單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾常用方法

影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
  形成干擾的基本要素有三個(gè)：
  （1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)， 用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。
  （2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
  （3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、 D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等。
  1  干擾的分類
  1.1 干擾的分類
  干擾的分類有好多種，通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等等進(jìn)行不同的分類。按產(chǎn)生的原因分：
  可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。
  按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。
  按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。
  1.2 干擾的耦合方式
  干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過一定的耦合通道才對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此，我們有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式，無非是通過導(dǎo)線、空間、公共線等等，細(xì)分下來，主要有以下幾種：
  （1）直接耦合：
  這是最直接的方式，也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號(hào)通過電源線侵入系統(tǒng)。對(duì)于這種形式，最有效的方法就是加入去耦電路。
  （2）公共阻抗耦合：
  這也是常見的耦合方式，這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共同通路的情況。為了防止這種耦合，通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。使干擾源和被干擾對(duì)象間沒有公共阻抗。
  （3）電容耦合：
  又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦合。
  （4）電磁感應(yīng)耦合：
  又稱磁場(chǎng)耦合。是由于分布電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的耦合。
  （5）漏電耦合：
  這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。
  2  常用硬件抗干擾技術(shù)
  針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。
  2.1 抑制干擾源
  抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt， di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。
  抑制干擾源的常用措施如下：
  （1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。
  （2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。
  （3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。
  （4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1 μF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。
  （5）布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。
  （6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。
  2.2 切斷干擾傳播路徑
  按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。
  所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。
  所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。
  切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：
  （1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。
  （2）如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。
  （3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。
  （4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。
  （5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。
  （6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。
  （7）在單片機(jī)I/O口、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。
  2.3 提高敏感器件的抗干擾性能
  提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。
  提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：
  （1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。
  （2）布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。
  （3）對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。
  （4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如： IMP809，IMP706，IMP813， X5043，X5045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。
  （5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。
  （6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。
  2.4 其它常用抗干擾措施
  （1）交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖。
  （2）變壓器雙隔離措施:變壓器初級(jí)輸入端串接電容,初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,次級(jí)外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。
  （3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源: 有過流、過壓、過熱等保護(hù)作用。
  （4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。
  （5）通訊線用雙絞線:排除平行互感。
  （6）防雷電用光纖隔離最為有效。
  （7）A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換:減少誤差。
  （8）外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。
  （9）加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充分, CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容。
  （10）印制板工藝抗干擾：
  ① 電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。
  ② CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。
  ③ 獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少接插件與連線，提高可靠性,減少故障率。
  ④ 集成塊與插座接觸可靠,用雙簧插座,最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。
  ⑤ 有條件的采用四層以上印制板,中間兩層為電源及地。