單片機系統(tǒng)的抗干擾技術

單片機系統(tǒng)的抗干擾技術第1頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1干擾源及其分類一、干擾的含義所謂干擾,一般是指有用信號以外的噪聲,在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化現(xiàn)象。這些變化迫使信號的傳輸值、指示值或輸出值出現(xiàn)誤差,出現(xiàn)假像。干擾對電路的影響,輕則降低信號的質量,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性;重則破壞電路的正常功能,造成邏輯關系混亂,控制失靈。第2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月二、干擾源的分類1.從干擾的來源劃分1)內部干擾內部干擾是應用系統(tǒng)本身引起的各種干擾,包括固定干擾和過渡干擾兩種。固定干擾是指信號間的相互串擾、長線傳輸阻抗失配時反射噪聲、負載突變噪聲以及饋電系統(tǒng)的浪涌噪聲等。過渡干擾是指電路在動態(tài)工作時引起的干擾。第3頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2)外部干擾外部干擾是由系統(tǒng)外部竄入到系統(tǒng)內部的各種干擾。包括某些自然現(xiàn)象（如閃電、雷擊、地球或宇宙輻射等）引起的自然干擾和人為干擾（如電臺、車輛、家用電器、電器設備等發(fā)出的電磁干擾,以及電源的工頻干擾）。一般來說,自然干擾對系統(tǒng)影響不大,而人為干擾則是外部干擾的關鍵。第4頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.1內部和外部干擾示意圖第5頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月①裝置開口或隙縫處進入的輻射干擾(輻射)②電網變化干擾(傳輸)③周圍環(huán)境用電干擾(輻射、傳輸、感應)④傳輸線上的反射干擾(傳輸)⑤系統(tǒng)接地不妥引入的干擾(傳輸、感應)⑥外部線間串擾(傳輸、感應)⑦邏輯線路不妥造成的過渡干擾(傳輸)⑧線間串擾(感應、傳輸)⑨電源干擾(傳輸)10強電器引入的接觸電弧和反電動勢干擾(輻射、傳輸、感應)11內部接地不妥引入的干擾(傳輸)12漏磁感應(感應)13傳輸線反射干擾(傳輸)14漏電干擾(傳輸)第6頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.按干擾出現(xiàn)的規(guī)律劃分固定干擾2)半固定干擾3)隨機干擾第7頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.從干擾與輸入信號的關系劃分串模干擾

2)共模干擾圖9.2串模干擾和共模干擾(a)串模干擾；(b)共模干擾第8頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.3串模干擾與共模干擾波形(a)直流信號；(b)串模干擾；(c)共模干擾；(d)串模干擾與共模干擾共同作用第9頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月表9.1常見干擾的種類第10頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2干擾對單片機系統(tǒng)的影響圖9.4干擾入侵單片機系統(tǒng)的途徑第11頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月13F4A274MOVC,2EH.413F6E544MOVA,44H13F83402ADDCA,＃213FA13RRCA13FBF544MOV44H,A13FD9274MOV2EH.4,C第12頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月如果干擾使程序計數(shù)器PC出錯,在某時刻變?yōu)?3F5H,CPU將執(zhí)行如下程序片段,掉進一個死循環(huán)而不能自拔:13F574E5MOVA,＃0E5H13F74434ORLA,＃34H13F902113F5LJMP13F5H第13頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3硬件抗干擾技術9.3.1串模干擾的抑制方法一、光電隔離圖9.5二極管、三極管光電耦合器第14頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.輸入輸出隔離1)脈沖電路的應用門電路將不同電位的信號,加到光電耦合器上,構成簡單的邏輯電路,可方便地用于各種邏輯電路相連的輸入端,能把信號送到輸出端,而輸入端的噪聲不會送出。2)整形放大在測量微弱電流時,常常采用由光電耦合器構成的整形放大器。若放大器中使用機械換流器(或場效應管)時,響應速度慢,有尖峰干擾,影響電路工作。采用光電耦合器就沒有這樣的問題,尖峰噪聲可以去掉。