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干擾是造成單片機測控系統故障的主要原因之一。干擾對系統的影響輕則影響測量與控制精度，重則使工作系統完全失常。要消除干擾必須抓住形成干擾的三要素，即：干擾源、耦合通道和接收設備。 1 干擾因素 在單片機測控系統中，主要存在空間輻射干擾、信號通道干擾、電源干擾和數字電路引起的干擾。抗干擾就是針對干擾的產生性質、傳播途徑、侵入的位置和侵入的形式，采取適當的方法消除干擾源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性，通常需要采取“綜合治理”的措施。 (1)合理選擇元器件 根據電器參數選擇合理器件以滿足系統性能要求。盡量選用集成度高、溫漂小、抗干擾性能好以及功耗小的元器件。 (2)電源干擾的抑制 在交流電網進線端并接壓敏電阻，吸收浪涌電壓，也可防雷。高頻電感與電路電容組成的低通濾波器，可抑制電網引入的高頻噪聲。可采取模擬電路與數字電路的電源分開、電源浮空技術、使用電源隔離變壓器、隔離電源技術和電源濾波技術。在設計濾波器時必須注意讓諧振頻率遠小于干擾頻率。 (3)電場、磁場干擾的抑制 采用由導電性能良好的金屬作屏蔽盒，并接大地，則屏蔽盒內電力線不會影響外部，同時外部的電力線也不會穿透屏蔽盒進入內部，前者可抑制干擾源，后者可阻截干擾的傳輸途徑，起電場隔離的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封閉式結構為妥，并接大地。 (4)接地技術 單片機測控系統中的高頻電路應就近多點接地，低頻電路應一點接地；交流地和信號地不能共用；將系統的各個部分全部與大地浮置起來，但系統中的各機殼接地；對于數字地，印刷板中的地線應成網狀，而且其他布線不要形成環路，特別是環繞外周的環路，印刷板中的條線不能長距離平行，不得已時，應加隔離電極和跨接線或屏蔽；當A/D轉換器的模擬信號較弱時，可采用三線采樣雙層屏蔽浮地技術提高抗共模干擾的能力；系統中的高增益放大電路最好用金屬罩屏蔽起來。將屏蔽體接到放大電路的公共端，將寄生電容短路防止反饋，避免放大器的震蕩；對于功率地，由于地線的電流較大，接地線的線徑應較粗，且與小信號地線分開，連直流地；對于小信號前置放大電路本身采用一點接地，不能一個電路多點接地，A/D前置放大電路一般浮空。內存放大電路的印刷電路板上一點入地，這類放大器的地線一定要遠離功率地和噪聲地。 (5)通道干擾 a)隔離技術 隔離分對模擬信號的隔離和對數字信號的隔離，對數字信號的隔離通常采用光電耦合器。因這種方法信號的傳遞是通過光信號實現的沒有直接的電信號連接，因此隔離了干擾的傳遞途徑，但這種方法隔離不斷輻射，感應干擾，且光電耦器件隔離傳導干擾的能力只有1kV左右。在具體電路設計時在A/D后和D/A前加光電耦合器，其電源與微機的電源必須獨立，地線必須分開，保證微機與現場僅有光的聯系，切斷干擾通路也避免形成環流，對于強干擾或長線傳輸可采用兩次隔離，既可消除干擾，又能解決長線驅動和阻抗匹配等問題。對于模擬信號的隔離，通常采用隔離放大器，利用隔離放大器內的變壓器將信號磁耦合，隔斷通路的線路連接，從而切斷干擾源，也可采用光電耦合器實現模擬信號隔離，即由電壓-頻率轉換器VFC把模擬信號轉換成數字信號再通過光電耦合器隔離，而光電耦合器的輸出信號在由頻率-電壓轉換器FVC轉換成模擬信號。在多點巡回檢測微機系統中若被測信號變化較慢，其多路模擬開關可選用由干簧繼電器或濕簧繼電器做成的電容飛渡式多路模擬開關來切斷被測信號與信號通道的連線，從而起到抗干擾作用。由于負脈沖傳輸抗干擾能力比正脈沖強，所以，一般在長線傳輸時，采用負脈沖傳輸。而且速度不高時，在始端用驅動器比用一般的TTL效果要好。用OC門作雙向總線傳輸可以把輸出端連在一起，直接用來單向、雙向總線傳輸。 b)通道中器件選擇與抗干擾 多路轉換器的輸入常常受到各種環境噪聲的污染，尤其易受到共模噪聲的干擾。在多路轉換器輸入端接入共模扼流圈，可抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲。轉換器高頻采樣時產生的高頻噪聲，應在單片機與A/D之間采用光電耦合器隔離。在傳感器工作環境復雜和惡劣時，應選擇測量放大器，使其在微弱信號系統中廣泛用作前置放大器。為了防止共模噪聲竄入系統可以采用隔離放大器。