對于防止單片機(jī)系統(tǒng)過程通道中干擾的探討

1 引言

干擾一般是以隨機(jī)出現(xiàn)的脈沖形式進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)的，主要來自電網(wǎng)上和系統(tǒng)內(nèi)負(fù)載突變形成的交變磁場和電場耦合系統(tǒng)內(nèi)部，形成尖峰脈沖電勢或電流疊加到某些芯片的數(shù)據(jù)線、地址線或控制線上，從而擾亂輸入信號，破壞某些器件的工作狀態(tài)。干擾竄入單片機(jī)系統(tǒng)的渠道主要有兩條：空間場干擾 (通過電磁波感應(yīng)竄入系統(tǒng))和過程通道干擾。一般來講，空間干擾在強(qiáng)度上遠(yuǎn)小于過程通道干擾，而且空間干擾可用良好的屏蔽、正確的接地方法以及采取必要的軟硬件濾波加以解決。這里只就過程通道的防止干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 過程通道的抗干擾設(shè)計(jì)

就過程通道而言，由于它直接與外部設(shè)備相連，因此無論是數(shù)字量的輸入輸出通道，還是模擬量的輸入輸出通道，都是干擾竄入渠道。要截?cái)噙@條渠道，一是要去掉外部設(shè)備與過程通道之間的公共地線，實(shí)現(xiàn)彼此電隔離；二是要合理設(shè)計(jì)元器件的布局和它們之間的走線，減小電路和分布電容、雜散電磁場，抑制各種干擾噪聲的產(chǎn)生。

3 數(shù)字量通道的抗干擾設(shè)計(jì)

由于數(shù)字量(開關(guān)量)的狀態(tài)只有兩個(gè)，疊加在數(shù)字信號上的干擾只有幅度和寬度都達(dá)到一定量值時(shí)才能起作用，因此在硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)突出考慮隔離問題。

3.1開關(guān)量輸入

對于開關(guān)量輸入(包括數(shù)字信號)，最有效的辦法是采用光電隔離措施和增加必要的電路，將供電電源與主機(jī)電源分開獨(dú)立使用。

3.1.1 直流輸入

直流輸入電路示于圖1。由圖中可見，輸入電路與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主機(jī)采用不同電源供電，使兩部分電路完全隔開，信號在光耦合器中是以光來傳遞的。

光耦合器的傳遞特性是：在輸入端發(fā)光管通以電流IF大約2μs以后，輸出三極管才導(dǎo)通。這樣，小于1μs的干擾信號就不能通過光耦合器有效地傳輸。另外，在輸入電路結(jié)構(gòu)上還可以采用常規(guī)的方法來抑制干擾，比如在輸出級加π型濾波網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)幅頻特征曲線如圖2所示。

在直流輸入的數(shù)字量接口中，主要是通過光耦合來隔離主機(jī)與外部的干擾信號，并在接口電路上想辦法來抑制干擾。

3.1.2 交流輸入

交流輸入一般是先把交流整流成直流，然后經(jīng)濾波降壓送入直流電路中（圖3）。另外，現(xiàn)已有雙向光耦合器問世，它將使電路更為簡單可靠（圖4）。

3.2 數(shù)字量輸出

單片機(jī)的數(shù)字輸出信號，在條件可能的情況下都需加隔離和驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)常使用的有光耦合器和繼電器隔離。輸出級都需要帶一定的負(fù)載，是整個(gè)系統(tǒng)耗電較多的一部分。為了防止輸出級的通斷干擾經(jīng)電源影響主機(jī)，一般也要采用獨(dú)立電源，并與主機(jī)不共地，這樣就可以很好地防止回饋干擾?，F(xiàn)在市場上可以買到各種標(biāo)準(zhǔn)的輸出模塊(固態(tài)繼電器)，這些模塊的輸入接口可以是TTL電平，也可以是CMOS電平，內(nèi)部經(jīng)光電隔離輸出給交流開關(guān)、直流開關(guān)或繼電器驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載。

