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1、*返回目录单片机单片机原理与接口技术原理与接口技术第10章 单片机应用系统抗干扰技术1*返回目录1.了解单片机应用系统所遇到的干扰问题；2.熟悉单片机应用系统硬件抗干扰措施；3.熟悉单片机应用系统软件抗干扰措施；4.掌握“看门狗”技术；5.掌握数字滤波技术。本章教学要求 -第第1010章章 单片机应用系统抗干扰技术单片机应用系统抗干扰技术2*返回目录本章目录10.1 干扰源及其分类10.1.1 干扰的定义10.1.2 干扰的种类10.2 干扰对单片机应用系统的影响10.3 硬件抗干扰技术10.3.1 无源滤波10.3.2 有源滤波10.3.3 去耦电路10.3.4 10.3.4 屏蔽技术屏蔽技
2、术 10.3.5 10.3.5 隔离技术隔离技术 10.3.6 10.3.6 接地技术接地技术 10.4 10.4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 10.4.1 10.4.1 软件抗干扰的一般软件抗干扰的一般方法方法 10.4.2 10.4.2 指令冗余技术指令冗余技术 10.4.3 10.4.3 软件陷阱技术软件陷阱技术 10.4.4 “10.4.4 “看门狗看门狗” ”技术技术 10.5 10.5 数字滤波技术数字滤波技术习题与思考题习题与思考题-第第1010章章 单片机应用系统抗干扰技术单片机应用系统抗干扰技术3*返回目录10.1 干扰源及其分类叠加在有用信号上，使原来有用信号发生畸叠加在
3、有用信号上，使原来有用信号发生畸变的变化电量称为噪声。由于噪声在一定条件下变的变化电量称为噪声。由于噪声在一定条件下影响和破坏设备或系统的正常工作，所以通常把影响和破坏设备或系统的正常工作，所以通常把具有危害性的噪声称为干扰。噪声原来的意义是具有危害性的噪声称为干扰。噪声原来的意义是指不同频率、不同强度杂乱声音的组合。指不同频率、不同强度杂乱声音的组合。10.1.1 10.1.1 干扰的定义干扰的定义-干扰与噪声干扰与噪声4*返回目录10.1.2 干扰的种类表表10-1 10-1 常见干扰的分类表常见干扰的分类表1 1干扰的种类干扰的种类-干扰的分类表干扰的分类表5*返回目录10.1.2 干扰
4、的种类串模干扰是指串联于信号回路中的干扰。这种干扰表现为噪声信号和有效信号串联叠加在一起作用于电路中，噪声往返于两条线路间。2 2按干扰与输入信号关系分类按干扰与输入信号关系分类（1 1）串模干扰）串模干扰-串模干扰串模干扰6*返回目录10.1.2 干扰的种类共模干扰是干扰电压同时叠加于两条信号线上出现的干扰。干扰侵入线路和地线之间，噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路而信号电流只在往返两条线路中流过。这种干扰出现在输入信号端和系统本体接地之间，主要是由于两者接地之间存在干扰电压引起的，如图所示。（2 2）共模干扰）共模干扰-共模干扰共模干扰7*返回目录10.1.2 干扰的种类3按干
5、扰传播方式 分类-干扰分类干扰分类8*返回目录10.1.2 干扰的种类4按干扰波形的性质分类-干扰分类干扰分类干扰波形分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。图干扰波形分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。图10-3(a)10-3(a)干干扰信号表现为持续正弦波形，它通常以频率、幅值和相位角等特扰信号表现为持续正弦波形，它通常以频率、幅值和相位角等特 征值来表示。图征值来表示。图10-3(b)10-3(b)是浪涌脉冲电压波形，它通常以最高幅值是浪涌脉冲电压波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度及能量等特征值表示，如雷击波、静电放电等波形。、脉冲宽度及能量等特征值表示，如雷击波、静电放电等波形。 图图10-3(
6、c)10-3(c)是脉冲序列波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度、周期是脉冲序列波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度、周期等特征值表示。等特征值表示。9*返回目录10.2 干扰对单片机应用系统的影响1数据采集误差增大2控制状态失灵 3数据受干扰发生变化 4程序运行失常 10*返回目录10.3 硬件抗干扰技术通过合理的硬件电路设计，可以消弱或抑制绝大部分干扰。本节简要介绍在工程上广泛采用的一些硬件抗干扰电路的概念及使用，主要包括无源滤波和有源滤波、去耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。 11*返回目录10.3.1 无源滤波-C-C、RCRC、LCLC滤波电路滤波电路采用滤波技 术抑制干扰 的硬件电路
7、 是滤波器， 滤波器按组 成结构分为 无源滤波器 和有源滤波 器。由无源 元件电阻、 电容和电感 构成的滤波 器为无源滤 波器。12*返回目录10.3.2 有源滤波由电阻、电容、电感和有源元件如晶体管、线性运算放大器等构成的滤波器为有源滤波器。-有源滤波器有源滤波器13*返回目录10.3.3 去耦电路由于单片机系统三总线上的信息变化几乎是在同一时 刻发生的，所产生的尖峰电流将在电源内阻抗上产生压降 、在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动。欲 降低尖峰电流的影响，一种方法是在布线上采取措施，使 杂散电容降至最小。另一种方法是设法降低供电电源的内 阻，使尖峰电流不致引起过大的电源电压波动。
8、-C-C吸收频电流吸收频电流14*返回目录10.3.4 屏蔽技术屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道。屏蔽的方法通常是用低电阻材料作成屏蔽体，把需要隔离的部分包围起来。被隔离的部分既可以是干扰源，也可以是易受干扰的部分。1 1屏蔽的概念屏蔽的概念-屏蔽是作用屏蔽是作用15*返回目录屏蔽信号线的方法，一种是采用双绞线，其中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线；另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏蔽外层，芯线用来传输信号。一般的原则是：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰用双绞线。 2 2信号传输中屏蔽技术的使用信号