采樣保持器電路(S/H)在采樣與保持兩種狀態轉換時，會竄入干擾，為了減少誤差，印刷電路布線時，使邏輯輸入端的走線與模擬輸入端盡可能距離遠些，或者將模擬輸入端用地線包圍起來，以降低線間寄生電容耦合和隔斷漏電通路。降低邏輯輸入信號的幅度也可以減少寄生耦合和漏電耦合干擾。配置總線驅動器可提高總線的負載能力，改善信號波形。當總線的負載接近負載總線的驅動能力時，可能會影響總線信號的邏輯電平，可通過連接某I/O線到數據線來改善總線的不平衡程度，提高系統的可靠性。在總線上適當安裝上拉電阻也可提高總線信號傳輸的可靠性。 (6)布線抗干擾設計 為防止長線傳輸中的竄擾，采用交差走線是行之有效的辦法。長線傳送時，功率線、載流線和信號線分開，電位線和脈沖線分開。把空余的輸入端與使用端并聯。把空余的輸入端通過一個電阻接高電平，這種方法適用于慢速、多干擾的場合。把空余的輸入端懸空，用一反相器接地。這種方法適用于要求嚴格的場合。在數字電路的每塊組件上，都要分別裝設高頻去耦電容，而且這些電容應充分靠近集成塊，而不應集中在印刷板上每一端。每塊印刷板的電源引進端也應加去耦電容。直流配電線的引出端應盡量作成低阻抗傳輸線。由于快速邏輯電路產生高頻干擾，所以這些電路均應按高頻電路處理，應將邏輯電路的印刷板良好接地。存儲器的布線抗干擾設計，一般采取的措施有：數據線、地址線、控制線要盡量縮短，以減少對地電容。由于開關噪聲嚴重，要在電源入口處以及每片存儲芯片的VCC與GND之間接入去耦電容。由于負載電流大，電源線和地線要加粗，走線盡量短。印制板兩面的三總線互相垂直，以防止總線之間的電磁干擾。總線的始端和終端要配置合適的上拉電阻，以提高高電平噪聲容限，增加存儲器端口在高阻狀態下抗干擾能力和削弱反射波干擾。三總線與其他擴展板相連接時，通過三態緩沖門后連接。可以有效防止外界電磁干擾，改善波形和削弱反射干擾。 (7)軟件抗干擾措施 a)數字濾波技術 通常使用的方法有：算術平均法、中值法、抑制脈沖算術平均法、一階慣性濾波法、程序判斷濾波法和遞推平均濾波法等。 b)軟件冗余 對于條件控制系統，對控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為多采樣、處理控制輸出。可有效地消除偶然干擾。 c)設置軟件陷阱 當由于干擾使操作系統失控而進入非程序區時，用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址，在此處將程序轉向專門對程序出錯進行處理的程序，使程序納入正軌。 d)重要指令冗余 對程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、LCALL、JZ、JC、JNC等)和某些對系統工作狀態起重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重復寫上這些指令，以確保這些指令的正確執行。 e)“看門狗”技術 PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序進入“死循環”。指令冗余技術、軟件陷阱技術不能使失控的程序擺脫“死循環”的困境，通常采用程序監視技術，又稱“看門狗”技術(Watchdog)，“看門狗”技術就是不斷監視程序循環運行時間，若發現時間超過已知的循環設定時間，則認為系統陷入了“死循環”，然后強迫程序返回到0000H入口，在0000H處安排一段出錯處理程序，使系統運行納入正軌。在設計看門狗時可設計兩個定時器，一個為短定時器，一個為長定時器，并各自獨立，短定時器像典型看門狗一樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反映速度，長定時器的定時大于CPU執行一個主循環程序的時間，用來防止看門狗失效。 f)數據的保護與恢復技術 在編寫程序的過程中，對于由指令改變結果性質的數據，可以考慮在每次改變后都盡可能地保護起來，以便必要時恢復。有時計算機在強 制復位后，I/O端口和特殊寄存器SFR中的內容都將變成芯片出廠時的設定值，這很有可能引起系統的運行混亂。因此單片機在重新啟動后，應當首先執行數據恢復程序，把控制端口等重要寄存器被保護的內容恢復還原。 g)NOP的使用 在雙字節和3字節指令之后插入兩個單字節NOP指令，這可保證指令不被拆散。因為“亂飛”的程序即使落到操作數上，由于兩個空操作指令NOP的存在，不會將其后的指令當操作數執行，從而使程序納入正軌。 |
