單片機控制系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計

1 引言

單片機在工業(yè)自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是單片機控制系統(tǒng)工作時往往會受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾，對系統(tǒng)的正常應(yīng)用將帶來不良的影響。為了保證和提高中系統(tǒng)的可靠性和安全性，通過對系統(tǒng)干擾源及干擾的傳播途徑的研究總結(jié)出幾種實踐中常用且有效的干擾抑制技術(shù)。

2 干擾的途徑和影響

單片機控制系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場工作時都會或多或少的受到周圍電磁環(huán)境的干擾。干擾可以通過3種途徑影響系統(tǒng)的正常工作，即供電系統(tǒng)干擾、空間電磁場干擾和信號傳輸通道干擾。干擾對單片機控制系統(tǒng)的作用及后果也分為3個部位：一是系統(tǒng)的前向通道，干擾疊加在輸入信號上，使數(shù)據(jù)采集誤差增大，在傳感器小電壓信號輸入時，此現(xiàn)象尤為突出；二是系統(tǒng)的后向通道，干擾耦合在輸出信號上使輸出信號混亂，導(dǎo)致誤操作，并有可能引發(fā)嚴(yán)重事故；三是控制系統(tǒng)的內(nèi)核，干擾使微處理器內(nèi)核三總線上的數(shù)字信號出錯，程序指針PC發(fā)生錯誤，導(dǎo)致程序“跑飛”，干擾也可能竄改存儲器RAM中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致死機、系統(tǒng)崩潰或誤操作等嚴(yán)重后果。

3 硬件抗干擾設(shè)計

3.1 供電系統(tǒng)干擾及其抑制

單片機應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的電源往往與工業(yè)系統(tǒng)共用一個電源，各種大型電氣設(shè)備的啟停和運行都會產(chǎn)生很大的干擾。因此，提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量是非常重要的。通過分析，設(shè)計出如圖1所示的供電結(jié)構(gòu)圖。電源通過給系統(tǒng)各個功能模塊分別供電，從而減少了公共電源和公共阻抗的相互耦合，提高了電源的抗干擾性和可靠性。

圖2為電源EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是圖1中的變壓器原邊濾波電路的具體實現(xiàn)形式。該濾波器是由參數(shù)元件構(gòu)成的無源低通網(wǎng)絡(luò)，其中L1 和L2是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線圈，稱為共模電感線圈或共模線圈， L3、L4 是獨立的差模抑制電感。如果把該濾波器一端接入干擾源，負(fù)載端接被干擾設(shè)備，那么L1 和Cy ，L2 和Cy 就分別構(gòu)成L - E和N- E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源線上存在的共模EMI信號，使之受到衰減，被控制到很低的電平上。L1、L2 兩個線圈所繞匝數(shù)相同、繞向相反，使濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得L1 和L2 的電感量是不相等的，于是 (L1- L2 )形成差模電感，它和L3 與L4 形成的獨立差模抑制電感與Cx 電容器又組成L - N獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。

由于圖2電路是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性。當(dāng)它安裝在系統(tǒng)中后，既能有效地抑制電子設(shè)備外部的EMI信號傳入設(shè)備，又能大大衰減設(shè)備本身工作時產(chǎn)生的傳向電網(wǎng)的EMI信號，起到同時衰減兩組共模EMI信號和一組差模EMI信號的作用。

有時電源的開啟關(guān)閉、瞬時降壓及瞬時脈沖干擾會造成CPU的誤動作及數(shù)據(jù)的丟失。因此，單片機控制系統(tǒng)需要有完備的電源保護電路。ICTL7705和ICTL7700是兩種常用的電源電壓監(jiān)視集成電路芯片，它們具有電源啟停時、瞬時短路及瞬間降壓時產(chǎn)生復(fù)位信號的能力，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后，復(fù)位信號會被自動解除，并可以在較大的范圍內(nèi)設(shè)定復(fù)位脈沖的寬度。

圖3是ICTL7705與CPU連接示意圖。圖4為被監(jiān)視的電壓變化及7705輸出狀態(tài)的變化。從圖4中可以看出在上電過程、瞬間電壓降和瞬間脈沖干擾，電源監(jiān)視器都能正確給出復(fù)位信號。外部條件正常后，經(jīng)top時間，復(fù)位脈沖解除。top由CT來設(shè)定。ts為反應(yīng)時間，因為7705在500ns的短時間內(nèi)就可以偵測出壓降及脈沖干擾，對于一般系統(tǒng)過于靈敏，可以外加RC延時網(wǎng)絡(luò)。

