单片机原理及接口技术 第9章课件

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1、第9章 单片机系统的抗干扰技术,9.1 干扰源及其分类 9.2 干扰对单片机系统的影响 9.3 硬件抗干扰技术 9.4 软件抗干扰技术 9.5 数字滤波,9.1 干扰源及其分类,一、 干扰的含义 所谓干扰, 一般是指有用信号以外的噪声, 在信号输入、 传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、 指示值或输出值出现误差, 出现假像。 干扰对电路的影响, 轻则降低信号的质量, 影响系统的稳定性; 重则破坏电路的正常功能, 造成逻辑关系混乱, 控制失灵。,二、 干扰源的分类 1. 从干扰的来源划分 1) 内部干扰 内部干扰是应用系统本身引起的各种干扰, 包括固定干扰和过

2、渡干扰两种。固定干扰是指信号间的相互串扰、长线传输阻抗失配时反射噪声、负载突变噪声以及馈电系统的浪涌噪声等。过渡干扰是指电路在动态工作时引起的干扰。,2) 外部干扰 外部干扰是由系统外部窜入到系统内部的各种干扰。包括某些自然现象（如闪电、 雷击、地球或宇宙辐射等）引起的自然干扰和人为干扰（如电台、车辆、家用电器、电器设备等发出的电磁干扰, 以及电源的工频干扰）。 一般来说, 自然干扰对系统影响不大, 而人为干扰则是外部干扰的关键。,图 9.1 内部和外部干扰示意图, 装置开口或隙缝处进入的辐射干扰(辐射) 电网变化干扰(传输) 周围环境用电干扰(辐射、 传输、 感应) 传输线上的反射干扰(传输

3、) 系统接地不妥引入的干扰(传输、 感应) 外部线间串扰(传输、 感应) 逻辑线路不妥造成的过渡干扰(传输) 线间串扰(感应、 传输) 电源干扰(传输) 10 强电器引入的接触电弧和反电动势干扰(辐射、 传输、 感应) 11 内部接地不妥引入的干扰(传输) 12 漏磁感应(感应) 13传输线反射干扰(传输) 14 漏电干扰(传输),2. 按干扰出现的规律划分,固定干扰 2) 半固定干扰 3) 随机干扰,3. 从干扰与输入信号的关系划分,串模干扰 2) 共模干扰,图 9.2 串模干扰和共模干扰 (a) 串模干扰；(b) 共模干扰,图9.3 串模干扰与共模干扰波形 (a) 直流信号； (b) 串模

4、干扰； (c) 共模干扰； (d) 串模干扰与共模干扰共同作用,表 9.1 常见干扰的种类,9.2 干扰对单片机系统的影响,图 9.4 干扰入侵单片机系统的途径,13F4 A274 MOV C, 2EH.4 13F6 E544 MOV A, 44H 13F8 3402 ADDC A, 2 13FA 13 RRC A 13FB F544 MOV 44H, A 13FD 9274 MOV 2EH.4, C,如果干扰使程序计数器PC出错, 在某时刻变为13F5H, CPU将执行如下程序片段, 掉进一个死循环而不能自拔: 13F5 74E5 MOV A, 0E5H 13F7 4434 ORL A, 3

5、4H 13F9 02113F5 LJMP 13F5H,9.3 硬件抗干扰技术,9.3.1 串模干扰的抑制方法,一、 光电隔离,图 9.5 二极管、三极管光电耦合器,1. 输入输出隔离 1) 脉冲电路的应用 门电路将不同电位的信号, 加到光电耦合器上, 构成简单的逻辑电路, 可方便地用于各种逻辑电路相连的输入端, 能把信号送到输出端, 而输入端的噪声不会送出。 2) 整形放大 在测量微弱电流时, 常常采用由光电耦合器构成的整形放大器。若放大器中使用机械换流器(或场效应管)时, 响应速度慢, 有尖峰干扰, 影响电路工作。采用光电耦合器就没有这样的问题, 尖峰噪声可以去掉。,图 9.6 可控硅感性负

