第9章單片機系統的抗干擾技術9.1干擾源及其分類9.2干擾對單片機系統的影響9.3硬件抗干擾技術9.4軟件抗干擾技術9.5數字濾波9.1干擾源及其分類一、干擾的含義所謂干擾,普通是指有用信號以外的噪聲,在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現的一些有害的電氣變化景象。這些變化迫使信號的傳輸值、指示值或輸出值出現誤差,出現假像。干擾對電路的影響,輕那么降低信號的質量,影響系統的穩定性;重那么破壞電路的正常功能,呵斥邏輯關系混亂,控制失靈。二、干擾源的分類1.從干擾的來源劃分1)內部干擾內部干擾是運用系統本身引起的各種干擾,包括固定干擾和過渡干擾兩種。固定干擾是指信號間的相互串擾、長線傳輸阻抗失配時反射噪聲、負載突變噪聲以及饋電系統的浪涌噪聲等。過渡干擾是指電路在動態任務時引起的干擾。2)外部干擾外部干擾是由系統外部竄入到系統內部的各種干擾。包括某些自然景象〔如閃電、雷擊、地球或宇宙輻射等〕引起的自然干擾和人為干擾〔如電臺、車輛、家用電器、電器設備等發出的電磁干擾,以及電源的工頻干擾〕。普通來說,自然干擾對系統影響不大,而人為干擾那么是外部干擾的關鍵。圖9.1內部和外部干擾表示圖①安裝開口或隙縫處進入的輻射干擾(輻射)②電網變化干擾(傳輸)③周圍環境用電干擾(輻射、傳輸、感應)④傳輸線上的反射干擾(傳輸)⑤系統接地不妥引入的干擾(傳輸、感應)⑥外部線間串擾(傳輸、感應)⑦邏輯線路不妥呵斥的過渡干擾(傳輸)⑧線間串擾(感應、傳輸)⑨電源干擾(傳輸)10強電器引入的接觸電弧和反電動勢干擾(輻射、傳輸、感應)11內部接地不妥引入的干擾(傳輸)12漏磁感應(感應)13傳輸線反射干擾(傳輸)14漏電干擾(傳輸)2.按干擾出現的規律劃分固定干擾2)半固定干擾3)隨機干擾3.從干擾與輸入信號的關系劃分串模干擾

2)共模干擾圖9.2串模干擾和共模干擾(a)串模干擾；(b)共模干擾圖9.3串模干擾與共模干擾波形(a)直流信號；(b)串模干擾；(c)共模干擾；(d)串模干擾與共模干擾共同作用表9.1常見干擾的種類9.2干擾對單片機系統的影響圖9.4干擾入侵單片機系統的途徑13F4A274MOVC,2EH.413F6E544MOVA,44H13F83402ADDCA,＃213FA13RRCA13FBF544MOV44H,A13FD9274MOV2EH.4,C假設干擾使程序計數器PC出錯,在某時辰變為13F5H,CPU將執行如下程序片段,掉進一個死循環而不能自拔:13F574E5MOVA,＃0E5H13F74434ORLA,＃34H13F902113F5LJMP13F5H9.3硬件抗干擾技術9.3.1串模干擾的抑制方法一、光電隔離圖9.5二極管、三極管光電耦合器1.輸入輸出隔離1)脈沖電路的運用門電路將不同電位的信號,加到光電耦合器上,構成簡單的邏輯電路,可方便地用于各種邏輯電路相連的輸入端,能把信號送到輸出端,而輸入端的噪聲不會送出。2)整形放大在丈量微弱電流時,經常采用由光電耦合器構成的整形放大器。假設放大器中運用機械換流器(或場效應管)時,呼應速度慢,有尖峰干擾,影響電路任務。采用光電耦合器就沒有這樣的問題,尖峰噪聲可以去掉。圖9.6可控硅感性負載開關電路二、硬件濾波電路圖9.7四種濾波器的構造圖三、過壓維護電路在輸入通道上采用一定的過壓維護電路,以防引入高壓,損壞系統電路。過壓維護電路由限流電阻和穩壓管組成,穩壓值以略高于最高傳送信號電壓為宜。對于微弱信號〔0.2V以下〕,采用兩支反并聯的二極管,也可起到過壓維護作用。四、調制解調技術有時,有效信號的頻譜與干擾的頻譜相互交錯,運用普通硬件濾波很難分別,可采用調制解調技術。先用知頻率的信號對有效信號進展調制,調制后的信號頻譜應遠離干擾信號的頻譜區域。傳輸中各種干擾信號很容易被濾波器濾除,被調制的有效信號經解調器解調后,恢復原狀。有時,不用硬件解調,運用軟件中的相關算法,也可到達解調的目的。五、抗干擾穩壓電源(1)運用系統的供電線路和產生干擾的用電設備分開供電。