单片机在测控系统中的抗干扰技术

    概述 

    干扰是造成单片机测控系统故障的主要原因之一。干扰对系统的影响轻则影响测量与控制精度,重则使工作系统完全失常。要消除干扰必须抓住形成干扰的三要素,即：干扰源、耦合通道和接收设备。 

    1干扰因素 

    在单片机测控系统中,主要存在空间辐射干扰、信号通道干扰、电源干扰和数字电路引起的干扰。 

    抗干扰就是针对干扰的产生性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式,采取适当的方法消除干扰源,抑制耦合通道,减弱电路对噪声干扰的敏感性,通常需要采取“综合治理”的措施。 

    (1) 合理选择元器件 

    根据电器参数选择合理器件以满足系统性能要求。尽量选用集成度高、温漂小、抗干扰性能好以及功耗小的元器件。 

    (2) 电源干扰的抑制 

    在交流电网进线端并接压敏电阻,吸收浪涌电压,也可防雷。高频电感与电路电容组成的低通滤波器,可抑制电网引入的高频噪声。可采取模拟电路与数字电路的电源分开、电源浮空技术、使用电源隔离变压器、隔离电源技术和电源滤波技术。在设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率。 

    (3) 电场、磁场干扰的抑制 

    采用由导电性能良好的金属作屏蔽盒,并接大地,则屏蔽盒内电力线不会影响外部,同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部,前者可抑制干扰源,后者可阻截干扰的传输途径,起电场隔离的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封闭式结构为妥,并接大地。 

    (4) 接地技术 

    单片机测控系统中的高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地;交流地和信号地不能共用;将系统的各个部分全部与大地浮置起来,但系统中的各机壳接地;对于数字地,印刷板中的地线应成网状,而且其他布线不要形成环路,特别是环绕外周的环路,印刷板中的条线不能长距离平行,不得已时,应加隔离电极和跨接线或屏蔽;当A/D转换器的模拟信号较弱时,可采用三线采样双层屏蔽浮地技术提高抗共模干扰的能力;系统中的高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来。将屏蔽体接到放大电路的公共端,将寄生电容短路防止反馈,避免放大器的震荡;对于功率地,由于地线的电流较大,接地线的线径应较粗,且与小信号地线分开,连直流地;对于小信号前置放大电路本身采用一点接地,不能一个电路多点接地,A/D前置放大电路一般浮空。内存放大电路的印刷电路板上一点入地,这类放大器的地线一定要远离功率地和噪声地。 

    (5) 通道干扰 

    a) 隔离技术 

    隔离分对模拟信号的隔离和对数字信号的隔离,对数字信号的隔离通常采用光电耦合器。因这种方法信号的传递是通过光信号实现的没有直接的电信号连接,因此隔离了干扰的传递途径,但这种方法隔离不断辐射,感应干扰,且光电耦器件隔离传导干扰的能力只有1kV左右。在具体电路设计时在A/D后和D/A前加光电耦合器,其电源与微机的电源必须独立,地线必须分开,保证微机与现场仅有光的联系,切断干扰通路也避免形成环流,对于强干扰或长线传输可采用两次隔离,既可消除干扰,又能解决长线驱动和阻抗匹配等问题。对于模拟信号的隔离,通常采用隔离放大器,利用隔离放大器内的变压器将信号磁耦合,隔断通路的线路连接,从而切断干扰源,也可采用光电耦合器实现模拟信号隔离,即由电压-频率转换器VFC把模拟信号转换成数字信号再通过光电耦合器隔离,而光电耦合器的输出信号在由频率-电压转换器FVC转换成模拟信号。在多点巡回检测微机系统中若被测信号变化较慢,其多路模拟开关可选用由干簧继电器或湿簧继电器做成的电容飞渡式多路模拟开关来切断被测信号与信号通道的连线,从而起到抗干扰作用。由于负脉冲传输抗干扰能力比正脉冲强,所以,一般在长线传输时,采用负脉冲传输。而且速度不高时,在始端用驱动器比用一般的TTL效果要好。用OC门作双向总线传输可以把输出端连在一起,直接用来单向、双向总线传输。 

