詳解單片機應用系統的抗干擾技術(shù)

隨著(zhù)工業(yè)控制的發(fā)展，單片機應用系統以其高性?xún)r(jià)比逐步取代模擬式控制系統，被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。應用現場(chǎng)存在著(zhù)各種干擾源，對單片機應用系統的工作影響很大，在實(shí)驗室里設計好的控制系統，安裝調試時(shí)完全符合設計要求，而置入現場(chǎng)后，系統常常無(wú)法正常穩定地工作。干擾雖不能直接造成硬件的損壞，但常使計算機不能正常運行以致控制失靈，造成設備和生產(chǎn)事故。因此，為了保證設備在實(shí)際應用中可靠地工作，從系統設計開(kāi)始就必須充分考慮到對系統抗干擾性能的要求。

1 干擾源、干擾途徑和干擾的影響

1.1 應用系統自身干擾源及干擾途徑

應用系統自身干擾源是因在設計系統時(shí)對某些問(wèn)題考慮不全面，如元器件布局不合理、電路工作不可靠、元器件質(zhì)量差等，形成諸如電阻熱噪聲干擾、半導體散粒噪聲干擾、接觸噪聲干擾、過(guò)程通道干擾、公共電阻形成的干擾等。這些干擾現象隨流動(dòng)元器件電流增大越加明顯，這些噪聲電流通過(guò)系統自身電路和通道而影響系統，其結果是使系統控制精度下降。

1.2 電磁干擾源及干擾途徑

工業(yè)現場(chǎng)的電磁干擾源很多，如動(dòng)力斷路器斷弧過(guò)程中的多次復燃、電磁鐵線(xiàn)圈電感和分布電容的諧振、大電流電弧的電磁輻射、工頻輸電線(xiàn)附近所存在的強大交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及來(lái)源于太陽(yáng)等天體輻射的電磁波、雷電和地磁場(chǎng)的變化都可歸結為電磁干擾。干擾信號通過(guò)導線(xiàn)或回路之間的互感耦合、電容耦合進(jìn)入控制系統。電磁干擾造成的后果輕者使控制系統產(chǎn)生誤差，重者將使系統不能正常工作。

1.3 供電系統干擾

由于工業(yè)現場(chǎng)運行的大功率設備眾多，特別是大感性負載設備的啟停，使得電網(wǎng)電壓大幅度浪涌與下陷，有時(shí)會(huì )出現長(cháng)時(shí)間的過(guò)壓、欠壓和短時(shí)間的尖峰電壓，他們十分方便地以線(xiàn)路傳輸形式經(jīng)電源線(xiàn)進(jìn)入控制系統，其中過(guò)壓干擾是單片機控制系統最為惡劣的干擾。

1.4 干擾產(chǎn)生的后果

干擾常使系統程序"跑飛"，造成"死機"，數據采集誤差加大或數據發(fā)生變化，控制狀態(tài)失靈，系統被控對象不穩定或誤操作等。

2 應用系統的硬件抗干擾技術(shù)

硬件抗干擾總的原則是消除干擾源、切斷干擾侵入途徑和設計低噪聲電路。

2.1 電磁干擾的抑制措施

工業(yè)微機系統比一般計算機更多地受著(zhù)各種電磁場(chǎng)干擾的影響。電磁場(chǎng)干擾可能來(lái)自系統外部，也可能來(lái)自系統內部，抑制電磁干擾的主要手段就是采取屏蔽。方式有兩種：一是將易干擾的電路或設備等屏蔽起來(lái)，以防接收輻射干擾；另一種是將輻射源屏蔽起來(lái)，防止輻射出干擾影響其他電路。另外，系統可以浮置(如信號地不接機殼或大地)來(lái)阻斷干擾電流的通路，設備內部具有輻射能力的電路要獨立遠置，以減少對其他電路的影響。

2.2過(guò)程通道干擾的抑制

(1) 光電耦合隔離，采用光電耦合可以切斷主機與前向、后向通道電路以及其他主機電路的聯(lián)系，能有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機，同時(shí)對抗共地干擾也有好處。

(2)雙絞線(xiàn)傳輸，雙絞線(xiàn)能使各小環(huán)路的電磁感應干擾相抵消，對電磁場(chǎng)干擾、共模噪聲有一定的抑制效果。

(3)長(cháng)線(xiàn)傳輸的阻抗匹配，要求信號源的輸出阻抗、傳輸線(xiàn)的特性阻抗與接收端的輸入阻抗相等。否則，信號在傳輸線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生反射，造成失真。

