單片機電磁干擾技術(shù)

單片機應用系統(tǒng)電磁干擾技術(shù)研究

單片機系統(tǒng)在工業(yè)應用中越來越廣泛，是產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中的重要技術(shù)手段，但由于系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境往往比較惡劣，單片機工作時，常受到內(nèi)部和外部的各種干擾，對單片機正常工作帶來不利影響。為了確保單片機系統(tǒng)的可靠性和安全性，必須了解干擾原因，這是解決干擾的重要問題。

一、單片機系統(tǒng)干擾類別及分析

1.1單片機系統(tǒng)電磁干擾的要素

單片機系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾問題，存在三個因素，即電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。

其中干擾源是指產(chǎn)生干擾的元器件、設(shè)備和信號；耦合途徑是指從干擾源到敏感設(shè)備的通路和媒介。典型的耦合途徑是通過導線的傳導和空間的輻射；敏感設(shè)備是指被干擾的對象，比如單片機、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。

1.2單片機電磁干擾的分類

單片機系統(tǒng)中電磁的干擾通常分為好多種，按照傳播方式、噪聲產(chǎn)生的原因、波形特征等進行分類。按照傳播方式可分為串模噪聲和共模噪聲；2）按產(chǎn)生的原因可分為高頻振蕩噪聲，放電噪聲，浪涌噪聲；3）波形特征可分為脈沖電壓，持續(xù)正弦波，脈沖序列等。

單片機系統(tǒng)的干擾源主要是電磁能量干擾。干擾源主要分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源：
（1）內(nèi)部的干擾源主要來自印制電路板和電路之間形成相互的干擾；主要由于系統(tǒng)內(nèi)部印制電路板設(shè)計走線不合理，元器件布局不正確及接地等使得單片機系統(tǒng)不能正常工作。
（2）外部干擾源主要是電磁波和電磁場。強烈的電磁場干擾信號會影響單片機系統(tǒng)工作，較強的外部干擾信號主要通過電源而進入單片機內(nèi)部系統(tǒng)，所以，供電電源的抗干擾的方法是我們進行電磁抗干擾的一個研究重點。

1.3電磁干擾對單片機造成的影響

1）單片機系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集誤差加大，使得RAM數(shù)據(jù)發(fā)生篡改，降低數(shù)據(jù)的可靠性。

2）單片機控制系統(tǒng)失靈，自動控制系統(tǒng)受到電磁干擾時，可能出現(xiàn)誤動作誤控和失控，使單片機控制系統(tǒng)的有效性和可靠性降低。

3）程序運行失常，干擾使得單片機的PC值到了未使用的地址空間而進行毫無意義的運行，或者程序雖然在正常的地址空間運行，但干擾使程序跳轉(zhuǎn)到不應去的地方運行或進入死循環(huán)。

二、電磁干擾抑制技術(shù)

2.1硬件的抗干擾技術(shù)

硬件的抗干擾技術(shù)是單片機系統(tǒng)應用和設(shè)計中首選抗干擾措施，能有效阻斷干擾傳播途徑，抑制干擾源，合理地布置與選擇有關(guān)參數(shù)，硬件抗干擾措施能抑制絕大部分電磁干擾，常用的硬件干擾如下。

1）印制電路板設(shè)計。印制電路板的設(shè)計與布局合理與否對單片機系統(tǒng)的可靠性很重要，這里是噪聲的產(chǎn)生、傳播和吸收的關(guān)鍵步驟。

從減小輻射干擾的角度出發(fā)，盡量選用多層板。內(nèi)層分別做電源層、接地層。對信號形成均勻的接地面，加大信號線和接地面間的分布電容，抑制其向空間輻射的內(nèi)力。對于多層線路板，不同區(qū)域的地線面在邊遠處要滿足20 H法則（即地線面的邊沿要比電源層或信號線層的邊沿外延出20 H，H為地線面與信號層之間的高度）。

電源線、地線、印制板走線對高頻信號應保持低阻抗。在頻率很高的情況下，電源線、地線或印制板走線都會成為接收與發(fā)射干擾的小天線。減低這種干擾是減少電源線、地線、印制板走線本身的高頻阻抗，而且排列要恰當，盡量做到短而直。線路板上有不同的功能電路時，不同類型的電路應分離，其接地也應分離；不能有信號線穿過地線面上的裂縫。

I/O接口上使用獨立的地線，為濾波和屏蔽層提供干凈地點，濾波器盡量靠近電纜進出口。高速時鐘地線盡量短，不要換層，拐角不要90°，盡量遠離I/O端口；芯片上安裝的散熱片要多接到信號地上；I/O接口的驅(qū)動電路要靠近。

