51單片機(jī)抗干擾技術(shù)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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以MSC-51系列的8031單片機(jī)為例，給出了在軟硬件設(shè)計(jì)的不同階段，對(duì)于不同干擾應(yīng)采取的一些措施。

1引言

在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)可靠性的重要方面。一個(gè)系統(tǒng)的正確與否，不僅取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法，同時(shí)還取決于系統(tǒng)的抗干擾措施，不然勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)原理正確而系統(tǒng)穩(wěn)定性差，甚至不能實(shí)施，使得耗費(fèi)了大量錢財(cái)和時(shí)間研制出來的控制系統(tǒng)成為一種擺設(shè)，電腦變成了“煩惱”。正因如此，抗干擾技術(shù)的研究越來越引起大家的高度重視。

以下為筆者在多年單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中拾取的一些抗干擾的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

2單片機(jī)系統(tǒng)軟件的抗干擾

一般來講，竄入微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的干擾，其頻譜往往很寬，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個(gè)頻率段的干擾，仍有一些干擾會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。

2．1模擬輸入信號(hào)抗干擾

疊加在系統(tǒng)模擬輸入信號(hào)上的噪聲干擾，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。但由于這些噪聲的隨機(jī)性，可以通過數(shù)字濾波技術(shù)剔除虛假信號(hào)，求去真值。常用方法如下：

（1）算術(shù)平均濾波法算術(shù)平均濾波法就是連續(xù)取N個(gè)值進(jìn)行采樣，然后求其平均值。該方法適應(yīng)于對(duì)一般具有隨機(jī)性干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種濾波法的特點(diǎn)是：N值較大時(shí)，信號(hào)的平滑度好，但靈敏度低；當(dāng)N值較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。

（2）遞推平均濾波法

該方法是把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度為N，每進(jìn)行新的測(cè)量，就把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的數(shù)據(jù)。計(jì)算N個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。對(duì)周期性的干擾，此方法有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低。但對(duì)偶發(fā)脈沖的干擾抑制作用差。

（3）防脈沖干擾平均值濾波法

在脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，如果采用一般的平均濾波法，則干擾將會(huì)“平均”到結(jié)果中去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的誤差。為此，在N個(gè)采樣數(shù)據(jù)中，取掉值和值，然后計(jì)算N－2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。為了加快測(cè)量速度，N一般取值為4。

2．2“死機(jī)”現(xiàn)象的克服

當(dāng)干擾通過總線或其他口線作用到CPU時(shí)，就會(huì)造成程序計(jì)數(shù)器PC值的改變，引起程序混亂，使系統(tǒng)失控。因此，在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，如何發(fā)現(xiàn)CPU受到干擾，并盡可能無擾地使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)是軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問題。

無論何種控制系統(tǒng)，一般講，死機(jī)現(xiàn)象都是不允許的?？朔罊C(jī)現(xiàn)象有效的辦法就是采用單片機(jī)工加了硬件看門狗電路后仍然有死機(jī)現(xiàn)象，分析原因，可能有以下方面：

（1）因?yàn)槟撤N原因，程序混亂后，看門狗電路雖然發(fā)出了復(fù)位脈沖，但在程序剛剛正常還來不及發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，此時(shí)程序再次被干擾，而這時(shí)看門狗電路已處于穩(wěn)態(tài)，不能再發(fā)出復(fù)位脈沖。

（2）程序進(jìn)入死循環(huán)，在該死循環(huán)中，恰好又有看門狗監(jiān)視I／O口上操作的指令。而該I／O口仍有脈沖信號(hào)輸出，看門狗檢測(cè)不到這種異常情況。

（3）在有嚴(yán)重干擾時(shí)，中斷方式控制字有時(shí)會(huì)受到破壞，導(dǎo)致中斷關(guān)閉。

可見，只用硬件看門狗電路是無法確保單片機(jī)正常工作的。因此，可采用以下方法作為補(bǔ)充。

（1）軟件“看門狗”的應(yīng)用

選用定時(shí)器T0作為看門狗，將T0的中斷定義為中斷?？撮T狗啟動(dòng)后，系統(tǒng)必須及時(shí)刷新T0的時(shí)間常數(shù)。

（2）指令冗余技術(shù)

①NOP的使用

在8031單片機(jī)指令系統(tǒng)中所有指令都不超過3個(gè)字節(jié)。因此，在程序中連續(xù)插入3條NOP指令，有助于降低程序計(jì)數(shù)器發(fā)生錯(cuò)誤的概率。

②重要指令冗余

對(duì)于程序流向起決定作用的指令（如RET，RETI，ACALL，LJMP，JZ等）和某些對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令（如SETBEA等）的后面，可重復(fù)寫下這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

（3）軟件陷阱法

單片機(jī)系統(tǒng)程序跑飛意味著CPU執(zhí)行不正確流程程序。而當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，采用冗余技術(shù)無法使程序納入正確軌道，此時(shí)可采用軟件陷阱法，攔截亂飛程序。軟件陷阱就是用引導(dǎo)指令（如LJMP）將撲獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，在此對(duì)程序進(jìn)行出錯(cuò)處理，使其納入正軌。