第15頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.6可控硅感性負載開關電路第16頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月二、硬件濾波電路圖9.7四種濾波器的結構圖第17頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月三、過壓保護電路在輸入通道上采用一定的過壓保護電路,以防引入高壓,損壞系統(tǒng)電路。過壓保護電路由限流電阻和穩(wěn)壓管組成,穩(wěn)壓值以略高于最高傳送信號電壓為宜。對于微弱信號（0.2V以下）,采用兩支反并聯(lián)的二極管,也可起到過壓保護作用。第18頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月四、調制解調技術有時,有效信號的頻譜與干擾的頻譜相互交錯,使用一般硬件濾波很難分離,可采用調制解調技術。先用已知頻率的信號對有效信號進行調制,調制后的信號頻譜應遠離干擾信號的頻譜區(qū)域。傳輸中各種干擾信號很容易被濾波器濾除,被調制的有效信號經解調器解調后,恢復原狀。有時,不用硬件解調,運用軟件中的相關算法,也可達到解調的目的。第19頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月五、抗干擾穩(wěn)壓電源(1)應用系統(tǒng)的供電線路和產生干擾的用電設備分開供電。(2)通過低通濾波器和隔離變壓器接入電網,如圖9.8所示。(3)整流組件上并接濾波電容。濾波電容選用1000pF~0.01μF的瓷片電容,接法參見圖9.8。(4)采用高質量的穩(wěn)壓電源。第20頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.8抗干擾穩(wěn)壓電源第21頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月六、數(shù)字信號采用負邏輯傳輸干擾源作用于高阻線路上,容易形成較大幅度的干擾信號,而對低阻線路影響要小一些。在數(shù)字系統(tǒng)中,輸出低電平時內阻較小,輸出高電平時內阻較大。如果我們采用負邏輯傳輸,就可以減少干擾引起的誤動作,提高數(shù)字信號傳輸?shù)目煽啃?。?2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2共模干擾的抑制方法一、平衡對稱輸入在設計信號源時盡可能做到平衡和對稱,否則會產生附加的共模干擾。二、選用高質量的差動放大器要求差動放大器具有高增益、低噪聲、低漂移、寬頻帶等特點,以便獲得足夠高的共模抑制比。三、良好的接地系統(tǒng)接地不良時將形成較明顯的共模干擾。如沒有條件進行良好接地,不如將系統(tǒng)浮置起來,再配合采用合適的屏蔽措施,效果也不錯。第23頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月四、系統(tǒng)接地點的正確連接單片機應用系統(tǒng)中存在的地線有:數(shù)字地、模擬地、功率地、信號地和屏蔽地。

1.一點接地和多點接地的應用原則(1)一般高頻電路應就近多點接地,低頻電路應一點接地。在高頻電路中,地線上具有電感,因而增加了地線阻抗,而且地線變成了天線,向外輻射噪聲信號,因此,要多點就近接地。在低頻電路中,接地電路若形成環(huán)路,對系統(tǒng)影響很大,因此應一點接地。第24頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)交流地、功率地與信號地不能公用。流過交流地和功率地的電流較大,會造成數(shù)毫伏、甚至幾伏電壓,這會嚴重地干擾低電平信號的電路,因此信號地與交流地、功率地分開。(3)信號地與屏蔽地的連接不能形成死循環(huán)回路。否則會感生出電壓,形成干擾信號。(4)數(shù)字地與模擬地應分開,最后單點相連。第25頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.印制板的地線布置圖9.9導線的長度寬度與第26頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.10芯片的布置第27頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

五、屏蔽用金屬外殼將整機或部分元器件包圍起來,再將金屬外殼接地,就能起到屏蔽的作用,對于各種通過電磁感應引起的干擾特別有效。屏蔽外殼的接地點要與系統(tǒng)的信號參考點相接,而且只能單點接地,所有具有同參考點的電路必須裝在同一屏蔽盒內。如有引出線,應采用屏蔽線,其屏蔽層應和外殼在同一點接系統(tǒng)參考點。參考點不同的系統(tǒng)應分別屏蔽,不可共處一個屏蔽盒內。第28頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4軟件抗干擾技術9.4.1數(shù)字量I/O通道中的軟件抗干擾一、數(shù)字量輸入方法二、數(shù)字量輸出方法

