第5章-单片机应用系统抗干扰技术080525课件.ppt
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- 单片机 应用 系统 抗干扰 技术 080525 课件
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1、第五章 单片机应用系统抗干扰技术一一 干扰的主要来源干扰的主要来源三三 抗干扰措施抗干扰措施 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施 软件抗干扰措施软件抗干扰措施二二 干扰产生带来的后干扰产生带来的后果果一、干扰的主要来源干扰的主要来源 工业现场环境中的干扰通常是以脉冲的形式进入单片机系统,其主要的渠道有三条 1 1、空间干扰、空间干扰 空间干扰,又称场干扰。电磁信号通过空间辐射进入系统,多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近,并通过静电感应,电磁感应等方式侵入系统内部。 2 2、供电系统干扰、供电系统干扰 电磁信号通过供电线路进入系统。供电系统干扰主要由电源的噪声干扰引起的。 3 3、过程通道干扰、过
2、程通道干扰 干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入,一般沿各种线路侵入系统。 说明:说明: 一般情况下一般情况下空间干扰空间干扰在强度上在强度上远小于远小于其它两种,故微机系统其它两种,故微机系统 中应重点防止过程通道干扰和供电系统干扰中应重点防止过程通道干扰和供电系统干扰 。 此外,系统接地装置不可靠等,也是产生干扰的重要原因;各此外,系统接地装置不可靠等,也是产生干扰的重要原因;各 类传感器,输入输出线路的绝缘损坏也有可能引入干扰类传感器,输入输出线路的绝缘损坏也有可能引入干扰 。二二、干扰产生带来的后果干扰产生带来的后果1 1、数据采集误差加大数据采集误差加大
3、2 2、程序运行失常程序运行失常3 3、系统被控对象误操作系统被控对象误操作 4 4、被控对象状态不稳定被控对象状态不稳定 5 5、定时不准定时不准 6、数据发生变化数据发生变化 2 2、程序运行失常程序运行失常 控制状态失灵控制状态失灵 当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上,会使当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上,会使数据采集误差增大,特别是前向通道的传感器接口是小电数据采集误差增大,特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时,此现象会更加严重。压信号输入时,此现象会更加严重。 在单片机系统中,由于干扰的加入使输出误差加大,在单片机系统中,由于干扰的加入使输出误差加大,造成逻
4、辑状态改变,最终导致控制失常。造成逻辑状态改变,最终导致控制失常。 死机死机 在单片机系统受强干扰后,造成程序计数器在单片机系统受强干扰后,造成程序计数器PCPC值的改值的改变,破坏程序正常运行变,破坏程序正常运行 ,造成死循环造成死循环。1 1、数据采集误差的加大数据采集误差的加大3.3.系统被控对象误操作系统被控对象误操作 4.4.被控对象状态不稳定被控对象状态不稳定 锁存电路与被控对象间的线路锁存电路与被控对象间的线路( (包括驱动电路包括驱动电路) )受干扰,受干扰,从而造成被控对象状态不稳定从而造成被控对象状态不稳定( (锁存电路一般较敏感锁存电路一般较敏感) )。 单片机内部程序指
5、针错乱,指向了其它地方,从而单片机内部程序指针错乱,指向了其它地方,从而运行了错误的程序。运行了错误的程序。 RAM RAM中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变,使程序计算出错误的结果。改变,使程序计算出错误的结果。 中断误触发,使系统进行错误的中断处理。中断误触发,使系统进行错误的中断处理。 6. 6. 数据发生变化数据发生变化 在单片机应用系统中,由于外部在单片机应用系统中,由于外部RAMRAM是可读写的,在干是可读写的,在干扰的侵入下,扰的侵入下,RAMRAM中数据有可能发生改变,虽然中数据有可能发生改变,虽然ROMROM能避能避免干扰破坏,但
6、单片机片内免干扰破坏,但单片机片内RAMRAM以及片内各种特殊功能寄以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化,甚至存器等状态都有可能受干扰而变化,甚至EEPROMEEPROM中的数中的数据也可能误读写,使程序计算出错误的结果。据也可能误读写,使程序计算出错误的结果。 5.5.定时不准定时不准 RAMRAM中计时数据被冲乱,使程序计算出错误的结果。中计时数据被冲乱,使程序计算出错误的结果。 单片机内部程序指针错乱,使中断程序运行超出定单片机内部程序指针错乱,使中断程序运行超出定 时时间。时时间。 抗干扰措施有抗干扰措施有硬件措施硬件措施和和软件措施软件措施。硬件措施如。硬件措施如果得
7、当,果得当,可将绝大部分干扰拒之门外可将绝大部分干扰拒之门外,但仍然会有,但仍然会有少数干扰进入微机系统,故软件措施作为第二道防少数干扰进入微机系统,故软件措施作为第二道防线必不可少。由于线必不可少。由于软件抗干扰措施是以降低软件抗干扰措施是以降低CPUCPU效效率为代价的率为代价的,如果没有硬件消除绝大多数干扰,如果没有硬件消除绝大多数干扰,CPUCPU将疲于奔命,无暇顾及正常工作,严重影响系将疲于奔命,无暇顾及正常工作,严重影响系统的工作效率和实时性。因此,一个成功的抗干扰统的工作效率和实时性。因此,一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。系统是由硬件和软件相结合构成的。 三、抗干
