單片機控制系統的硬件抗干擾設計

1 引言

單片機在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，但是單片機控制系統工作時(shí)往往會(huì )受到來(lái)自系統內部和外部的干擾，對系統的正常應用將帶來(lái)不良的影響。為了保證和提高中系統的可靠性和安全性，通過(guò)對系統干擾源及干擾的傳播途徑的研究總結出幾種實(shí)踐中常用且有效的干擾抑制技術(shù)。

2 干擾的途徑和影響

單片機控制系統在工業(yè)現場(chǎng)工作時(shí)都會(huì )或多或少的受到周?chē)姶怒h(huán)境的干擾。干擾可以通過(guò)3種途徑影響系統的正常工作，即供電系統干擾、空間電磁場(chǎng)干擾和信號傳輸通道干擾。干擾對單片機控制系統的作用及后果也分為3個(gè)部位：一是系統的前向通道，干擾疊加在輸入信號上，使數據采集誤差增大，在傳感器小電壓信號輸入時(shí)，此現象尤為突出；二是系統的后向通道，干擾耦合在輸出信號上使輸出信號混亂，導致誤操作，并有可能引發(fā)嚴重事故；三是控制系統的內核，干擾使微處理器內核三總線(xiàn)上的數字信號出錯，程序指針PC發(fā)生錯誤，導致程序“跑飛”，干擾也可能竄改存儲器RAM中的數據，導致死機、系統崩潰或誤操作等嚴重后果。

3 硬件抗干擾設計

3.1 供電系統干擾及其抑制

單片機應用于工業(yè)控制系統中的電源往往與工業(yè)系統共用一個(gè)電源，各種大型電氣設備的啟停和運行都會(huì )產(chǎn)生很大的干擾。因此，提高供電系統的質(zhì)量是非常重要的。通過(guò)分析，設計出如圖1所示的供電結構圖。電源通過(guò)給系統各個(gè)功能模塊分別供電，從而減少了公共電源和公共阻抗的相互耦合，提高了電源的抗干擾性和可靠性。

圖2為電源EMI濾波器網(wǎng)絡(luò )結構，是圖1中的變壓器原邊濾波電路的具體實(shí)現形式。該濾波器是由參數元件構成的無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò )，其中L1 和L2是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線(xiàn)圈，稱(chēng)為共模電感線(xiàn)圈或共模線(xiàn)圈， L3、L4 是獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負載端接被干擾設備，那么L1 和Cy ，L2 和Cy 就分別構成L - E和N- E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來(lái)抑制電源線(xiàn)上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。L1、L2 兩個(gè)線(xiàn)圈所繞匝數相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線(xiàn)圈內電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內相互抵消，不會(huì )使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線(xiàn)圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個(gè)線(xiàn)圈的繞制也不可能完全對稱(chēng)等，使得L1 和L2 的電感量是不相等的，于是 (L1- L2 )形成差模電感，它和L3 與L4 形成的獨立差模抑制電感與Cx 電容器又組成L - N獨立端口間的一只低通濾波器，用來(lái)抑制電源線(xiàn)上存在的差模EMI信號。

由于圖2電路是無(wú)源網(wǎng)絡(luò )，它具有互易性。當它安裝在系統中后，既能有效地抑制電子設備外部的EMI信號傳入設備，又能大大衰減設備本身工作時(shí)產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的EMI信號，起到同時(shí)衰減兩組共模EMI信號和一組差模EMI信號的作用。

有時(shí)電源的開(kāi)啟關(guān)閉、瞬時(shí)降壓及瞬時(shí)脈沖干擾會(huì )造成CPU的誤動(dòng)作及數據的丟失。因此，單片機控制系統需要有完備的電源保護電路。ICTL7705和ICTL7700是兩種常用的電源電壓監視集成電路芯片，它們具有電源啟停時(shí)、瞬時(shí)短路及瞬間降壓時(shí)產(chǎn)生復位信號的能力，當電源電壓恢復正常后，復位信號會(huì )被自動(dòng)解除，并可以在較大的范圍內設定復位脈沖的寬度。