    b) 通道中器件选择与抗干扰 

    多路转换器的输入常常受到各种环境噪声的污染,尤其易受到共模噪声的干扰。在多路转换器输入端接入共模扼流圈,可抑制外部传感器引入的高频共模噪声。转换器高频采样时产生的高频噪声,应在单片机与A/D之间采用光电耦合器隔离。在传感器工作环境复杂和恶劣时,应选择测量放大器,使其在微弱信号系统中广泛用作前置放大器。为了防止共模噪声窜入系统可以采用隔离放大器。采样保持器电路(S/H)在采样与保持两种状态转换时,会窜入干扰,为了减少误差,印刷电路布线时,使逻辑输入端的走线与模拟输入端尽可能距离远些,或者将模拟输入端用地线包围起来,以降低线间寄生电容耦合和隔断漏电通路。降低逻辑输入信号的幅度也可以减少寄生耦合和漏电耦合干扰。配置总线驱动器可提高总线的负载能力,改善信号波形。当总线的负载接近负载总线的驱动能力时,可能会影响总线信号的逻辑电平,可通过连接某I/O线到数据线来改善总线的不平衡程度,提高系统的可靠性。在总线上适当安装上拉电阻也可提高总线信号传输的可靠性。 

    (6) 布线抗干扰设计 

    为防止长线传输中的窜扰,采用交差走线是行之有效的办法。长线传送时,功率线、载流线和信号线分开,电位线和脉冲线分开。把空余的输入端与使用端并联。把空余的输入端通过一个电阻接高电平,这种方法适用于慢速、多干扰的场合。把空余的输入端悬空,用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的场合。在数字电路的每块组件上,都要分别装设高频去耦电容,而且这些电容应充分靠近集成块,而不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板的电源引进端也应加去耦电容。直流配电线的引出端应尽量作成低阻抗传输线。由于快速逻辑电路产生高频干扰,所以这些电路均应按高频电路处理,应将逻辑电路的印刷板良好接地。存储器的布线抗干扰设计,一般采取的措施有：数据线、地址线、控制线要尽量缩短,以减少对地电容。由于开关噪声严重,要在电源入口处以及每片存储芯片的VCC与GND之间接入去耦电容。由于负载电流大,电源线和地线要加粗,走线尽量短。印制板两面的三总线互相垂直,以防止总线之间的电磁干扰。总线的始端和终端要配置合适的上拉电阻,以提高高电平噪声容限,增加存储器端口在高阻状态下抗干扰能力和削弱反射波干扰。三总线与其他扩展板相连接时,通过三态缓冲门后连接。可以有效防止外界电磁干扰,改善波形和削弱反射干扰。 

    (7) 软件抗干扰措施 

    a) 数字滤波技术 

    通常使用的方法有：算术平均法、中值法、抑制脉冲算术平均法、一阶惯性滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。 

    b) 软件冗余 

    对于条件控制系统,对控制条件的一次采样、处理控制输出改为多采样、处理控制输出。可有效地消除偶然干扰。 

    c) 设置软件陷阱 

    当由于干扰使操作系统失控而进入非程序区时,用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址,在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序,使程序纳入正轨。 

    d) 重要指令冗余 

    对程序流向起决定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、JZ、JC、JNC等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面,可重复写上这些指令,以确保这些指令的正确执行。 

    e) “看门狗”技术 

    PC受到干扰而失控,引起程序乱飞,也可能使程序进入“死循环”。指令冗余技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境,通常采用程序监视技术,又称“看门狗”技术(Watchdog),“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间,若发现时间超过已知的循环设定时间,则认为系统陷入了“死循环”,然后强迫程序返回到0000H入口,在0000H处安排一段出错处理程序,使系统运行纳入正轨。在设计看门狗时可设计两个定时器,一个为短定时器,一个为长定时器,并各自独立,短定时器像典型看门狗一样工作,它保证一般情况下看门狗有快的反映速度,长定时器的定时大于CPU执行一个主循环程序的时间,用来防止看门狗失效。 

    f) 数据的保护与恢复技术 

    在编写程序的过程中,对于由指令改变结果性质的数据,可以考虑在每次改变后都尽可能地保护起来,以便必要时恢复。有时计算机在强制复位后,I/O端口和特殊寄存器SFR中的内容都将变成芯片出厂时的设定值,这很有可能引起系统的运行混乱。因此单片机在重新启动后,应当首先执行数据恢复程序,把控制端口等重要寄存器被保护的内容恢复还原。 

    g) NOP的使用 

    在双字节和3字节指令之后插入两个单字节NOP指令,这可保证指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上,由于两个空操作指令NOP的存在,不会将其后的指令当操作数执行,从而使程序纳入正轨。 



参考文献 
1  何立民.单片机应用系统设计［M］.北京：航空航天大学出版社,1999 
2  陈润泰.检测技术与智能仪表.长沙：中南工业大学出版社,1998 
3  王柏林.单片机系统设计的误区与对策.电子技术应用,2002,2