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1、第14章 单片机应用系统的可靠性及抗干扰设计,单片机系统的可靠性是由多种因素决定，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。本章将从干扰源的来源、硬件、软件以及电源系统、接地系统等方面研究分析并给出有效可行的解决措施。 14.1 干扰的来源 影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。,干扰会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的， 窜入单片机系统的干扰渠道主要有三条： (1)空间干扰(2)供电系统干扰(3)过程通道干扰,(1)空间干扰电气设备如发射机、
2、中频炉、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。会使单片机系统不能正常工作。(2)供电系统干扰大功率设备，大感性负载设备的启停使电网电压大幅度涨落（浪涌），欠压或过压常常达到额定电压的15% 以上。长达几分钟、几小时、甚至几天。,由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲干扰。(3)过程通道干扰开关量/模拟量输入输出的信号线多至几百条甚至几千条，长度往往达几百或几千米，不可避免地将干扰引入单片机系统。大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，会使通道中直接串入干扰信号
3、；各通道的线路如果同出一根电缆中或绑扎在一起，,各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是015V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用的信号完全淹没。这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。,三种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地来解决。14.2 供电系统干扰及其抗干扰措施 任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰。如果没有内阻，无论何种噪声
4、都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压。,系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压。14.2.1 电源噪声来源、种类及危害（1）过压、欠压、停电：1s;（2）浪涌、下陷：1st10ms;（3）尖峰电压：t为s量级；（4）射频干扰：t为ns量级；（5）其它：半周内的停电或者过欠压。,过压、欠压、停电的危害是显而易见的，解决的办法:使用各种稳压器、电源调节器，对付暂短的停电则配置不间断电源（UPS）。浪涌与下陷是电压的快变化，如幅度过大也会毁坏系统。即使变化不大（1015），直接使用不一
5、定会毁坏系统，但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如有连续几个1015的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生3040的电源变化，使系统无法工作，解决办法：使用快速响应的交流电源稳压器。,尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序。解决办法：使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接23节低通滤波器既可解决。,14.2.2 供电系统的抗干扰设计单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题的，必须完整地设计整
6、个电源供电系统。如果逻辑电路是在低电压、大电流下工作，电源的分配就必须引起注意，譬如一条0.1的电源线回路，对于5A的供电系统，就会把电源电压从5V降到4.5V，以至不能正常工作。另一方面工作在极高频率下的数字电路，对电源线有高频要求，所以一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。,电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线，地线应尽量短而直接走线；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如图14-2的形式。,所示的供电配置和采
7、取如下措施：（1）交流进线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。（2）要求高的系统加交流稳压器。（3）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。,（4）采用集成稳压块两级稳压目前市场上集成稳压块有许多种，如提供正电源的7805、7812、7820、7824以及提供负电压的79系列稳压块，它们内部是多级稳压电路。采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用7809稳到9V，再用7805稳到5V
8、。（5）直流输出采用大容量电解电容进行平滑滤波。,（6）交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波器外壳保持一定距离，交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。（7）电源线与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把两线靠得太近或互相平行，以减少电源信号线的影响。（8）在每块印刷版的电源与地之间并接退耦电容。即510F的电解电容和一个0.011.0F的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的干扰。,14.3 过程通道干扰的抑制措施-隔离过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。过程通道的干扰的抑制主要采用光电隔离技术。1
9、4.3.1 光电隔离的基本配置采用光电耦合器可以将单片机与前向、后向以及其他部分切断电路的联系，能有效地防止干扰从过程通道进入单片机。其原理如图14-3所示。,光电耦合的主要优点是能有效抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。14.3.2 光电隔离的实现一、ADC、DAC与单片机之间的隔离对CPU数据总线进行隔离是一种十分理想的方法，全部I/O端口均被隔离。但是，由于在CPU数据总线上是高速（S级）双向传输，这就要求频率响应为MHz级的隔离器件，而这种器件目前较难买到,价格较高。因此，这种方法,采用的不多。通常采用下列方法将ADC、DAC与单片机之间的电气联系切断。1.
