1、單片機系統抗干擾技術 干擾信號主要通過三個途徑進入單片機系統內部：即電磁感應，傳輸通道和電源線。一般情況下，經電磁感應進入單片機系統的干擾在強度上遠遠小于從傳輸通道和電源線進入的干擾，對于電磁感應干擾可采用良好的“屏蔽”和正確的“接地”加以解決。所以，抗干擾措施主要是盡量切斷來自傳輸通道和電源線的干擾。串模干擾串模干擾 串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到單片機系統上的。如下圖所示。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間電磁場。由傳感器來的信號線有時長達一、二百米，干擾源通過電磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數值是相當可觀

2、的。共模干擾共模干擾 共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓。這種干擾可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高，取決于現場產生干擾的環境條件和單片機系統的接地情況。電源干擾電源干擾除了串模干擾和共模干擾之外，還有一些干擾是從電源引入的，電源干擾一般有： 1. 當同一電源系統中的可控硅器件通斷時產生的尖峰，通過變壓器初級和次級之間的電容耦合到直流電源中去產生干擾； 2. 附近的斷電器動作時產生的浪涌電壓，由電源線經變壓器級間電容耦合產生的干擾； 3. 共用同一個電源的附近設備接通或斷開時產生的干擾。 數字電路干擾數字電路干擾在數字電路的元件與元件之間，導線與導線之間，導線

3、與元件之間，導線與結構件之間都存在著分布電容。如果某一個導體上的信號電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其它導體上的電位受到影響，這種現象稱為電容性耦合。下圖為平行布線的和之間電容性耦合情況的示意圖。 假設、兩導線的兩端均接有門電路，見圖a，當門輸出一個方波脈沖，而受感線（線）正處于低電平時，可以從示波器上觀察到如圖b所示的波形。 圖a圖b 前面圖b中，VA表示信號源，VB為感應電壓。若耦合電容CAB足夠大，使得正脈沖的幅值高于門的開門電平VT，脈沖寬度也足以維持使門4的輸出電平從高電平下降到低電平時，門4就輸出一個負脈沖，即干擾脈沖。 在印刷電路板上，兩條平行導線間的分布電容約為0.5pF/cm

4、,與靠在一起的絕緣導線間的分布電容有相同數量級。除以上所介紹之外，還有其它一些干擾和噪聲，如：由印刷電路板電源線與地線之間的開關電流和阻抗引起的干擾；元器件的熱噪聲；靜電感應噪聲等。抗串模干擾措施抗串模干擾措施單片機系統中，抗串模干擾措施是用低通濾波器濾除交流干擾，而對直流串模干擾則采用補償措施。常用低通濾波器有RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器及有源濾波器等, 如下圖a、b、c、d所示。 RC濾波器的結構簡單，成本低，也不需調整。但它的串模抑制比不高，一般需23級串聯使用才能達到規定的NMR指標。而且時間常數RC較大，RC過大時將影響放大器的動態特性。 LC濾波器的串模抑制比較高，但需要繞制

5、電感，體積大、成本高。 雙T濾波器對一固定頻率的干擾具有很高的抑制比，偏離該頻率后抑制比迅速減小。主要用來濾除工頻干擾，而對高頻干擾無能為力，其結構雖然也簡單，但調整比較麻煩。 有源濾波器可以獲得較理想的頻率特性，但作為單片機系統輸入級，有源器件(運算放大器)的共模抑制比一般難以滿足要求，其本身帶來的噪聲也較大。 采用雙端輸入的差分放大器作為單片機系統輸入通道的前置放大器，是抑制共模干擾的有效方法。也可以利用變壓器或光電耦合器把各種模擬負載與數字信號隔離開來，也就是把“模擬地”與“數字地”斷開，被測信號通過變壓器耦合或光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不成回路而得到有效抑制。如圖所示。抗共模干擾

6、措施抗共模干擾措施還可以采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如下圖所示。這是利用屏蔽方法使輸入信號的“模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾的目的。在采用這種方法時要注意以下幾點: (1) 信號線屏蔽層只允許一端接地，并且只在信號源側接地，而放大器側不得接地，當信號源為浮地方式時，屏蔽只接信號源的低電位端； (2) 模擬信號的輸入端要相應地采用三線采樣開關； (3) 在設計輸入電路時，應使放大器二輸入端對屏蔽罩的絕緣電阻盡量對稱，并且盡可能減小線路的不平衡電阻。 開關量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道，都是干擾竄入的渠道，要切斷這條渠道，就要去掉對象與輸入輸出通道之間的公共地線，實現彼此電隔

