數(shù)據(jù)采集大作業(yè)

1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術摘要：本文主要從單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出發(fā)，從理論方面闡述了硬件和軟件 兩方面所采取的抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可靠性。關鍵詞：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術單片機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅要求有完善的記憶、存貯、識別和控制功能， 如CPU、存儲器、數(shù)字I/O輸入和輸出、串行接口、計數(shù)定時和實時操作系統(tǒng)， 還要求對信號的處理、濾波、A/D和D/A變換器、驅動執(zhí)行機構等，成為一 個完整協(xié)調有特殊功能的工作系統(tǒng)。然而在整個系統(tǒng)中，因其受到多方面的干擾， 影響了系統(tǒng)的可靠性，為了保證系統(tǒng)在各種復雜的環(huán)境中長時間、安全、穩(wěn)定的 運行，必須解決好其一直存在的一個常見關鍵而又難以解決的問題抗干擾問題。

2、在單片機控制系統(tǒng)中，干擾源主要來自來自兩個方面：一是來自系統(tǒng)內部 元器件在工作時產生的干擾，干擾信號通過地址線、電源線、信號線、分布電容 和電感等傳輸，影響系統(tǒng)工作狀態(tài)；二是來自系統(tǒng)外部其他電氣設備產生的干擾， 通過傳導和輻射等途徑影響微機控制系統(tǒng)和應用系統(tǒng)的正常工作。為使單片機控制系統(tǒng)正常工作，在硬件和軟件兩方面均可采取一定抗干擾措施來提高系統(tǒng)的可 靠性。一、硬件抗干擾措施硬件抗技術適合于消除頻率較高信號中的干擾，主要是抵抗空間輻射干擾， 輸入/輸出通道干擾及供電系統(tǒng)的干擾。1硬件看門狗技術使用硬件看門狗的主要目的是防止程序執(zhí)行受到干擾， 不能按正常流程執(zhí)行 的一種監(jiān)視芯片。所謂“看門狗”就

3、是一個定時器，定時時間到，它就輸出一個 信號，使單片機復位。所謂“謂狗”就是把定時器的計數(shù)值清除。只要按時喂狗， 定時器就不會到達定時時間，單片機就不會復位。如果程序“跑飛”，或者進入死循環(huán)，不能按時喂狗，就會復位，使單片機重新開始工作。2屏蔽技術屏蔽技術是利用金屬材料對電磁波具有較好的吸收和反射能力來進行抗干 擾的。屏蔽一般分為3種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)屏蔽的 要求選用好的金屬材料制成設備外殼，從根本上屏蔽外部的干擾信號。另外根據(jù) 導線之間電耦合、磁耦合及電磁耦合產生相互干擾的機理， 在儀器布線方面應做 到：強電的纜線必須單獨走橋架，絕對不能和信號線挨在一起；努力使強電線

4、纜 與弱電信號線正交；不能避開的平行走線，應保持強電纜線與弱信號線的距離。 使用連接線方面應做到：針對電場耦合引起的干擾，采用無網孔的鋁箔屏蔽電纜 且使兩端引線外露部分盡量短、同軸電纜單端接地；此外在干擾源周圍加上屏蔽 體且將屏蔽體一點接地，可把電場形成的干擾源屏蔽掉，使之對鄰近導線或回路 不產生干擾且可抑制磁場對弱電信號回路可能造成的干擾。3.接地抗干擾技術各種儀器設備都需要接地，所謂接地就是將某點與一個等電位點或等電位面 用低電阻導線連接起來，構成一個基準電位。接地的目的在于消除公共地線阻抗 所產生的共阻抗耦合干擾，并避免受磁場和電位差的影響，防止形成地電流環(huán)路 與其它電路產生磁耦合干擾。

5、但是值得注意的是地線也是引入干擾的重要通道。 在一個較大的測控系統(tǒng)中，往往包括各種測試儀器，其中既有高頻信號，又有低 頻信號；既有強電電路，又有弱電電路；既有開關動作的設備，又有極為敏感的 弱電信號裝置。因此，不同類型的信號電路應有不同的地線，如信號地線、信號 源地線、負載地線。對于同一類信號電路中，一般有一個共同的接地系統(tǒng)，但有 時也要根據(jù)信號電路的不同采取不同的接地形式，如串聯(lián)單點接地、并聯(lián)單點接地及多點接地。 串聯(lián)單點接地公共地線并非理想的純導線，具有一定的電阻，這一點容易被人們忽視。即 使是導線的電阻很小，也會在電路間形成干擾。各電路接地電壓都受到其它電路 電流的影響。采用這種接地方式