(2)經過低通濾波器和隔離變壓器接入電網,如圖9.8所示。(3)整流組件上并接濾波電容。濾波電容選用1000pF~0.01μF的瓷片電容,接法參見圖9.8。(4)采用高質量的穩壓電源。圖9.8抗干擾穩壓電源六、數字信號采用負邏輯傳輸干擾源作用于高阻線路上,容易構成較大幅度的干擾信號,而對低阻線路影響要小一些。在數字系統中,輸出低電平常內阻較小,輸出高電平常內阻較大。假設我們采用負邏輯傳輸,就可以減少干擾引起的誤動作,提高數字信號傳輸的可靠性。9.3.2共模干擾的抑制方法一、平衡對稱輸入在設計信號源時盡能夠做到平衡和對稱,否那么會產生附加的共模干擾。二、選用高質量的差動放大器要求差動放大器具有高增益、低噪聲、低漂移、寬頻帶等特點,以便獲得足夠高的共模抑制比。三、良好的接地系統接地不良時將構成較明顯的共模干擾。如沒有條件進展良好接地,不如將系統浮置起來,再配合采用適宜的屏蔽措施,效果也不錯。四、系統接地點的正確銜接單片機運用系統中存在的地線有:數字地、模擬地、功率地、信號地和屏蔽地。1.一點接地和多點接地的運用原那么(1)普通高頻電路應就近多點接地,低頻電路應一點接地。在高頻電路中,地線上具有電感,因此添加了地線阻抗,而且地線變成了天線,向外輻射噪聲信號,因此,要多點就近接地。在低頻電路中,接地電路假設構成環路,對系統影響很大,因此應一點接地。(2)交流地、功率地與信號地不能公用。流過交流地和功率地的電流較大,會呵斥數毫伏、甚至幾伏電壓,這會嚴重地干擾低電平信號的電路,因此信號地與交流地、功率地分開。(3)信號地與屏蔽地的銜接不能構成死循環回路。否那么會感生出電壓,構成干擾信號。(4)數字地與模擬地應分開,最后單點相連。2.印制板的地線布置圖9.9導線的長度寬度與圖9.10芯片的布置五、屏蔽用金屬外殼將整機或部分元器件包圍起來,再將金屬外殼接地,就能起到屏蔽的作用,對于各種經過電磁感應引起的干擾特別有效。屏蔽外殼的接地點要與系統的信號參考點相接,而且只能單點接地,一切具有同參考點的電路必需裝在同一屏蔽盒內。如有引出線,應采用屏蔽線,其屏蔽層應和外殼在同一點接系統參考點。參考點不同的系統應分別屏蔽,不可共處一個屏蔽盒內。9.4軟件抗干擾技術9.4.1數字量I/O通道中的軟件抗干擾一、數字量輸入方法二、數字量輸出方法圖9.11開關量信號采樣流程9.4.2程序執行過程中的軟件抗干擾一、程序“跑飛〞二、指令冗余三、軟件圈套那么下面三條指令即組成一個“軟件圈套〞:NOPNOPLJMPERR“軟件圈套〞普通安排在以下四種地方。1.未運用的中斷向量區MCS-51單片機的中斷向量區為0003H~002FH,假設系統程序未運用完全部中斷向量區,那么可在剩余的中斷向量區安排“軟件圈套〞,以便能捕捉到錯誤的中斷。如某系統運用了兩個外部中斷INT0、INT1和一個定時器溢出中斷T0,它們的中斷效力子程序入口地址分別為FUINT0、FUINT1和FUT0,即可按下面的方式來設置中斷向量區: ORG0000H0000HSTART:LJMPMAIN;引向主程序入口0003HLJMPFUINT0;INT0中斷效力程序入口006HNOP;冗余指令007HNOP008HLJMPERR;圈套0013HLJMPFUT0;T0中斷效力程序入口00EHNOP;冗余指令00FHNOP;0010HLJMPERR;圈套0013HLJMPFUINT1;INT1中斷效力程序入口0016HNOP;冗余指令0017HNOP0018HLJMPERR;圈套001BHLJMPERR;未運用T1中斷,設圈套001EHNOP;冗余指令001FHNOP0020HLJMPERR;圈套0023HLJMPERR;未運用串口中斷,設圈套0026HNOP;冗余指令0027HNOP0028HLJMPERR;圈套002BHLJMPERR;未運用T2中斷,設圈套002EHNOP;冗余指令002FHNOP0030HMAIN:…;主程序2.未運用的大片EPROM空間程序普通都不會占用EPROM芯片的全部空間,對于剩余未編程的EPROM空間,普通都維持原狀,即其內容為0FFH。