7、離以抑制干擾脈沖。最常見的隔離器件是光電耦合器,其內部結構如下圖所示,光電耦合器之所以具有很強的抗干擾能力 。 輸入輸出通道抗干擾措施輸入輸出通道抗干擾措施開關量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的抗干擾作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一邊。另外，光電耦合器還起到很好的安全保障作用，即使故障造成Vi與電力線相接也不致于損壞單片機系統，因為光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間可耐很高的電壓(GO103為500V，有些光電耦合器可達1000V，甚至更高)。 下圖是光電隔離抗干擾開關量輸出電路的原理圖。三態緩沖門接成直通式，當開關量信號Vi為0時，電流通過發光二極管，使

8、光敏三極管導通，外接三極管T截止可控硅EC導通，直流負載加電。反之，Vi為1時，直流負載斷電。 由于模擬量信號的有效狀態有無數個，而數字(開關)量的狀態只有兩個，所以疊加在模擬量信號上的任何干擾，都因有實際意義而起到干擾作用。疊加在數字(開關)量信號上的干擾，只有在幅度和寬度都達到一定量時才能起到作用。這表明抗干擾屏障的位置越往外推越好，最好能推到模擬量入、出口處，也就是說，最好把光電耦合器設置在A/D電路模擬量輸入和D/A電路模擬量輸出的位置上。 必須注意的是，當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號(包括數字量信號、控制信號、狀態信號)全部隔離，使得 被隔離 的兩邊沒有任何電氣

9、上的聯系。否則這種隔離是沒有意義的。如圖所示，電抗器用來抑制交流電源線上引入的高頻干擾變阻二極管用來抑制進入交流電源線上的瞬時干擾(或者大幅值的尖脈沖干擾)；隔離變壓器的初、次級之間加有靜電屏蔽層，從而進一步減小進入電源的各種干擾。該交流電壓再通過整流，濾波和直流電子穩壓后使干擾被抑制到最小。 電源與電網抗干擾措施電源與電網抗干擾措施正確接地是單片機系統系統抑制干擾所必須注意的重要問題。在設計中若能把接地和屏蔽正確地結合，可很好地消除外界干擾的影響。接地設計的基本目的是消除各電路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓，以及免受電磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環路。地線系統抗干擾措施地線系統抗

10、干擾措施接地設計應注意如下：(1) 一點接地和多點接地的使用原則一般高頻電路應就近多點接地，低頻電路應一點接地。在低頻電路中，接地電路形成的環路對干擾影響很大，因此應一點接地。在高頻時，地線上具有電感，因而增加了地線阻抗，而且地線變成了天線，向外幅射噪聲信號，因此，要多點就近接地。(2) 屏蔽層與公共端的連接當一個接地的放大器與一個不接地的信號源連接時，連接電纜的屏蔽層應接到放大器公共端，反之應接到信號源公共端。高增益放大器的屏蔽層應接到放大器的公共端。(3)交流地、功率地同信號地不能共用流過交流地和功率地的電流較大，會造成數毫伏、甚至幾伏電壓，這會嚴重地干擾低電平信號的電路。因此信號地應與交

11、流地、功率地分開。(4)屏蔽地(或機殼地)接法隨屏蔽目的不同而異電場屏蔽是為了解決分布電容問題，一般接大地；電磁屏蔽主要避免雷達、短波等高頻電磁場的輻射干擾，地線用低阻金屬材料做成。屏蔽是防磁鐵、電機、變壓器等的磁感應和磁耦合的，辦法是用高導磁材料使磁路閉合，一般接大地。(5)電纜和接插件的屏蔽在電纜和接插件的屏蔽中要注意：高電平線和低電平線不要走同一條電纜。不得已時，高電平線應單獨組合和屏蔽。同時要存細選擇低電平線的位置。高電平線和低電平線不要使用同一接插件。不得已時，要將高低電平端子分立兩端，中間留接高低電平引地線的備用端子。設備上進出電纜的屏蔽應保持完整。電纜和屏蔽線也要經插件連接。兩條

12、以上屏蔽電纜共用一個插件時，每條電纜的屏蔽層都要用一個單獨接線端子，以免電流在各屏蔽層流動。硬件抗干擾措施的目的是盡可能切斷干擾進入單片機系統的通道, 因此是十分必要的。但是由于干擾存在的隨機性, 尤其是在一些較惡劣的外部環境下工作的單片機系統, 盡管采用了硬件抗干擾措施, 但并不能將各種干擾完全拒之于門外。這時就應該充分發揮單片機系統中單片機在軟件編程方面的靈活性,采用各種軟件抗干擾措施, 與硬件措施相結合, 提高單片機系統工作的可靠性。 軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施在采集數字信號時, 可多次重復采集, 直到若干次采樣結果一致時才認為其有效。例如通過A/D 轉換器測量各種模擬量時, 如果有干

