可靠性及抗干扰技术

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1、第15章 单片机应用系统的可靠性及抗干扰设计 15.1 干扰的来源 15.2 供电系统干扰及其抗干扰措施 15.3 过程通道干扰的抑制措施 15.4 空间干扰及抗干扰措施 15.5 反电势干扰的抑制 15.6 印刷电路板的抗干扰设计 15.7 软件抗干扰措施 15.8 “看门狗”技术和掉电保护,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。 15.1 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。 干扰一般都是以脉冲的形式进入系统，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

2、)空间干扰 电气设备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。 (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。 (3)过程通道干扰 开关量/模拟量输入输出的信号线; 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; 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。,15.2 供电系统干扰及其抗干扰措施 系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。 15.2.1 电源噪声来源、种类 （1）过压、欠压、停电：1s;使用各种稳压器、电源调节器， （2）浪涌、下陷：1st1

3、0ms;使用快速响应的交流电源稳压器。 （3）尖峰电压：t为s量级；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。 （4）射频干扰：t为ns量级；加接23节低通滤波器既可解决。,15.2.2 供电系统的抗干扰设计 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,地线应尽量短而直接走线。 采用粗导线作为电源连接线。 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 采用如图形式:,供电配置和采取如下措施： （1）交流进线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大

4、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 （5）直流输出采用大容量电解电容进行平滑滤波。 （6）交流电源线与直流电源线及信号线分开走线。 （7）电源线与信号线不可把两线靠得太近或互相平行。 （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

5、流所造成的干扰。,15.3 过程通道干扰的抑制措施 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。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 14.3.1 光电隔离的基本配置,15.3.2 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。,1.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

6、放大器必须满足A/D、D/A变换的精度和线性要求。 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 A/D变换时，先将模拟量变为数字量，对数字量进行隔离，然 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。 优点:方便、可靠、廉价，不影响A/D、D/A的精度和线性度。 缺点:速度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大转换速度 为每秒30005000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。,例：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

7、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。 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

8、荷电压而定。 对于开关量的输入，一般用电流传输的方法。,例：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V产生电流，使光电二极管导通。当发光二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。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。,15.4 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。 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

9、象继续存在则可认为空间干扰。 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。,15.4.1 接地技术 一、接地种类 外壳接地或安全接地： 为人身或设备安全目的，而把设备的外壳接地 工作接地： 提供一个公共的电位参考点,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。 2工作接地 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（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

10、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：,二、接地系统 （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。,1.机壳接地与浮地的比较 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

11、空容易产生静电，导致干扰。 机壳接地，其余部分浮空，如图。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 低频（1MHz以下）电路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,如图。单片机测控系统的工作频率大多较低，对它起作用的干扰频率也大都在1MHz以下，故宜采用一点接地。 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

12、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。,3.交流地与信号地不能共用 因为在一段电源、地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常严重的干扰 。因此，交流地和信号地不能共用，图为一种不正确的接法。,4.数字地和模拟地 所有的模拟公共导线（地）应该与数字公共导线（地）分开走线，然后只是 一点汇在一起。 例：ADC、DAC和采样保持芯片都提供了独立的模拟地和数字地，必须将所有 的模拟地和数字地分别相连，然后模拟（公共）地与数字（公共）地仅在一 点上相连接，在此连接点外，在芯片和其他电路中且不可再有公共点，如图 所示。,5.微弱信号模

13、拟地的接法 A/D转换器在采集050mV微小信号时，模拟地的接法极为重要。为提高抗共模干扰的能力，可用三线采样双层屏蔽浮地技术。这种三线采样双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。 6.功率地 这种地线电流大，地线应粗些，且应与小信号分开走线。,15.4.2 屏蔽技术 高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花甚至雷电，都能 产生电磁波，从而成为电磁干扰的噪声源。 当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰； 当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。 单片机使用的振荡器，本身就是一个电磁干扰源，同时也又极易受其他电磁干扰的影响，破坏单片机的正常工作。 屏蔽可分为以下三类

14、： （1）电磁屏蔽，防止电磁场的干扰； （2）磁屏蔽，防止磁场的干扰； （3）电场屏蔽，防止电场的耦合干扰。,电磁屏蔽 主要是防止高频电磁波辐射的干扰，以金属板、金属网或金属 盒构成的屏蔽体能有效地对付电磁波的干扰。屏蔽体以反射方 式和吸收方式来削弱电磁波，从而形成对电磁波的屏蔽作用。 磁场屏蔽是防止电极、变压器、磁铁、线圈等的磁感应和磁耦 合，使用高导磁材料做成屏蔽层，使磁路闭合，一般接大地。 屏蔽低频磁场:选择磁钢、坡莫合金、铁等导磁率高的材料； 屏蔽高频磁场:选择铜、铝等导电率高的材料。,电场屏蔽:解决分布电容问题。 单层屏蔽:一般是接大地。 双层屏蔽:例如双变压器，原边屏蔽接机壳（即接

15、大地），副边屏蔽接到浮地的屏蔽盒。 当一个接地的放大器与一个不接地的信号源相连时，连接电缆的屏蔽层应接到放大器公共端。反之，应接信号源的公共端。 高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。 为了消除屏蔽体与内部电路的寄生电容，屏蔽体应按“一点接地”的原则接地。,15.5 反电势干扰的抑制 当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪声干扰。 反电势甚至可能击穿电路中晶体管之类的器件 反电势形成的噪声干扰能产生电磁场，对单片机应用系统中的其它电路产生干扰。,对于反电势干扰，可采用如下措施： （1）如果通过电感线圈的是直流电流，可在线圈两端并联二极管和稳压管，如图。,在稳定工作时，并联支路

16、被二极管D阻断而不起作用；当三极管T由导通变为截止时，在电感线圈两端产生反电势e。此电势可在并联支路中流通，因此e的幅值被限制在稳压管DW的工作电压范围之内，并被很快消耗掉,从而抑制了反电势的干扰。使用时DW的工作电压应选择得比外加电源高些。,如果把稳压管换为电阻，可以同样达到抑制反电势的目的，如图所示。在这个电路中，电阻的阻值范围可以从几欧姆到几十欧姆。阻值太小，反电势衰减得慢；而阻值太大又会增大反电势的幅值。,（2）反电势抑制电路也可由电阻和电容组成，如图所示。,适当选择R、C参数，也能获得较好的耗能效果。这种电路不仅适用于交流驱动的线圈，也适用于直流驱动的线圈。,（3）反电势抑制电路不但可以接在线圈的两端，也可以接在开关的两端。 例如继电器，接触器等部件在操作时，开关会产生较大的火花，必须利用RC电路加以吸收，如图所示。对于图（b），一般R取12K，C取2.24.7F。,15.6 印刷电路板的抗干扰设计 印刷电路板（也称印制版）是单片机系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决