綜述單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

1　概述

在進行單片機應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)過程中，我們經(jīng)常會碰到一個很棘手的問題，即在實驗室環(huán)境下系統(tǒng)運行很正常，但小批量生產(chǎn)并安裝在工作現(xiàn)場后，卻出現(xiàn)一些不太規(guī)律、不太正常的現(xiàn)象。究其原因主要是系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計不全面，導(dǎo)致應(yīng)用系統(tǒng)的工作不可靠。本文主要分析單片機應(yīng)用系統(tǒng)出錯的起因，并結(jié)合自己的工作經(jīng)驗，探討一些解決的辦法。

2　單片機應(yīng)用系統(tǒng)出錯的主要現(xiàn)象和原因

2.1　單片機應(yīng)用系統(tǒng)出錯的主要現(xiàn)象和內(nèi)因

大量的電源和磁場干擾，會造成以下各種系統(tǒng)內(nèi)部出錯。表1列出了單片機應(yīng)用系統(tǒng)出 錯的主要現(xiàn)象和內(nèi)部原因。

2.2　單片機應(yīng)用系統(tǒng)出錯的外部原因

從設(shè)計和制造的角度來看，造成應(yīng)用系統(tǒng)容易受干擾的主要原因是：
　　(1)系統(tǒng)電源的抗干擾能力差或功率不足；
　　(2)程序沒有采取抗干擾措施或措施不力；
　　(3)器件間驅(qū)動功率不足，處在較臨界狀態(tài)；
　　(4)遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娫?、電壓偏低?br /> 　　(5)沒有采取屏蔽保護；
　　(6)元件質(zhì)量低。

針對以上出現(xiàn)的問題，我們分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機應(yīng)用系統(tǒng) 抗干擾能力的方法。

3　單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計

3.1　選擇時鐘頻率低的單片機

外時鐘是高頻的噪聲源，除能引起對本應(yīng)用系統(tǒng)的干擾之外，還可能產(chǎn)生對外界的干擾，使電磁兼容檢測不能達標(biāo)。在對系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。以8051單片機為例，最短指令周期1μs時，外時鐘是12MHz。而同樣速度的Motorola單片機系統(tǒng)時鐘只需4MHz，更適合用于工控系統(tǒng)。

3.2　電源

(1)若系統(tǒng)空間允許的話，可使用現(xiàn)成的微電腦開關(guān)電源，它有4組輸出，分別為+5V(18 A～25A)、-5V(0.5A)、+12V(6A～10A)、-12V(0.5A)。如果一個功率不夠，可用多個分塊供電，主機最好單獨使用一個。電源的功率充足，就能減少電源本身所產(chǎn)生的紋波及諧波干 擾。這是解決電源干擾和電源功率不足的最好方法；

(2)采用開關(guān)電源設(shè)計；

(3)主機部分采用單獨的穩(wěn)壓電路，一片7805穩(wěn)壓塊，加上較好的濾波電路；外圍電路 采用另外的電源供電。

3.3　提高輸出信號的電源或電壓

如果輸入、輸出連接線路超過80cm，最好提高傳送的電壓或電流，以減少信號的衰減和 受干擾而造成的信號失真。簡單的方法可在傳送端加一個1488，將電平提高到12V；接收端加一個1489，將電平回復(fù)到5V。

3.4　輸入、輸出隔離

輸入、輸出信號可加光電耦合器隔離，防止 外圍器件動作時產(chǎn)生的回流沖擊系統(tǒng)電路。

3.5　注意器件的驅(qū)動能力

一般1個TTL可推動8個TTL或10多個CMOS，而一個CMOS可推動1～2個TTL或20多個CMOS。如果輸出負載過重，會降低輸出電平，使電平處于或低于被驅(qū)動器件的輸入門檻電平(TTL：高為2.4V，低為0.4V；CMOS；高為4.5V，低為1.4V)，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3.6　采取屏蔽保護

屏蔽可用來隔離空間輻射。對噪聲特別大的部件(如開關(guān)電源)，用金屬盒罩起來，可減 少噪聲源對單片機的干擾。對容易受干擾的部分，可加設(shè)屏蔽金屬罩并接地，使干擾磁信號 被短路接地。

3.7　注意印制電路板的布線與工藝

印制電路板的設(shè)計對單片機系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源，盡量減 小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設(shè)計印制電路板和布線。

(1)印制電路板要合理分區(qū)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)通?？煞秩齾^(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)、 數(shù)字電路區(qū)(既怕干擾、又產(chǎn)生干擾)、功率驅(qū)動區(qū)(干擾源)。

