詳解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

隨著工業(yè)控制的發(fā)展，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)以其高性價(jià)比逐步取代模擬式控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用現(xiàn)場存在著各種干擾源，對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作影響很大，在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)好的控制系統(tǒng)，安裝調(diào)試時(shí)完全符合設(shè)計(jì)要求，而置入現(xiàn)場后，系統(tǒng)常常無法正常穩(wěn)定地工作。干擾雖不能直接造成硬件的損壞，但常使計(jì)算機(jī)不能正常運(yùn)行以致控制失靈，造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，為了保證設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始就必須充分考慮到對系統(tǒng)抗干擾性能的要求。

1 干擾源、干擾途徑和干擾的影響

1.1 應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源及干擾途徑

應(yīng)用系統(tǒng)自身干擾源是因在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對某些問題考慮不全面，如元器件布局不合理、電路工作不可靠、元器件質(zhì)量差等，形成諸如電阻熱噪聲干擾、半導(dǎo)體散粒噪聲干擾、接觸噪聲干擾、過程通道干擾、公共電阻形成的干擾等。這些干擾現(xiàn)象隨流動(dòng)元器件電流增大越加明顯，這些噪聲電流通過系統(tǒng)自身電路和通道而影響系統(tǒng)，其結(jié)果是使系統(tǒng)控制精度下降。

1.2 電磁干擾源及干擾途徑

工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾源很多，如動(dòng)力斷路器斷弧過程中的多次復(fù)燃、電磁鐵線圈電感和分布電容的諧振、大電流電弧的電磁輻射、工頻輸電線附近所存在的強(qiáng)大交變電場和磁場以及來源于太陽等天體輻射的電磁波、雷電和地磁場的變化都可歸結(jié)為電磁干擾。干擾信號(hào)通過導(dǎo)線或回路之間的互感耦合、電容耦合進(jìn)入控制系統(tǒng)。電磁干擾造成的后果輕者使控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，重者將使系統(tǒng)不能正常工作。

1.3 供電系統(tǒng)干擾

由于工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行的大功率設(shè)備眾多，特別是大感性負(fù)載設(shè)備的啟停，使得電網(wǎng)電壓大幅度浪涌與下陷，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間的過壓、欠壓和短時(shí)間的尖峰電壓，他們十分方便地以線路傳輸形式經(jīng)電源線進(jìn)入控制系統(tǒng)，其中過壓干擾是單片機(jī)控制系統(tǒng)最為惡劣的干擾。

1.4 干擾產(chǎn)生的后果

干擾常使系統(tǒng)程序"跑飛"，造成"死機(jī)"，數(shù)據(jù)采集誤差加大或數(shù)據(jù)發(fā)生變化，控制狀態(tài)失靈，系統(tǒng)被控對象不穩(wěn)定或誤操作等。

2 應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)

硬件抗干擾總的原則是消除干擾源、切斷干擾侵入途徑和設(shè)計(jì)低噪聲電路。

2.1 電磁干擾的抑制措施

工業(yè)微機(jī)系統(tǒng)比一般計(jì)算機(jī)更多地受著各種電磁場干擾的影響。電磁場干擾可能來自系統(tǒng)外部，也可能來自系統(tǒng)內(nèi)部，抑制電磁干擾的主要手段就是采取屏蔽。方式有兩種：一是將易干擾的電路或設(shè)備等屏蔽起來，以防接收輻射干擾；另一種是將輻射源屏蔽起來，防止輻射出干擾影響其他電路。另外，系統(tǒng)可以浮置(如信號(hào)地不接機(jī)殼或大地)來阻斷干擾電流的通路，設(shè)備內(nèi)部具有輻射能力的電路要獨(dú)立遠(yuǎn)置，以減少對其他電路的影響。

2.2過程通道干擾的抑制

(1) 光電耦合隔離，采用光電耦合可以切斷主機(jī)與前向、后向通道電路以及其他主機(jī)電路的聯(lián)系，能有效地防止干擾從過程通道進(jìn)入主機(jī)，同時(shí)對抗共地干擾也有好處。

(2)雙絞線傳輸，雙絞線能使各小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾、共模噪聲有一定的抑制效果。

(3)長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?，要求信?hào)源的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗與接收端的輸入阻抗相等。否則，信號(hào)在傳輸線上會(huì)產(chǎn)生反射，造成失真。

2.3 印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)