①軟件陷阱格式

NOP

NOP

LJMP0000H

②軟件陷阱安排未使用的中斷區(qū)；

未使用的大片ROM空間；

程序區(qū)；

中斷服務(wù)程序區(qū)。

2．3系統(tǒng)復(fù)位特征

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用看門狗電路后，在一定程度上解決了系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象，但是每次發(fā)生復(fù)位都使系統(tǒng)執(zhí)行初始化，這在干擾較強(qiáng)的情況下仍不能正常工作。同時(shí)系統(tǒng)雖然沒有死機(jī)，但工作狀態(tài)頻繁改變，這同樣是不能容忍的。

理想的復(fù)位特征應(yīng)該是：系統(tǒng)可以鑒別是首次上電復(fù)位（又稱冷起動(dòng)），還是異常復(fù)位（又稱熱啟動(dòng)）。首次上電復(fù)位則進(jìn)行全部初始化，異常復(fù)位則不需要進(jìn)行全部初始化，測(cè)控程序不必從頭開始執(zhí)行，而應(yīng)故障部位開始。

（1）上電標(biāo)志的設(shè)定方法

①SP建立上電標(biāo)志。

②PSW．5建立上電標(biāo)志。

③內(nèi)RAM建立上電標(biāo)志。

（2）軟件復(fù)位與中斷激活標(biāo)志

當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，來不及執(zhí)行RETI指令而受干擾跳出該程序后，程序亂飛過程中由軟件陷阱或軟件“看門狗”將程序引向0000H，顯然這時(shí)中斷激活標(biāo)志并未清除，這樣就會(huì)使系統(tǒng)熱啟動(dòng)時(shí)，不管中斷標(biāo)志是否置位，都不會(huì)響應(yīng)同級(jí)中斷的請(qǐng)求。因此，由軟件陷阱或“看門狗”捕獲的程序一定要完成清除MSC-51系列中中斷激活標(biāo)志，才能消除系統(tǒng)熱啟動(dòng)后不響應(yīng)中斷的隱患。

（3）程序失控后恢復(fù)運(yùn)行的方法

一般來說，主程序是由若干個(gè)功能模塊組成，每個(gè)功能模塊入口設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，系統(tǒng)故障復(fù)位后，可根據(jù)這些標(biāo)志選擇進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。這一點(diǎn)對(duì)一些自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)尤為重要。

總之，微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由于受到嚴(yán)重干擾而發(fā)生程序亂飛、陷入死循環(huán)以及中斷關(guān)閉等故障。系統(tǒng)通過冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)和“看門狗”技術(shù)等，使程序重新進(jìn)入0000H單元，納入正軌。因故障而進(jìn)入0000H后，系統(tǒng)要執(zhí)行上電標(biāo)志判定、RAM數(shù)據(jù)檢查與恢復(fù)、清除中斷激活標(biāo)志等一系列操作，決定入口地址。

2．4睡眠抗干擾

在實(shí)際應(yīng)用中，強(qiáng)干擾的往往是系統(tǒng)本身，例如被控負(fù)載的中斷狀態(tài)變化等。而這種干擾是可預(yù)知的，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)可采取適當(dāng)措施避開。當(dāng)系統(tǒng)接通或斷開大功率負(fù)載時(shí)，暫停一切數(shù)據(jù)采集等工作。待干擾過后，再恢復(fù)進(jìn)行。這比單純?cè)谟布喜扇】垢蓴_措施要好的多。8031單片機(jī)中有一個(gè)電源控制寄存器PCON。當(dāng)PCON．0＝1時(shí)，8031單片機(jī)進(jìn)入等待工33作狀態(tài)。這時(shí)單片機(jī)時(shí)鐘被封鎖，所有I／O口引腳均保持進(jìn)入等待工作方式前的狀態(tài)，內(nèi)部時(shí)鐘仍然繼續(xù)供給中斷系統(tǒng)定時(shí)／計(jì)數(shù)器和串行口、8031單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)（棧指針、程序計(jì)數(shù)器PC、狀態(tài)字PSW、累加器ACC、內(nèi)部RAM）和其他特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變。中斷退出和硬件復(fù)位均可使8031單片機(jī)退出睡眠狀態(tài)。

3單片機(jī)系統(tǒng)中硬件抗干擾設(shè)計(jì)

一個(gè)好的電路設(shè)計(jì)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮抗干擾性的要求。分析系統(tǒng)中可能引起干擾的部件，采取必要的硬件抗干擾措施，抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑。

3．1抑制干擾源常用措施

（1）給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

（2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路，（一般為RC串聯(lián)電路，電阻一般為幾～幾十kΩ，電容為0．01μF）減小電火花影響。

（3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感連線要盡量靠近電機(jī)。

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0．01～0．1μF高頻電容，減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線應(yīng)靠近電源端，并盡量短，否則等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

（5）避免90°折線，減小高頻噪聲發(fā)射。

（6）在可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅噪聲。

3．2切斷干擾傳播途徑措施

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。給單片機(jī)電源加濾波電路，減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。

（2）若用單片機(jī)的I／O口來控制電機(jī)等噪聲器件，在I／O口與噪聲源之間應(yīng)加Ⅱ形濾波電路，或進(jìn)行光電隔離。

（3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

（4）電路板合理分區(qū)，如數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)盡可能使干擾源與敏感器件遠(yuǎn)離。

（5）用地線將數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，接在一點(diǎn)接于電源地。

（6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互之間的干擾。

（7）在單片機(jī)I／O口、電源線、電路板連線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等。

3．3提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件考慮盡量減小對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的