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吳鑒鷹單片機項目詳細解析系列連載之如何提高單片機的抗干擾能力

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發(fā)表于 2014-6-12 13:35:02 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
關(guān)鍵詞: 吳鑒鷹 , 單片機抗干擾能力 , 總結
                                             吳鑒鷹單片機項目詳細解析系列連載之如何提高單片機的抗干擾能力
(一)、抗干擾方法綜述
(二)、鐘信號也會(huì )產(chǎn)生干擾
(三)、設備與設備之間如何抗干擾
(四)、引腳抗干擾的方法
(五)、上下電干擾
(六)、隔離法抗干擾
(七)、軟件干擾
(八)、印制板工藝抗干擾
(九)、地線(xiàn)的處理
(一)、抗干擾方法綜述:    在工業(yè)控制 智能儀表都采用了單片機,單片機干擾措施提到重要議事日程上來(lái)單片機抗干擾措施

不解決,其它工作也是白費勁要解決單片機抗干擾措施,必須先找出干擾源,然后采用單片機軟硬件技術(shù)

來(lái)解決

干擾源:主要來(lái)自外部電源內部電源,印制板自制干擾,空中周?chē)姶艌?chǎng)干擾,外部干擾通過(guò)I/O 口輸

入等為敘述方便,我們分硬件軟件抗干擾措施來(lái)講:

() 硬件抗干擾措施

1. 交流程穩壓:使電網(wǎng)電壓穩定

2. 交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖

3. 變壓器雙隔離措施:變壓器初級輸入端串接電容,初次級線(xiàn)圈間屏蔽層與初級間電容中心接點(diǎn)接大

,次級外屏蔽層接印板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段

4. 次級加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓

5. 采用集成式直流穩壓電源:因為有過(guò)流過(guò)壓過(guò)熱等保護

6. I/O 口光電磁電繼電器隔離:去掉公共地

7. 通訊線(xiàn)用雙絞線(xiàn):排除平行互感

8. 防雷電用光纖隔離最為有效

9. A/D 轉換,用隔離放大器或采用現場(chǎng)轉換:減少誤差

10. 外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾

11. 加復位電壓檢測電路:仿止復位不充份,CPU 就工作,尤其有EEPROM 的器件,復位不充份會(huì )改變EEPROM 的內容12. MCU能夠適應的電壓范圍一般在3V-5.5V,但電源的波動(dòng)對MCU而言卻很敏感,比如說(shuō)MCU可以在3.3V電壓下穩定工作,但卻不能在電壓在3V-5.5V波動(dòng)的情況下穩定工作。

13.通常是用電源穩壓塊,做好電源的濾波等工作,提示:一定要在電源旁路并上0.1UF的瓷片電容來(lái)濾除高頻干擾,因為電解電容對超過(guò)幾十KHZ的高頻干擾不起作用。這就是為什么經(jīng)常在電源并上電容的原因14.確實(shí)很重要,比如涉及模擬信號處理的,濾波電容一定要加足,寧大勿小,保證電源的純凈,信號不受干擾;電流大的線(xiàn)路,銅線(xiàn)必須得足夠粗。15.一般單片機項目我們都是在電源端口處一個(gè)10uf電解電容和一個(gè)104瓷介電容,作雙重保證16.通常隔離有:電源隔離,輸入輸出口隔離,空間隔離 (二)、鐘信號也會(huì )產(chǎn)生干擾    在MCU中時(shí)鐘信號也會(huì )產(chǎn)生干擾,時(shí)鐘信號不僅是受噪聲干擾最敏感的部位,同時(shí)也是CPU 對外發(fā)射輻射干擾和引起內部干擾的噪聲源。

    輻射干擾的產(chǎn)生主要與時(shí)鐘信號的上升和下降時(shí)間有關(guān),即門(mén)電路的跳變時(shí)間Tr 。時(shí)鐘頻率越高,信息傳輸線(xiàn)上信息變換頻率也就越高,致使干擾加劇,故在滿(mǎn)足系統功能要求的前提下,要盡量降低時(shí)鐘頻率。這樣有助于提高系統的抗干擾性能。為了避免時(shí)鐘信號被干擾,可以采取以下措施:

