第14章单片机应用系统抗干扰与可靠性设计 14.1千扰的来源 142供电系统干扰及其抗干扰措施 142,1电源噪声来源、种类及危害 142.2供电系统的抗干扰设计 14.3过程通道干扰的抑制措施一隔离 143.1光电隔离的基本配置 143.2光电隔离的实现 14.4空间干扰及抗干扰措施 1441接地技术 144.2屏蔽技术
2 第14章 单片机应用系统抗干扰与可靠性设计 14.1 干扰的来源 14.2 供电系统干扰及其抗干扰措施 14.2.1 电源噪声来源、种类及危害 14.2.2 供电系统的抗干扰设计 14.3 过程通道干扰的抑制措施—隔离 14.3.1 光电隔离的基本配置 14.3.2 光电隔离的实现 14.4空间干扰及抗干扰措施 14.4.1 接地技术 14.4.2 屏蔽技术 2
14.5反电势干扰的抑制 146印刷电路板的抗干扰设让 146.1地线及电源线设计 146.2去耦电容的配置 146.3印制板的布线的抗干扰设计 14.7软件抗干扰措施 147.1软件抗干扰的一般方法 14.7.2指令冗余和软件陷阱 147.3软件滤波 14.74开关量输入输出软件抗干扰设计 148看门狗定时器的使用
3 14.5 反电势干扰的抑制 14.6 印刷电路板的抗干扰设计 14.6.1 地线及电源线设计 14.6.2 去耦电容的配置 14.6.3 印制板的布线的抗干扰设计 14.7软件抗干扰措施 14.7.1 软件抗干扰的一般方法 14.7.2 指令冗余和软件陷阱 14.7.3 软件滤波 14.7.4 开关量输入/输出软件抗干扰设计 14.8 看门狗定时器的使用
内容概要 目前,随着单片机应用系统的广泛应用,单片机系统的可靠 性越来越受到人们的关注。单片机系统的可靠性是由多种因素 决定,其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要 因素。因此,研究抗干扰技术,提高单片机系统的抗干扰性能 是本章要研究的内容。本章将从干扰源的来源、硬件、软件 以及电源系统、接地系统等各个方面研究分析并给出有效可行 的解决措施,同时还对软件的抗干扰措施进行了介绍
4 内容概要 目前，随着单片机应用系统的广泛应用，单片机系统的可靠 性越来越受到人们的关注。单片机系统的可靠性是由多种因素 决定，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要 因素。因此，研究抗干扰技术，提高单片机系统的抗干扰性能 ，是本章要研究的内容。本章将从干扰源的来源、硬件、软件 以及电源系统、接地系统等各个方面研究分析并给出有效可行 的解决措施，同时还对软件的抗干扰措施进行了介绍
141千扰的来源 一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声,又 称干扰。在单片机系统中,如果出现干扰,就会影响指令的正 常执行,造成控制事故或控制失灵,在测量通道中产生干扰, 就会使测量产生误差,电压的冲击有可能使系统遭到致命的破 坏 环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入 系统的,干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条,如图14-1 所示
5 14.1 干扰的来源 一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又 称干扰。在单片机系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正 常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生干扰， 就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破 坏。 环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入 系统的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条，如图14-1 所示
空间干扰 过程通道干扰 单片机 应用系统 电系统干拥 图14-1单片机测控系统的主要干扰渠道
6 图14-1 单片机测控系统的主要干扰渠道
(1)空间干扰 空间干扰来源于周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅 逆变电源等发出的电干扰和磁干扰;广播电台或通讯发射台发出 的电磁波;空中雷电,甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空 间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。 (2)供电系统干扰 由于工业现场运行的大功率设备众多,特别是大感性负载设 备启停会使得电网电压大幅度涨落(浪涌),工业电网电压的欠 压或过压常常达到额定电压的士15%以上。这种状况有时长达 几分钟、几小时、甚至几天。由于大功率开关的通断,电机的启 停,电焊等原因,电网上常常出现几百伏,甚至几千伏的尖脉冲 干扰
7 (1) 空间干扰 空间干扰来源于周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅 逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或通讯发射台发出 的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空 间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。 (2) 供电系统干扰 由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设 备启停会使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网电压的欠 压或过压常常达到额定电压的±15% 以上。这种状况有时长达 几分钟、几小时、甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启 停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲 干扰
