您的当前位置：首页单片机系统的抗干扰设计

单片机系统的抗干扰设计

来源：赴品旅游

第15卷　第2期

2005年4月

长春大学学报Vol115　No12Apr.2005

JOURNALOFCHANGCHUNUNIVERSITY

　　文章编号:1009-3907(2005)02-0021-04

单片机系统的抗干扰设计

赵峻彦,李　曼

(1.长春理工大学机电工程学院,吉林长春　130022;长春工业大学计算机科学与工程学院,吉林长春　130022)

摘　要:MCS251单片机应用系统在使用过程中,存在大量的干扰源,严重影响了系统运行的可靠性。通过对工业现场中可能对单片机系统产生影响的各种干扰因素的分析,介绍了单片机应用系统在设计过程中的硬件和软件抗干扰技术。关键词:单片机;干扰;抗干扰;看门狗中图分类号:TP36811　　　文献标识码:A

0　引　言

单片机测控在工业自动化,生产过程控制,智能化仪表等领域的应用越来越广泛和深入。但是,测控系统的现场工作环境往往比较恶劣,干扰是造成系统故障的主要原因之一。窜入微机系统的干扰作用于CPU时,典型的故障是破坏程序计数器PC的状态,导致程序在地址空间内“跑飞”或者陷入“死循环”。在工业应用中,严重的干扰有时还会破坏中断方式控制字,导致中断关闭。因此,抗干扰问题是单片机自动测控系统设计中必须解决的关键环节之一。

叠加到输入的信号源上,因此,噪声电压与信号源

一起经过处理输出到后级电路,造成干扰控制,这是串模干扰的形式(如图1所示)。

图1　内部干扰框图

112　外部干扰

1　干扰及其分类

由于单片机应用与工业现场的实时控制,工作环境中的其他设备所产生的干扰容易窜入到控制系统,对其工作形成干扰,严重影响系统的正常工作,甚至会因误动作而造成重大事故,这在单片机控制中是不允许的,干扰的主要形式是窜入式干扰,以传导和辐射两种方式窜入到控制系统中。根据干扰相对于工作现场的位置不同,可分为内部干扰和外部干扰两种。111　内部干扰

这种干扰是指测控系统以外的各种因素对系统

本身造成的干扰,可分为电磁辐射干扰、电源窜入干扰和传输通道干扰三种形式。(1)电磁辐射干扰。是指系统周围的电磁波辐射到控制系统中所造成的影响。系统周围的发射天线、交流弧焊机、中频设备等发出的电磁波易于窜入到系统内部,干扰其正常工作。(2)电源窜入干扰。是指由于供电系统不稳定而产生的干扰。供电系统的过压、欠压等均会产生瞬间的浪涌和尖峰电流,以纹波的形式窜入到系统中形成干扰。(3)传输通道干扰。是指信息在传输过程中受到的干扰,此类干扰来自于系统的外部设备,如振荡电路、振荡变压器、高频发射装置等。

这种干扰来自于控制系统本身。由于系统工作环境变化,如温度、压力、震动等产生噪声电压易

收稿日期:2005203203

),女,吉林春市人,长春理工大学机电工程学院副教授,主要从事机械制造专业教学及作者简介:赵峻彦(19-　

机电一体化研究。

长

春

大

学

报

　第15卷

113　干扰信号的耦合方式

还可消除静电感应。

分析干扰的耦合方式,对于抗干扰设计有着直接的影响,可分为4种方式。(1)电容耦合。它是通过分布电容,一种信号线的电流所产生的电场耦合到另一种信号线上的传播方式。(2)电感耦合。它是通过分布电感,将一信号线的电流产生的磁场耦合到另一信号线上的传播方式。(3)漏电流耦合。它是由于绝缘不良(如:电路板上潮湿的灰尘、空气等),流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。(4)共阻抗耦合。它是电路之间通过公共阻抗(电阻、电容、电感或者混合形式),使得一个电路的电流在其它电路上产生干扰电压的耦合方式。

图2　交流电源的滤波和屏蔽

2111112　采用分散的直流供电方式

分散的直流供电方式,可以消除互相之间通过

电源产生的干扰,有效提高直流电源系统的供电可靠性。

2111113　在电路板的每个IC中的供电端并联高频

2　常用的抗干扰技术

解决干扰问题的出发点就是:(1)设法切断干

扰通路,消除或减少干扰的影响。(2)增强系统本身的抗干扰能力。因此在单片机应用系统的设计过程中,必须充分考虑并满足抗干扰性的要求,避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。具体来说,采用必要的硬件抗干扰措施以及在应用程序设计时,未雨绸缪,将软件抗干扰的方法与程序有机结合,是一种行之有效的手段。解决干扰问题要从系统的硬件和软件两个方面考虑。211　硬件抗干扰技术21111　电源

