變頻空調單片機測控系統(tǒng)的抗干擾設計

1引言

隨著科學技術的發(fā)展，單片機在各種家電產品中得到了越來越廣泛的應用，它的穩(wěn)定性工作是衡量其質量好壞的重要指標。因此，有效地抑制單片機系統(tǒng)內部和外部的電磁噪聲干擾，使單片機系統(tǒng)在實際運行環(huán)境中長期可靠地工作，是一個亟待解決的電磁兼容問題。

在我們設計的變頻空調電控系統(tǒng)中，由于其所處環(huán)境比較惡劣，特別是在冬季與夏季強功率運行時，由壓縮機、風機高速運轉所引起的機械振動，電器設備（如斬波器、電動機等）所產生的干擾，室內外環(huán)境的溫差（－20℃～40℃），都會影響單片機系統(tǒng)的正常工作。這就要求在設計單片機系統(tǒng)時必須考慮到各種影響其正常工作的因素，并采取相應的有效措施。當然，單片機系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，但系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標。因此，抗干擾設計是整體設計工作中的一個重要內容。

2硬件的抗干擾設計

實際單片機應用系統(tǒng)中，干擾一般都是以脈沖的形式進入系統(tǒng)的。其主要形式有三種，如圖1所示。

（1）空間場輻射干擾干擾以電磁輻射的形式耦

合進入系統(tǒng)；

（2）電源系統(tǒng)干擾干擾通過地線和電源線進入系

統(tǒng)。地線和電源線是傳導電磁干擾的一個主要通道，這是由于地線和電源線是數(shù)字集成電路所有電流的通路。

（3）過程通道干擾干擾通過與主機的前向通道、后向通道以及與其他主機的相互通道進入系統(tǒng)。[1]

針對這種情況，在控制方法設計上，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法外，還采取了回避和疏導的技術處理，如空間方位分離，以及電氣隔離等措施。

2?1空間場輻射抗干擾措施

空間場輻射干擾主要由數(shù)字信號源產生，一般是由高頻脈沖信號的高次諧波造成的，通常以差模和共模兩種噪聲模式產生輻射。差模噪聲的輻射是高頻噪聲電流在信號電路中流動時產生的，共模噪聲的輻射則是因為電路中的線阻抗或感抗產生的電位差引起的。針對這一情況，采用合理的布線、良好的屏蔽與正確的接地，增加高頻濾波，盡量減小系統(tǒng)中各工作環(huán)節(jié)的阻抗等一系列措施；對于功率模塊和單片機系統(tǒng)的結合部位，采用空間分離的措施，把強電和弱電的結合部位分離開來。使得這一問題得到了良好的解決。

2?2電源系統(tǒng)抗干擾措施

電源系統(tǒng)干擾包括電源干擾和地線干擾。本系統(tǒng)采用220V市電供電，故電網上及其它電器所產生的干擾都會通過電源進入系統(tǒng)。主要采用了以下幾種解決辦法：

圖1單片機系統(tǒng)主要干擾渠道

圖2系統(tǒng)抗干擾設計總圖 

圖3光耦合器的應用

圖4光耦合器的應用

（1）采用隔離電源消除各功能模塊間的相互影響，提高抗干擾的能力；

（2）使用低通濾波器電源系統(tǒng)的干擾源大部分是高次諧波，因此利用低通濾波器濾掉高次諧波，以改善電源波形；

（3）采用分散獨立的功能塊供電在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成芯片，如7805等集成穩(wěn)壓電源。每個功能塊單獨對電源進行過載保護，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng)遭到破壞，且減少了公共阻抗的相互耦合和公共電源的相互耦合，大大提高了供電可靠性，也有利于電源散熱。

地線干擾通常表現(xiàn)為外部干擾通過公共地線進入主機系統(tǒng)，數(shù)字地線的干擾還表現(xiàn)為邏輯地的不等電位。因此，單片機系統(tǒng)的地線布置相當重要。解決地線干擾的辦法是正確處理好地線隔離問題，同時為了避免模擬電路引入的噪聲通過地阻抗對數(shù)字電路產生影響，數(shù)字地與模擬地應分開布線，單點連接。

將以上原則應用于實際系統(tǒng)的設計中，本系統(tǒng)采用了如圖2所示的電源、地線抗干擾設計。

2?3過程通道抗干擾措施

過程通道主要是單片機系統(tǒng)本身和外圍器件所產生的聯(lián)系。前向接口、后向接口與主機以及主機之間相互進行信息傳輸?shù)穆窂?，它的干擾主要是長線傳輸?shù)母蓴_。系統(tǒng)中解決的辦法是采取光電耦合的措施。

光電耦合是采用半導體光電耦合器件進行隔離。它的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種干擾，使輸入電路中的干擾信號不能直接從電路上進入輸出電路，從而使過程通道上信噪比大大提高。光電耦合有很強的抗干擾能力，原因如下：

（1）光電耦合的輸入阻抗很小，一般只有100Ω～1kΩ之間，而干擾源內阻很大，通常為100kΩ～100MΩ之間，因此分壓到光電耦合器輸入端的噪聲很小；

（2）干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但能量小，只

能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，即使有很高電壓幅值的干擾由于不能提供足夠的電流而被吸收；

