單片機(jī)原理與應(yīng)用電子教案

第9章單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)9.1干擾源及其分類9.2干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響9.3硬件抗干擾技術(shù)9.4軟件抗干擾技術(shù)9.5數(shù)字濾波9.1干擾源及其分類一、干擾的含義所謂干擾,普通是指有用信號(hào)以外的噪聲,在信號(hào)輸入、傳輸和輸出過(guò)程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化景象。這些變化迫使信號(hào)的傳輸值、指示值或輸出值出現(xiàn)誤差,出現(xiàn)假像。干擾對(duì)電路的影響,輕那么降低信號(hào)的質(zhì)量,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性;重那么破壞電路的正常功能,呵斥邏輯關(guān)系混亂,控制失靈。二、干擾源的分類1.從干擾的來(lái)源劃分1)內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾是運(yùn)用系統(tǒng)本身引起的各種干擾,包括固定干擾和過(guò)渡干擾兩種。固定干擾是指信號(hào)間的相互串?dāng)_、長(zhǎng)線傳輸阻抗失配時(shí)反射噪聲、負(fù)載突變?cè)肼曇约梆侂娤到y(tǒng)的浪涌噪聲等。過(guò)渡干擾是指電路在動(dòng)態(tài)任務(wù)時(shí)引起的干擾。2)外部干擾外部干擾是由系統(tǒng)外部竄入到系統(tǒng)內(nèi)部的各種干擾。包括某些自然景象〔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(tái)、車輛、家用電器、電器設(shè)備等發(fā)出的電磁干擾,以及電源的工頻干擾〕。普通來(lái)說(shuō),自然干擾對(duì)系統(tǒng)影響不大,而人為干擾那么是外部干擾的關(guān)鍵。圖9.1內(nèi)部和外部干擾表示圖①安裝開口或隙縫處進(jìn)入的輻射干擾(輻射)②電網(wǎng)變化干擾(傳輸)③周圍環(huán)境用電干擾(輻射、傳輸、感應(yīng))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(yīng))⑥外部線間串?dāng)_(傳輸、感應(yīng))⑦邏輯線路不妥呵斥的過(guò)渡干擾(傳輸)⑧線間串?dāng)_(感應(yīng)、傳輸)⑨電源干擾(傳輸)10強(qiáng)電器引入的接觸電弧和反電動(dòng)勢(shì)干擾(輻射、傳輸、感應(yīng))11內(nèi)部接地不妥引入的干擾(傳輸)12漏磁感應(yīng)(感應(yīng))13傳輸線反射干擾(傳輸)14漏電干擾(傳輸)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(jī)干擾3.從干擾與輸入信號(hào)的關(guān)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)共模干擾圖9.3串模干擾與共模干擾波形(a)直流信號(hào)；(b)串模干擾；(c)共模干擾；(d)串模干擾與共模干擾共同作用表9.1常見(jiàn)干擾的種類9.2干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響圖9.4干擾入侵單片機(jī)系統(tǒng)的途徑13F4A274MOVC,2EH.413F6E544MOVA,44H13F83402ADDCA,＃213FA13RRCA13FBF544MOV44H,A13FD9274MOV2EH.4,C假設(shè)干擾使程序計(jì)數(shù)器PC出錯(cuò),在某時(shí)辰變?yōu)?3F5H,CPU將執(zhí)行如下程序片段,掉進(jìn)一個(gè)死循環(huán)而不能自拔:13F574E5MOVA,＃0E5H13F74434ORLA,＃34H13F902113F5LJMP13F5H9.3硬件抗干擾技術(shù)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1.輸入輸出隔離1)脈沖電路的運(yùn)用門電路將不同電位的信號(hào),加到光電耦合器上,構(gòu)成簡(jiǎn)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(hào)送到輸出端,而輸入端的噪聲不會(huì)送出。2)整形放大在丈量微弱電流時(shí),經(jīng)常采用由光電耦合器構(gòu)成的整形放大器。