第29頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.11開關量信號采樣流程第30頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4.2程序執(zhí)行過程中的軟件抗干擾一、程序“跑飛”二、指令冗余三、軟件陷阱則下面三條指令即組成一個“軟件陷阱”:NOPNOPLJMPERR第31頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月“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)MCS-51單片機的中斷向量區(qū)為0003H~002FH,如果系統(tǒng)程序未使用完全部中斷向量區(qū),則可在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件陷阱”,以便能捕捉到錯誤的中斷。如某系統(tǒng)使用了兩個外部中斷INT0、INT1和一個定時器溢出中斷T0,它們的中斷服務子程序入口地址分別為FUINT0、FUINT1和FUT0,即可按下面的方式來設置中斷向量區(qū):第32頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月 ORG0000H0000HSTART:LJMPMAIN;引向主程序入口0003HLJMPFUINT0;INT0中斷服務程序入口006HNOP;冗余指令007HNOP008HLJMPERR;陷阱0013HLJMPFUT0;T0中斷服務程序入口00EHNOP;冗余指令第33頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月00FHNOP;0010HLJMPERR;陷阱0013HLJMPFUINT1;INT1中斷服務程序入口0016HNOP;冗余指令0017HNOP0018HLJMPERR;陷阱001BHLJMPERR;未使用T1中斷,設陷阱001EHNOP;冗余指令001FHNOP0020HLJMPERR;陷阱第34頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月0023HLJMPERR;未使用串口中斷,設陷阱0026HNOP;冗余指令0027HNOP0028HLJMPERR;陷阱002BHLJMPERR;未使用T2中斷,設陷阱002EHNOP;冗余指令002FHNOP0030HMAIN:…;主程序第35頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.未使用的大片EPROM空間程序一般都不會占用EPROM芯片的全部空間,對于剩余未編程的EPROM空間,一般都維持原狀,即其內容為0FFH。0FFH對于MCS-51單片機的指令系統(tǒng)來說是一條單字節(jié)的指令:MOVR7,A。如果程序“跑飛”到這一區(qū)域,則將順利向后執(zhí)行,不再跳躍（除非又受到新的干擾）。因此在這段區(qū)域內每隔一段地址設一個陷阱,就一定能捕捉到“跑飛”的程序。第36頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.表格有兩種表格:一類是數(shù)據(jù)表格,供MOVCA,@A+PC指令或MOVCA,@A+DPTR指令使用,其內容完全不是指令。另一類是散轉表格,供JMP@A+DPTR指令使用,其內容為一系列的3字節(jié)指令LJMP或2字節(jié)指令AJMP。由于表格的內容與檢索值有一一對應的關系,在表格中間安排陷阱會破壞其連續(xù)性和對應關系,因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格區(qū)較長,則安排在最后的陷阱不能保證一定能捕捉“跑飛”來的程序,有可能在中途再次“跑飛”,這時只好指望別處的陷阱或冗余指令來捕捉。第37頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月4.程序區(qū)程序區(qū)是由一系列的指令構成的,不能在這些指令中間任意安排陷阱,否則會破壞正常的程序流程。但是,在這些指令中間常常有一些斷點,正常的程序執(zhí)行到斷點處就不再往下執(zhí)行了,這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI,這時PC的值應發(fā)生正常跳變。如果在這些地方設置陷阱就有可能捕捉到“跑飛”的程序。例如,對一個累加器A的內容的正、負和零的情況進行三分支的程序,軟件陷阱安排如下:第38頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月 JNZXYZ … ;零處理AJMPABC ;斷點NOPNOPLJMPERR ;陷阱XYZ:JBACC.7,UVW … ;正處理AJMPABC ;斷點NOPNOPLJMPERR;陷阱UVW:… ;負處理ABC:MOVA,R2 ;取結果RET ;斷點NOPNOPLJMPERR ;陷阱第39頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月四、WATCHDOG如果“跑飛”的程序落到一個臨時構成的死循環(huán)中,冗余指令和軟件陷阱都將無能為力,這時可采取WATCHDOG（俗稱“看門狗”）措施。