(1) 時(shí)鐘脈沖電路配置時(shí)應注意靠近CPU ,引線(xiàn)要短而粗。

(2) 外部時(shí)鐘源用的芯片VCCGND之間可接1μF 左右的去耦電容。

(3) 在可能的情況下,用地線(xiàn)包圍振蕩電路,晶體外殼接地。

(4) 若時(shí)鐘還做其它芯片的脈沖源,要注意隔離和驅動(dòng)措施。 (三)、設備與設備之間如何抗干擾    設備與設備之間這個(gè)就比較復雜了,涉及到電磁干擾,這個(gè)可能更需要整個(gè)系統的抗干擾處理,比如屏蔽線(xiàn)或者隔離器等    屏蔽線(xiàn)對靜電干擾有較強的抑制作用,而雙膠線(xiàn)有抵消電磁感應干擾的作用.

開(kāi)關(guān)信號檢測線(xiàn)和模擬信號檢測線(xiàn)可以使用屏蔽雙膠線(xiàn),來(lái)抵御靜電和電磁感應干擾;特殊的干擾源也可以用屏蔽線(xiàn)連接,屏蔽了干擾源向外施加干擾。離這塊,隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離出來(lái),使監控裝置與現場(chǎng)僅保持信號聯(lián)系,但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。

    隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷。從而達到隔離現場(chǎng)干擾的目的。一般單片機應用系統既有弱電控制系統又有強電控制系統,通常實(shí)行弱電和強電隔離,是保證系統工作穩定、設備與操作人員安全的重要措施。(四)、引腳抗干擾的方法看到這個(gè)我又想起之前,我們做的一個(gè)產(chǎn)品上,蜂鳴器的鳴叫響聲達不到標準要求,就特意把蜂鳴器驅動(dòng)部分做了實(shí)驗,研究改變參數對蜂鳴器的鳴叫影響。蜂鳴器是感性器件,在通斷電時(shí)候會(huì )產(chǎn)生反向電動(dòng)勢能,這個(gè)可能導致?lián)p壞元件,而且會(huì )干擾其它電路,通過(guò)電源直接進(jìn)入到MCU中。有些芯片由于內部電路的關(guān)系確實(shí)這樣子的,因為如果引腳輸入懸空,在感應電的情況下,輸出有可能是高,也有可能是低,還可能在振蕩,就有可能對其他引腳造成影響了    另外說(shuō)道這個(gè)加電容,記得以前做產(chǎn)品時(shí),看到MCU datasheet上有這么一說(shuō),某個(gè)引腳沒(méi)有被用到,不能直接NC,要通過(guò)一個(gè)電容連接到地GND

  圖片1(五)、上下電干擾   上下電干擾:但每個(gè)MCU 系統在上電時(shí)候都要經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程,所以要尤其注意。

    MCU 雖然可以在3V 電壓下穩定工作,但并不是說(shuō)它不能在3V 以下的電壓下工作,當然在如此低的電壓下MCU 是超不穩定狀態(tài)的。

    在系統加電時(shí)候,系統電源電壓是從0V 上升到額定電壓的,比如當電壓到2V 時(shí)候,MCU 開(kāi)始工作了,但這時(shí)是超不穩定的工作,極容易跑飛。 (六)、隔離法抗干擾如果把電源電壓變化持續時(shí)間定為Δt,那么,根據Δt的大小可以把電源干擾分為四種情況:

1)過(guò)壓、欠壓、停電: 當Δt>1s時(shí)產(chǎn)生的干擾,解決辦法是使用各種穩壓器、電源調節器,對短時(shí)停電可用不間斷電源(UPS)供電。

