1、第七章 單片機控制系統抗干擾技術本章將從干擾源的來源、硬件、軟件以及電源系統各方面研究分析并給出有效可行的解決辦法。 第一節 干擾的來源及分析一、 主要的干擾源影響正常工作的信號稱為噪聲，又稱干擾。舉例：在單片機控制系統中，出現了干擾，就會影響指令的正常執行，造成控制事故或控制失靈；在測量通道中產生了干擾，就會使測量產生誤差，計數器收到干擾有可能亂記數，造成記數不準，電壓的沖擊有可能使系統遭到致命的破壞。 凡是能產生一定能量，可以影響到周圍電路正常工作的媒體都可認為是干擾源。干擾有的來自外部，有的來自內部。一般來說，干擾源可分為以下三類： 自然界的宇宙射線，太陽黑子活動，大氣污染及雷電因素造成

2、的； 物質固有的，即電子元器件本身的熱噪聲和散粒噪聲；人為造成的，主要是由電氣和電子設備引起。舉例：在系統工作的環境中廣泛存在，包括動力電網的電暈量放電、絕緣不良的弧光放電、交流接觸器、開關電感負載的繼電器接點引起的電火花，照明燈管所引起的放電、變壓器、電焊機、吊車，大功率設備啟動浪涌，可控硅開關造成的瞬間尖峰，都會對電網產生影響。另外像大功率廣播、電視、通訊、雷達、導航、高頻設備以及大功率設備所發出的空間電磁干擾。系統本身電路的過渡過程，電路在狀態轉換時引起的尖峰電流，電感或電容所產生的瞬間電壓和瞬變電流也會對系統工作產生千擾。另外，印制電路板布局不合理、布線不周到、排列不合理、粗細不合理，

3、使電路板自身產生相互影響，系統安裝布線不合理，強弱電走線不能分開，造成相互干擾。二、 噪聲干擾產生的原因 電路性干擾。電路性干擾是由于兩個回路經公共阻抗耦合而產生的，干擾量是電流。 電容性干擾。電容性干擾是由于干擾源與干擾對象之間存在著變化的電場，從而造成了干擾影響，干擾量是電壓。 電感性干擾。電感性干擾是由于干擾源的交變磁場在干擾對象中產生了干擾感應電壓。而產生感應電壓的原因則是由于在干擾源中存在著變化電流。 波干擾。波干擾是傳導電磁波或空間電磁波所引起的。空間電磁波的干擾量是電場強度和磁場強度。傳導波的干擾量是傳導電流和傳導電壓。三、 干擾竄入系統的渠道環境對單片機控制系統的干擾一般都是以

4、脈沖的形式進人系統的，干擾竄入系統的渠道主要有三條，如圖7-1所示。 由圖中可見，空間干擾（場干擾）是通過電磁波輻射入系統；過程通道干擾是通過和主機系統相連接的輸入通道、輸出通道及與其他主機系統相連的通信通道進入單片機系統的；供電系統干擾，主要通過供電系統的直流電源線路或地線進人系統。一般情況下，空間干擾在強度上遠小于其他兩個渠道進人系統的干擾，而且空間干擾可用良好的屏蔽與正確的接地，或采用高頻濾波器加以解決。因此抗干擾的重點應放在供電系統和過程通道的干擾。 第二節 硬件抗干擾技術一、選用可靠的元器件一般情況下，元器件在出廠前都進行了測試。在通常應用時，不再進行測試，而直接將元器件用于電路中進

5、行通電運行考驗。在考驗中發現問題，直接替換不合格芯片或器件。按著一般的經驗，如芯片在通電使用一個月左右而不產生損壞，就可以認為比較穩定。但在購買時，最好到較正規的大公司或商店購買元器件，一般都能保證元器件本身質量的可靠。二、接插件的選擇應用 單片機控制系統通常可由幾塊印制電路板組成，各板之間以及各板與基準電源之間經常選用接插件相聯系。在接插件的插針之間也易造成干擾，這些干擾與接插件插針之間的距離以及插針與地線之間的距離都有關系。在設計選用時要注意以下幾個問題。 1合理地設置插接件 如電源插接件與信號插接件要盡量遠離，主要信號的接插件外面最好帶有屏蔽。 2插頭座上要增加接地針數 在安排插針信號時