假設(shè)放大器中運(yùn)用機(jī)械換流器(或場(chǎng)效應(yīng)管)時(shí),呼應(yīng)速度慢,有尖峰干擾,影響電路任務(wù)。采用光電耦合器就沒(méi)有這樣的問(wèn)題,尖峰噪聲可以去掉。圖9.6可控硅感性負(fù)載開關(guān)電路二、硬件濾波電路圖9.7四種濾波器的構(gòu)造圖三、過(guò)壓維護(hù)電路在輸入通道上采用一定的過(guò)壓維護(hù)電路,以防引入高壓,損壞系統(tǒng)電路。過(guò)壓維護(hù)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(hào)電壓為宜。對(duì)于微弱信號(hào)〔0.2V以下〕,采用兩支反并聯(lián)的二極管,也可起到過(guò)壓維護(hù)作用。四、調(diào)制解調(diào)技術(shù)有時(shí),有效信號(hào)的頻譜與干擾的頻譜相互交錯(cuò),運(yùn)用普通硬件濾波很難分別,可采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)。先用知頻率的信號(hào)對(duì)有效信號(hào)進(jìn)展調(diào)制,調(diào)制后的信號(hào)頻譜應(yīng)遠(yuǎn)離干擾信號(hào)的頻譜區(qū)域。傳輸中各種干擾信號(hào)很容易被濾波器濾除,被調(diào)制的有效信號(hào)經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后,恢復(fù)原狀。有時(shí),不用硬件解調(diào),運(yùn)用軟件中的相關(guān)算法,也可到達(dá)解調(diào)的目的。五、抗干擾穩(wěn)壓電源(1)運(yùn)用系統(tǒng)的供電線路和產(chǎn)生干擾的用電設(shè)備分開供電。(2)經(jīng)過(guò)低通濾波器和隔離變壓器接入電網(wǎng),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(jiàn)圖9.8。(4)采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。圖9.8抗干擾穩(wěn)壓電源六、數(shù)字信號(hào)采用負(fù)邏輯傳輸干擾源作用于高阻線路上,容易構(gòu)成較大幅度的干擾信號(hào),而對(duì)低阻線路影響要小一些。在數(shù)字系統(tǒng)中,輸出低電平常內(nèi)阻較小,輸出高電平常內(nèi)阻較大。假設(shè)我們采用負(fù)邏輯傳輸,就可以減少干擾引起的誤動(dòng)作,提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?.3.2共模干擾的抑制方法一、平衡對(duì)稱輸入在設(shè)計(jì)信號(hào)源時(shí)盡能夠做到平衡和對(duì)稱,否那么會(huì)產(chǎn)生附加的共模干擾。二、選用高質(zhì)量的差動(dòng)放大器要求差動(dòng)放大器具有高增益、低噪聲、低漂移、寬頻帶等特點(diǎn),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(shí)將構(gòu)成較明顯的共模干擾。如沒(méi)有條件進(jìn)展良好接地,不如將系統(tǒng)浮置起來(lái),再配合采用適宜的屏蔽措施,效果也不錯(cuò)。四、系統(tǒng)接地點(diǎn)的正確銜接單片機(jī)運(yùn)用系統(tǒng)中存在的地線有:數(shù)字地、模擬地、功率地、信號(hào)地和屏蔽地。1.一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的運(yùn)用原那么(1)普通高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地,低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在高頻電路中,地線上具有電感,因此添加了地線阻抗,而且地線變成了天線,向外輻射噪聲信號(hào),因此,要多點(diǎn)就近接地。在低頻電路中,接地電路假設(shè)構(gòu)成環(huán)路,對(duì)系統(tǒng)影響很大,因此應(yīng)一點(diǎn)接地。(2)交流地、功率地與信號(hào)地不能公用。流過(guò)交流地和功率地的電流較大,會(huì)呵斥數(shù)毫伏、甚至幾伏電壓,這會(huì)嚴(yán)重地干擾低電平信號(hào)的電路,因此信號(hào)地與交流地、功率地分開。(3)信號(hào)地與屏蔽地的銜接不能構(gòu)成死循環(huán)回路。