星載單片機系統抗干擾技術(shù)

　　摘要：?jiǎn)纹瑱C系統在星載儀器中往往擔負著(zhù)非常重要的任務(wù)，由于單片機對干擾屬于敏感器件，容易受到干擾影響，導致整個(gè)系統癱瘓，因此在系統設計上應充分考慮抗干擾問(wèn)題，以提高系統的可靠性。根據干擾產(chǎn)生的原因，結合實(shí)踐，從硬件和軟件兩方面介紹了星載儀器中單片機系統抗干擾措施。

　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C，抗干擾，硬件，軟件

　　1引言

　　目前，單片機系統在星載儀器中擔負著(zhù)非常重要的任務(wù)，星載儀器往往處于復雜的空間環(huán)境之中，存在著(zhù)大量的干擾源，如高能帶電粒子主要通過(guò)單粒子效應對單片機系統構成影響，使其發(fā)生單粒子翻轉事件，將導致程序走向混亂，使系統無(wú)法正常工作。因此，在系統設計上充分考慮抗干擾設計，提高系統的可靠性尤為重要。對于單片機系統而言，干擾有兩種，一是來(lái)源于系統外部環(huán)境和其它電氣設備產(chǎn)生的干擾，通過(guò)傳導和輻射等途徑影響單片機系統正常工作;二是來(lái)源于系統內部，由系統結構、制造工藝等決定以及內部元器件在工作時(shí)產(chǎn)生干擾，通過(guò)地址、電源線(xiàn)、信號線(xiàn)、分布電容等傳輸，影響系統工作狀態(tài)。單片機系統抗干擾措施主要從硬件、軟件兩個(gè)方面展開(kāi)避錯、容錯設計，以提高系統的可靠性。

　　2干擾產(chǎn)生的原因

　　2.1干擾源

　　干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設備或信號。產(chǎn)生的干擾包括：

　　(1)電磁干擾，如繼電器開(kāi)關(guān)啟動(dòng)、靜電放電、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等都可能引起不同程度的瞬變浪涌電壓，會(huì )造成IC和半導體器件PN結燒毀、氧化層擊穿等。

　　(2)人為干擾，如機械振動(dòng)、繼電器觸點(diǎn)抖動(dòng)、元器件安裝和電路板布線(xiàn)引起的電磁耦合、接插件接觸不良、虛焊、放大器自激、電源紋波等。

　　(3)環(huán)境因素干擾，如噪聲和環(huán)境溫濕度、以及太陽(yáng)黑子的變化，空間粒子輻射等。

　　2.2干擾傳輸途徑

　　干擾對單片機系統的影響主要通過(guò)三種途徑傳輸，包括：

　　(1)輸入系統。一般情況下，星載儀器的檢測對象往往是微弱物理信號，通過(guò)放大的運放電路和高精度A/D轉換電路組成。如串入干擾，會(huì )使輸入的模擬信號失真，數字信號出錯，從而導致采集的數據誤差增大。

　　(2)輸出系統。一旦受到干擾，將使各輸出信號混亂，不能正常反應單片機系統的真實(shí)輸出。但一般單片機輸出電路都具有較高的電平，不易受到干擾，需要注意的是其對其他電路的干擾影響。

　　(3)CPU系統。該干擾主要是由CPU內部時(shí)鐘和噪聲引起的，它可使單片機系統總線(xiàn)上的數字信號錯亂，CPU得到錯誤的地址信號，使程序跑飛或死循環(huán)，導致輸出錯誤，并將這個(gè)錯誤一直傳遞，造成系統失敗。

　　2.3敏感器件

　　在星載儀器單片機系統中，通常會(huì )用到一些如A/D、D/A變換器、弱信號放大器等容易被干擾的器件，也是產(chǎn)生干擾的重要原因。

　　3單片機常用抗干擾技術(shù)

　　抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入位置和侵入形式等，采取相應的方法來(lái)消除干擾源，抑制傳播途徑，減弱電路或元器件對噪聲干擾的敏感性，使單片機系統能正常穩定地運行。