3.2 場干擾及其抑制

電磁干擾通過空間傳播的實質(zhì)是干擾能量以場的形式向四周傳播。場分為近場和遠場。近場又稱感應(yīng)場，如果場源是高電壓小電流的源則近場主要是電場，如果場源是低電壓大電流的源則近場主要是磁場。由于感應(yīng)場傳輸能量，有隨距離成平方衰減的本性，因而其能量隨傳播距離的增加而衰減甚速；并且其強度存在方向性。所以不難想到消除這種干擾的方法，只能是調(diào)整受害設(shè)備與源之間的相對位置或屏蔽來實現(xiàn)。

無論場源是什么性質(zhì)，當(dāng)離場源距離大于λ/2π以后的場都變成了遠場，又稱輻射場。電磁輻射場能量的特點與電磁感應(yīng)場的能量傳輸完全不同。輻射場能量存在方式是：電場與磁場在空間位置上共存一處、矢量上相互垂直、時間上同位相。因此可以把它看成為一能量團獨立存在，并依據(jù)左手定則永遠向前傳播，而形成輻射場，并且它的能量損耗只與其傳播距離成反比，所以它的傳播要比感應(yīng)場遠得多。消除輻射干擾只能藉助于屏蔽一法。所以，對于距離較遠的系統(tǒng)間的電磁兼容問題，一般都用遠場輻射來分析。對于系統(tǒng)內(nèi)，特別是同一設(shè)備內(nèi)的問題基本上是近場耦合問題。

3.2.1 遠場輻射

干擾源向周圍空間的輻射發(fā)射需要根據(jù)天線與電波傳播理論來計算，下面主要介紹單片機系統(tǒng)中常見的幾種輻射方式。

（1）單點輻射。單點輻射主要指各向同性的較小的干擾源。



如果印制板上有多條高頻率長軌線則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射。由上式可知減小信號環(huán)路的面積可以減小輻射，或者增加信號的最大波長，這可以通過延長信號的上升時間來實現(xiàn)。同樣當(dāng)供電電源環(huán)路中有高頻電流流過時，電源環(huán)路也是很好的輻射源，所以應(yīng)該在高頻噪聲源處加去耦電容。給噪聲一條高頻旁路，以免流入電源環(huán)路，產(chǎn)生輻射。

（3）單導(dǎo)線輻射。當(dāng)平行雙線環(huán)路中環(huán)路面積足夠小時，其差模電流產(chǎn)生的輻射可以忽略，而共模電流產(chǎn)生的輻射將成為主要因素，稱為單導(dǎo)線輻射。

（4）感應(yīng)。周圍空間的干擾電場和磁場都會在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而對環(huán)路產(chǎn)生干擾。閉合環(huán)路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓于環(huán)路面積成正比，環(huán)路面積越大感應(yīng)電壓越大，所以要避免外界噪聲場的干擾應(yīng)盡量減小環(huán)路面積。同時還可看到頻率越高產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也越大，即高頻噪聲容易對環(huán)路產(chǎn)生干擾。

3.2.2 近場耦合

同一設(shè)備內(nèi)各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場耦合的方式處理。近場條件是離干擾源的距離小于λ/2π。近場有電場和磁場，通常把干擾源通過電場的耦合看成是電容耦合，通過磁場的耦合看成是互感耦合。對于近場耦合主要采取屏蔽的方法來減小耦合程度。

3.2.3 屏蔽

通過上面的分析，對于場的干擾可以通過屏蔽的方法加以抑制，下面將針對電場干擾，磁場干擾，電磁場干擾分別討論各自的屏蔽方法。

(1) 電場屏蔽

使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線，金屬體可以是很薄的金屬箔，屏蔽體必須接地，最好直接接地。對于屏蔽體的形狀，最好是盒形和全封閉的。

(2) 磁場屏蔽

磁場屏蔽通常指對直流磁場或甚高頻磁場的屏蔽，其屏蔽的效果比電場屏蔽和電磁場屏蔽要差得多。磁場屏蔽主要是利用高磁導(dǎo)率、低磁阻特性的屏蔽體對磁通所起的磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)部的磁場大大減小。

在磁場頻率比較低時(100 kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片等進行磁場屏蔽。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很大，所以可把磁力線集中在其內(nèi)部通過。高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導(dǎo)體，例如銅、鋁等。當(dāng)高頻磁場穿過金屬板時在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于金屬板的電導(dǎo)率很高，所以產(chǎn)生很大的渦流，渦流又產(chǎn)生反磁場，與穿過金屬板的原磁場相互抵消，同時又增加了金屬板周圍的原磁場，總的效果是使磁力線在金屬板四周繞行而過。