6、，用一部分插針為接地針，均勻分布于各信號針之間，起到隔離作用，以減小針間信號互相干擾。最好每一信號針兩側都是接地針，使信號與接地針理想的比例為1：1。 3信號針盡量分散配置，增大彼此之間的距離。 4. 設計時考慮信號的翻轉時差，把不同時刻翻轉的插針放在一起。同時翻轉的針盡量離開，因信號同時翻轉會使干擾疊加。三、印制電路板抗干擾設計技術 印制電路板是器件、信號線、電源線的高密度集合體，布線和布局好壞對可靠性影響很大。1印制電路總體布局原則 印制電路板大小要適中，板面過大印制線路太長，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板間相互連線增加，易增加干擾環境。 印制板元件布局時相關元件盡量靠近。如晶振、時鐘發

7、生器及CPU時鐘輸入端相互靠近，大電流電路要遠離主板，或另做一塊板。 考慮電路板在機箱內的位置，發熱大的元器件放置在易通風散熱的位置。 2電源線和地線與數據線傳輸方向一致，有助于增強抗干擾能力。接地線可環繞印制板一周安排，盡可能就近接地。 3地線盡量加寬，數字地、模擬地要分開，根據實際情況考慮一點或多點接地。4配置必要的去耦電容 電源進線端跨接100up以上的電解電容以吸收電源進線引入的脈沖干擾。 原則上每個集成電路芯片都配置一個0.01up的瓷片電容或聚乙烯電容，可吸收高頻干擾。 電容引線不能太長，高頻旁路電容不能帶引線。四、執行機構抗干擾技術 在單片機控制系統輸出回路中，存在著執行開關、線

8、圈等回饋干擾。特別是感性負載，電機電樞的反電動勢會損壞電子器件，甚至會破壞計算機系統或擾亂程序系統，為防止由于電感負載的瞬間通、斷造成的干擾，常采用以下措施： 1觸點兩端并聯阻容吸收電路，控制觸點間放電，如圖7-2(a)所示。2.電感負載兩端并聯反向二極管，形成反電動勢放電回路，保護設備。如圖7-2(b)所示，在繼電器線圈兩端并接二極管。當開關斷開時，感應電動勢通過二極管放電，防止擊穿電源及開關。 第三節 軟件抗干擾技術一、設置軟件陷阱 由于系統干擾可能破壞程序指針PC，PC一旦失控，使程序“亂飛”可能進人非程序區，造成系統運行的一系列錯誤。設置軟件陷阱，可防止程序“亂飛”。 方法：在ROM或

9、RAM中，每隔一些指令（十幾條即可），就把連續幾個單元設置成空操作（所謂陷阱）。當失控的程序掉入“陷阱”，也就是連續執行幾個空操作后，程序自動恢復正常，繼續執行后面的程序，也可以在程序芯片沒有被程序指令字節使用的部分全部置成空操作指令代碼，在最后使用跳轉指令，一般跳到程序開頭。一旦程序飛出到非程序區，執行空操作之后，最后跳回到程序初始化，重新執行程序。或隔一段使用一條跳轉到程序開頭的指令。二、增加程序監視系統（Watchdog） 利用設置軟件陷阱的辦法雖在一定程度上解決了程序“飛出”失控問題，但不能有效地解決死循環問題。 設置程序監視器（Watchdog看門狗）可比較有效地解決死循環問題。程序

10、監視器系統有的采用軟件解決，大部分都是采用軟硬件相結合的辦法。下面以兩種解決辦法來分析其結構原理。1、利用單片機內部定時器進行監視 方法：在程序一開始就啟動定時器工作，在主程序中增設定時器賦值指令，使該定時器維持在非溢出工作狀態。定時時間要稍大于程序一次循環的執行時間。程序正常循環執行一次給定時器送一次初值，使其不能溢出。但若程序失控，定時器則計滿溢出中斷，在中斷服務程序中使主程序自動復位又進入初始狀態。例8051單片機若晶振頻率使用6MHz，選定時器T0定時監視程序。程序如下：ORG 0000HSTART：AJMP MAIN ORG 000BH AJMP STARTMAIN：SETB EA