圖3是ICTL7705與CPU連接示意圖。圖4為被監視的電壓變化及7705輸出狀態(tài)的變化。從圖4中可以看出在上電過(guò)程、瞬間電壓降和瞬間脈沖干擾，電源監視器都能正確給出復位信號。外部條件正常后，經(jīng)top時(shí)間，復位脈沖解除。top由CT來(lái)設定。ts為反應時(shí)間，因為7705在500ns的短時(shí)間內就可以偵測出壓降及脈沖干擾，對于一般系統過(guò)于靈敏，可以外加RC延時(shí)網(wǎng)絡(luò )。

3.2 場(chǎng)干擾及其抑制

電磁干擾通過(guò)空間傳播的實(shí)質(zhì)是干擾能量以場(chǎng)的形式向四周傳播。場(chǎng)分為近場(chǎng)和遠場(chǎng)。近場(chǎng)又稱(chēng)感應場(chǎng)，如果場(chǎng)源是高電壓小電流的源則近場(chǎng)主要是電場(chǎng)，如果場(chǎng)源是低電壓大電流的源則近場(chǎng)主要是磁場(chǎng)。由于感應場(chǎng)傳輸能量，有隨距離成平方衰減的本性，因而其能量隨傳播距離的增加而衰減甚速；并且其強度存在方向性。所以不難想到消除這種干擾的方法，只能是調整受害設備與源之間的相對位置或屏蔽來(lái)實(shí)現。

無(wú)論場(chǎng)源是什么性質(zhì)，當離場(chǎng)源距離大于λ/2π以后的場(chǎng)都變成了遠場(chǎng)，又稱(chēng)輻射場(chǎng)。電磁輻射場(chǎng)能量的特點(diǎn)與電磁感應場(chǎng)的能量傳輸完全不同。輻射場(chǎng)能量存在方式是：電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間位置上共存一處、矢量上相互垂直、時(shí)間上同位相。因此可以把它看成為一能量團獨立存在，并依據左手定則永遠向前傳播，而形成輻射場(chǎng)，并且它的能量損耗只與其傳播距離成反比，所以它的傳播要比感應場(chǎng)遠得多。消除輻射干擾只能藉助于屏蔽一法。所以，對于距離較遠的系統間的電磁兼容問(wèn)題，一般都用遠場(chǎng)輻射來(lái)分析。對于系統內，特別是同一設備內的問(wèn)題基本上是近場(chǎng)耦合問(wèn)題。

3.2.1 遠場(chǎng)輻射

干擾源向周?chē)臻g的輻射發(fā)射需要根據天線(xiàn)與電波傳播理論來(lái)計算，下面主要介紹單片機系統中常見(jiàn)的幾種輻射方式。

（1）單點(diǎn)輻射。單點(diǎn)輻射主要指各向同性的較小的干擾源。



如果印制板上有多條高頻率長(cháng)軌線(xiàn)則可能產(chǎn)生嚴重的輻射。由上式可知減小信號環(huán)路的面積可以減小輻射，或者增加信號的最大波長(cháng)，這可以通過(guò)延長(cháng)信號的上升時(shí)間來(lái)實(shí)現。同樣當供電電源環(huán)路中有高頻電流流過(guò)時(shí)，電源環(huán)路也是很好的輻射源，所以應該在高頻噪聲源處加去耦電容。給噪聲一條高頻旁路，以免流入電源環(huán)路，產(chǎn)生輻射。

（3）單導線(xiàn)輻射。當平行雙線(xiàn)環(huán)路中環(huán)路面積足夠小時(shí)，其差模電流產(chǎn)生的輻射可以忽略，而共模電流產(chǎn)生的輻射將成為主要因素，稱(chēng)為單導線(xiàn)輻射。

