提高單片機設計的10個細節(jié)

• 前言

• 1 干擾對單片機應用系統(tǒng)的影響

• 1.1測量數(shù)據(jù)誤差加大

• 1.2 控制系統(tǒng)失靈

• 1.3 影響單片機RAM存儲器和E2PROM等

• 1.4 程序運行失常

• 2 如何提高我們設備的抗干擾能力

• 2.1 解決來自電源端的干擾

• 2.2 模擬信號采樣抗干擾技術

• 2.3 數(shù)字信號傳輸通道的抗干擾技術

• 2.4 硬件監(jiān)控電路

• 2.5 PCB電路合理布線

• 2.6 軟件抗干擾原理及方法

• 3 總結

前言

隨著單片機的發(fā)展，單片機在家用電器、工業(yè)自動化、生產過程控制、智能儀器儀表等領域的應用越來越廣泛。

然而處于同一電力系統(tǒng)中的各種電氣設備通過電或磁的聯(lián)系彼此緊密相連，相互影響，由于運行方式的改變，故障，開關操作等引起的電磁振蕩會波及很多電氣設備。

這對我們單片機系統(tǒng)的可靠性與安全性構成了極大的威脅。單片機測控系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠運行，否則將導致控制誤差加大，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大損失。

因此單片機的抗干擾問題已經成為不容忽視的問題。

1 干擾對單片機應用系統(tǒng)的影響

1.1測量數(shù)據(jù)誤差加大

干擾侵入單片機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在測量信號上，會使數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是檢測一些微弱信號，干擾信號甚至淹沒測量信號。

1.2 控制系統(tǒng)失靈

單片機輸出的控制信號通常依賴于某些條件的狀態(tài)輸入信號和對這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的狀態(tài)信號受到干擾，引入虛假狀態(tài)信息，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失靈。

1.3 影響單片機RAM存儲器和E2PROM等

在單片機系統(tǒng)中，程序及表格、數(shù)據(jù)存在程序存儲器EPROM或FLASH中，避免了這些數(shù)據(jù)受干擾破壞。但是，對于片內RAM、外擴RAM、E2PROM?中的數(shù)據(jù)都有可能受到外界干擾而變化。

1.4 程序運行失常

外界的干擾有時導致機器頻繁復位而影響程序的正常運行。若外界干擾導致單片機程序計數(shù)器PC值的改變，則破壞了程序的正常運行。

由于受干擾后的PC 值是隨機的，程序將執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入“死循環(huán)”，這將使輸出嚴重混亂或死機。

2 如何提高我們設備的抗干擾能力

2.1 解決來自電源端的干擾

單片機系統(tǒng)中的各個單元都需要使用直流電源，而直流電源一般是市電電網(wǎng)的交流電經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后產生的，因此電源上的各種干擾便會引入系統(tǒng)。

除此之外，由于交流電源共用，各電子設備之間通過電源也會產生相互干擾，因此抑制電源干擾尤其重要。電源干擾主要有以下幾類：

2.1.1電源線中的高頻干擾（傳導騷擾）

供電電力線相當于一個接受天線，能把雷電、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成對單片機系統(tǒng)的干擾；

解決這種干擾，一般通過接口防護；在接口增加濾波器、或者使用隔離電源模塊解決。

2.1.2 感性負載產生的瞬變噪音（EFT）

切斷大容量感性負載時，能產生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪音干擾，成為電磁干擾的主要形式；

解決這種干擾，一般通過屏蔽線與雙膠線，或在電源接口、信號接口進行濾波處理。

這二種方法都需要在系統(tǒng)接地良好的情況下進行，濾波器、接口濾波電路都必須良好的接地，這樣才能有效的將干擾泄放。

2.2 模擬信號采樣抗干擾技術

單片機應用系統(tǒng)中通常要對一個或多個模擬信號進行采樣，并將其通過A/D轉換成數(shù)字信號進行處理。

為了提高測量精度和穩(wěn)定性；

1. 要保證傳感器本身的轉換精度；
2. 傳感器供電電源的穩(wěn)定；
3. 測量放大器的穩(wěn)定；
4. A/D轉換基準電壓的穩(wěn)定；
5. 要防止外部電磁感應噪聲的影響;

如果處理不當，微弱的有用信號可能完全被無用的噪音信號淹沒。

在實際工作中，可以采用具有差動輸入的測量放大器，采用屏蔽雙膠線傳輸測量信號，或將電壓信號改變?yōu)殡娏餍盘?，以及采用阻容濾波等技術。

2.3 數(shù)字信號傳輸通道的抗干擾技術

數(shù)字輸出信號可作為系統(tǒng)被控設備的驅動信號（如繼電器等），數(shù)字輸入信號可作為設備的響應回答和指令信號（如行程開關、啟動按鈕等）。

數(shù)字信號接口部分是外界干擾進入單片機系統(tǒng)的主要通道之一。

在工程設計中，對數(shù)字信號的輸入/輸出過程采取的抗干擾措施有：

1. 傳輸線的屏蔽技術，如采用屏蔽線、雙膠線等；
2. 采用信號隔離措施；
3. 合理接地，由于數(shù)字信號在電平轉換過程中形成公共阻抗干擾，選擇合適的接地點可以有效抑制地線噪聲。

2.4 硬件監(jiān)控電路

在單片機系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行，增強抗干擾能力，需要配置硬件監(jiān)控電路，硬件監(jiān)控電路從功能上包括以下幾個方面：