　　3.1抑制干擾源的干擾作用

　　針對不同的干擾源采取相應的措施，抑制干擾作用。

　　(1) 繼電器線(xiàn)圈增加續流二極管，消除斷開(kāi)線(xiàn)圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢干擾。

　　(2) 在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路，一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF，減少電火花影響。

　　(3) 盡可能將干擾源(與電機、繼電器)與敏感器件(單片機)遠離。

　　3.2硬件干擾抑制技術(shù)

　　硬件抗干擾具有效率高的特點(diǎn)，只要合理布置與選擇有關(guān)參數，適當的硬件抗干擾措施就能抑制系統的絕大部分干擾。

　　3.2.1電源抗干擾設計

　　單片機系統對電源噪聲很敏感，電源的通斷、瞬時(shí)短路及電網(wǎng)串進(jìn)來(lái)的干擾脈沖都會(huì )造成單片機誤動(dòng)作。主要措施為給電源加濾波電路和穩壓器，以減少干擾。

　　3.2.2屏蔽干擾技術(shù)

　　在空間環(huán)境中，由于受空間帶電粒子輻射，會(huì )造成抗輻射能力較低的器件發(fā)生翻轉或鎖定，嚴重時(shí)會(huì )使器件失效?？刹捎娩X皮或鉭皮遮擋，進(jìn)行屏蔽加固。

　　星載儀器中，高靈敏的弱信號探測探頭引線(xiàn)應用屏蔽線(xiàn)，避免外界信號的干擾。將可能產(chǎn)生電磁脈沖的部件如高壓電源，以及靈敏度較高的部件如前置放大器等用金屬罩屏蔽，以減少干擾。

　　3.2.3隔離抗干擾技術(shù)

　　隔離一方面可把外來(lái)的干擾通道切斷，從而達到隔離現場(chǎng)干擾的目的。另一方面可將兩條信號線(xiàn)隔開(kāi)，使彼此的串擾盡可能小，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。

　　a.光電隔離使用光電耦合器來(lái)完成，光電耦合器其輸入端和輸出端的電信號是以光為媒介進(jìn)行間接耦合的，因而具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力，除此之外它還能起到很好的安全保障作用，因為在輸入輸出回路間有很高的耐壓值。

　　b.脈沖變壓器可實(shí)現數字信號隔離，脈沖變壓器匝數少，且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁心的兩側，分布電容僅有幾pF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。

　　c.繼電器的線(xiàn)圈和觸點(diǎn)之間沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，故可利用繼電器的線(xiàn)圈接受電氣信號，利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號，避免弱電和強電信號間的直接接觸，實(shí)現干擾隔離。

　　3.2.4印制板PCB抗干擾設計

　　隨著(zhù)技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB密度越來(lái)越高，PCB設計好壞對單片機系統影響很大。

　　a.設計時(shí)盡量選擇多層PCB板，其中一層為地層，一層為電源層，這種選擇能形成良好的退耦電路，并加入地線(xiàn)的屏蔽，可防止產(chǎn)生低電位差和元件之間的耦合。

　　b.晶振與單片機引腳盡量靠近，引線(xiàn)越短越好，用地線(xiàn)把時(shí)鐘區隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。

　　c.電源線(xiàn)，地線(xiàn)應盡量加粗，除減小壓降外，還能降低耦合噪聲。

　　d.TTL，CMOS器件的地線(xiàn)要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形。兩種器件接口應考慮電平匹配。

