綜述單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

ID:1039126 · 發(fā)表于 2024-5-17 11:20

摘要：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)電噴中得到了廣泛的應(yīng)用,然而由于發(fā)動機(jī)工作環(huán)境惡劣，提高控制系統(tǒng)的抗干擾性至關(guān)重要。分析了單片機(jī)干擾的主要來源，并從硬件和軟件抗干擾設(shè)計中總結(jié)了一些取得良好抗干擾性的方法。

在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的過程中，經(jīng)常遇到在實驗室調(diào)整很好的單片機(jī)一到工作現(xiàn)場就會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這主要是由于設(shè)計未充分考慮到外界環(huán)境存在的干擾，如機(jī)械震動、各種電磁波和環(huán)境溫差都會影響硬件系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致電控單元不能正常工作。鑒于此本文較全面分析了干擾單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的因素并結(jié)合自己的研究課題，提出一些可增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性的方法。

1單片機(jī)系統(tǒng)的主要干擾源
系統(tǒng)的干擾源對電子系統(tǒng)的干擾主要是電磁能量干擾。主要內(nèi)外的干擾源是：
（1）無線電設(shè)施的射頻干擾；
（2）發(fā)動機(jī)上的高壓點火線圈向外輻射磁場強(qiáng)度大、頻帶寬的電磁波;
（3）單片機(jī)內(nèi)部的晶振電路是內(nèi)部干擾源之一；
（4）數(shù)字電路本身門電路頻繁的導(dǎo)通、截止造成電源地線電流變化，也會產(chǎn)生很大的高頻電磁干擾，各種開關(guān)電子設(shè)備通斷時產(chǎn)生的急劇變化的電流會產(chǎn)生較寬頻譜干擾；
（5）外界交流電路中產(chǎn)生的工頻干擾亦會影響模擬電路輸出信號的準(zhǔn)確性。
2干擾的耦合方式
干擾源產(chǎn)生的干擾是通過耦合信道對微機(jī)測控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用，因而需要隔離干擾源與控制系統(tǒng)之間的耦合信道。表1列出了干擾源的主要干擾方式及特征。

3單片機(jī)的硬件抗干擾設(shè)計 硬件抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計首選的抗干擾措施，他能有效的抑制干擾源，阻斷干擾的傳輸信道。常用的措施有：濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)。
3.1電源電路的設(shè)計 在本電控系統(tǒng)中，模擬電路電源與邏輯電路電源分離，一是為了去除通過電源耦合邏輯電路產(chǎn)生的干擾進(jìn)入模擬電路，二是為了避免傳感器通過電源耦合對ECU干擾。各功能模塊供電系統(tǒng)如圖1所示，皆采用7812和7805三端穩(wěn)壓集成芯片，且都單獨對電源進(jìn)行負(fù)壓差保護(hù)，這樣不會因其中某一穩(wěn)壓電源出現(xiàn)故障而影響整個系統(tǒng)電路；使用低通濾波器亦可減少以高次諧波為主的干擾源，從而改善電源波形;在輸出端采用了過壓保護(hù)電路。通過上述設(shè)計可極大提高供電的可靠性。圖中D1、D2用于負(fù)壓差保護(hù)，防止壓差擊穿穩(wěn)壓器的be結(jié)使器件永久失效，穩(wěn)壓管WY1、晶閘管Q1用于過壓保護(hù)，電容E1、E2、C1、C2使輸出電壓波紋限制在一定范圍內(nèi)。

3.2模擬電路抗干擾設(shè)計
在硬件電路的設(shè)計中，模擬電路設(shè)計非常重要。發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境溫度變化比較大，因此在模擬電路中應(yīng)選擇低溫漂系數(shù)的集成放大器；在模擬電路里面,共模信號對電路板影響較大，故在模擬電路中采用差動放大電路，可得出兩端輸出信號；接收時，將雙端信號轉(zhuǎn)化為單端信號，可非常有效地抑制共模信號。若電路中輸入信號變化比較大，需在放大器或比較器前加輸入端保護(hù)電路以避免器件的損壞。外界交流電路產(chǎn)生的工頻干擾對模擬信號有較大的影響，在電路中采用有源濾波器和低通濾波器。

3.3選用時鐘頻率低的單片機(jī)
外時鐘是高頻噪聲源，除能引起對本硬件電路產(chǎn)生干擾外，還能對外界產(chǎn)生干擾。因此選用低頻率的單片機(jī)是提高抗干擾性的原則之一。其同為1 μs時，8051單片機(jī)外時鐘為12 MHz，Atmel公司單片機(jī)外時鐘為6 MHz，而Microchip和Motorola的單片機(jī)時鐘頻率為4 MHz。

3.4輸入、輸出隔離
輸入、輸出信號通過隔離可以切斷干擾信道，避免強(qiáng)電流對回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號時，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設(shè)備中。光電耦合器由于結(jié)構(gòu)簡單，比較廣泛用于輸入、輸出隔離信道之中。

3.5屏蔽技術(shù)
屏蔽措施可以防止電子設(shè)備向外輻射干擾電磁波，也可以削弱電磁干擾源對電子設(shè)備的干擾。對于噪聲源較大的開關(guān)電源，可采用雙重屏蔽，即開關(guān)電源內(nèi)部把高頻變壓器和扼流圈進(jìn)行屏蔽，然后對整個開關(guān)電源進(jìn)行屏蔽保護(hù)。3.6去耦電路  數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換在轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供應(yīng)電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴(yán)重干擾。為抑制此干擾，在電源電路、數(shù)字電路和信號處理電路中適當(dāng)配置去耦電容，即形成去耦電路，這樣可旁路集成電路產(chǎn)生的干擾。去耦電容計算可按以下方法計算：
C≥Δi/(Δv/Δt)
其中Δi、Δv為電流、電壓的變化量，Δt為變化的時間。

