單片機控制系統(tǒng)的可靠性及電磁兼容

　　一般來說，完成單片機的功能設(shè)計與制作過程并不非常復(fù)雜，系統(tǒng)功能的設(shè)計不過是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的起點，系統(tǒng)能否在實用中完好無誤地實現(xiàn)這些功能是該系統(tǒng)設(shè)計更困難的內(nèi)容。由于實際的工作環(huán)境充滿各種電磁干擾，極易使控制系統(tǒng)接收干擾信號而產(chǎn)生誤動作，從而使整個控制系統(tǒng)陷于混亂乃至癱瘓，導(dǎo)致實驗失敗和設(shè)備損失。因此，一個在實際工程環(huán)境中運行的微機應(yīng)用系統(tǒng)必須具有較強的抗干擾能力，具有電磁兼容(NEC)的性質(zhì)。所謂電磁兼容是指兩個方面的含義：(1)電子系統(tǒng)或設(shè)備之間在電磁環(huán)境中的相互兼顧。(2)電子系統(tǒng)或設(shè)備在電磁環(huán)境中能按設(shè)計要求正常工作[1]。既要防止干擾別的系統(tǒng)，又要防止被干擾。
　　
　　一、電磁干擾的來源
　　
　　構(gòu)成干擾必須具備三個主要因素，即干擾源、耦合通道或傳播途徑，以及干擾接受器，進(jìn)入控制系統(tǒng)的干擾多種多樣，按照其來源，一般分為五種類型[2][3]。
　　
　　(1)電磁干擾由于供電電網(wǎng)的輸出電壓不穩(wěn)或毛刺干擾使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生對系統(tǒng)的損壞。
　　
　　例如，美國的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)曾在1979年和1980年由于中心計算機被電網(wǎng)干擾誤觸發(fā)而錯誤地發(fā)出信號，致使防御導(dǎo)彈險些升空而造成震撼世界的事故。
　　
　　(2)過程通道干擾為達(dá)到數(shù)據(jù)采集或?qū)嵭锌刂频哪康?，開關(guān)量的輸入、輸出是微機控制系統(tǒng)與外界不可缺少的聯(lián)系手段。但電磁干擾也不可避免地通過這些通道進(jìn)入系統(tǒng)，從而導(dǎo)致輸入、輸出信號的混亂和數(shù)據(jù)的錯誤傳輸，最終使系統(tǒng)無法正常工作。
　　
　　(3)外來干擾外部的空間中充滿了無數(shù)的電磁波、電磁場，強烈的電磁場干擾信號會影響系統(tǒng)的運行。
　　
　　(4)印制版及電路間產(chǎn)生的相互干擾這種干擾是由于系統(tǒng)內(nèi)部印制電路板設(shè)計中走線不合理，元件布局不正確以及接地有誤等原因引起的自身性干擾。
　　
　　(5)地電流干擾由于實際地電阻不為零，不同的地線之間會產(chǎn)生電位差，這也是干擾的一個來源。

　　二、硬件的可靠性及抗干擾設(shè)計　　
　　
　　以上所涉及到的幾種干擾在我們所采用的控制系統(tǒng)中都可能出現(xiàn)，因此對每一種干擾都要采取相應(yīng)的措施予以防范，以下分別就對五種干擾在硬件上采取的應(yīng)付措施分別討論。
　　
　　1．供電系統(tǒng)的干擾及其抑制措施
　　
　　供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是關(guān)系到單片機控制系統(tǒng)正常可靠工作的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，計算機故障中有90%以上是由電網(wǎng)干擾引起的[4]，隨著工業(yè)發(fā)展，電源的污染的問題日益嚴(yán)重，尤其是在大功率耗電設(shè)備當(dāng)中，電源干擾的異常情況包括：
　　
　　1)過壓、欠壓、停電（瞬時）（秒級）
　　
　　2)浪涌和跌落（毫秒級）
　　
　　3)瞬變脈沖(0.5毫秒級)
　　
　　4)尖峰脈沖（毫微秒級）
　　
　　一般說來，對于過壓、欠壓的解決辦法是用穩(wěn)壓器；而浪涌和跌落由于幅值過大會損壞系統(tǒng)，常用快速響應(yīng)的交流電源穩(wěn)壓器；而瞬變脈沖則可以低通濾波器予以濾除；尖峰脈沖雖然持續(xù)時間短，不會對系統(tǒng)造成損壞，但對系統(tǒng)正常運行卻危害很大，可造成邏輯功能的紊亂，解決辦法可使具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器，參數(shù)穩(wěn)定器和隔離變壓器。
　　
　　因此，為了避免來自電源方面的污染，就需要對電源部分進(jìn)行抗干擾設(shè)計，給予合理的供電　　配置，如下圖。

