單片機技術(shù)中的軟硬件防干擾方法

單片機技術(shù)中防止干擾，保安全可靠運行也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。本文從電磁輻射、電源干擾和信號通道干擾三個(gè)主要干擾源入手，介紹了采用硬件和軟件的防干擾措施，對于從事單片機應用設計者有重要參考價(jià)值。

　　1 引言
　　隨著(zhù)單片機技術(shù)應用發(fā)展，在應用過(guò)程中，如何防止外界的干擾，確保單片機安全可靠運行，是一個(gè)很重要的問(wèn)題。我們在多項測控項目的實(shí)踐中體會(huì )到，干擾源主要來(lái)自三個(gè)方面。一是空間場(chǎng)干擾，通過(guò)電磁輻射富入系統：二是電源干擾，它直接侵害系統：三是信號通道干擾，通過(guò)與單片機相連的前、后向通道進(jìn)入系統。一般來(lái)說(shuō)，空間場(chǎng)干擾在強度上遠小于其他兩個(gè)干擾源產(chǎn)生的干擾，且容易對付。只要采取良好的屏蔽、正確的接地及恰當的高頻濾波就可以得到滿(mǎn)意解決。

　　2 千擾的來(lái)源分析

　　2.1來(lái)自交流電源的干擾

　　開(kāi)關(guān)的通斷，火花干擾，電焊、大電機的啟動(dòng)等，在工業(yè)環(huán)境中是常見(jiàn)的。這些來(lái)自電源的干擾都會(huì )破壞單片機的正常運行。要完全抑制來(lái)自交流電源的干擾是十分困難的，其原因是干擾傳播的途徑往往不清楚。干擾的頻帶很難定量化，交流電源及負載的阻抗很難實(shí)測，電源濾波器的特性和實(shí)際干擾頻帶也往往有差異。

　　在實(shí)際使用中，常常要應用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來(lái)自電源的干擾。

　　2.2來(lái)自信號通道的干擾

　　為達到數據采集或實(shí)時(shí)控制的目的，開(kāi)關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業(yè)現場(chǎng)，如果被控對象是一個(gè)強干擾源(如可控硅、電焊機等)，單片機根本無(wú)法工作。

　　對于開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數工程技術(shù)人員所接受。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數人尚認識不足。模擬量輸入、輸出不進(jìn)行隔離。雖說(shuō)可以運行，但會(huì )產(chǎn)生“程序亂飛”，使可靠性下降，對于連續工作的對象(如鍋爐、空調等)來(lái)說(shuō)是不允許的。因此，在單片機控制時(shí)，這個(gè)問(wèn)題也必須注意。對于模擬量、開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統穩定運行。

　　2.3來(lái)自空間的輻射干擾

　　在特殊的情況下，如在發(fā)射機、中頻爐、可控硅逆變電源周?chē)?，單片機往往不能正常工作。

　　上述三種干擾危害以來(lái)自交流電源的干擾最甚，其次為來(lái)自信號通道的干擾。來(lái)自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當的屏蔽及接地就可解決。

　　3 硬件抗干擾措施

　　3.1電源干擾的抑制

　　要保證系統工作的穩定可靠，前提是保證供電的穩定性，防止電源的過(guò)壓與欠壓。因此，在電源的前向要求配置交流穩壓器，這樣有利于提高整個(gè)系統的可靠性。對于短暫時(shí)間的停電，可配置UPS電源。任何電源和輸電線(xiàn)路都存在內阻，正是這些內阻才引起電源的噪聲干擾?？紤]到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是靠初、次線(xiàn)圈的互感偶合，而是由初、次級間寄生電容偶合的。因此，在交流穩壓器之后應加隔離變壓器，且初、次級之間均需用屏蔽層隔離，以減少分布電容，提高抗共模干擾的能力。另外，由諧波頻譜分析可知，電源引起的干擾大部分是高次諧波。這樣就可在隔離變壓器之后設計低通濾波器，讓5 0HZ市電基波通過(guò)，濾去高次諧波，改善電源波形。設計時(shí)應注意：

　　當濾波器工作在低電壓且載有大電流時(shí)，宜采用小電感和大電容構成的濾波網(wǎng)絡(luò )：當工作在高壓下，則宜采用小電容和允許的最大電感構成的濾波網(wǎng)絡(luò )。

　　在整流電路之后加接附圖所示的雙T濾波器，用以消除50Hz的工頻干擾。它結構簡(jiǎn)單，對固定頻率的干擾濾波效果好。調試步驟為：先將電容C固定，然后模擬現場(chǎng)運行環(huán)境調節電阻，當輸人50Hz信號時(shí)，使輸出V0=0。

　　在實(shí)際控制系統中，往往需要提供多種電源，此時(shí)應采用分散獨立的功能塊供電，且口用相應的三端集成穩壓塊分別組成所需的穩壓電源。這樣可以減少公共阻抗和公共電源的相互偶合，有利于電源散熱，大大提高供電的可靠性。