否那么會(huì)感生出電壓,構(gòu)成干擾信號(hào)。(4)數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開,最后單點(diǎn)相連。2.印制板的地線布置圖9.9導(dǎo)線的長(zhǎng)度寬度與圖9.10芯片的布置五、屏蔽用金屬外殼將整機(jī)或部分元器件包圍起來(lái),再將金屬外殼接地,就能起到屏蔽的作用,對(duì)于各種經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)引起的干擾特別有效。屏蔽外殼的接地點(diǎn)要與系統(tǒng)的信號(hào)參考點(diǎn)相接,而且只能單點(diǎn)接地,一切具有同參考點(diǎn)的電路必需裝在同一屏蔽盒內(nèi)。如有引出線,應(yīng)采用屏蔽線,其屏蔽層應(yīng)和外殼在同一點(diǎn)接系統(tǒng)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽,不可共處一個(gè)屏蔽盒內(nèi)。9.4軟件抗干擾技術(shù)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)字量輸出方法圖9.11開關(guān)量信號(hào)采樣流程9.4.2程序執(zhí)行過(guò)程中的軟件抗干擾一、程序“跑飛〞二、指令冗余三、軟件圈套那么下面三條指令即組成一個(gè)“軟件圈套〞:NOPNOPLJMPERR“軟件圈套〞普通安排在以下四種地方。1.未運(yùn)用的中斷向量區(qū)MCS-51單片機(jī)的中斷向量區(qū)為0003H~002FH,假設(shè)系統(tǒng)程序未運(yùn)用完全部中斷向量區(qū),那么可在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件圈套〞,以便能捕捉到錯(cuò)誤的中斷。如某系統(tǒng)運(yùn)用了兩個(gè)外部中斷INT0、INT1和一個(gè)定時(shí)器溢出中斷T0,它們的中斷效力子程序入口地址分別為FUINT0、FUINT1和FUT0,即可按下面的方式來(lái)設(shè)置中斷向量區(qū): ORG0000H0000HSTART:LJMPMAIN;引向主程序入口0003HLJMPFUINT0;INT0中斷效力程序入口006HNOP;冗余指令007HNOP008HLJMPERR;圈套0013HLJMPFUT0;T0中斷效力程序入口00EHNOP;冗余指令00FHNOP;0010HLJMPERR;圈套0013HLJMPFUINT1;INT1中斷效力程序入口0016HNOP;冗余指令0017HNOP0018HLJMPERR;圈套001BHLJMPERR;未運(yùn)用T1中斷,設(shè)圈套001EHNOP;冗余指令001FHNOP0020HLJMPERR;圈套0023HLJMPERR;未運(yùn)用串口中斷,設(shè)圈套0026HNOP;冗余指令0027HNOP0028HLJMPERR;圈套002BHLJMPERR;未運(yùn)用T2中斷,設(shè)圈套002EHNOP;冗余指令002FHNOP0030HMAIN:…;主程序2.未運(yùn)用的大片EPROM空間程序普通都不會(huì)占用EPROM芯片的全部空間,對(duì)于剩余未編程的EPROM空間,普通都維持原狀,即其內(nèi)容為0FFH。0FFH對(duì)于MCS-51單片機(jī)的指令系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一條單字節(jié)的指令:MOVR7,A。假設(shè)程序“跑飛〞到這一區(qū)域,那么將順利向后執(zhí)行,不再騰躍〔除非又遭到新的干擾〕。因此在這段區(qū)域內(nèi)每隔一段地址設(shè)一個(gè)圈套,就一定能捕捉到“跑飛〞的程序。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指令運(yùn)用,其內(nèi)容完全不是指令。另一類是散轉(zhuǎn)表格,供JMP@A+DPTR指令運(yùn)用,其內(nèi)容為一系列的3字節(jié)指令LJMP或2字節(jié)指令A(yù)JMP。由于表格的內(nèi)容與檢索值有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,在表格中間安排圈套會(huì)破壞其延續(xù)性和對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此只能在表格的最后安排圈套。