2)浪涌、下陷、半周降出:當1s>Δt> 10ms時(shí)產(chǎn)生

     的干擾,可使用快速響應的交流電源調壓器克服。


3)尖峰電壓:當Δt為μs量級時(shí)產(chǎn)生的干擾,

  解決辦法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源

調節器、參數穩壓器或超隔離變壓器。


4射頻干擾:當Δtns量級時(shí)產(chǎn)生的干擾,可加2~3低通濾波器消除干擾。

在單片機系統中,為了提高供電系統的質(zhì)量,防止竄入干擾,建議采用如下措施:

1)單片機輸入電源與強電設備動(dòng)力電源分開(kāi)。

2)采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。

隔離變壓器的初級和次級之間均采用隔離屏蔽層(可用漆包線(xiàn)或銅等非導磁材料在初級和次級繞一層,但電氣上不能與初級、次級線(xiàn)圈短路,而后引出一個(gè)頭接地)。各初級、次級間的靜電屏蔽與初級間的零電位線(xiàn)相接,再用電容耦合接地。如圖所示: 圖片2 過(guò)程通道是系統輸入、輸出以及單片機之間進(jìn)行信息傳輸的路徑。由于輸入輸出對象與單片機之間的連接線(xiàn)長(cháng),容易串入干擾,必須采用隔離技術(shù)、雙絞線(xiàn)傳輸、阻抗匹配等措施抑制。2、開(kāi)關(guān)量隔離     有一種就是接光耦,我們做電機類(lèi)項目的時(shí)候,MCU與大功率電機控制區之間是要用光耦進(jìn)行隔離的,防止大電流燒壞MCU引腳,常用的開(kāi)關(guān)量隔離器有光電隔離器、繼電器、光電隔離固態(tài)繼電器(SSR)。1)光電隔離器

      光電耦合器是把一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管封裝在一個(gè)外殼里的器件,光電耦合器的電路符號如圖83所示。輸入信號使發(fā)光二極管發(fā)光,其光線(xiàn)又使光敏三極管產(chǎn)生電信號輸出,從而既完成了信號的傳遞,又實(shí)現了電氣上的隔離,如圖84所示。對啟動(dòng)或停止負荷不太大的設備,常采用光電耦合器來(lái)抑制輸出通道的干擾。   圖片3   圖片4 如果輸出開(kāi)關(guān)量是用于控制大負荷設備時(shí),就需采用繼電器隔離輸出。因為繼電器觸點(diǎn)的負載能力遠遠大于光電隔離的負載能力,它能直接控制動(dòng)力回路。在采用繼電器做開(kāi)關(guān)量隔離輸出時(shí),要在單片機輸出端的鎖存器74LS273與繼電器間設置一個(gè)

  圖片5OC門(mén)驅動(dòng)器。用以提供較高的驅動(dòng)電流。平時(shí)的干擾一般是信號高低跳變是產(chǎn)生的尖峰,一般在芯片旁邊加上一個(gè)旁路電容,而且是盡可能靠近芯片的旁路電容就能解決,但是在工業(yè)應用或者室外,久不久還是會(huì )出現干擾的情況,你的加上拉方法試過(guò),有改善,但是貌似改善的算是一半多點(diǎn),還是有一半的情況出現誤動(dòng)作,也不確定是不是程序不夠完善,反正還是有很多地方要注意檢查 (七)、軟件干擾   看了上面的,都是在講硬件干擾,我來(lái)說(shuō)說(shuō)軟件干擾吧

軟件抗干擾主要有亮點(diǎn): 一是消除模擬輸入信號的嗓聲(如數字濾波技術(shù));二是程序運行混亂時(shí)使程序重入正軌的方法。


看門(mén)狗抗干擾:失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”,通常都是采用“看門(mén)狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過(guò)不斷檢測程序循環(huán)運行時(shí)間,若發(fā)現程序循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大循環(huán)運行時(shí)間,則認為系統陷入“死循環(huán)”,需進(jìn)行出錯處理。


    “看門(mén)狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現,也可由軟件實(shí)現。 在工業(yè)應用中,嚴重的干擾有時(shí)會(huì )破壞中斷方式控制字,關(guān)閉中斷。系統無(wú)法定時(shí)“喂狗”,硬件看門(mén)狗電路失效。而軟件看門(mén)狗可有效地解決這個(gè)問(wèn)題

