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1、第第8 8章章 单片机系统的抗干扰技术单片机系统的抗干扰技术本章学习目标本章学习目标： 本章主要介绍了单片机系统的干扰来源，主要干扰的本章主要介绍了单片机系统的干扰来源，主要干扰的形式、种类及抗干扰措施。通过对本章的学习，读者应形式、种类及抗干扰措施。通过对本章的学习，读者应达到以下目标：达到以下目标：熟悉单片机系统的各种干扰来源及形式熟悉单片机系统的各种干扰来源及形式学会供电系统及过程通道的抗干扰措施学会供电系统及过程通道的抗干扰措施能说出在印制电路板设计中体现的抗干扰措施能说出在印制电路板设计中体现的抗干扰措施学习设计软件陷阱及看门狗电路学习设计软件陷阱及看门狗电路8.1 8.1 干扰的来
2、源干扰的来源 在日常生活中，经常会遇到这样一些现象。比如听收在日常生活中，经常会遇到这样一些现象。比如听收音机时，有汽车经过，喇叭就会出现刺耳的噪声，这就是音机时，有汽车经过，喇叭就会出现刺耳的噪声，这就是干扰。干扰。所谓干扰，就是有用信号外的噪声或造成恶劣影响所谓干扰，就是有用信号外的噪声或造成恶劣影响的变化部分的总称的变化部分的总称。 在进行单片机应用产品的开发过程中，我们经常会碰在进行单片机应用产品的开发过程中，我们经常会碰到一个很棘手的问题，即在实验室环境下系统运行很正常，到一个很棘手的问题，即在实验室环境下系统运行很正常，但小批量生产并安装在工作现场后，却出现一些不太规律、但小批量生
3、产并安装在工作现场后，却出现一些不太规律、不太正常的现象。究其原因主要是系统的抗干扰设计不全不太正常的现象。究其原因主要是系统的抗干扰设计不全面，导致应用系统的工作不可靠。引起单片机控制系统干面，导致应用系统的工作不可靠。引起单片机控制系统干扰的主要原因有以下几类：扰的主要原因有以下几类：（1）供电系统的干扰）供电系统的干扰 众所周知，电源开关的通断、电机和大的用电设备众所周知，电源开关的通断、电机和大的用电设备的启停会使供电电网发生波动，受这些因素的影响，电的启停会使供电电网发生波动，受这些因素的影响，电网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲干扰，这网上常常出现几百伏、甚至几千伏的尖峰脉冲
4、干扰，这就会使同一电网供电的单片机控制系统无法正常运行。就会使同一电网供电的单片机控制系统无法正常运行。这种干扰是危害最严重也是最广泛的一种干扰形式。这种干扰是危害最严重也是最广泛的一种干扰形式。（2）过程通道的干扰）过程通道的干扰 在单片机应用系统中，开关量输入、输出和模拟量在单片机应用系统中，开关量输入、输出和模拟量输入、输出通道是必不可少的。这些通道不可避免地会输入、输出通道是必不可少的。这些通道不可避免地会使各种干扰直接进入单片机系统。同时，在这些输入输使各种干扰直接进入单片机系统。同时，在这些输入输出通道中的控制线及信号线彼此之间会通过电磁感应而出通道中的控制线及信号线彼此之间会通过
5、电磁感应而产生干扰，从而使单片机应用系统的程序错误，甚至会产生干扰，从而使单片机应用系统的程序错误，甚至会使整个系统无法正常运行。使整个系统无法正常运行。（3）空间电磁波的干扰）空间电磁波的干扰 空间干扰主要来自太阳及其它天体辐射电磁波、广播电空间干扰主要来自太阳及其它天体辐射电磁波、广播电台或通讯发射台发出的电磁波及各种周围电气设备发射的电台或通讯发射台发出的电磁波及各种周围电气设备发射的电磁干扰等。如果单片机应用系统工作在电磁波较强的区域而磁干扰等。如果单片机应用系统工作在电磁波较强的区域而没有采取相关的防护措施，就容易引起干扰。但这种干扰一没有采取相关的防护措施，就容易引起干扰。但这种干
6、扰一般可通过适当的屏蔽及接地措施加以解决。般可通过适当的屏蔽及接地措施加以解决。 因此，针对以上出现的问题，我们必须采用有效措施以因此，针对以上出现的问题，我们必须采用有效措施以提高单片机应用系统抗干扰的能力。提高单片机应用系统抗干扰的能力。8.2 8.2 主要干扰通道及抗干扰措施主要干扰通道及抗干扰措施 8.2.1 8.2.1 供电系统干扰及抗干扰措施供电系统干扰及抗干扰措施1、供电干扰的种类、供电干扰的种类 如果把电源电压变化持续时间定为如果把电源电压变化持续时间定为tt，那么，根据，那么，根据tt的的大小可以把电源干扰分为四种情况：大小可以把电源干扰分为四种情况：（1 1）过压、欠压、停
7、电：）过压、欠压、停电： 当当t1st1s时产生的干扰，解决时产生的干扰，解决办法是使用各种稳压器、电源调节器，对短时停电可用不办法是使用各种稳压器、电源调节器，对短时停电可用不间断电源（间断电源（UPSUPS）供电。）供电。（2）浪涌、下陷、半周降出：当）浪涌、下陷、半周降出：当1st 10ms时产生时产生 的干扰，可使用快速响应的交流电源调压器克服。的干扰，可使用快速响应的交流电源调压器克服。（3）尖峰电压：当）尖峰电压：当t为为s量级时产生的干扰，量级时产生的干扰， 解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源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。调节器、
8、参数稳压器或超隔离变压器。 （4）射频干扰：当）射频干扰：当t为为ns量级时产生的干扰，可加量级时产生的干扰，可加23节低节低通滤波器消除干扰。通滤波器消除干扰。2 2、抗干扰设计、抗干扰设计 在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如下措施：干扰，建议采用如下措施：（1）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。（2）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。 隔离变压器的初级和次级之间均采用隔离屏隔离变压器的初级和次级之间均采用隔离屏
9、蔽层（可用漆包线或铜等非导磁材料在初级和次级蔽层（可用漆包线或铜等非导磁材料在初级和次级绕一层，但电气上不能与初级、次级线圈短路，而绕一层，但电气上不能与初级、次级线圈短路，而后引出一个头接地）。各初级、次级间的静电屏蔽后引出一个头接地）。各初级、次级间的静电屏蔽与初级间的零电位线相接，再用电容耦合接地。如与初级间的零电位线相接，再用电容耦合接地。如图图81所示。所示。图81 隔离变压器（3）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时外壳要加屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线外壳要加屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线必须相互隔