假設(shè)表格區(qū)較長(zhǎng),那么安排在最后的圈套不能保證一定能捕捉“跑飛〞來(lái)的程序,有能夠在中途再次“跑飛〞,這時(shí)只好指望別處的圈套或冗余指令來(lái)捕捉。4.程序區(qū)程序區(qū)是由一系列的指令構(gòu)成的,不能在這些指令中間恣意安排圈套,否那么會(huì)破壞正常的程序流程。但是,在這些指令中間經(jīng)常有一些斷點(diǎn),正常的程序執(zhí)行到斷點(diǎn)處就不再往下執(zhí)行了,這類指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI,這時(shí)PC的值應(yīng)發(fā)生正常跳變。假設(shè)在這些地方設(shè)置圈套就有能夠捕捉到“跑飛〞的程序。例如,對(duì)一個(gè)累加器A的內(nèi)容的正、負(fù)和零的情況進(jìn)展三分支的程序,軟件圈套安排如下: JNZXYZ … ;零處置AJMPABC ;斷點(diǎn)NOPNOPLJMPERR ;圈套XYZ:JBACC.7,UVW … ;正處置AJMPABC ;斷點(diǎn)NOPNOPLJMPERR;圈套UVW:… ;負(fù)處置ABC:MOVA,R2 ;取結(jié)果RET ;斷點(diǎn)NOPNOPLJMPERR ;圈套四、WATCHDOG假設(shè)“跑飛〞的程序落到一個(gè)暫時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中,冗余指令和軟件圈套都將無(wú)能為力,這時(shí)可采取WATCHDOG〔俗稱“看門狗〞〕措施。WATCHDOG有如下特性:(1)本身能獨(dú)立任務(wù),根本上不依賴于CPU。CPU只在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)與之打一次交道,闡明整個(gè)系統(tǒng)“目前尚屬正常〞。(2)當(dāng)CPU落入死循環(huán)后,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。圖9.12硬件WATCHDOG電路也可以用軟件程序來(lái)構(gòu)成WATCHDOG。例如,可以采用8031的定時(shí)器T0來(lái)構(gòu)成WATCHDOG。將T0的溢出中斷設(shè)為高優(yōu)先級(jí)中斷,其它中斷均設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)中斷,假設(shè)采用6MHz的時(shí)鐘,那么可用以下程序使T0定時(shí)約10ms來(lái)構(gòu)成軟件WATCHDOG:MOVTMOD,＃01H;置T0為定時(shí)器SETBET0 ;允許T0中斷SETBPT0 ;設(shè)置T0為高優(yōu)先級(jí)中斷MOVTH0,＃0E0H ;定時(shí)約10msSETBTR0 ;啟動(dòng)T0SETBEA ;開中斷9.4.3系統(tǒng)的恢復(fù)一、系統(tǒng)的復(fù)位如用軟件WATCHDOG使系統(tǒng)復(fù)位時(shí),程序出錯(cuò)有能夠發(fā)生在中斷子程序中,中斷激活標(biāo)志曾經(jīng)置位,它將阻止同級(jí)的中斷呼應(yīng),由于軟件WATCHDOG是高級(jí)中斷,它將阻止一切的中斷呼應(yīng)。由此可見(jiàn)去除中斷激活標(biāo)志的重要性。在一切的指令中,只需RETI指令能去除中斷激活標(biāo)志。前面提到的出錯(cuò)處置程序ERR主要是完成這一功能。這部分程序如下:ORG3000HERR:CLREA;關(guān)中斷MOVDPTR,＃ERR1;預(yù)備前往地址PUSHDPLPUSHDPHRETI;去除高優(yōu)先級(jí)中斷激活標(biāo)志ERR1:MOV66H,＃0AAH;重建上電標(biāo)志MOV67H,＃55HCLRA;預(yù)備復(fù)位地址PUSHACC;壓入復(fù)位地址PUSHACCRETI;去除低級(jí)中斷激活標(biāo)志圖9.13系統(tǒng)復(fù)位戰(zhàn)略二、熱啟動(dòng)的過(guò)程在進(jìn)展熱啟動(dòng)時(shí),為使啟動(dòng)過(guò)程能順利進(jìn)展,首先關(guān)中斷并重新設(shè)置堆棧。即使系統(tǒng)復(fù)位的第一條指令應(yīng)為關(guān)中斷指令。由于熱啟動(dòng)過(guò)程是由軟件復(fù)位〔如軟件WATCHDOG等〕引起的,這時(shí)中斷系統(tǒng)未被封鎖,有些中斷懇求允許正在排隊(duì)等待呼應(yīng);再者，在熱啟動(dòng)過(guò)程中要執(zhí)行各種子程序,而子程序的任務(wù)需求堆棧的配合,在系統(tǒng)得到正確恢復(fù)之前堆棧指針的值是無(wú)法確定的,所以在正式恢復(fù)之前要先設(shè)置好棧底，即第二條指令應(yīng)為重新設(shè)置棧底指令。