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單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾的常用方法介紹
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、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,重則會導(dǎo)致事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。今天小編就給大家介紹下單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾的常用方法，大家一起來看看吧。
形成干擾的基本要素有三個：
(1)干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號, 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。指容易被干擾的對象。如：A/D、 D/A變換器,單片機(jī),數(shù)字IC,弱信號放大器等
干擾的分類
1.1 干擾的分類
干擾的分類有好多種,通�？梢园凑赵肼暜a(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)生的干擾信號是通過一定的耦合通道才對測控系統(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。比如干擾信號通過電源線侵入系統(tǒng)。對于這種形式,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)計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。
(3)電容耦合：又稱電場耦合或靜電耦合。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,在絕緣不好時就會發(fā)生。
2 常用硬件抗干擾技術(shù)
針對形成干擾的三要素,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)計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則,常常會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,消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可動作更多的次數(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IC要并接一個0.01μF～0.1
μF高頻電容,以減小IC對電源的影響。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,會影響濾波效果。
(5)布線時避免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(這個噪聲嚴(yán)重時可能會把可控硅擊穿的)。
單片機(jī)自身的抗干擾措施：
為提高單片機(jī)本身的可靠性。近年來單片機(jī)的制造商在單片機(jī)設(shè)計上采取了一系列措施以期提高可靠性。這些技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾方面。
1.降低外時鐘頻率
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(dá)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(jī)是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一。以8051單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)時鐘只需4mhz，更適合用于工控系統(tǒng)。近年來，一些生產(chǎn)8051兼容單片機(jī)的廠商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運(yùn)算速度的前提下將對外時鐘的需求降至原來的1/3。而motorola 單片機(jī)在新推出的68hc08系列以及其16/32位單片機(jī)中普遍采用了內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，將外部時鐘頻率降至32khz，而內(nèi)部總線速度卻提高到8mhz乃至更高。
2.低噪聲系列單片機(jī)
傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計中，在電源、地的引出上通常將其安排在對稱的兩邊。如左下角是地，右下角是電源。這使得電源噪聲穿過整個硅片。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地安排在兩個相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過整個硅片的電流，一方面使外部去耦電容在pcb設(shè)計上更容易安排，以降低系統(tǒng)噪聲。另一個在集成電路設(shè)計上降低噪聲的例子是驅(qū)動電路的設(shè)計。一些單片機(jī)提供若干個大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。這些大功率的驅(qū)動電路集成到單片機(jī)內(nèi)部無疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術(shù)可消除這方面的影響，辦法是將一個大功率管做成若干個小管子的并聯(lián)，再為每個管子輸出端串上不同等效阻值的電阻。以降低di/dt。
3.時鐘監(jiān)測電路、看門狗技術(shù)與低電壓復(fù)位
監(jiān)測系統(tǒng)時鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時鐘停振時產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號以恢復(fù)系統(tǒng)時鐘，是單片機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。而時鐘監(jiān)控有效與省電指令stop是一對矛盾。只能使用其中之一。
看門狗技術(shù)是監(jiān)測應(yīng)用程序中的一段定時中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀況，當(dāng)這段程序不工作時判斷為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。
低電壓復(fù)位技術(shù)是監(jiān)測單片機(jī)電源電壓，當(dāng)電壓低于某一值時產(chǎn)生復(fù)位信號。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)本身對電源電壓范圍的要求越來越寬。電源電壓從當(dāng)初的5v降至3.3v并繼續(xù)下降到2.7v、2.2v、1.8v。在是否使用低電壓復(fù)位功能時應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況權(quán)衡一下。
4. eft技術(shù)
新近推出的motorola m68hc08 系列單片機(jī)采用eft(electrical fast transient)技術(shù)進(jìn)一步提高了單片機(jī)的抗干擾能力。當(dāng)振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時，其波形上會疊加一些毛刺。以施密特電路對其整形時，這種毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘信號。交替使用施密特電路和rc濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是eft技術(shù)。隨著vlsi技術(shù)的不斷發(fā)展，電路內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷發(fā)展之中。
5.軟件方面的措施
單片機(jī)本身在指令設(shè)計上也有一些抗干擾的考慮。非法指令復(fù)位或非法指令中斷是當(dāng)運(yùn)行程序時遇到非法指令或非法尋址空間能產(chǎn)生復(fù)位或中斷。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序是事先寫好的，不可能有非法指令或?qū)ぶ�。一定是系統(tǒng)受到干擾，cpu讀指令時出錯了。
以上提到的是當(dāng)前廣泛使用的單片機(jī)應(yīng)該具有的內(nèi)部抗干擾措施。在選用單片機(jī)時，要檢查一下這些性能是否都有，以求設(shè)計出可靠性高的系統(tǒng)。
在應(yīng)用軟件設(shè)計方面，設(shè)計者都有各自的經(jīng)驗(yàn)。這里要提醒的是最后對不用的rom要做處理。原則是萬一程序落到這里可以自恢復(fù)。
用于單片機(jī)系統(tǒng)的干擾抑制元件
1.去耦電容
每個集成電路的電源、地之間應(yīng)配置一個去耦電容，它可以濾掉來自電源的高頻噪聲。作為儲能元件，它吸收或提供該集成電路內(nèi)部三極管導(dǎo)通、截止引起的電流變化(di/dt)，從而降低系統(tǒng)噪聲。要選高頻特性好的獨(dú)石電容或瓷片電容作去耦電容。每塊印制電路板電源引入的地方要安放一只大容量的儲能電容。由于電解電容的纏繞式結(jié)構(gòu)，其分布電感較大，對濾除高頻干擾信號幾乎不起作用。使用時要與去耦電容成對使用。鉭電容則比電解電容效果更好。
2.抑制高頻的電感
用粗漆包線穿入軸向有幾個孔的鐵氧體芯，就構(gòu)成了高頻扼制器件。將其串入電源線或地線中可阻止高頻信號從電源/地線引入。這種元件特別適用于隔開一塊印制電路板上的模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、以及大功率驅(qū)動區(qū)的供電。應(yīng)該注意的是它必須放在該區(qū)儲能電容與電源之間而不能放在儲能電容與用電器件之間。
3.自恢復(fù)保險絲