（4）感應。周?chē)臻g的干擾電場(chǎng)和磁場(chǎng)都會(huì )在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應電壓，從而對環(huán)路產(chǎn)生干擾。閉合環(huán)路產(chǎn)生的感應電壓于環(huán)路面積成正比，環(huán)路面積越大感應電壓越大，所以要避免外界噪聲場(chǎng)的干擾應盡量減小環(huán)路面積。同時(shí)還可看到頻率越高產(chǎn)生的感應電壓也越大，即高頻噪聲容易對環(huán)路產(chǎn)生干擾。

3.2.2 近場(chǎng)耦合

同一設備內各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場(chǎng)耦合的方式處理。近場(chǎng)條件是離干擾源的距離小于λ/2π。近場(chǎng)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通常把干擾源通過(guò)電場(chǎng)的耦合看成是電容耦合，通過(guò)磁場(chǎng)的耦合看成是互感耦合。對于近場(chǎng)耦合主要采取屏蔽的方法來(lái)減小耦合程度。

3.2.3 屏蔽

通過(guò)上面的分析，對于場(chǎng)的干擾可以通過(guò)屏蔽的方法加以抑制，下面將針對電場(chǎng)干擾，磁場(chǎng)干擾，電磁場(chǎng)干擾分別討論各自的屏蔽方法。

(1) 電場(chǎng)屏蔽

使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線(xiàn)，金屬體可以是很薄的金屬箔，屏蔽體必須接地，最好直接接地。對于屏蔽體的形狀，最好是盒形和全封閉的。

(2) 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽通常指對直流磁場(chǎng)或甚高頻磁場(chǎng)的屏蔽，其屏蔽的效果比電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差得多。磁場(chǎng)屏蔽主要是利用高磁導率、低磁阻特性的屏蔽體對磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內部的磁場(chǎng)大大減小。

在磁場(chǎng)頻率比較低時(shí)(100 kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片等進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。鐵磁性物質(zhì)的磁導率很大，所以可把磁力線(xiàn)集中在其內部通過(guò)。高頻磁場(chǎng)屏蔽材料采用金屬良導體，例如銅、鋁等。當高頻磁場(chǎng)穿過(guò)金屬板時(shí)在金屬板上產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，由于金屬板的電導率很高，所以產(chǎn)生很大的渦流，渦流又產(chǎn)生反磁場(chǎng)，與穿過(guò)金屬板的原磁場(chǎng)相互抵消，同時(shí)又增加了金屬板周?chē)脑艌?chǎng)，總的效果是使磁力線(xiàn)在金屬板四周繞行而過(guò)。

在設計磁場(chǎng)屏蔽時(shí)，應遵循如下準則：磁屏蔽體應選用高磁導率的鐵磁性材料，防止磁飽和；被屏蔽物與屏蔽體內壁應留有一定間隙，防止磁短路現象發(fā)生；可增加屏蔽體壁厚，單層屏蔽體壁厚不宜超過(guò)2. 5 mm。若單層屏蔽體的屏蔽效果不好，可采用雙層屏蔽或多層屏蔽，也可防止磁飽和；應使屏蔽體的接縫與孔洞的長(cháng)邊平行于磁場(chǎng)分布的方向，圓孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是盡可能不阻斷磁通的通過(guò)；屏蔽體加工成型后都要進(jìn)行退火處理；從磁屏蔽的機理而言，屏蔽體不需接地，但為了防止電場(chǎng)感應，一般還是要接地。

（3）電磁場(chǎng)屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播。電磁場(chǎng)屏蔽是靠對電磁波的反射和吸收來(lái)完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無(wú)關(guān)，這與電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽不同。因為屏蔽體對來(lái)自導線(xiàn)、電纜、元器件、電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著(zhù)吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

在設計電磁場(chǎng)屏蔽時(shí)，選擇屏蔽體材料的原則是：當干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流（ ，電阻率越低，消耗的功率越大），形成對外來(lái)電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果；當干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線(xiàn)限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去；在某些場(chǎng)合下，如果要求對高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用不同的金屬材料和磁材料組成多層屏蔽體。