(3)过程通道干扰 为了达到数据采集或实时控制的目的,开关量输入输出,模 拟量输入输出是必不可少的。在工业现场,这些输入输出的信号 线和控制线多至几百条甚至几千条,其长度往往达几百米或几千 米,因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备 漏电,接地系统不完善,或者测量部件绝缘不好,都会使通道中 直接串入干扰信号;各通道的线路如果同出一根电缆中或绑扎在 起,各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰,尤其是0~ 15V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中 其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通 道中形成干扰电压。这样,轻者会使测量的信号发生误差,重者
8 (3) 过程通道干扰 为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模 拟量输入输出是必不可少的。在工业现场，这些输入输出的信号 线和控制线多至几百条甚至几千条，其长度往往达几百米或几千 米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备 漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，都会使通道中 直接串入干扰信号；各通道的线路如果同出一根电缆中或绑扎在 一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是0～ 15V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中 其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通 道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者 8
会使有用的信号完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会 达到几十伏以上,使单片机系统无法工作。 以上三种干扰以来自供电系统的干扰最甚,其次为来自过程 通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰,需加适当的屏蔽及接地 来解决。 142供电系统干扰及其抗干扰措施 任何电源及输电线路都存在内阻,正是这些内阻才引起了电 源的噪声干扰。如果没有内阻,无论何种噪声都会被电源短路吸 收,在线路中不会建立起任何干扰电压。 单片机系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在 某些大功率耗电设备的电网中,经对电源检测发现,在50周正 弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压
9 会使有用的信号完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会 达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。 以上三种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程 通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地 来解决。 14.2 供电系统干扰及其抗干扰措施 任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电 源的噪声干扰。如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸 收，在线路中不会建立起任何干扰电压。 单片机系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在 某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正 弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压。 9
1421电源噪声来源、种类及危害 如果把电源电压变化持续时间定义为△t,那么,根据△ 大小可以把电源干扰分为 (1)过压、欠压、停电:△t1s; (2)浪涌、下陷:1s>△t10ms; (3)尖峰电压:△为μs量级; (4)射频干扰:△t为ns量级; (5)其它:半周内的停电或者过欠压。 过压、欠压、停电的危害是显而易见的,解决的办法是使用 各种稳压器、电源调节器,对付暂短时间的停电则配置不间断 电源(UPS)
10 14.2.1 电源噪声来源、种类及危害 如果把电源电压变化持续时间定义为Δt，那么，根据Δt的 大小可以把电源干扰分为： （1）过压、欠压、停电：Δt>1s; （2）浪涌、下陷：1s>Δt>10ms; （3）尖峰电压：Δt为µs量级； （4）射频干扰：Δt为ns量级； （5）其它：半周内的停电或者过欠压。 过压、欠压、停电的危害是显而易见的，解决的办法是使用 各种稳压器、电源调节器，对付暂短时间的停电则配置不间断 电源（UPS）。 10
浪涌与下陷是电压的快变化,如果幅度过大也会毁坏系统。即使 变化不大(±10%~±15%),直接使用不一定会毁坏系统, 但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器,往 往会在这些变化点附近产生振荡,使得电压忽高忽低。如果有连 续几个士10%~士15%的浪涌或下陷,由此造成的振荡能产生 士30%~±40%的电源变化,而是系统无法工作,解决的办法 是使用快速响应的交流电源稳压器。 尖峰电压持续时间很短,一般不会毁坏系统,但对单片机系 统正常运行危害很大,会造成逻辑功能紊乱,甚至冲坏源程序。 解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压 器或超隔离变压器
11 浪涌与下陷是电压的快变化，如果幅度过大也会毁坏系统。即使 变化不大（±10％～±15％），直接使用不一定会毁坏系统， 但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往 往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如果有连 续几个±10％～±15％的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生 ±30％～±40％的电源变化，而是系统无法工作，解决的办法 是使用快速响应的交流电源稳压器。 尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系 统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序。 解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压 器或超隔离变压器