變頻空調(diào)單片機測控系統(tǒng)的抗干擾分析與設(shè)計

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機在各種家電產(chǎn)品中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它的穩(wěn)定性工作是衡量其質(zhì)量好壞的重要指標。因此，有效地抑制單片機系統(tǒng)內(nèi)部和外部的電磁噪聲干擾，使單片機系統(tǒng)在實際運行環(huán)境中長期可靠地工作，是一個亟待解決的電磁兼容問題。

在我們設(shè)計的變頻空調(diào)電控系統(tǒng)中，由于其所處環(huán)境比較惡劣，特別是在冬季與夏季強功率運行時，由壓縮機、風機高速運轉(zhuǎn)所引起的機械振動，電器設(shè)備（如斬波器、電動機等）所產(chǎn)生的干擾，室內(nèi)外環(huán)境的溫差（－20℃～40℃），都會影響單片機系統(tǒng)的正常工作。這就要求在設(shè)計單片機系統(tǒng)時必須考慮到各種影響其正常工作的因素，并采取相應(yīng)的有效措施。當然，單片機系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，但系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標。因此，抗干擾設(shè)計是整體設(shè)計工作中的一個重要內(nèi)容。

2硬件的抗干擾設(shè)計

實際單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，干擾一般都是以脈沖的形式進入系統(tǒng)的。其主要形式有三種，如圖1所示。

（1）空間場輻射干擾干擾以電磁輻射的形式耦

合進入系統(tǒng)；

（2）電源系統(tǒng)干擾干擾通過地線和電源線進入系

統(tǒng)。地線和電源線是傳導(dǎo)電磁干擾的一個主要通道，這是由于地線和電源線是數(shù)字集成電路所有電流的通路。

（3）過程通道干擾干擾通過與主機的前向通道、后向通道以及與其他主機的相互通道進入系統(tǒng)。[1]

針對這種情況，在控制方法設(shè)計上，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法外，還采取了回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離，以及電氣隔離等措施。

2?1空間場輻射抗干擾措施

空間場輻射干擾主要由數(shù)字信號源產(chǎn)生，一般是由高頻脈沖信號的高次諧波造成的，通常以差模和共模兩種噪聲模式產(chǎn)生輻射。差模噪聲的輻射是高頻噪聲電流在信號電路中流動時產(chǎn)生的，共模噪聲的輻射則是因為電路中的線阻抗或感抗產(chǎn)生的電位差引起的。針對這一情況，采用合理的布線、良好的屏蔽與正確的接地，增加高頻濾波，盡量減小系統(tǒng)中各工作環(huán)節(jié)的阻抗等一系列措施；對于功率模塊和單片機系統(tǒng)的結(jié)合部位，采用空間分離的措施，把強電和弱電的結(jié)合部位分離開來。使得這一問題得到了良好的解決。

2?2電源系統(tǒng)抗干擾措施

電源系統(tǒng)干擾包括電源干擾和地線干擾。本系統(tǒng)采用220V市電供電，故電網(wǎng)上及其它電器所產(chǎn)生的干擾都會通過電源進入系統(tǒng)。主要采用了以下幾種解決辦法：

圖1單片機系統(tǒng)主要干擾渠道

圖2系統(tǒng)抗干擾設(shè)計總圖 

圖3光耦合器的應(yīng)用

圖4光耦合器的應(yīng)用

（1）采用隔離電源消除各功能模塊間的相互影響，提高抗干擾的能力；

（2）使用低通濾波器電源系統(tǒng)的干擾源大部分是高次諧波，因此利用低通濾波器濾掉高次諧波，以改善電源波形；

（3）采用分散獨立的功能塊供電在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成芯片，如7805等集成穩(wěn)壓電源。每個功能塊單獨對電源進行過載保護，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng)遭到破壞，且減少了公共阻抗的相互耦合和公共電源的相互耦合，大大提高了供電可靠性，也有利于電源散熱。

地線干擾通常表現(xiàn)為外部干擾通過公共地線進入主機系統(tǒng)，數(shù)字地線的干擾還表現(xiàn)為邏輯地的不等電位。因此，單片機系統(tǒng)的地線布置相當重要。解決地線干擾的辦法是正確處理好地線隔離問題，同時為了避免模擬電路引入的噪聲通過地阻抗對數(shù)字電路產(chǎn)生影響，數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開布線，單點連接。

將以上原則應(yīng)用于實際系統(tǒng)的設(shè)計中，本系統(tǒng)采用了如圖2所示的電源、地線抗干擾設(shè)計。

2?3過程通道抗干擾措施

過程通道主要是單片機系統(tǒng)本身和外圍器件所產(chǎn)生的聯(lián)系。前向接口、后向接口與主機以及主機之間相互進行信息傳輸?shù)穆窂?，它的干擾主要是長線傳輸?shù)母蓴_。系統(tǒng)中解決的辦法是采取光電耦合的措施。

光電耦合是采用半導(dǎo)體光電耦合器件進行隔離。它的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種干擾，使輸入電路中的干擾信號不能直接從電路上進入輸出電路，從而使過程通道上信噪比大大提高。光電耦合有很強的抗干擾能力，原因如下：

（1）光電耦合的輸入阻抗很小，一般只有100Ω～1kΩ之間，而干擾源內(nèi)阻很大，通常為100kΩ～100MΩ之間，因此分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很小；

（2）干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只

能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使有很高電壓幅值的干擾由于不能提供足夠的電流而被吸收；

（3）光電耦合是在密封條件下實現(xiàn)輸入電路和輸

出電路的光耦合，不會受到外界光線的干擾；

（4）輸入電路和輸出電路之間分布電容極小，一

般為0.5～2pF之間，而且絕緣電阻極大。因此，電路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。[2]