3.3 I／O接口的硬件抗干擾

由于單片機控制系統中的I／0接口多數負責數據采集、控制執行等工作。其受到干擾的機會(huì )比別的單元更多，通常情況下可采用：

(1) 光電耦合隔離。通過(guò)光電耦合器可以切斷2個(gè)電路間的電氣聯(lián)系，信號通過(guò)光路進(jìn)行傳遞，發(fā)光管和晶體管之間無(wú)導線(xiàn)連接，能有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，從而能有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機。光耦的抗干擾能力很強，主要有以下三方面的原因：光耦的輸入阻抗很低，一般在100"1000Ω，而干擾源的內阻一般都很大，通常為105"106Ω，根據分壓原理可知，這時(shí)能饋送到光耦輸入端的噪聲很小。即使有時(shí)干擾電壓的幅值很高，但所提供的能量卻很小，只能形成微弱的電流，而光耦輸入部分的發(fā)光二極管，只有通過(guò)一定強度的電流時(shí)才能發(fā)光，輸出部分的光敏三極管只在一定的光強下才能工作，因此電壓幅值很高的干擾，會(huì )由于沒(méi)有足夠的能量使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；其次，光耦的輸入回路和輸出回路之間是光耦合的，而且又是在密封的條件下進(jìn)行的，故不會(huì )受到外界光的干擾；最后，光耦的輸入回路和輸出回路之間的分布電容極小，絕緣電阻阻抗很大，因此回路一邊的各種噪聲很難通過(guò)光耦饋送到另一邊去。而且光耦隔離由于采用的是電流環(huán)路傳輸，所以能避免在長(cháng)線(xiàn)傳輸的時(shí)候，在傳輸線(xiàn)上積累高壓和感應信號，使得數據紊亂甚至損壞TTL接口芯片，或者干擾單片機控制系統的正常運行。但是在使用光耦時(shí)，它的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源供電，如果兩端共用一個(gè)電源，則光耦的隔離作用將失去意義。

(2) 雙絞線(xiàn)傳輸。雙絞線(xiàn)能使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應干擾相抵消，對電磁場(chǎng)干擾有一定的抑制作用。

(3)長(cháng)線(xiàn)傳輸的阻抗匹配。要求源的輸出阻抗、傳輸線(xiàn)的特性阻抗與接受端的輸入阻抗三者相等。否則信號在傳輸線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生反射，造成失真，其危害程度與系統工作速度、傳輸線(xiàn)長(cháng)度以及不匹配的程度有關(guān)。

(4)用電流傳輸代替電壓傳輸。其結果可獲得較好的抗干擾性能。例如：RS-485的抗干擾能力明顯高于RS-232。

另外，單片機不用的I/O口定義成輸出；閑置不用的門(mén)電路輸入端不要懸空，要接高電平或者接地；閑置不用的運算放大器正輸入端要接地，負輸入端接輸出端。

4 結束語(yǔ)

除了前面所講的硬件抗干擾設計外，還應該采用軟件抗干擾措施，如數字濾波技術(shù)，軟件陷阱技術(shù)，軟件看門(mén)狗技術(shù)等等，通過(guò)綜合軟件和硬件抗干擾技術(shù)各自的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)，使得設計出來(lái)的系統達到最優(yōu)的性?xún)r(jià)比?？傊?，干擾的產(chǎn)生和傳遞是很復雜的，各種措施的有效性也不盡相同，在系統設計過(guò)程中，一開(kāi)始便著(zhù)手考慮干擾的抑制，精心進(jìn)行硬件電路設計和軟件程序編寫(xiě)。成功的抗干擾設計需要一定的理論指導，更需要實(shí)踐經(jīng)驗的積累，做到二者相結合，便能在短期內設計出高質(zhì)量，高可靠性，連續穩定運行的單片機控制系統。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是：通過(guò)分析單片機控制系統中電磁干擾產(chǎn)生的機理，總結出了一些實(shí)用的抑制電磁干擾的方法。