13、擾作用于模擬信號上, 就會使A/D轉換結果偏離真實值。 如果只采樣一次A/D轉換結果, 就無法知道其是否真實可靠, 而必須進行多次采樣, 得到一個A/D轉換結果的數據系列, 對這一系列數據再作各種數字濾波處理, 最后才能得到一個可信度較高的結果值。如果對于同一個數據點經多次采樣后得到的信號值變化不定, 說明此時的干擾特別嚴重, 已經超出允許的范圍, 應該立即停止采樣并給出報警信號。 開關量信號采樣流程如下圖所示。單片機系統對外輸出的控制信號很多是以數字量的形式出現的, 如各種顯示器, 步進電機或電磁閥的驅動信號等。即使是以模擬量輸出, 也是經過D/A轉換而獲得的。單片機給出一個正確的數據后,

14、由于外部干擾的作用有可能使輸出裝置得到一個被改變了的錯誤數據, 從而使輸出裝置發生誤動作。對于數字量輸出軟件抗干擾最有效的方法是重復輸出同一個數據, 重復周期應盡量短。這樣輸出裝置在得到一個被干擾的錯誤信號后, 還來不及反應, 一個正確的信號又來到了, 從而可以防止誤動作的產生。前面述及的是針對輸入輸出通道而言的, 干擾信號還未作用到CPU本身, CPU還能正確地執行各種抗干擾程序。如果干擾信號已經通過某種途徑作用到了CPU上,則CPU就不能按正常狀態執行程序,從而引起混亂,這就是通常所說的程序“跑飛”。程序“跑飛”后往往將一些操作數當作指令碼來執行, 從而引起整個程序的混亂。采用“指令冗余”

15、是使“跑飛”的程序恢復正常的一種措施。所謂“指令冗余”, 就是在一些關鍵的地方人為地插入一些單字節的空操作指令NOP。 當程序跑飛到某條單字節指令上時, 就不會發生將操作數當成指令來執行的錯誤。對于8051單片機來說, 所有的指令都不會超過3個字節, 因此在某條指令前面插入兩條NOP指令, 則該條指令就不會被前面沖下來的失控程序拆散, 而會得到完整的執行, 從而使程序重新納入正常軌道。 通常是在一些對程序的流向起關鍵作用的指令前面插入兩條NOP指令。應該注意的是在一個程序中“指令冗余”不能使用過多, 否則會降低程序的執行效率。如果“跑飛”的程序落到非程序區(如EPROM中未用完的空間或某些數據

16、表格等), 或在執行到冗余指令之前已經形成了一個死循環, 則“指令冗余”措施就不能使“跑飛”的程序恢復正常了。這時可以采用另一種軟件抗干擾措施, 即所謂“軟件陷肼”。“軟件陷肼”是一條引導指令, 強行將捕獲的程序引向一個指定的地址, 在那里有一段專門處理錯誤的程序。 “軟件陷肼”一般安排在下列四種地方:未使用的中斷向量區。(2) 未使用的大片EPROM空間。 (3) 數據表格和散轉表格。 (4) 程序分支處。 如果跑飛的程序落到一個臨時構成的死循環中時, 冗余指令和軟件陷肼都將無能為力。這時可以采用人工復位的方法使系統恢復正常, 實際上可以設計一種模仿人工監測的“程序運行監視器”, 俗稱“看門

17、狗” 硬件看門狗將定時器T0的溢出中斷設為高級中斷, 其它中斷均設置為低級中斷, 若采用6M的時鐘,則可用以下程序使T0定時約10ms來形成軟件看門狗:MOV TMOD, #01H ;置T0為16位定時器 SETB ET0 ;允許T0中斷 SETB PT0 ;設置T0為高級中斷 MOV TH0, #0E0H ;定時約10ms SETB TR0 ;啟動T0 SETB EA ;開中斷 軟件看門狗軟件看門狗啟動后,系統工作程序必須每隔小于16ms的時間執行一次指令：MOV TH0,#0E0H重新設置T0的計數初值。如果程序“跑飛”后執行不到這條指令, 則在16ms之內即會產生一次T0溢出中斷, 在 T0 的中斷向量區安放一條轉移到出錯處理程序的指令:LJMP ERR由出錯處理程序來處理各種善后工作。采用軟件看門狗有一個弱點, 就是如果“跑飛”的程序使某些操作數變形成為了修改T0功能的指令, 則執行這種指令后軟件看門狗就會失效。因此軟件看門狗的可靠性不如硬件高。 前面列舉的各項措施只解決了如何發現系統受到干擾和如何捕捉“跑飛”程序, 但僅此還不夠, 還要能夠讓單片機根據被破壞的殘留信息自動恢復到正常工作狀態。 硬件復位是