　　
　　在直流輸出后還應(yīng)有濾波電路，另外，分散的獨立功能的模塊應(yīng)分別供電，這樣應(yīng)在每個模塊上可分別再通過三端穩(wěn)壓塊(7805、7812等)穩(wěn)壓，交流穩(wěn)壓器用以保證供電的穩(wěn)定性；防止電源系統(tǒng)的過壓與欠壓，可提高系統(tǒng)的可靠性；隔離變壓器由于在初級和次級之間均采用屏蔽層隔離，減少了分布電容，因而限制了高頻噪聲從此通過；低通濾波器則可濾去大部分高次諧波的干擾。
　　
　　若考慮濾去50Hz工頻干擾時，則可在整流電路的濾波電路采用雙T形網(wǎng)絡(luò)如下圖。

　　其頻率特性為　　當(dāng)f=50Hz，只需分別給定R與C，使

　　即可。除此以外，消除電源干擾的設(shè)備還有開關(guān)穩(wěn)壓電源、干擾抑制器等，視具體情況而分別采用。

　　2．過程通道的干擾及其抑制措施
　　
　　在實際的應(yīng)用中，單片機的弱電開關(guān)常常要與外部強電電路的功率接口相連接。而外部電路中的干擾可能通過功率接口反竄回控制系統(tǒng)，這些干擾包括開關(guān)閉合時產(chǎn)生的高頻強電磁脈沖、電火花等干擾信號。
　　
　　對此可采用光導(dǎo)纖維傳輸控制系統(tǒng)的輸出信號。因此光電信號不受電磁信號的干擾，故具有很強的抗電磁干擾能力。此外，亦可采用光電耦合器將微處理機浮置隔離。在強干擾環(huán)境下通過對微處理機和其它功率接口單獨供電的方式也可有效地抑制環(huán)路產(chǎn)生的干擾和外界干擾。
　　
　　3．外來干擾及其抑制措施
　　
　　外來的干擾通常是電場、磁場或電磁場通過輻射侵入系統(tǒng)的干擾，對此我們可通過良好的屏蔽和正確合理的接地來消除這種干擾。我們的控制室應(yīng)該具有良好的屏蔽，采用導(dǎo)電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，由渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱高頻電磁場的干擾。高壓脈沖電源在放電過程中（毫秒級）會產(chǎn)生高頻電磁披和電磁場，屏蔽是最好的抗干擾方法之一。另外，控制系統(tǒng)本身亦處于一個相應(yīng)的屏蔽箱之內(nèi)，以盡量減少這種干擾。
　　
　　4．印制板抗干擾電路的設(shè)計
　　
　　印制電路板是微機系統(tǒng)中器件、信號線、電源的高密度集合體。
　　
　　印制板電路設(shè)計的好壞對系統(tǒng)抗干擾能力影響很大，所以對于該電路的設(shè)計布局必須符合抗干擾的原則。
　　
　　(1)印制線路板上器件的合理布局
　　
　　印制板是系統(tǒng)的核心部件，器件的配置、布局對系統(tǒng)的可靠性有著很大的影響。通常按功率不同而將不同的元件分布在不同的區(qū)域。例如對電源電路甚至可以單獨用一塊板子；而易受干擾的器件又可集中布置加以屏幕；微處理器等邏輯部件集中布置；熱敏元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱元件等。對于器件的布局常常要綜合考慮各種因素，對于可能影響系統(tǒng)可靠性的元件分別予以相應(yīng)的處理，使得印制板的器件布置盡量在合理的范圍之內(nèi)。在符合上面所述的電氣原則之后應(yīng)盡可能布局協(xié)調(diào)，達(dá)到美觀的目的。
　　
　　(2)印制電路板本身的可靠性設(shè)計
　　
　　印制板設(shè)計的過程中要注意的問題有：
　　
　　·線路板本身尺寸要合適，過大時，銅皮走線過長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小則影響散熱，同時臨近線條可能會產(chǎn)生相互干擾。
　　
　　·兩條平行布置的導(dǎo)線之間存在寄生電容及耦合電感，可能會因此而產(chǎn)生相互干擾。為了抑制這類干擾，需要在線路布局上盡量合理，如避免出現(xiàn)大的環(huán)形；盡量減少線路所包圍的面積，以降低寄生耦合所產(chǎn)生的電磁干擾；轉(zhuǎn)彎的地方應(yīng)有弧度或加寬；以地線屏蔽信號線等。
　　
　　(3)電源線布置
　　
　　電源線走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞方向一致，并且電源線、地線都應(yīng)盡量加寬，以使其承受功率增大。另外，地線的加寬可降低地線阻抗，使接地的電位不會有太大的變化，這些都能有效地抑制干擾。
　　
　　(4)地線抗干擾設(shè)計
　　
　　接地是個重要的問題。除了上一項中所說地線應(yīng)加寬以外，微機系統(tǒng)中接地還有一些原則。因為在控制系統(tǒng)中地的概念分為好幾種，包括信號地（數(shù)字地、模擬地、信號源地）、噪聲地、屏蔽地、交流地、直流地，對這些具有不同作用的地有不同的接地方法，通常地線抗干擾設(shè)計應(yīng)符合下述原則。
　　
　　·一點接地與多點接地的選擇原則在低頻線路中，布線和元件間的寄生電感不大，為減少地線造成環(huán)路常采用一點接地。在高頻線路中，布線和元件間的寄生電感及分布電容易造成各接地線間的耦合，為此多采用多點接地。
　　
　　·不同性質(zhì)的地線應(yīng)分開設(shè)置，而后通過一點接地．模擬地與數(shù)字地要分別接地。
　　
　　·去耦為了阻止電源輸入元件時的干擾信號，在每一個元件的電源輸入端與地之間（包括電源輸入到電路板上的）都要接一去耦電容以濾去噪聲干擾。一般電源輸入端跨接10～l00μF的電解電容，每個集成電路芯片都接0.01μF的陶瓷電容。
　　
　　硬件的抗干擾設(shè)計有許多內(nèi)容，以上所討論的僅是單片機系統(tǒng)在設(shè)計過程中碰到的一般問題和解決原則。
　　
　　單片機控制系統(tǒng)的可靠性不僅關(guān)系到硬件設(shè)計，并且關(guān)系到硬件的電器性能，以統(tǒng)計的觀點研究系統(tǒng)的可靠性，文獻(xiàn)[5]給出了系統(tǒng)的電子元器件可靠性分析，指出了元件可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響。