6、時，弱信號電路放在最近處接地。但從抑制電阻 耦合角度看，這種接地方式最不可取。 并聯(lián)單點接地這種方式可以避免電阻耦合干擾，因為各電路的接地電位只與自身電流有 關，不受其它電路電流影響。這種接地方式最適用于低頻。 多點接地對于高頻電路，應采用多點接地方式。地線系統(tǒng)一般是與機殼相連接的扁粗 金屬導體或機殼本身，也常用導電條連成網或是一塊金屬網板作為地線。為了降 低電路的地電位，每個電路的地線應盡可能縮短，以降低接地線阻抗。多點接地 系統(tǒng)的優(yōu)點是電路構成比單點接地簡單，而且由于接地線短，接地線上可能出現(xiàn) 的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。但要注意的一點是由于多點接地后，設備內部會增加 許多地線回路，它們對低電

7、平信號的電路會引起干擾， 帶來不良影響。綜合起來 考慮，通常接地方式可以這樣選擇：頻率低于 IMHz時可采用一點接地方式，高 于10MHz時應采用多點接地。在110MHz之間，如采用一點接地，其地線長 度不得超過波長的1/20,否則應采用多點接地。4隔離技術隔離技術是抑制干擾的有效的手段之一。為防止高電壓、大電流、大功率等強電或長輸電線上產生的各種干擾信號進入儀器儀表內部，影響正常工作,可使信息傳輸?shù)穆窂皆陔姎馍细綦x，亦即隔離前后兩部分線路之間無電氣上的連接，在電 氣上是互相獨立的兩個系統(tǒng)，各自有獨立的電源和參考電位，互相間毫不相關，靠 非電方式來傳送信息。對于模擬量輸入信號，則許多場合下采用

8、調制-解調式隔離 放大器、運算放大器等，模擬量輸出信號隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔 離法等，對于數(shù)字信號,可以采用光電隔離的辦法。較之模擬信號，數(shù)字信號的抗干 擾能力較強，但也有采用模/數(shù)變換隔離的方法，即在現(xiàn)場就地進行模/數(shù)轉換， 利用模/數(shù)轉換器將易受干擾的模擬信號轉換為數(shù)字信號進行傳輸，在接收端再采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過程中的抗干擾能力。5電路板布局布線(1) 注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量短。用地線把時鐘區(qū)隔離起來晶振外殼接地并固定。此措施可以解決許多疑難問題。(2) 用地線把數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接與電 源地。A/D、D/A芯片布線也

9、以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列 時已考慮此要求。(3) 充分考慮電源對控制芯片的影響。電源做的好，整個電路的抗干擾就解決了 一大半。許多控制芯片對電源噪聲很敏感，要給芯片組的電源加濾波電路或 穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對芯片組的干擾。比如，可利用磁珠和電容組成n形 濾波器，當然要求不高時也可以用100Q電阻帶替磁珠。(4) 控制芯片和大功率輸出器件的地線要單獨接地已減少相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。電路板合理分區(qū)如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源(如電機，繼電器)與敏感器件(如單片機)遠離。(5) 布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。盡可能縮短信號線的傳輸

10、長度。可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產生的噪聲。若條件允許，在雙面 印制板布線時，正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號和時鐘信號，在其傳輸印制電路背面盡 可能加大接地面積，這樣由于平行導線間的分布電容在導線接近地平面時會 變小的緣故，信號線之間串音干擾會減小。6其他措施(1) 去耦電容芯片電源進線盡可能接一個104 (0.1uF)或103(0.01uF)的去耦電容(可以 用陶瓷電容，目前使用較多的是獨石電容)。每隔5個芯片左右安置一個110uF 的膽(電解)電容，因為這種電容的高頻阻抗很小，對噪聲抑制效果很好。(2) 續(xù)流二極管在繼電器兩端加續(xù)流二極管，消除線圈斷開時產生的反電動勢干擾。 僅加續(xù) 流二

