單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾方法
要消除單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的干擾，只要去掉干擾形成的三個(gè)基本條件（干擾源、傳播路徑、敏感器件）之一即可，內(nèi)部的干擾源可以通過(guò)合理的電氣設(shè)計(jì)在一定程度上予以消除，外部干擾源則采取屏蔽、接地、隔離等措施予以消除或切斷？垢蓴_設(shè)計(jì)的主要工作是圍繞這一部分展開(kāi)的，上述三個(gè)部分也不是絕對(duì)劃分的，通常一個(gè)系統(tǒng)的抗干擾措施是多方面的綜合以達(dá)到最佳的效果。在實(shí)踐中，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)一般是通過(guò)硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。硬件如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可以將絕大部分干擾拒之門(mén)外，但仍然會(huì)有少量干擾，所以軟件措施必不可少。由于軟件措施是以占用CPU為代價(jià)的，如果沒(méi)有硬件消除絕大部分干擾，CPU將疲于奔命，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性。因此一個(gè)抗干擾性良好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是由硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)相輔相成而構(gòu)成。
1. 硬件抗干擾設(shè)計(jì)
① 電源電路
單片機(jī)系統(tǒng)使用的電源，一般都是由電網(wǎng)的工頻交流電源經(jīng)降壓、整流、濾波等環(huán)節(jié)后提供。由于電網(wǎng)的影響以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大容量電氣設(shè)備的開(kāi)停，會(huì)使交流電壓中含有高頻成分、浪涌電壓、尖峰脈沖或者發(fā)生較大幅度的電壓波動(dòng)。這些因素都將導(dǎo)致干擾通過(guò)電源途徑影響系統(tǒng)的正常工作。電源做得好,整個(gè)電路的抗干擾工作就完成了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,因此,應(yīng)采用抗干擾的開(kāi)關(guān)電源或給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減少電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。電源線的布置除了要根據(jù)電流的大小，盡量加租導(dǎo)體寬度外，還要使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。這將有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。每種型號(hào)的單片機(jī)都有一個(gè)穩(wěn)定工作的電壓范圍，例如凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)工作電壓為3.3V～5V ,超出這個(gè)范圍將出現(xiàn)異常。
② 硬件復(fù)位電路
圖1 采用MAX6827的復(fù)位電路
復(fù)位電路是最容易受干擾的(因?yàn)镃PU 內(nèi)部的復(fù)位電路的阻抗都比較高,為10～50kΩ) ,影響也是最大的。因此,必須采取抗干擾措施。圖1是采用MAX6827的復(fù)位及“看門(mén)狗”電路圖。該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力,由于沒(méi)有復(fù)位電容,不易引入干擾。
③ 注意印制電路板的布線
印刷電路板是單片機(jī)系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力影響很大。故在印刷電路板設(shè)計(jì)不單是器件、線路的簡(jiǎn)單布局安排，還必須符合抗干擾設(shè)計(jì)原則。合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路板,能有效地切斷干擾的傳播途徑和抑制干擾源,同時(shí)還可以提高敏感元件(如單片機(jī)、數(shù)字IC、A/ D、D/ A 等容易被干擾的對(duì)象) 的抗干擾能力。主要采取:
[1] 電路板合理分區(qū),如強(qiáng)、弱信號(hào),數(shù)字、模擬信號(hào)分區(qū)。盡可能使干擾源(如電機(jī),繼電器) 遠(yuǎn)離敏感元件。大功率器件盡量布置在電路板的邊緣。
[2] 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲;電源線和地線要盡量粗,除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲；連接線避免90度的折線，以減少高頻噪聲發(fā)射。
[3] 不用的單片機(jī)管腳，特別是中斷的入口，不要懸空，一般要通過(guò)上拉電阻接電源。
[4] 電路板上每個(gè)IC 要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻電容，以減少I(mǎi)C對(duì)電源的影響。
[5] 注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離(圈) 起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。
[6] 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地一點(diǎn)匯集，呈“星形”狀。
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的重要方法。接地是否正確，接地是否牢固，將直接影響到系統(tǒng)的正常工作。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，可以解決大多數(shù)的干擾問(wèn)題。