　　三、軟件的抗干擾
　　
　　分析盡管在硬件的設(shè)計中人們處處防范，但對于強烈的干擾和偶然出現(xiàn)的因素作用依然會使干擾通過我們所未能低御的地方侵入單片機控制系統(tǒng)，此時干擾雖不一定導(dǎo)致硬件損壞，但亦會使系統(tǒng)工作紊亂從而使CPU產(chǎn)生誤動作，同樣會造成嚴(yán)重的后果。因此在軟件設(shè)計上必須考慮到這一點，從軟件上采取抗干擾措施，以提高系統(tǒng)自身的防御力。
　　
　　1．干擾對系統(tǒng)的危害
　　
　　干擾進(jìn)入系統(tǒng)會引起以下幾種可能情況的出現(xiàn)：
　　
　　(1)CPU中PC指針出錯，程序正常的PC值成為干擾的隨機數(shù)，使得程序走到一些未知的地方或進(jìn)入某種死循環(huán)中，從而使系統(tǒng)失去控制。
　　
　　(2)RAM區(qū)遭到破壞，程序中的RAM區(qū)被隨機數(shù)取代，而造成對讀數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，同樣使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作或混亂。
　　
　　(3)干擾侵入微機系統(tǒng)的前向通道疊加在輸入信號上，致使采樣誤差加大。
　　
　　2。軟件中抗干擾的措施
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)受到干擾而使PC指針出錯時，程序就會亂飛，使系統(tǒng)無法正常工作，因此必須在程序失控的狀態(tài)下把亂飛的PC指針俘獲并強行拉回到一個處理該故障的程序中，恢復(fù)被破壞的現(xiàn)場，回到受干擾之前的地址，使程序正常運行。
　　
　　(1)俘獲失常程序
　　
　　有兩種方法，一種是設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時器（看門狗），使定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，而在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新，只要程序正常運行，定時器就會中斷，而當(dāng)程序失控，不能刷新時間常數(shù)時，使定時中斷，利用定時中斷程序使系統(tǒng)復(fù)位。