11、極管會使繼電器的斷開時間滯后，若再增加穩(wěn)壓二極管，則可改善響應速度， 消除滯后性。在繼電器觸點兩端應并接火花抑制電路，減小電火花影響。(3) 瞬態(tài)電壓抑制器TVS瞬態(tài)電壓抑制器(Transient VOItage Suppress。，簡稱TVS)，使用TVS二極 管進行浪涌保護比使用壓敏電阻優(yōu)越得多，具有響應時間快，瞬態(tài)功率大，漏電流低，擊穿電壓偏差小，箝位電壓易于控制等優(yōu)點，有效保護電子線路中的精密 元器件，免受各種浪涌脈沖對元器件造成的損壞。二、軟件抗干擾措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于單片機可能受到強烈的干擾，導致數(shù)據(jù)采集誤差加 大、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾產生變化等。我們可以采用一系列的軟件

12、抗干擾 措施來預防上述情況的發(fā)生。1數(shù)據(jù)采集誤差的軟件措施在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過采用數(shù)值、邏輯運算處理來達到濾波的效果。下面介紹 幾種常用的簡便有效的數(shù)據(jù)采集方法：(1) 算術平均值法。對某一點的數(shù)據(jù)連續(xù)采集多次，計算其平均值，作為該點的采樣結果(一般取35次平均即可)。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對 采集結果的影響。(2) 比較舍取法。當控制系統(tǒng)測量結果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，可采用比較舍取法，即對每個采樣點連續(xù)采集數(shù)次，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定舍 取辦法來剔除偏差數(shù)據(jù)。例如：“采三取二”即對每個采樣點連續(xù)采樣3次, 取2次相同數(shù)據(jù)為采樣結果。(3) 中值法。根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或

13、偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采 集多次，并對這些采樣值進行比較，取中值作為該點的采樣結果。(4) 一階遞推數(shù)字濾波法。這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實 現(xiàn)用軟件方法替代硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為：Yn=QX n+(l-Q)Y n-1式中：Q數(shù)字濾波器的時間常數(shù)；X第n次采樣時的濾波器輸入；Yn第n次采樣時的濾波器輸出。在實際應用中，選取何種方法，應根據(jù)信號的變化規(guī)律而定，以使數(shù)據(jù)采集 誤差的消除得到滿意的效果。2控制狀態(tài)失靈的軟件措施在大量的單片機控制系統(tǒng)中，人們關注的問題是：能否確保正常的控制狀態(tài)。 如果干擾進入系統(tǒng)，會影響各種控制條件，造成控制輸出失誤，或直接影響

14、輸出 信號，造成控制失誤。為了確保系統(tǒng)安全，可以采取下述軟件抗干擾措施：(1) 軟件冗余。在條件控制系統(tǒng)中，對控制條件的一次采樣，處理控制輸出改 為循環(huán)采樣處理輸出。這種方法對慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因 素干擾的作用。(2) 設置當前輸出狀態(tài)寄存單元。當干擾侵入輸出通道，輸出狀態(tài)破壞時，系 統(tǒng)能及時查詢寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時糾正輸出狀態(tài)。(3) 設置自檢程序。單片機內的特定部位或某些內存單設狀態(tài)標志，在開機后，進行不斷的循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。(4) 采用時間片方法。由于輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，從而使系統(tǒng)資源被某一任務模塊長期占用，而不釋放，造

15、成系統(tǒng)“死鎖”問題。所謂“時間片”方法是：根據(jù)不同的外設對時間的要求，分配相應的最大正 常的I/O時間。在每一 I/O的任務模塊中，加入相應的超時判斷程序，若由于干 擾破壞了接口的狀態(tài)造成計算機中心處理機誤操作后，就會出現(xiàn)超時，使系統(tǒng)從該任務模塊程序中自動返回，避免“死鎖”情況發(fā)生。3使用數(shù)據(jù)冗余技術實現(xiàn)存儲器內容的自救在實時控制過程中，干擾造成比較嚴重的危害之沖毀存儲器中的數(shù)據(jù)，由于存儲器中保存的是各種原標志、變量等，如果被破壞，會造成系統(tǒng)出錯或無法運 單片機實時控制系統(tǒng)而言，存儲器中的大部分數(shù)據(jù)是行分析、比較而臨時寄存的， 不允許丟失的數(shù)據(jù)也只占容的極少部分，大部分內容允許短時破壞，最多只引起 一個很短時間的波動，很快能自動恢復正常。因此在實中，只要注意對少數(shù)不允 許丟失數(shù)據(jù)進行保護，一般常法有“校驗法”和“設標法”。校驗法比較繁瑣，但查找錯信度高。設標法簡單，但對數(shù)據(jù)區(qū)中個別數(shù)據(jù)沖毀的以查找錯誤， 在編 程中一般應綜合作用，其具體做法為：(1) 在存儲器工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設置志碼。