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不容忽視的單片機系統(tǒng)抗干擾問題

發(fā)布時間:2015-11-05 責任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】單片機系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動化、智能儀器儀表、家用電器、生產(chǎn)過程控制等領(lǐng)域的常見系統(tǒng)。但是處在同一電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備,彼此之間緊密相連相互影響,這難免會引起電磁振蕩,影響單片機系統(tǒng)的安全性和可靠性,那么單片機的抗干擾問題就是迫切需要解決的問題。

1干擾對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的影響

1.1測量數(shù)據(jù)誤差加大

干擾侵入單片機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道,疊加在測量信號上,會使數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是檢測一些微弱信號,干擾信號甚至淹沒測量信號。

1.2控制系統(tǒng)失靈

單片機輸出的控制信號通常依賴于某些條件的狀態(tài)輸入信號和對這些信號的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾,引入虛假狀態(tài)信息,將導(dǎo)致輸出控制誤差加大,甚至控制失靈。

1.3影響單片機RAM存儲器和E2PROM等

在單片機系統(tǒng)中,程序及表格、數(shù)據(jù)存在程序存儲器EPROM或FLASH中,避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞。但是,對于片內(nèi)RAM、外擴RAM、E2PROM中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。

1.4程序運行失常

外界的干擾有時導(dǎo)致機器頻繁復(fù)位而影響程序的正常運行。若外界干擾導(dǎo)致單片機程序計數(shù)器PC值的改變,則破壞了程序的正常運行。由于受干擾后的PC值是隨機的,程序?qū)?zhí)行一系列毫無意義的指令,最后進入“死循環(huán)”,這將使輸出嚴重混亂或死機。

2如何提高我們設(shè)備的抗干擾能力

2.1解決來自電源端的干擾

單片機系統(tǒng)中的各個單元都需要使用直流電源,而直流電源一般是市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后產(chǎn)生的,因此電網(wǎng)上的各種干擾便會引入系統(tǒng)。除此之外,由于交流電源共用,各電子設(shè)備之間通過電源也會產(chǎn)生相互干擾,因此抑制電源干擾尤其重要。電源干擾主要有以下幾類:

2.1.1電源線中的高頻干擾(傳導(dǎo)騷擾)

供電電力線相當于一個接受天線,能把雷電、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級,形成對單片機系統(tǒng)的干擾;解決這種干擾,一般通過接口防護;在接口增加濾波器、或者使用隔離電源模塊解決。

2.1.2感性負載產(chǎn)生的瞬變噪音(EFT)

切斷大容量感性負載時,能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率,從而形成瞬變噪音干擾,成為電磁干擾的主要形式;解決這種干擾,一般通過屏蔽線與雙膠線,或在電源接口、信號接口進行濾波處理。這二種方法都需要在系統(tǒng)接地良好的情況下進行,濾波器、接口濾波電路都必須良好的接地,這樣才能有效的將干擾泄放。

2.2模擬信號采樣抗干擾技術(shù)

單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常要對一個或多個模擬信號進行采樣,并將其通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。為了提高測量精度和穩(wěn)定性,不僅要保證傳感器本身的轉(zhuǎn)換精度、傳感器供電電源的穩(wěn)定、測量放大器的穩(wěn)定、A/D轉(zhuǎn)換基準電壓的穩(wěn)定,而且要防止外部電磁感應(yīng)噪聲的影響,如果處理不當,微弱的有用信號可能完全被無用的噪音信號淹沒。在實際工作中,可以采用具有差動輸入的測量放大器,采用屏蔽雙膠線傳輸測量信號,或?qū)㈦妷盒盘柛淖優(yōu)殡娏餍盘?,以及采用阻容濾波等技術(shù)。

2.3數(shù)字信號傳輸通道的抗干擾技術(shù)

數(shù)字輸出信號可作為系統(tǒng)被控設(shè)備的驅(qū)動信號(如繼電器等),數(shù)字輸入信號可作為設(shè)備的響應(yīng)回答和指令信號(如行程開關(guān)、啟動按鈕等)。數(shù)字信號接口部分是外界干擾進入單片機系統(tǒng)的主要通道之一。在工程設(shè)計中,對數(shù)字信號的輸入/輸出過程采取的抗干擾措施有:傳輸線的屏蔽技術(shù),如采用屏蔽線、雙膠線等;采用信號隔離措施;合理接地,由于數(shù)字信號在電平轉(zhuǎn)換過程中形成公共阻抗干擾,選擇合適的接地點可以有效抑制地線噪聲。

2.4硬件監(jiān)控電路

在單片機系統(tǒng)中,為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行,增強抗干擾能力,需要配置硬件監(jiān)控電路,硬件監(jiān)控電路從功能上包括以下幾個方面:

(1)上電復(fù)位:保證系統(tǒng)加電時能正確地啟動;

(2)掉電復(fù)位:當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時,產(chǎn)生復(fù)位信號對系統(tǒng)進行復(fù)位;

(3)電源監(jiān)測:供電電壓出現(xiàn)異常時,給出報警指示信號或中斷請求信號;

(4)硬件看門狗:當處理器遇到干擾或程序運行混亂產(chǎn)生“死鎖”時,對系統(tǒng)進行復(fù)位。

2.5PCB電路合理布線

PCB板設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此,在進行PCB設(shè)計時,必須遵守PCB設(shè)計的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。下面著重說明兩點:

2.5.1關(guān)鍵器件放置

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲,要相互靠近些;CPU復(fù)位電路、硬件看門狗電路要盡量靠近CPU相應(yīng)引腳;易產(chǎn)生噪聲的器件、大電流電路等應(yīng)盡量遠離邏輯電路。

2.5.2D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路地線的正確連接

D/A、A/D芯片及采樣芯片均提供了數(shù)字地和模擬地,分別有相應(yīng)的管腳。在線路設(shè)計中,必須將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連,但數(shù)字地與模擬地僅在一點上相連。另外,也可以采用屏蔽保護,屏蔽可用來隔離空間輻射。對噪聲特別大的部件(如變頻電源、開關(guān)電源)可以用金屬盒罩起來以減少噪聲源對單片機的干擾,對容易受干擾的部分,可以增加屏蔽罩并接地,使干擾信號被短路接地。

2.6軟件抗干擾原理及方法

盡管我們采取了硬件抗干擾措施,但由于干擾信號產(chǎn)生的原因錯綜復(fù)雜,且具有很大的隨機性,很難保證系統(tǒng)完全不受干擾。因此,往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上,采取軟件抗干擾技術(shù)加以補充,作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費低等特點,在系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

2.6.1數(shù)字濾波方法

數(shù)字濾波是在對模擬信號多次采樣的基礎(chǔ)上,通過軟件算法提取最逼近真值數(shù)據(jù)的過程。數(shù)字濾波的的算法靈活,可選擇權(quán)限參數(shù),其效果往往是硬件濾波電路無法達到的。

2.6.2輸入信號重復(fù)檢測方法

輸入信號的干擾是疊加在有效電平信號上的一系列離散尖脈沖,作用時間很短。當控制系統(tǒng)存在輸入干擾,又不能用硬件加以有效抑制時,可用軟件重復(fù)檢測的方法,達到“去偽存真”的目的,直到連續(xù)兩次或連續(xù)兩次以上的采集結(jié)果完全一致時方為有效。若信號總是變化不定,在達到最高次數(shù)限額時,則可給出報警信號。對于來自各類開關(guān)型傳感器的信號,如限位開關(guān)、行程開關(guān)、操作按鈕等,都可采用這種輸入方式。如果在連續(xù)采集數(shù)據(jù)之間插入延時,則能夠?qū)Ω遁^寬的干擾。

2.6.3輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法

開關(guān)量輸出軟件抗干擾設(shè)計,主要是采取重復(fù)輸出的方法,這是一種提高輸出接口抗干擾性能的有效措施。對于那些用鎖存器輸出的控制信號,這些措施很有必要。在盡可能短的周期內(nèi),將數(shù)據(jù)重復(fù)輸出,受干擾影響的設(shè)備在還沒有來得及響應(yīng)時,正確的信息又到來,這樣就可以及時防止誤動作的產(chǎn)生。在程序結(jié)構(gòu)的安排上,可為輸出數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),在程序的周期性循環(huán)體內(nèi)將數(shù)據(jù)輸出。對于增量控制型設(shè)備不能這樣重復(fù)送數(shù),只有通過檢測通道,從設(shè)備的反饋信息中判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。在執(zhí)行重復(fù)輸出功能時,對于可編程接口芯片,工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復(fù)設(shè)置,使輸出模塊可靠地工作。

2.6.4軟件攔截技術(shù)

當竄入單片機系統(tǒng)的干擾作用在CPU部位時,后果更加嚴重,將使系統(tǒng)失靈。最典型的故障是破壞程序計數(shù)器PC的狀態(tài),導(dǎo)致程序從一個區(qū)域跳轉(zhuǎn)到另一個區(qū)域,或者程序在地址空間內(nèi)“亂飛”,或者陷入“死循環(huán)”。使用軟件攔截技術(shù)可以攔截“亂飛”的程序或者使程序擺脫“死循環(huán)”,并將運行程序納入正軌,轉(zhuǎn)到指定的程序入口。

2.6.5“軟件看門狗”技術(shù)

PC受到干擾而失控,引起程序“亂飛”,也可能使程序陷入“死循環(huán)”。當軟件攔截技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境時,通常采用程序監(jiān)視技術(shù)WDTTIMER(WDT),又稱“看門狗”技術(shù),使程序脫離“死循環(huán)”。WDT是一種軟、硬件結(jié)合的抗程序跑飛措施,其硬件主體是一個用于產(chǎn)生定時T的計數(shù)器或單穩(wěn),該計數(shù)器或單穩(wěn)基本獨立運行,其定時輸出端接至CPU的復(fù)位線,而其定時清零則由CPU控制。在正常情況下,程序啟動WDT后,CPU周期性的將WDT清零,這樣WDT的定時溢出就不會發(fā)生,如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下,CPU時序邏輯被破壞,程序執(zhí)行混亂,不可能周期性的將WDT清零,這樣當WDT的定時溢出時,其輸出使系統(tǒng)復(fù)位,避免CPU因一時干擾而陷入癱瘓的狀態(tài)。

結(jié)語

隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的進步,電磁干擾問題越來越突出,推廣現(xiàn)有的、成熟的抗干擾技術(shù),研究抗干擾的新技術(shù)、新方向是單片機應(yīng)用技術(shù)的當務(wù)之急。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用中,只要充分考慮設(shè)備的電磁兼容性,并通過各種技術(shù)措施來消除干擾,就可以大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

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