11、SETB IE0 SETB TR0 MOV TMOD，01HMAIN1：MOV TH0，datal MOV TL0，datal用戶程序 LJMP MAIN2、利用單穩觸發器構成程序監視器 方法：利用軟件經常訪問單穩電路，一旦程序有問題，CPU不能照常訪問，單穩電路則產生翻轉脈沖使單片機復位，程序重新開始執行。三、軟件冗余技術 軟件冗余技術，就是多次使用同一功能的軟件指令，以保證指令執行的可靠性，這從以下幾個方面考慮。 1采取多次讀入法，確保開關量輸人正確無誤 重要的輸人信息利用軟件多次讀入，比較幾次結果一致后再讓其參與運算。對于按鈕和開關狀態讀入時，要配合軟件延時可消除抖動和誤動作。 2不斷查

12、詢輸出狀態寄存器，及時糾正輸出狀態 設置輸出狀態寄存器，利用軟件不斷查詢，當發現和輸出的正確狀態不一致時，及時糾正，防止由于干擾引起的輸出量變化導致設備誤動作。 3對于條件控制系統，把對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為循環地采樣、處理輸出。這種方法對于慣性較大的控制系統具有良好的抗偶然干擾作用。 4為防止計算錯誤，可采用兩組計算程序，分別計算，然后將兩組計算結果進行比較，如兩次計算結果相同，則將結果送出。如出現誤差，則再進行一次運算，重新比較，直到結果相同。四、軟件可靠性設計 1、利用軟件提高系統抗干擾能力 在軟件設計時采用如下措施，對提高系統抗干擾能力是積極有力的。 增加系統信息管理軟件

13、。它與硬件相配合，對系統信息進行保護。其中包括防止信息被破壞，出故障時保護信息，故障排除之后恢復信息等。 防止信息的輸人輸出過程中出錯。如對關鍵數據采用多種校驗方式，對信息采用重復傳送校驗技術，從而保證信息的正確無誤。 編制診斷程序，及時發現故障，找出故障位置，以便及時檢修或啟用冗余軟件。用軟件進行系統調度，包括出現故障時保護現場，迅速將故障裝置切換成備用裝置，在環境條件發生變化時，采取應急措施，故障排除后，迅速恢復系統，繼續投人運行等。 2、提高軟件自身的可靠性 1）程序分段和采用層次結構 在進行程序設計時，將程序分成若干個具有獨立功能的子程序塊。各個程序塊可以單獨使用，也可與其他程序塊一起

14、使用。各程序塊之間可通過一固定的通信區和一些指定的單元進行信息傳遞。每個程序塊都可單獨進行調整和修改而不影響其他程序塊。 2）采用可測試性設計 軟件在編制過程中會出現一些錯誤。為便于查出程序錯誤，提高軟件開發效率，可采用以下三種方法：一是明確軟件規格，使測試易于進行；二是將測試設計的程序段作為軟件開發的一部分；三是把程序結構本身組成便于測試的形式。 3）對軟件進行測試 測試軟件的基本方法是，給軟件一個典型的輸入，觀測輸出是否符合要求。發現錯誤進行修改，直至消除錯誤，達到設計要求。 測試軟件可按下述步驟進行： 單元測試，即對每個程序塊單獨進行測試； 局部或系統測試，即對多個程序塊組成的局部或系統

15、程序進行測試，以發現塊間連接錯誤； 系統功能測試，按功能對軟件進行測試，如控制功能、顯示功能、通信功能、管理功能、報瞥功能等； 現場測試，即硬件安裝調試后將軟件進行安裝測試，以便對整個控制系統的功能及性能作出評價。五、軟件自診斷技術 軟件診斷技術主要從兩個方面進行考慮，一方面是對系統硬件和過程通道的自診斷，另一方面是對過程軟件本身進行診斷和故障排除。1、對硬件系統進行診斷 對硬件系統診斷包含兩個方面內容：一是確定硬件電路是否存在故障，這叫故障測試；二是指出故障的確切位置，給維護以操作指導，這叫故障定位。 單片機控制系統有的配備有系統測試程序，在系統上電時，首先對系統的主要部件以及外設I/0端口

