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1、单元15 单片机系统的电磁兼容设计,学习目的：掌握单片机抗干扰设计。 重点难点：硬件抗干扰及软件抗干扰。 外语词汇：Electromagnetic Compatibility（电磁兼容）、Watchdog（看门狗）。 电磁兼容（EMC）设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品。电磁兼容性的定义是“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰”。即在同一电磁环境中，设备能够不因为其他设备的干扰影响正常工作，同时也不对其他设备产生影响工作的干扰。,单片机应用系统的工作环境复杂多变，常常容易受到各种干扰的
2、侵袭，特别是在工业环境下工作的单片机系统，恶劣的工业环境往往会给单片机带来各种各样的干扰，干扰入侵单片机系统的途径如图15-1所示。,图15-1 干扰入侵单片机系统的途径,硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施，它能有效地抑制干扰源，阻断干扰的传输信道。常用的措施有隔离技术、滤波技术、屏蔽技术和接地技术。,15.1 硬件抗干扰技术,15.1.1输入输出隔离,常用的隔离器件有隔离变压器、光耦合器（简称光耦）、继电器和隔离放大器等，其中，光耦合器应用最广。 1.隔离变压器 一般变压器的绕组之间存在干扰信号的电容性耦合，而隔离变压器能有效地抑制这种耦合。因此，隔离变压器常用于电源及两个或多个设备之
3、间的电路性去耦。增加隔离变压器，由于隔离变压器在一次侧与二次侧之间增加了一层屏蔽层，并将屏蔽层与铁心一起接地，这样，可以防止干扰通过一次侧与二次侧之间的分布电容进入单片机。电源通过低通滤波器和隔离变压器接入电网。,2.光耦合器 光耦合器是利用光传递信息的，它是由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成的，光耦合器工作原理如图15-2所示。它的发光元器件可以是场致发光器件、发光二极管（红色光或红外光）、氖灯或钨丝灯。受光元器件可以是光敏二极管、光敏晶体管、光敏可控硅、光敏集成电路。近年来，许多厂家已生产出多种类型的光耦合器。由于它的输入与输出在电气上是完全隔离的，具有很高的抗干扰性能，因而近年来在
4、微型计算机控制系统中获得广泛应用。,图15-2光耦合器工作原理,在过程通道中采用光耦合器将单片机系统与各种传感器、按钮、执行机构隔离。在模拟通道中使用光耦合器时，应保证被传送信号的变化范围始终在光耦合器的线性区内，否则会产生较大误差。尽可能将隔离器件设置在执行部件或传感器附近，通常是将光耦合器放在ADC或DAC附近。光耦合器前后两部分电路应分别采用两组独立电源供电。当数字通道输出的开关量用于控制大负荷设备时，一般不宜用光耦合器，而采用继电器隔离输出。此时，要在单片机输出端的锁存器74LS373与继电器之间设置一个OC门驱动器，用以提供较大的驱动电流。硬件滤波电路常采用RC低通滤波电路，将它接在
5、一些低频信号传送电路中，可以大大削弱各类高频干扰信号。 门电路将不同电位的信号, 加到光耦合器上, 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。 在测量微弱电流时, 常常采用由光耦合器构成的整形放大器。若放大器中使用机械换流器(或场效应晶体管)时, 响应速度慢, 有尖峰干扰, 影响电路工作。采用光耦合器就没有这样的问题, 尖峰噪声可以去掉。,在整流元件上并接滤波电容，可在很大程度上削弱高频干扰，滤波电容一般选用1000pF0.01F的瓷片电容。增加低通滤波电路，通过低通滤波电路，可以滤除电路中的高频干扰信号。添加交流稳压器稳定供电
6、电压，减少电源干扰。 在输入通道上采用一定的过电压保护电路, 以防引入高压, 损坏系统电路。过电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（0.2V 以下）,采用两个反并联的二极管, 也可起到过电压保护作用。 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。,15.1.2 硬件滤波电路,单片机应用系统
7、中存在的地线有数字地、模拟地、功率地、信号地和屏蔽地。 1) 一般高频电路应就近多点接地,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。否则会感应出电压,形成干扰信号。 4) 地与模拟地应分开, 最后单点相连。,15.1.3
8、 接地技术,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。,15.1.4 屏蔽,所谓数字滤波，就是通过特定的计算程序处理，降低干扰信号在有用信号中的比例，故实质上是一种程序滤波。数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号滤波。数字滤波由于稳定性高，滤波器参数修改方便，因此得到广泛应用。 与模拟
9、滤波器相比，数字滤波器有以下优点： 1）不需要增加任何硬设备，只要程序在进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。 2）不存在阻抗匹配问题。 3）可以对频率很低，如0.01Hz的信号滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。 4）对于多路信号输入通道，可以共用一个滤波器，从而降低仪表的硬件成本。 5）只要适当改变滤波器程序或参数，就可以方便地改变滤波特性，这对于低频脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效。,15.2 软件抗干扰技术,15.2.1数字滤波,1.限幅滤波 当采样信号由于随机干扰而引起严重失真时，可以采用限幅滤波。根据经验，确定出两次采样信号可能出现的最大偏差Y