然后,將一切的I/O設(shè)備都設(shè)置成平安形狀,封鎖I/O操作,以免干擾呵斥的破壞進(jìn)一步擴(kuò)展。接著,根據(jù)系統(tǒng)中殘留的信息進(jìn)展恢復(fù)任務(wù)。圖9.14三中取二表決流程三、系統(tǒng)信息的恢復(fù)首先將要恢復(fù)的單字節(jié)信息及它的兩個(gè)備份信息分別存放到任務(wù)存放器R2、R3和R4中,再調(diào)用表決子程序。子程序出口時(shí),假設(shè)F0=0,表示表決勝利,即三個(gè)數(shù)據(jù)中有兩個(gè)是一樣的;假設(shè)F0=1,表示表決失敗,即三個(gè)數(shù)據(jù)互不一樣。表決結(jié)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,R4JZVOTE32MOVA,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(zhǔn)MOVR2,AVOTE32:CLRF0;勝利MOVA,R2;取結(jié)果RET對(duì)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,表決勝利后,結(jié)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,R7JZVOTE25VOTE22: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(zhǔn)MOVR2,AMOVA,R5MOVR3,AVOTE25:CLRF0;勝利RET9.5數(shù)字濾波數(shù)字濾波有如下優(yōu)點(diǎn):(1)數(shù)字濾波是由軟件程序?qū)崿F(xiàn)的,不需求硬件,因此不存在阻抗匹配的問(wèn)題。(2)對(duì)于多路信號(hào)輸入通道,可以共用一個(gè)軟件“濾波器〞,從而降低設(shè)備的硬件本錢。(3)只需適當(dāng)改動(dòng)濾波器程序或運(yùn)算參數(shù),就能方便地改動(dòng)濾波特性,這對(duì)于低頻脈沖干擾和隨機(jī)噪聲的抑制特別有效。一、低通濾波假設(shè)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(guān)系:為了進(jìn)展數(shù)字化,必需運(yùn)用它們的采樣值,即假設(shè)采樣間隔Δt足夠小,那么式〔9-1〕的離散值近似為即令那么式〔9-3〕可化為(9-3)假設(shè)采樣間隔Δt足夠小,那么,濾波器的截止頻率為圖9.15低通濾波器程序流程圖為計(jì)算方便,a取一整數(shù),〔1-a〕用256-a來(lái)替代。計(jì)算結(jié)果舍去最低字節(jié)即可,設(shè)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X(jué)nMOVB,＃8;計(jì)算aXnMULABMOV32H,B;暫時(shí)存入Yn中MOV33H,AMOVB,＃248;計(jì)算〔1-a〕Yn-1MOVA,31HMULABRLCAMOVA,BADDCA,33H ;累加到Y(jié)n中MOV33H,AINCF11INC32HF11:MOVB,＃248MOVA,＃30HMULABADDA,33HMOV33H,AMOVA,BADDCA,32HMOV32,ARET二、限幅濾波圖9.16限幅濾波程序流程圖PUSHACC ;維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)PUSHPSWMOVA,＃30H ;Yn→ACLRCSUBBA,31H ;求Yn-Yn-1-1INCLP0 ;Yn-Yn-1≥0嗎？CPLA ;Yn<Yn-1,求補(bǔ)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三、中值濾波中值濾波是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)延續(xù)采樣n次〔普通n取奇數(shù)〕,然后把n次采樣值按大小陳列,取中間值為本次采樣值,中值濾波能有效地抑制偶爾要素引起的動(dòng)搖或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。設(shè)SAMP為存放采樣值的內(nèi)存單元首地址,DATA為存放濾波值的內(nèi)存單元地址,N為采樣值個(gè)數(shù),中值濾波程序如下:F3:MOVR3,