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1、单片机应用系统的第1页，本讲稿共20页1引言引言在单片机的应用系统中，系统的抗干扰技术是系统在单片机的应用系统中，系统的抗干扰技术是系统可靠性的重要方面。一个系统的正确与否，不仅取可靠性的重要方面。一个系统的正确与否，不仅取决于系统的设计思想和方法，同时还取决于系统的决于系统的设计思想和方法，同时还取决于系统的抗干扰措施，不然势必会出现原理正确而系统稳定抗干扰措施，不然势必会出现原理正确而系统稳定性差，甚至不能实施，使得耗费了大量钱财和时间性差，甚至不能实施，使得耗费了大量钱财和时间研制出来的控制系统成为一种摆设，电脑变成了研制出来的控制系统成为一种摆设，电脑变成了“烦恼烦恼”。正因如此，抗干
2、扰技术的研究越来越引起。正因如此，抗干扰技术的研究越来越引起大家的高度重视。大家的高度重视。以下为本人在多年单片机控制系统设计和应用中拾以下为本人在多年单片机控制系统设计和应用中拾取的一些抗干扰的经验体会。取的一些抗干扰的经验体会。第2页，本讲稿共20页2单片机系统中硬件抗干扰设计单片机系统中硬件抗干扰设计 一个好的电路设计，应在设计过程中充分考虑抗干扰性的要求。分析系统中可能引起干扰的部件，采取必要的硬件抗干扰措施，抑制干扰源、切断干扰传播途径。第3页，本讲稿共20页21抑制干扰源常用措施抑制干扰源常用措施（1 1 1 1）电路板上每个）电路板上每个）电路板上每个）电路板上每个ICICICI
3、C要并接一个要并接一个要并接一个要并接一个0 0 0 0010101010 0 0 01F1F1F1F高频电高频电高频电高频电 容，减容，减容，减容，减小小小小ICICICIC对电源的影响。注意高频电容的布线应靠近电源端，并对电源的影响。注意高频电容的布线应靠近电源端，并对电源的影响。注意高频电容的布线应靠近电源端，并对电源的影响。注意高频电容的布线应靠近电源端，并尽量短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波尽量短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波尽量短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波尽量短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果效果效果效果;（2
4、2 2 2）模拟信号传输的阻抗匹配）模拟信号传输的阻抗匹配）模拟信号传输的阻抗匹配）模拟信号传输的阻抗匹配;（3 3 3 3）模拟信号的简单滤波）模拟信号的简单滤波）模拟信号的简单滤波）模拟信号的简单滤波;（4 4 4 4）运放电源的处理）运放电源的处理）运放电源的处理）运放电源的处理;（5 5 5 5）避免）避免）避免）避免90909090折线，减小高频噪声发射折线，减小高频噪声发射折线，减小高频噪声发射折线，减小高频噪声发射;（6 6 6 6）在可控硅两端并接）在可控硅两端并接）在可控硅两端并接）在可控硅两端并接RCRCRCRC抑制电路，减小可控硅噪声抑制电路，减小可控硅噪声抑制电路，减小
5、可控硅噪声抑制电路，减小可控硅噪声;（7 7 7 7）给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动）给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动）给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动）给继电器线圈增加续流二极管，消除断电时产生的反电动势势势势;（8 8 8 8）在继电器接点两端并接火花抑制电路，（一般为）在继电器接点两端并接火花抑制电路，（一般为）在继电器接点两端并接火花抑制电路，（一般为）在继电器接点两端并接火花抑制电路，（一般为RCRCRCRC串联串联串联串联电路，电阻一般为几几十电路，电阻一般为几几十电路，电阻一般为几几十电路，电阻一般为几几十kkkk，电容为，