這是用一種新型高分子聚合材料制成的器件，當(dāng)電流低于其額定值時，它的直流電阻只有零點(diǎn)幾歐。而電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱電阻越大，從而阻斷電源電流。當(dāng)溫度降下來以后能自動恢復(fù)正常。這種器件可防止cmos器件在遇到強(qiáng)沖擊型干擾時引起所謂“可控硅觸發(fā)”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象指集成電路硅片的基體變得導(dǎo)通，從而引起電流增大，導(dǎo)致cmos集成電路發(fā)熱乃至燒毀。
4.防雷擊器件
室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或電源線、信號線從室外架空引入室內(nèi)的，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管，tvs(transient voltage supervention)等，氣體放電管是當(dāng)電源電壓大于某一值時，通常為數(shù)十伏或數(shù)百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地，tvs可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)電兩端電壓高于某一額定值時導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃至上千安培的電流。這類元器件要和抗共模和抗差模干擾的電感配合使用以提高抗干擾效果。
提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段
1.接地
這里的接地指接大地，也稱作保護(hù)地。為單片機(jī)系統(tǒng)提供良好的地線，對提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。特別是對有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關(guān)重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，如果系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻過大，則這些元件都不能發(fā)揮作用。為單片機(jī)供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關(guān)系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應(yīng)用場合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對不能把接地線與動力線的火線、零線中的零線混淆。
2.隔離與屏蔽
典型的信號隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機(jī)的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號不得進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，另一方面單片機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲也不會以傳導(dǎo)的方式傳播出去。屏蔽則是用來隔離空間輻射的，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(jī)系統(tǒng)的干擾。對特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號放大電路可屏蔽起來。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。
3.濾波
濾波指各類信號按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50周的交流電順利通過，將其它高頻噪聲導(dǎo)入大地。低通濾波器的配置指標(biāo)是插入損耗，選擇的低通濾波器插入損耗過低起不到抑制噪聲的作用，而過高的插入損耗會導(dǎo)致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身安全性。高通、帶通濾波器則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中對信號的處理要求選擇使用。
印制電路板的布線與工藝
印制電路板的設(shè)計對單片機(jī)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。當(dāng)你設(shè)計單片機(jī)用印制電路板時，不仿對照下面的條條檢查一下。
印制電路板要合理區(qū)分，單片機(jī)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)(即怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動區(qū)(干擾源)。
印刷板按單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地原則送電。三個區(qū)域的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。
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。i/o驅(qū)動器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件。
能用低速的就不用高速的,高速器件只用在關(guān)鍵的地方。
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，時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。
使用45度的折線布線，不要使用90度折線,以減小高頻信號的發(fā)射。
單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號線的過孔要盡量少。
層板比雙面板噪聲低20db。6層板比4層板噪聲低10db。經(jīng)濟(jì)條件允許時盡量用多層板。關(guān)鍵的線盡量短并要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。將敏感信號和噪聲場帶信號通過一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號-地線的方式引出。石英振蕩器下面、噪聲敏感器件下面要加大地的面積而不應(yīng)該走其它信號線。任何信號線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。時鐘線垂直于i/o線比平行于i/o線干擾小，時鐘線要遠(yuǎn)離i/o線。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。單片機(jī)及其它ic電路，如有多個電源、地端的話，每端都要加一個去耦電容。單片機(jī)不用的i/o端口要定義成輸出。每個集成電路要加一個去耦電容，要選高頻信號好的獨(dú)石電容式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。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。用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作電路充電的儲能電容。因?yàn)殡娊怆娙莘植茧姼休^大，對高頻無效。使用電解電容時要與高特性好的去耦電容成對使用。需要時，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。弱信號引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來。印刷板過大、或信號線頻率過高，使得線上的延遲時間大于等于信號上升時間時，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻。盡量不要使用ic 插座，把ic直接焊在印刷板上，ic座有較大的分布電容。
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)充分考慮電源對單片機(jī)的影響。電源做得好,整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對電源噪聲很敏感,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,數(shù)字、模擬信號。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)布線時盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲。
(2)布線時,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:變壓器初級輸入端串接電容,初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點(diǎn)接大地,次級外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級加低通濾波器: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干擾。
(9)加復(fù)位電壓檢測電路。防止復(fù)位不充分, CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會改變EEPROM的內(nèi)容。
(10)印制板工藝抗干擾：
�、� 電源線加粗,合理走線、接地,三總線分開以減少互感振蕩。
�、� 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。
�、� 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。
�、� 有條件的采用四層以上印制板,中間兩層為電源及地。
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