《补充：单片机系统中的抗干扰及可靠性设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《补充：单片机系统中的抗干扰及可靠性设计（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,干扰就是由外部噪声在系统中所造成的骚扰，以路的传导和以场的耦合形式侵入单片机控制系统，干扰有多种来源，主要有： 1）电磁辐射。电磁辐射干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。电流变化大或大电流是产生电感性耦合噪声的主要干扰源，电压变化大或大电压是产生电容性耦合噪声的主要干扰源。对于开关电器系统本身就是一个很强的干扰源，当开关电器开关过程中，其通断主回路电流将产生很强的电磁辐射以及电磁系统操作过电压都将形成干扰信号。,单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,2）前向、后向通道。信号可能在传输过程中受共模干扰和串模干扰时会出现衰减、畸变和延时。 3）电源
2、。供电电源干扰主要来自交流电网。电网噪声通过电源电路干扰单片机控制系统。供电系统的干扰，主要有：过压、失压和欠压，浪涌，跌落，射频干扰等。具有良好抗干扰措施的电源是单片机控制系统应用成功的关键。,单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,单片机系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方面：数据采集误差加大；控制状态失效；数据发生畸变；程序运行失控。针对这些内、外部因素的干扰，可以采取有效的软硬件措施加以解决。导致系统不能稳定运行的内部因素主要有三个： 1）系统的结构设计是否合理； 2）元器件本身的性能与可靠性； 3）安装与调试。,单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,硬件抗干扰一般从防和抗两方手来抑制干扰。其
3、总原则是：消除或抑制干扰源；降低系统对干扰信号的敏感性；切断干扰对系统的耦合。具体措施有隔离、接地、屏蔽、滤波、提高信噪比等常用方法。 1）隔离。利用光电耦合器能有效地抑制尖峰脉冲的噪声干扰，提高信噪比，系统中输入、输出通道采用光电耦合器将微处理器系统与外围接口隔离。电源采用超隔离变压器稳压电源，具有高的共模抑制比及串模抑制比，可以在较宽的范围内抑制干扰。 2）屏蔽。屏蔽就是以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽体，是抑制电磁干扰最有效的方法。屏蔽分静电屏蔽和电磁屏蔽，对电容性耦合可将金属壳接大地进行静电屏蔽，对电感性耦合则采用低电阻金属壳进行电磁屏蔽。,单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,3）滤波
4、。电源滤波器是一个低通滤波器，只让电网中50Hz的基波通过，急剧衰减高次谐波。 4）接地。单片机应用系统的接地方式有单点接地、多点接地和悬浮地，地线结构有数字地、模拟地、系统地和机壳地。良好而正确的接地往往可以消除和降低各种形式的干扰。接地原则是：单点接地；数字地和模拟地分别与电源端地线相连。地线应尽量加粗,单片机系统中的抗干扰及可靠性设计,软件抗干扰技术是软件设计的一个重要组成部分，抗干扰性能好坏决定了系统是否稳定可靠，其优点在于修改方便，使用灵活，而且它不需要增加外围硬件设备。软件抗干扰工作主要集中在CPU抗干扰技术和输入输出通道的抗干扰技术两个方面。前者主要是抵御因干扰造成程序“乱飞”，
5、后者主要是消除信号中干扰以提高系统精度。因此有效的利用软件抗干扰技术对提高系统的性能，降低系统的成本有着重要的意义。,指令冗余技术 51系列单片机的所有指令均不超过3个字节，而且多为单字节的指令。指令由操作码和操作数两部分组成，操作码说明CPU完成什么操作，操作数是操作码的操作对象。CPU首先取指令的操作码，然后顺序取出操作数。当一条指令执行完成后，紧接着取下一条指令的操作码、操作数。这些操作时序完全由程序计数器PC来控制。因此，一旦PC因干扰出现错误，程序就会“乱飞”。而如果乱飞至双字节指令，恰好在取指令时落在其操作数上时，程序误将操作码当成操作数，紧接着下一条指令也有可能出现操作数当作操作
6、码的错误。可以在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，这就是指令冗余。,主要有下面两种使用方式： 1）NOP的使用 在双字节指令和三字节指令插入两个单字节NOP指令，可以保证其后地指令不被拆散，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，从而使程序纳入正规；对程序流向起决定作用的转移类指令（如RET，ACALL，LJMP等）和起重要作用的指令（如SETB EA等）之前插入两条NOP指令，可保证“乱飞”程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。 2）重要指令冗余 对程序流向起决定作用的转移类指令（如ACALL，LJMP RE
7、T等）和某些起重要作用的指令（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。,软件陷阱技术 采用指令冗余技术时，如果“乱飞”的程序落到非程序区，例如如未使用的空间、表格常数等，这时指令冗余便无能为力，此时可设定软件陷阱，拦截乱飞程序，用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里放有一段专门对程序出错进行处理的程序，以使程序按照原定目标执行。 1）程序中未使用的中断向量区 当未使用的中断向量区开放时，可以在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。程序如下： NOP NOP POP direct1 ；将断点弹出堆栈区 POP direct