1. 上電復位：保證系統(tǒng)加電時能正確地啟動；
2. 掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產生復位信號對系統(tǒng)進行復位；
3. 電源監(jiān)測：供電電壓出現(xiàn)異常時，給出報警指示信號或中斷請求信號；
4. 硬件看門狗：當處理器遇到干擾或程序運行混亂產生“死鎖”時，對系統(tǒng)進行復位。

2.5 PCB電路合理布線

PCB板設計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB 設計時，必須遵守PCB 設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。下面著重說明兩點：

2.5.1關鍵器件放置

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。

1. 時鐘發(fā)生器、晶振和CPU 的時鐘輸入端都易產生噪聲，要相互靠近些；
2. CPU 復位電路、硬件看門狗電路要盡量靠近CPU相應引腳；
3. 易產生噪聲的器件、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。
   

2.5.2 D/A、A/D 轉換電路地線的正確連接

D/A、A/D 芯片及采樣芯片均提供了數(shù)字地和模擬地，分別有相應的管腳。

在線路設計中，必須將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連，但數(shù)字地與模擬地僅在一點上相連。另外，也可以采用屏蔽保護，屏蔽可用來隔離空間輻射。

對噪聲特別大的部件（如變頻電源、開關電源）可以用金屬盒罩起來以減少噪聲源對單片機的干擾，對容易受干擾的部分，可以增加屏蔽罩并接地，使干擾信號被短路接地。

2.6 軟件抗干擾原理及方法

盡管我們采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號產生的原因錯綜復雜，且具有很大的隨機性，很難保證系統(tǒng)完全不受干擾。

因此，往往在硬件抗干擾措施的基礎上，采取軟件抗干擾技術加以補充，作為硬件措施的輔助手段。軟件抗干擾方法具有簡單、靈活方便、耗費低等特點，在系統(tǒng)中被廣泛應用。

2.6.1 數(shù)字濾波方法

數(shù)字濾波是在對模擬信號多次采樣的基礎上，通過軟件算法提取最逼近真值數(shù)據(jù)的過程。數(shù)字濾波的的算法靈活，可選擇權限參數(shù)，其效果往往是硬件濾波電路無法達到的。

2.6.2 輸入信號重復檢測方法

輸入信號的干擾是疊加在有效電平信號上的一系列離散尖脈沖，作用時間很短。

當控制系統(tǒng)存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可用軟件重復檢測的方法，達到“去偽存真”的目的，直到連續(xù)兩次或連續(xù)兩次以上的采集結果完全一致時方為有效。

若信號總是變化不定，在達到最高次數(shù)限額時，則可給出報警信號。對于來自各類開關型傳感器的信號，如限位開關、行程開關、操作按鈕等，都可采用這種輸入方式。

如果在連續(xù)采集數(shù)據(jù)之間插入延時，則能夠對付較寬的干擾。

2.6.3 輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法

開關量輸出軟件抗干擾設計，主要是采取重復輸出的方法，這是一種提高輸出接口抗干擾性能的有效措施。對于那些用鎖存器輸出的控制信號，這些措施很有必要。

在盡可能短的周期內，將數(shù)據(jù)重復輸出，受干擾影響的設備在還沒有來得及響應時，正確的信息又到來，這樣就可以及時防止誤動作的產生。在程序結構的安排上，可為輸出數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在程序的周期性循環(huán)體內將數(shù)據(jù)輸出。

對于增量控制型設備不能這樣重復送數(shù)，只有通過檢測通道，從設備的反饋信息中判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。在執(zhí)行重復輸出功能時，對于可編程接口芯片，工作方式控制字與輸出狀態(tài)字一并重復設置，使輸出模塊可靠地工作。

2.6.4 軟件攔截技術

當竄入單片機系統(tǒng)的干擾作用在CPU 部位時，后果更加嚴重，將使系統(tǒng)失靈。

最典型的故障是破壞程序計數(shù)器PC 的狀態(tài)，導致程序從一個區(qū)域跳轉到另一個區(qū)域，或者程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入“死循環(huán)”。

使用軟件攔截技術可以攔截“亂飛”的程序或者使程序擺脫“死循環(huán)”，并將運行程序納入正軌，轉到指定的程序入口。

2.6.5 “軟件看門狗”技術

PC 受到干擾而失控，引起程序“亂飛”，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。當軟件攔截技術不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境時，通常采用程序監(jiān)視技術WDT TIMER（WDT），又稱看門狗技術，使程序脫離“死循環(huán)”。

WDT 是一種軟、硬件結合的抗程序跑飛措施，其硬件主體是一個用于產生定時T 的計數(shù)器或單穩(wěn)，該計數(shù)器或單穩(wěn)基本獨立運行，其定時輸出端接至CPU 的復位線，而其定時清零則由CPU 控制。

在正常情況下，程序啟動WDT 后，CPU 周期性的將WDT 清零，這樣WDT 的定時溢出就不會發(fā)生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下，CPU 時序邏輯被破壞，程序執(zhí)行混亂，不可能周期性的將WDT 清零，這樣當WDT 的定時溢出時，其輸出使系統(tǒng)復位，避免CPU因一時干擾而陷入癱瘓的狀態(tài)。

3 總結

隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應用和技術的進步，電磁干擾問題越來越突出，推廣現(xiàn)有的、成熟的抗干擾技術，研究抗干擾的新技術、新方向是單片機應用技術的當務之急。在單片機應用系統(tǒng)設計及應用中，只要充分考慮設備的電磁兼容性，并通過各種技術措施來消除干擾，就可以大大提高設備的穩(wěn)定性和可靠性。

作者：陳翀