单片机原理与应用电子教案9

第9章单片机系统的抗干扰技术第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9.39.4软件抗干扰技术9.5数字滤波第9章单片机系统的抗干扰技术9.1干扰源及其分类一、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。第9章单片机系统的抗干扰技术二、1.1)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。第9章单片机系统的抗干扰技术2)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。第9章单片机系统的抗干扰技术图9.1内部和外部干扰示意图第9章单片机系统的抗干扰技术①装置开口或隙缝处进入的辐射干扰(辐射)②电网变化干扰(传输)③周围环境用电干扰(辐射、传输、感应)④传输线上的反射干扰(传输)⑤系统接地不妥引入的干扰(传输、感应)⑥外部线间串扰(传输、感应)⑦逻辑线路不妥造成的过渡干扰(传输)⑧线间串扰(感应、传输)⑨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)第9章单片机系统的抗干扰技术2.按干扰出现的规律划分1)固定干扰2)半固定干扰3)随机干扰第9章单片机系统的抗干扰技术3.从干扰与输入信号的关系划分1)串模干扰2)共模干扰图9.2(a)串模干扰；(b)共模干扰第9章单片机系统的抗干扰技术图9.3串模干扰与共模干扰波形(a)直流信号；(b)串模干扰；(c)共模干扰；(d)串模干扰与共模干扰共同作用第9章单片机系统的抗干扰技术表9.1常见干扰的种类第9章单片机系统的抗干扰技术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第9章单片机系统的抗干扰技术13F4A274MOVC,2EH.413F6E544MOVA,44H13F83402ADDCA,＃213FA13RRCA13FBF544MOV44H,A13FD9274MOV2EH.4,C第9章单片机系统的抗干扰技术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:13F574E5MOVA,＃0E5H13F74434ORLA,＃34H13F902113F5LJMP13F5H第9章单片机系统的抗干扰技术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、三极管光电耦合器第9章单片机系统的抗干扰技术1.输入输出隔离1)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)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。第9章单片机系统的抗干扰技术图9.6可控硅感性负载开关电路第9章单片机系统的抗干扰技术二、硬件滤波电路图9.7四种滤波器的结构图第9章单片机系统的抗干扰技术三、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。（0.2V以下）,采用两支反并联的二极管,也可起到过压保护作用。第9章单片机系统的抗干扰技术四、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,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。第9章单片机系统的抗干扰技术五、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1000pF~0.01μF的瓷片电容,接法参见图9.8。(4)采用高质量的稳压电源。第9章单片机系统的抗干扰技术图9.8抗干扰稳压电源第9章单片机系统的抗干扰技术六、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误动作,提高数字信号传输的可靠性。第9章单片机系统的抗干扰技术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、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、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。第9章单片机系统的抗干扰技术四、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.(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。第9章单片机系统的抗干扰技术(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。第9章单片机系统的抗干扰技术2.印制板的地线布置图9.9导线的长度宽度与第9章单片机系统的抗干扰技术图9.10芯片的布置第9章单片机系统的抗干扰技术五、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。第9章单片机系统的抗干扰技术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、数字量输出方法第9章单片机系统的抗干扰技术图9.11开关量信号采样流程第9章单片机系统的抗干扰技术9.4.2程序执行过程中的软件抗干扰一、二、三、软件陷阱则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”:NOPNOPLJMPERR第9章单片机系统的抗干扰技术“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。1.MCS-51单片机的中断向量区为0003H~002FH,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:第9章单片机系统的抗干扰技术ORG0000H0000HSTART:LJMPMAIN;0003HLJMPFUINT0;INT0006HNOP;007HNOP008HLJMPERR;0013HLJMPFUT0;T000EHNOP;冗余指令第9章单片机系统的抗干扰技术00FHNOP;0010HLJMPERR;0013HLJMPFUINT1;INT1中断服务程序入口0016HNOP;0017HNOP0018HLJMPERR;001BHLJMPERR;未使用T1中断,001EHNOP;001FHNOP0020HLJMPERR;第9章单片机系统的抗干扰技术0023HLJMPERR;未使用串口中断,0026HNOP;0027HNOP0028HLJMPERR;002BHLJMPERR;未使用T2中断,002EHNOP;002FHNOP0030HMAIN:…;主程序第9章单片机系统的抗干扰技术2.未使用的大片EPROM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:MOVR7,A。如果程序“跑飞”到这一区域,则将顺利向后执行,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。第9章单片机系统的抗干扰技术3.有两种表格:一类是数据表格,供MOVCA,@A+PC指令或MOVCA,@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”,这时只好指望别处的陷阱或冗余指令来捕捉。第9章单片机系统的抗干扰技术4.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:第9章单片机系统的抗干扰技术JNZXYZ…;AJMPABC;NOPNOPLJMPERR;XYZ:JBACC.7,UVW…;AJMPABC;NOPNOPLJMPERR;UVW:…;ABC:MOVA,R2;RET;NOPNOPLJMPERR;陷阱第9章单片机系统的抗干扰技术四、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,表明整个系统“目前尚属正常”。(2)当CPU落入死循环后,能及时发现并使整个系统复位。第9章单片机系统的抗干扰技术图9.12硬件WATCHDOG电路第9章单片机系统的抗干扰技术也可以用软件程序来形成WATCHDOG。例如,可以采用8031的定时器T0来形成WATCHDOG。将T0的溢出中断设为高优先级中断,其它中断均设置为低优先级中断,若采用6MHz的时钟,则可用以下程序使T0定时约10ms来形成软件WATCHDOG:MOVTMOD,＃01H;置T0SETBET0;允许T0SETBPT0;设置T0MOVTH0,＃0E0H;定时约10msSETBTR0;启动T0SETBEA;开中断第9章单片机系统的抗干扰技术9.4.3系统的恢复一、系统的复位如用软件WATCHDOG使系统复位时,程序出错有可能发生在中断子程序中,中断激活标志已经置位,它将阻止同级的中断响应,由于软件WATCHDOG是高级中断,它将阻止所有的中断响应。由此可见清除中断激活标志的重要性。在所有的指令中,只有RETI指令能清除中断激活标志。前面提到的出错处理程