單片機測控系統中的抗干擾技術(shù)

　　摘 要：本文針對單片機測控系統中的干擾因素，并結合實(shí)際應用系統給出了采取軟、硬件兩種方法抗干擾的具體措施。

    關(guān)鍵詞：單片機測控系統抗干擾

    概述

    干擾是造成單片機測控系統故障的主要原因之一。干擾對系統的影響輕則影響測量與控制精度，重則使工作系統完全失常。要消除干擾必須抓住形成干擾的三要素，即：干擾源、耦合通道和接收設備。

    1干擾因素

    在單片機測控系統中，主要存在空間輻射干擾、信號通道干擾、電源干擾和數字電路引起的干擾。

    抗干擾就是針對干擾的產(chǎn)生性質(zhì)、傳播途徑、侵入的位置和侵入的形式，采取適當的方法消除干擾源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性，通常需要采取“綜合治理”的措施。

    (1) 合理選擇元器件

    根據電器參數選擇合理器件以滿(mǎn)足系統性能要求。盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的元器件。

    (2) 電源干擾的抑制

    在交流電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)端并接壓敏電阻，吸收浪涌電壓，也可防雷。高頻電感與電路電容組成的低通濾波器，可抑制電網(wǎng)引入的高頻噪聲?？刹扇∧M電路與數字電路的電源分開(kāi)、電源浮空技術(shù)、使用電源隔離變壓器、隔離電源技術(shù)和電源濾波技術(shù)。在設計濾波器時(shí)必須注意讓諧振頻率遠小于干擾頻率。

    (3) 電場(chǎng)、磁場(chǎng)干擾的抑制

    采用由導電性能良好的金屬作屏蔽盒，并接大地，則屏蔽盒內電力線(xiàn)不會(huì )影響外部，同時(shí)外部的電力線(xiàn)也不會(huì )穿透屏蔽盒進(jìn)入內部，前者可抑制干擾源，后者可阻截干擾的傳輸途徑，起電場(chǎng)隔離的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封閉式結構為妥，并接大地。

    (4) 接地技術(shù)

    單片機測控系統中的高頻電路應就近多點(diǎn)接地，低頻電路應一點(diǎn)接地；交流地和信號地不能共用；將系統的各個(gè)部分全部與大地浮置起來(lái)，但系統中的各機殼接地；對于數字地，印刷板中的地線(xiàn)應成網(wǎng)狀，而且其他布線(xiàn)不要形成環(huán)路，特別是環(huán)繞外周的環(huán)路，印刷板中的條線(xiàn)不能長(cháng)距離平行，不得已時(shí)，應加隔離電極和跨接線(xiàn)或屏蔽；當A/D轉換器的模擬信號較弱時(shí)，可采用三線(xiàn)采樣雙層屏蔽浮地技術(shù)提高抗共模干擾的能力；系統中的高增益放大電路最好用金屬罩屏蔽起來(lái)。將屏蔽體接到放大電路的公共端，將寄生電容短路防止反饋，避免放大器的震蕩；對于功率地，由于地線(xiàn)的電流較大，接地線(xiàn)的線(xiàn)徑應較粗，且與小信號地線(xiàn)分開(kāi)，連直流地；對于小信號前置放大電路本身采用一點(diǎn)接地，不能一個(gè)電路多點(diǎn)接地，A/D前置放大電路一般浮空。內存放大電路的印刷電路板上一點(diǎn)入地，這類(lèi)放大器的地線(xiàn)一定要遠離功率地和噪聲地。

    (5) 通道干擾

    a) 隔離技術(shù)