在設(shè)計磁場屏蔽時，應(yīng)遵循如下準(zhǔn)則：磁屏蔽體應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料，防止磁飽和；被屏蔽物與屏蔽體內(nèi)壁應(yīng)留有一定間隙，防止磁短路現(xiàn)象發(fā)生；可增加屏蔽體壁厚，單層屏蔽體壁厚不宜超過2. 5 mm。若單層屏蔽體的屏蔽效果不好，可采用雙層屏蔽或多層屏蔽，也可防止磁飽和；應(yīng)使屏蔽體的接縫與孔洞的長邊平行于磁場分布的方向，圓孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是盡可能不阻斷磁通的通過；屏蔽體加工成型后都要進行退火處理；從磁屏蔽的機理而言，屏蔽體不需接地，但為了防止電場感應(yīng)，一般還是要接地。

（3）電磁場屏蔽

電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播。電磁場屏蔽是靠對電磁波的反射和吸收來完成的，屏蔽效果與屏蔽體的厚度無關(guān)，這與電場屏蔽和磁場屏蔽不同。因為屏蔽體對來自導(dǎo)線、電纜、元器件、電路或系統(tǒng)等外部的干擾電磁波和內(nèi)部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。

在設(shè)計電磁場屏蔽時，選擇屏蔽體材料的原則是：當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導(dǎo)率）的金屬材料中產(chǎn)生的渦流（ ，電阻率越低，消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果；當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料和磁材料組成多層屏蔽體。

3.3 I／O接口的硬件抗干擾

由于單片機控制系統(tǒng)中的I／0接口多數(shù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、控制執(zhí)行等工作。其受到干擾的機會比別的單元更多，通常情況下可采用：

(1) 光電耦合隔離。通過光電耦合器可以切斷2個電路間的電氣聯(lián)系，信號通過光路進行傳遞，發(fā)光管和晶體管之間無導(dǎo)線連接，能有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，從而能有效地防止干擾從過程通道進入主機。光耦的抗干擾能力很強，主要有以下三方面的原因：光耦的輸入阻抗很低，一般在100"1000Ω，而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，通常為105"106Ω，根據(jù)分壓原理可知，這時能饋送到光耦輸入端的噪聲很小。即使有時干擾電壓的幅值很高，但所提供的能量卻很小，只能形成微弱的電流，而光耦輸入部分的發(fā)光二極管，只有通過一定強度的電流時才能發(fā)光，輸出部分的光敏三極管只在一定的光強下才能工作，因此電壓幅值很高的干擾，會由于沒有足夠的能量使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；其次，光耦的輸入回路和輸出回路之間是光耦合的，而且又是在密封的條件下進行的，故不會受到外界光的干擾；最后，光耦的輸入回路和輸出回路之間的分布電容極小，絕緣電阻阻抗很大，因此回路一邊的各種噪聲很難通過光耦饋送到另一邊去。而且光耦隔離由于采用的是電流環(huán)路傳輸，所以能避免在長線傳輸?shù)臅r候，在傳輸線上積累高壓和感應(yīng)信號，使得數(shù)據(jù)紊亂甚至損壞TTL接口芯片，或者干擾單片機控制系統(tǒng)的正常運行。但是在使用光耦時，它的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源供電，如果兩端共用一個電源，則光耦的隔離作用將失去意義。

(2) 雙絞線傳輸。雙絞線能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾有一定的抑制作用。

(3)長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?。要求源的輸出阻抗、傳輸線的特性阻抗與接受端的輸入阻抗三者相等。否則信號在傳輸線上會產(chǎn)生反射，造成失真，其危害程度與系統(tǒng)工作速度、傳輸線長度以及不匹配的程度有關(guān)。

(4)用電流傳輸代替電壓傳輸。其結(jié)果可獲得較好的抗干擾性能。例如：RS-485的抗干擾能力明顯高于RS-232。

另外，單片機不用的I/O口定義成輸出；閑置不用的門電路輸入端不要懸空，要接高電平或者接地；閑置不用的運算放大器正輸入端要接地，負(fù)輸入端接輸出端。

4 結(jié)束語

除了前面所講的硬件抗干擾設(shè)計外，還應(yīng)該采用軟件抗干擾措施，如數(shù)字濾波技術(shù)，軟件陷阱技術(shù)，軟件看門狗技術(shù)等等，通過綜合軟件和硬件抗干擾技術(shù)各自的特點、優(yōu)點，使得設(shè)計出來的系統(tǒng)達到最優(yōu)的性價比。總之，干擾的產(chǎn)生和傳遞是很復(fù)雜的，各種措施的有效性也不盡相同，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，一開始便著手考慮干擾的抑制，精心進行硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫。成功的抗干擾設(shè)計需要一定的理論指導(dǎo)，更需要實踐經(jīng)驗的積累，做到二者相結(jié)合，便能在短期內(nèi)設(shè)計出高質(zhì)量，高可靠性，連續(xù)穩(wěn)定運行的單片機控制系統(tǒng)。

本文的創(chuàng)新點是：通過分析單片機控制系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生的機理，總結(jié)出了一些實用的抑制電磁干擾的方法。