單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾方法
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在實(shí)踐中，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)一般是通過硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)兩種途徑來實(shí)現(xiàn)的。硬件如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可以將絕大部分干擾拒之門外，但仍然會有少量干擾，所以軟件措施必不可少。由于軟件措施是以占用CPU為代價(jià)的，如果沒有硬件消除絕大部分干擾，CPU將疲于奔命，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時性。因此一個抗干擾性良好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)則是由硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)相輔相成而構(gòu)成。
1.硬件抗干擾設(shè)計(jì)
①電源電路
單片機(jī)系統(tǒng)使用的電源，一般都是由電網(wǎng)的工頻交流電源經(jīng)降壓、整流、濾波等環(huán)節(jié)后提供。由于電網(wǎng)的影響以及生產(chǎn)現(xiàn)場大容量電氣設(shè)備的開停，會使交流電壓中含有高頻成分、浪涌電壓、尖峰脈沖或者發(fā)生較大幅度的電壓波動。這些因素都將導(dǎo)致干擾通過電源途徑影響系統(tǒng)的正常工作。電源做得好,整個電路的抗干擾工作就完成了一大半。許多單片機(jī)對電源噪聲很敏感,因此,應(yīng)采用抗干擾的開關(guān)電源或給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減少電源噪聲對單片機(jī)的干擾。電源線的布置除了要根據(jù)電流的大小，盡量加租導(dǎo)體寬度外，還要使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。這將有助于增強(qiáng)抗噪聲的能力。每種型號的單片機(jī)都有一個穩(wěn)定工作的電壓范圍，例如凌陽SPCE061A單片機(jī)工作電壓為3.3V～5V ,超出這個范圍將出現(xiàn)異常。
② 硬件復(fù)位電路
圖1 采用MAX6827的復(fù)位電路
復(fù)位電路是最容易受干擾的(因?yàn)镃PU 內(nèi)部的復(fù)位電路的阻抗都比較高,為10～50kΩ) ,影響也是最大的。因此,必須采取抗干擾措施。圖1是采用MAX6827的復(fù)位及“看門狗”電路圖。該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力,由于沒有復(fù)位電容,不易引入干擾。
③ 注意印制電路板的布線
印刷電路板是單片機(jī)系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對系統(tǒng)的抗干擾能力影響很大。故在印刷電路板設(shè)計(jì)不單是器件、線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾設(shè)計(jì)原則。合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路板,能有效地切斷干擾的傳播途徑和抑制干擾源,同時還可以提高敏感元件(如單片機(jī)、數(shù)字IC、A/ D、D/ A 等容易被干擾的對象) 的抗干擾能力。主要采取:
[1] 電路板合理分區(qū),如強(qiáng)、弱信號,數(shù)字、模擬信號分區(qū)。盡可能使干擾源(如電機(jī),繼電器) 遠(yuǎn)離敏感元件。大功率器件盡量布置在電路板的邊緣。
[2] 布線時盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲;電源線和地線要盡量粗,除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲；連接線避免90度的折線，以減少高頻噪聲發(fā)射。
[3] 不用的單片機(jī)管腳，特別是中斷的入口，不要懸空，一般要通過上拉電阻接電源。
[4] 電路板上每個IC 要并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減少IC對電源的影響。
[5] 注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離(圈) 起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。
[6] 用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地一點(diǎn)匯集，呈“星形”狀。
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的重要方法。接地是否正確，接地是否牢固，將直接影響到系統(tǒng)的正常工作。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可以解決大多數(shù)的干擾問題。
為了防止系統(tǒng)內(nèi)部地線干擾，在設(shè)計(jì)印刷電路板時可采取如下措施：接地線盡量加粗。若接地線很細(xì)，接地電位則隨著電流的變化而變化，致使計(jì)算機(jī)的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變差。因此要根據(jù)通過電流的大小決定地線的寬度，應(yīng)在可能的情況下，盡量將接地線條加粗、加寬，最好不小于3mm，使它能通過3倍于印刷電路板上的允許電流。對于多級電路,設(shè)計(jì)時要考慮各級動態(tài)電流,注意接地阻抗相互耦合的影響,工作頻率低于1MHz 時采用一點(diǎn)接地,工作頻率較高時采取多點(diǎn)接地。
2.軟件抗干擾設(shè)計(jì)
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜，且有很大的隨機(jī)性，因此在采取硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件措施加以補(bǔ)充。現(xiàn)簡要介紹如下幾種軟件抗干擾措施。
① 設(shè)立軟件陷阱（Trap）
單片機(jī)受到干擾時，程序計(jì)數(shù)器PC值最容易受影響，PC值的改變是隨機(jī)的，完全可以造成CPU離開正確的指令順序去執(zhí)行一些無定義地址中的內(nèi)容，或進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)，把數(shù)據(jù)當(dāng)作操作碼來控制，使整個工作紊亂，系統(tǒng)失控。這種情況對系統(tǒng)來說，比某個數(shù)據(jù)出錯造成的危害要嚴(yán)重得多。后者只涉及某個功能不能實(shí)現(xiàn)或者產(chǎn)生偏差，而前者則會使整個系統(tǒng)造成癱瘓。造成程序失控的原因并非程序設(shè)計(jì)本身的問題，而是由于外部的干擾或單片機(jī)內(nèi)部硬件瞬間故障，使得程序計(jì)數(shù)器（PC）偏離了原定的值。例如，當(dāng)執(zhí)行完一條指令時，程序計(jì)數(shù)器PC應(yīng)加數(shù)值1，但由于某種原因，使PC實(shí)際加2，這樣，程序就會把操作數(shù)和操作碼混淆起來，造成后面一系列的錯誤。
為了防止上述情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計(jì)時，可以采用設(shè)立軟件陷阱的方法加以克服。其具體做法是，在ROM或RAM中，每隔一些指令（如十條或二十條），把連續(xù)的幾個單元置成“00”（空操作）。這樣，當(dāng)出現(xiàn)程序失控時只要失控的單片機(jī)進(jìn)入這眾多的軟件陷阱中任何一個，都會被捕獲，連續(xù)進(jìn)行幾個空操作。執(zhí)行這些空操作后，程序自動恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。這種方法雖浪費(fèi)一些內(nèi)存單元，但可以保證程序不會跑飛。這種方法對用戶是不透明的，亦即用戶根本感覺不到程序是否發(fā)生錯誤操作。
② 開辟多個存儲區(qū)抗干擾
為了防止RAM出錯，丟失最重要的數(shù)據(jù)，對于重要的輸入輸出數(shù)據(jù)開辟2～3個存儲區(qū)同時保存。存取數(shù)據(jù)時，采取比較表決法，以使數(shù)據(jù)去偽存真。
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