6、电容为，电容为，电容为0 0 0 001F01F01F01F）减小电火花）减小电火花）减小电火花）减小电火花影响影响影响影响;（9 9 9 9）给电机加滤波电路，注意电容、电感连线要尽量靠近电机。）给电机加滤波电路，注意电容、电感连线要尽量靠近电机。）给电机加滤波电路，注意电容、电感连线要尽量靠近电机。）给电机加滤波电路，注意电容、电感连线要尽量靠近电机。第4页，本讲稿共20页22切断干扰传播途径措施切断干扰传播途径措施（1 1）充分考虑电源对单片机的影响。给单片机电源加滤波电）充分考虑电源对单片机的影响。给单片机电源加滤波电路，减小电源噪声对单片机的干扰。路，减小电源噪声对单片机的干扰。（2
7、 2）若用单片机的）若用单片机的I IO O口来控制电机等噪声器件，在口来控制电机等噪声器件，在I IO O口与噪口与噪声源之间应加滤波电路，或进行光电隔离。声源之间应加滤波电路，或进行光电隔离。（3 3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。隔离起来，晶振外壳接地并固定。（4 4）电路板合理分区，如数字信号、模拟信号尽可能使干扰源与敏）电路板合理分区，如数字信号、模拟信号尽可能使干扰源与敏感器件远离。感器件远离。（5 5）用地线将数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，）用地线将数字区与模拟
8、区隔离，数字地与模拟地分离，最后接在一点接于电源地。最后接在一点接于电源地。（6 6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互之间的干）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互之间的干扰。扰。（7 7）在单片机）在单片机I IO O口、电源线、电路板连线等关键地方使用抗口、电源线、电路板连线等关键地方使用抗干扰元件，如磁环、电源滤波器、屏蔽罩等。干扰元件，如磁环、电源滤波器、屏蔽罩等。第5页，本讲稿共20页23提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减小对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。小
9、对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。常用措施：常用措施：（1 1）布线时尽量减少回路面积，降低感应噪声；）布线时尽量减少回路面积，降低感应噪声；（2 2）布线时电源线与地线尽量粗。除减小压降外，更重要）布线时电源线与地线尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声；的是降低耦合噪声；（3 3）对单片机的闲置）对单片机的闲置I IO O，不能悬空，应接地或电源，其他，不能悬空，应接地或电源，其他ICIC的闲置口一样；的闲置口一样；（4 4）加单片机硬件看门狗电路；）加单片机硬件看门狗电路；（5 5）满足要求的前提下，尽量降低单片机晶振和选用低速数字）满足要求的前提下，尽量降低单片机
10、晶振和选用低速数字电路；电路；（6 6）ICIC器件尽量直接焊在电路板上，少用器件尽量直接焊在电路板上，少用ICIC座。座。第6页，本讲稿共20页3单片机系统软件的抗干扰单片机系统软件的抗干扰一般来讲，窜入微机测控系统的干扰，其频谱往往很宽，采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会进入系统。因此，除了采取硬件抗干扰方法外，还要采取软件抗干扰措施。第7页，本讲稿共20页31模拟输入信号抗干扰模拟输入信号抗干扰叠加在系统模拟输入信号上的噪声干扰，会导致较大的测量误差。但由于这些噪声的随机性，可以通过数字滤波技术剔除虚假信号，求去真值。常用方法如下：第8页，本讲稿共20页（1）算
