單片機(jī)干擾分析MCU的改進(jìn)
本文討論了干擾對(duì)錯(cuò)誤的形成機(jī)制,提出了對(duì)MCU改進(jìn)的建議。這個(gè)建議如果實(shí)施,不僅有利于高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,也會(huì)惠及一般的民用領(lǐng)域。
1 干擾源的討論
很久以前,還在“8031+2764+14433”的年代,我們做了一批過(guò)程監(jiān)控儀表,用于滅菌過(guò)程F0的監(jiān)控,遇到了強(qiáng)烈的干擾問(wèn)題。滅菌過(guò)程約30 min,由電觸點(diǎn)壓力表控制進(jìn)氣電磁閥,間接控制溫度。F0是一個(gè)溫度函數(shù)的積分值,可以反映滅菌的效果,它綜合考慮了溫度波動(dòng)的影響。當(dāng)時(shí)采取了一些抗干擾措施,例如,硬件上對(duì)信號(hào)線屏蔽,信號(hào)濾波;軟件上的智能濾波,程序復(fù)執(zhí),程序分段保護(hù),數(shù)據(jù)后備,端口等重復(fù)初始化,ROM的定時(shí)校驗(yàn)和檢驗(yàn),多種出錯(cuò)報(bào)警,出錯(cuò)時(shí)重新熱啟動(dòng)(可使問(wèn)題有所緩和,但偶然會(huì)有判為ROM校驗(yàn)和錯(cuò)而停機(jī)的情況出現(xiàn))。由于當(dāng)時(shí)F0只是用作參考,問(wèn)題尚不嚴(yán)重,如要掩蓋,也可以用熱啟動(dòng)代替停機(jī);但很快F0要作為產(chǎn)品工藝參數(shù),用記錄紙備案,于是就重新設(shè)計(jì)了監(jiān)控儀。新的監(jiān)控儀用89C51+14433,再加上光耦和TI5617 D/A轉(zhuǎn)換器,將溫度和F0變?yōu)槟M量后送到雙筆記錄儀,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝過(guò)程的記錄與存檔。硬件上,光耦隔離后部分是D/A和模擬電路,軟件在原有基礎(chǔ)上添加與TI5617有關(guān)的串行通信部分。TI5617的串行通信類(lèi)似I2C,由CS、DIN和SCLK三條線構(gòu)成,SCLK數(shù)據(jù)位時(shí)鐘可達(dá)到25 ns,速度很高。用于計(jì)算的周期是6 s,儀表用定點(diǎn)算法配以查表,所以留出了充足的時(shí)間做許多抗干擾的工作。在D/A用的串行通信中甚至考慮了多次重復(fù)發(fā)送的子程序,希望減少通信錯(cuò)誤的影響;但結(jié)果卻很壞,記錄紙上是一片墨帶。由于不知道通信對(duì)錯(cuò),很可能最后一次傳送就是錯(cuò)的,于是不得不重新處理抗干擾問(wèn)題。
經(jīng)查干擾主要發(fā)生在電磁閥動(dòng)作的時(shí)候,由于不可能在現(xiàn)場(chǎng)為每一個(gè)簡(jiǎn)單的小表制作一個(gè)良好的地線,一般的市售電源濾波器件根本不起作用?,F(xiàn)場(chǎng)用的是220 V交流電磁閥,無(wú)法設(shè)計(jì)緩沖線路。分析認(rèn)為,電磁閥斷開(kāi)時(shí)會(huì)在電源上產(chǎn)生很大的反向電壓。交流電源的示波器受到干擾,在無(wú)法看清干擾的情況下,就用數(shù)字萬(wàn)用表觀察,可以觀察到1 300 V以上的讀數(shù)??紤]到數(shù)字萬(wàn)用表輸入的濾波效果,真正的峰值還要大,因此推想,高頻的干擾穿越了變壓器繞組間電容,造成變壓器次級(jí)交流電壓瞬間反向。盡管反向波幅的衰減很大,但因方向已改變,整流二極管來(lái)不及響應(yīng),已不供電,而濾波的電解電容器動(dòng)態(tài)上來(lái)不及反應(yīng),也不供電,造成穩(wěn)壓前直流電源瞬間下降。同時(shí)它通過(guò)整流二極管,78L15、78L05等低頻器件到達(dá)二組隔離的電源,造成直流電源跌落。循此思路,發(fā)現(xiàn)TI5617的SCLK可能出現(xiàn)不正確的時(shí)鐘信號(hào),造成數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)誤。TI5617的讀數(shù)發(fā)生在SCLK的下降沿,說(shuō)明書(shū)上強(qiáng)調(diào),在非傳送時(shí)減少饋通應(yīng)使SCLK=LOW,為節(jié)省電流消耗,SCLK是從光耦的基極輸出的。因此若光耦次級(jí)電源跌落,確實(shí)會(huì)造成SCLK下降而誤讀。然后我們?cè)诨鶚O電阻(20 kΩ)上并聯(lián)0.1 μF電容,在光耦次級(jí)電源上串接高頻二極管,以防0.1 μF電容器通過(guò)光耦反向放電。采取此措施后,記錄曲線不再有墨帶。對(duì)本應(yīng)用而言,干擾問(wèn)題初步解決,但仍不徹底。干擾得到解決本身證實(shí)了分析是正確的——來(lái)自電源的干擾有可能進(jìn)到直流電源部分。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637是針對(duì)汽車(chē)電子領(lǐng)域電源的傳導(dǎo)干擾問(wèn)題的。它規(guī)定有#1、#2a/b、#3a/b、#4、#5a/b等多種測(cè)試波形,反映實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到的情形。其中,關(guān)斷感性負(fù)載(例如雨刮器的馬達(dá))引起的電壓升高,在12 V系統(tǒng)中可達(dá)50 V,雖有瞬間超過(guò)元器件耐壓而引起損傷的可能性,但不會(huì)直接引起誤動(dòng)作。而在波形#1中,關(guān)斷感性負(fù)載(例如電動(dòng)座椅的馬達(dá)和座椅的加熱系統(tǒng))產(chǎn)生的脈沖,在電源為12 V的系統(tǒng)中1 μs可達(dá)到-100 V,衰減到10%的時(shí)間為2 ms。在波形#3a中,電源為12 V的系統(tǒng)里5 ns可達(dá)到-138 V,回到0 V的時(shí)間大約為100 ns。這些是典型數(shù)據(jù),實(shí)際上電源線不是匹配的傳輸線,干擾波還要來(lái)回反射,情況更為復(fù)雜。在這些場(chǎng)合,也可能發(fā)生直流電源的跌落干擾。
空間的幅射干擾也是經(jīng)常遇到的問(wèn)題,例如在太空或反應(yīng)堆附近,電子器件會(huì)受到重離子的轟擊而產(chǎn)生故障;又如在空港區(qū)或大電流、高電壓區(qū)域,電子器件也會(huì)受到強(qiáng)電磁輻射而發(fā)生故障。在這些場(chǎng)合,干擾也會(huì)引起MCU的基本門(mén)電路工作失誤。
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評(píng)論