8、扰措施三、抗干扰措施1 1、注意印制电路板的布线与工艺、注意印制电路板的布线与工艺 2 2、屏蔽、屏蔽4 4、光电隔离、光电隔离 3 3、提高元器件的可靠性、提高元器件的可靠性 5 5、过压保护电路、过压保护电路 6 6、增加硬件看门狗电路、增加硬件看门狗电路7 7、供电系统抗干扰措、供电系统抗干扰措施施硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施1 1、注意印制电路板的布线与工艺、注意印制电路板的布线与工艺 尽量采用尽量采用多层印制电路板多层印制电路板,多层板可提供良好的接地,多层板可提供良好的接地网,可防止产生地电位差和元件之间的耦合(但要考虑网,可防止产生地电位差和元件之间的耦合(但要考虑性价比)。性价
9、比)。 印制电路板要印制电路板要合理分区合理分区。模拟电路区、数字电路区、模拟电路区、数字电路区、功率驱动区功率驱动区要尽量分开,地线不能相混,分别和电源端要尽量分开,地线不能相混,分别和电源端的地线相连的地线相连。元件面和焊接面应采用元件面和焊接面应采用相互垂直相互垂直、尽量避免相互平行、尽量避免相互平行走线以减小寄生耦合;避免相邻导线平行段过长;加大走线以减小寄生耦合;避免相邻导线平行段过长;加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短,使用信号线间距。高频电路互联导线尽量短,使用4545或者或者圆弧折线布线,不要使用圆弧折线布线,不要使用9090折线,以减小高频信号的折线,以减小高频信号的发射
10、发射。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗,噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振尽量粗,噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来,让周围电荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来,让周围电场趋近于零。场趋近于零。使用满足系统要求的使用满足系统要求的最低频率最低频率的时钟,时钟产生器要的时钟,时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接尽量靠近用到该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地,时钟线尽量短,时钟线要远离地,时钟线尽量短,时钟线要远离I IO O线,在石英晶体
11、线,在石英晶体振荡器下面要振荡器下面要加大接地的面积加大接地的面积而不应该走其它信号线。而不应该走其它信号线。 I IO O驱动器件、功率放大器件驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边、靠尽量靠近印制板的边、靠近引出接插件。重要的信号线近引出接插件。重要的信号线尽量短尽量短并要并要尽量粗尽量粗,并在两,并在两侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出时,要使用地线侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出时,要使用地线- -信号信号- -地线相间的结构。地线相间的结构。 原则上原则上每个每个ICIC元件元件要加一个要加一个0.010.010.10.1F F去耦电容去耦电容,布,布线时去耦电容应尽量靠近线
12、时去耦电容应尽量靠近ICIC的电源脚和接地脚。要选高频的电源脚和接地脚。要选高频特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在印制电路板上时,引脚要尽量短。这样便印制电路板上时,引脚要尽量短。这样便可以消除大部分可以消除大部分高频干扰。高频干扰。 闲置不用的闲置不用的ICIC管脚管脚不要悬空以避免干扰引入。单片机不要悬空以避免干扰引入。单片机不用的不用的I IO O口定义成输出。单片机上有一个以上电源、口定义成输出。单片机上有一个以上电源、接地端,每个都要接上,不要悬空。接地端,每个都要接上,不要悬空。 2 2、屏蔽、屏蔽避免环流的产生避免
13、环流的产生。加粗的线加粗的线晶振晶振尽量尽量靠近用到靠近用到时钟的器件时钟的器件AT89c2051选用质量好的电子元件并进行严格的测试、筛选和老化。选用质量好的电子元件并进行严格的测试、筛选和老化。设计时元件技术参数设计时元件技术参数要有一定的余量要有一定的余量。提高印制板和组装的质量。提高印制板和组装的质量。 4 4、光电隔离、光电隔离 在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输,将在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输,将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来,微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来,很大一部分干扰将被阻挡。很大一部分干扰将被阻挡。