　　3.2信號通道干擾的抑制

　　(1)共阻抗偶合干擾及其抗干擾措施。通過(guò)公共接地線(xiàn)的偶合形成共模干擾。A/D，D/A等I/O板的輸入、輸出電路的“地”與單片機地線(xiàn)GND之間有各種信號電路的電流流過(guò)，并由接地線(xiàn)阻抗變換成電壓，形成共模干擾。其次，在I/O電路、前置放大器等各部分電路中，也存在同樣的的共地偶合形成局部的共模干擾，尤其是執行機構開(kāi)關(guān)通斷、線(xiàn)圈動(dòng)作等通過(guò)共地構成的回饋干擾尤為嚴重，特別是感性負載時(shí)，若不注意反電勢，有關(guān)電子會(huì )受到損壞。

　　針對共阻抗偶合干擾采取如下措施：① 采用單點(diǎn)接地和分別電源供電，消除共阻抗回路。數字信號地線(xiàn)、信號源地線(xiàn)和負載地線(xiàn)分開(kāi)設置，數字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電，獨自構成回路且單點(diǎn)接地。②加強電源退偶。為避免通過(guò)共用電源內阻造成幾個(gè)電路之間的相互干擾，應在每個(gè)電路的直流電源進(jìn)線(xiàn)與地線(xiàn)之間加裝退偶濾波器，工作頻率較高的電路加LC濾波器或RC濾波器。一般單片機主板及其外圍接口電路和一般I/O板等，在大規模集成電路電源引腳處加一只0.1u F電容，小功率TTL電路可幾片加一只退偶電容即可。③ 用集成隔離放大器切斷共阻抗環(huán)路。由于隔離放大器采用浮離式設計，消除了輸入、輸出間的直接偶合，切斷了共地和共電源環(huán)路，因而具有共模抑制比高、能保護系統元件不受高共模電壓的損害和防止高壓對低壓信號系統損壞的特點(diǎn)。④采用光電隔離器切斷共阻抗環(huán)路。單片機與各數字電路、脈沖電路或開(kāi)關(guān)電路的接口可用數字式光電隔離器進(jìn)行隔離，以切斷共阻抗環(huán)路，避免長(cháng)線(xiàn)感應及電源和各種負載通過(guò)共阻抗回饋的各種干擾的竄入。對于線(xiàn)性模擬電路通道，如因考慮成本不能使用隔離放大器進(jìn)行隔離時(shí)，則可采用線(xiàn)性光偶或用V/F變換后再用數字光偶進(jìn)行隔離。

　　(2)靜電偶合干擾及其對策。靜電偶合是由于兩個(gè)電路間存在寄生電容，使一個(gè)電路的變化影響到另一個(gè)電路。

　　一般尖蜂干擾或脈沖干擾的頻譜極高，其靜電1禺合的途徑不能忽視。

　　針對靜電偶合干擾采取如下措施：①合理布線(xiàn)，減少分布電容，特別是高頻信號線(xiàn)盡量不要與其他信號線(xiàn)路平行走線(xiàn)，若必須平行走線(xiàn)時(shí)，應注意留一定的距離，以切斷靜電偶合通道。② 降低接收電路輸入阻抗。

　　例如用光電偶合器等。光電的輸入阻抗與干擾源相比極小，前者數量級為100Ω/～1kΩ ，而后者則為105 Ω～108Ω，因此，使用光偶可以使干擾大大減小。

　　(3)傳導偶合干擾及其措施。在單片機測控系統中，傳輸線(xiàn)上的信息多為脈沖信號，它在傳輸線(xiàn)上傳輸時(shí)會(huì )出現延時(shí)、畸變和衰減。尤其是當長(cháng)傳輸線(xiàn)經(jīng)過(guò)干擾環(huán)境時(shí)，導線(xiàn)相當于天線(xiàn)拾取干擾信號，對電路產(chǎn)生干擾。

　　針對傳導偶合千擾采取如下措施：①長(cháng)傳輸線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)，避免電磁感應干擾。但要注意屏蔽層要一端接大地，并保證接地良好。若采用兩端接地，屏蔽層又構成新的干擾回路，起不到好的屏蔽效果。②用光電偶合器將長(cháng)線(xiàn)完全浮置起來(lái)，長(cháng)線(xiàn)的“浮置”去掉了長(cháng)線(xiàn)兩端間的公共地線(xiàn)，不但有效消除了各邏輯電路的電流經(jīng)公共地線(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓形成相互竄擾，而且也有效地解決了長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)和阻抗匹配問(wèn)題。同時(shí)，受控設備短路時(shí)，還能保護系統不受損害。③傳輸線(xiàn)應盡量遠離變壓器及電源等大功率器件，且盡可能短。若較長(cháng)時(shí)，可用雙絞屏蔽線(xiàn)傳輸，用雙絞屏蔽線(xiàn)與光電偶合器配合使用效果更佳。同時(shí)，注意強電信號線(xiàn)和弱電信號線(xiàn)分開(kāi)，高頻信號線(xiàn)和低頻信號線(xiàn)分開(kāi)，交流和直流分開(kāi)，電源線(xiàn)和信號線(xiàn)分開(kāi)。