9、传输中屏蔽技术的使用10.3.4 屏蔽技术-屏蔽信号线的方法屏蔽信号线的方法16*返回目录10.3.5 隔离技术从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使单片机应用系统与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进干扰的通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。-隔离的实质隔离的实质17*返回目录光电隔离是由光电耦合器件来完成的，光电耦合 器是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光 源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是 完全隔离的。输入和输出之间无电接触，能有效地防 止输入端的电
10、磁干扰以电耦合的方式进入单片机测控 系统。1 1光电隔离光电隔离10.3.5 隔离技术-光电耦合器光电耦合器18*返回目录10.3.5 隔离技术光电耦合器在实际电路中的应用举例-隔离的应用隔离的应用图(a)所示是模拟信号采集电路用光电耦合器输入的电路，信号从发射极引出。图(b)是脉冲信号输入电路，采用施密特触发器输出的光电耦合电路。19*返回目录10.3.5 隔离技术图图(c)(c)是利用光电耦合作为输出是利用光电耦合作为输出的电路，其中的电路，其中J J为继电器线圈。为继电器线圈。-隔离的应用隔离的应用图图(d)(d)是用光电耦合器控是用光电耦合器控制晶闸管的电路。制晶闸管的电路。20*返回
11、目录10.3.5 隔离技术继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系 ，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利 用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信 号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。2 2继电器隔离继电器隔离-继电器及使用继电器及使用21*返回目录脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几PF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。3 3变压器隔离变压器隔离10.3.5 隔离技术-脉冲变压器及使用脉冲变压器及使用22*返回目录10.3.6 接地技术实践证明，单片机测控系统和其他工业用电子设备的干扰与系统的接地方式有很大关系。
12、良好接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地处理得不好，会导致噪声耦合，形成严重干扰。因此，在抗干扰设计中，对接地方式应予以认真考虑。 23*返回目录所谓“大地”，这里是指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线、接地极与地球大地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。 10.3.6 接地技术1 1接地的含义接地的含义-“-“大地大地” ”与与“ “系统地系统地” ”24*返回目录“工作基准地”是指信号回路的基准导体，如系统电源的零电位，又称“系统地”。这时的所谓接地是指将装置内部各单元电路信号返回线与基准
13、导体之间的连接。这种接地目的是为电路提供稳定的基准电位。对这种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小系统中干扰信号施加于公共阻抗的耦合。10.3.6 接地技术-“-“大地大地” ”与与“ “系统地系统地” ”25*返回目录根据用电法规，电气设备的金属外壳必须接地，称为安全接地。其目的是防止电气设备的金属外壳上出现过高的对地电压，以及漏电流而危害人身、设备的安全。 2 2接地目的接地目的10.3.6 接地技术（l l）安全）安全电气设备接地目的其一是为各电路的工作提供电气设备接地目的其一是为各电路的工作提供基准电位，其二是为了安全，其三是为了抑制基准电位，其二是为了安全，其三是为了
14、抑制干扰。干扰。-接地为了安全接地为了安全26*返回目录电子设备的某些部分与大地相接可以起到抑制干扰作用。例如，金属屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；双绞线中一根作信号线，另一根两端接地可以防止电磁干扰；大型电子设备往往具有很大的对地分布电容，合理选择接地点可以削弱分布电容的影响。10.3.6 接地技术（2 2）抑制干扰）抑制干扰-接地为了抑制干扰接地为了抑制干扰27*返回目录根据电气设备中回路性质和接地目的，可将接地方式分为三类：安全接地、工作接地、屏蔽接地。10.3.6 接地技术3 3接地的分类接地的分类（1 1）安全接地）安全接地设备金属外壳等的接地，它是为保护高压设备金属外壳等的接地，
15、它是为保护高压用电设备使用人员以防触电所必须的，一般要用电设备使用人员以防触电所必须的，一般要求接地电阻求接地电阻rdADD2，说明发生了程序乱飞，则应使程序返回到复位入口地址0000H，使乱飞程序纳入正轨。假设ADD1=0100H，ADD2=1000H，2FH为断点地址高字节暂存单元，2EH为断点地址低字节暂存单元，编写中断服务程序为。 10.4.3 软件陷阱技术5 5中断服务程序区中断服务程序区-设置软件陷阱位置设置软件陷阱位置44*返回目录10.4.3 软件陷阱技术单片机中RAM保存大量数据，这些数据的写入是使用“MOVX DPTR, A”指令来完成。当CPU受到干扰而非法执行该指令时，就会改写RAM中的数据，导致RAM中数据丢失。为了减小RAM中数据丢失的可能性，可在RAM写操作之前加入条件陷阱，不满足条件时不允许写操作，并进入陷阱，形成死循环。6 6RAMRAM数据保护的条件陷阱数据保护的条件陷阱-设置软件陷阱位置设置软件陷阱位置45*返回目录10.4.4 “看门狗”技术PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“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”
