计要求测试软件可按下述步骤进行

①单元测试，即对每个程序块单独进行测试；

②局部或系统测试，即对多个程序块组成的局部或系统程序进行测试，以发现块间连接错误；

③系统功能测试，按功能对软件进行测试，如控制功能、显示功能、通信功能、管理功能、报瞥功能等；

④现场测试，即硬件__调试后将软件进行__测试，以便对整个控制系统的功能及性能作出评价

五、软件自诊断技术软件诊断技术主要从两个方面进行考虑，一方面是对系统硬件和过程通道的自诊断，另一方面是对过程软件本身进行诊断和故障排除

1、对硬件系统进行诊断对硬件系统诊断包含两个方面内容一是确定硬件电路是否存在故障，这叫故障测试；二是指出故障的确切位置，给维护以操作指导，这叫故障定位单片机控制系统有的配备有系统测试程序，在系统上电时，首先对系统的主要部件以及外设I/0端口进行测试，以确认系统硬件工作是否正常对接口故障的测试，主要是检测接口中元器件的故障，这就要求在进行接口电路设计时要考虑以下因素

①在接口设计时，除考虑接口的功能外，要考虑提供检测的寄存器或缓冲器，以便检测使用；

②可将接口划分成若干个检测区，在每一检测区将检测点逐一编号，进行测试；

③可将测试点按顺序编制成故障字典，以便按测试结果给出故障部位，进行故障定位

2、软件运行自诊断设置陷阱、使用程序监视器、时间冗余方法时间冗余方法是通过消耗时间资源达到纠错的目的时间冗余方法通常采用指令复执和程序卷回两种途径来实现1）指令复执技术所谓复执，就是程序中的每条指令都是一个重新启动点，一旦发现错误，就重新执行被错误破坏的现行指令，指令复执既可用编制程序来实现，也可用硬件控制来实现，基本的实现方法是

①当发现错误时，能准确保留现行指令的地址，以便重新取出执行；

②现实指令使用的数据必须保留，以便重新取出执行时使用指令复执的次数通常采用次数控制和时间控制两种方式，如在规定的复执次数或时间之内故障没有消失，称之复执失败2）程序卷回技术程序卷回不是某一条指令的重复执行，而是一小段程序的重复执行为了实现卷回，也要保留现场程序卷回的要点是

①将程序分成一些小段，卷回时也要卷回一小段，不是卷回到程序起点；

②在第n段之末，将当时各寄存器、程序计数器及其他有关内容移人内存，并将内存中被第n段所更改的单元又在内存中另开辟一块区域保存起来如在第n+1段中不出问题，则将第n+1段现场存档，并撤消第二段所存内容；

③如在第（n+1）段出现错误，就把第n段的现场送给机器的有关部分，然后从第（n+1段起点开始重复执行第（n十1）段程序第四节供电系统抗干扰技术供电系统干扰分为1过压、欠压、停电使用各种稳压器和不间断电源UPS1浪涌、下陷、降出快速响应的交流电压调压器1尖峰电压使用具有噪声抑制能力的交流稳压器或隔离变压器1射频干扰低通滤波器

一、建议的供电解决方案为了防止电源系统窜人干扰，影响单片机控制系统的正常工作，可采用如图7-5所示的供电配置如图7-5所示，整个供电系统从以下几个方面考虑

①交流进线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰滤波器市场上的成品有一级、二级滤波之分，__时外壳要加屏蔽并使其良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合低通滤波器仅允许50Hz交流通过，对高频和中频干扰有很好的衰减作用

②要求高的系统加交流稳压器

③采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器

④采用集成稳压块两级稳压

⑤主电路板采取__供电，其余部分分散供电，避免一处电源有故障引起整个系统__

⑥直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波

⑦线间对地增加小电容滤波消除高频干扰

⑧交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰

⑨尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力第五节接地系统抗干扰技术在设计时，若能将接地和屏蔽正确地结合起来使用，可以解决大部分干扰引起的故障接地问题包括两个方面的内容一个是接地点是否正确；另一个是接地点是否牢固接地点选择正确可防止系统各部分的串扰，接地点牢固可使接地点处于零阻抗，从而降低了接地电位，防止了接地系统的共模干扰

一、系统地线分类两大类保护接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或性能下降时遭受触电危险和保证设备的安全工作接地主要是保证控制系统稳定可靠的运行，防止地环路引起的干扰在单片机控制系统中，地线大致分为以下几类1数字地也叫逻辑地，它是数字电路的零电位；1模拟地它是放大器、采样保持器以及A/D转换器和比较器等的零电位；

③功率地即大电流网络元件、功放器件的零电位；

④__地即传感器件的地电平；

⑤交流地指交流50Hz电源的零线；

⑥直流地指直流电源的地线；

⑦屏蔽地一般同机壳相联，为防止静电感应和磁场感应而设置的，常和大地相接

二、不同地线的处理原则1．一点接地和多点接地在低频（小于1MHz）电路中，布线和元件之间的电感不会产生太大影响，常采用一点接地在高频（高于10MHz）电路中，寄生电容和电感影响较大，易采用多点接地

2.数字地和模拟地必须分开3．交流地与__地不要共用4．浮地和接地系统浮地，是将系统电路的各个部分地线浮置起来，不与大地相联通常采用系统浮地，机壳接地，可使抗干扰能力强，安全可靠

5.印制电路板地线布线其如下所示

①TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，其他地线不要形成环路；

②地线尽量加宽，最好不要小于3mm;