10、离，以防止感应和辐射耦合。直流输出部分采必须相互隔离，以防止感应和辐射耦合。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。用大容量电解电容进行平滑滤波。（4）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电网电压起伏的影响，可设置交流稳压器。网电压起伏的影响，可设置交流稳压器。（5）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级稳压。例如主板电源先用稳压。例如主板电源先用7809稳压到稳压到9V，再用，再用7805稳压到稳压到5V。如图。如图82所示。所示。（6）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗
11、干扰能）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力。例如用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流力。例如用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流24V继电器比继电器比6V继电器效果好。继电器效果好。8.2.28.2.2过程通道干扰及抗干扰措施过程通道干扰及抗干扰措施图82 供电系统配置图 过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。由于输入输出对象与单片机之间的连接线长，容输的路径。由于输入输出对象与单片机之间的连接线长，容易串入干扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等易串入干扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等
12、措施抑制。措施抑制。（1）光电隔离器）光电隔离器 光电耦合器是把一个发光二极管和一光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件，个光敏三极管封装在一个外壳里的器件，光电耦合器的电路符号如图光电耦合器的电路符号如图83所示。输所示。输入信号使发光二极管发光，其光线又使光入信号使发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递，又实现了电气上的隔离，如信号的传递，又实现了电气上的隔离，如图图84所示。对启动或停止负荷不太大的所示。对启动或停止负荷不太大的设备，常采用光电耦合器来抑制输出通道设备，常采用光电耦合器来抑
13、制输出通道的干扰。的干扰。图84 开关量输入光电隔离电路图83 光电隔离器图形符号1、开关量隔离、开关量隔离 常用的开关量隔离器有光电隔离器、继电器、光电隔离常用的开关量隔离器有光电隔离器、继电器、光电隔离固态继电器固态继电器(SSR)。 如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载能力，它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出能力，它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出时，要在单片机输出端的锁存器时，
14、要在单片机输出端的锁存器74LS273与继电器间设置一个与继电器间设置一个OC门驱动器。用以提供较高的驱动电流。如图门驱动器。用以提供较高的驱动电流。如图85所示。所示。图85 开关量继电器隔离电路（2）继电器 双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它也是一种常用的大功率半导体器件，具有弱电控制，它也是一种常用的大功率半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。大的电流。 图图8-6（a）给出了普通小功率双向晶闸管的外形）给出了普通小功率双向晶闸管的外形及引脚排
15、列。及引脚排列。 （a）普通小功率双向晶闸管的外形 （b）结构符号图8-6 双向晶闸管的外形及结构符号（3）双向晶闸管）双向晶闸管 双向晶闸管的结构符号见图双向晶闸管的结构符号见图8-6（b）。三个电极分别是）。三个电极分别是T1、T2、G。其特点是，当。其特点是，当G极和极和T2极相对于极相对于T1的电压均为的电压均为正时，正时，T2是阳极，是阳极，T1是阴极。反之，当是阴极。反之，当G极和极和T2极相对于极相对于T1的电压均为负时，的电压均为负时，T1变成阳极，变成阳极，T2为阴极。为阴极。（4）光电隔离固态继电器）光电隔离固态继电器(SSR) 图87 SSR的内部结构框图图88 SSR基
16、本单元电路 固态继电器是将发光二极管与双向晶闸管封装在一起的固态继电器是将发光二极管与双向晶闸管封装在一起的一种新型电子开关。其内部结构框图如图一种新型电子开关。其内部结构框图如图87所示。当发光所示。当发光二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器可分二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器可分为交流固态继电器和直流固态继电器两大类。其基本单元接为交流固态继电器和直流固态继电器两大类。其基本单元接口电路如图口电路如图88所示。所示。图87 SSR的内部结构框图图88 SSR基本单元电路2、 A/D、D/A与单片机之间的隔离措施与单片机之间的隔离措施（1）模拟量隔离）模拟量隔离 对对A/D、D/A变换前后的模拟信号进行隔离，是变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种方法。通常采用隔离型放大器对模拟量常用的一种方法。通常采用隔离型放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足A/D、D/A变换的精度和线性要求。变换的精度和线性要求。图89 数字量隔离 利用若干个锁存器对高速的地址信号、控制信号及数利用若干个锁存器对高速的地址信号、