6、载开关电路,二、 硬件滤波电路,图 9.7 四种滤波器的结构图,三、 过压保护电路 在输入通道上采用一定的过压保护电路, 以防引入高压, 损坏系统电路。 过压保护电路由限流电阻和稳压管组成, 稳压值以略高于最高传送信号电压为宜。对于微弱信号（0.2 V 以下）, 采用两支反并联的二极管, 也可起到过压保护作用。,四、 调制解调技术 有时, 有效信号的频谱与干扰的频谱相互交错, 使用一般硬件滤波很难分离, 可采用调制解调技术。先用已知频率的信号对有效信号进行调制, 调制后的信号频谱应远离干扰信号的频谱区域。传输中各种干扰信号很容易被滤波器滤除, 被调制的有效信号经解调器解调后,恢复原状。有时,

7、不用硬件解调, 运用软件中的相关算法, 也可达到解调的目的。,五、 抗干扰稳压电源 (1) 应用系统的供电线路和产生干扰的用电设备分开供电。 (2) 通过低通滤波器和隔离变压器接入电网, 如图 9.8 所示。 (3) 整流组件上并接滤波电容。滤波电容选用1 000 pF 0.01 F的瓷片电容, 接法参见图 9.8。 (4) 采用高质量的稳压电源。,图 9.8 抗干扰稳压电源,六、 数字信号采用负逻辑传输 干扰源作用于高阻线路上, 容易形成较大幅度的干扰信号, 而对低阻线路影响要小一些。在数字系统中, 输出低电平时内阻较小, 输出高电平时内阻较大。如果我们采用负逻辑传输, 就可以减少干扰引起的

8、误动作, 提高数字信号传输的可靠性。,9.3.2 共模干扰的抑制方法 一、 平衡对称输入 在设计信号源时尽可能做到平衡和对称,否则会产生附加的共模干扰。 二、 选用高质量的差动放大器 要求差动放大器具有高增益、低噪声、低漂移、宽频带等特点, 以便获得足够高的共模抑制比。 三、 良好的接地系统 接地不良时将形成较明显的共模干扰。如没有条件进行良好接地, 不如将系统浮置起来, 再配合采用合适的屏蔽措施, 效果也不错。,四、 系统接地点的正确连接 单片机应用系统中存在的地线有: 数字地、 模拟地、 功率地、 信号地和屏蔽地。 1. 一点接地和多点接地的应用原则 (1) 一般高频电路应就近多点接地,

9、低频电路应一点接地。在高频电路中, 地线上具有电感, 因而增加了地线阻抗, 而且地线变成了天线, 向外辐射噪声信号, 因此, 要多点就近接地。在低频电路中, 接地电路若形成环路, 对系统影响很大, 因此应一点接地。,(2) 交流地、功率地与信号地不能公用。 流过交流地和功率地的电流较大, 会造成数毫伏、甚至几伏电压, 这会严重地干扰低电平信号的电路, 因此信号地与交流地、功率地分开。 (3) 信号地与屏蔽地的连接不能形成死循环回路。 否则会感生出电压, 形成干扰信号。 (4) 数字地与模拟地应分开, 最后单点相连。,2. 印制板的地线布置,图 9.9 导线的长度宽度与,图9.10 芯片的布置,

10、五、 屏蔽 用金属外壳将整机或部分元器件包围起来, 再将金属外壳接地, 就能起到屏蔽的作用, 对于各种通过电磁感应引起的干扰特别有效。 屏蔽外壳的接地点要与系统的信号参考点相接,而且只能单点接地, 所有具有同参考点的电路必须装在同一屏蔽盒内。如有引出线, 应采用屏蔽线, 其屏蔽层应和外壳在同一点接系统参考点。参考点不同的系统应分别屏蔽, 不可共处一个屏蔽盒内。,9.4 软件抗干扰技术,9.4.1 数字量I/O通道中的软件抗干扰,一、 数字量输入方法 二、 数字量输出方法,图 9.11 开关量信号采样流程,9.4.2 程序执行过程中的软件抗干扰,一、 程序“跑飞” 二、 指令冗余 三、 软件陷阱