電路板是微機(jī)系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線高密度集合體，對抗干擾性能影響很大，電路板設(shè)計(jì)、布線及接地不妥可能使整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

(1)印制電路板：大小要適中。過大時(shí)，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也高；過小，散熱不好，且易受干擾。盡量使用多層印制板，保證良好的接地網(wǎng)，減少地電位差。

(2)器件布置上：把相關(guān)的器件就近放置，易產(chǎn)生噪聲的電路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主機(jī)電路，發(fā)熱量大的器件應(yīng)考慮散熱問題，I/O驅(qū)動(dòng)器件盡量靠近印制板邊上放置。閉置的lC管腳不要懸空，元器件腳避免相互平行，以減少寄生耦合。如有可能，盡量使用貼片元件。

(3)布線：電路之間的連接應(yīng)盡量短，容易受干擾的信號(hào)線要重點(diǎn)保護(hù)，不能與能夠產(chǎn)生干擾或傳遞干擾的線路長距離平行；交直流電路要分開；對雙面布線的印制電路板，應(yīng)使兩面線條垂直交叉，以減少磁場耦合效應(yīng)。

(4)接地：交流地與信號(hào)地不能共用，以減少電源對信號(hào)的干擾；數(shù)字地、模擬地分開設(shè)計(jì)，在電源端兩種地線相連；對于多級電路，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各級動(dòng)態(tài)電流，注意接地阻抗相互耦合的影響，工作頻率低于1 MHz時(shí)采用一點(diǎn)接地，工作頻率較高時(shí)采取多點(diǎn)接地，接地線應(yīng)盡量粗。

(5)去耦電容：加去耦電容是印制電路板設(shè)計(jì)的一項(xiàng)常規(guī)做法。在電源輸入端跨接10～100 μF的電解電容或鉭電容，在每個(gè)集成電路芯片上安裝一個(gè)0.01 μF的陶瓷電容器。

2.4 供電系統(tǒng)抗干擾措施

(1)使用交流穩(wěn)壓器，可防止電網(wǎng)過電壓、欠電壓干擾，保證供電的穩(wěn)定性。

(2)變壓器初次級用屏蔽層隔離，減少其間分布電容，提高共?？垢蓴_能力。

(3)低通濾波器可濾去干擾帶來的高次諧波。

(4)整個(gè)系統(tǒng)采用分立式供電方式，分別對各部分進(jìn)行供電。

(5)采用開關(guān)電源并提供足夠的功率余量。

3 應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù)

系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或死機(jī)，可以通過手工復(fù)位、定時(shí)復(fù)位等方法來解決，也可以通過下面的方法來實(shí)現(xiàn)抗干擾。

3.1 在程序中插入空操作指令(指令冗余)

在程序執(zhí)行過程中， CPU受到干擾后可能會(huì)將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂，我們應(yīng)盡快使程序納入正軌。MCS51系列單片機(jī)指令不超過3 B，當(dāng)程序彈飛到某一單字節(jié)指上時(shí)，能自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈飛到某一雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到操作數(shù)上，繼續(xù)出錯(cuò)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在一些關(guān)鍵地方插入NOP指令。如在雙字節(jié)，三字節(jié)指令后面插入2條NOP指令。另外，在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令(如RET，RETI,ACALL，LCALL，SJMP，AJMP，LJMP，JZ，JNZ，JC，JNC，JB，JNB，JBC，CJNE，DJNZ)以保證彈飛的程序迅速納入程序軌道。

3.2 采用軟件陷阱

當(dāng)CPU受干擾，造成程序彈飛到非程序區(qū)，此時(shí)軟件冗余無能為力，可在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)人陷阱，強(qiáng)迫程序進(jìn)入一個(gè)指定的地址，執(zhí)行一段專門對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序，軟件陷阱由3條指令構(gòu)成，其中ERR為指定地址：
NOP
NOP
LJMP ERR

軟件陷阱常安排在下列4種地方：
(1)未使用的中斷區(qū)。當(dāng)干擾使未使用的中斷開放．并激活這些中斷時(shí)，就會(huì)引起程序混亂。如果在這些地方設(shè)置軟件陷阱，就能及時(shí)捕捉到錯(cuò)誤中斷。假如MCS51系統(tǒng)中使用3個(gè)中斷：INT0，INT1，T1，他們的中斷子程序分別在PINT0，PINT1，PT1，T0和串行口不使用中斷,中斷向量區(qū)可以設(shè)置如下：