    隔離分對模擬信號的隔離和對數字信號的隔離，對數字信號的隔離通常采用光電耦合器。因這種方法信號的傳遞是通過(guò)光信號實(shí)現的沒(méi)有直接的電信號連接，因此隔離了干擾的傳遞途徑，但這種方法隔離不斷輻射，感應干擾，且光電耦器件隔離傳導干擾的能力只有1kV左右。在具體電路設計時(shí)在A(yíng)/D后和D/A前加光電耦合器，其電源與微機的電源必須獨立，地線(xiàn)必須分開(kāi)，保證微機與現場(chǎng)僅有光的聯(lián)系，切斷干擾通路也避免形成環(huán)流，對于強干擾或長(cháng)線(xiàn)傳輸可采用兩次隔離，既可消除干擾，又能解決長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)和阻抗匹配等問(wèn)題。對于模擬信號的隔離，通常采用隔離放大器，利用隔離放大器內的變壓器將信號磁耦合，隔斷通路的線(xiàn)路連接，從而切斷干擾源，也可采用光電耦合器實(shí)現模擬信號隔離，即由電壓-頻率轉換器VFC把模擬信號轉換成數字信號再通過(guò)光電耦合器隔離，而光電耦合器的輸出信號在由頻率-電壓轉換器FVC轉換成模擬信號。在多點(diǎn)巡回檢測微機系統中若被測信號變化較慢，其多路模擬開(kāi)關(guān)可選用由干簧繼電器或濕簧繼電器做成的電容飛渡式多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)切斷被測信號與信號通道的連線(xiàn)，從而起到抗干擾作用。由于負脈沖傳輸抗干擾能力比正脈沖強，所以，一般在長(cháng)線(xiàn)傳輸時(shí)，采用負脈沖傳輸。而且速度不高時(shí)，在始端用驅動(dòng)器比用一般的TTL效果要好。用OC門(mén)作雙向總線(xiàn)傳輸可以把輸出端連在一起，直接用來(lái)單向、雙向總線(xiàn)傳輸。

    b) 通道中器件選擇與抗干擾

    多路轉換器的輸入常常受到各種環(huán)境噪聲的污染，尤其易受到共模噪聲的干擾。在多路轉換器輸入端接入共模扼流圈，可抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲。轉換器高頻采樣時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲，應在單片機與A/D之間采用光電耦合器隔離。在傳感器工作環(huán)境復雜和惡劣時(shí)，應選擇測量放大器，使其在微弱信號系統中廣泛用作前置放大器。為了防止共模噪聲竄入系統可以采用隔離放大器。采樣保持器電路(S/H)在采樣與保持兩種狀態(tài)轉換時(shí)，會(huì )竄入干擾，為了減少誤差，印刷電路布線(xiàn)時(shí)，使邏輯輸入端的走線(xiàn)與模擬輸入端盡可能距離遠些，或者將模擬輸入端用地線(xiàn)包圍起來(lái)，以降低線(xiàn)間寄生電容耦合和隔斷漏電通路。降低邏輯輸入信號的幅度也可以減少寄生耦合和漏電耦合干擾。配置總線(xiàn)驅動(dòng)器可提高總線(xiàn)的負載能力，改善信號波形。當總線(xiàn)的負載接近負載總線(xiàn)的驅動(dòng)能力時(shí)，可能會(huì )影響總線(xiàn)信號的邏輯電平，可通過(guò)連接某I/O線(xiàn)到數據線(xiàn)來(lái)改善總線(xiàn)的不平衡程度，提高系統的可靠性。在總線(xiàn)上適當安裝上拉電阻也可提高總線(xiàn)信號傳輸的可靠性。