（3）光電耦合是在密封條件下實現(xiàn)輸入電路和輸

出電路的光耦合，不會受到外界光線的干擾；

（4）輸入電路和輸出電路之間分布電容極小，一

般為0.5～2pF之間，而且絕緣電阻極大。因此，電路一邊的干擾很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。[2]

系統(tǒng)主要在三種情況下應用了光電耦合器。其一是室內機信號由CPU的P2?1腳經過光耦輸入到通信線上去，如圖3所示。為了使光耦兩端的輸入和輸出電平與各自的電路匹配，將光耦兩邊的電源分別置為各自電路的電源。電路中的＋12V電源通過一個1kΩ的電阻接光耦的輸入端，這個電阻作為光耦通路中的限流電阻，通過光耦輸入端的電流大小為I=12mA。因為電流傳輸率接近100％，故在輸出一側使220V電源通過一個22kΩ的電阻，I′=220/22k=10mA，略小于輸入端電流。第二個應用光電耦合的地方是室內機接收室外機的信號處。第三個應用光電耦合的場合是單片機輸出驅動PG電機處，如圖4所示。其原理分析完全同上，不再贅述。

從以上的分析看出，通過AC/AC隔離電源和光電耦合電路，使以單片機為核心的中央處理控制系統(tǒng)與外界完全隔離開來，極大地提高了系統(tǒng)運行的抗干擾能力，如圖5所示。 

3軟件的抗干擾設計

單片機在惡劣的環(huán)境中工作時，干擾源不僅會影響到硬件系統(tǒng)的正常工作，也常常會使系統(tǒng)的軟件運行發(fā)生混亂。因此系統(tǒng)的抗干擾問題不能完全靠硬件去解決，軟件的抗干擾設計也是一項重要措施。當系統(tǒng)受到干擾時，可能使單片機的程序跑飛，改變程序指針PC值，從而使程序進入死循環(huán)而不能正常工作；也可能改變單片機內部特殊功能寄存器（SFR）的值使程序狀態(tài)混亂，甚至發(fā)生故障，損壞器件；如果被測量信號受到干擾，則會造成測量值失真。對于這種情況的對策是及時發(fā)現(xiàn)，及時引導程序走向正確位置，或者使系統(tǒng)重新復位開始運行。在本系統(tǒng)中采用了以下措施。

圖5提高系統(tǒng)抗干擾能力的原理框圖

3?1利用冗余指令

當CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。此時，若程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時，便自動納入正規(guī)；若程序彈飛到某一條雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上而繼續(xù)出錯。為此，在對程序流向起著決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。此類指令有RET、RETI、LCALL、LJMP、JNC、JNB、CJNE、DJNZ等。

指令冗余措施可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，但這不能保證在失控期間不出錯，更不能保證程序納入正常軌道后就太平無事了。解決這個問題還必須采用軟件容錯技術，使系統(tǒng)的誤動作減少，并盡可能消除重大誤動作。

3?2設置軟件陷阱

所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。如果把這段程序的入口標號稱為ERR的話，軟件陷阱即為一條LJMPERR的指令，為加強其捕捉效果，一般還在它前面加兩條NOP指令。因此，真正的軟件陷阱由三條指令構成： NOP NOP LJMPERR

軟件陷阱一般安排在下列四種地方：

（1）未使用的中斷向量區(qū)當干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會引起系統(tǒng)程序的混亂，但如果在這些地方布上陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷；

（2）未使用的大片ROM空間對于剩余的大片

未編程的ROM空間，一般都維持原狀（0FFH）。程序彈飛到這一區(qū)域后將順流而下，不再跳躍（除非受到新的干擾）。這時只要每隔一段設置一個陷阱，就能捕捉到彈飛的程序；

（3）表格表格有兩類，一類是數(shù)據(jù)表格；另一類是

散轉表格。由于表格中內容和檢索值有一一對應關系，在表格中安排陷阱將會破壞其連續(xù)性和對應關系，所以只能在表格的最后安排五字節(jié)陷阱（NOPNOPLJMP）；

（4）程序區(qū)程序區(qū)是由一序列執(zhí)行指令構成

的，一般不能在這些指令串中間任意安排陷阱，否則正常執(zhí)行的程序也可能被抓走。在這些指令串中間有一些斷裂點，正常執(zhí)行的程序到此便不會往下繼續(xù)執(zhí)行了，這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等，在它們后面加軟件陷阱。

3?3設置程序運行監(jiān)視系統(tǒng)（WDT）

利用CPU內部的WDT可以實現(xiàn)系統(tǒng)定時復位。在程序正常運行時，每隔一段時間對WDT清零。一旦程序運行不正常，沒有及時給WDT送清零信號，則在WDT計數(shù)溢出時自動將系統(tǒng)復位。所使用的西門子公司生產的C504單片機的WDT溢出時間可人為設定。若晶振用12MHz，其可選時間為512μs～1?1s。本系統(tǒng)設計溢出時間為7ms。

3?4采用軟件濾波

被測信號的抗干擾可以采用“軟件濾波”的方法解決。常用的有：算術平均值法，比較取舍法，中值法，一階遞推數(shù)字濾波法。本系統(tǒng)采用的是比較取舍法。

4結語

經試驗，該系統(tǒng)工作半年多來，運行狀況良好，性能穩(wěn)定，噪音低，沒有出現(xiàn)錯誤及損壞器件現(xiàn)象，取得了良好的效果，達到了預期的目的，證明在系統(tǒng)設計中采用的上述抗干擾措施是行之有效的。