(2)未使用的大片 ROM空間。對于未使用的ROM單元，正常狀態(tài)下為OFFH，程序彈飛到這一區(qū)域后，如果不受新的干擾，將順序執(zhí)行，不再跳轉(zhuǎn)。只要每隔一段區(qū)域設(shè)置一個(gè)軟件陷阱，其他單元保持為0FFH不變，就一定能捕捉到彈飛到這里的程序。

(3)程序區(qū)。程序區(qū)由一串串執(zhí)行指令構(gòu)成，當(dāng)程序執(zhí)行到LJMP，SJMP，AJMP，RET等無條件轉(zhuǎn)移類指令時(shí)，PC的值應(yīng)發(fā)生正常的跳變，此時(shí)程序不可能繼續(xù)往下順序執(zhí)行。若在這些指令后設(shè)置軟件陷阱，就可攔截彈飛到這里的程序，而又不影響正常執(zhí)行的流程。

(4)數(shù)據(jù)表格區(qū)。為了不破壞表格的連續(xù)性，可在數(shù)據(jù)表格區(qū)的尾部設(shè)置軟件陷阱。軟件陷阱安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，不影響程序執(zhí)行的效率，在E2PROM容量允許的條件下，多設(shè)置軟件陷阱有利而無害。

.3 睡眠抗干擾

有些單片機(jī)具有睡眠狀態(tài)，在該狀態(tài)下只有定時(shí)/計(jì)數(shù)系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，這時(shí)CPU對系統(tǒng)三總線上出現(xiàn)的干擾不會(huì)作出任何反應(yīng)，從而大大降低系統(tǒng)對干擾的敏感程度。在應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU很多情況下是在執(zhí)行一些等待指令和循環(huán)檢查程序。由于這時(shí)CPU雖沒有重要工作，卻是清醒的，很容易受干擾?？梢宰孋PU在非正常工作時(shí)休眠，必要時(shí)再由中斷系統(tǒng)來喚醒他，工作完再進(jìn)入休眠狀態(tài)。采用這種安排，CPU可以有60％以上的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅大大降低，同時(shí)也降低了CPU的功耗。

4"看門狗"技術(shù)

當(dāng)程序飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中或PC指針落到程序存儲(chǔ)器芯片地址之外，冗余指令和軟件陷阱對此無能為力，這時(shí)系統(tǒng)將完全癱瘓。這種情況下，只有復(fù)位。MCS96和8XC552等系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)WDT監(jiān)視定時(shí)器，是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，輸人為系統(tǒng)時(shí)鐘，WDT被啟動(dòng)后，開始對時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)滿溢出時(shí)，可使RESET端出現(xiàn)適當(dāng)?shù)膹?fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位，在正常情況下，為了防止WDT溢出并復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)，可在程序中周期地用指令清WDT，當(dāng)程序受到干擾而沒有正常地定期清WDT時(shí)，WDT的溢出就會(huì)使系統(tǒng)復(fù)位，從而恢復(fù)運(yùn)行。

圖1中RST是外部復(fù)位引腳，是WDT啟動(dòng)引腳，為"0"時(shí)，"看門狗"啟動(dòng)而工作，對分頻后的脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿溢出時(shí)，使單片機(jī)及外圍電路復(fù)位，編程時(shí)，為防止監(jiān)視定時(shí)器T3溢出，需要不斷對T3寫入。MCS51單片機(jī)內(nèi)部沒有WDT，可以由外電路來實(shí)現(xiàn)，圖2是用CD4060構(gòu)成的看門狗電路。

4060計(jì)數(shù)頻率由RT，CT決定，也可外接石英晶體，設(shè)實(shí)際運(yùn)行的用戶程序所需工作周期為T0；分頻器計(jì)滿時(shí)間為T，當(dāng)T>T0且系統(tǒng)工作正常時(shí)，程序每隔T0對4060清除一次，CD4060無計(jì)滿輸出信號(hào)，如系統(tǒng)工作不正常，程序不對4060清除。分頻器計(jì)滿輸出一脈沖信號(hào)而使CPU復(fù)位。

5 結(jié) 語

抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的重要內(nèi)容。硬件抗干擾是主動(dòng)的，而軟件抗干擾是被動(dòng)的。由于干擾環(huán)境多種多樣，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分析具體情況，選用針對性的抗干擾措施。在工程實(shí)踐中，通常幾種抗干擾方法并用，互相補(bǔ)充完善，以確保應(yīng)用系統(tǒng)能正常運(yùn)行。