    (6) 布線(xiàn)抗干擾設計

    為防止長(cháng)線(xiàn)傳輸中的竄擾，采用交差走線(xiàn)是行之有效的辦法。長(cháng)線(xiàn)傳送時(shí)，功率線(xiàn)、載流線(xiàn)和信號線(xiàn)分開(kāi)，電位線(xiàn)和脈沖線(xiàn)分開(kāi)。把空余的輸入端與使用端并聯(lián)。把空余的輸入端通過(guò)一個(gè)電阻接高電平，這種方法適用于慢速、多干擾的場(chǎng)合。把空余的輸入端懸空，用一反相器接地。這種方法適用于要求嚴格的場(chǎng)合。在數字電路的每塊組件上，都要分別裝設高頻去耦電容，而且這些電容應充分靠近集成塊，而不應集中在印刷板上每一端。每塊印刷板的電源引進(jìn)端也應加去耦電容。直流配電線(xiàn)的引出端應盡量作成低阻抗傳輸線(xiàn)。由于快速邏輯電路產(chǎn)生高頻干擾，所以這些電路均應按高頻電路處理，應將邏輯電路的印刷板良好接地。存儲器的布線(xiàn)抗干擾設計，一般采取的措施有：數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)要盡量縮短，以減少對地電容。由于開(kāi)關(guān)噪聲嚴重，要在電源入口處以及每片存儲芯片的VCC與GND之間接入去耦電容。由于負載電流大，電源線(xiàn)和地線(xiàn)要加粗，走線(xiàn)盡量短。印制板兩面的三總線(xiàn)互相垂直，以防止總線(xiàn)之間的電磁干擾?？偩€(xiàn)的始端和終端要配置合適的上拉電阻，以提高高電平噪聲容限，增加存儲器端口在高阻狀態(tài)下抗干擾能力和削弱反射波干擾。三總線(xiàn)與其他擴展板相連接時(shí)，通過(guò)三態(tài)緩沖門(mén)后連接?？梢杂行Х乐雇饨珉姶鸥蓴_，改善波形和削弱反射干擾。

    (7) 軟件抗干擾措施

    a) 數字濾波技術(shù)

    通常使用的方法有：算術(shù)平均法、中值法、抑制脈沖算術(shù)平均法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。

    b) 軟件冗余

    對于條件控制系統，對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為多采樣、處理控制輸出?？捎行У叵既桓蓴_。

    c) 設置軟件陷阱

    當由于干擾使操作系統失控而進(jìn)入非程序區時(shí)，用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址，在此處將程序轉向專(zhuān)門(mén)對程序出錯進(jìn)行處理的程序，使程序納入正軌。

    d) 重要指令冗余

    對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、JZ、JC、JNC等)和某些對系統工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重復寫(xiě)上這些指令，以確保這些指令的正確執行。

    e) “看門(mén)狗”技術(shù)

    PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序進(jìn)入“死循環(huán)”。指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用程序監視技術(shù)，又稱(chēng)“看門(mén)狗”技術(shù)(Watchdog)，“看門(mén)狗”技術(shù)就是不斷監視程序循環(huán)運行時(shí)間，若發(fā)現時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設定時(shí)間，則認為系統陷入了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到0000H入口，在0000H處安排一段出錯處理程序，使系統運行納入正軌。在設計看門(mén)狗時(shí)可設計兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長(cháng)定時(shí)器，并各自獨立，短定時(shí)器像典型看門(mén)狗一樣工作，它保證一般情況下看門(mén)狗有快的反映速度，長(cháng)定時(shí)器的定時(shí)大于CPU執行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，用來(lái)防止看門(mén)狗失效。

    f) 數據的保護與恢復技術(shù)

    在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，對于由指令改變結果性質(zhì)的數據，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護起來(lái)，以便必要時(shí)恢復。有時(shí)計算機在強制復位后，I/O端口和特殊寄存器SFR中的內容都將變成芯片出廠(chǎng)時(shí)的設定值，這很有可能引起系統的運行混亂。因此單片機在重新啟動(dòng)后，應當首先執行數據恢復程序，把控制端口等重要寄存器被保護的內容恢復還原。

    g) NOP的使用

    在雙字節和3字節指令之后插入兩個(gè)單字節NOP指令，這可保證指令不被拆散。因為“亂飛”的程序即使落到操作數上，由于兩個(gè)空操作指令NOP的存在，不會(huì )將其后的指令當操作數執行，從而使程序納入正軌。

    參考文獻

    1  何立民.單片機應用系統設計［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，1999

    2  陳潤泰.檢測技術(shù)與智能儀表.長(cháng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1998

    3  王柏林.單片機系統設計的誤區與對策.電子技術(shù)應用，2002，2