11、,则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”: NOP NOP LJMP ERR,“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。 1. 未使用的中断向量区 MCS - 51 单片机的中断向量区为 0003H002FH, 如果系统程序未使用完全部中断向量区, 则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”, 以便能捕捉到错误的中断。 如某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0, 它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINT0、 FUINT1和 FUT0, 即可按下面的方式来设置中断向量区:,ORG 0000H 0000H START: LJMP MAIN ; 引向主程序入口 0003H LJM

12、P FUINT0 ; INT0中断服务程序入口 006H NOP ; 冗余指令 007H NOP 008H LJMP ERR ; 陷阱 0013H LJMP FUT0 ; T0中断服务程序入口 00EH NOP ; 冗余指令,00FH NOP ; 0010H LJMP ERR ; 陷阱 0013H LJMP FUINT1 ; INT1中断服务程序入口 0016H NOP ; 冗余指令 0017H NOP 0018H LJMP ERR ; 陷阱 001BH LJMP ERR ; 未使用T1中断, 设陷阱 001EH NOP ; 冗余指令 001FH NOP 0020H LJMP ERR ; 陷阱

13、,0023H LJMP ERR ; 未使用串口中断, 设陷阱 0026H NOP ; 冗余指令 0027H NOP 0028H LJMP ERR ; 陷阱 002BH LJMP ERR ; 未使用T2中断, 设陷阱 002EH NOP ; 冗余指令 002FH NOP 0030H MAIN: ; 主程序,2. 未使用的大片EPROM空间 程序一般都不会占用EPROM芯片的全部空间, 对于剩余未编程的EPROM空间, 一般都维持原状, 即其内容为 0FFH。 0FFH对于MCS - 51 单片机的指令系统来说是一条单字节的指令: MOV R7, A。 如果程序“跑飞”到这一区域, 则将顺利向后执

14、行, 不再跳跃（除非又受到新的干扰）。因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱, 就一定能捕捉到“跑飞”的程序。,3. 表格 有两种表格: 一类是数据表格, 供MOVC A, A+PC 指令或MOVC A, A+DPTR指令使用, 其内容完全不是指令。另一类是散转表格, 供JMP A+DPTR指令使用, 其内容为一系列的 3 字节指令LJMP或 2 字节指令AJMP。 由于表格的内容与检索值有一一对应的关系, 在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系, 因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长, 则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉“跑飞”来的程序, 有可能在中途再次“跑飞”, 这时只好指

15、望别处的陷阱或冗余指令来捕捉。,4. 程序区 程序区是由一系列的指令构成的, 不能在这些指令中间任意安排陷阱, 否则会破坏正常的程序流程。但是, 在这些指令中间常常有一些断点, 正常的程序执行到断点处就不再往下执行了, 这类指令有LJMP、 SJMP、 AJMP、 RET、 RETI, 这时PC的值应发生正常跳变。 如果在这些地方设置陷阱就有可能捕捉到“跑飞”的程序。 例如, 对一个累加器A的内容的正、负和零的情况进行三分支的程序, 软件陷阱安排如下:,JNZ XYZ ; 零处理 AJMP ABC ; 断点 NOP NOP LJMP ERR ; 陷阱 XYZ: JB ACC.7, UVW ; 正处理 AJMP ABC ; 断点 NOP NOP LJMP ERR ; 陷阱 UVW: ; 负处理 ABC: MOV A, R2 ; 取结果 RET ; 断点 NOP NOP LJMP ERR ; 陷阱,四、 WATCHDOG 如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中, 冗余指令和软件陷阱都将无能为力, 这时可采取WATCHDOG（俗称“看门狗”）措施。 WATCHDOG有如下特性: (1) 本身能独立工作, 基本上不依赖于CPU。 CPU只在一个固定的时间间隔内与之打一次交道,