14、3 3、提高元器件的可靠性、提高元器件的可靠性 2 2、屏蔽、屏蔽 对容易产生干扰和被干扰的部件对容易产生干扰和被干扰的部件使用金属盒进行屏蔽使用金属盒进行屏蔽以使以使干扰电磁波短路接地。干扰电磁波短路接地。 在输入输出通道上应采用一过压保护电路,以防引入高在输入输出通道上应采用一过压保护电路,以防引入高电压,伤害微机系统。电压,伤害微机系统。过压保护电路由限流电阻和稳压管过压保护电路由限流电阻和稳压管组成组成,限流电阻选择要适宜,太大会引起信号衰减,太小,限流电阻选择要适宜,太大会引起信号衰减,太小起不到保护稳压管的作用。稳压管的选择也要适宜,起不到保护稳压管的作用。稳压管的选择也要适宜,其
15、稳其稳压值以略高于最高传送信号电压为宜压值以略高于最高传送信号电压为宜,太低将对有效信号,太低将对有效信号起限幅效果,使信号失真。起限幅效果,使信号失真。 5 5、过压保护电路、过压保护电路 outouti in n6 6、增加硬件看门狗电路、增加硬件看门狗电路 对于失控的对于失控的CPUCPU,最简单的方法是使其复位,程序自动从,最简单的方法是使其复位,程序自动从0000H0000H开始执行。为此只要在单片机的开始执行。为此只要在单片机的RESETRESET端加上一个高电端加上一个高电平信号,并持续平信号,并持续10ms10ms以上即可。以上即可。 WATCHDOGWATCHDOG有如下特征
16、:有如下特征: 本身能独立工作,基本上不依赖于本身能独立工作,基本上不依赖于CPUCPU。CPUCPU只只在一个固在一个固定的时间间隔定的时间间隔内与之打一次交道,表明整个系统内与之打一次交道,表明整个系统“目前尚属正目前尚属正常常”。 当当CPUCPU落入死循环之后,能及时发现并使整个系统复位。落入死循环之后,能及时发现并使整个系统复位。 “喂狗喂狗”过程一般安排在过程一般安排在监控循环或定时中断监控循环或定时中断中,如果有比中,如果有比较长的延时子程序,则应该在其中插入较长的延时子程序,则应该在其中插入“喂狗喂狗”过程。目前有过程。目前有很多单片机在内部已经集成了片内的硬件很多单片机在内部
17、已经集成了片内的硬件WATCHDOGWATCHDOG电路,使用电路,使用起来更为方便。对于片内看门狗,是通过两条特定的赋值指令起来更为方便。对于片内看门狗,是通过两条特定的赋值指令来完成。此外,也可以也可以用软件程序来形成来完成。此外,也可以也可以用软件程序来形成WATCHDOGWATCHDOG。CPUWATCHWATCHDOGDOGRESET脉冲脉冲RESET供电系统抗干扰措施供电系统抗干扰措施(1)(1)防止从电源系统引入干扰,可采取交流稳压器保证供防止从电源系统引入干扰,可采取交流稳压器保证供电的稳定性,防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器电的稳定性,防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器
18、滤掉高频噪声,低通滤波器滤掉工频干扰。滤掉高频噪声,低通滤波器滤掉工频干扰。(2)(2)采用开关电源并提供足够的功率余量采用开关电源并提供足够的功率余量,主机部分使用,主机部分使用单独的稳压电路,必要时输入,输出供电分别采用单独的稳压电路,必要时输入,输出供电分别采用DC-DCDC-DC模块隔离,以避免各个部分相互干扰。模块隔离,以避免各个部分相互干扰。 1.开机自检2.软件陷阱(程序“跑飞”检测)3.设置程序运行状态标记4.输出端口刷新5.输入多次采样6.数据滤波7.指令冗余8.软件“看门狗” 常用软件抗干扰措施常用软件抗干扰措施:1 1、开机自检、开机自检开机后首先对单片机系统的硬件及软件
19、状态进行检测,一旦发现不正常,就进行相应的处理。开机自检程序通常包括对RAM、ROM、I/O通道等的检测。 检测RAM检查RAM读写是否正常,出错时应作出提示(声光)或标志。方法:1.向RAM单元写“00H”和“FFH” ,读出也应为“00H”和“FFH” ,检查通过。 2.不改变RAM单元内容的检查方法。(实例程序)不改变RAM单元内容的检查方法实例程序设有1片6264,地址为2000H3FFFH,结果F0=1:出错。 TEST7:TEST7: MOV DPTR,#2000H ;MOV DPTR,#2000H ;诊断诊断62646264MOV R2,#20HMOV R2,#20H ; ;共共
20、20H20H页页TEST70TEST70:LCALL TEST75:LCALL TEST75 ; ;JB F0 TEST71JB F0 TEST71 ; ;出错出错_ _跳跳DJNZ R2,DJNZ R2,TEST70TEST70TEST71:RETTEST71:RETTEST75:TEST75:SETBSETB F0F0; ;页内检测页内检测TEST76TEST76:MOVX A,DPTR:MOVX A,DPTR; ;检查一个字节检查一个字节MOV B,AMOV B,A; ;保存副本保存副本CPL ACPL A; ;取反取反MOVX DPTR,A ;MOVX DPTR,A ;写写MOVX A
21、,DPTR ;MOVX A,DPTR ;读读CPL A CPL A ; ;取反取反CJNE A,B,TEST78 ;CJNE A,B,TEST78 ;校对校对, ,错转错转MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A ; ;恢复恢复MOVX A,DPTR ;MOVX A,DPTR ;再读再读CJNE A,B,TEST78 ;CJNE A,B,TEST78 ;校对校对, ,错转错转INC DPTRINC DPTR ; ;下一单元下一单元MOV A,DPLMOV A,DPLJNZ JNZ TEST76TEST76 ; ;全页完?全页完?CLR F0CLR F0TEST78:RETTEST78:R
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