电容

在硬件电路板的每一片IC的供电端并联

μF的高频电容,可以减少IC对电源的影0101～011响。但高频电容的位置和步线必须遵循一定的原则。2111114　信号线的敷设原则

在应用系统中,信号线不能与交流电源线并行敷设,应尽可能远离交流电源线和大功率电气设备。

21112　输入、输出通道的抗干扰技术

单片机系统使用的电源,一般都是由电网的工频交流电源经降压、整流、滤波环节后提供。由于

电网的影响以及生产现场大容量电气设备的开停,会使交流电压中含有高频成分、浪涌电压、尖峰脉冲或发生较大幅度的电压波动。这些因素都将导致干扰通过电源途径影响系统的正常工作。可以说,电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一半。抑制交流电源的干扰,除了使用高性能的开关电源模块、使系统尽量与大容量用电设备分别供电等措施以外,采用滤波、屏蔽、隔离及稳压等方法是十分必要的。2111111　采用屏蔽和滤波措施

图2是一种典型的交流电源的屏蔽和滤波方法。前端的低通滤波器对于高频干扰具有良好的抑制作用,电源变压器采用双屏蔽形式,一次和二次绕组分别加以屏蔽,并分别接地。一次屏蔽层接专用地线,二次屏蔽层接直流地(系统地)。这样可以阻断高频干扰信号经变压器传播到单片机系统,

单片机应用系统的输入、输出通道中,存在一定量的敏感期间,如:AΠD、DΠA变换器,数字IC,弱信号放大器等。提高敏感期间的抗干扰性能是指从敏感期间这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常转台尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施主要有:

(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。

(2)布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。

(3)对于单片机闲置的IΠO口,不要悬空,要接地或接电源。其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

(4)用地线把数字区和模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后接于电源地。AΠD、DΠA芯片布线都应以此为原则。

特别需要指出的是:由于输出通道中经常采用继电器,可控硅及电机等执行器件,而它们在动作时会产生相应的干扰,所以必须采用相应的抗干扰措施。主要的手段有:

　第2期

赵峻彦等:单片机系统的抗干扰设计

(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线

诱导严重干扰引起寄存器状态改变,导致中断关闭时,单独的硬件“看门狗”电路将对此为力。此时可采用软件“看门狗”技术。软件“看门狗”技术的基本思路是:设T0中断为高级中断,在主程序中对T0中断服务程序进行监视;在T1中断服务程序中对主程序进行监视;T0中断监视T1中断。当系统受到干扰后,主程序可能发生死循环,而中断服务程序也可能陷入死循环或因中断方式字的破坏而关闭中断。主程序的死循环可由T1中断服务程序进行监视;T0中断的故障关闭可由主程序进行监视。T1中断服务程序的死循环和故障关闭可由T0的中断服务程序进行监视。由于采用了多重软件监测方法,大大提高了系统运行的可靠性。

在此方法中,硬件“看门狗”技术能有效监视程序陷入死循环故障,但对中断关闭故障为力;软件“看门狗”技术对高级中断服务程序陷入死循环不起作用,但能监视全部中断关闭的故障。所以将硬件“看门狗”和软件“看门狗”结合起来,可以互相取长补短,获得良好的抗干扰效果。2121212　设置软件指针陷阱

圈时产生的反电动势干扰。

(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路,减

少电火花影响。

(3)如果单片机的IΠO口用来控制电机等噪

声,那么在IΠO口与噪声之间应加隔离。

(4)可控硅两端并接RC抑制电路,减少可控

硅产生的噪声。212　软件抗干扰技术

尽管在硬件电路的构件方面已经采取了种种抗干扰措施,但干扰是不可能完全消除的。对单片机应用系统来说,干扰能使系统内核中三总线的数字信号错乱,从而引起一系列的后果,并将这个错误一直传递下去,形成一系列的错误。CPU得到错误的地址信号后,引起程序失控,RAM区的数据被破坏,以及程序的“跑飞”或陷入“死循环”。使用软件抗干扰技术的优点在于不需要增加硬件设备,使用灵活,修改方便,现阶段用于抗干扰的软件技术主要采用以下几种方法。21211　控制状态失常的软件对策(1)软件冗余。对于条件控制系统,对控制条