為了防止系統(tǒng)內(nèi)部地線干擾，在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)可采取如下措施：接地線盡量加粗。若接地線很細(xì)，接地電位則隨著電流的變化而變化，致使計(jì)算機(jī)的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變差。因此要根據(jù)通過(guò)電流的大小決定地線的寬度，應(yīng)在可能的情況下，盡量將接地線條加粗、加寬，最好不小于3mm，使它能通過(guò)3倍于印刷電路板上的允許電流。對(duì)于多級(jí)電路,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各級(jí)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1MHz 時(shí)采用一點(diǎn)接地,工作頻率較高時(shí)采取多點(diǎn)接地。
2. 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜，且有很大的隨機(jī)性，因此在采取硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件措施加以補(bǔ)充，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下幾種軟件抗干擾措施。
① 設(shè)立軟件陷阱（Trap）
單片機(jī)受到干擾時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC值最容易受影響，PC值的改變是隨機(jī)的，完全可以造成CPU離開(kāi)正確的指令順序去執(zhí)行一些無(wú)定義地址中的內(nèi)容，或進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)作操作碼來(lái)控制，使整個(gè)工作紊亂，系統(tǒng)失控。這種情況對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比某個(gè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)造成的危害要嚴(yán)重得多。后者只涉及某個(gè)功能不能實(shí)現(xiàn)或者產(chǎn)生偏差，而前者則會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)造成癱瘓。造成程序失控的原因并非程序設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題，而是由于外部的干擾或單片機(jī)內(nèi)部硬件瞬間故障，使得程序計(jì)數(shù)器（PC）偏離了原定的值。例如，當(dāng)執(zhí)行完一條指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC應(yīng)加數(shù)值1，但由于某種原因，使PC實(shí)際加2，這樣，程序就會(huì)把操作數(shù)和操作碼混淆起來(lái)，造成后面一系列的錯(cuò)誤。
為了防止上述情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用設(shè)立軟件陷阱的方法加以克服。其具體做法是，在ROM或RAM中，每隔一些指令（如十條或二十條），把連續(xù)的幾個(gè)單元置成“00”（空操作）。這樣，當(dāng)出現(xiàn)程序失控時(shí)只要失控的單片機(jī)進(jìn)入這眾多的軟件陷阱中任何一個(gè)，都會(huì)被捕獲，連續(xù)進(jìn)行幾個(gè)空操作。執(zhí)行這些空操作后，程序自動(dòng)恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。這種方法雖浪費(fèi)一些內(nèi)存單元，但可以保證程序不會(huì)跑飛。這種方法對(duì)用戶是不透明的，亦即用戶根本感覺(jué)不到程序是否發(fā)生錯(cuò)誤操作。
② 開(kāi)辟多個(gè)存儲(chǔ)區(qū)抗干擾
為了防止RAM出錯(cuò)，丟失最重要的數(shù)據(jù)，對(duì)于重要的輸入輸出數(shù)據(jù)開(kāi)辟2～3個(gè)存儲(chǔ)區(qū)同時(shí)保存。存取數(shù)據(jù)時(shí)，采取比較表決法，以使數(shù)據(jù)去偽存真。
③ 時(shí)間監(jiān)視器
時(shí)間監(jiān)視器（Watch－Dog Timer），也稱“看門(mén)狗”技術(shù)，用于設(shè)立軟件陷阱失效的情況下，讓系統(tǒng)從故障中恢復(fù)過(guò)來(lái)。因?yàn)橐蚋蓴_而失控的程序不一定都會(huì)掉到陷阱中去，比如程序的死循環(huán)就是如此。所謂死循環(huán)，就是由于某種原因使程序陷入某個(gè)應(yīng)用程序或中斷服務(wù)子程序中做無(wú)休止的循環(huán)。這樣，CPU及其他系統(tǒng)資源被其占用而別的任務(wù)程序都無(wú)法執(zhí)行。也就是說(shuō)，死循環(huán)使程序失去正常控制，但它不會(huì)使程序控制轉(zhuǎn)入陷阱區(qū)，因而軟件陷阱無(wú)法捕捉它。
時(shí)間監(jiān)視器由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器靠系統(tǒng)時(shí)鐘（或分頻后的脈沖信號(hào)）進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿時(shí)，將由計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)重新執(zhí)行程序。在正常情況下，每隔一定的時(shí)間（根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用程序執(zhí)行的長(zhǎng)短來(lái)確定），程序使計(jì)數(shù)器清零。這樣，計(jì)數(shù)器就不會(huì)記滿，因而不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位。