10、对A/D、D/A进行模拟隔离 通常采用隔离放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足A/D、D/A变换的精度和线性要求。例如，如果对12位A/D、D/A变换器进行隔离，其隔离放大器要达到13位，甚至14位精度，如此高精度的隔离放大器，价格昂贵。,2.在I/O与A/D、D/A之间进行数字隔离这种方案最经济，也称数字隔离。A/D变换时，先将模拟量变为数字量，对数字量进行隔离，然后再送入单片机。D/A变换时，先将数字量进行隔离，然后进行D/A变换。这种方法的优点是方便、可靠、廉价，不影响A/D、D/A的精度和线性度。缺点是速度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大转换速度约为每秒300050
11、00点，这对于一般,工业测控对象（如温度、湿度、压力等）已能满足要求。图14-4所示是实现数字隔离的一个例子。,将输出的数字量经锁存器锁存后，驱动光电隔离器，经光电隔离之后的数字量被送到D/A变换器。但要注意的是，现场电源F+5V，现场地FGND和系统电源S+5V及系统地SGND，必须分别由两个隔离电源供电。还应指出的是，光电隔离器件的数量不能太多，由于光电隔离器件的发光二极管与受光三极管之间存在分布电容。当数量较多时，必须考虑将并联输出改为串联输出的方式，这可使光电器件大大减少，且保持很高的抗干扰能力，但传送速度下降。二、开关量隔离,常用的开关量隔离器件有继电器、光电隔离器、光电隔离固态继电
12、器（SSR）。用继电器对开关量进行隔离时，要考虑到继电器线包的反电动势的影响，驱动电路的器件必须能耐高压。为了吸收继电器线包的反电动势通常在线包两端并联一个二极管。其触点并联一个消火花电容器，容量可在0.1-0.047F之间选择，耐压视负荷电压而定。对于开关量的输入，一般用电流传输的方法。此方法抗干扰能力强，如图14-5所示。,R1为限流电阻，D1、R2为保护二极管和保护电阻。当外部开关闭合时，由电源E产生电流，使光电二极管导通，采用不同的R1, R2值以保证良好的干扰能力。固态继电器代替机械触点的继电器是十分优越的。它是将发光二极管与可控硅封装在一起的一种新型器件。当发光二极管导通时，可控硅
13、被触发而接通电路。固态继电器视触发方式不同，可分为过零触发与非过零触发两大类。过零触发的固态继电器，本身几乎不产生干扰，这对单片机控制是十分有利的，但造价是一般继电器的,510倍。 14.4 空间干扰及抗干扰措施空间干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收和解调。空间干扰来自应用系统的内部和外部。市电电源线是无线电波的媒介，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，因而任一线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、接收、调制。,解决空间干扰时，首先要正确判断是否是空间干扰，可在系统供电电源入口处接入WRY型微机干扰抑制器，观察干扰现象是否继续存在，如干扰现象继续存在则可认为空间干扰。空间
14、干扰不一定是来自系统外部，空间干扰的抗干扰设计主要是地线系统设计，系统的屏蔽与布局设计。14.4.1 接地技术一、接地种类,有两大类接地。一类是为人身或设备安全目的，而把设备的外壳接地，这称之为外壳接地或安全接地；另外一类接地是提供一个公共的电位参考点，这种地称为工作接地。1外壳接地是真正的与大地连接，以使漏到机壳的电荷能及时泄放到地球上去，这样才能确保人身和设备的安全。外壳接地的接地电阻应当尽可能低，因此在材料及施工方面均有一定的要求。外壳接地是十分重要的，但实际上往往又为人们所忽视。,2工作接地工作接地是电路工作需要而进行的。在许多情况下，工作地不与设备外壳相连，因此工作地的零电位参考点（
15、及工作地）相对地球的大地是浮空的。所以也把工作地称为“浮地”。二、接地系统正确、合理地接地，是单片机应用系统抑制干扰的主要方法。在单片机应用系统中，前述两大类地按单元电路的性质又可分为以下几种接地：,（1）数字地（又称逻辑地），为逻辑电路的零电位。（2）模拟地，为A/D转换、前置放大器或比较器的零电位。（3）功率地，为大的电流网络部件的零电位。（4）信号地，通常为传感器的地。（5）小信号前置放大器的地。（6）交流地，交流50Hz地线，这种地线是噪声地。（7）屏蔽地，为防止静电感应和磁场感应而设置的地。 以上这些地线是浮地还是接地？是一点接地还是多点接地？下面就来讨论它们。,1.机壳接地与浮地的
16、比较全机浮空，即机器各个部分全部与大地浮置起来。这种方法有一定的抗干扰能力，但要求机器与大地的绝缘电阻不能小于50M，且一旦绝缘下降便会带来干扰；另外，浮空容易产生静电，导致干扰。机壳接地，其余部分浮空，如图14-6所示。,浮空部分应设置必要的屏蔽，例如双层屏蔽浮地或多层屏蔽。这种方法干扰能力强，而且安全可靠，但工艺较复杂。两种方法比较，后者较好，并为越来越多的人所采用。2.一点接地与多点接地的应用原则一般，低频（1MHz以下）电路应一点接地，如图14-7所示。,因为，在低频电路中，布线和元件间的电感较小，而接地电路形成的环路，对干扰的影响却很大，因此应一点接地；高频（10MHz以上）电路应多点就近接地。地线上具有电感，因为增加了地线阻抗，同时各地线之间产生了电感耦合。当频率甚高时，特别是当地线长度等于14波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高，这时地线变成了天线，可以向外辐射噪声信号。,