4 模擬通道的抗干擾設(shè)計(jì)

由于模擬量信號的有效狀態(tài)有無數(shù)個(gè)，所以疊加在模擬信號上的任何狀態(tài)都會(huì)起干擾作用。因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，抗干擾屏蔽的位置越往外推越好。也就是說，最好把光電耦合器設(shè)置在A/D轉(zhuǎn)換模擬量輸入和D/A轉(zhuǎn)換模擬量輸出的位置上[2]。要想把光電耦合器設(shè)置在這兩個(gè)位置上，就要求光電耦合器具有能線性變換和傳輸?shù)奶匦?。此類光電耦合器目前在市場上能見到。若沒線性的光電耦合器，則對于A/D電路來說，光電耦合器應(yīng)設(shè)在A/D轉(zhuǎn)換芯片和模擬多路開關(guān)等芯片的開關(guān)量信號線上。還應(yīng)注意光電耦合器兩邊的輸入輸出回路電源應(yīng)分別供電，接地電路分開。

4.1 模擬量輸入

由于集成電路內(nèi)部電路復(fù)雜，因此它的噪聲干擾較大，即使是那些被稱為"極低噪聲"的集成，在模擬量輸入幅值比較小時(shí)，其噪聲干擾也不容忽視。因此對需要放大的模擬量輸入信號可以采用前置放大差動(dòng)電路[3]，提高輸入電阻，采用對稱的電路結(jié)構(gòu)，獲得較大的共模抑制比。

對于直流變量模擬信號，在接口電路中必須采用直接級間耦合，要注意溫度對零點(diǎn)漂移的影響。在有特殊要求的場合可以采用MC7650斬波自穩(wěn)零運(yùn)算放大器，它的溫度漂移幾乎為零，達(dá)到10μV/℃。在對輸入量極小的進(jìn)行放大時(shí)，要在前置級盡量采用低輸入失調(diào)電壓的運(yùn)放，避免由于器件的誤差而影響系統(tǒng)的精度。但由于模擬信號在傳輸過程中一般需共地，要實(shí)現(xiàn)接口與主機(jī)完全隔離就非常困難。因此，在設(shè)計(jì)接口時(shí)一定要很好地處理地線與信號線關(guān)系。還可以采用雙電源供電，為運(yùn)算放大器單設(shè)電源，同時(shí)為計(jì)算機(jī)接口電路--A/D轉(zhuǎn)換器另設(shè)一套電源，這樣就可以防止電源的干擾。在處理兩套電路的地線時(shí)，在印制板上要各走自己的回路，兩種地線只在交匯處有一點(diǎn)連接。如圖5所示。

對于信號還要采取強(qiáng)有力的濾波措施，盡量消除一切尖峰干擾；對交流變量的模擬信號處理要簡單些。首先用電容來完成級間耦合，溫度漂移對電路影響較小，只要注意適當(dāng)添加消振電路就可以消除寄生振蕩和尖峰干擾，然后采用適當(dāng)?shù)臋z波方法，把交流變成直流(脈動(dòng)直流也可)后，即可采用上面的方法進(jìn)行處理。

4.2 模擬量輸出

對于低速輸出，可以經(jīng)鎖存器保存單片機(jī)輸出的信息，經(jīng)光耦合器隔離驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器，將內(nèi)部的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成直流電平，這樣經(jīng)隔離后就可以抑制輸出電路的干擾。

5 結(jié)束語

總之，在過程通道抗干擾方面需要研究的問題很多，而且在大的系統(tǒng)中單片機(jī)要與眾多的現(xiàn)場狀態(tài)相聯(lián)系。要完全克服由輸入輸出引起的干擾是不可能的，但要盡可能地在電路結(jié)構(gòu)、制造工藝、電源等方面綜合開展工作，才會(huì)收到滿意的效果。