件的一次采样、处理控制输出改为循环采样、处理控制输出。这种方法对于惯性较大的系统具有良好的抗干扰作用。

(2)设置当前输出状态寄存单元,当干扰侵入

在每个子程序后面或程序段后,插入5条指令NOPNOPNOPNOPLJMPMAIN

(其中MAIN是初始化程序的开始地址),在ROM区的空白处(特别是后面的空白处),每32

输出通道造成输出状态破坏时,系统能及时查询寄存单元输出状态信息,及时纠正输出状态。

(3)设自检程序。在单片机的特定部位或某些

内存单元设状态标志,在开机后,运行不断检测,以保证系统中信息存储、传输、运算的可靠性。21212　程序运行失常的软件对策2121211　软硬件“看门狗”技术

个字节放一条指令LJMPMAIN。设置了指针陷阱后,一旦单片机受干扰时,程序指针混乱,执行了一段程序后,就会落入陷阱中,执行LIMPMAIN指令,恢复到初始化程序开始处,避免了死机。在应用程序设计时,软件陷阱一般安排在下列的四种地方:未使用的中断向量区,未使用的大片ROM空间,表格区域和程序区。213　数据采集误差的软件对策

当程序运行受到干扰而进入死循环时,如果不采用相应的抗干扰策略,系统就将陷入瘫痪中。此时可采用“看门狗”(即WATCHDOG)技术,就可实现系统的自我监视运行状态。其基本原理是设置一个16位的监视定时器;定时器启动后,每个状态周期加1,当计数器溢出时,就对系统的RESET引脚发出脉冲,从而使整个系统复位。“看门狗”包括基于硬件和基于软件两种。硬件电路实现的“看门狗”技术,可以有效地克服主程序或中断程序由于陷入“死循环”带来的不良后果。但当CPU

从信号输入口看,干扰多为一些幅度、宽度均不等的随机尖脉冲。抗干扰软件设计的任务就是要识别真伪,排除干扰,留下有用的信号。根据不同的场合、不同的干扰、采用不同的算法。

可采用以下方法,如宽度判别法、逻辑判别

长

春

大

学

报

　第15卷

法、幅度判别法、算术平均滤波法、加权算术平均法、低通数字滤波、重复检测法。

工业微机控制系统一般都是实时控制系统,其软件系统通常都是循环结构,数据大多数是采用中断方法采集或定时采集,采集模块在整个大循环周期中只占一个很小的占空比,因此采集是离散进行的。系统中除了要设计有效的数字滤波程序外,采集时还应该按“离散采集同一参数,连续采集不同参数”的原则进行,这样有利于降低干扰的概率。因为连续采集同一个参数很可能采集到的值都受到干扰的影响,而通常的数字滤波技术对此是为力的。离散采集同一参数连续采集不同参数的原则使得参数采集离散在时空中,采集受到的干扰可能性降低了,产生的干扰分布到不同的参数上,这种干扰采用多次采集滤波技术很容易克服。

3　结　语

实践表明,针对不同的工业控制环境,系统地

研究分析抗干扰产生的原因和传输途径,采用合理的抗干扰措施,这是设计单片机测控系统时必须预先考虑的重要内容,只有这样,才能保证系统可靠地运行。

参考文献:

[1]　何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航

空航天大学出版社,1997.

[2]　王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2000.

[3]　周航慈.单片机应用程序技术[M].北京:北京航

空航天大学出版社,1991.

Adesignofanti2disturbanceofsinglechipcomputersystemZHAOJun2yan,LIMan

(1.ElectromechanicalProjectInstitute,ChangchunPolyversity,Changchun130022,China;2.ComputerScience

andEngineeringInstitute,ChangchunIndustrialUniversity,Changchun130022,China)

Abstract:TherearealotoffactorsofinterferenceintheprocessofusingtheMCS251singlechipcomputerπssystem,whichinfluencethesystemπssecurityseverely.Byastudyonthefactorsthatinfluencethesinglechipcomputerπssystemontheindustryground,introduceseveraltechniquesrealizedbysoftwareandhardwaretogetherintheactualsinglechipcomputerπsdesigning.Keywords:singlechipcomputer;disturbance,anti2disturbance;watchdogtechnique

(上接第14页)

Numericalcalculationmethodsofthesoftwarefortheelectromagnetism

designofspecialdefinite2purposemotor

WUXu2yun,WUXu2zhi

(1.ElectronicandInformationEngineeringCollege,ChangchunUniversity,Changchun130022,China;2.ElectricandElectronicEngineeringCollege,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract:Thispaperdiscusseshowtheauthordealswiththetechnicalproblemswhichhemeetswhendeveloping“ThesoftwareforElectro2magnetismDesignofDefinite2PurposeMotorintheSpecialFluidMachinery”,suchasitshandleofcurvesandgraphs,flowsheetofthesoft2ware,andtheconditionoftheprototypetest,etc.Themainpointsincludefourkindsofiterationintheelectromagnetismdesignasfarastheabovebeingconcerned.

Keywords:linerinterpolation;curvefitting;prototypetest;interation

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文