WATCHDOG有如下特性:(1)本身能獨立工作,基本上不依賴于CPU。CPU只在一個固定的時間間隔內與之打一次交道,表明整個系統(tǒng)“目前尚屬正?！?。(2)當CPU落入死循環(huán)后,能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。第40頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.12硬件WATCHDOG電路第41頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月也可以用軟件程序來形成WATCHDOG。例如,可以采用8031的定時器T0來形成WATCHDOG。將T0的溢出中斷設為高優(yōu)先級中斷,其它中斷均設置為低優(yōu)先級中斷,若采用6MHz的時鐘,則可用以下程序使T0定時約10ms來形成軟件WATCHDOG:MOVTMOD,＃01H;置T0為定時器SETBET0 ;允許T0中斷SETBPT0 ;設置T0為高優(yōu)先級中斷MOVTH0,＃0E0H ;定時約10msSETBTR0 ;啟動T0SETBEA ;開中斷第42頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4.3系統(tǒng)的恢復一、系統(tǒng)的復位如用軟件WATCHDOG使系統(tǒng)復位時,程序出錯有可能發(fā)生在中斷子程序中,中斷激活標志已經置位,它將阻止同級的中斷響應,由于軟件WATCHDOG是高級中斷,它將阻止所有的中斷響應。由此可見清除中斷激活標志的重要性。在所有的指令中,只有RETI指令能清除中斷激活標志。前面提到的出錯處理程序ERR主要是完成這一功能。這部分程序如下:第43頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月ORG3000HERR:CLREA;關中斷MOVDPTR,＃ERR1;準備返回地址PUSHDPLPUSHDPHRETI;清除高優(yōu)先級中斷激活標志ERR1:MOV66H,＃0AAH;重建上電標志MOV67H,＃55HCLRA;準備復位地址PUSHACC;壓入復位地址PUSHACCRETI;清除低級中斷激活標志第44頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.13系統(tǒng)復位策略第45頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱啟動的過程在進行熱啟動時,為使啟動過程能順利進行,首先關中斷并重新設置堆棧。即使系統(tǒng)復位的第一條指令應為關中斷指令。因為熱啟動過程是由軟件復位（如軟件WATCHDOG等）引起的,這時中斷系統(tǒng)未被關閉,有些中斷請求允許正在排隊等待響應;再者，在熱啟動過程中要執(zhí)行各種子程序,而子程序的工作需要堆棧的配合,在系統(tǒng)得到正確恢復之前堆棧指針的值是無法確定的,所以在正式恢復之前要先設置好棧底，即第二條指令應為重新設置棧底指令。然后,將所有的I/O設備都設置成安全狀態(tài),封鎖I/O操作,以免干擾造成的破壞進一步擴大。接著,根據(jù)系統(tǒng)中殘留的信息進行恢復工作。第46頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.14三中取二表決流程三、系統(tǒng)信息的恢復第47頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月首先將要恢復的單字節(jié)信息及它的兩個備份信息分別存放到工作寄存器R2、R3和R4中,再調用表決子程序。子程序出口時,若F0=0,表示表決成功,即三個數(shù)據(jù)中有兩個是相同的;若F0=1,表示表決失敗,即三個數(shù)據(jù)互不相同。表決結果存放在累加器A中,程序如下:VOTE3:MOVA,R3;第一數(shù)據(jù)與第二數(shù)據(jù)比較XRLA,R3;JZVOTE32MOVA,R2;第一數(shù)據(jù)與第三數(shù)據(jù)比較XRLA,R4JZVOTE32第48頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月MOVA,R3;第一數(shù)據(jù)與第三數(shù)據(jù)比較XRLA,R4;JZVOTE31SETBF0;失敗RETVOTE31:MOVA,R3;以第二數(shù)據(jù)為準MOVR2,AVOTE32:CLRF0;成功MOVA,R2;取結果RET第49頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月對于雙字節(jié)數(shù)據(jù),表決前將三份數(shù)據(jù)分別存入R2R3、R4R5、R6R7中,表決成功后,結果在R2R3中。