16、進行測試，以確認系統硬件工作是否正常。對接口故障的測試，主要是檢測接口中元器件的故障，這就要求在進行接口電路設計時要考慮以下因素： 在接口設計時，除考慮接口的功能外，要考慮提供檢測的寄存器或緩沖器，以便檢測使用； 可將接口劃分成若干個檢測區，在每一檢測區將檢測點逐一編號，進行測試； 可將測試點按順序編制成故障字典，以便按測試結果給出故障部位，進行故障定位。2、軟件運行自診斷 設置陷阱、使用程序監視器、時間冗余方法 時間冗余方法是通過消耗時間資源達到糾錯的目的。時間冗余方法通常采用指令復執和程序卷回兩種途徑來實現。 1）指令復執技術 所謂復執，就是程序中的每條指令都是一個重新啟動點，一旦發現錯誤

17、，就重新執行被錯誤破壞的現行指令，指令復執既可用編制程序來實現，也可用硬件控制來實現，基本的實現方法是： 當發現錯誤時，能準確保留現行指令的地址，以便重新取出執行； 現實指令使用的數據必須保留，以便重新取出執行時使用。 指令復執的次數通常采用次數控制和時間控制兩種方式，如在規定的復執次數或時間之內故障沒有消失，稱之復執失敗。 2）程序卷回技術 程序卷回不是某一條指令的重復執行，而是一小段程序的重復執行。為了實現卷回，也要保留現場。程序卷回的要點是： 將程序分成一些小段，卷回時也要卷回一小段，不是卷回到程序起點； 在第n段之末，將當時各寄存器、程序計數器及其他有關內容移人內存，并將內存中被第n段

18、所更改的單元又在內存中另開辟一塊區域保存起來。如在第(n+1)段中不出問題，則將第(n+1)段現場存檔，并撤消第二段所存內容； 如在第（n+1）段出現錯誤，就把第n段的現場送給機器的有關部分，然后從第（n+1)段起點開始重復執行第（n十1）段程序。 第四節 供電系統抗干擾技術供電系統干擾分為： 過壓、欠壓、停電 使用各種穩壓器和不間斷電源UPS 浪涌、下陷、降出 快速響應的交流電壓調壓器 尖峰電壓 使用具有噪聲抑制能力的交流穩壓器或隔離變壓器 射頻干擾 低通濾波器一、建議的供電解決方案 為了防止電源系統竄人干擾，影響單片機控制系統的正常工作，可采用如圖7-5所示的供電配置。 如圖7-5所示，整

19、個供電系統從以下幾個方面考慮。 交流進線端加交流濾波器，可濾掉高頻干擾，如電網上大功率設備啟停造成的瞬間干擾。濾波器市場上的成品有一級、二級濾波之分，安裝時外殼要加屏蔽并使其良好接地，進出線要分開，防止感應和輻射耦合。低通濾波器僅允許50Hz交流通過，對高頻和中頻干擾有很好的衰減作用。 要求高的系統加交流穩壓器。 采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。 采用集成穩壓塊兩級穩壓。主電路板采取獨立供電，其余部分分散供電，避免一處電源有故障引起整個系統顛覆。 直流輸出部分采用大容量電解電容進行平滑濾波。 線間對地增加小電容濾波消除高頻干擾。 交流電源線與其他線盡量分開，減少再度耦合干擾。 盡

20、量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能力。 第五節 接地系統抗干擾技術 在設計時，若能將接地和屏蔽正確地結合起來使用，可以解決大部分干擾引起的故障。接地問題包括兩個方面的內容：一個是接地點是否正確；另一個是接地點是否牢固。接地點選擇正確可防止系統各部分的串擾，接地點牢固可使接地點處于零阻抗，從而降低了接地電位，防止了接地系統的共模干擾。一、系統地線分類兩大類：保護接地主要是為了避免工作人員因設備絕緣損壞或性能下降時遭受觸電危險和保證設備的安全工作接地主要是保證控制系統穩定可靠的運行，防止地環路引起的干擾。 在單片機控制系統中，地線大致分為以下幾類： 數字地也叫邏輯地，它是數字電路的零電位

21、； 模擬地它是放大器、采樣保持器以及A/D轉換器和比較器等的零電位； 功率地即大電流網絡元件、功放器件的零電位； 信號地即傳感器件的地電平； 交流地指交流50Hz電源的零線； 直流地指直流電源的地線； 屏蔽地一般同機殼相聯，為防止靜電感應和磁場感應而設置的，常和大地相接。二、不同地線的處理原則 1一點接地和多點接地在低頻（小于1MHz）電路中，布線和元件之間的電感不會產生太大影響，常采用一點接地。在高頻（高于10MHz）電路中，寄生電容和電感影響較大，易采用多點接地。 2. 數字地和模擬地必須分開。 3交流地與信號地不要共用。 4浮地和接地 系統浮地，是將系統電路的各個部分地線浮置起來，不與大