8、2 RETI,2）程序中未使用的大片ROM空间 大片未使用的ROM空间一般维持原状，即0FFH，而0FFH对于C51的指令系统而言，就是一条单字节指令“MOV R7，A”，会引起误操作，可用机器码0000020000填满数据，即汇编语言： NOP NOP LJMP START 当乱飞程序进入此区后，便会迅速纳入正轨。 3）运行程序区 乱飞的程序除了采用指令冗余技术加以解决外，还可以设置一些软件陷阱，使程序运行更加可靠。将陷阱指令分散放置在用户程序中的断裂点，即各系统之间空余的单元里，正常程序中不执行这些陷阱指令，一旦程序乱飞入这些陷阱区就可将乱飞的程序拉入正规。一般情况下每1K字节放置几个陷阱
9、就可以。,4）RAM数据保护的条件陷阱 为了避免CPU受到干扰而非法篡改RAM中的数据，可在RAM写操作数据前加入陷阱，如果不满足条件时，将不允许写操作，并进入陷阱，形成死循环。落入死循环后，可以通过“看门狗”技术使其复位。 程序如下： MOV DPTR，#2000H MOV 7EH，#11H MOV 7FH，#0CCH LCALL WRITE RET WRITE： NOP NOP CJNE 7EH，#11H，XJ ；7EH不为11H则落入死循 CJNE 7FH，#0CCH，XJ ；7FH不为CCH则落入死循 MOVX DPTR，A ；满足条件则写数据,程序计数器PC若受到干扰而失控，引起程序
10、“乱飞”，有可能使程序陷入死循环，此时冗余技术、软件陷阱技术不能使程序摆脱“死循环”，通常采用 “看门狗”技术（watchdog），可以使程序摆脱死循环。“看门狗”技术就是通过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，然后改变PC值，强迫程序返回到0000H入口，使系统正常运行。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现，或者两者结合来实现。 1）硬件“看门狗”技术 硬件“看门狗”电路实际就是利用了一个独立的定时器来监控主程序的运行。单片机在正常运行中会不断发出信号清零计时器，即“喂狗”，使定时器无法产生复位信号。如果程序发生“乱飞”，则定时器无法接收
11、清零信号，定时器计满将产生溢出信号使单片机复位，恢复程序的正常运行。常用芯片例如IMP813，MAX813，X5045等。,2）软件“看门狗”技术 软件“看门狗”技术的基本思路：在51系列单片机中对T0设定一定的定时时间，当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明T0中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。对于T1可以用来监控主程序的运行，给T1设定一定的定时时间，在主程序中对其进行复位，如果不能在一定的时间里对其进行复位，T1 的定时中断就会使单
12、片机复位。在这里T1的定时时间要设的大于主程序的运行时间，给主程序留有一定的的裕量。而T1的中断正常与否再由T0定时中断子程序来监视，这样就够成了一个循环，这种相互依存、相互制约的抗干扰措施将使系统运行的可靠性大大提高，从而保证系统的稳定运行。,主要程序如下： DOG：MOV TH0，#0BCH ；喂狗程序，付初值 MOV TL0，#0E0H SETB TR0 ；运行定时器T0 RET RETURN：POP ACC ；丢弃断点地址 POP ACC MOV A，#00H ；重置地址为0000H，实现软件复位 PUSH ACC PUSH ACC RETI,单片机系统的前向通道中，输入信号均含有多种
13、的噪音和干扰，主要来自信号源、传感器，以及外界干扰等，这些噪音分为两类，周期性的和不规则随机性的。周期性的干扰信号可以通过硬件滤波电路进行消除，对于随机干扰信号可通过程序控制和数据处理的方法消除或降低干扰对通道的影响，提高系统的测量精度和可靠性。 数字滤波技术就是通过一定的方法计算或判断程序减少叠加在有用信号中噪声干扰的比重，从而提高采集信号的质量，具有稳定性好，功能强的特点。通常使用的数字滤波方法有：算术平均滤波法、中值滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。,1）算术平均滤波法 对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为该点数据采样结果，这种方法可以减少随机干扰对采集结果影响。
14、常用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波的仿真，这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近作上下波动，此时仅取一个采样值作依据显然是不准确的，如压力、流量、液面等信号的测量，不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。算术平均值法对信号的平滑滤波程度完全取决于测量信号的次数N。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果的影响小；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。应视具体情况选取N，以便既少占用计算时间，又达到最好的仿真效果。,2）中值滤波法 中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，中值滤波算法就是对某一参数连续采样n次（n一般取奇数），然后把n次
15、的采样值从小到大或者从大到小排列，再取中间值作为本次采样值。这种算法能够有效地消除由于偶然因素引入的波动或采样器不稳定造成的误码等脉冲干扰。对于缓慢变化的过程采用此法有良好的效果，但对于变化较为剧烈的参数，此法不适合采用。,3）递推平均滤波法 把N个测量数据看成一个队列，队列的长度为N，每进行一次新的测量，就把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据，然后对这N个数据进行平均，而得到新的滤波值。 4）程序判断滤波法 根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差小于或等于A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差大于A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，无法抑制那种周期性的干扰。,