程序如下:VOTE2:MOVA,R2;第一數(shù)據(jù)與第二數(shù)據(jù)比較XRLA,R4JNZVOTE21MOVA,R3XRLA,R5JZVOTE25VOTE21:MOVA,R2;第一數(shù)據(jù)與第三數(shù)據(jù)比較XRLA,R6JNZVOTE22MOVA,R3XRLA,R7JZVOTE25第50頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月VOTE22:MOVA,R4;第二數(shù)據(jù)與第三數(shù)據(jù)比較XRLA,R6JNZVOTE23MOVA,R5XRLA,R7JZVOTE24VOTE23:SETBF0;失敗RETVOTE24:MOVA,R4;以第二數(shù)據(jù)為準MOVR2,AMOVA,R5MOVR3,AVOTE25:CLRF0;成功RET第51頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月9.5數(shù)字濾波數(shù)字濾波有如下優(yōu)點:(1)數(shù)字濾波是由軟件程序實現(xiàn)的,不需要硬件,因此不存在阻抗匹配的問題。(2)對于多路信號輸入通道,可以共用一個軟件“濾波器”,從而降低設備的硬件成本。(3)只要適當改變?yōu)V波器程序或運算參數(shù),就能方便地改變?yōu)V波特性,這對于低頻脈沖干擾和隨機噪聲的克服特別有效。第52頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、低通濾波若一階RC模擬低通濾波器的輸入電壓為X(t),輸出為Y(t),它們之間存在如下關系:為了進行數(shù)字化,必須應用它們的采樣值,即如果采樣間隔Δt足夠小,則式（9-1）的離散值近似為第53頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月即令則式（9-3）可化為(9-3)若采樣間隔Δt足夠小,則,濾波器的截止頻率為第54頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9.15低通濾波器程序流程圖第55頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月為計算方便,a取一整數(shù),（1-a）用256-a來代替。計算結果舍去最低字節(jié)即可,設Yn-1存放在30H（整數(shù)）和31H（小數(shù)）兩單元中,Yn存放在32H（整數(shù)）和33H（小數(shù)）中。程序如下:F1:MOV30H,32H;更新Yn-1MOV31H,33HACALLINPUT;采樣XnMOVB,＃8;計算aXnMULABMOV32H,B;臨時存入Yn中MOV33H,AMOVB,＃248;計算（1-a）Yn-1MOVA,31H第56頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月MULABRLCAMOVA,BADDCA,33H ;累加到Yn中MOV33H,AINCF11INC32HF11:MOVB,＃248MOVA,＃30HMULABADDA,33HMOV33H,AMOVA,BADDCA,32HMOV32,ARET第57頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月二、限幅濾波圖9.16限幅濾波程序流程圖第58頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月PUSHACC ;保護現(xiàn)場PUSHPSWMOVA,＃30H ;Yn→ACLRCSUBBA,31H ;求Yn-Yn-1-1INCLP0 ;Yn-Yn-1≥0嗎？CPLA ;Yn<Yn-1,求補LP0:CLRCCJNEA,＃01H,LP2 ;Yn-Yn-1>ΔY？LP1:MOV32H,30H ;等于ΔY,本次采樣值有效SJMPLP3LP2:JCLP1 ;小于ΔY,本次采樣值有效MOV32H,31H ;大于ΔY,Yn=Yn-1LP3:POPPSWPOPACCRET第59頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月三、中值濾波中值濾波是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n取奇數(shù)）,然后把n次采樣值按大小排列,取中間值為本次采樣值,中值濾波能有效地克服偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。設SAMP為存放采樣值的內存單元首地址,DATA為存放濾波值的內存單元地址,N為采樣值個數(shù),中值濾波程序如下:第60頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月F3:MOVR3,＃N-1;置循環(huán)初值SORT