③旁路电容地线不要太长；

④大规模集成电路最好跨越平行的地线和电源线，以消除干扰6．传感器__地由于传感器和机壳之间易引起共模干扰，为提高抗共模干扰能力，一般A/D转换器的模拟地采用浮空隔离，并可采用三线采样双层屏蔽浮地技术，就是将地线和__线一起采样，可有效地抑制共模干扰第六节输入输出通道抗干扰技术

一、开关__的抗干扰技术、

1、开关量的电平转换提高开关量电平进行开关__传输，可以降低电磁干扰，而输人到单片机中的电平都是TTL电平，因此存在一个电平转换问题可采用如图7-9所示的电路若提高开关量输出的电平可参考图7-10所示的电路

二、采用隔离技术1对启停负荷不大、响应速度不太高的设备，一般采用继电器隔离比用光电隔离更直接继电器能直接控制动力电路，而驱动继电器的集成电路要用集电极开路的集成电路（OC门），并在继电器线圈两端加续流二极管，以保证驱动电路正常工作，如图7-11所示1在交流启停负荷较大时，大负荷触点在接通或断开时，所产生的火花和电弧具有十分强烈的干扰作用，可采用如图7-12所示的电路，用两个对接的可控硅代替交流接触器，它们的控制极由小继电器的一个触点控制，触点接通，两个可控硅轮流导通，触点断开，两个可控硅完全关断固态继电器也就是将对接的可控硅封装在一个模块中的器件1快速直流负载的光耦合驱动如图7-13所示1快速驱动交流负载的光电耦合驱动如图7-14所示

二、模拟通道的抗干扰技术

1、硬件措施1）模拟量输人回路加入RC滤波器，以减小工频干扰__对输入__的影响，如图7-15所示2）光电耦合器隔离在模拟通道使用光电耦合器要按照如图7-16的安排设计3）适当选用A/D芯片在干扰严重的场合，可选用双积分式A/D转换器要求转换速度快的场合，要选用逐次逼近方式的转换器

2、软件措施用软件对输入量的滤波处理是消除低频干扰的重要措施，常用的滤波算法有以下几种1）限幅滤波规定在相邻两次采样__之间的差值不得超过一个固定数值2）中值滤波每获得一个采样数据时连续采样三次，找出三个采样值中的一个居中的值作为本次采样值3）算术平均值滤波连续记录几次采样值，求其平均值作为本次采样值4）五中取三平均值滤波该办法是若得到一个采样值，要连续采样五次，然后按大小顺序排列，去掉一个最大的，去掉一个最小的，取其中间三个数求其平均值5）一阶惯性滤波对于低频干扰__，可用此滤波模拟RC滤波，来消除干扰

三、长线传输的抗干扰技术

1、双绞线传输在数字__传输过程中，根据传送距离的不同，双绞线使用方法也有所不同，如图7-17所示当传送距离在5m以下时，发送和接收端连接负载电阻若发送侧为集电极开路驱动，则接收侧的集成电路用施密特型电路，抗干扰能力更强当用双绞线作远距离传送数据时，或有较大噪声干扰时，可使用平衡输出的驱动器和平衡输入的___发送和接收__端都要接匹配电阻，如图7-17b、（c）所示用双绞线传输与光电耦合器联合使用时，可按图7-18所示的方式连接图中（a）是集电极开路驱动器与光电耦合器的一般情况（b）是开关接点通过双绞线与光电耦合器连接的情况如在光电耦合器的光敏晶体管的基极上接有电容及电阻，且后面连接施密特集成电路驱动器，则会大大加强抗噪声能力，如图中所示

二、长线传输的阻抗匹配长线传输时如匹配不好，会使__产生反射，从而形成严重的失真为了对传输线进行阻抗匹配，必须估算出其特性阻抗Rpo利用示波器观察的方法可以大致测定传输线特性阻抗的大小，测试方法如图7-19所示调节可变电阻R，当R与特性阻抗Rp相匹配时，用示波器测量A门输出波形畸变最小，反射波几乎消失，这时R值可认为是该传输线的特性阻抗Rp传输线阻抗的匹配有以下四种形式:1．终端并联匹配如图7-20所示，终端匹配电阻Rl、R2的值，按Rp＝RI/R2的要求选取一般Rl为220-330Ω，而R2可在270-390Ω范围内选取此种方法由于终端阻值偏低，相当于负载加重，使高电平有所下降，使高电平抗干扰能力有所下降2．始端串联匹配如图7-21所示，匹配电阻R的取值为Rp与A门输出低电平时输出阻抗Rsc（约20Ω）之差值此方__使终端低电平抬高，相当于增加了输出阻抗，降低了低电平的抗干扰能力3．终端并联隔直匹配如图7-22所示，因电容C在较大时起隔直作用，并不影响匹配所以只要求匹配电阻R与Rp相等即可它不会引起输出低电平的降低，增加了高电平的抗干扰能力4．终端钳位二极管匹配如图7-23所示，利用二极管D把B门输人端低电平钳位在

0.3V以下，可以减少波的反射和振荡，可提高动态抗干扰能力

三、长线电流传输用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力如图7-24所示，从电流转换器输出0-10__（或4-20__）电流，在接收端并上500Ω（或lkΩ）的精密电阻，将此电流转换为0-5V（或1-5V）的电压，然后送人A/D转换器在有的实用电路里输出端采用光电耦合器输出驱动，也会获得同样的效果此种方法可减少在传输过程中的干扰，提高传输的可靠性用户程序。