(八)、印制板工藝抗干擾:

. 電源線(xiàn)加粗,合理走線(xiàn)接地,總線(xiàn)分開(kāi): 減少互感振蕩

. CPU RAM ROM等主芯片,VCC GND間接電解電容及瓷片電容:去掉高低頻干擾脈沖

. 獨立系統結構,減少接插件與連線(xiàn):提高可靠性,減少構障率

. 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

. 有條件采用四層以上印制板,中間兩層為電源及地

(). 軟件抗干擾措施:

1. 多用查詢(xún)代替中斷,把中斷源減到最少:中斷信號連線(xiàn)不大于0.1 ,防止誤觸發(fā)感應觸發(fā)

2. A/D 轉換采用數字濾波:平均法,比較平均法等:防止突發(fā)性干擾

3. MCS-51 單片機空單元寫(xiě)上00H,最后放跳轉指令到ORG 0000H:因干擾程序走飛,可能抓回去

4. 多次重復輸出,輸出信號保持在RAM :止因干擾信止輸出

5. 開(kāi)機自檢 自診斷,RAM 中重要內容要分區存放,經(jīng)常進(jìn)行比較檢查,機器不能帶病工作

6. 表格參數放在 EPROM ,檢驗和存于最后單元,防止EPROM

7. 加看門(mén)狗,軟件走飛可從頭開(kāi)始

8. 開(kāi)關(guān)信號延時(shí)去抖動(dòng)

9. I/O 口正確操作,必須檢查口執行命令情況防止外部故障不執行控制命令

10. 通訊應加奇偶校驗或查詢(xún) 表決比較等措施,防止通訊出錯(三).這個(gè)濾波電容主要是在PCB layout時(shí),要注意位置,基本上所有小電容都要靠近引腳 (九)、地線(xiàn)的處理MCU的抗干擾,那就不得不說(shuō)地線(xiàn)的處理1、選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。當信號頻率小于1MHz時(shí),應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí),可以部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;當頻率大于10MHz時(shí),適合采用多點(diǎn)串聯(lián)接地;當信號頻率在1~10MHz之間時(shí),若地線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)波長(cháng)的1/20,可用單點(diǎn)接地 圖片6 2、數字地、模擬地、電源地等分開(kāi)走線(xiàn),在一個(gè)點(diǎn)上可靠連接 圖片7MCU的抗干擾,那就不得不說(shuō)地線(xiàn)的處理1、選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。當信號頻率小于1MHz時(shí),應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí),可以部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;當頻率大于10MHz時(shí),適合采用多點(diǎn)串聯(lián)接地;當信號頻率在1~10MHz之間時(shí),若地線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)波長(cháng)的1/20,可用單點(diǎn)接地 圖片8 2、數字地、模擬地、電源地等分開(kāi)走線(xiàn),在一個(gè)點(diǎn)上可靠連接

圖片93、接地線(xiàn)應盡量加粗,使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。一般接地線(xiàn)寬度應在2~3mm以上。地線(xiàn)、電源線(xiàn)與信號線(xiàn)的關(guān)系是:地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號線(xiàn)4、 使數字電路的接地線(xiàn)形成閉環(huán)路。5、高頻部分盡量采用大面積包圍式地線(xiàn)以上若有不當之處,還請各位大俠指教3、接地線(xiàn)應盡量加粗,使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。一般接地線(xiàn)寬度應在2~3mm以上。地線(xiàn)、電源線(xiàn)與信號線(xiàn)的關(guān)系是:地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號線(xiàn)4、 使數字電路的接地線(xiàn)形成閉環(huán)路。5、高頻部分盡量采用大面積包圍式地線(xiàn)


沙發(fā)
 樓主| 發(fā)表于 2014-6-27 14:36:33 | 只看該作者
歡迎大家補充。!
板凳
發(fā)表于 2015-1-31 18:13:08 | 只看該作者
謝謝樓主分享
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