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標題: 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 [打印本頁]

作者: 吳鑒鷹    時間: 2014-6-12 13:35
標題: 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
                                             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)、鐘信號也會產生干擾
(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)、地線的處理
(一)、抗干擾方法綜述:    在工業控制 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

來解決

干擾源:主要來自外部電源內部電源,印制板自制干擾,空中周圍電磁場干擾,外部干擾通過I/O 口輸

入等為敘述方便,我們分硬件軟件抗干擾措施來講:

() 硬件抗干擾措施

1. 交流程穩壓:使電網電壓穩定

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,初次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大

,次級外屏蔽層接印板地,這是硬件抗干擾的關鍵手段

4. 次級加低通濾波器:吸收變壓器產生的浪涌電壓

5. 采用集成式直流穩壓電源:因為有過流過壓過熱等保護

6. I/O 口光電磁電繼電器隔離:去掉公共地

7. 通訊線用雙絞線: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,但電源的波動對MCU而言卻很敏感,比如說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的瓷片電容來濾除高頻干擾,因為電解電容對超過幾十KHZ的高頻干擾不起作用。這就是為什么經常在電源并上電容的原因14.確實很重要,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;電流大的線路,銅線必須得足夠粗。15.一般單片機項目我們都是在電源端口處一個10uf電解電容和一個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)、鐘信號也會產生干擾    在MCU中時鐘信號也會產生干擾,時鐘信號不僅是受噪聲干擾最敏感的部位,同時也是CPU 對外發射輻射干擾和引起內部干擾的噪聲源。

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

(1) 時鐘脈沖電路配置時應注意靠近CPU ,引線要短而粗。

(2) 外部時鐘源用的芯片VCCGND之間可接1μF 左右的去耦電容。

(3) 在可能的情況下,用地線包圍振蕩電路,晶體外殼接地。

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

開關信號檢測線和模擬信號檢測線可以使用屏蔽雙膠線,來抵御靜電和電磁感應干擾;特殊的干擾源也可以用屏蔽線連接,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,使監控裝置與現場僅保持信號聯系,但不直接發生電的聯系。

    隔離的實質是把引進的干擾通道切斷。從而達到隔離現場干擾的目的。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我又想起之前,我們做的一個產品上,蜂鳴器的鳴叫響聲達不到標準要求,就特意把蜂鳴器驅動部分做了實驗,研究改變參數對蜂鳴器的鳴叫影響。蜂鳴器是感性器件,在通斷電時候會產生反向電動勢能,這個可能導致損壞元件,而且會干擾其它電路,通過電源直接進入到MCU中。有些芯片由于內部電路的關系確實這樣子的,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    另外說道這個加電容,記得以前做產品時,看到MCU datasheet上有這么一說,某個引腳沒有被用到,不能直接NC,要通過一個電容連接到地GND

  圖片1(五)、上下電干擾   上下電干擾:但每個MCU 系統在上電時候都要經過這樣一個過程,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 是超不穩定狀態的。

    在系統加電時候,系統電源電壓是從0V 上升到額定電壓的,比如當電壓到2V 時候,MCU 開始工作了,但這時是超不穩定的工作,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)過壓、欠壓、停電: 當Δt>1s時產生的干擾,解決辦法是使用各種穩壓器、電源調節器,對短時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時產生

     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量級時產生的干擾,

  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量級時產生的干擾,可加2~3節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力電源分開。

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、次級線圈短路,而后引出一個頭接地)。各初級、次級間的靜電屏蔽與初級間的零電位線相接,再用電容耦合接地。如圖所示: 圖片2 過程通道是系統輸入、輸出以及單片機之間進行信息傳輸的路徑。由于輸入輸出對象與單片機之間的連接線長,容易串入干擾,必須采用隔離技術、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施抑制。2、開關量隔離     有一種就是接光耦,我們做電機類項目的時候,MCU與大功率電機控制區之間是要用光耦進行隔離的,防止大電流燒壞MCU引腳,常用的開關量隔離器有光電隔離器、繼電器、光電隔離固態繼電器(SSR)1)光電隔離器

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

  圖片5OC門驅動器。用以提供較高的驅動電流。平時的干擾一般是信號高低跳變是產生的尖峰,一般在芯片旁邊加上一個旁路電容,而且是盡可能靠近芯片的旁路電容就能解決,但是在工業應用或者室外,久不久還是會出現干擾的情況,你的加上拉方法試過,有改善,但是貌似改善的算是一半多點,還是有一半的情況出現誤動作,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,我來說說軟件干擾吧

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


看門狗抗干擾:失控的程序進入“死循環”,通常都是采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環”。通過不斷檢測程序循環運行時間,若發現程序循環時間超過最大循環運行時間,則認為系統陷入“死循環”,需進行出錯處理。


    “看門狗”技術可由硬件實現,也可由軟件實現。 在工業應用中,嚴重的干擾有時會破壞中斷方式控制字,關閉中斷。系統無法定時“喂狗”,硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這個問題

(八)、印制板工藝抗干擾:

. 電源線加粗,合理走線接地,三總線分開: 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: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. 多用查詢代替中斷,把中斷源減到最少:中斷信號連線不大于0.1 ,防止誤觸發感應觸發

2. A/D 轉換采用數字濾波:平均法,比較平均法等:防止突發性干擾

3. MCS-51 單片機空單元寫上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. 開機自檢 自診斷,RAM 中重要內容要分區存放,經常進行比較檢查,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. 加看門狗,軟件走飛可從頭開始

8. 開關信號延時去抖動

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 表決比較等措施,防止通訊出錯(三).這個濾波電容主要是在PCB layout時,要注意位置,基本上所有小電容都要靠近引腳 (九)、地線的處理MCU的抗干擾,那就不得不說地線的處理1、選擇單點接地與多點接地。當信號頻率小于1MHz時,應盡量采用單點并聯接地,實際布線有困難時,可以部分串聯后再并聯接地;當頻率大于10MHz時,適合采用多點串聯接地;當信號頻率在1~10MHz之間時,若地線長度不超過波長的1/20,可用單點接地 圖片6 2、數字地、模擬地、電源地等分開走線,在一個點上可靠連接 圖片7MCU的抗干擾,那就不得不說地線的處理1、選擇單點接地與多點接地。當信號頻率小于1MHz時,應盡量采用單點并聯接地,實際布線有困難時,可以部分串聯后再并聯接地;當頻率大于10MHz時,適合采用多點串聯接地;當信號頻率在1~10MHz之間時,若地線長度不超過波長的1/20,可用單點接地 圖片8 2、數字地、模擬地、電源地等分開走線,在一個點上可靠連接

圖片93、接地線應盡量加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。一般接地線寬度應在2~3mm以上。地線、電源線與信號線的關系是:地線>電源線>信號線4、 使數字電路的接地線形成閉環路。5、高頻部分盡量采用大面積包圍式地線以上若有不當之處,還請各位大俠指教3、接地線應盡量加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。一般接地線寬度應在2~3mm以上。地線、電源線與信號線的關系是:地線>電源線>信號線4、 使數字電路的接地線形成閉環路。5、高頻部分盡量采用大面積包圍式地線



作者: 吳鑒鷹    時間: 2014-6-27 14:36
歡迎大家補充!!!
作者: pcbkey    時間: 2015-1-31 18:13
謝謝樓主分享




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