圖2 SPCE061A 看門(mén)狗結(jié)構(gòu)與時(shí)序
例如，凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A的WatchDog的清除時(shí)間周期為0.75s。因?yàn)閃atchDog的溢出復(fù)位信號(hào)WatchDog_Reset是由4Hz時(shí)基信號(hào)經(jīng)4分頻之后產(chǎn)生的，即每4個(gè)4Hz時(shí)基信號(hào)(1s)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)WatchDog_Reset信號(hào)。而清除WatchDog的WatchDog_Clear信號(hào)卻可以發(fā)生在4Hz信號(hào)(0.25s)之間的任意一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上。假如WatchDog_Clear信號(hào)發(fā)生在4Hz信號(hào)尾端的0.01s即第0.25s時(shí)刻，此時(shí)雖然WatchDog被清除掉，但由于它發(fā)生在4Hz信號(hào)之后，再經(jīng)3個(gè)4Hz信號(hào)即0.75s，如果一直沒(méi)有WatchDog_Clear信號(hào)，便會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)WatchDog_Reset信號(hào)。如圖2所示，如果程序運(yùn)行不正常，例如陷入死循環(huán)等，計(jì)數(shù)器將記滿而產(chǎn)生溢出此溢出信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使程序重新開(kāi)始啟動(dòng)。在編程中，我們只需將0X0001H寫(xiě)入P_WatchDog_Clear單元即可完成清除WatchDog操作，如果在0.75秒內(nèi)沒(méi)有將0X0001H寫(xiě)入P_WatchDog_Clear單元，則CPU將進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位操作，即平常我們說(shuō)的重啟系統(tǒng)？撮T(mén)狗經(jīng)常用于延時(shí)程序中，如
void Delay()
{
unsigned int j;
for(j=0x7fff;j>0;j--);
*P_Watchdog_Clear = 0x0001;//清看門(mén)狗
}
④ 加入空操作NOP
在ROM或RAM的若干區(qū)域內(nèi)，存放若干個(gè)空操作組，空操作的個(gè)數(shù)等于所選CPU芯片最長(zhǎng)指令節(jié)數(shù)？詹僮髦噶頝OP除了占用一個(gè)存儲(chǔ)單元和執(zhí)行時(shí)間外，對(duì)CPU的工作狀態(tài)沒(méi)有影響。如有選擇地在程序某地方插進(jìn)1～2個(gè)NOP指令，也能使PC中的內(nèi)容得到調(diào)整，使程序在受到干擾后回到正確的順序。插入的位置要在程序調(diào)試過(guò)程中摸索、分析和實(shí)驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，在對(duì)外設(shè)端口的操作指令、多字節(jié)指令、轉(zhuǎn)移指令、堆棧操作指令前插入NOP指令會(huì)得到好的效果。此外，還可以在空操作組之后，再增加處理跑飛的程序，而且讓CPU在執(zhí)行正常程序時(shí)，不執(zhí)行這些指令組。只有當(dāng)跑飛時(shí)才有可能遇到這些指令組。例如：
NOP
NOP
NOP
LJMP FF
FF：ACALL FLY
MOV A,FLG
CJNE A,#11H,RSM
……
⑤ 分段式軟件抗干擾
某些時(shí)候，控制系統(tǒng)要順序執(zhí)行幾個(gè)不同的主循環(huán)通道以完成不同的功能。這時(shí)可在不同主環(huán)路內(nèi)編制抗干擾判別及自恢復(fù)功能。這樣做可以避免不必要的重復(fù)執(zhí)行，以保證順序的完整性。
⑥ 數(shù)字濾波
數(shù)字濾波是通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分輸入的信號(hào)進(jìn)行加工處理，以達(dá)到抗干擾的目的。當(dāng)干擾疊加輸入通道的模擬信號(hào)時(shí)，使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別當(dāng)輸入通道模擬信號(hào)較弱時(shí)，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。為了消除數(shù)據(jù)采集的誤差，常用算術(shù)平均法、比較取舍法、一階滯后濾波法和中值法，可根據(jù)信號(hào)和干擾的規(guī)律，采用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。
不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有自己的系統(tǒng)要求和特點(diǎn)，在硬件和軟件抗干擾設(shè)計(jì)上也各有自己的特色。軟件抗干擾技術(shù)作為硬件抗干擾的補(bǔ)充，以其靈活性、實(shí)用性和可靠性在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾方面起著舉足輕重的作用。在工程實(shí)踐中通常都是幾種抗干擾技術(shù)并用，互相補(bǔ)充，才能取得良好的抗干擾效果。我們?cè)谠O(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，要仔細(xì)分析干擾源，軟硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，則可以保證系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠地運(yùn)行。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