2.3 印制電路板的抗干擾設計

電路板是微機系統中器件、信號線(xiàn)、電源線(xiàn)高密度集合體，對抗干擾性能影響很大，電路板設計、布線(xiàn)及接地不妥可能使整個(gè)系統無(wú)法正常運行。

(1)印制電路板：大小要適中。過(guò)大時(shí)，印刷線(xiàn)條長(cháng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高；過(guò)小，散熱不好，且易受干擾。盡量使用多層印制板，保證良好的接地網(wǎng)，減少地電位差。

(2)器件布置上：把相關(guān)的器件就近放置，易產(chǎn)生噪聲的電路應盡量遠離主機電路，發(fā)熱量大的器件應考慮散熱問(wèn)題，I/O驅動(dòng)器件盡量靠近印制板邊上放置。閉置的lC管腳不要懸空，元器件腳避免相互平行，以減少寄生耦合。如有可能，盡量使用貼片元件。

(3)布線(xiàn)：電路之間的連接應盡量短，容易受干擾的信號線(xiàn)要重點(diǎn)保護，不能與能夠產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線(xiàn)路長(cháng)距離平行；交直流電路要分開(kāi)；對雙面布線(xiàn)的印制電路板，應使兩面線(xiàn)條垂直交叉，以減少磁場(chǎng)耦合效應。

(4)接地：交流地與信號地不能共用，以減少電源對信號的干擾；數字地、模擬地分開(kāi)設計，在電源端兩種地線(xiàn)相連；對于多級電路，設計時(shí)要考慮各級動(dòng)態(tài)電流，注意接地阻抗相互耦合的影響，工作頻率低于1 MHz時(shí)采用一點(diǎn)接地，工作頻率較高時(shí)采取多點(diǎn)接地，接地線(xiàn)應盡量粗。

(5)去耦電容：加去耦電容是印制電路板設計的一項常規做法。在電源輸入端跨接10～100 μF的電解電容或鉭電容，在每個(gè)集成電路芯片上安裝一個(gè)0.01 μF的陶瓷電容器。

2.4 供電系統抗干擾措施

(1)使用交流穩壓器，可防止電網(wǎng)過(guò)電壓、欠電壓干擾，保證供電的穩定性。

(2)變壓器初次級用屏蔽層隔離，減少其間分布電容，提高共?？垢蓴_能力。

(3)低通濾波器可濾去干擾帶來(lái)的高次諧波。

(4)整個(gè)系統采用分立式供電方式，分別對各部分進(jìn)行供電。

(5)采用開(kāi)關(guān)電源并提供足夠的功率余量。

3 應用系統的軟件抗干擾技術(shù)

系統出現錯誤或死機，可以通過(guò)手工復位、定時(shí)復位等方法來(lái)解決，也可以通過(guò)下面的方法來(lái)實(shí)現抗干擾。

3.1 在程序中插入空操作指令(指令冗余)

在程序執行過(guò)程中， CPU受到干擾后可能會(huì )將一些操作數當作指令碼來(lái)執行，引起程序混亂，我們應盡快使程序納入正軌。MCS51系列單片機指令不超過(guò)3 B，當程序彈飛到某一單字節指上時(shí)，能自動(dòng)納入正軌。當彈飛到某一雙字節或三字節指令上時(shí)，有可能落到操作數上，繼續出錯。在軟件設計時(shí)，應多采用單字節指令，并在一些關(guān)鍵地方插入NOP指令。如在雙字節，三字節指令后面插入2條NOP指令。另外，在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令(如RET，RETI,ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ)以保證彈飛的程序迅速納入程序軌道。

3.2 采用軟件陷阱

當CPU受干擾，造成程序彈飛到非程序區，此時(shí)軟件冗余無(wú)能為力，可在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)人陷阱，強迫程序進(jìn)入一個(gè)指定的地址，執行一段專(zhuān)門(mén)對程序出錯進(jìn)行處理的程序，軟件陷阱由3條指令構成，其中ERR為指定地址：
NOP
NOP
LJMP ERR

軟件陷阱常安排在下列4種地方：
(1)未使用的中斷區。當干擾使未使用的中斷開(kāi)放．并激活這些中斷時(shí)，就會(huì )引起程序混亂。如果在這些地方設置軟件陷阱，就能及時(shí)捕捉到錯誤中斷。假如MCS51系統中使用3個(gè)中斷：INT0，INT1，T1，他們的中斷子程序分別在PINT0，PINT1，PT1，T0和串行口不使用中斷,中斷向量區可以設置如下：