0FFH對于MCS-51單片機的指令系統來說是一條單字節的指令:MOVR7,A。假設程序“跑飛〞到這一區域,那么將順利向后執行,不再騰躍〔除非又遭到新的干擾〕。因此在這段區域內每隔一段地址設一個圈套,就一定能捕捉到“跑飛〞的程序。3.表格有兩種表格:一類是數據表格,供MOVCA,@A+PC指令或MOVCA,@A+DPTR指令運用,其內容完全不是指令。另一類是散轉表格,供JMP@A+DPTR指令運用,其內容為一系列的3字節指令LJMP或2字節指令AJMP。由于表格的內容與檢索值有一一對應的關系,在表格中間安排圈套會破壞其延續性和對應關系,因此只能在表格的最后安排圈套。假設表格區較長,那么安排在最后的圈套不能保證一定能捕捉“跑飛〞來的程序,有能夠在中途再次“跑飛〞,這時只好指望別處的圈套或冗余指令來捕捉。4.程序區程序區是由一系列的指令構成的,不能在這些指令中間恣意安排圈套,否那么會破壞正常的程序流程。但是,在這些指令中間經常有一些斷點,正常的程序執行到斷點處就不再往下執行了,這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI,這時PC的值應發生正常跳變。假設在這些地方設置圈套就有能夠捕捉到“跑飛〞的程序。例如,對一個累加器A的內容的正、負和零的情況進展三分支的程序,軟件圈套安排如下: JNZXYZ … ;零處置AJMPABC ;斷點NOPNOPLJMPERR ;圈套XYZ:JBACC.7,UVW … ;正處置AJMPABC ;斷點NOPNOPLJMPERR;圈套UVW:… ;負處置ABC:MOVA,R2 ;取結果RET ;斷點NOPNOPLJMPERR ;圈套四、WATCHDOG假設“跑飛〞的程序落到一個暫時構成的死循環中,冗余指令和軟件圈套都將無能為力,這時可采取WATCHDOG〔俗稱“看門狗〞〕措施。WATCHDOG有如下特性:(1)本身能獨立任務,根本上不依賴于CPU。CPU只在一個固定的時間間隔內與之打一次交道,闡明整個系統“目前尚屬正常〞。(2)當CPU落入死循環后,能及時發現并使整個系統復位。圖9.12硬件WATCHDOG電路也可以用軟件程序來構成WATCHDOG。例如,可以采用8031的定時器T0來構成WATCHDOG。將T0的溢出中斷設為高優先級中斷,其它中斷均設置為低優先級中斷,假設采用6MHz的時鐘,那么可用以下程序使T0定時約10ms來構成軟件WATCHDOG:MOVTMOD,＃01H;置T0為定時器SETBET0 ;允許T0中斷SETBPT0 ;設置T0為高優先級中斷MOVTH0,＃0E0H ;定時約10msSETBTR0 ;啟動T0SETBEA ;開中斷9.4.3系統的恢復一、系統的復位如用軟件WATCHDOG使系統復位時,程序出錯有能夠發生在中斷子程序中,中斷激活標志曾經置位,它將阻止同級的中斷呼應,由于軟件WATCHDOG是高級中斷,它將阻止一切的中斷呼應。由此可見去除中斷激活標志的重要性。在一切的指令中,只需RETI指令能去除中斷激活標志。前面提到的出錯處置程序ERR主要是完成這一功能。這部分程序如下:ORG3000HERR:CLREA;關中斷MOVDPTR,＃ERR1;預備前往地址PUSHDPLPUSHDPHRETI;去除高優先級中斷激活標志ERR1:MOV66H,＃0AAH;重建上電標志MOV67H,＃55HCLRA;預備復位地址PUSHACC;壓入復位地址PUSHACCRETI;去除低級中斷激活標志圖9.13系統復位戰略二、熱啟動的過程在進展熱啟動時,為使啟動過程能順利進展,首先關中斷并重新設置堆棧。即使系統復位的第一條指令應為關中斷指令。由于熱啟動過程是由軟件復位〔如軟件WATCHDOG等〕引起的,這時中斷系統未被封鎖,有些中斷懇求允許正在排隊等待呼應;再者，在熱啟動過程中要執行各種子程序,而子程序的任務需求堆棧的配合,在系統得到正確恢復之前堆棧指針的值是無法確定的,所以在正式恢復之前要先設置好棧底，即第二條指令應為重新設置棧底指令。然后,將一切的I/O設備都設置成平安形狀,封鎖I/O操作,以免干擾呵斥的破壞進一步擴展。