(2)印制電路板要按單點接電源、單點接地的原則送電。三個區(qū)域的電源線、地線由該 點分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。

(3)時鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來，讓周圍電場趨近于零。

(4)使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘，時鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時鐘的器件。 石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線盡量短，且在石英晶體振蕩器下面要加大接地的面積而 不應(yīng)該走其它信號線。

(5)I/O驅(qū)動器件、功率放大器件盡量靠近印制板的邊、靠近引出接插件。

(6)在單面板、雙面板設(shè)計中，地線、電源線要盡量粗。信號線的過孔要盡量少。

(7)四層板比雙面板噪聲低20dB，六層板比四層板噪聲低10dB。經(jīng)濟條件允許時盡量用 多層板。

(8)使用45°的折線布線，不要使用90°折線，以減小高頻信號的發(fā)射。

(9)重要的信號線盡量短并要盡量粗，并在兩側(cè)加上保護地。將信號通過扁平電纜引出 時，要使用地線-信號-地線……的結(jié)構(gòu)。

(10)時鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時鐘線要遠離I/O線。

(11)對A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高 速線、大電流線平行。

(12)每個IC元件要加一個去耦電容，布線時去耦電容要真正接在芯片的電源、地上。要 選高頻特性好的獨石電容或瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時，引腳要盡 量短。

(13)從高噪聲區(qū)來的信號要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管?？梢杂么粋€電阻 的辦法來軟化I/O線的跳變沿或提供一定的阻尼。

(14)閑置不用的門電路輸入端不要懸空。閑置不用的運算放大器正輸入端接地，負輸入 端接輸出。單片機不用的I/O口定義成輸出。單片機上有一個以上電源、地端的，每端都要 接上，不要懸空。

(15)盡量不要使用IC插座，把IC直接焊在印制板上，IC插座有較大的分布電容。

3.8　選擇良好的元件

現(xiàn)在市場上出售的元件，很多是可用但性能不佳，甚至有些是器件廠經(jīng)測試認為不合格 的產(chǎn)品。這些元件極易受干擾，只能在很好的環(huán)境(指電源穩(wěn)定、沒有磁干擾)下工作。因此 在選購元件時，特別是單片機、晶振、RAM等，最好選購一級品。

4　單片機應(yīng)用系統(tǒng)的軟件抗干擾設(shè)計

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設(shè)計也是防止和消除整 個應(yīng)用系統(tǒng)故障的重要途徑。

4.1　控制狀態(tài)失常的軟件對策

(1)軟件冗余。對于條件控制系統(tǒng)，對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為循環(huán)地 采樣、處理控制輸出。這種方法對于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。

(2)設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元，當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)能及 時查詢寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時糾正輸出狀態(tài)。

(3)設(shè)自檢程序。在單片機內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標(biāo)志，在開機后，運行 中不斷循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、運輸、運算的高可靠性。

4.2　程序運行失常的軟件對策

(1)設(shè)置程序監(jiān)視跟蹤定時器。目前，大多數(shù)單片機片內(nèi)都集成有程序監(jiān)視跟蹤定時器 。監(jiān)視跟蹤定時器主要用來跟蹤程序的運行。當(dāng)程序運行出現(xiàn)故障時，計數(shù)器溢出，系統(tǒng)復(fù) 位，重新運行系統(tǒng)程序。利用它可有效地實現(xiàn)程序防飛功能。

(2)設(shè)置程序指針陷阱。在每個子程序后面或程序段后，插入5條指令NOP、NOP、NOP、N OP、LJMP MAIN(其中MAIN是初始化程序開始地址)，在片的空白處(特別是后面的空白處)， 每32個字節(jié)放指令LJMP MAIN。設(shè)置了指針陷阱后，一旦單片機受干擾，使程序指針混亂， 執(zhí)行了一段程序后，就會落入陷阱中，執(zhí)行LJMP MAIN指令，回復(fù)到初始化程序開始處，從 而避免死機。

4.3　數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策

用軟件濾波算法，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤。最常用的方法 有算術(shù)平均值法、比較舍取法、中值法、一階遞推數(shù)字濾波法。具體選取何種方法，必須根 據(jù)信號的變化規(guī)律選擇。

5　結(jié)束語

筆者從硬件、軟件兩個方面探討了一些提高抗干擾能力的方法，這些方法有效可行，筆 者在很多系統(tǒng)設(shè)計采用，受到了良好的效果，基本解決了令人頭痛的干擾問題?！?/p>

參考文獻：
［1］邵貝貝.單片機的可靠性技術(shù)及其發(fā)展［J］.電子產(chǎn)品世界.1999，(8).
［2］何立民.MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京航空航天大學(xué)出版社.1999 .7.