　　e.印制板布線(xiàn)時(shí)，將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開(kāi)布線(xiàn)，信號線(xiàn)與強電控制線(xiàn)路、電源線(xiàn)路分開(kāi)走線(xiàn)，且相互間保持一定的距離。配線(xiàn)時(shí)應區分交流線(xiàn)、直流穩壓電源線(xiàn)、數字信號線(xiàn)、模擬信號線(xiàn)、數字地、模擬地等。配線(xiàn)間隔越大，配線(xiàn)越短，則噪聲越小。信號線(xiàn)應盡量遠離高壓線(xiàn)路，如受條件限制，信號線(xiàn)不能與高壓線(xiàn)離得足夠遠，就要采用信號線(xiàn)接電容等各種抑制電磁感應噪聲的措施。用地線(xiàn)將數字與模擬區隔離，數字地與模擬地分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。交流地和信號地不能共用。

　　f.布線(xiàn)時(shí)避免90°折線(xiàn)，減少高頻噪聲發(fā)射。盡量減少回路環(huán)面積，以降低感應噪聲。

　　g.元件面與焊接面應采用垂直、斜交或彎曲走線(xiàn)，避免相互平行以減小寄生耦合，避免相鄰導線(xiàn)平行段過(guò)長(cháng)。

　　h.單片機和大功率器件要單獨接地，大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

　　i.信號頻率過(guò)高的信號線(xiàn)，要加終端匹配電阻。為提高干擾抑制能力，探測器連接電纜可采用金屬網(wǎng)狀屏蔽線(xiàn)抑制靜電感應，采用雙絞屏蔽線(xiàn)抑制電磁感應。

　　j.高頻電路應就近多點(diǎn)接地，以避免地線(xiàn)間耦合，低頻電路應一點(diǎn)接地，以減少地線(xiàn)造成的地環(huán)路。

　　3.2.5EFT抗干擾技術(shù)

　　振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì )疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時(shí)，這種毛刺會(huì )成為觸發(fā)信號干擾正常的時(shí)鐘信號，交替使用施密特電路和RC濾波可使這種毛刺不起作用，這就是EFT抗干擾技術(shù)。

　　3.2.6減少敏感元件的干擾性

　　a.根據電路參數選擇合理器件，盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的器件。

　　b.對單片機閑置的I/O口，不能懸空，應接地或電源。其它IC的閑置端，在不改變系統邏輯的情況下，接地或電源。

　　c.在速度能滿(mǎn)足要求的前提下，盡量降低單片機晶振和選用低速數字電路。

　　d.電路板上每個(gè)IC都要在VCC與地間并接一個(gè)0.01uF~0.1uF去耦電容，起到濾波的作用。注意電容的布線(xiàn)，連線(xiàn)應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì )影響濾波效果。

　　e.對單片機使用電源監控和看門(mén)狗電路。

　　f.單片機的標準退耦電路是一只100uF的電容并聯(lián)一只0.1uF的高頻電容，這兩只電容應盡量靠近V/V的地方，以減少環(huán)路效應。

　　g.單片機數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)是單片機與外界進(jìn)行信息交換的唯一通道，為提高總線(xiàn)的可靠性，可為總線(xiàn)配置總線(xiàn)驅動(dòng)器，以及配置總線(xiàn)上拉電阻。

　　3.3軟件干擾抑制技術(shù)

　　硬件抗干擾措施往往并不能完全消除干擾，單片機系統仍會(huì )受到侵害，軟件抗干擾技術(shù)可進(jìn)一步減小各種干擾的影響。

　　3.3.1指令冗余技術(shù)

　　以MCS-51為例，CPU取指令過(guò)程是先取操作碼，再取操作數，當CPU受到干擾后，往往將一些操作數當作操作碼來(lái)執行，引起程序混亂。為了使“跑飛”的程序迅速回到正軌，應多用單字節指令，并在關(guān)鍵地方插入兩個(gè)字節以上的單字節NOP指令，通常是在雙字節和3字節指令之后插入。以及在一些對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、SJMP等)前插入兩條NOP指令，以保證程序迅速納入正軌，或將有效指令重寫(xiě)，保證指令正確執行，這便是指令冗余。

　　3.3.2軟件陷阱技術(shù)