11、术平均滤波法算术平均滤波法就是连续取N个值进行采样，然后求其平均值。该方法适应于对一般具有随机性干扰的信号进行滤波。这种滤波法的特点是：N值较大时，信号的平滑度好，但灵敏度低；当N值较小时，平滑度低，但灵敏度高。第9页，本讲稿共20页（2）递推平均滤波法该方法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度为N，每进行一次新的测量，就把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据。计算N个数据的平均值。对周期性的干扰，此方法有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低。但对偶发脉冲的干扰抑制作用差。第10页，本讲稿共20页（3）防脉冲干扰平均值滤波法在脉冲干扰比较严重的场合，如果采用一般的平均滤波法，则干扰将会
12、“平均”到结果中去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。为此，在N个采样数据中，取掉最大值和最小值，然后计算N2个数据的算术平均值。为了加快测量速度，N一般取值为4。第11页，本讲稿共20页32“死机死机”现象的克服现象的克服当干扰通过总线或其他口线作用到当干扰通过总线或其他口线作用到CPUCPU时，就会造成程序时，就会造成程序计数器计数器PCPC值的改变，引起程序混乱，使系统失控。因此，值的改变，引起程序混乱，使系统失控。因此，在设计单片机系统时，如何发现在设计单片机系统时，如何发现CPUCPU受到干扰，并尽可能受到干扰，并尽可能无扰地使系统恢复到正常工作状态是软件设计应考虑的主无扰
13、地使系统恢复到正常工作状态是软件设计应考虑的主要问题。要问题。无论何种控制系统，一般讲，死机现象都是不允许的。无论何种控制系统，一般讲，死机现象都是不允许的。克服死机现象最有效的办法就是采用单片机加硬件看门狗克服死机现象最有效的办法就是采用单片机加硬件看门狗电路电路,但仍然有死机现象，分析原因，可能有以下方面：但仍然有死机现象，分析原因，可能有以下方面：第12页，本讲稿共20页（1 1）因为某种原因，程序混乱后，看门狗电路虽然发出了复位脉冲，）因为某种原因，程序混乱后，看门狗电路虽然发出了复位脉冲，但在程序刚刚正常还来不及发出一个脉冲信号，此时程序再次被干扰，但在程序刚刚正常还来不及发出一个脉
14、冲信号，此时程序再次被干扰，而这时看门狗电路已处于稳态，不能再发出复位脉冲。而这时看门狗电路已处于稳态，不能再发出复位脉冲。（2 2）程序进入死循环，在该死循环中，恰好又有看门狗监视）程序进入死循环，在该死循环中，恰好又有看门狗监视I IO O口上操作的指令。而该口上操作的指令。而该I IO O口仍有脉冲信号输出，看门狗检测口仍有脉冲信号输出，看门狗检测不到这种异常情况。不到这种异常情况。（3 3）在有严重干扰时，中断方式控制字有时会受到破坏，导致中）在有严重干扰时，中断方式控制字有时会受到破坏，导致中断关闭。断关闭。第13页，本讲稿共20页 可见，只用硬件看门狗电路是无法确保单片机正常工作的
15、。因此，可采用以下方法作为补充。（1）软件“看门狗”的应用选用定时器T0作为看门狗，将T0的中断定义为最高级中断。看门狗启动后，系统必须及时刷新T0的时间常数。第14页，本讲稿共20页（2 2）指令冗余技术）指令冗余技术NOPNOP的使用的使用在在80318031单片机指令系统中所有指令都不超过单片机指令系统中所有指令都不超过3 3个字节。因个字节。因此，在程序中连续插入此，在程序中连续插入3 3条条NOPNOP指令，有助于降低程序计数器发生错指令，有助于降低程序计数器发生错误的概率。误的概率。重要指令冗余重要指令冗余对于程序流向起决定作用的指令（如对于程序流向起决定作用的指令（如RETRET