10、。所谓限幅滤波，就是把两次相邻的采样值相减，求出其增量（以绝对值表示），然后与两次采样允许的最大差值Y进行比较。如果小于或等于Y，则取本次采样值；如果大于Y，则仍取上次采样值作为采样值。这种滤波方法主要用于变化缓慢的参数测量，如温度、液位等。也可以在大电流、大电感负载切断时，即干扰的特点为时间短，但幅值却很大的情况下使用。 当前采样值存30H，上次采样值存31H，结果存32H。Y根据经验确定，限幅滤波程序流程图如15-3所示。,图15-3限幅滤波程序流程图,程序清单如下： XF-FILTERING：PUSH ACC ;保护现场 PUSH PSW MOV A，30H ;YnA CLR C SUB
11、B A，31H ;Yn- Yn-1 JNC LPO ;Yn - Yn-10？ CPL A ;Yn Y？ LPl： MOV 32H，30H ;等于Y，本次采样值有效 AJMP LP3 LP2： JC LPl MOV 32H，31H ;小于Y，本次采样值有效 LP3： POP PSW ;大于Y，Yn = Yn-1 POP ACC ;恢复现场 RET 只有当本次采样值小于上次采样值才进行求补，保证本次采样值有效。,2.中位值滤波 中位值滤波是对某一被测量连续采样N次(一般N取为奇数)，然后把N次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动。对于温度、液位等缓慢变化
12、的被测量，采用此法能收到良好的滤波效果，但对于流量、压力等变化较快的被测量，一般不宜采用中位值滤波。 中值滤波就是连续输入3个检测信号，从中选则个中间值作为有效信号。本例第次采集的数据存R1，第二次采集的数据存R2，第三次采集的数据存R3。中值存R0。程序清单下： MV： PUSH PSW ;保护PSW、A PUSH A MOV A，R1 ;第次采集的数据送A CLR C SUBB A，R2 JNC LOB01 ;第1次采集的数据大于第二次采集的数据，转LOB01 MOV A，R1 ;第1次和第2次采集的数据互换 XCH A，R2 MOV R1，A,LOB0l:MOV A，R3 CLR C S
13、UBB A，R1 JNC LOB03 ;第3次采集的数据大于第1次采集的数据，转LOB03 MOV A，R3 CLR C SUBB A，R2 JNC LOB04 ;第3次采集的数据大于第2次采集的数据，转LOB04 MOV A，R2 MOV R0，A LOB02:POP ACC ;恢复PSW、A POP PSW RET LOB03:MOV A，R1 MOV R0，A AJMP LOB02 LOB04:MOV A，R3 MOV R0，A AJMP LOB02,3.平滑滤波 叠加在有用数据上的随机噪声在很多情况下可以近似地认为是白噪声。白噪声具有一个很重要的统计特性，即其统计平均值为零。因此，可以
14、用求平均值的办法来消除随机误差，这就是所谓平滑滤波。 4.算术平均滤波 算术平均滤波法适用于对一般的具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动，如测量流量、液位时经常遇到这种情况。 算术平均滤波是要按输入的N个采样数据xi(i1、2、N)，寻找这样一个y，使y与各采样值之间的偏差的二次方和最小，即使 最小。 由一元函数求极值的原理可得 上式即为算术平均滤波的算式。,15.2.2 指令冗余防程序“跑飞”,程序“跑飞”，就是单片机在正常运行过程中，遇到外界干扰使CPU发生混乱引起“死机”的现象。程序“跑飞”后，使其恢复正常最简单的方法是让CPU复位，让程序从头开
15、始重新运行。这种方法虽然简单，但需要人的参与，而且复位不及时。人工复位一般是在整个系统已经瘫痪且无计可施的情况下才不得已而为之的。因此，在进行软件设计时就要预先考虑到万一程序“跑飞”，应让其能够自动恢复到正常状态下运行。程序“跑飞”后往往将一些操作数当作指令码来执行，从而引起整个程序的混乱。消除程序“跑飞”的方法之一，是采用“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复到正常的状态中。 所谓“指令冗余”，就是指在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。当程序“跑飞”到某条单字节指令上，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。对于MCS-51单片机来说，所有的指令都不会超过三个字节，因此在某条指
16、令前面插入两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，而会得到正确的执行，从而使程序重新纳入轨道。通常是在一些对程序的流向起关键作用的指令前插入两条NOP指令。这些指令有RET、RETI、ACALL、LCALL、SJMP、AJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、JB、JNB、JBC、JBNZ、DJNZ等。,15.2.3 “软件陷阱”防程序“跑飞”,采用“指令冗余”，使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的。首先，“跑飞”的程序必须落到程序区；其次，必须执行到所设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区(如EPROM中未用完的空间或某些数据表格区等)，或在执行到冗余指令前已经形成一个死循环，则“指令冗余”措施就不能使“跑飞”的程序恢复正常。这时可采用另一种抗干扰措施，即所谓的“软件陷阱”。