接著,根據系統中殘留的信息進展恢復任務。圖9.14三中取二表決流程三、系統信息的恢復首先將要恢復的單字節信息及它的兩個備份信息分別存放到任務存放器R2、R3和R4中,再調用表決子程序。子程序出口時,假設F0=0,表示表決勝利,即三個數據中有兩個是一樣的;假設F0=1,表示表決失敗,即三個數據互不一樣。表決結果存放在累加器A中,程序如下:VOTE3:MOVA,R3;第一數據與第二數據比較XRLA,R3;JZVOTE32MOVA,R2;第一數據與第三數據比較XRLA,R4JZVOTE32MOVA,R3;第一數據與第三數據比較XRLA,R4;JZVOTE31SETBF0;失敗RETVOTE31:MOVA,R3;以第二數據為準MOVR2,AVOTE32:CLRF0;勝利MOVA,R2;取結果RET對于雙字節數據,表決前將三份數據分別存入R2R3、R4R5、R6R7中,表決勝利后,結果在R2R3中。程序如下:VOTE2:MOVA,R2;第一數據與第二數據比較XRLA,R4JNZVOTE21MOVA,R3XRLA,R5JZVOTE25VOTE21:MOVA,R2;第一數據與第三數據比較XRLA,R6JNZVOTE22MOVA,R3XRLA,R7JZVOTE25VOTE22:MOVA,R4;第二數據與第三數據比較XRLA,R6JNZVOTE23MOVA,R5XRLA,R7JZVOTE24VOTE23:SETBF0;失敗RETVOTE24:MOVA,R4;以第二數據為準MOVR2,AMOVA,R5MOVR3,AVOTE25:CLRF0;勝利RET9.5數字濾波數字濾波有如下優點:(1)數字濾波是由軟件程序實現的,不需求硬件,因此不存在阻抗匹配的問題。(2)對于多路信號輸入通道,可以共用一個軟件“濾波器〞,從而降低設備的硬件本錢。(3)只需適當改動濾波器程序或運算參數,就能方便地改動濾波特性,這對于低頻脈沖干擾和隨機噪聲的抑制特別有效。一、低通濾波假設一階RC模擬低通濾波器的輸入電壓為X(t),輸出為Y(t),它們之間存在如下關系:為了進展數字化,必需運用它們的采樣值,即假設采樣間隔Δt足夠小,那么式〔9-1〕的離散值近似為即令那么式〔9-3〕可化為(9-3)假設采樣間隔Δt足夠小,那么,濾波器的截止頻率為圖9.15低通濾波器程序流程圖為計算方便,a取一整數,〔1-a〕用256-a來替代。計算結果舍去最低字節即可,設Yn-1存放在30H〔整數〕和31H〔小數〕兩單元中,Yn存放在32H〔整數〕和33H〔小數〕中。程序如下:F1:MOV30H,32H;更新Yn-1MOV31H,33HACALLINPUT;采樣XnMOVB,＃8;計算aXnMULABMOV32H,B;暫時存入Yn中MOV33H,AMOVB,＃248;計算〔1-a〕Yn-1MOVA,31HMULABRLCAMOVA,BADDCA,33H ;累加到Yn中MOV33H,AINCF11INC32HF11:MOVB,＃248MOVA,＃30HMULABADDA,33HMOV33H,AMOVA,BADDCA,32HMOV32,ARET二、限幅濾波圖9.16限幅濾波程序流程圖PUSHACC ;維護現場PUSHPSWMOVA,＃30H ;Yn→ACLRCSUBBA,31H ;求Yn-Yn-1-1INCLP0 ;Yn-Yn-1≥0嗎？CPLA ;Yn<Yn-1,求補LP0:CLRCCJNEA,＃01H,LP2 ;Yn-Yn-1>ΔY？LP1:MOV32H,30H ;等于ΔY,本次采樣值有效SJMPLP3LP2:JCLP1 ;小于ΔY,本次采樣值有效MOV32H,31H ;大于ΔY,Yn=Yn-1LP3:POPPSWPOPACCRET三、中值濾波中值濾波是對某一被測參數延續采樣n次〔普通n取奇數〕,然后把n次采樣值按大小陳列,取中間值為本次采樣值,中值濾波能有效地抑制偶爾要素引起的動搖或采樣器不穩定引起的誤碼等脈沖干擾。設SAMP為存放采樣值的內存單元首地址,DATA為存放濾波值的內存單元地址,N為采樣值個數,中值濾波程序如下:F3:MOVR3,