3.7印刷電路板的設(shè)計
3.7.1組件的布局
  在電路板上元器件按功能集中布置，各功能模塊的組件分開布局且不同模塊分別與對應(yīng)的電源、地線相連，最后集中一點接地。
（1）單片機(jī)和外圍擴(kuò)展電路布置在一起以縮短他們之間資料和地址總線長度，這樣能獲得較好抗干擾效果。
（2）布置邏輯電路時，原則上應(yīng)在出線端子放置高速器件，稍遠(yuǎn)處放置低速器件和內(nèi)存，這樣布置可降低公共阻抗耦合和輻射耦合。
（3）降噪電容應(yīng)靠近各個IC組件。
（4）為了降低外部線路引進(jìn)的干擾，光電耦合器、隔離變壓器和濾波器通常放在靠近出線端子的地方。
3.7.2電路板布線
（1）電源線、地線盡可能粗一點，且電流流向與信號流向一致。
（2）晶振電路應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，石英晶體振蕩器外殼接地，時鐘振蕩電路、特殊高
速電路用地線圈起來。
（3）電路板銅模線盡量使用45°折線而不用90°折線。
（4）避免相鄰信號線的線間干擾和減少信號在傳輸導(dǎo)線上的延遲。
（5）模擬信號避開高頻、大電流器件，重要的模擬信號線采用地線包圍的辦法以減少電磁耦合。

3 8選擇性能良好的組件
測控系統(tǒng)所處的環(huán)境往往有嚴(yán)重的干擾，因此選用性能很好的產(chǎn)品，特別是單片機(jī)晶振、RAM等，最好選用一級品，這樣可提高系統(tǒng)的抗干擾性；為了提高噪聲容限可選用CMOS器件；為了抑制共模干擾可選用測量放大器。3.9提高輸出信號電壓或電流  如果輸入輸出連接線路較長，最好提高傳送電壓或電流，以減少信號的衰減或干擾引起的信號失真。較簡單的方法是在傳送端加一個1488，接收端加一個1489。

4單片機(jī)軟件的抗干擾設(shè)計
盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且有很大的隨機(jī)性，因此在采取硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾措施加以補(bǔ)充。常見的軟件抗干擾技術(shù)有：數(shù)字濾波、指令冗余和“看門狗”技術(shù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視和提高開關(guān)量輸入、輸出干擾。
  系統(tǒng)常見的出錯現(xiàn)象：死機(jī)、被控對象誤操作和定時不準(zhǔn)，他們主要由于內(nèi)部程序指針錯亂使程序進(jìn)入“死循環(huán)”和RAM資料被沖亂或改變導(dǎo)致的。

4.1數(shù)字濾波
當(dāng)干擾疊加輸入信道的模擬信號時，使數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別當(dāng)輸入信道模擬信號較弱時，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。為了消除數(shù)據(jù)采集的誤差，常用算術(shù)平均法、比較取舍法、一階滯后濾波法和中值法，可根據(jù)信號和干擾的規(guī)律，采用最優(yōu)的設(shè)計方法。輸入模擬信號處理如圖2所示，通過數(shù)字濾波器可濾掉大部分由于輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤。

4.2指令冗余和“看門狗”技術(shù)
單片機(jī)受強(qiáng)干擾會造成程序計數(shù)器PC值改變和破壞程序正常運行。針對這一問題可在關(guān)鍵地方插入一些單字節(jié)指令NOP或有效的單字節(jié)指令并用引導(dǎo)指令LJMP MAIN 將捕獲的“亂飛”程序引向復(fù)位入口地址，從而避免程序“亂飛”�？墒怯幸恍皝y飛”程序會導(dǎo)致死循環(huán)，通常采用軟、硬件“看門狗”技術(shù)，“看門狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序運行時間，當(dāng)程序運行出現(xiàn)故障時，計數(shù)器溢出，系統(tǒng)復(fù)位并重新運行系統(tǒng)程序。

4.3提高RAM資料可靠性
電源開啟和斷電及CPU受到干擾有可能破壞RAM中的資料。只有采用資料冗余技術(shù)保護(hù)RAM中的資料。系統(tǒng)復(fù)位后，立即將備用的RAM對重要參數(shù)進(jìn)行自我檢驗和恢復(fù)，從而保護(hù)RAM中的資料。

4.4提高開關(guān)量輸入、輸出抗干擾
控制量有效信號上疊加一系列離散尖脈沖，這種干擾不易用硬件加以抑制，可采用軟件重復(fù)檢測以提高輸入、輸出接口抗干擾性。
5總結(jié)
不同的單片機(jī)系統(tǒng)都有自己的系統(tǒng)要求和特點，在硬件和軟件抗干擾設(shè)計上也各有自己的特色。針對無線電射頻干擾和交流電路工頻干擾等5種主要的干擾源以及干擾的方式，可采用上述的硬件抗干擾措施。對于軟件抗干擾措施，應(yīng)首先了解測量對象和干擾因素，分析干擾的來源，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計有效的抗干擾方法。

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