2）選擇元器件。元器件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時也是控制系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)，只有合理地選擇元器件，才能提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此，應選擇集成度高，抗干擾能力強，功耗小的電子器件。

3）接地技術(shù)。信號地通常分為單點接地、多點接地和混合接地等種類。按信號頻率小于1MHz時，采用單點接地；工作頻率在1 MHz～10 MHz時，采用單點接地時，地線長度不得超過波長的1/20，否則采用多點接地；信號工作頻率大于10 MHz時，為了降低地線阻抗應采用多點接地。多級電路接地點應選在低電平電路輸入端，使該端最接近于基準地位，輸入級的接地縮短，受到的電磁干擾可能性減少。

4）隔離技術(shù)。通過隔離可以把外來的干擾通斷切斷，同時起到抑制漂移和安全保護的作用。一般分為物理隔離和光電隔離。物理隔離一般針對單片機前段的輸入信號，在工業(yè)測量中分為兩部分。（1）顯示及控制部分，稱為二次儀表；（2）傳感器，稱為一次儀表。有時一次儀表和二次儀表距離較遠，在傳輸過程中信號容易受到干擾，其信號線要遠大于功率導線；光電隔離是將兩個電路系統(tǒng)的電信號隔離開，通過光耦來傳遞信號，既能確保隔斷噪聲信號從一個電路傳輸?shù)搅硪粋€電路，也能保證信號的正確傳輸。在直流和低頻系統(tǒng)中，大多采用光電耦合的方法來隔離，由于以光為媒介進行間接耦合，因而具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力。

2.2軟件的抗干擾技術(shù)

盡管采用了硬件抗干擾技術(shù)，但由于產(chǎn)生干擾的原因復雜，具有很大的隨機性，難保證單片機系統(tǒng)不受到干擾，所以采用采用軟件抗干擾技術(shù)措施加以補充。

1）指令冗余技術(shù)。單片機受到強干擾會造成程序計數(shù)器PC值改變，程序脫離正常運行軌跡，出現(xiàn)亂飛，操作數(shù)值改變，及操作數(shù)當作操作碼放入錯誤。指令冗余與軟件陷阱相似，但有區(qū)別，軟件陷阱用在程序存儲器的未使用區(qū)域中，而指令冗余通常在程序中，其做法是在正常的指令后插入一些NOP指令或?qū)⒂行ё止?jié)重寫，采用指令冗余技術(shù)不僅可以使跑飛的程序納入正規(guī)，還有助于消除隨機干擾，提高可靠性。

2）軟件陷阱技術(shù)。軟件陷阱是指一些可以使失控程序恢復正常運行或恢復到初始狀態(tài)的一系列指令，通常采用NOP空指令充當軟件陷阱，當程序失控時，只要PC指向這些單元，連續(xù)執(zhí)行幾個空操作后，程序就會執(zhí)行后面的正常程序或被強制跳轉(zhuǎn)到某個指定位置而自動恢復正常，在程序正常工作，該軟件陷阱并不影響系統(tǒng)的正常工作。

3）數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不用增加硬件設(shè)備可多通道共用，具有高可靠性和高穩(wěn)定性，可對低頻信號濾波。而模擬RC濾波器受電容量的限制頻率不能太低，靈活性好，改變程序就可改變不同的濾波方法。

4）看門狗。有時單片機在受理電磁干擾就會出現(xiàn)程序的無序執(zhí)行，如果程序進入死循環(huán)則使單片機死機，解決這個問題的方法是在系統(tǒng)上加看門狗。

在各程序段中加如下程序：

其中YS為延時子程序，WATCHDOG是看門狗子程序，計數(shù)器的計數(shù)值（計數(shù)時間）要大于主程序循環(huán)一次的時間，否則系統(tǒng)就會總復位而不能正常運行。正常工作時程序每運行一次LCALL WATCHDOG就從P2.7送一個脈沖使計數(shù)器清零，其Qn輸出端始終為低電平，不會使系統(tǒng)復位，一但系統(tǒng)受到電磁干擾后程序進入死循環(huán)，程序不能被正常執(zhí)行也就不能從P2.7送脈沖，就會使計數(shù)計滿Qn被罩“1”通過47uF電容送至8051的RESET腳，使系統(tǒng)復位，重新執(zhí)行主程序。

總結(jié)

在設(shè)計單片機應用系統(tǒng)中，只要認真分析系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，精心選擇元器件，確認干擾源和敏感器件，對他們進行合理布局，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實踐證明，只有從硬件和軟件兩個方面采取措施，以硬件抗干擾技術(shù)為主，軟件抗干擾技術(shù)為輔，二者相結(jié)合，才能有效地排除干擾信號的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。

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