16、，RETIRETI，ACALLACALL，LJMPLJMP，JZJZ等）和某些对系统工作状态有重要作用的指令（如等）和某些对系统工作状态有重要作用的指令（如SETBEASETBEA等）的后面，可重复写下这些指令，以确保这些指令的正确执等）的后面，可重复写下这些指令，以确保这些指令的正确执行。行。第15页，本讲稿共20页（3 3）软件陷阱法）软件陷阱法单片机系统程序跑飞意味着单片机系统程序跑飞意味着CPUCPU执行不正确流程程序。而当执行不正确流程程序。而当乱飞程序进入非程序区，采用冗余技术无法使程序纳入正确轨道，乱飞程序进入非程序区，采用冗余技术无法使程序纳入正确轨道，此时可采用软件陷阱法，拦
17、截乱飞程序。软件陷阱就是用引导指此时可采用软件陷阱法，拦截乱飞程序。软件陷阱就是用引导指令（如令（如LJMPLJMP）将扑获到的乱飞程序引向复位入口地址）将扑获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H0000H，在此对程序进行出错处理，使其纳入正轨。在此对程序进行出错处理，使其纳入正轨。软件陷阱格式软件陷阱格式NOPNOPNOPNOPLJMP0000HLJMP0000H 软件陷阱安排未使用的中断区；软件陷阱安排未使用的中断区；未使用的大片未使用的大片ROMROM空间；空间；程序区；程序区；中断服务程序区。中断服务程序区。第16页，本讲稿共20页3 33 3系统复位特征系统复位特征系统复位特征系统
18、复位特征单片机应用系统采用看门狗电路后，在一定程度上单片机应用系统采用看门狗电路后，在一定程度上解决了系统死机现象，但是每次发生复位都使系统执行解决了系统死机现象，但是每次发生复位都使系统执行初始化，这在干扰较强的情况下仍不能正常工作。同时初始化，这在干扰较强的情况下仍不能正常工作。同时系统虽然没有死机，但工作状态频繁改变，这同样是不系统虽然没有死机，但工作状态频繁改变，这同样是不能容忍的。能容忍的。理想的复位特征应该是：系统可以鉴别是首次上电理想的复位特征应该是：系统可以鉴别是首次上电复位（又称冷起动），还是异常复位（又称热启动）。复位（又称冷起动），还是异常复位（又称热启动）。首次上电复位
19、则进行全部初始化，异常复位则不需要进首次上电复位则进行全部初始化，异常复位则不需要进行全部初始化，测控程序不必从头开始执行，而应故障行全部初始化，测控程序不必从头开始执行，而应故障部位开始。部位开始。第17页，本讲稿共20页（1 1 1 1）上电标志的设定方法）上电标志的设定方法）上电标志的设定方法）上电标志的设定方法SPSPSPSP建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。PSWPSWPSWPSW5 5 5 5建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。内内内内RAMRAMRAMRAM建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。建立上电标志。（2 2 2 2）软件复位
20、与中断激活标志）软件复位与中断激活标志）软件复位与中断激活标志）软件复位与中断激活标志当系统执行中断服务程序时，来不及执行当系统执行中断服务程序时，来不及执行当系统执行中断服务程序时，来不及执行当系统执行中断服务程序时，来不及执行RETIRETIRETIRETI指令而受干扰跳指令而受干扰跳指令而受干扰跳指令而受干扰跳出该程序后，程序乱飞过程中由软件陷阱或软件出该程序后，程序乱飞过程中由软件陷阱或软件出该程序后，程序乱飞过程中由软件陷阱或软件出该程序后，程序乱飞过程中由软件陷阱或软件“看门狗看门狗看门狗看门狗”将程序将程序将程序将程序引向引向引向引向0000H0000H0000H0000H，显然