(2)未使用的大片 ROM空間。對于未使用的ROM單元，正常狀態(tài)下為OFFH，程序彈飛到這一區域后，如果不受新的干擾，將順序執行，不再跳轉。只要每隔一段區域設置一個(gè)軟件陷阱，其他單元保持為0FFH不變，就一定能捕捉到彈飛到這里的程序。

(3)程序區。程序區由一串串執行指令構成，當程序執行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等無(wú)條件轉移類(lèi)指令時(shí)，PC的值應發(fā)生正常的跳變，此時(shí)程序不可能繼續往下順序執行。若在這些指令后設置軟件陷阱，就可攔截彈飛到這里的程序，而又不影響正常執行的流程。

(4)數據表格區。為了不破壞表格的連續性，可在數據表格區的尾部設置軟件陷阱。軟件陷阱安排在正常程序執行不到的地方，不影響程序執行的效率，在E2PROM容量允許的條件下，多設置軟件陷阱有利而無(wú)害。

.3 睡眠抗干擾

有些單片機具有睡眠狀態(tài)，在該狀態(tài)下只有定時(shí)/計數系統和中斷系統處于工作狀態(tài)，這時(shí)CPU對系統三總線(xiàn)上出現的干擾不會(huì )作出任何反應，從而大大降低系統對干擾的敏感程度。在應用系統中，CPU很多情況下是在執行一些等待指令和循環(huán)檢查程序。由于這時(shí)CPU雖沒(méi)有重要工作，卻是清醒的，很容易受干擾?？梢宰孋PU在非正常工作時(shí)休眠，必要時(shí)再由中斷系統來(lái)喚醒他，工作完再進(jìn)入休眠狀態(tài)。采用這種安排，CPU可以有60％以上的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而使CPU受到隨機干擾的威脅大大降低，同時(shí)也降低了CPU的功耗。

4"看門(mén)狗"技術(shù)

當程序飛到一個(gè)臨時(shí)構成的死循環(huán)中或PC指針落到程序存儲器芯片地址之外，冗余指令和軟件陷阱對此無(wú)能為力，這時(shí)系統將完全癱瘓。這種情況下，只有復位。MCS96和8XC552等系列單片機內部有一個(gè)WDT監視定時(shí)器，是一個(gè)16位的計數器，輸人為系統時(shí)鐘，WDT被啟動(dòng)后，開(kāi)始對時(shí)鐘計數，計滿(mǎn)溢出時(shí)，可使RESET端出現適當的復位信號，使系統復位，在正常情況下，為了防止WDT溢出并復位整個(gè)系統，可在程序中周期地用指令清WDT，當程序受到干擾而沒(méi)有正常地定期清WDT時(shí)，WDT的溢出就會(huì )使系統復位，從而恢復運行。

圖1中RST是外部復位引腳，是WDT啟動(dòng)引腳，為"0"時(shí)，"看門(mén)狗"啟動(dòng)而工作，對分頻后的脈沖計數，當計滿(mǎn)溢出時(shí)，使單片機及外圍電路復位，編程時(shí)，為防止監視定時(shí)器T3溢出，需要不斷對T3寫(xiě)入。MCS51單片機內部沒(méi)有WDT，可以由外電路來(lái)實(shí)現，圖2是用CD4060構成的看門(mén)狗電路。

4060計數頻率由RT，CT決定，也可外接石英晶體，設實(shí)際運行的用戶(hù)程序所需工作周期為T(mén)0；分頻器計滿(mǎn)時(shí)間為T(mén)，當T>T0且系統工作正常時(shí)，程序每隔T0對4060清除一次，CD4060無(wú)計滿(mǎn)輸出信號，如系統工作不正常，程序不對4060清除。分頻器計滿(mǎn)輸出一脈沖信號而使CPU復位。

5 結 語(yǔ)

抗干擾設計是單片機應用系統設計中不可缺少的重要內容。硬件抗干擾是主動(dòng)的，而軟件抗干擾是被動(dòng)的。由于干擾環(huán)境多種多樣，在設計時(shí)應分析具體情況，選用針對性的抗干擾措施。在工程實(shí)踐中，通常幾種抗干擾方法并用，互相補充完善，以確保應用系統能正常運行。