　　當程序“跑飛”到非程序區時(shí)，指令冗余將無(wú)法解決問(wèn)題。此時(shí)可設置軟件陷阱，截斷跑飛的程序，將其引向指定位置，在進(jìn)行出錯處理。如MCS-51，假設出錯處理程序的入口地址為ERROR，可在適應的地方如下設置指令：

　　NOP

　　NOP

　　LJMP ERROR

　　軟件陷阱主要安排在未使用的中斷區，未使用的程序空間以及非程序空間，程序運行區及中斷服務(wù)程序區。

　　3.3.3軟件看門(mén)狗技術(shù)

　　當失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，冗余指令和軟件陷阱也無(wú)能為力，通常采用“看門(mén)狗”技術(shù)。“看門(mén)狗”技術(shù)分為硬件和軟件兩種，這里主要介紹軟件看門(mén)狗。如MCS-51，它有兩個(gè)定時(shí)器T0和T1，可用這兩個(gè)定時(shí)器對主程序進(jìn)行監控。用定時(shí)器T0監視定時(shí)器T1，用定時(shí)器T1監視主程序，主程序監視定時(shí)器T0，“看門(mén)狗”根據程序運行指定時(shí)間間隔內未進(jìn)行操作，來(lái)判斷程序運行出錯。采用這種環(huán)形結構的軟件“看門(mén)狗”，具有良好的抗干擾性能。

　　3.3.4軟件濾波技術(shù)

　　干擾對單片機的輸入會(huì )造成輸入信號瞬間采樣的誤差或誤讀，為消除干擾影響，可采用軟件濾波方法。常用的軟件濾波方法有：

　　a.中位值平均濾波法。對重要信號進(jìn)行多次N個(gè)采樣，去除最大和最小值，取剩余的N-2個(gè)A/D轉換值的平均值。此方法可消除由于偶然出現的脈沖干擾引起的采樣值偏差。

　　b.程序判斷濾波法。根據經(jīng)驗確定出兩次采樣的最大偏差值⊿Y，若兩次采樣信號相減數值大于⊿Y，表明為干擾信號，應去除。用上次采樣值與本次采樣值比較，若小于或等于⊿Y，表明沒(méi)有受到干擾，此時(shí)采樣值有效，這種方法可濾去隨機干擾和由傳感器不穩定引起的誤差。

　　c.遞推平均濾波法。把連續N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊列，隊列的長(cháng)度固定，每次采到的新值放入隊尾，去掉原隊首數據，將隊列中N個(gè)數據進(jìn)行算術(shù)平均，可獲得新的濾波結果。本方法對周期性干擾有良好的抑制作用。

　　3.3.5輸出端口抗干擾技術(shù)

　　由于外圍器件動(dòng)作時(shí)，常會(huì )產(chǎn)生電磁脈沖，對輸出信號造成影響。對輸出通道的干擾，可采用在程序中周期性的添加輸出端口刷新指令的方法，以降低干擾。在程序指定RAM單元，存儲輸出口當時(shí)應處的狀態(tài)，在程序運行時(shí)根據這些RAM單元的內容刷新I/O口。也可采用多次重復寫(xiě)控制命令的方式，重復周期盡量短，這樣輸出設備得到一個(gè)干擾還來(lái)不及響應時(shí)，正確信號到來(lái)，可以防止誤動(dòng)作的發(fā)生。

　　4結束語(yǔ)

　　抗干擾技術(shù)是單片機系統設計過(guò)程中重要的環(huán)節，合理的使用軟件、硬件抗干擾技術(shù)，可使系統最大限度地避免干擾的產(chǎn)生和使系統恢復正常，以保證系統穩定的工作。在以往的星載儀器設計中，根據系統實(shí)際情況，均采用了上述相應的幾種方法相結合的抗干擾措施，實(shí)踐證明，上述抗干擾方法是有效的。航天工程要求高可靠、高質(zhì)量的產(chǎn)品，因此只有針對不同情況，采取相應措施，將干擾影響降到最低，才能保證儀器長(cháng)期穩定、可靠、安全的運行。

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