系統(tǒng)主要在三種情況下應(yīng)用了光電耦合器。其一是室內(nèi)機信號由CPU的P2?1腳經(jīng)過光耦輸入到通信線上去，如圖3所示。為了使光耦兩端的輸入和輸出電平與各自的電路匹配，將光耦兩邊的電源分別置為各自電路的電源。電路中的＋12V電源通過一個1kΩ的電阻接光耦的輸入端，這個電阻作為光耦通路中的限流電阻，通過光耦輸入端的電流大小為I=12mA。因為電流傳輸率接近100％，故在輸出一側(cè)使220V電源通過一個22kΩ的電阻，I′=220/22k=10mA，略小于輸入端電流。第二個應(yīng)用光電耦合的地方是室內(nèi)機接收室外機的信號處。第三個應(yīng)用光電耦合的場合是單片機輸出驅(qū)動PG電機處，如圖4所示。其原理分析完全同上，不再贅述。

從以上的分析看出，通過AC/AC隔離電源和光電耦合電路，使以單片機為核心的中央處理控制系統(tǒng)與外界完全隔離開來，極大地提高了系統(tǒng)運行的抗干擾能力，如圖5所示。 

3軟件的抗干擾設(shè)計

單片機在惡劣的環(huán)境中工作時，干擾源不僅會影響到硬件系統(tǒng)的正常工作，也常常會使系統(tǒng)的軟件運行發(fā)生混亂。因此系統(tǒng)的抗干擾問題不能完全靠硬件去解決，軟件的抗干擾設(shè)計也是一項重要措施。當系統(tǒng)受到干擾時，可能使單片機的程序跑飛，改變程序指針PC值，從而使程序進入死循環(huán)而不能正常工作；也可能改變單片機內(nèi)部特殊功能寄存器（SFR）的值使程序狀態(tài)混亂，甚至發(fā)生故障，損壞器件；如果被測量信號受到干擾，則會造成測量值失真。對于這種情況的對策是及時發(fā)現(xiàn)，及時引導(dǎo)程序走向正確位置，或者使系統(tǒng)重新復(fù)位開始運行。在本系統(tǒng)中采用了以下措施。

圖5提高系統(tǒng)抗干擾能力的原理框圖

3?1利用冗余指令

當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。此時，若程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時，便自動納入正規(guī)；若程序彈飛到某一條雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上而繼續(xù)出錯。為此，在對程序流向起著決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。此類指令有RET、RETI、LCALL、LJMP、JNC、JNB、CJNE、DJNZ等。

指令冗余措施可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，但這不能保證在失控期間不出錯，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術(shù)，使系統(tǒng)的誤動作減少，并盡可能消除重大誤動作。

3?2設(shè)置軟件陷阱

所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。如果把這段程序的入口標號稱為ERR的話，軟件陷阱即為一條LJMPERR的指令，為加強其捕捉效果，一般還在它前面加兩條NOP指令。因此，真正的軟件陷阱由三條指令構(gòu)成： NOP NOP LJMPERR

軟件陷阱一般安排在下列四種地方：

（1）未使用的中斷向量區(qū)當干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會引起系統(tǒng)程序的混亂，但如果在這些地方布上陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷；

（2）未使用的大片ROM空間對于剩余的大片

未編程的ROM空間，一般都維持原狀（0FFH）。程序彈飛到這一區(qū)域后將順流而下，不再跳躍（除非受到新的干擾）。這時只要每隔一段設(shè)置一個陷阱，就能捕捉到彈飛的程序；

（3）表格表格有兩類，一類是數(shù)據(jù)表格；另一類是

散轉(zhuǎn)表格。由于表格中內(nèi)容和檢索值有一一對應(yīng)關(guān)系，在表格中安排陷阱將會破壞其連續(xù)性和對應(yīng)關(guān)系，所以只能在表格的最后安排五字節(jié)陷阱（NOPNOPLJMP）；

（4）程序區(qū)程序區(qū)是由一序列執(zhí)行指令構(gòu)成

的，一般不能在這些指令串中間任意安排陷阱，否則正常執(zhí)行的程序也可能被抓走。在這些指令串中間有一些斷裂點，正常執(zhí)行的程序到此便不會往下繼續(xù)執(zhí)行了，這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等，在它們后面加軟件陷阱。

3?3設(shè)置程序運行監(jiān)視系統(tǒng)（WDT）

利用CPU內(nèi)部的WDT可以實現(xiàn)系統(tǒng)定時復(fù)位。在程序正常運行時，每隔一段時間對WDT清零。一旦程序運行不正常，沒有及時給WDT送清零信號，則在WDT計數(shù)溢出時自動將系統(tǒng)復(fù)位。所使用的西門子公司生產(chǎn)的C504單片機的WDT溢出時間可人為設(shè)定。若晶振用12MHz，其可選時間為512μs～1?1s。本系統(tǒng)設(shè)計溢出時間為7ms。

3?4采用軟件濾波

被測信號的抗干擾可以采用“軟件濾波”的方法解決。常用的有：算術(shù)平均值法，比較取舍法，中值法，一階遞推數(shù)字濾波法。本系統(tǒng)采用的是比較取舍法。

4結(jié)語

經(jīng)試驗，該系統(tǒng)工作半年多來，運行狀況良好，性能穩(wěn)定，噪音低，沒有出現(xiàn)錯誤及損壞器件現(xiàn)象，取得了良好的效果，達到了預(yù)期的目的，證明在系統(tǒng)設(shè)計中采用的上述抗干擾措施是行之有效的。