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单片机开发

单片机硬件抗干扰


单片机硬件抗干扰技术方法

单片微型计算机简称单片机,又称单片微控制器,是典型的嵌入式微控制器M CU(M icro contro llerUnit),它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。现在单片机控制系统是自动化工程的核心组成部分之一,如今它已广泛应用在现代工业及各种家用电器和小型设备中。但是在使用过程中,由于单片机工作的环境复杂,有时会比较恶劣,因此在实验环境下测试成功的单片机系统,在实际应用中却会因受到一些干扰而出现问题,这些干扰包括电网电压波动、电磁辐射干扰、温度、湿度等。受到=F扰的单片机系统可能会出现不稳定的情况,比如测试系统、控制系统失控,轻则影响正常工作,重则可能会酿成事故。因此如何提高单片机的抗干扰设计成为一个重要的课题。

一、对单片机硬件造成干扰的基本因素分析

1.1干扰的来源

对单片机系统的干扰一般有两种:一种是来自系统外部的干扰,例如电器设备的电磁波、雷电、开关设备的干扰;另一类是来自系统内部的干扰,如电源本身产生的干扰,如尖峰脉冲、自感和互感、地电流干扰、印刷电路板及电路间的相互干扰等等。

1.2干扰的构成

构成干扰必须具备三个主要因素:(1)干扰源。指产业干扰的元件、设备或信号。如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

(2)传播途径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3)敏感器件。指容易被干扰的对象。如:A/D、D/A变换器,单片机,数字Ic,弱信号放大器等。

在单片机系统和电子设备中,一个电路抗干扰的程度可以用S=W C/I来表示:S表示电子线路受干扰的程度;w表示干扰源的强度;c表示耦合或传播途径的因素;I表示电路的抗干扰能力;要减少于扰,可以尽量减少干扰源的强度,也可以降低干扰耦合因素或切断干扰路径,或者,采取措施提高电路的抗干扰能力。

1.3干扰的分类

干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因分:可以分为放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声。

按传导方式分:可分为共模噪声和串模噪声。按波形分:可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等。

1.4干扰对单片机造成的影响

单片机属于数字系统,各逻辑元件都有其相应的阈值电平和噪声容限,外来干扰引入的噪声一旦超过限度,干扰信号就会被逻辑器件放大,叠加在测量信号上,使数据采集误差加大,甚至淹没一些微弱的测量信号,倘若这些信号经过电路耦合和传输通道进入存储器和触发器,改变了寄存器中的信息,就可能会导致程序运行失常,系统紊乱,引发故障。

二、硬件抗干扰设计

干扰信号经过耦合和传播路径后,一般都是以脉冲形式进入单片机系统的。其主要形式有三种:过程通道干扰、电源系统干扰和电磁场辐射干扰。

2.1过程通道抗干扰设计

由于单片机是模数混合系统,在输入、输出中要进行A ID,D/A变换,针对数字通道的抗干扰设计采取以下措施:

(1)光电隔离技术:光电隔离是采用半导体光电耦合器进行隔离,具有很高的输入阻抗和绝缘电阻,有效地抑制尖峰脉冲和电磁场的感应,因此在单片机系统中得到广泛的应用。

(2)光导纤维做传输介质:光导纤维损耗极低而且绝缘强度高,在传输中不受任何形式的干扰,可以根据传输距离选择光纤传输,达到满意的效果。

(3)继电器隔离:单片机输出端的负载通电或断电时会产生火花,火花作为一种很强的干扰噪声,又会对电路产生很大的影响。为了消除火花,最好的方法是采用固态继电器SSR,根据触发方式不同,SSR可分为过零触发和非过零触发两类。过零触发的固态继电器,本身几乎不产生干扰,对单片机系统抗干扰非常有利。

对于单片机硬件抗干扰设计,除了上述三个主要方面外,还要考虑接地抗干扰技术。应该注意:(1)在低频电路中,常采用一点接地,以减小地线造成的地环路,在高频电路中,布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合影响比较突出,故一般采用多点接地。(2)在单片机控制系统中,数字地和模拟地应分别接地。此外,还应考虑印刷电路板抗干扰的设计。应该注意:(1)印刷版上易受干扰的器件可以集中布置加以屏蔽,热敏元件要远离发热元件。(2)两条平行放置的导线之间存在寄生电容和耦合电感,会产生相互干扰,因此在线路布局上,要避免出现大的环形,尽量减少线路所包围的面积,以降低电磁干扰。

2.2电源抗干扰设计

(1)电源变压器采取滤波和屏蔽供电

电源变压器的初级和次级线圈之间存在分布电容,对于高频信号,电容相当于短路,因此,可以使高频干扰信号耦合到次级,尽管在后续电路中进行滤波,也不能将噪声完全消除。因此,为了降低电源变压器带来的干扰,通常需要在变压器的初级绕组和次级绕组上分别增加屏蔽层,在初级和次级绕组之间再增加屏蔽层,并使其良好接地,以防止感应和辐射耦合。

(2)采用串联开关式稳压电源这种开关式稳压电源是使电路中的串联调整管工作于饱和导通和截止两种状态,所以效率高,抗干扰能力强,还可以采用开关型电源,把直流电压调制、整流再稳压,具有较强的抗干扰能力。

(3)整流后加多级滤波供电电源干扰大部分是高次谐波,因此采用低通滤波器让50 Hz的市电基波通过,滤去高次谐波,以改善电源波形。

2.3电磁场辐射抗干扰的设计

空间场的辐射是以电磁辐射的形式进入系统的,一般以差模噪声和共模噪声的模式产生辐射。差模噪声的辐射是高频噪声电流在信号电路中流动时产生的,共模噪声的辐射则是由电路中的线阻抗或感抗产生的电位差引起的。可以采取的措施如下:

针对差模噪声信号,可以增加高频滤波,在信号源到单片机之间选用带屏蔽层的双绞线和同轴电缆,并确保正确、可靠接地;针对共模干扰,可以采用隔离放大器,输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合,这样将有较强的抗干扰能力。另外将强电和弱电结合部位分离开,采用双层屏蔽的方法将输入信号的模拟地浮空,再用一个屏蔽盒将模拟输入部分屏蔽起来。

总结

本文从硬件方面探讨了如何提高单片机的抗干扰能力,需要明确的是,单片机系统的抗干扰设计是一项综合性的设计,由于单片机系统应用的领域宽广、环境复杂,在实际应用中,要结合实际问题加以改进,采取更有效的抗干扰措施,这样才能确保单片机系统的可靠性,使之能够正常、高效的工作。

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