22、地相聯。通常采用系統浮地，機殼接地，可使抗干擾能力強，安全可靠。 5.印制電路板地線布線 其如下所示： TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網狀，其他地線不要形成環路； 地線盡量加寬，最好不要小于3mm; 旁路電容地線不要太長； 大規模集成電路最好跨越平行的地線和電源線，以消除干擾。 6傳感器信號地 由于傳感器和機殼之間易引起共模干擾，為提高抗共模干擾能力，一般A/D轉換器的模擬地采用浮空隔離，并可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術，就是將地線和信號線一起采樣，可有效地抑制共模干擾。 第六節 輸入輸出通道抗干擾技術一、開關信號的抗干擾技術、1、開關量的電平轉換提高開關量電平進行開關信號傳輸，可以降低電

23、磁干擾，而輸人到單片機中的電平都是TTL電平，因此存在一個電平轉換問題。可采用如圖7-9所示的電路。若提高開關量輸出的電平可參考圖7-10所示的電路。二、采用隔離技術 對啟停負荷不大、響應速度不太高的設備，一般采用繼電器隔離比用光電隔離更直接。繼電器能直接控制動力電路，而驅動繼電器的集成電路要用集電極開路的集成電路（OC門），并在繼電器線圈兩端加續流二極管，以保證驅動電路正常工作，如圖7-11所示。 在交流啟停負荷較大時，大負荷觸點在接通或斷開時，所產生的火花和電弧具有十分強烈的干擾作用，可采用如圖7-12所示的電路，用兩個對接的可控硅代替交流接觸器，它們的控制極由小繼電器的一個觸點控制，觸點

24、接通，兩個可控硅輪流導通，觸點斷開，兩個可控硅完全關斷。固態繼電器也就是將對接的可控硅封裝在一個模塊中的器件。 快速直流負載的光耦合驅動。如圖7-13所示。 快速驅動交流負載的光電耦合驅動。如圖7-14所示。二、模擬通道的抗干擾技術1、硬件措施 1）模擬量輸人回路 加入RC濾波器，以減小工頻干擾信號對輸入信號的影響，如圖7-15所示。 2）光電耦合器隔離 在模擬通道使用光電耦合器要按照如圖7-16的安排設計。 3）適當選用A/D芯片 在干擾嚴重的場合，可選用雙積分式A/D轉換器。要求轉換速度快的場合，要選用逐次逼近方式的轉換器。 2、軟件措施 用軟件對輸入量的濾波處理是消除低頻干擾的重要措施，

25、常用的濾波算法有以下幾種： 1）限幅濾波 規定在相鄰兩次采樣信號之間的差值不得超過一個固定數值。 2）中值濾波 每獲得一個采樣數據時連續采樣三次，找出三個采樣值中的一個居中的值作為本次采樣值。 3）算術平均值濾波 連續記錄幾次采樣值，求其平均值作為本次采樣值。 4）五中取三平均值濾波 該辦法是若得到一個采樣值，要連續采樣五次，然后按大小順序排列，去掉一個最大的，去掉一個最小的，取其中間三個數求其平均值。 5）一階慣性濾波 對于低頻干擾信號，可用此濾波模擬RC濾波，來消除干擾。三、長線傳輸的抗干擾技術1、雙絞線傳輸 在數字信號傳輸過程中，根據傳送距離的不同，雙絞線使用方法也有所不同，如圖7-17所示。 當傳送距離在5m以下時，發送和接收端連接負載電阻。若發送側為集電極開路驅動，則接收側的集成電路用施密特型電路，抗干擾能力更強。 當用雙絞線作遠距離傳送數據時，或有較大噪聲干擾時，可使用平衡輸出的驅動器和平衡輸入的接收器。發送和接收信號端都要接匹配電阻，如圖7-17(b)、（c）所示。 用雙絞線傳輸與光電耦合器聯合使用時，可按圖7-18