21、这时中断激活标志并未清除，这样就会使系，显然这时中断激活标志并未清除，这样就会使系，显然这时中断激活标志并未清除，这样就会使系，显然这时中断激活标志并未清除，这样就会使系统热启动时，不管中断标志是否置位，都不会响应同级中断统热启动时，不管中断标志是否置位，都不会响应同级中断统热启动时，不管中断标志是否置位，都不会响应同级中断统热启动时，不管中断标志是否置位，都不会响应同级中断的请求。因此，由软件陷阱或的请求。因此，由软件陷阱或的请求。因此，由软件陷阱或的请求。因此，由软件陷阱或“看门狗看门狗看门狗看门狗”捕获的程序一定要捕获的程序一定要捕获的程序一定要捕获的程序一定要完成清除完成清除完成清除完
22、成清除 MSC-51MSC-51MSC-51MSC-51系列中中断激活标志，才能消除系统热启动后系列中中断激活标志，才能消除系统热启动后系列中中断激活标志，才能消除系统热启动后系列中中断激活标志，才能消除系统热启动后不响应中断的隐患。不响应中断的隐患。不响应中断的隐患。不响应中断的隐患。（3 3 3 3）程序失控后恢复运行的方法）程序失控后恢复运行的方法）程序失控后恢复运行的方法）程序失控后恢复运行的方法一般来说，主程序是由若干个功能模块组成，每个功能一般来说，主程序是由若干个功能模块组成，每个功能一般来说，主程序是由若干个功能模块组成，每个功能一般来说，主程序是由若干个功能模块组成，每个功能
23、模块入口设置一个标志，系统故障复位后，可根据这些标志模块入口设置一个标志，系统故障复位后，可根据这些标志模块入口设置一个标志，系统故障复位后，可根据这些标志模块入口设置一个标志，系统故障复位后，可根据这些标志选择进入相应的功能模块。这一点对一些自动化生产线的控选择进入相应的功能模块。这一点对一些自动化生产线的控选择进入相应的功能模块。这一点对一些自动化生产线的控选择进入相应的功能模块。这一点对一些自动化生产线的控制系统尤为重要。制系统尤为重要。制系统尤为重要。制系统尤为重要。第18页，本讲稿共20页总之，微机测控系统由于受到严重干扰而发生程序乱总之，微机测控系统由于受到严重干扰而发生程序乱飞、
24、陷入死循环以及中断关闭等故障。系统通过冗余飞、陷入死循环以及中断关闭等故障。系统通过冗余技术、软件陷阱技术和技术、软件陷阱技术和“看门狗看门狗”技术等，使程序重技术等，使程序重新进入新进入0000H0000H单元，纳入正轨。因故障而进入单元，纳入正轨。因故障而进入0000H0000H后，后，系统要执行上电标志判定、系统要执行上电标志判定、RAMRAM数据检查与恢复、清数据检查与恢复、清除中断激活标志等一系列操作，决定入口地址。除中断激活标志等一系列操作，决定入口地址。第19页，本讲稿共20页34睡眠抗干扰睡眠抗干扰 在实际应用中，强干扰的来源往往是系统本身，例如被控负在实际应用中，强干扰的来源
25、往往是系统本身，例如被控负载的中断状态变化等。而这种干扰是可预知的，在软件设计时可载的中断状态变化等。而这种干扰是可预知的，在软件设计时可采取适当措施避开。当系统接通或断开大功率负载时，暂停一切采取适当措施避开。当系统接通或断开大功率负载时，暂停一切数据采集等工作。待干扰过后，再恢复进行。这比单纯在硬件上数据采集等工作。待干扰过后，再恢复进行。这比单纯在硬件上采取抗干扰措施要好的多。采取抗干扰措施要好的多。80318031单片机中有一个电源控制寄存器单片机中有一个电源控制寄存器 PCONPCON。当。当PCONPCON0 01 1时，时，80318031单片机进入等待工作状态。这时单片机进入等
26、待工作状态。这时单片机时钟被封锁，所有单片机时钟被封锁，所有I IO O口引脚均保持进入等待工作方式前口引脚均保持进入等待工作方式前的状态，内部时钟仍然继续供给中断系统定时计数器和串行口、的状态，内部时钟仍然继续供给中断系统定时计数器和串行口、80318031单片机现场（栈指针、程序计数器单片机现场（栈指针、程序计数器PCPC、状态字、状态字PSWPSW、累加、累加器器ACCACC、内部、内部RAMRAM）和其他特殊功能寄存器内容保持不变。）和其他特殊功能寄存器内容保持不变。中断退出和硬件复位均可使中断退出和硬件复位均可使80318031单片机退出睡眠状态。单片机退出睡眠状态。第20页，本讲稿共20页